La estructura de la martensita obtenida por enfriamiento juega un papel fundamental a la hora de impartir resistencia y tenacidad al acero.
Sin embargo, debido a las variaciones en el tipo, composición y condiciones de tratamiento térmico del acero, la morfología, la estructura fina interna y la susceptibilidad a las microfisuras de la martensita templada pueden variar significativamente.
Estos cambios tienen un profundo impacto en las propiedades mecánicas de la martensita.
Por tanto, es imperativo tener un conocimiento profundo de las características morfológicas de la martensita y comprender los diversos factores que influyen en su morfología.
1. Morfología de la martensita
La morfología y la estructura fina de la martensita se han estudiado ampliamente mediante microscopía electrónica de transmisión de película delgada.
La investigación ha revelado que, aunque la morfología de la martensita en el acero puede ser diversa, sus características normalmente se pueden dividir en las siguientes categorías:
1. Martensita reticular
La martensita en listón es una estructura de martensita común que se forma en acero con bajo a medio carbono, acero martensítico, acero inoxidable y otras aleaciones a base de hierro.
La Figura 1 ilustra la estructura típica de martensita torneada en acero dulce.
Fig. 1 Tira de martensita 100X de acero aleado con bajo contenido de carbono (0,03% C, 2% Mn)
La microestructura de ciertos aceros está formada por numerosos grupos de listones, por lo que se denomina martensita de listones.
En algunos casos, el listón no se expone ni se graba fácilmente y, en cambio, parece en bloques, lo que lleva a su nombre alternativo, martensita en bloques.
Debido a que la subestructura principal de este tipo de martensita es la dislocación, comúnmente se la llama martensita dislocada.
La martensita en racimo se compone de varios grupos de listones, y cada grupo de listones consta de múltiples tiras de aproximadamente el mismo tamaño, dispuestas aproximadamente paralelas entre sí en una dirección específica.
La Figura 2 resalta el desplazamiento de alta densidad dentro de los listones que es característico de la martensita torneada.
Fig. 2 Microestructura de transmisión de una película delgada de acero de aleación baja en carbono (0,03% C, 2% Mn) 20000X
Además, pueden existir gemelos de transformación de fase dentro de las láminas, pero normalmente están localizados y no están presentes en cantidades significativas, ni son la forma primaria de estructura fina.
La relación de orientación del cristal entre la martensita en listón y su austenita madre se suele denominar relación de Kurdjumov-Sachs (KS), siendo el plano de hábito (111)γ.
Sin embargo, en el caso del acero inoxidable 18-8, el plano habitual de martensita torneada es (225)γ.
La Figura 3 ilustra las características cristalográficas de la microestructura de la martensita torneada, según lo determinado por la investigación.
Fig. 3 Diagrama esquemático de las características cristalográficas de la microestructura de martensita torneada.
Una gran área compuesta por haces de láminas de martensita dispuestas en paralelo se denomina grupo de láminas y se denota por A.
Un solo grano de austenita primaria puede contener varios grupos de listones, normalmente entre 3 y 5.
Cada grupo de tiras se puede dividir en múltiples regiones paralelas, como se muestra en la figura.
En algunos casos, cuando se utilizan ciertas soluciones para el grabado, sólo el límite del grupo de listones es visible, lo que da como resultado una apariencia de bloques de la microestructura, de ahí el nombre de martensita en bloques.
Cuando se emplean técnicas de grabación en color, como 100 cc de HCl + 5 g de CaCl 2 + 100 cc de solución CH 3 CH, se pueden observar tonos blancos y negros dentro del grupo de lamas.
Las zonas con el mismo tono corresponden a lamas de martensita con la misma orientación y se denominan vigas homotrópicas.
Según la relación de orientación de Kurdjumov-Sachs (KS), la martensita puede exhibir 24 orientaciones diferentes en la austenita original, incluidas seis orientaciones que pueden generar martensita torneada paralela (ver Figura 4).
Fig. 4 Martensita (111) en acero γ Posible orientación durante el conformado en el plano
Una viga isopática se refiere a un haz de listones que se han transformado a partir de uno de los listones.
Varios haces colineales paralelos se combinan para formar un grupo de bandas.
Algunos investigadores sugieren que dentro de un grupo de lamas, sólo dos grupos pueden alternar sus posiciones.
Por lo tanto, un grupo de lamas se compone típicamente de dos grupos de vigas de lamas alineadas que se alternan entre sí y también pueden alternar entre sí en límites de grano de ángulo grande. Sin embargo, hay casos en los que el grupo de lamas está compuesto principalmente por un único tipo de viga homotrópica, como se ilustra en C en la Figura 3.
Una viga alineada consta de tiras dispuestas en paralelo, como se muestra en D en la Figura 3.
Este escenario se puede observar mediante microscopía electrónica, como se muestra en la Figura 5.
Fig. 5 Algunas microestructuras en el haz isotrópico de martensita torneada en aleación Fe-0,2% C (micrografía electrónica de transmisión)
Según los resultados de la investigación sobre la aleación Fe-0,2% C, la distribución del ancho de la tira es una distribución lognormal como se muestra en la Fig.
Fig. 6 Distribución de películas y tiras de tecnología de réplica.
Como se ve en la figura, el ancho de la lama con mayor frecuencia de aparición varía de 0,15 a 0,20 μm, y la curva de distribución está fuertemente sesgada hacia las lamas de menor tamaño. Sin embargo, una pequeña proporción de lamas tiene entre 1 y 2 µm de ancho.
La Figura 7 ilustra que las lamas más grandes a menudo se distribuyen por todo el haz de lamas, lo cual es una característica clave de la microestructura del haz de lamas.
