1b. microestrutura composta de bainita superior e martensita obtida após tratamento isotérmico a 328°C. 1c. microestrutura contendo bainita inferior e martensita após tratamento isotérmico a 280°C. O documento descreve um estudo sobre as microestruturas e propriedades mecânicas de um aço 300M tratado termicamente para produzir misturas de martensita e bainita. Tratamentos isotérmicos em temperaturas próximas ao ponto M levaram à formação de bainita superior

1. LatinAmerican
Journai o/ Metallurgy and Maierials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
Microestrutura e propriedades de misturas de martensita e bainita em aco 300M
Maurizio Ferrante
Departamento de Engenharia de Materiais - Universidade Federal de Sao Carlos, 13560 - Sao Carlos, Brasil.
M. Virginia Altoé
Instituto de Física - Universidade de Sao Paulo, Sao Paulo, Brasil
Microestrut~ras ccmpoetas de.marten~ita; bainitaforam obtidas em um aco 300M utilizando tratamentos isotérmicos em temperaturas pouco acima do MI. posterior resfriamiento em 6leo e revenimento. Microscopia electrónica de transmíseáo mostrou que o tratamento isotérmico a 328°0 originou microestruturas compostas de bainita superior e martensita. enquanto o tratamento a 28000
resul.tou em microestr.uturas contendo bainita inferior. além de martensita. As propriedades mecánicas foram avaliadas através de:
ensaios de tracáo e de Impacto Oharpy. A melhorcombina<;B.ode propriedades foi obtida para uma mistura composta de 20%de bainita
inferior e martensita. Esta microestrutura exibiu resistencia mecánica semelhante a obtida com o tratamento convencional de tempera e revenimento mas resistencia ao impacto Charpy, 50% maior.
S~mples of a 300M steel were isothermally heat treated at temperatures just above the M., oil quenched and tempered giving rise to
mícrostructures composed by a mixture ofbainite and martensite. Transmission electron microscopy revealed that the isothermal heat
treatment performed at 3280Cresulted in the formation of upper bainite and martensite whereas 280°0 originated lower bainite and
martensite. Tensile and impact tests showed that the best combination of properties was achieved by a mixture of about 20%lower bainite and martensite. This microstructure is characterized by tensile properties which are very similar to those obtained on samples
heat treated in accord to the conventional practíce (oil quench and tempering) but showed impact values 70% higher.
INTRODUQAO
A familia de acos denominados "de alta resistencia"
surgiu em resposta
demanda por alto desempenho
mecánico expressa pela Indústria aeronáutica e aeroespacial.
a
Como exemplo citamos os acos "ausforming",
os
"maraging" e alguns microligados como o AISI4340 e o
300M (AMS 6416). Os dois últimos se assemelham bastante, aparte o maior teór de silício e a presenca de vanádio no 300M, este largamente
utilizado na Indústria
aereonáutica
e em vasos de pressao para mísseis. No
cenário nacional vale citar que este aco é empregado na
estrutura
do foguete
SONDA IV, fabricado
pela
AVIBRAS.
A pesar de os acos de alta resistencia se caracterizarem por excelente relacáo resistencia/peso
ainda há justificativas para atividades de pesquisa, visando aumentar sua tenacidade. Por exemplo, Youngblood & Ravaghan [1] e Mc Dermaid [2] propuseram O uso de temperaturas de austenitizacáo mais elevadas, objetivando principalmente a completa dissolucáo dos carbonetos grosseiros. Me Dermaid observou aumentos de KIC da ordem
de 30% para o aco 300M austenitizado a 1165°C com apeo
nas pequeno sacrifício na dutilidade.
a
Com respeito
influencia da austenita retida, a
maioria dos autores interessadosno
problema a consideram negativa, por se desestabilizar
sob esfor<;o mecánico, resultando em martensita nao revenida e, por isto
mesmo, frágil. Para o 300M, Parker [3] observou brusca
diminuicao da tenacidade a partir de temperaturas
de
revenimento da ordem de 350-450°C para amos tras resfriadas em óleo. Além do gráu de estabilidade, isto é, a
capacídade de nao se decompor em martensita, a fracao
volumétrica de austenita retida também parece ser um
fator importante. Parker notou que para o aco 300M o
. tsór de austenita retida era da ordem de 6%, enquanto
resfriamento
ao ar resultava em valores de 30%. Da
observacáo de que a perda de tenacidade era muito maior
no segundo caso é possivel concluir que para resfriamento rápido e revenimento abaixo de 350°C, a influencia
da fase em questáo é pouco importante.
