Transformación del acero durante el enfriamiento – Widmanstatten
1. Formación de la estructura de Widmanstatten
En la producción real, el acero hipoeutectoide con un contenido de carbono (ωc) inferior al 0,6% y el acero hipereutectoide con un contenido de carbono superior al 1,2% se enfrían con aire después de la fundición, el laminado en caliente y el forjado. La costura de soldadura o la zona afectada por el calor se enfría con aire o, cuando la temperatura es muy alta, se enfría rápidamente. Esto da como resultado el crecimiento y precipitación de ferrita preeutectoide o cementita preeutectoide desde el límite del grano de austenita a lo largo de ciertos planos cristalinos en forma de aguja de la austenita.
2. Microestructura de la estructura de Widmanstatten.
Bajo un microscopio metalográfico, se puede observar la presencia de ferrita o cementita acicular dispuesta casi paralela o regularmente y la estructura de perlita entre ellas. Esta estructura se conoce como Widmanstätten y la siguiente figura ilustra el Widmanstätten de ferrita y cementita.
3. Mecanismo de formación de la estructura de Widmanstatten.
La ferrita de Widmanstatten se forma mediante un mecanismo de cizallamiento, similar al proceso de bainita. Esto da como resultado una muestra convexa.
Debido a la alta velocidad de enfriamiento durante la formación, la ferrita solo puede precipitar a lo largo de una superficie cristalina específica de austenita y tiene una relación de orientación cristalina con su fase madre, la austenita.
La formación de ferrita acicular puede ocurrir directamente a partir de la austenita o la ferrita reticular puede precipitarse a lo largo de los límites de grano de la austenita y crecer paralelamente en el cristal.
A medida que se forma la ferrita de Widmanstatten, el carbono se difunde desde la ferrita a la fase original, la austenita, en ambos lados, lo que hace que el contenido de carbono de la austenita entre las agujas de ferrita aumente continuamente y finalmente se transforme en perlita.
La ferrita de Widmanstatten formada mediante el mecanismo de transformación de bainita es en realidad bainita libre de carbono.
4. Factores que influyen
La formación de la estructura de Widmanstatten depende del contenido de carbono, el tamaño del grano de la austenita y la velocidad de enfriamiento (temperatura de transformación) del acero.
La siguiente figura ilustra la temperatura de formación y el rango de contenido de carbono para diversas ferritas y cementitas. Como puede verse en la figura, la estructura de Widmanstatten (zona W) sólo puede formarse con velocidades de enfriamiento relativamente rápidas y dentro de un rango específico de contenido de carbono.
Para el acero hipoeutectoide, si la fracción de masa de carbono excede el 0,6%, resulta difícil formar la estructura de Widmanstatten debido a su alto contenido de carbono y su baja probabilidad de formar una zona pobre en carbono.
Las investigaciones muestran que para el acero hipoeutectoide, la estructura de Widmanstatten solo puede formarse cuando el contenido de carbono está dentro de un rango estrecho de ωc = 0,15% a 0,35% y la velocidad de enfriamiento es rápida, con un tamaño de grano fino de austenita.
Cuanto más fino es el grano de austenita, más fácil es formar la red de ferrita, pero no la estructura de Widmanstatten. Por otro lado, cuanto más grueso es el grano de austenita, más fácil es formar la estructura de Widmanstatten y se amplía el rango de contenido de carbono necesario para formarla.
Por lo tanto, la estructura de Widmanstatten se observa típicamente en aceros con estructura de grano de austenita gruesa.
5. Propiedades de la estructura de Widmanstatten
(1) Widmanstatten es un tipo de estructura de acero sobrecalentada que puede tener un impacto negativo en las propiedades mecánicas del acero. Esto incluye una reducción de la resistencia al impacto y la plasticidad, así como un aumento de la temperatura de transición frágil, lo que hace que el acero sea más propenso a fracturas frágiles.