Fig. 7 Microestructura de martensita torneada en aleación Fe-0,2% C (micrografía electrónica de transmisión)
Los resultados experimentales indican que cambiar la temperatura de austenitización cambia el tamaño del grano de austenita, pero tiene un impacto mínimo en la distribución del ancho del listón.
Sin embargo, el tamaño del grupo de listones aumenta a medida que aumenta el tamaño del grano de austenita, mientras que la relación entre los dos permanece aproximadamente constante. Por tanto, el número de grupos de listones generados en un grano austenítico normalmente permanece sin cambios.
Las mediciones mediante microscopía electrónica de película fina muestran que el área del límite del listón en unidad de volumen de martensita es de aproximadamente 65.000 cm²/cm³.
El área de los límites de los cristales de ángulo pequeño en el haz de láminas es aproximadamente 5 veces mayor que la de los límites de los cristales de ángulo grande.
En la aleación Fe-Cr-Ni basada en acero inoxidable 18-8, se pueden generar tanto martensita en malla como ε'-martensita (red hexagonal compacta), lo que da como resultado una microestructura que difiere significativamente de la de la aleación Fe-C. , como se muestra en la Figura 8.
Fig. 8 Microestructura de martensita de aleación de Fe-15% Cr-12 y Ni (Ms = – 90°) (agua regia, corrosión por glicerina)
La estructura no contiene grupos de lamas ni vigas simposicionales; en cambio, se crea como un grupo de láminas delgadas que rodean una lámina de ε'-martensita (como se muestra en las tiras paralelas de la figura).
Sin embargo, la estructura microscópica electrónica de esta martensita en listón es idéntica a la que se encuentra en las aleaciones de Fe-C y Fe-Ni.
2. Martensita en escamas
Otra estructura típica de martensita en aleaciones de la serie de hierro es la martensita laminar, que se encuentra comúnmente en aceros templados con alto y medio carbono y aleaciones con alto contenido de NiFeNi.
La estructura típica de martensita laminar en acero con alto contenido de carbono se muestra en la Fig.
Fig. 9 Estructura de enfriamiento sobrecalentado de acero T12A 400X (calentada a 1000 ℃, enfriada con agua)
Este tipo específico de martensita se conoce con varios nombres, como martensita lenticular, debido a su forma biconvexa similar a una lente. También se la conoce como martensita acicular o martensita de hoja de bambú, porque cuando se observa bajo un microscopio cuando se cruza con la superficie de molienda de la muestra, aparece como estructuras en forma de aguja o de hoja de bambú.
La subestructura de la martensita laminar se compone principalmente de maclas y, por lo tanto, también se denomina martensita gemela. La microestructura de la martensita laminar se caracteriza por el hecho de que las laminillas no son paralelas entre sí.
Cuando un grano austenítico con composición uniforme se enfría a una temperatura ligeramente inferior a Ms, la primera martensita formada recorrerá todo el grano austenítico y lo dividirá en dos mitades. Esto limita el tamaño de la martensita formada posteriormente, lo que da como resultado diferentes tamaños de martensita laminar. Como se ilustra en la Figura 10, las escamas de martensita que se forman posteriormente tienden a ser más pequeñas.
Fig. 10 Microestructura de martensita laminar.
El tamaño de las escamas depende casi por completo del tamaño de grano de la austenita.
A menudo se puede observar martensita escamosa con una cresta media obvia (ver Fig. 11).
Fig. 11 Martensita en escamas (con una cresta intermedia obvia, el acero T12 se carburiza a 1200 ℃ durante 5 horas y se enfría a 180 ℃)
Actualmente, la regla para la formación de crestas medianas no está bien definida.
El plano de hábito de la martensita laminar es (225) γ o (259) γ. La relación de orientación con la fase principal es la relación Kurdjumov-Sachs (KS) o la relación Xishan.
Como se muestra en la Figura 12, la martensita contiene numerosas líneas finas que son cristales de transformada de Luan, mientras que las nervaduras con bandas delgadas en la parte central de la articulación son crestas centrales.
Fig. 12 Estructura TEM de martensita laminar.
La existencia del cristal de transformación de Lüders es una característica importante de la martensita laminar.
El espaciamiento de los cristales de Lüders es de aproximadamente 50 Å y generalmente no se extiende hasta el límite de la martensita.
El borde de la lámina presenta una compleja matriz de dislocaciones, que generalmente se cree que son dislocaciones de tornillos dispuestas regularmente en la dirección (111) α´.
La transformación del cristal de Lüders en martensita laminar es generalmente un cristal de (112)α´ Lüders.
Sin embargo, en la aleación Fe-1,82% C (c/a=1,08), un cristal de (110) Lüders se mezclará con un cristal de (112)α´ Lüders.
Dependiendo de la subestructura interna de la martensita laminar, se puede dividir en área de transformación gemela (parte media) centrada en la cresta media y área libre gemela (en la parte circundante de la laminilla hay dislocaciones).
La proporción de zonas duales varía según la composición de la liga.
En las aleaciones Fe-Ni, cuanto mayor es el contenido de Ni (cuanto menor es el punto Ms), mayor es la doble zona.
Según una investigación sobre la aleación Fe-Ni-C, incluso para una aleación con la misma composición, la proporción de la zona doble aumenta al disminuir el punto Ms (como resultado del cambio de temperatura de austenitización).
Sin embargo, la densidad de los gemelos de transformación apenas cambia y el espesor de los gemelos permanece en aproximadamente 50 Å.
La martensita en listón y la martensita laminar son las dos morfologías de martensita más básicas en acero y aleaciones.
Sus características morfológicas y cristalográficas se enumeran en la Tabla 1.
