Bainita
A Bainita é um microconstituinte tipicamente formado nos aços, resultante da decomposição da austenita em um produto de duas fases: ferrita em forma de placas e partículas de carbonetos. Este microconstituinte pode ser obtido tanto por tratamento térmico com resfriamento contínuo, como por tratamento térmico isotérmico.
Em 1930, Davenport e Bain publicaram um trabalho que pela primeira vez se utilizava de tratamentos térmicos isotérmicos para se estudar a decomposição da austenita com o uso de dilatometria e metalografia. Nesse trabalho, foram realizados tratamentos térmicos isotérmicos a temperaturas acima da qual a martensita se forma, mas abaixo da qual perlita fina é encontrada. Com esses tratamentos, uma nova microestrutura foi observada, denominada pelos autores de “acicular, dark etching aggregate”, ou agregado acicular escuro ao ataque. Essa microestrutura foi chamada por Davenport e Bain de “martensita-trostita”, porém, anos mais tarde, outros pesquisadores a renomearam de Bainita, em homenagem à Bain pela sua descoberta. O tratamento térmico isotérmico com o objetivo de se obter a bainita, é hoje conhecido como “Austêmpera”. Johnson e Mehl (1939) foram os primeiros a separar a bainita em duas morfologias: bainita superior e bainita inferior, sendo essas terminologias usadas até hoje. Dentre os principais devenvolvimentos posteriores, é importante citar a observação da cinética lenta e a presença de reações incompletas para algumas faixas de temperaturas. Essas reações incompletas são descritas como “stasis da bainita”, fenômeno decorrente da ausência de força motriz para a continuação da reação, sendo necessário a redução do potencial químico do carbono na austenita para que a reação prossiga.
Quando a austenita é superresfriada para temperaturas abaixo da curva de transformação da perlita e acima da temperatura de início da transformação isotérmica da martensita, a bainita pode ser formada. Assim como a perlita, a bainita é uma mistura de ferrita e carbonetos, entretanto, esta é microestruturalmente distinta da perlita e pode ser caracterizada pela sua própria curva em C no diagrama TTT. Para baixos teores em carbono e elementos de liga, a curva de transformação da bainita se sobrepõe a da formação da perlita, e assim, para uma certa faixa de temperaturas, há a competição entre a formação da perlita e da bainita.
Bainita Superior
Formada na faixa de temperaturas entre (~ 550 – 400°C), sua morfologia consiste de placas finas de ferrita que crescem em conjuntos chamados sheaves (feixe). Em cada feixe, as placas são paralelas e de idêntica orientação cristalográfica, cada uma com um plano de hábito bem definido. Cada placa é chamada de subunidade da bainita, geralmente separadas por contornos de baixa desorientação, austenita ou partículas de cementita. Neste ponto, é importante citar que alguns autores não consideram essa fase como bainita caso não haja a presença de carbonetos. Isso decorre das diferenças de algumas teorias defendidas por diferentes autores. Entretanto, voltaremos ao assunto somente na secção “Formação”.
Bainita Inferior
Geralmente formada na faixa de temperaturas de (~400 – 250°C), a microestrutura e as características cristalográficas da bainita inferior são muito semelhantes as da bainita superior. A maior diferença é que carbonetos também precipitam dentro das subunidades da bainita inferior. Assim, há dois tipos de precipitação de carbonetos: um que se forma a partir da austenita que separa as placas de ferrita, e o outro que se forma a partir da ferrita supersaturada em carbono. Em geral, a bainita inferior apresenta-se na forma de placas e nucleia no interior dos grãos de austenita. A Figura 2 apresenta uma micrografia da bainita inferior juntamente com um desenho esquemático de sua morfologia. Nota-se que os carbonetos também se encontram dentro da bainita, apresentando uma única orientação, geralmente de 60° com a direção de maior comprimento da bainita.