(2) Es ampliamente reconocido que la resistencia al impacto y la tenacidad del acero se reducen significativamente solo cuando el grano de austenita es grueso, aparece una estructura de ferrita gruesa o cementita de Widmanstatten y la matriz está seriamente fragmentada.
Sin embargo, cuando el grano de austenita es relativamente fino, incluso si hay una pequeña cantidad de ferrita acicular presente en la estructura de Widmanstatten, las propiedades mecánicas del acero no se verán afectadas significativamente. Esto se debe a la subestructura más delgada y a la mayor densidad de dislocación de la ferrita en la estructura de Widmanstatten.
(3) La reducción de las propiedades mecánicas del acero debido a la estructura de Widmanstatten siempre está relacionada con el engrosamiento de los granos de austenita. Si la estructura de Widmanstatten aparece en acero o acero fundido y reduce sus propiedades mecánicas, el primer paso es considerar si es causada por el engrosamiento del grano de austenita debido a las altas temperaturas de calentamiento.
(4) Para los aceros propensos a la estructura de Widmanstatten, se puede evitar o eliminar controlando adecuadamente el proceso de laminación, reduciendo la temperatura final de forjado, controlando la velocidad de enfriamiento después de la forja o cambiando el proceso de tratamiento térmico, como templado y revenido, normalizando. , recocido o enfriamiento isotérmico para refinar el grano.
6. Valorización de la estructura de Widmanstatten
Transformación del acero durante el enfriamiento: martensita
Estructura, estructura y propiedades del cristal de martensita.
1. Definición
(1) Transformación martensítica: la transformación de fase no difusiva que ocurre cuando el acero se enfría rápidamente desde el estado austenítico para evitar su descomposición difusiva (por debajo del punto MS) se conoce como transformación martensítica.
Es importante señalar que la transformación es característica de la martensita y todos los productos de transformación se denominan martensita.
(2) Martensita: En esencia, la martensita en el acero es una solución sólida intersticial donde el carbono está sobresaturado en α-Fe.
2. Estructura cristalina de martensita.
La estructura cristalina martensítica puede adoptar las siguientes formas:
- Cúbica centrada en el cuerpo: esta es la estructura cristalina de la martensita que se encuentra en aceros con bajo contenido de carbono o aleaciones sin carbono.
- Tetragonal centrado en el cuerpo: Es la estructura cristalina de la martensita que se encuentra en los aceros con alto contenido de carbono.
- Red hexagonal: esta es la estructura cristalina de la martensita que se encuentra en aleaciones complejas a base de hierro a bajas temperaturas.
3. Microestructura de martensita
Hay dos formas básicas de martensita en acero: martensita de listón (martensita de desplazamiento) y martensita laminar (también conocida como martensita de aguja).
(1) Listón de martensita
La martensita torneada es una estructura martensítica común que se encuentra en acero con bajo contenido de carbono, acero con contenido medio de carbono, acero martensítico, acero inoxidable y otras aleaciones a base de hierro.
a) Morfología estructural: listones de martensita (D) → viga de martensita (B-2; C-1) → grupo de listones (3-5) → listón de martensita.
b) Los listones densos generalmente están separados por austenita residual con alto contenido de carbono.
La presencia de esta fina capa de austenita residual puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas del acero.
c) Hay una gran cantidad de dislocaciones en la martensita torneada y la distribución de estas dislocaciones no es uniforme.
Forma una subestructura celular, llamada célula de dislocación, por lo que también se le llama martensita de dislocación.
(2) Martensita laminar
La martensita laminar se encuentra en acero con alto contenido de carbono (ωC > 0,6%), níquel (ωNi = 30%), acero inoxidable y algunos metales y aleaciones no ferrosos.
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(a) Morfología estructural: la morfología espacial de la martensita laminar tiene la forma de una lente convexa.
Debido al corte de la muestra durante el pulido, su sección transversal parece similar a una aguja o una hoja de bambú bajo el microscopio óptico.
