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• jllama20007144

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1.7 Transformación isotérmica de la austenita —diagramas TTT—. El diagrama de equilibrio Fe3-C representa las transformaciones que ocurren a lo largo del enfriamiento del acero, manteniendo muy bajas velocidades de enfriamiento — aproximadamente 0,0216 ºC/min—. Con el aumento de la velocidad de enfriamiento, puede ocurrir la formación de estructuras y fases que no están presentes en el diagrama de equilibrio. Para estos casos, existen diagramas apropiados, los cuales representan las fases y estructuras que pueden ser observadas en los aceros cuando solidifican o se enfrían a altas velocidades. Estos diagramas son llamados diagramas o curvas TTT —temperatura, tiempo, transformación—, los cuales relacionan el tiempo —normalmente en escala logarítmica— requerido para que se lleve a cabo la transformación de la austenita a temperatura constante. Estos diagramas también se conocen como curvas en C. Son muy útiles para entender las transformaciones en un acero que se enfría isotérmicamente. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más concretamente para la fase austenita, que es inestable debajo de la temperatura de transformación eutectóide o A1, se necesita saber cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cuál será la naturaleza del producto de esta transformación. Cada diagrama TTT es específico para un determinado acero de composición conocida y convergen a las estructuras indicadas en el diagrama de equilibrio siempre que las velocidades de enfriamiento sean lentas. Para obtener estos diagramas, se calienta un conjunto de probetas iguales de pequeñas dimensiones —para evitar el efecto de masa— a la temperatura de austenización, y se mantienen allí hasta que se transforman totalmente en austenita. Conseguido esto, se enfrían bruscamente en baños de sales o de metal fundido hasta la temperatura deseada— de tal modo que al llegar a ella no se haya producido ninguna transformación—, que permanecerá constante mientras dure el ensayo; a intervalos de tiempo determinados se sacan las probetas del baño y se enfrían bruscamente hasta temperatura ambiente. Mediante análisis microscópico, por difracción de rayos X o métodos dilatométricos, se determina la cantidad de austenita transformada en función del tiempo y con ello, el principio y el final de la transformación. A partir de la información obtenida se traza el diagrama que da la cantidad de austenita transformada en función del tiempo, a una temperatura constante. Ver figura 20.

Figura 20. Esquema de un diagrama TTT

Es importante destacar que en los diagramas TTT aparecen fases metaestables que no aparecen en el diagrama hierro-carburo de hierro —Fe3-C—.Estas fases metaestables son la martensita y la bainita. Se llaman fases metaestables porque tienen la propiedad de exhibir durante un considerable espacio de tiempo un estado de equilibrio débilmente estable. Sin embargo, bajo la acción de perturbaciones externas —aumento de la temperatura— dichas fases exhiben una evolución hacia fases de equilibrio fuertemente estable —ferrita, perlita o cementita—. Para una mejor comprensión de los diagramas TTT, se tomará el diagrama correspondiente al del acero AISI 1080 (figura 21), que es el más simple de estudiar, para otras composiciones los diagramas tendrán diferente configuración. En este diagrama se presentan tres zonas—zona 1, 2 y 3—, que hacen referencia a las diferentes fases en las cuales se transformará la austenita según la forma como se realice el enfriamiento desde una temperatura superior a la temperatura eutectóide o A1. Por encima de A1 la austenita es estable, el área a la izquierda entre A1 y la línea de inicio de transformación consta de austenita inestable; el área a la derecha de la línea de fin de transformación indica el producto en el que se transformó la austenita a temperatura constante; y el área entre inicio y fin de la transformación consta de austenita más el producto al que se ha transformado esta misma. La línea a trazos indica que la austenita se ha transformado en un 50% en otra fase. El punto más alejado a la izquierda de la línea de inicio de transformación se conoce como nariz.

Se pueden determinar dos tipos de transformaciones de gran importancia: · Transformaciones con difusión atómica —caracterizadas por cinéticas lentas—. · Transformaciones sin difusión atómica.

