Martensita e sorbita

Martensita e sorbita são denominações de duas estruturas típicas encontradas nos aços submetidos aos tratamentos térmicos de têmpera e revenido. Homenageiam dois pioneiros da metalografia: o cientista Dr. Henry Clifton Sorby (1826-1908) e o professor Dr. Eng. Adolf Martens (1850-1914)[1] [2]. Os dois pesquisadores, contemporaneamente, trabalhando em lugares diferentes, um em Sheffield (UK) e o outro em Berlim (Alemanha), estabeleceram a base da metalurgia física atual, inovando técnicas e equipamentos utilizados até hoje na caracterização dos metais.

A origem mineral dos metais atraiu a atenção do Dr. Sorby que passou a utilizar as mesmas técnicas desenvolvidas por ele, para a preparação e observação de amostras geológicas, para observação de amostras metálicas ao microscópio. Estas técnicas até hoje são empregadas na preparação de superfícies para a caracterização metalográfica de metais e ligas metálicas. Além disso, o pesquisador propôs alguns métodos e reagentes químicos para destacar fases e precipitados em aços e ferros fundidos que estabeleceram a base da metalografia como tal.

Procedimentos semelhantes foram utilizados pelo Prof. Martens inicialmente, para investigar falhas em estruturas e peças metálicas, aparentemente sem nenhum conhecimento do trabalho de Sorby. Porém, no caso do Eng. Martens, seu maior mérito foi o de estabelecer relações científicas, comprovadas experimentalmente, entre as propriedades mecânicas e a microestrutura dos metais.

Em seu primeiro artigo, publicado em 1878 na revista do Royal Prussian Materials Testing Institute, da qual foi redator, Prof. Martens destaca aspectos metalográficos de uma superfície de clivagem em ferro fundido, sugerindo que a dureza e a fragilidade do material se relacionavam com a microestrutura apresentada pelo mesmo. Por isso, além do título de pioneiro da metalurgia física, Dr. Martens compõe a lista dos precursores da ciência dos materiais.

No artigo publicado em 1880, no Journal of VDI (Verein Deutscher Ingenieure), Prof. Martens descreveu um sistema de iluminação oblíqua que adaptado ao microscópio permitia a impressão direta de filmes fotográficos. Com isso, o registo de uma observação micrográfica podia ser realizado de maneira bem mais rápida do que o utilizado até então, o que facilitou a publicação de trabalhos técnicos e científicos. Naquela época, o registro metalográfico exigia do metalógrafo a capacidade de desenhar, contabilizando, muitas vezes, horas e horas ao microscópico. Além do microscópio com a câmera fotográfica (câmera escura), outros equipamentos utilizados para caracterização de materiais, como o durômetro e a máquina de tração, também tiveram a contribuição do engenheiro. Por isso, merecidamente a fase oriunda da transformação da austenita, que geralmente ocorre durante a têmpera nos aços, recebe o nome de martensita, derivada do nome Martens, em reconhecimento de suas realizações.

A martensita (Fig. 1) é formada quase que instantaneamente na têmpera. O aspecto agulhado da microestrutura está relacionado com a inércia da rede (CFC) cúbica de face centrada da austentita em rearranjar-se na rede (CCC) cúbica de corpo centrado da ferrita, devido às altas taxas de resfriamento envolvidas neste tratamento térmico. Durante a têmpera, a estrutura CFC não consegue transformar-se na estrutura CCC, pois os átomos de carbono nos interstícios da CFC impedem o arranjo. Em virtude disto, a estrutura CFC não consegue se ajustar, então, seus planos cisalham para comportar o carbono, formando a rede tetragonal de corpo centrado (TCC) da martensita. As agulhas de martensita observadas ao microscópio correspondem exatamente às linhas formadas pelos planos cisalhados [3].

Na fase martensita, todo o carbono permanece em solução sólida, dificultando o escorregamento dos planos quando o material é tensionado, por isso, é bastante dura e frágil, na verdade a martensita é a fase mais dura possível de se obter em um aço carbono.

Para ajustar à dureza e outras propriedades do aço temperado de acordo com as necessidades e aplicações de serviço, é realizado o revenido. Neste tratamento térmico, com o aquecimento, a rede TCC retorna a sua jornada transformando-se CCC (ferrita) + cementita, conforme ilustra a Fig.2.

O revenido deve ser aplicado quase que imediatamente após a têmpera. As tensões residuais internas, geradas durante a transformação da fase austenita em martensita poderão forçar o material a uma acomodação, possivelmente gerando microtrincas que, por sua vez, comprometerão as propriedades mecânicas do aço. O revenido será o responsável pelas alterações da microestrutura a partir da fase martensita. Dependendo da temperatura em que se processa, as modificações microestruturais podem ser tão intensas que determinados aços podem adquirir as melhores condições de usinabilidade.

O revenimento realizado em temperaturas amenas produz uma microestrutura, que apesar de conservar seu aspecto agulhado, será formada de ferrita envolta com partículas submicroscópica de carboneto de ferro, denominada de martensita revenida. Neste caso, os carbonetos não podem ser observados ao microscópio óptico, porém, as agulhas se apresentaram escurecidas devido ao acúmulo de carbono em seu entorno.

Para temperaturas de revenido mais elevadas, no caso do aço da Fig. 3, observa-se que a microestrutura perde ser aspecto agulhado e pequenos pontos escuros, esferinhas de cementita, já podem ser observadas. Esta microestrutura é denominada de sorbita, derivada do sobrenome Sorby. Estas esferas de carboneto aumentam de tamanho com o aumento da temperatura utilizada no revenido, podendo chegar a uma microestrutura denominada de esferoidita, formada somente de carbonetos globulares sobre uma matriz ferrítica.

Cabe destacar que a esferoidita produzida durante o revenido não é a mesma formada durante o recozimento para esferoidização. A homogeneidade dos esferóides e, em particular o tempo para o tratamento, é determinado principalmente pela microestrutura original. Os esferóides de carbonetos que se encontram mais homogeneamente distribuídos são aquele esferoidizado a partir da estrutura martensítica. Portanto, a resistência ao impacto fornecida pelos carbonetos formado a partir da martensita é bem maior do que os fornecidos a partir no recozimento [4].

É inegável a contribuição dos dois pesquisadores, Sorby e Martens, para o entendimento do comportamento dos materiais metálicos frente a várias situações. Sendo que, neste contexto, a metalografia se distingue como a ferramenta mais adequada para explicar tal comportamento.