Por lo tanto, la martensita laminar también se conoce como martensita en forma de aguja o martensita en forma de hoja de bambú.
(b) Características microestructurales: las láminas de martensita en martensita laminar no son paralelas entre sí.
En un grano de austenita, la martensita formada por la primera lámina generalmente cubre todo el grano de austenita y se divide en dos partes, lo que hace que el tamaño de las láminas de martensita formadas posteriormente sea cada vez más pequeño.
(c) Tamaño: El tamaño máximo de la martensita laminar depende del tamaño original del grano de austenita. Cuanto más grande es el grano de austenita, más gruesa es la lámina de martensita.
(d) Martensita criptocristalina: cuando el trozo más grande de martensita es demasiado pequeño para distinguirlo con un microscopio óptico, se denomina "martensita criptocristalina".
La martensita obtenida mediante enfriamiento normal en producción se presenta generalmente en forma de martensita criptocristalina.
(e) Subestructura: La subestructura de la martensita laminar está principalmente maclada, por lo que también se la llama martensita gemela.
Los gemelos suelen estar situados en el centro de la martensita y no se extienden hasta la región del borde de la lámina de martensita. La región del borde contiene dislocaciones de alta densidad.
En aceros con contenido de carbono ωC > 1,4%, se puede ver una región gemela delgada con alta densidad en la línea central de la placa de martensita.
(f) Microfisuras: la rápida formación de martensita genera un campo de tensiones considerable cuando choca con otros límites de grano de martensita o austenita.
La martensita laminar es dura y quebradiza, y la tensión no se puede relajar mediante deslizamiento o doble deformación, lo que la hace susceptible al agrietamiento por impacto.
En general, cuanto más grande sea el grano de austenita y la lámina de martensita, más microfisuras se formarán después del enfriamiento. La presencia de microfisuras aumenta la fragilidad de las piezas de acero con alto contenido de carbono.
Bajo la influencia de la tensión interna, las microfisuras eventualmente se expandirán hasta convertirse en macrofisuras, lo que provocará el agrietamiento de la pieza o una reducción notable de su vida a fatiga.
(g) Morfología: La morfología de la martensita depende principalmente del contenido de carbono de la austenita y está relacionada con la temperatura inicial de transformación de la martensita (punto MS) del acero.
Cuanto mayor sea el contenido de carbono de la austenita, menores serán los puntos MS y MF.
| contenido de carbon | Molde | Temperatura de formación (general) |
| ωC<0,2% | martensita de listones | Por encima de 200 ℃ |
| ωC>0,6% | martensita en placa | Por debajo de 200 ℃ |
| ωC=0,2%~1% | Estructura mixta de listón y chapa | Primero se forma el caballo del tablero y luego el caballo de la pieza. |
(h) Influencia de los elementos en la morfología de la martensita: elementos como Cr, Mo, Mn y Ni (que disminuyen el punto MS) y Co (que aumentan el punto MS) aumentan la probabilidad de formación de martensita laminar.
4. Propiedades de la martensita
(1) Propiedades mecánicas: la martensita se caracteriza por su alta resistencia y dureza.
(2) Efecto del contenido de carbono sobre las propiedades: la dureza de la martensita depende principalmente de su contenido de carbono.
Cuando ωC <0,5%, la dureza de la martensita aumenta drásticamente al aumentar el contenido de carbono.
Sin embargo, cuando ωC > 0,6%, aunque la dureza de la martensita aumenta, la dureza del acero disminuye debido a la presencia de una mayor cantidad de austenita residual.
(3) Influencia de los elementos de aleación: los elementos de aleación tienen un efecto mínimo sobre la dureza de la martensita, pero pueden aumentar su resistencia.
(4) Dureza: la martensita tiene diferentes niveles de dureza y resistencia, que se logran principalmente mediante el fortalecimiento de la solución, el fortalecimiento de la transformación de fase y el fortalecimiento del envejecimiento.