Tabla 1 Tipos y características de martensita en aleaciones hierro-carbono
| Características | martensita de listones | martensita laminar | |
| Superficie habitual | (111)γ | (225)γ | (259)γ |
| relación de orientación | Relación KS (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α.' | Relación KS (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α.' | Relación Xishan (111) yll (110) α.' 【211】 γll【110】 α.' |
| Temperatura de formación | M>350 ℃ | M≈200~100℃ | M.<100 ℃ |
| Composición de aleación %C | <0,3 | 1~1.4 | 1.4~2 |
| Cerrado a 0,3~1 | |||
| histomorfología | Las láminas generalmente están dispuestas en grupos paralelos desde el límite del grano de austenita hasta el interior del grano, y el ancho de las láminas es generalmente de 0,1 ~ 0,2 μ, y la longitud es inferior a 10 μ. Un grano austenítico contiene varios grupos de listones. Hay límites de veta de ángulo pequeño entre cuerpos de lamas y límites de veta de ángulo grande entre grupos de lamas. | La hoja convexa de la lente (o aguja, hoja de bambú) es ligeramente más gruesa en el medio, la primaria es más gruesa y larga y pasa a través de los granos de austenita, mientras que la secundaria es más pequeña. Entre las laminillas primarias y el límite del grano de austenita, el ángulo entre las laminillas es grande y chocan entre sí para formar microfisuras. | En la misma izquierda, hay una cresta intermedia en el centro del corte, y los cortes delgados con una distribución en zigzag son comunes entre los dos cortes primarios. |
| Infraestructura | Red de dislocación (entrelazamiento), la densidad de dislocación aumenta con el contenido de carbono, generalmente (0,3 ~ 0,9) × A veces se puede ver una pequeña cantidad de gemelos delgados a 1012 cm/cm3. | Los gemelos delgados con un ancho de aproximadamente 50｜ forman la transformada de Lie y las regiones gemelas con la cresta media como centro. A medida que el punto M disminuye, la región gemela de transformación aumenta y el borde de la hoja es una matriz de dislocación compleja. El plano gemelo es (112) α ※, la dirección gemela es (11I) α ´ | |
| Proceso de entrenamiento | Nucleación por enfriamiento, se producen nuevas láminas de martensita (láminas) solo durante el enfriamiento. | ||
| La velocidad de crecimiento es lenta y se forma un listón en aproximadamente 10-4 segundos. | La velocidad de crecimiento es alta y se forma una hoja en aproximadamente 10-7 segundos. | ||
| No hay transformación "explosiva" y la tasa de transformación de enfriamiento es de aproximadamente 1%/℃ dentro de menos del 50% de la cantidad de transformación. | Cuando M<0 ℃, se produce una transformación "explosiva", y la nueva lámina de martensita no se produce de manera uniforme con la caída de temperatura, sino que debido al efecto autoactivado, se forma en grupos (forma "Z") de forma continua y masiva. en un rango de temperatura muy pequeño, acompañado de un aumento de temperatura de 20~30℃ | ||
3. Otra morfología de martensita
3.1 Martensita mariposa
En las aleaciones de Fe Ni o Fe Ni C, cuando se forma martensita dentro de un cierto rango de temperatura, aparecerá martensita con una morfología especial, como se muestra en la Fig.
Fig. 13 Microestructura de Prato Martensita
La forma tridimensional de esta martensita es la de una varilla delgada y su sección tiene forma de mariposa, por eso se denomina martensita mariposa.
Se encontró que la martensita mariposa se formaba en aleaciones Fe-31% Ni o Fe-29% Ni-0,26% C en el rango de temperatura de 0 a -60 ℃.
Los estudios con microscopio electrónico han confirmado que su subestructura interna comprende dislocaciones de alta densidad, sin gemelos visibles.
La relación cristalográfica con la fase parental generalmente se adhiere a la relación KS. La martensita mariposa se forma principalmente entre 0 y -20 ℃, coexistiendo con martensita laminar entre -20 y -60 ℃.
Se puede ver que para los dos sistemas de aleaciones mencionados anteriormente, el rango de temperatura de formación de la martensita mariposa se encuentra entre el rango de temperatura de formación de la martensita laminada y la martensita laminar.
La unión de dos alas de martensita de mariposa es muy similar a la cresta media de la martensita laminar. Se supone que la martensita (probablemente macla) que crece desde aquí hacia ambos lados a lo largo de diferentes orientaciones tendrá forma de mariposa.
La parte conjunta de la martensita en forma de mariposa es similar a la parte conjunta de dos piezas de martensita formadas por una explosión, pero no contiene ninguna estructura gemela, lo que la diferencia de la martensita en láminas.
Desde el punto de vista de la estructura interna y la microestructura, la martensita mariposa es similar a la martensita en listón, pero no se presenta en filas.
En la actualidad, muchos aspectos de la martensita mariposa aún no están claros. Sin embargo, su morfología y propiedades se encuentran entre la martensita en listón y la martensita laminar, lo que lo convierte en un tema interesante para explorar.
3.2 Martensita escamosa
Esta martensita se descubrió en una aleación de Fe-Ni-C que presenta un punto Ms excepcionalmente bajo. Aparece como una banda muy delgada en forma tridimensional, con las bandas que se cruzan y exhiben giros, ramas y otras formas únicas, como se muestra en la Figura 14c.
Fig. 14 Aleación Fe-Ni-C enfriada hasta el punto Ms
Microestructura de martensita formada a la misma temperatura.
La estructura microscópica electrónica de esta martensita se muestra en la Fig.