O uso de microestruturas
bainíticas em acos de alta
resisténcai foi comentado e avaliado por Smith & Hehemann [4] e Irvine & Pickering [5]. Os primeiros relacionaram parárnetros
microestruturais
com a resistencia
mecánica de bainita inferior e martensita, tendo comprovado a validade de expressoés empíricas análogas para
ambas as microestruturas.
a
Quanto
tenacidade, já está bem estabelecido que a
bainita superior deixa claramente a desejar, enquanto a
bainita inferior apresenta elevados valores de Krc [6].
Este comportamento
é urna consequencia
directa da
diferente distribuicáo dos carbonetos em urna e outra
microestrutura:
alongados e dispostos ao longo dos contornos de grao das placas de ferrita bainítica no primeiro caso, e precipitados e finamente distribuidos no interior das ripas de ferrita no segundo. Urna comparacáo
direta entre a tenacidade de microestruturas
bainíticas
e microestruturas
martensíticas
foi levada a efeito por
Liu [7] sobre um aco com 0,43%C e adicoes de Ni, Co, V e
Mo. Para valores idénticos de resistencia mecánica, a
bainita inferior exibiu energia de impacto Charpy igual a
80 J (20°C) enquanto a martensita
revenida alcancou
apenas 40 J. Os resultados foram interpretados
em termos da distribuicáo de carbonetos; é importante notar
que o autor ressalta nao ter observado presenca de austenita retida.
A obtencáo de microestruturas
martensita foi tentada por Kunitake
contendo bainita e
e colaboradores
[8]

2. - oamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
via resfriamento con - uo de urna série de acos da família
dos microligado
con :endo
o,
e + B. Os autores
observaram urna melhoria nas propriedades de resistencia e tenacidade
atribuida ao refinamento
do pacote
martensítico.
Esta mesma linha foi recentemente explorada por
Tomita e Okabayashi [8] sobre aco 4340 utilizando transforrnacáo isotérmica incompleta em temperatura
pouco
acima do Mi, seguida de resfriamento em água, refrigeracáo e revenimento a 200°C. Foram obtidas fracoés volumétricas de bainita inferior indo de zero a um, o melhor
desempenho mecánico tendo sido observado para urna
microestrutura
contendo 25-30% daquela fase.
Os autores atribuiram este comportamento
a subdivisáo do grao austenítico original pelas ripas de bainita e
consequente refino do pacote martensítico.
O presente trabalho tem como objetivo a comparacáo das propriedades mecánicas do aco 300M submetido
ao tratamento térmico convencional (tempera + revenimento) e a tratamentos
isotérmicos seguidos por refriamento em óleo, refrigeracáo
e revenimento.
As propriedades mecánicas foram avaliadas pelos ensaios de
tracáo e de impacto Charpy e a microestrutura
foi caracterizada via microscopia ótica e electrónica de transmissáo.
Caracter'iz.acáo
87
microestrutural
A fracáo volumétrica de bainita foi avaliada por
metalografia ótica em amostras atacadas com Nital 2%.
Amostras para microscopia eletrónica de transmíssáo
foram preparadas
por poli mento eletrolítico (ácido acético: ácido perclórico 95:5) de discos com 3mm de diámetro. e observadas
em um microscópio Jeol 100-XC.
Empregou-se
difracáo de Raios-X para avaliar a presenca de austenita retida nas amostras revenidas.
Ensaios
Mecánicós
Os ensaios de tracáo foram executados
em urna
máquina universal INSTRON Mod. 9.51.11 Ma, com
velocidade de travessáo igual a 10N/mrrr /s. Os resultados incluem limite de resistencia (O'R) de eseoamento (O'e)
e alongamento (e). Os ensaios Charpy foram efetuados
com velocidade de impacto igual a 1,42 m/s.
As amostras de tracáo e tenacidade Charpy foram
usinadas mantendo-se respectivamente
a dírecáo maior
e a de propagacáo da trinca, paralelas a direcáo de laminacáo da chapa. Foram ensaidos tres corpos de prova
para cada condícáo.
•
s. RESULTADOS E DISCUSSAO
2. PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAL
Material
Ac;o 300M de fabricacáo nacional (Eletrometal S/ A)
recebido no estado laminado e recozido sob forma de chapas com 3mm de espessura.
