Formación de Martensita en El Acero

Formación de Martensita en el Acero El diagrama de fases hierro-carbono de la figura 1 indica las fases de hierro y carburo de hierro (cementita) presentes bajo condiciones de equilibrio. Se asume que el enfriamiento desde una temperatura alta ha sido lo suficientemente lento para permitir que la austenita se descomponga en una mezcla de ferrita y cementita (Fe !) a temperatura ambiente.

Esta reacci"n de descomposici"n requiere de difusi"n y otros procesos que dependen del tiempo y la temperatura para transformar el metal en su forma final preferida. Sin embargo# bajo condiciones de enfriamiento r$pido que e%iten el equilibrio de la reacci"n# la austenita se transforma en una fase de no equilibrio llamada martensita. &a martensita es martensita es una fase dura y fr$gil que da al acero su capacidad 'nica de endurecerse a %alores muy altos.

Fig. 1

Curva tiempo-temperatu tiempo-temperatura-transforma ra-transformación ción

&a naturaleza de la transformaci"n transformaci"n a martensita puede entenderse mejor usando la cur%a tiempo temperatura - transformaci"n (cur%a ) para acero eutectoide ilustrada en la figura . &a cur%a muestra c"mo la %elocidad de enfriamiento afecta la transformaci"n de austenita en %arias fases posibles. &as fases se pueden di%idir en 1) formas alternati%as alternati%as de ferrita y cementita y ) martensita. Fig. 2

&as fases se pueden di%idir en 1) formas alternati%as alternati%as de ferrita y cementita y ) martensita. El tiempo se representa (logar*tmicamente (logar*tmicamente por con%eniencia) a lo largo del eje horizontal# y la temperatura en el eje %ertical. &a cur%a se interpreta partiendo del tiempo cero en la regi"n austenita (en un lugar arriba de la l*nea de temperatura + 1 para una composici"n dada) y cont*nua hacia abajo y a la derecha a lo largo de una trayectoria trayectoria que muestra c"mo se enfr*a el metal en funci"n del tiempo. &a cur%a  que muestra la figura es para una composici"n espec*fica de acero (,., de !). &a forma y posici"n de la cur%a es diferente para otras composiciones. + %elocidades lentas de enfriamiento la trayectoria trayectoria pasa a tra%/s de la regi"n# indicando una transformaci"n a perlita o bainita que son formas alternati%as de mezclas ferrita-carburo. !omo estas transformaciones toman tiempo# el diagrama 

muestra dos l*neas# el inicio y el fin de la transformaci"n conforme transcurre el tiempo# indicando las diferentes regiones de fase por los sub*ndices s y f , respecti%amente. &a perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo en la forma de placas delgadas paralelas. Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita de manera que la trayectoria de enfriamiento pase a tra%/s de P s arriba de la nariz de la cur%a . &a bainita es una mezcla alternati%a de las mismas fases# que puede producirse mediante un enfriamiento inicial r$pido a una temperatura por encima de M  s, de manera que se e%ite la nariz de la cur%a 0 la siguiente etapa es un enfriamiento mucho m$s lento para pasar a tra%/s de Bs y dentro de la regi"n ferrita-carburo. &a bainita tiene una estructura en forma de agujas o plumas que consiste en finas regiones de carburo. Si el enfriamiento ocurre a una %elocidad suficientemente r$pida (indicada por la l*nea punteada en nuestro diagrama)# la austenita se transforma en martensita. &a martensita es una fase 'nica que consiste en una soluci"n hierro-carbono cuya composici"n es igual a la de la austenita de la cual deri%a. &a estructura tetragonal centrada en el cuerpo (!) de la martensita# sin que ocurra el proceso de difusi"n# el cual est$ en funci"n del tiempo y es necesario para separar la ferrita y el carburo de hierro en las transformaciones precedentes. 2urante el enfriamiento# la transformaci"n de la martensita empieza a cierta temperatura M s y termina a una temperatura m$s baja M f#  como se muestra en nuestro diagrama . En los puntos entre estos dos ni%eles# el acero es una mezcla de austenita y martensita. Si se detiene el enfriamiento a una temperatura entre las l*neas M s y M f#  la austenita se transformar$ en bainita tan pronto como la trayectoria tiempo-temperatura cruce el umbral de Bs.