Fig. 15 Estructura microscópica electrónica de martensita laminar (Fe-31%, Ni0,23% C, Ms=-190 ℃, enfriada a – 196 ℃)
El material examinado es una martensita de Luan completa compuesta por (112) cristales de α´ Luan sin cresta central, lo que la distingue de la martensita laminar.
Se observó que la morfología de la martensita en el sistema Fe-Ni-C cambia de lenticular a laminar a medida que disminuye la temperatura de formación.
En la aleación Fe-Ni-C con un contenido de carbono de aproximadamente 0,25 % y Ms = -66 ℃, la estructura es martensita laminar explosiva, como se muestra en la Figura 14a.
A medida que Ms disminuye a -150 ℃, comienza a aparecer una pequeña cantidad de martensita laminar, como se muestra en la Figura 14b.
En el punto donde Ms cae a -171 ℃, toda la estructura está compuesta de martensita laminar (ver Figura 14c).
Se encontró que la temperatura de transición de la lámina de lente a la lámina delgada aumenta al aumentar el contenido de carbono.
Cuando el contenido de carbono alcanza el 0,8%, la zona de formación de martensita laminar está por debajo de -100 ℃.
A medida que disminuye la temperatura de transformación, durante la transformación de la martensita laminar, no sólo se produce una formación continua de nuevas láminas de martensita, sino también un engrosamiento de las láminas de martensita viejas.
El engrosamiento de las viejas láminas de martensita no es visible en la martensita laminar.
3,3 ε' martensita
Todas las martensitas mencionadas anteriormente tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo (α') o cuadrada centrada en el cuerpo.
En aleaciones con baja energía de falla de apilamiento en austenita, también se puede formar una densa red hexagonal ε' martensita.
Este tipo de martensita predomina en aleaciones con alto contenido en Mn-Fe-C.
Sin embargo, el acero inoxidable 18-8 representado por aleaciones de Fe-Cr-Ni a menudo coexiste con la α'-martensita.
La martensita ε también es delgada, como se muestra en la Figura 16.
La formación de Widmanstatten se observa a lo largo de la superficie (111)γ, con una subestructura caracterizada por numerosas fallas de apilamiento.
Fig. 16 Microestructura de martensita de aleación de Fe-16,4% Mn (corrosión por alcohol nitrato)
2. Relación entre la composición química y la morfología martensítica y la subestructura interna de las aleaciones.
La presencia de elementos de aleación en el acero tiene un impacto crucial en la forma de la martensita.
Un ejemplo común es que la forma de la martensita en las aleaciones de Fe-C y Fe-Ni cambia de listones a escamas a medida que aumenta el contenido de la aleación. Por ejemplo, en la aleación Fe-C, por debajo del 0,3% de carbono, la martensita tiene forma de listón, mientras que por encima del 1% de carbono adquiere forma de escamas. En el rango de 0,3 % a 1,0 % de carbono, pueden estar presentes ambas formas de martensita.
Sin embargo, diferentes fuentes pueden mostrar concentraciones inconsistentes que desencadenan la transición de martensita en listones a martensita laminar. Esta variabilidad está relacionada con el efecto de la tasa de enfriamiento, donde una tasa de enfriamiento más alta conduce a una concentración mínima de carbono requerida para la formación de doble martensita.
La Figura 17 ilustra el impacto del contenido de carbono en el tipo de martensita, el punto Ms y la cantidad de austenita retenida en las aleaciones Fe-C.
Fig. 17 Efecto del contenido de carbono en el punto Ms, contenido de martensita en listón y contenido de austenita retenida (acero al carbono endurecido a temperatura ambiente)
La figura demuestra que el acero con un contenido de carbono inferior al 0,4% casi no contiene austenita retenida.
A medida que aumenta el contenido de carbono, el punto Ms disminuye mientras que aumenta la cantidad de martensita cristalina de Luan y austenita retenida.
La Tabla 2 resume la relación entre la morfología de la martensita y la composición de las aleaciones binarias de hierro.
Tabla 2 Morfología de martensita de aleaciones binarias de Fe
|
Sistema de liga |
martensita de listones |
martensita laminar |
martensita |
|||||
|
Composición de la liga (%) |
Punto M (℃) |
Composición de la liga (%) |
Punto M (℃) |
Composición de la liga (5%) |
||||
|
Zona Y extendida |
Fe-C Pantano Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fe-ir Fe-Cu Fe-Co |
<1.0 <0,7 <29 <20,5 <14,5 7.5~19 20~48 2~6 0~1 1~24 |
700~200 700~350 700~25 700~400 700~150 600 ~ 200 550~40 – 700~620 620~800 |
0,6~1,95 0,7~2,5 29~24 24.6 – – – – – – |
500~40 350~100 25~195 -30 – – – – |
– – – – 14,5~27 11~17 35~53 – – – |
||
|
Área Y reducida |
Fe-Cr Fe Mo Fe-Sn Fe-V Alguno |
<10 <1,94 <1.3 <0,5 <0,3 |
700~260 700~180 |
– – – – – |
– – – – – |
– – – – – |
||
La tabla demuestra que todos los elementos de aleación en la zona γ se transforman en martensita en listón.
A medida que aumenta la concentración de elementos de aleación en la zona P expandida, el punto Ms general disminuye significativamente, acompañado de un cambio en la morfología de la martensita.
Por ejemplo, en aleaciones binarias como Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt y otras, la morfología de la martensita se transforma de listón a escamas a medida que aumenta el contenido de elementos de aleación.
Sin embargo, la adición de Mn, Ru e Ir puede reducir en gran medida la energía de falla de apilamiento de la austenita, lo que resulta en un cambio en la morfología de martensita en listón a martensita ε´ con un aumento en el contenido de elementos de aleación en aleaciones binarias de hierro.