Composicáo química: 0,43C - 0.77Mm - 1,78Si 0.80Cr - 1,75Ni - 0,37Mo - 0.02Cu - 0.009P - 0,006S.
(% em peso).
Tratamentos
Térmicos
Todos os tratamentos
foram realizados sobre corpos de prova de tracáo e Charpy confeccionados segundo
a norma ASTM E-8 e em escala reduzida. Norrnalizacao
e austenitizacáo
foram realizadas
a 930°C (0:30 h) e
980°C (1:00 h), respectivamente.
Os tratamentos
isotérmicos foram efetuados em banho de sal, em duas temperaturas e diferentes espacos de tempo:
328°C (O, 210, 340, 540, 2000 segundos)
280°C (O. 300, 420, 540, 1800 segundos)
Em seguida os corpos de prova foram resfriados em
óleo a partir das temperaturas
de transformacáo
acima
discriminados, submetidos a tratamento de refrigeracáo
em nitrogénio líquido (20 hs) e revenidos a 280°C (2 hs).
Tinta protetora e protecáo gasosa (argónio) foram
utilizados na norrnalizacáo e para cada tempo foram tratadas quatro amostras (urna para microscopia e difracáo
de Raios-X e tres para ensaios mecánicos).
Microsestrutura
e
As figuras 1-a, 1-b e l-c mostram aspectos típicos
das amos tras totalmente martensíticas
(M) e das que
contém bainita superior (BS) e bainita inferior (Bl).
Note-se em 1-b as placas de bainita subdividindo a grao
austenítico original. Em quase todos os casos a martensita se apresenta como regiáo escura sugerindo maior
espessura do filme fino. Este efeito é provavelmente causado pelo enriquecimento
por carbono da austenita
remanescente,
durante o crescimento da bainita. Isto
resultou em martensita com alto teór de carbono e portanto resposta diferente a acáo do polimento eletrolítico [9]. Note-se que todas as amostras foram observadas
após o tratamento
sub-zero mas antes do revenimento.
A análise dos difratogramas
de raíos-X, efetuada
sobre amostras revenidas, revelou total ausencia dos
picos de Fe -y. Apesar de a sensibilidade do método nao
permitir a deteccáo de baixos teores daquela fase, é
razoável supor que a proporcáo de austenita retida seja
praticamente
constante nas amostras, e que nao tenha
interferido nos resultados.
A morfologia das amostras transformadas
a 328°C
(figura l-b) sugere urna microestrutura
composta por
martensita e bainita superior. Tal conclusao se justifica
face clássica definicáo de bainita superior e pela comparacáo com as microestruturas
de acos de composicao
semelhante e caracterizadas
como tal [10, 11J. Por outro
lado, a figura 1-c mostra placas de ferrita contendo precipitados em forma de agulha com sua dimensño maior formando um ángulo de aproximadamente
60°C com o eixo
da placa. Esta é a morfologia característica
de bainita
inferior.
a

3. 88
LatinAmeri.can Journal 01 Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
inferior respectivamente.
A figure 2-b mostra a evolucáo
do alongamento corn a fracáo volumétrica dos dois tipos
de bainita. Como era de se esperar, a incorporacáo de
urna fase dútil resulta em maiores valores de alonga. mento das amostras, o efeito sendo mais pronunciado,
para o caso da bainita superior.
a
Tomando em conjunto estes dados, é possivel afirmar que o comportamento
mecánico observado resulta
do efeito competitivo de dois parámetros:
o refino do
pacote martensítico
e o valor da resistencia-base
do
microconstituinte
bainita .
.O efeito combinado destes fatores pode ser examinado no contexto da lei das misturas e principalmente
nos desvios desta lei, aqui observados. Sabe-se que urna
. das variáveis mais importantes
na determinacáo
da
resistencia mecánica da martensita
é o tamanho do
"pacote martensítico"
[13]. Ao final do trata mento isotérmico e imediatamente antes do resfriamento em óleo,
o grao austenítico encontra-se subdivido pelas placas ou
ripas de bainita, o que efetivamente corresponde a uma
dimínuicáo do tamanho de grao, e consequente refino do
pacote martensítico.
b
No entanto o contínuo crescimento da fracáo volumétrica da bainita reflete-se em queda das propriedades
mecánicas. Este comportamento deve-se ao fato de que a
seccáo transversal das amostras é constituida de proporcoés crescentes de urna fase dútil e com resistencia mecánica inferior
da martensita.
a
Vemos assim que as propriedades
mecánicas do
conjunto martensita-bainita
seguem a lei das misturas,
exibindo pórem uma perturbacáo
inicial.
e
Fig. 1.
