REVISTA DO PARAFUSO

Edição 06

Artigo: Ferrita Delta, por Dr. José Barboza

30/10/2007 03h20

Para responder a essa pergunta, de maneira abrangente, de modo inteligível a todos os leitores, quer sejam ou não técnicos ou engenheiros metalurgistas, torna-se necessário relembrar o significado do termo. A ferrita delta é uma solução sólida de carbono na forma alotrópica delta do ferro. Sabemos que o ferro possui quatro formas alotrópicas que são os tipos de reticulados cristalinos que o ferro apresenta quando sofre mudança de temperatura a uma atmosfera de pressão.

Quando elementos, tais como carbono, nitrogênio, boro, fósforo, etc. são adicionados ao ferro formam-se as soluções sólidas características dos aços. Essas soluções sólidas são conhecidas como: fase alfa (ferrita alfa magnética), fase beta (ferrita beta não magnética), fase gama (fase gama - austenita) e fase delta (ferrita delta). A ferrita delta é a primeira fase que se solidifica nos aços de baixo e médio teor de carbono, sendo resultante de uma reação chamada peritética, no aço carbono. Ela ocorre também em aços inoxidáveis austeníticos da classe 300, por um mecanismo semelhante ao que ocorre nos aços carbono, porém sob forte influência dos teores de cromo e níquel presentes nos aços inoxidáveis.

Em ambos os casos a ferrita delta não é prejudicial aos aços, pelo contrário, a literatura indica como benéfica no caso dos aços inoxidáveis austeníticos, minimizando o efeito da dissolução do cromo e prevenindo a corrosão intergranular tão indesejada nesse tipo de aço. No aço carbono de baixo e médio teor de carbono a ferrita delta que se forma no primeiro estágio da solidificação do aço, transforma-se com a continuação do resfriamento do mesmo, através da reação peritética, em austenita, sem causar nenhum transtorno ao aço. Todavia, nem tudo é tão simples assim. A ferrita delta, que normalmente é uma fase dúctil e bastante deformável mesmo à temperatura ambiente, pode tornar-se dura e frágil pela adição em sua composição de elementos solúveis como o fósforo, por exemplo. Na figura 1, podemos ver os campos de solubilidade do fósforo na ferrita magnética e paramagnética.

Este processo de enriquecimento da ferrita delta pela adição de fósforo, possibilita uma maior concentração de fósforo na ferrita pelo processo de difusão, que ocorre a uma faixa de temperatura normalmente usada nos tratamentos térmicos convencionais, utilizados para obtenção das propriedades mecânicas dos elementos de fixação mais usuais. O fósforo pode se dissolver na ferrita delta em teores que elevam sua concentração em até 50 vezes o teor de fósforo encontrado normalmente nos aços. Conforme mostra o diagrama ferro-fósforo da figura 1.

No caso da ferrita delta, na qual houve a dissolução de fósforo, a mesma é visível por análise metalográfica como uma camada branca e contínua, em toda a superfície do material com alguns μm de profundidade. Conforme mostra a figura 2.

Mecanismo de formação da ferrita delta

A dissolução do fósforo na ferrita delta e, portanto, a profundidade da camada rica em fósforo, como vimos anteriormente, é um processo de difusão. De acordo com as leis de difusão de Fick, este processo é função da concentração do soluto, do tempo e da temperatura de permanência do material nessas condições. Como ocorre difusão do fósforo para o interior do material, e mantida a temperatura, à medida que a concentração de fósforo aumenta na superfície aumenta o grau de dificuldade para a difusão do mesmo. Teremos assim um gradiente de concentração de fósforo, maior na superfície, que forma a ferrita delta, (camada branca da figura 2), e uma zona de difusão decrescente em teor de fósforo, através dos contornos de grão, na direção do núcleo do material.

Essa difusão do fósforo nos contornos de grão pode atingir a profundidade de 30 μm, em um processo convencional de tratamento térmico. Este fato está ilustrado na figura 3.

Ocorrência de ferrita delta nos elementos de fixação

Temos observado a presença de ferrita delta em elementos de fixação, principalmente naqueles projetados para utilização em aplicações de alta resistência mecânica, com classe de resistência > 1200 MPa, fabricados com aço de médio carbono e média liga.

Em elementos de fixação de alta resistência mecânica, a ferrita delta causa fraturas do tipo fratura frágil ou por clivagem, característica de perda de coesão entre os grãos, com ruptura intercristalina sem sinais de deformações plásticas que pudessem indicar uma certa ductilidade.

O aspecto observado da face de fratura é indicativo de que os esforços solicitantes ao qual foi submetido durante o serviço, não foram acomodados por uma deformação elasto – plástica correspondente do elemento de fixação. As trincas ocorrem em vários pontos da superfície e progridem sob a ação dos esforços solicitantes para o interior do elemento de fixação, conforme mostra a figura 4.

Para que a ferrita delta cause a ruptura do elemento de fixação em serviço, algumas condições devem ser atuantes no processo:

a) Temperatura e tempo compatíveis com o processo de difusão.

b) Alta resistência mecânica normalmente > 1200 MPa.

c) Alta concentração de fósforo.

As condições (a) e (b) são facilmente explicáveis, devido aos processos de tratamento térmicos aos quais os elementos de fixação de alta resistência mecânica são submetidos. Quanto à condição (c), algumas hipóteses foram aventadas, tais como:

a) A matéria-prima recebida para fabricação dos elementos de fixação estava fosfatizada para proteção contra corrosão (fosfato de zinco).

b) A matéria-prima foi fosfatizada posteriormente ao recebimento para processamento interno (fosfato demanganês).

c) Houve retrabalho com novo tratamento térmico em material já fosfatizado.