Las aleaciones Fe-Cu y Fe-Co son excepciones entre los elementos expandidos de la zona γ.
Aunque el Cu es parte del elemento de expansión de la zona Y, la pequeña cantidad de solución sólida en Fe conduce a un punto Ms relativamente estable y por lo tanto muestra la misma tendencia que las aleaciones de contracción de la zona Y.
La aleación Fe-Co es única en comparación con otras aleaciones. Al aumentar el contenido de Co, el punto Ms aumenta, lo que lo convierte en un caso especial.
En general, existen varios tipos de elementos de aleación en el acero, pero si se agrega un tercer elemento a la aleación Fe-C o Fe-Ni, una pequeña cantidad no cambiará significativamente la morfología de la martensita en comparación con la aleación binaria.
Como se mencionó anteriormente, las aleaciones de Fe-Ni-C pueden formar listones, mariposas, láminas de lentes y martensita de láminas delgadas. La relación entre la temperatura de formación de estas cuatro formas de martensita y el contenido de carbono y el punto Ms se muestra en la Figura 18.
Fig. 18 Relación entre la morfología de la martensita, el contenido de carbono y el punto Ms de la aleación Fe-Ni-C
La figura muestra que la temperatura de formación de martensita lenticular y laminar aumenta a medida que aumenta el contenido de carbono.
La figura también resalta el área de formación de martensita mariposa con un área sombreada.
La Tabla 3 resume la relación entre la morfología, la subestructura y las características cristalográficas de la martensita en aleaciones a base de hierro.
Tabla 3 Características de la Martensita del Sistema Fe
| Superficie habitual | relación de orientación | Morfología de la martensita | Segundo tipo de cizalla | Subestructura de martensita | Punto m. | Energía de falla de austenita | Grado de acero |
| (111) (225) (259) |
KANSAS. KANSAS. Xishan |
Tablilla | doble resbalón | Dislocación | Alto promedio bajo |
Bajo bajo o medio alto |
Cobre con bajo contenido de carbono, acero con alto contenido de Mn, acero con bajo contenido de Ni; acero de alto y medio carbono, acero inoxidable, acero de medio Ni; Acero con alto contenido de Ni, acero con alto contenido de carbono. |
En el acero, generalmente se considera que la martensita con un contenido de carbono inferior al 0,20% tiene una estructura reticular cúbica centrada en el cuerpo. Se considera que la martensita con un contenido de carbono superior al 0,20% tiene una estructura reticular tetragonal centrada en el cuerpo.
Se cree comúnmente que la martensita cúbica centrada en el cuerpo de acero con bajo contenido de carbono es equivalente a la martensita de dislocación, mientras que la martensita tetragonal centrada en el cuerpo es equivalente a la martensita gemela con alto contenido de carbono. Sin embargo, en las aleaciones de Fe-Ni, la martensita doble también puede tener una estructura cúbica centrada en el cuerpo.
Como resultado, la relación entre la estructura cristalina y la subestructura sigue siendo incierta.
3. Factores que afectan la morfología y la subestructura de la martensita.
La discusión anterior cubre la ley del cambio en la morfología de la martensita debido a un cambio en la composición de la aleación.
Actualmente, hay mucho debate sobre los factores que impactan este cambio y no existe un consenso claro.
Está ampliamente aceptado que los cambios morfológicos son esencialmente cambios en la subestructura y las perspectivas comunes incluyen:
1. Sra. Punto
Los partidarios de este punto de vista creen que la morfología de la martensita depende de la temperatura.
Afirman que en las aleaciones Fe-C, un aumento en el contenido de carbono resulta en una disminución de la temperatura Ms.
A temperaturas por debajo de un cierto rango (300-320°C), resulta más fácil formar maclas de transformación y la martensita laminar resultante.
La Tabla 4 describe la relación entre la morfología de la martensita, las características cristalinas del acero al carbono y el contenido de carbono y la temperatura Ms.
Tabla 4 Relación entre la morfología de la martensita y las características cristalográficas del acero al carbono y el contenido de carbono y punto Ms del acero
| Contenido de carbon (%) | Estructura cristalina | relación de mentoría | Superficie habitual | Punto M (℃) | Morfología de la martensita |
| <0,3 | Cuerpo centrado en cubos o cuadrados. | Relación CS | (111) | >350 | Martensita de listones |
| 0,3~1,0 | cuadrado centroide | Relación CS | Tira (111), hoja (225) | 350~200 | martensita mixta |
| 1,0 ~ 1,4 | cuadrado centroide | Relación CS | (225) | <200 | Martensita laminada con macla parcial y dislocaciones en la subestructura |
| 1,4 ~ 1,8 | Cuerpo · Corazón Cuadrado | relación xishan | (259) | <100 | Martensita laminar típica con cresta media obvia y disposición en “forma de Z” |
La transformación de la morfología de la martensita de listón a escama con una disminución en el punto Ms se puede explicar de la siguiente manera:
La Tabla 4 demuestra una correlación entre la superficie del hábito y la morfología de la martensita. Generalmente se cree que la temperatura de formación de la martensita baja en carbono es alta, siendo el plano (111)γ el plano habitual debido a su gran cizallamiento. A estas altas temperaturas, es más fácil que ocurra deslizamiento que macla y hay menos (111) sistemas cristalinos γ en la red cúbica centrada en las caras, lo que resulta en un número limitado de orientaciones iniciales para la formación de martensita, lo que lleva a la formación de martensita agrupada dentro. la misma austenita.
A medida que la temperatura puntual Ms disminuye, se vuelve más fácil que ocurra la macla que el deslizamiento, y el plano de hábito cambia a (225) γ o (259) γ. Este cambio da como resultado un aumento en el número de sistemas cristalinos y orientaciones iniciales para la formación de martensita, lo que lleva a la formación de martensita laminar cristalina de Li con láminas adyacentes no paralelas entre sí dentro de la misma austenita.