Figura 21.Diagrama TTT de un acero 1080

Las transformaciones con difusión se presentan en las zonas 1 y 2, en la zona 3 se presentan las transformaciones sin difusión. Las transformaciones ocurridas en la zona 1 corresponden a transformaciones de la austenita en perlita para el caso del acero con 0,8% de carbono —perlita fina o gruesa—, para aceros con diferente contenido de carbono las transformaciones pueden ser a ferrita más perlita —para aceros con contenido de carbono inferior a 0,8%—, o a perlita más cementita — para aceros con contenido de carbono mayor de 0,8 hasta 2.11%—. Esta zona está comprendida entre 727 y 550°C. Cuando el enfriamiento se realiza en el rango de temperaturas abarcado por la zona 2 —550°C y la temperatura marcada por la línea Ms—, la austenita se transforma en bainita —bainita superior o inferior—. Y si el enfriamiento se realiza en la zona 3, zona demarcada por la línea recta Ms, el producto de la transformación es martensita.

1.7.1 Transformación de la austenita en perlita De 727°C a 550°C, la austenita se transforma isotérmicamente en ferrita α + carburo de hierro —Fe3C—en la forma de perlita. Si un acero se enfría justo por debajo de la temperatura eutectóide, la austenita se subenfría sólo un poco. Se requieren tiempos prolongados antes de que se formen núcleos estables para la ferrita y la cementita. Después de que la perlita empieza a crecer, los átomos se difunden rápidamente, a temperaturas muy próximas a la eutectóide, para formar láminas de ferrita (α) y de Fe3C, a esta microestructura se le llama perlita gruesa. La austenita obtenida a una temperatura menor está sumamente subenfriada. En consecuencia, la nucleación ocurre más rápidamente. Sin embargo, la difusión es también lenta, de modo que los átomos sólo se difunden a distancias cortas. A medida que disminuye la temperatura, se forman láminas más delgadas, ya que la velocidad de difusión del carbono decrece, a esta estructura de láminas delgadas se le llama perlita fina. Aunque las velocidades de crecimiento son menores, el tiempo total requerido para la transformación se reduce debido a la nucleación rápida. Fácilmente, se forma una perlita más fina en tiempos más cortos conforme se reduce la temperatura de transformación isotérmica hasta unos 550°C, lo cual determina la nariz de la curva TTT. En la figura 22 se ilustra la transformación de la austenita en perlita, un enfriamiento muy rápido hasta una temperatura dada está indicado por la línea AB y el enfriamiento isotérmico a esta temperatura está representado por la línea BCD. El tiempo aumenta a lo largo de esta línea, la transformación de la austenita en perlita inicia en el punto C, a 3,5 segundos aproximadamente y se completó en el punto D a los 15 segundos aproximadamente. La figura también muestra microestructuras esquemáticas en varios tiempos durante el progreso de la reacción. Figura 22. Transformación de la austenita en perlita

1.7.2 Transformación de la austenita en bainita A una temperatura justo por debajo de la nariz del diagrama TTT —aproximadamente 550°C—, y hasta la temperatura MS, aparece un microconstituyente de ferrita y cementita, la nucleación ocurre rápidamente pero la difusión es lenta. No se detecta transformación hasta tiempos un poco mayores, y los tiempos de transformación total se incrementan debido a un crecimiento muy lento. Además, se tiene una microestructura diferente. A bajas temperaturas de transformación, las laminillas en la perlita tendrían que ser sumamente delgadas y en consecuencia, el área límite entre la ferrita y las laminillas de Fe3C sería muy grande. Debido a la energía asociada con la interfase ferrita–cementita, la energía total del acero tendría que ser muy alta. El acero puede reducir su energía interna permitiendo que la cementita se precipite como partículas discretas redondeadas en una matriz de ferrita. Este nuevo microconstituyente, o arreglo de ferrita y cementita, es llamado bainita. Los tiempos requeridos para que la austenita inicie y termine su transformación a bainita se incrementan y la bainita se vuelve más fina conforme la temperatura de transformación continúa decreciendo. En la bainita se aprecian dos tipos de estructuras: ·