El ni%el de la l*nea M s se deprime por debajo de la temperatura ambiente# haciendo imposible para estos aceros la formaci"n de martensita mediante m/todos de tratamiento t/rmico tradicional. &a dureza e3trema de la martensita resulta de la deformaci"n reticular creada por los $tomos de carbono atrapados en la estructura !# que forman una barrera al deslizamiento. &a figura  muestra el efecto significati%o que tiene la martensita sobre la transformaci"n de la dureza del acero# al aumentar el contenido de carbono. Fig. 3

Procesos de tratamiento térmico El tratamiento t/rmico para formar martensita consiste en dos pasos4 austenitizaci"n y temple. + estos pasos le sigue frecuentemente un re%enido para producir martensita re%enida. &a austenitización implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficiente alta para con%ertirlo entera o parcialmente en austenita. Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fase para la composici"n particular de

la aleaci"n. &a transformaci"n a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento0 en consecuencia# se debe mantener el acero a temperatura ele%ada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nue%a fase y alcance la homogeneidad de composici"n requerida. El templado implica que el enfriamiento de la austenita sea lo suficientemente r$pido para e%itar el paso a tra%/s de la nariz de la cur%a # como se indica en la trayectoria de enfriamiento de la figura . &a %elocidad de enfriamiento depende del medio de temple y la %elocidad de transmisi"n de calor dentro de la pieza de acero. Se usan %arios medios de temple en las operaciones comerciales de tratamiento t/rmico que incluyen4 1) salmuera (agua salada) generalmente agitada# ) agua fresca en reposo# ) aceite en reposo y 5) aire. El temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento m$s r$pido de las superficies calentadas de la parte# mientras que el temple al aire es el m$s lento. El problema es que mientras m$s efecti%o sea el medio de temple en el enfriamiento# es m$s probable que cause esfuerzos internos# distorsi"n y grietas en el producto. &a %elocidad de transferencia de calor en el interior de la pieza depende en gran medida de su masa y geometr*a. 6na forma c'bica grande se enfriar$ mucho m$s despacio que una l$mina delgada peque7a. El coeficiente de conducti%idad t/rmica k  de la composici"n particular es tambi/n un factor en el flujo de calor dentro del metal. 8ay una considerable %ariaci"n de k  para diferentes grados de acero# por ejemplo# el acero al bajo carbono tiene un %alor t*pico de k  igual a . tu9hr-pulg-:F (,.,5; <9seg-mm-:!)# mientras que un acero de alta aleaci"n debe tener una tercera parte de este %alor. &a martensita es dura y fr$gil. El revenido es un tratamiento t/rmico que se aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad# incrementar su ductibilidad y tenacidad y ali%iar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento de /sta a una temperatura por debajo de la eutectoide durante apro3imadamente una hora# seguido de un enfriamiento lento. El resultado es la precipitaci"n de part*culas muy finas de carburo de la soluci"n martens*tica hierro-carbono y la transformaci"n gradual de la estructura cristalina de ! a !!. Esta nue%a estructura se llama martensita revenida. 6na ligera reducci"n en resistencia y dureza producen una mejora en ductibilidad y tenacidad. &a temperatura y el tiempo del tratamiento del re%enido controlan el grado de sua%izaci"n del acero endurecido# ya que el cambio de martensita no re%enida a re%enida implica difusi"n.

&os tres pasos del tratamiento t/rmico del acero para formar martensita re%enida pueden ser representados como se muestra en la figura 5. 8ay dos ciclos de calentamiento y enfriamiento# el primero para producir martensita y el segundo para re%enirla. Fig. 4

empla!ilidad

El t/rmino templabilidad  se refiere a la capacidad relati%a de un acero de ser endurecido por transformaci"n a martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por debajo de la superficie templada a la cual el acero se endurece o la se%eridad del temple requerido para lograr una cierta penetraci"n de la dureza. &os aceros con buena templabilidad pueden endurecerse m$s profundamente debajo de la superficie y no requieren altas %elocidades de enfriamiento. &a templabilidad no se refiere a la m$3ima dureza que se puede lograr en el acero0 eso depende del contenido de carbono. &a templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleaci"n. &os elementos aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo# el manganeso# el molibdeno y el n*quel en menor grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos aleantes es el aumento del tiempo antes de que ocurra la transformaci"n de austenita a perlita en el diagrama . En efecto# la cur%a  se mue%e hacia la derecha# permitiendo as* %elocidades de enfriamiento m$s lentas durante el apagado. =or tanto la trayectoria del enfriamiento es capaz de seguir m$s f$cilmente una ruta m$s lenta hacia la línea M s# e%itando el obst$culo impuesto por la nariz de la cur%a . El m/todo m$s com'n para medir la templabilidad es el ensayo de Jominy del extremo templado. El ensayo in%olucra el calentamiento de un esp/cimen normal de di$metro > 1., pulg (?.5 mm) y longitud > 5., pulg (1, mm) hasta la escala de la austenita y despu/s el templado de uno de sus e3tremos con agua fr*a mientras se sostiene %erticalmente# como se muestra en la figura ?(a). &a %elocidad de enfriamiento en el esp/cimen de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde el e3tremo que se templa. &a templabilidad es indicada por la dureza del esp/cimen como una funci"n de la distancia desde el e3tremo templado como se muestra en la figura ?(b).

Fig. "

Fuente# Fundamentos de @anufactura @oderna# @iAell =. Broo%er.