Se ha demostrado que la formación de martensita a alta temperatura no puede dar como resultado una martensita laminar doble, incluso si la austenita está significativamente reforzada. El punto Ms en aleaciones Fe-Ni-C se puede cambiar cambiando la temperatura de austenitización, permitiendo obtener diferentes puntos Ms dentro de la misma aleación.
Cuando la temperatura de enfriamiento es ligeramente inferior al punto Ms correspondiente, se puede observar el cambio en la morfología de la martensita de forma de mariposa a forma de lámina. Además, la disminución de la temperatura de la formación conduce a un aumento de la zona de transformación gemela.
También se estudió la morfología de la martensita inducida por deformación formada en la misma aleación a varias temperaturas por encima del punto Ms, revelando que la morfología de la martensita cambia con el cambio en la temperatura de deformación (es decir, la temperatura de formación de la martensita inducida por deformación). . Estos resultados confirman que la morfología de la martensita y la estructura interna de este tipo de aleación están relacionadas exclusivamente con el punto Ms.
Además, bajo alta presión y una disminución del punto Ms, la aparición de maclas de transformación se vuelve más probable, lo que lleva a un cambio en la morfología de la martensita de listón a lámina, como se muestra en la Fig. 19. Esta evidencia experimental respalda la importancia del punto Ms.
Fig. 19 Efecto de una presión de 4000 MPa sobre el punto Ms y sobre la subestructura martensítica de la aleación ferromagnética.
En el proceso de formación real, se producen múltiples martensitas consecutivamente a diferentes temperaturas entre los puntos Ms y Mf.
La temperatura a la que se forma cada cristal de martensita es única, por lo tanto, la estructura interna y la morfología de cada cristal de martensita también son distintas.
Por lo tanto, es más correcto afirmar que la temperatura de formación, y no el punto Ms, afecta la morfología y estructura interna de la martensita.
2. La energía de falla de apilamiento de la austenita.
Según Kelly et al., proponen una hipótesis que establece que cuanto menor es la energía de falla de apilamiento de austenita, más difícil resulta producir la transformación en cristales de bainita y más probable es la formación de martensita en listón.
Tanto el acero inoxidable 18-8 como la aleación Fe-8% Cr-1,1% C exhiben bajas energías de falla por apilamiento. A la temperatura del nitrógeno líquido, se forma martensita dislocada. Este fenómeno es difícil de explicar utilizando la hipótesis de la Sra. Point, pero puede explicarse mediante esta hipótesis.
Además, en la martensita laminar de aleación de Ni Fe-30 ~ 33%, la zona de transformación gemela aumenta a medida que aumenta el contenido de Ni. Como se sabe que el Ni aumenta la energía de falla de apilamiento de la austenita, este fenómeno experimental respalda la hipótesis.
Cabe mencionar que este fenómeno experimental también puede explicarse mediante la teoría de Ms Point, ya que Ni disminuye el Ms Point.
3. Resistencia de la austenita y la martensita.
Recientemente, Davis y Magee propusieron una hipótesis sobre la relación entre la resistencia de la austenita y la morfología de la martensita. Utilizaron un método de aleación para cambiar la resistencia de la austenita y estudiaron los cambios resultantes en la morfología de la martensita.
Los resultados revelaron que la morfología de la martensita cambia según el límite elástico de la austenita en el punto Ms, que es de aproximadamente 206 MPa. Por encima de este límite, se forma martensita laminar con un plano habitual de {259} γ. Por debajo de este límite, se forma martensita en listón con un plano de hábito de {111} γ o martensita laminar con un plano de hábito de {225} γ.
Como resultado, Davis y Magee creen que la resistencia de la austenita es el principal factor que afecta la morfología de la martensita. También investigaron más a fondo la fuerza de la martensita. Cuando la resistencia de la austenita es inferior a 206 MPa, si la resistencia de la martensita resultante es alta, se forma como martensita {225}γ. Si la resistencia de la martensita es baja, se forma {111}γ martensita.
Esta hipótesis se puede aplicar para explicar los cambios morfológicos resultantes de cambios en la composición de la aleación o el punto Ms, particularmente la transformación de {111}γ a {225}γ en aleaciones de FeNi y de {111}γ a {225}γ en {259}γ. en aleaciones Fe-C.
Además, la hipótesis proporciona una comprensión clara de la formación de martensita {225}γ, que no ha sido bien definida en el pasado. Se forma cuando la austenita débil se transforma en martensita fuerte.
Aunque el carbono tiene efectos limitados sobre el fortalecimiento de la austenita, tiene un impacto significativo sobre el fortalecimiento de la martensita. {225} La martensita γ se produce principalmente en sistemas de aleaciones con alto contenido de carbono.
Esta hipótesis se basa en lo siguiente:
Si la relajación de la tensión de transformación en la martensita se produce sólo mediante deformación maclada, la martensita resultante tendrá el plano de hábito {259} γ.
Cuando la relajación de la tensión de transformación se lleva a cabo parcialmente en austenita mediante el modo deslizante y parcialmente en martensita mediante el modo macla, la martensita tendrá el plano de hábito {225} γ.
Si la martensita también sufre un modo de deslizamiento, el plano de hábito será {111} γ.
Los resultados experimentales sugieren que esta hipótesis es parcialmente correcta, pero aún se necesita más investigación en el futuro.
Cabe señalar que la resistencia de la austenita y la martensita como se describe en esta hipótesis está estrechamente relacionada con varios factores como la composición de la aleación, el tipo, el punto Ms, la energía de falla de apilamiento de la austenita y otros. Por tanto, esta hipótesis no puede considerarse aislada.