Los detalles son los siguientes:
Fortalecimiento de solución sólida: la presencia de átomos intersticiales en el espacio octaédrico de la red de fase α crea una distorsión cuadrada en la red, lo que genera un campo de tensión.
Este campo de tensión interactúa fuertemente con las dislocaciones, aumentando así la fuerza de la martensita.
Transformación de fase de fortalecimiento: durante la transformación en martensita, se forman defectos de red de alta densidad en el cristal. Las dislocaciones de alta densidad en la martensita en listones y las gemelas en la martensita laminar inhiben el movimiento de las dislocaciones, fortaleciendo así la martensita.
Fortalecimiento por envejecimiento: Después de la formación de martensita, los átomos de carbono y los elementos de aleación se difunden, segregan o precipitan en dislocaciones u otros defectos de la red, atrapando las dislocaciones y dificultando su movimiento, fortaleciendo así la martensita.
(5) Resistencia de la martensita: cuanto menor sea el tamaño del grupo o lámina de listones de martensita, mayor será la resistencia de la martensita. Esto se debe a que la interfaz de la fase martensita evita el movimiento de dislocación y cuanto más pequeño es el grano de austenita original, mayor es la resistencia de la martensita.
La plasticidad y tenacidad de la martensita dependen principalmente de su subestructura. La martensita doble tiene alta resistencia pero baja tenacidad, mientras que la martensita de desplazamiento tiene alta resistencia y buena tenacidad.
(6) Volumen de martensita: entre las diversas estructuras de acero, la austenita tiene el volumen específico más pequeño y la martensita tiene el volumen específico más grande.
Así, la expansión volumétrica del acero durante el templado es un factor importante a la hora de generar grandes tensiones internas, deformaciones e incluso grietas en la pieza.
Características de la transformación de martensita.
La fuerza impulsora detrás de la transformación de martensita, al igual que otras transformaciones en fase sólida, es la diferencia en la energía libre química por unidad de volumen entre la nueva fase (martensita) y la fase original (austenita). La resistencia a este cambio de fase también está influenciada por la energía de interfaz y la energía de deformación generada durante la formación de la nueva fase.
A pesar de la presencia de una interfaz coherente entre austenita y martensita, la energía de interfaz es pequeña. La gran energía de deformación coherente, causada por la diferencia significativa en el volumen específico entre martensita y austenita y la necesidad de superar la resistencia al corte y generar numerosos defectos de red, conduce a una mayor energía de deformación elástica y una gran resistencia a la transformación de la martensita. Como resultado, se requiere suficiente subenfriamiento para garantizar que la fuerza impulsora de la transformación supere la resistencia de la transformación, permitiendo que se produzca la transformación de austenita en martensita.
La temperatura inicial de transformación de martensita, denominada "ms", se define como la temperatura a la que la diferencia de energía libre entre martensita y austenita alcanza la fuerza impulsora mínima requerida para la transformación.
La transformación de martensita es una transformación de austenita subenfriada que ocurre a bajas temperaturas.
En comparación con la transformación de perlita y la transformación de bainita, la transformación de martensita tiene las siguientes características distintivas:
- Naturaleza no difusiva de la transformación de martensita
La transformación de la martensita ocurre cuando la austenita se subenfría. En este momento, la actividad de los átomos de hierro, de los átomos de carbono o de los elementos de aleación es muy baja, por lo que la transformación se produce sin difusión. Sólo hay una reconstrucción de las reglas de la red y no hay ningún cambio en la composición entre la nueva fase y la fase principal.
- Coherencia de corte de la transformación de martensita.
El corte se refiere a la deformación causada por dos fuerzas paralelas, de igual tamaño y direcciones opuestas, que actúan sobre el mismo objeto. Durante la transformación de martensita, la superficie superior de la muestra prepulida se inclina y se vuelve convexa, lo que demuestra que la transformación de martensita está directamente relacionada con las propiedades macroscópicas de la fase original y que la martensita se forma por corte.