La bainita que se forma justo por debajo de la nariz del diagrama TTT, se

denomina bainita gruesa, bainita superior o bainita tipo pluma. La bainita superior de aspecto arborescente, formada en el rango de 500°C a 550°C, está constituida por una matriz ferrítica conteniendo carburos —en los aceros al carbono, cementita—. Las placas discontinuas de los carburos tienden a tener una orientación paralela a la dirección de la aguja de la propia bainita. ·

La bainita que se forma a temperaturas más bajas se llama bainita fina,

bainita inferior o bainita acicular. La bainita inferior, formada entre 250°C–400°C, que tiene un aspecto acicular bastante parecido a la martensita. La bainita inferior está constituida por agujas alargadas de ferrita que contiene placas delgadas de carburos. Estas pequeñas placas son paralelas entere sí y su dirección forma un ángulo de 60° con el eje de las agujas de ferrita. La dureza de la bainita varía desde 40 HRC —para la bainita superior—, hasta 60 HRC aproximadamente —para la bainita inferior—. Este incremento de dureza —como en la perlita—, es el reflejo del decremento en tamaño y espaciamiento de las plaquetas de carburo conforme la temperatura de transformación disminuye, es decir, la dureza

aumenta por que el carburo se está volviendo cada vez más fino y, en consecuencia, la distancia a la cual puede ocurrir el deslizamiento en la ferrita se hace más pequeño. Figura 23. Transformación de la austenita en bainita

1.7.3 Transformación de la austenita en martensita La martensita se obtiene enfriando rápidamente el acero desde la zona austenítica hasta una temperatura inferior a la temperatura MS. La martensita es una fase que se forma como resultado de una transformación de estado sólido sin difusión. Debido a que la reacción no depende de la difusión, la reacción martensítica es atérmica, es decir, que la reacción depende sólo de la temperatura y no del tiempo. En contraste a la transformación de nucleación y crecimiento de la perlita y la bainita, en la transformación martensítica no está involucrada ninguna difusión del carbono. Por el contrario, ocurre por el corte coordinado sistemático de la malla de la antigua fase, de tal forma que la distancia que recorre un átomo es menor a un espaciado atómico, lo que significa que, un átomo retiene a los mismos vecinos; en consecuencia, una transformación martensítica puede conducir solamente a cambios de la estructura cristalina, y no en la composición de las fases. La transformación de la estructura cristalina significa que la austenita FCC. Experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo —BCT—. La celda unitaria de esta estructura cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones; esta estructura es diferente a la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen una solución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que impliquen una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retiene la estructura martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente.

Las principales características son de la transformación martensítica son: · Ocurre sin difusión. · El contenido de carbono de la martensita es igual al contenido de carbono de la austenita que la originó. · La tetragonalidad de la martensita es proporcional al contenido de carbono. · Se forma una estructura acicular — en forma de láminas o agujas—. · La transformación transcurre a intervalos a partir de la curva de inicio de transformación —Ms— hasta la curva final de transformación —Mf—. · Para ciertos aceros Mf se encuentra por debajo de 0ºC por lo que en la estructura del acero siempre queda un pequeño por ciento de austenita que no se transforma denominado austenita residual. · Es una transformación irreversible. Es decir, no se obtiene a partir de la martensita, martensita nuevamente. · El metal queda en estado inestable con gran cantidad de tensiones internas. En la figura 24 se observa el enfriamiento de un acero eutectóide desde una temperatura superior a la eutectóide hasta una temperatura un poco inferior a la temperatura Ms, en este enfriamiento la austenita solo se transforma en un 50% en martensita, quedando una estructura al finalizar el mismo constituida por una mezcla de austenita —zonas blancas— y martensita —zonas oscuras—.