4. Esfuerzo cortante crítico del deslizamiento de martensita y doble deformación.
Esta hipótesis enfatiza que la estructura interna de la martensita está determinada principalmente por el modo de deformación durante la transformación, que está controlado principalmente por el esfuerzo cortante crítico de deslizamiento o macla.
La Figura 20 ilustra el efecto del esfuerzo cortante crítico del deslizamiento o gemelo de martensita y la temperatura de Ms y Mf en la formación de la morfología de martensita.
Fig. 20 Diagrama esquemático de la influencia del esfuerzo cortante crítico y la temperatura Ms Mf en la morfología de la martensita causada por el deslizamiento o macla de la martensita.
Las flechas en la figura representan las posibles direcciones de movimiento de las líneas correspondientes, que son causadas por cambios en la composición de la aleación. El movimiento de las líneas conduce al movimiento de intersección de las curvas de deslizamiento gemelas.
En la figura, se puede ver que para el acero con bajo contenido de carbono (donde los puntos Ms y Mf son altos), el esfuerzo cortante crítico requerido para el deslizamiento es menor que el requerido para el maclado, lo que resulta en la formación de martensita torneada con alta dislocación. densidad. Por otro lado, para los aceros con alto contenido de carbono (donde los puntos Ms y Mf son bajos), el esfuerzo cortante crítico requerido para la macla es pequeño, lo que resulta en la formación de martensita laminar con una gran cantidad de maclas.
En el caso de un contenido medio de carbono, los puntos Ms y Mf son como se muestra en la figura. Durante la transformación martensítica, primero se forma martensita en listón, seguida de martensita laminar. Esto da como resultado una estructura mixta de ambos tipos de martensita.
Aunque este punto de vista parece fundamentalmente correcto, los factores que causan cambios en el esfuerzo cortante y cómo la composición de la aleación o los puntos Ms influyen en el esfuerzo cortante crítico para el deslizamiento o macla martensítica aún no están claros.
Algunos creen que el aumento de la fuerza impulsora de la transformación conduce a la transformación en martensita laminar. Para las aleaciones Fe-C, el límite de fuerza impulsora para el cambio en la morfología de la martensita es 1318 J/mol, y para las aleaciones Fe-Ni varía de 1255 a 1464 J/mol. Otros creen que el aumento del contenido de C y N en la martensita, que provoca el ordenamiento, está estrechamente relacionado con la transformación morfológica.
4. Formación de microfisuras de martensita laminar en aleación Fe-C.
Cuando se endurece el acero con alto contenido de carbono, es susceptible a la formación de microfisuras en la martensita.
Anteriormente, se pensaba que estas microfisuras eran el resultado del microestrés causado por la expansión del volumen durante la transformación martensítica.
Sin embargo, observaciones metalográficas recientes han revelado que la formación de microfisuras en realidad se debe a la colisión de martensita en crecimiento, como se ilustra en la Figura 21.
Figura 21. Diagrama esquemático de microfisuras formadas por la colisión de dos láminas de martensita Fe-C. (La sección AA representa la sección transversal de una lámina de martensita, que se ha difundido en dos láminas de martensita).
La formación de martensita ocurre rápidamente. Cuando las láminas de martensita chocan entre sí o con un límite de grano de austenita, se genera un importante campo de tensiones debido al impacto.
Debido a que la martensita con alto contenido de carbono es extremadamente frágil y no puede aliviarse mediante deslizamiento o doble deformación, es propensa a formar grietas por impacto.
Este defecto inherente aumenta la fragilidad del acero martensítico con alto contenido de carbono.
Bajo la influencia de otros factores estresantes, como el estrés térmico y el estrés estructural, las microfisuras se transformarán en macrofisuras.
La presencia de microfisuras también reducirá significativamente la vida a fatiga de los componentes.
Las microgrietas en la martensita laminar de aleación Fe-C a menudo ocurren en la unión de varias agujas de martensita radiales o dentro de las agujas de martensita, como se ilustra en la Figura 22.
Fig. 22 Características microscópicas ópticas de microfisuras en martensita de aleación Fe-1,39%C
La sensibilidad de la formación de microfisuras en martensita se expresa generalmente en términos del área de microfisuras por unidad de volumen de martensita (Sv).
La evidencia experimental sugiere que la sensibilidad de la martensita a la formación de microfisuras está influenciada por varios factores, entre ellos:
1. Efecto de la temperatura de enfriamiento
A medida que disminuye la temperatura de enfriamiento, la cantidad de austenita retenida (representada por γR) en la estructura de acero templado disminuye, lo que resulta en un aumento en la cantidad de martensita y en la sensibilidad a la formación de microfisuras, como se ilustra en la Figura 23.
Fig. 23 Relación entre la sensibilidad a las microfisuras de formación de martensita Fe-C y la temperatura de enfriamiento (1,39% C, calentada a 1200 ℃ durante 1 hora)
2. Efecto de la cantidad de transformación de martensita.
La Figura 24 ilustra la relación entre la cantidad de transformación de martensita y la susceptibilidad a la formación de microfisuras.
Fig. 24 La relación entre la sensibilidad a las microfisuras (SV) de la formación de martensita en una aleación Fe-1,86% C y el volumen promedio (V) de cada pieza de martensita, el número de láminas de martensita en unidad de volumen (NV) y la transformación de martensita. :
Según la figura, la sensibilidad a la formación de microfisuras (Sv) aumenta con el aumento de la variable de transformación de martensita, sin embargo, cuando la fracción de transformación (f) supera 0,27, Sv no continúa aumentando.