Imagem: Giovani Gonçalves · BY-SA · Openverse
Desde sua primeira observação, a bainita vem sendo descrita de diferentes maneiras do ponto de vista cinético e termodinâmico quando se diz respeito à nucleação e ao crescimento. Neste contexto, várias teoria sobre a formação da bainita foram e têm sido propostas. As duas teorias mais conhecidas, e também mais opostas entre si, divergem quanto a formação da bainita, se esta se forma por um mecanismo adifusional ou por um mecanismo difusional. Zener foi o primeiro a organizar em um artigo que a bainita se forma a partir de um mecanismo adifusional. Entretanto, o autor não validou sua teoria através de experimentos. Hoje em dia, Bhadeshia é um dos principais pesquisadores que defendem a teoria adifusional proposta por Zener. Por outro lado, Purdy e Hillert (1984), defendem que a bainita se forma através de um mecanismo difusional onde é atingido um equilíbrio local na interface ferrita/austenita e que a mesma cresce dependente da difusão local de carbono. Mais recentemente, Aaronson et. al. seguem a proposta de Hillert sobre o mecanismo difusional.
Mecanismo Adifusional (Teoria Displaciva)
Zener foi um dos primeiros defensores da teoria displaciva da formação da bainita. Ele cita que a variação na energia livre para a transformação de fases γ→α é dada por três termos. Dois termos são relacionados às variações das energias livres do ferro e do carbono para as duas fases. O terceiro termo se refere à variação na entropia de um mol de carbono quando dissolvido na fase austenítica. Zener afirma que esse termo da entropia deve ser levado em consideração caso a transformação ocorra suficientemente lenta. Entretanto, quando regiões transformam devido a uma distorção na rede ordenada (um cisalhamento) em um tempo curto, comparável ao tempo para o átomo de carbono saltar de uma posição intersticial para outra, o termo da entropia não deve ser considerado, pois não há, nesse caso, a mudança na composição de carbono.
Mecanismo Difusional (Teoria reconstrutiva)
A teoria reconstrutiva da transformação da bainita tem como ponto principal que a bainita se forma não por um movimento displacivo, mas em um crescimento acompanhado pela partição do carbono, que se difunde do volume transformado em ferrita para a austenita adjacente. Aaronson, Spanos e Reynolds afirmaram que a bainita é um produto da decomposição eutetóide não lamelar, e mais genericamente, não cooperativo. A bainita sem carbonetos, identificada por Bhadeshia como a ferrita bainítica, é vista como uma ferrita de Widmansttäten. Nos ferros fundidos nodulares austemperados, o microconstituinte formado por ferrita acicular entremeada por austenita enriquecida em carbono é chamado de “ausferrita”. Aaronson também considera que a movimentação da interface se dá por um mecanismo difusional, ou pela movimentação de discordâncias e outros defeitos da interface (interface entre duas fases), considerando então que a transformação é reconstrutiva e não displaciva. É atingido um equilíbrio local na região de interfase, provocando o crescimento pela difusão a curta distância. Hillert e Purdy fazem referência ao uso do termo “bainita”, destacando que os produtos aciculares da decomposição da austenita que crescem rapidamente e sem difusão devem ser chamados de martensita e não de bainita, e que caso sofram partição de soluto ou precipitação de carbonetos subsequente, devam ser chamados de martensita revenida. Goldenstein (2002) é uma ótima referência em português sobre a bainita. Neste capítulo, é encontrada informações sobre as duas teorias, com ênfase na teoria difusional.
Aços bainíticos possuem a característica de aliarem elevada resistência, próxima a da martensita, com boa tenacidade. Esses aços costumavam ser de médio e alto carbono, entretanto, hoje em dia vem sendo desenvolvidos aços com menores teores de carbono e elementos de liga. Bhadeshia apresenta um diagrama com um resumo de aços bainíticos comerciais, como apresentado ao lado. Nota-se, do diagrama, que aços bainíticos podem chegar a 1600 MPa de resistência. Além desses, têm sido desenvolvidos aços nanoestruturados com resistência superior a 2 GPa, o que é motivo de controvérsia quanto à nomenclatura da fase, pois a “bainita” presente nesses materiais não apresenta carbonetos, mas sim ferrita e austenita em escala nanométrica.