Figura 24.Transformación de austenita en martensita

Con el aumento del contenido de carbono, la morfología de la martensita varía, en la figura 26, se observa que; hasta 0.6 % de carbono la martensita formada es denominada en cintas. Por encima del 1% de carbono la martensita que se forma se denomina martensita en láminas —agujas— y la martensita formada entre 0.6 y 1% de carbono se designa como mezcla, ya que se forman ambas martensitas en proporciones similares. En esta misma figura puede observarse también como disminuye la temperatura Ms en función del contenido de carbono. Debe quedar claro que si la temperatura Ms disminuye también debe hacerlo la temperatura Mf, como lo muestra la figura 26. Por último, es de especial importancia, observar que una vez que la austenita se ha transformado en alguna de las estructuras mencionadas antes, perlita por ejemplo, no se puede transformar en otra estructura menos que se caliente la pieza a la temperatura de equilibrio de la austenita —por encima de 727 °C—. Sin embargo, es posible transformar una muestra en una mezcla de productos de transformación si se le enfría primero durante un momento en el intervalo de transformación de la perlita y la bainita o de ambas y luego se le enfría a través del intervalo de la martensita, como se observa en la figura 27. Esta figura muestra la realización de tres enfriamientos rápidos de muestras de acero eutectóide desde una temperatura de 760°C. El enfriamiento a, indica que la muestra se enfrío hasta 350°C y se sostuvo isotérmicamente a esta temperatura un tiempo aproximado de 104 segundos, dando como resultado de la transformación, una fase 100% bainítica, en la figura se observa que esta transformación inicia aproximadamente a los 10 segundos y finaliza a los 500 segundos aproximadamente. En el enfriamiento b, la temperatura de tratamiento es de 250°C y el producto de la transformación después de transcurridos 100 segundos es 100% martensita. En el enfriamiento c, se observa que inicialmente el enfriamiento isotérmico se realiza a 650°C, la transformación de la austenita en perlita inicia a los 7 segundos y se interrumpe a los 20 segundos, lográndose una transformación del 50% de austenita en perlita, quedando un 50% de austenita sin transformar, de inmediato la muestra se enfría rápidamente hasta 400°C y después de transcurridos 1000 segundos, la austenita restante se transforma en bainita. Al final de este enfriamiento se ha logrado obtener estructura formada por 50% de perlita y 50% de bainita.

Figura 25. Tipos de martensita

Figura 26. Variación de la temperatura Ms y Mf en función del contenido de carbono

Figura 27. Diferentes enfriamientos y constituyentes formados

Efecto del carbono y de los elementos aleantes en las curvas TTT Los

elementos

de

aleación

antes

de

producirse

las

transformaciones

están

homogéneamente distribuidos en la austenita, pero cuando ésta se transforma en ferrita, perlita o bainita, éstos deben redistribuirse y desplazarse por difusión, al ser átomos grandes su difusión es lenta y frenan el avance de la transformación. Existen varios elementos de aleación que influyen en el diagrama TTT; tales son los casos del níquel y el manganeso que retardan la formación de la perlita y las transformaciones intermedias con bastante uniformidad a todas las temperaturas. El cobre y el silicio se comportan de modo parecido al níquel en sus efectos sobre las transformaciones isotérmicas, pero el efecto retardador es mucho menor. El cobalto parece ser que aumenta las velocidades de las transformaciones a todas las temperaturas. El molibdeno y el cromo retardan intensamente la reacción perlitica, pero afectan en grado mucho menor a las reacciones intermedias. Estos elementos también elevan la zona de temperaturas en que se produce la reacción perlitica y disminuyen la zona de temperatura

de las reacciones intermedias. Como consecuencia, los diagramas de transformaciones isotérmica varían mucho, y, sobre todo, los de los aceros especiales que contienen los dos citados elementos ya no conservan ningún semejanza con la forma de una S. Se puede observar en la secuencia de las figuras 28 y 29, que al agregarse elementos de aleación las curvas TTT cambian de forma y se producen dos "narices" que definen dos regiones, la región de mayor temperatura corresponde a la formación de perlita y la de menor temperatura a la formación de bainita. Diversos factores o parámetros influyen en la forma y situación con respecto a los ejes de coordenadas de las curvas TTT. Entre los principales que actúan sobre las velocidades de germinación y crecimiento, el grosor o afinamiento de la estructura (todos dependientes de la temperatura), etc., sé citan a los siguientes: a) Temperatura de puesta en solución. b) Composición química del acero. e) Tamaño del grano del acero. d) Homogeneidad de la austenita inicial. e) Presencia de inclusiones, nitruros o carburos, poco solubles o disueltos incompletamente. a) Temperatura de puesta en solución La influencia de la temperatura de puesta en solución, se manifiesta de distintas maneras. Cuando la temperatura se eleva, se aumenta la capacidad de disolución de los componentes del metal, de forma tal, que algunos elementos libres, como los carburos, pueden entrar en solución, con lo cual se reduce la posibilidad de que los mismos actúen como centros de precipitación durante el enfriamiento. Por otra parte, esta elevación de temperatura origina un aumento del tamaño del grano y modifica las condiciones de las transformaciones al enfriamiento, produciendo por ejemplo, un efecto de desplazamiento de la curva "S" hacia la derecha, con lo cual aumenta el campo de estabilidad de la austenita, una modificación de la velocidad crítica de temple, etcétera. La acción de la elevación de temperatura varía con los elementos presentes, así por ejemplo, el níquel y el silicio que forman solución sólida con el hierro gamma, tienen un efecto poco notable, mientras que los formadores de carburos, difíciles de disolver, como el cromo, molibdeno, vanadio,