Aunque el número de martensita por unidad de volumen (Nv) aumenta, el tamaño de la lámina de martensita formada, representado por el volumen medio (V) de un trozo de martensita, disminuye debido a la continua división de la austenita.
Por tanto, el tamaño de la lámina de martensita (V) puede tener un valor crítico que afecta la sensibilidad (Sv) a la formación de microfisuras. Si V excede este valor crítico, la sensibilidad a la formación de microfisuras (Sv) aumenta al aumentar la fracción de transformación.
En conclusión, la formación de grietas está determinada predominantemente por el tamaño de las placas de martensita. Aunque el número total y el área de las grietas pueden aumentar al aumentar la variable de transformación de la martensita, las grandes escamas de martensita formadas en la etapa inicial dan como resultado la formación de la mayoría de las grietas durante las etapas iniciales de transformación.
3. Efecto de la longitud de la hoja de martensita.
La experiencia muestra que a medida que aumenta la longitud de la lámina de martensita (es decir, aumenta el tamaño máximo de la lámina), también aumenta la susceptibilidad de la martensita a la formación de microfisuras, como se ilustra en la Figura 25.
Fig. 25 Relación entre la sensibilidad de la formación de microfisuras y la longitud de la lámina de martensita (el número al lado del punto es el contenido de martensita%)
Las láminas largas de martensita son más susceptibles al impacto que otras láminas de martensita debido a su tamaño. Además, tienden a cruzarse con granos de austenita, lo que aumenta la probabilidad de encontrar límites de grano.
Los experimentos han demostrado que en la martensita gruesa se forman predominantemente microfisuras, mientras que en la martensita fina rara vez se forman microfisuras.
Como resultado, es probable que exista un tamaño de martensita crítico para que se produzcan microfisuras en la martensita. Asimismo, si la composición de la austenita es relativamente uniforme, habrá un tamaño de grano de austenita crítico por debajo del cual no se producirán microfisuras.
La idea de que los finos granos de austenita pueden reducir las microfisuras en los aceros endurecidos con alto contenido de carbono se ha implementado en la producción. Sin embargo, aún no está claro si la sensibilidad a las microfisuras depende del tamaño de la propia lámina de martensita o del campo de tensión generado por el crecimiento de láminas de martensita de tamaño crítico.
4. Efecto del tamaño del grano de austenita
En el caso de la austenita homogénea, la longitud de las láminas de martensita formadas en la fase inicial está relacionada con el tamaño de los granos de austenita. Los granos gruesos de austenita dan como resultado la formación de martensita gruesa, que es más propensa a la formación de microfisuras.
Los resultados experimentales, como se muestra en la Figura 26, apoyan esta idea. Los resultados indican que el acero con un alto contenido de carbono es más propenso a agrietarse cuando se templa a temperaturas más altas.
Por lo tanto, generalmente se recomienda seleccionar una temperatura de enfriamiento más baja para templar acero con alto contenido de carbono.
Fig. 26 Efecto del tamaño del grano de austenita del acero al carbono (1,22% C) sobre la sensibilidad a las microfisuras en campo
5. Efecto del contenido de carbono sobre la martensita.
El efecto del contenido de carbono en la formación de microfisuras en martensita se demuestra en la Figura 27.
Fig. 27 Efecto del contenido de carbono en la martensita sobre la sensibilidad a las microfisuras
Se puede ver en la Figura 27 que la probabilidad de formación de microfisuras aumenta a medida que aumenta el contenido de carbono en la martensita.
Sin embargo, si el contenido de carbono en la austenita es superior al 1,4%, la susceptibilidad a la formación de microfisuras disminuye. Esto está relacionado con el plano habitual del cristal durante la transformación martensítica.
Cuando el contenido de carbono en el acero supera el 1,4%, la forma de la martensita cambia. Las láminas se vuelven más gruesas y más cortas, el ángulo entre las láminas de martensita se vuelve más pequeño y la fuerza del impacto y la tensión se reducen. Como resultado, disminuye la sensibilidad a la formación de microfisuras.
La Tabla 5 muestra que la sensibilidad a la formación de microfisuras en acero al 1,39% de carbono disminuye significativamente al disminuir el contenido de carbono en la martensita. Los datos se presentan para un tamaño de grano de 3.
|
Temperatura A1~Aw (℃) |
Contenido de carbono en martensita (%) |
Austenita retenida (%) |
Cantidad de carburo (%) |
Sensibilidad a la formación de microfisuras S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1.39 1:30 de la tarde. 1.21 1.18 1.05 1.01 0,92 0,83 |
33,5 22 15 13 12 8 9 6 |
3.9 6 6.5 12 15 17,5 20 |
18 17 13 9 10 4.5 1.5 0,15 |
El análisis metalográfico indica que la reducción de la sensibilidad a las microfisuras está asociada con la presencia de martensita en crecimiento más paralelo en la microestructura.
La martensita en listón tiene una alta plasticidad y tenacidad, y el riesgo de impacto mutuo se reduce debido al crecimiento paralelo de la martensita en listón, lo que lleva a una baja sensibilidad a las microfisuras.
Como se mencionó anteriormente, el acero con alto contenido de carbono es susceptible a agrietarse debido a su estructura de grano de austenita gruesa y al alto contenido de carbono en la martensita. Para mitigar esto, el proceso de producción tiende a utilizar temperaturas de calentamiento más bajas y tiempos de mantenimiento más cortos para reducir el contenido de carbono en la martensita y obtener granos más finos.
En general, los aceros hipereutectoides, que se someten a un enfriamiento incompleto, producen martensita criptocristalina, que es menos propensa a microfisuras. Por eso tienen excelentes propiedades generales.
