A microestrutura da bainita superior consiste de ripas finas de ferrita, cada uma com espessura da ordem de 0,2 micrômetro e comprimento de 10 micrômetros. As das ripas crescem de forma agrupada formando feixes. Em cada um dos feixes as ripas são paralelas e possuem orientação cristalográfica idêntica, elas possuem cristalografia definida. As ripas individuais dos feixes são denominadas sub-unidades da bainita. Normalmente, elas são separadas por contornos com pequena misoorientação ou por partículas de cementita.
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Microestrutura da bainita superior. Esta é uma micrografia de um aço rico em silício, em que suprimiu-se a precipitação da cementita. Ao invés de cementita, tem-se filmes de austenita entre as ripas de ferrita. (a) Micrografia óptica; (b) micrografia de transmissão em campo claro; (c) imagem em campo escuro da austenita retida; (d) montagem do feixe de bainita visto por microscopia eletrônica de transmissão (os feixes possuem a mesma aparência da ripa escura observada na microscopia óptica). Segundo Bhadeshia and Edmonds, Acta Metallurgica, volume 28 (1980) 1265-1273.
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A formação da bainita superior envolve estágios distintos, iniciando com a nucleação das ripas de ferrita nos contornos de grão da austenita. O crescimento das ripas é acompanhado por mudança de forma da região transformada(Figura), a mudança pode ser descrita como um plano invariante de deformação com uma grande componente de cisalhamento, virtualmente idêntica a observada durante a transformação martensítica. A bainita cresce a temperatura relativamente alta quando comparada com a martensita. A alta tensão associada com a mudança de forma não pode ser suportada pela austenita e a resistência desta diminui com o aumento da temperatura. As tensões induzidas pela deformação são relaxadas pela deformação plástica da austenita adjacente. Na região há aumento na densidade de discordâncias causada pela deformação plástica da austenita devido ao movimento da interface induzido pela transformação "glissil". (Figura) Esta deformação plástica localizada impede o crescimento das ripas de ferrita, deste modo, cada sub-unidade atinge um tamanho limite, o qual é muito menor que o tamanho de grão da austenita.
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IMostra-se nesta figura o emaranhado intenso de discordâncias que se forma na interface bainita (região clara) austenita (região escura) causada pela deformação induzida pela mudança de forma que acompanha a transformação bainítica. A subestrutura de discordâncias imobiliza a interface por mecanismos de "endurecimento por encruamento", levando a perda de coerência e a diminuição do processo de crescimento. Este fenômeno é responsável pelo tamanho limitado das ripas de bainita. Segundo Bhadeshia and Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907. |
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Assim como a martensita, a mudança de forma implica que os mecanismos de crescimento da ferrita bainítica é "displacivo" , o qual minimiza a energia de deformação associada ao deslocamento, garantindo o crescimento da bainita na forma de ripas finas. Uma vez que a estrutura cristalina da bainita é gerada pelo movimento coordenado de átomos, segue-se que deve existir uma relação cristalográfica entre a austenita e a bainita. Esta relação foi constatada experimentalmente e é do tipo em que pares de planos densos das duas redes são aproximadamente paralelos, assim como suas direções compactas correspondentes aos planos. Esta relação pode ser descrita como sendo do tipo de orientação Kurdjmov-Sachs.
A bainita se forma em determinados planos cristalográficos mas, os índices dos planos de hábito mostram a existência de um espalhamento considerável ( Figura). Isto ocorre porque as medidas são feitas usando a luz do microscópio óptico, no qual o plano de hábito determinado não é o da sub-unidade da bainita. Ele corresponde a média dos valores que varia com o número, tamanho e distribuição das sub-unidades no feixe. Todos estes fatores podem variar com a temperatura de transformação, tempo e composição química.
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Plano de hábito irracional dos feixes de bainita e ripas de martensita. Greninger and Troiano, Trans. AIMME, 140 (1940) 307-336]. Atenção ao termo feixe de bainita. Se observa feixes porque se usa a luz do microscópio óptico e portanto refere-se ao feixe de bainita como um todo no lugar das sub-unidades individuais. |
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Anteriormente, foi enfatizado que a bainita superior forma-se em dois estágios distintos, o primeiro envolve a formação da ferrita bainítica, na qual o carbono possui pequena solubilidade (<0.02% em peso). No entanto, o crescimento da ferrita enriquece a austenita de carbono. Em conseqüência, da austenita residual ocorre a precipitação de cementita entre as sub-unidades. A quantidade de cementita precipitada depende da concentração de carbono da liga. Alta concentração induz a formação de microestrutura de ripas de ferrita separadas continuamente por camadas de cementita. Quando o teor de carbono é baixo a quantidade de cementita que se forma é pequena.
As partículas de cementita possuem relação de orientação cristalográfica de "Pitsch" com a austenita da qual precipitou:
[0 0 1]Fe3C || [ -2 2 5]gama
[1 0 0]Fe3C || [ 5 -5 4]gama
[0 1 0]Fe3C || [ -1 -1 0]gama
Um grande número de variantes de precipitados pode ocorrer da austenita, cada partícula esta indiretamente relacionada à ferrita através da relação de orientação ferrita-austenita.
Se uma certa quantidade de elementos de liga, como por exemplo silício ou alumínio, que retardam a formação da cementita, é adicionada ao aço, é possível suprimir a formação da cementita. A microestrutura da bainita superior será formada de ferrita bainítica e austenita retida enriquecida de carbono. A microestrutura pode conter também martensita se ocorrer a decomposição da austenita residual durante o resfriamento à temperatura ambiente.