etc., modifican considerablemente la forma de la curva como consecuencia de la temperatura de puesta en solución. b) Composición química del producto siderúrgico El contenido de carbono medida que aumenta, hasta el eutectóide, la curva de inicio de trasformación se desplaza hacia la derecha, vale decir, existe mayor tiempo para el inicio de las transformaciones, hecho éste que a su vez, desde el punto de vista del temple, significa utilizar una velocidad critica de temple menor. Por otra parte, con el aumento del carbono, va descendiendo la posición de Ms. El efecto de los aleantes se traduce en modificaciones de las formas y desplazamiento de las curvas TTT; las curvas de descomposición de la austenita, en general son más complejas que las de al carbono. Algunos elementos, tales como el manganeso, níquel, etc., retrasan o retardan el comienzo de las transformaciones, aumentan la duración del proceso hasta su complementación total y descienden la ubicación de las mismas. La circunstancia de desplazar las curvas hacia la derecha implica decir que la austenitas aleadas, son más estables que las al carbono, y de acuerdo con los elementos intervinientes, tanto más pronunciado es este efecto. Con la adición de los aleantes, se evitan las grandes velocidades de enfriamiento que pueden requerirse para un acero con el objeto de salvar la transformación perlítica, para tal fin, ciertos aleantes, aun en pequeñas cantidades, como el níquel, cromo, molibdeno, etc., disminuyen la velocidad critica de temple. Los elementos de adición como se ha dicho, retardan la descomposición de la austenita en distinta proporción, siendo la del cromo una acción muy efectiva y recordando que la formación de la perlita se produce con la nucleación de la cementita, en el caso en cuestión, el cromo al formar un carburo complejo, demanda para su formación, un mayor tiempo; su difusión en la austenita es lenta; este hecho produce un retardo o retraso en la constitución del núcleo o germen. El efecto del níquel, no obstante que es menor (forma solución sólida), al actuar en conjunto o simultáneamente con el cromo, producen a este respecto una acción superior al de cada una, actuando en forma independiente. En virtud de lo dicho, la velocidad crítica de temple es menor. Figura 28. Curvas TTT para un acero al carbono con 0,4% de C. Bajo 550°C

De esta forma, la adición de C y otros elementos de aleación, así como grano grueso, desplazan las curvas TTT hacia la derecha. Sin embargo, el C produce un aumento ostensible de la dureza, mientras que otros elementos de aleación no afectan la dureza máxima. Por otra parte, el grano grueso tiende a reducir la tenacidad lo que lo hace poco deseable. Figura 29. Curvas TTT para un acero al carbono con 0,4% de C. Bajo 550°C al agregar 0,9% de Cr

De igual forma las Figura 29 y 30 muestran que las adiciones de ciertos elementos de aleación desplazan las curvas hacia la derecha, es decir, hacia tiempos más largos de transformación. Esto permite disponer de más tiempo para enfriar el acero sin tocar las curvas de inicio de la transformación, de esta manera se puede obtener 100% de martensita al templar piezas de mayores espesores.

Figura 30. Curvas TTT para un acero al carbono con 0,4% de C. Bajo 550°C al agregar 0,8% de Cr, 0,3% Mo y 1,8% Ni