Micrografias eletrónicas. loa. arnostra martensítiea (39.000 X).
l-b, amostra transformada a 328"C (20.000 X). I-c, amostra
transformada a 280"C (39.000 X).
A relacáo entre duraeáo de transformacáo
isotérmica e proporcáo de bainita está expressa no eixo horizontal da figura 2-a. Vemos que mesmo para ternpos
muito longos a reacáo bainítica é incompleta, confirmando observaeoes anteriores [13].
Propriedades
Mecánicas
Todos os ensaios mecánicos foram efetuados sobre
amostras revenidas. A figura 2 contém os resultados dos
ensaios de traeáo. Em 2-a nota-se que tanto O'R como o; se
mantém razoavelmente constantes para fracoes volumétricas iguais a 0,1 e 0,2, de bainita superior e bainita
As consideracoes pertinentes a lei das misturas sáo
apenas qualitativas face a ausencia de registro dos paramentros relevantes ao seu cálculo. Os resultados expréssos pela figure 2-a sáo porém perfeitamente adecuados a
urna situacáo em que há coexistencia de martensita e
dois tipos diferentes de bainita. Assim, a observacao de
que, para proporcoés idénticas (por exemplo 40%) as
amostras BS e BI exibem tensoes de escoamento iguais a
1150 e 1350 MPa, respectivamente,
está de acordo com o
fato de que a bainita superior caracteriza-se
por menor
resistencia mecánica do que a inferior. De fato, Bush &
Kelly [14] examinaram os mecanismos que controlam a
resistencia de acos bainíticos e enfatizaram o papel das
deslocaeoés (escassas na bainita inferior) e da distribuicáo dos carbonetos (finamente dispersos na bainita inferior e grosseiros na superior), ambos os parámetros
concorrendo para o aumento da resistencia mecánica.
Com relacáo a estes a bainita inferior se caracteriza por
alta densidade de deslocacoés e fina distribuícáo de carbonetos, o que explica sua maior resistencia mecánica,
Os resultados dos ensaios Charpy sáo mostrados na
figura 3. Vemos que a energía de fratura permanece
practicamente constante para as amostras Bs, enquanto
urna melhora progressiva caracteriza o aumento da fracao volumétrica de bainita inferior. As fratografias mostradas na figura 4 evidenciam um modo de fratura misto
para as amostras M e Bs e totalmente dútil para Bi.

4. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
1900
....----
•
.
·1800
1700
o
1600
,.....
"CI
~ 1500
•....•
,~
V')
z
1400
LLJ
t-
1300
•
1200
A Martensita (M)
• T = 280°C
(8)¡
O
T = 320·C
(8)5
1100
o
50
I
O
(M)
I
420
(Bl)i
(62)¡
I
1800 (tem)o, s)
(B4)i (c.p.
540
(B3)¡
1
,
1
1
I
O
210
(M)
(81)5
340
(82 )s
540
(B 3)5
Fig.2-a.
I
300
(bainitci 'l. )
2000
(84)5
(ternpo, 5)
(c.p. )
Tensáo de Ruptura, tensáo de escoamento a tempos de tratamento isotérmico, versus percentagem
de bainita.
89

5. 90
LatinAmerican
Journal of Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
mente, Curry & Knott [17]concluiram que a resistencia a
clivagem depende da espessura do carboneto. Recentemente, o tópico foi retornado por Petch [18] que mostrou
haver urna dependencia entre a temperatura de transicao frágil-dútil e d-1/2, isto para urna espessura constante do filme de carboneto, aquela é tanto menor quanto
menor o tamanho do grao ferrítico. Estas consideracoes
estáo de acordo com um grande número de dados
experimentais.
15
é,
N a ausencia de carbonetos em contorno de grao a
iniciaeáo da trinca de clivagem é dificultada. A distribuic;aointerna daquela fase torna-se importantejá que sob a
influencia da tensao aplicada as partículas fraturam ou
separam-se da matriz. Estas cavidades crescem até que
seu coalescimento produz trincas [19], culminando em
fratura dútil.
o
10
.20
30
40
50
Bainita. (',,)
Fig. 2-b. Alongamento versuspercentagem
de bainita.