La martensita y su fase original, la austenita, permanecen coherentes, con átomos en la interfaz que pertenecen a la martensita y la austenita. La interfaz de fase es un límite de grano coherente al corte, también conocido como plano de hábito.
La transformación de martensita es un proceso de transformación de fase en el que la nueva fase se forma en planos cristalinos y hábitos específicos de la fase principal y mantiene la coherencia mediante el corte de la fase principal.
- La transformación de la martensita se produce dentro de un rango de temperatura.
Nucleación de martensita
La nucleación de martensita no es uniforme en toda la aleación, sino que ocurre en posiciones favorables dentro de la fase original, como defectos de red, regiones de deformación o regiones pobres en carbono.
Proceso de transformación martensítica
Al igual que otras transiciones de fase en el estado sólido, la transformación de la martensita también se produce mediante nucleación y crecimiento. La transformación es una migración de átomos de corto alcance, y después de la formación de un núcleo cristalino, la tasa de crecimiento es muy rápida (102 a 106 mm/s) y permanece alta incluso a bajas temperaturas.
Tasa de transformación de martensita
La tasa de transformación de la martensita está determinada por la tasa de nucleación y finaliza cuando se agotan todos los núcleos mayores que el radio de nucleación crítico. Cuanto mayor es el subenfriamiento, menor es el tamaño crítico de nucleación. Se requiere enfriamiento adicional para que los núcleos más pequeños se nucleen y crezcan hasta convertirse en martensita.
Para el acero al carbono industrial general y los aceros aleados, la transformación de martensita se produce durante el enfriamiento continuo (temperatura variable). La austenita en el acero se enfría por debajo del punto MS a una velocidad mayor que la velocidad de enfriamiento crítica, lo que resulta en la formación inmediata de algo de martensita. La transformación no tiene período de incubación y, a medida que la temperatura disminuye, se forma martensita adicional, aunque la primera martensita formada no crece. La transformación martensítica aumenta a medida que disminuye la temperatura.
La cantidad de transformación de martensita está determinada exclusivamente por la temperatura alcanzada durante el enfriamiento y no está influenciada por el tiempo de retención.
Austenita retenida
Si el punto Ms del acero con alto contenido de carbono y muchos aceros aleados está por encima de la temperatura ambiente y el punto Mf está por debajo de la temperatura ambiente, quedará una cantidad significativa de austenita sin transformar después del templado y enfriamiento a temperatura ambiente, conocida como austenita retenida.
Para transformar completamente la austenita retenida, se puede someter a un “tratamiento en frío”, como colocarla en nitrógeno líquido.
Los factores que afectan la cantidad de austenita retenida incluyen un mayor contenido de carbono y la presencia de elementos que reducen la MS.
Estabilización mecánica de austenita retenida
La estabilización mecánica de la austenita se refiere al fenómeno de estabilización causado por una gran deformación plástica o tensión de compresión durante el enfriamiento. La austenita retenida está relacionada con la estabilización mecánica. La austenita rodeada de martensita está en estado comprimido y no puede transformarse, lo que lleva a su retención.
Martensita inducida por deformación (martensita deformada)
La deformación plástica de la austenita por encima del punto MS puede resultar en una transformación de martensita. Cuanto mayor sea la cantidad de deformación, mayor será la cantidad de transformación de martensita. Esto se conoce como transformación de martensita inducida por deformación.
- Reversibilidad de la transformación de martensita
La reversibilidad se refiere a la capacidad de algunos hierro, oro, níquel y otros metales no ferrosos para transformar la austenita en martensita al enfriarse y luego volver a austenita al recalentarse sin difusión.
Sin embargo, esta transformación inversa según el mecanismo de transformación de la martensita generalmente no ocurre en el acero al carbono, ya que la martensita se descompone en ferrita y carburo durante el calentamiento. Este proceso se conoce como templado.