~==50===l1-1¡.l...
--",_1 01
10
(rnrn )
14
Apesar de ainda nao existir uma teoria referente
aos mecanismos de fratura para martensita e bainita, é
possivel discutir os resultados do presente estudo a luz
das eonsideracoes acima expostas. No caso de microestruturas compostas de martensita e bainita, é razoável
.supor que as microtrincas se originem no microconstituinte mais frágil. a martensita. Sua propagacáo dependerá entáo da natureza do contorno entre esta e a
bainita. No caso da bainita superior, o filme de carbonetos que envolve as ripas de ferrita prevé a fase de baixa
energia superficial necessaria ao avance da trinca. Para
bainita inferior a ausencia desta fase em contórno dificulta a propagacáo da trinca de clivagem, os carbonetos
finamente distribuidos no interior da ripa de ferrita
dando ensejo a manífestacáo de fratura do tipo dútil.
Estas consideracoés sao supcrtadas pela figura 4 que
mostra superficie de fratura totalmente dútil para a
amostra BI, e superficie mista, com indicios de clívagem,
para a BS.
4
4. CONCLUSOES
10
20
30
40
50
Ba l nita ('lo)
Fig.3.
Energia de Impacto Charpy versus percentagem de bainita.
Novamente pode-se analizar os resultados em termos do efeito combinado do refinamento do pacote martensítico e distribuicáo dos carbonetos bainíticos.
Sabe-se que a fratura do tipo frágil tem maior probabilidade de ocorrer na presenca de carbonetos em contorno
de grao e granulacáo grosseira. O efeito do tamanho de
grao foi originalmente analizado por Zener [15] que
sugeriu que a fratura é induzida em urna regiáo de concentraeáo de tensoes originada por um empilhamento de
deslocacoés, Evidentemente quanto maíor o grao mais
longo este empilhamento e maior ovalor da tensáo na sua
extremidade. O passo seguinte foi o reconhecimento da
influencia dos filmes de carbonetos. Cohen [16] mostrou
que estes sáo facilmente fraturados por terem urna energía superficial bem menor do que a matriz. Posterior-
1. A transformacáo isotérmica do aco 300M em temperaturas pouco acima do Mi resultou na formacáo
de bainitas cuja morfologia permitiu classifica-las
como superior (328°C) e inferior (280°C).
n.
A formacáo de bainita subdivide o grao austenítico
refinando, consequen temen te o tamanho do pacote
martensítico.
III.
A melhor cornbínacáo de propriedades foi obtida
para urna microestrutura composta por 20%de bainita inferior e martensita,
A resistencia mecánica é comparável a obtida pelo
tratamento clássico de témpera e revenimento
enquanto a energia de fratura Charpy apresentou
IV.
Os resultados dos ensaios mecánicos podem ser
interpretados em base a acáo do refino do pacote martensítico e a morfologia dos carbonetos
bainíticos.

6. Revista Latínoamerieana
e
91
etalnrgia y Materiales, Vo!. 8 Nos. 1 & 2 (1988)
a
e
Fig. 4-c.
Bainita inferior e martensita (2000 X)
BIBLIOGRAF1A
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Fig. 4. Fratrografias dos corpos de prova Charpy. 4-a. martensita
(2.000 X). 4-b. baínita superior e martensita (2.@00X).
.AGRADECIMIENTOS
Os autores agradecem ao Dr. Ideonor N. da Conceicáo pela leitura crítica do manuscrito. Um dejes (V.A.)
extende sua gratidáo a Fundacáo.de Amparo a Pesquisa
do Estado de Sáo Paulo pelo auxílio recebido.
12. R.F. Hehemann, "Phase Transformations", ASM, Metals ParkOhio. p. 397 (1970).
13. R.A. Grange, Trans A.I.M.E. 59, 26 (1966).
14. M.A. Bush & P.M. Kelly, Acta Metall. 1.9, 1363 (1971).
15. C. Zener, Trans ASM. 40A, 3 (1948).
16. C.J. McMahon & M. Cohen, Acta Metal!. 13, 591 (1965).
17. D.A. Curry & J.F. Knott, Met. Sci. 12, 511 (1978).
18. N.J. Petch, Acta Metall. 34, 1387 (1986).
19. J.F. Knott, "Fundamentals of Fracture Mechanícs". Butterwords, London (1973).