Desvelando la transformación del enfriamiento del acero: Widmanstatten vs. Martensita

Transformación del acero durante el enfriamiento - Widmanstatten

1. Formación de la estructura Widmanstatten

En la producción real, el acero hipoeutectoide con un contenido de carbono (ωc) inferior a 0,6% y el acero hipereutectoide con un contenido de carbono superior a 1,2% se enfrían por aire después de la colada, el laminado en caliente y la forja. La dirección costura de soldadura o zona afectada por el calor se enfría con aire o, cuando la temperatura es demasiado alta, se enfría rápidamente. Esto provoca el crecimiento y la precipitación de ferrita preeutectoide o cementita preeutectoide desde el límite de grano de la austenita a lo largo de determinados planos cristalinos de la austenita, en forma de aguja.

2. Microestructura de la estructura Widmanstatten

Al microscopio metalográfico se puede observar la presencia de ferrita o cementita aciculares dispuestas de forma casi paralela o regular y la estructura de perlita entre ellas. Esta estructura se denomina Widmanstätten, y la siguiente figura ilustra las Widmanstätten de ferrita y cementita.

3. Mecanismo de formación de la estructura Widmanstatten

La ferrita Widmanstatten se forma mediante un mecanismo de cizallamiento, similar al proceso de la bainita. El resultado es una muestra convexa.

Debido a la elevada velocidad de enfriamiento durante la formación, la ferrita sólo 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 producirse directamente a partir de la austenita o la ferrita en red puede precipitarse a lo largo de los límites de grano de la austenita y crecer en el cristal en paralelo.

A medida que se forma la ferrita Widmanstatten, el carbono se difunde desde la ferrita hacia la fase madre, la austenita, en ambos lados, provocando la contenido en carbono de la austenita entre las agujas de ferrita para aumentar continuamente y convertirse finalmente en perlita.

La ferrita Widmanstatten formada a través del mecanismo de transformación Bainita es en realidad Bainita sin carbono.

4. Factores que influyen

La formación de la estructura Widmanstatten depende del contenido de carbono, el tamaño de grano de la austenita y la velocidad de enfriamiento (temperatura de transformación) del acero.

La siguiente figura ilustra la temperatura de formación y el intervalo de contenido de carbono para diversas ferritas y cementitas. Como se observa en la figura, la estructura Widmanstatten (zona W) sólo puede formarse a velocidades de enfriamiento relativamente rápidas y dentro de un rango específico de contenido de carbono.

En el caso del acero hipoeutectoide, si la fracción másica de carbono supera 0,6%, resulta difícil formar la estructura Widmanstatten debido a su alto contenido en carbono y a la baja probabilidad de formar una zona pobre en carbono.

La investigación muestra que, para el acero hipoeutectoide, la estructura Widmanstatten sólo puede formarse cuando el contenido de carbono se encuentra dentro de un estrecho rango de ωc = 0,15% a 0,35% y la velocidad de enfriamiento es rápida, con un tamaño de grano de austenita fino.

Cuanto más fino es el grano de austenita, más fácil es formar ferrita en red, pero no la estructura Widmanstatten. Por otro lado, cuanto más grueso es el grano de austenita, más fácil es formar la estructura Widmanstatten y el rango de contenido de carbono necesario para formarla se amplía.

Así, la estructura Widmanstatten se observa típicamente en aceros con una estructura de grano grueso de austenita.

5. Propiedades de la estructura Widmanstatten

(1) Widmanstatten es un tipo de estructura sobrecalentada en el acero que puede tener un impacto negativo en las propiedades mecánicas del acero. Esto incluye una reducción de la tenacidad 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 las fracturas frágiles.

(2) Está ampliamente reconocido que la resistencia y la tenacidad al impacto del acero se reducen significativamente sólo cuando el grano de austenita se engrosa, aparece una estructura Widmanstatten de ferrita gruesa o cementita y la matriz se fragmenta seriamente.

Sin embargo, cuando el grano de austenita es relativamente fino, aunque haya una pequeña cantidad de estructura Widmanstatten de ferrita acicular, las propiedades mecánicas del acero no se verán afectadas de forma significativa. Esto se debe a la subestructura más fina y a la mayor densidad de dislocaciones de la ferrita en la estructura Widmanstatten.

(3) La reducción de las propiedades mecánicas del acero debida a la estructura Widmanstatten siempre está relacionada con el engrosamiento de los granos de austenita. Si la estructura Widmanstatten aparece en el acero o en el acero moldeado y reduce sus propiedades mecánicas, el primer paso es considerar si está causada por el engrosamiento del grano de austenita debido a las altas temperaturas de calentamiento.

(4) En el caso de los aceros propensos a la estructura Widmanstatten, ésta puede prevenirse o eliminarse mediante un control adecuado del proceso de laminación, reduciendo la temperatura final de forja, controlando la velocidad de enfriamiento después de la forja o cambiando el proceso de tratamiento térmico, como por ejemplo temple y revenidonormalización, recocido o enfriamiento isotérmico para refinar el grano.

6. Apreciación de Widmanstatten estructura

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 tiene lugar cuando el acero se enfría rápidamente desde el estado austenítico para evitar su descomposición difusiva (por debajo de la Punto MS) se conoce como transformación martensítica.

Es importante señalar que la transformación es característica de la martensita y que todos los productos de la 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.

Fig. dos tipos de solución sólida

2. Cristal estructura de la martensita

La estructura cristalina martensítica puede adoptar las siguientes formas:

  • Cúbica centrada en el cuerpo: es la estructura cristalina de la martensita que se encuentra en los aceros con bajo contenido en carbono o en las aleaciones sin carbono.
  • Tetragonal centrada en el cuerpo: Es la estructura cristalina de la martensita de los aceros con alto contenido en carbono.
  • Entramado hexagonal: Es la estructura cristalina de la martensita que se encuentra en las aleaciones complejas a base de hierro a bajas temperaturas.
Diagrama esquemático de la red cuadrada centrada en el cuerpo de martensita

3. Microestructura de la martensita

Existen dos formas básicas de martensita en el acero: martensita laminar (martensita de dislocación) y martensita laminar (también conocida como martensita de aguja).

(1) Martensita de listón

La martensita en láminas es una estructura martensítica común que se encuentra en aceros con bajo contenido en carbono, aceros con contenido medio en carbono, aceros martensíticos, aceros inoxidables y otras aleaciones a base de hierro.

Martensita de bajo contenido en carbono 500×

a) Morfología estructural: listón de martensita (D) → haz de martensita (B-2; C-1) → grupo de listones (3-5) → martensita en listones.

Diagrama esquemático de la microestructura de la martensita de láminas

b) Las láminas densas suelen estar separadas por austenita residual con alto contenido en carbono.

La presencia de esta fina capa de austenita residual puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas del acero.

Fig. estructura de transmisión de película fina de martensita de lama

c) Hay un gran número de dislocaciones en la martensita de listón, y la distribución de estas dislocaciones no es uniforme.

Forma una subestructura celular, llamada célula de dislocación, por lo que también se denomina martensita de dislocación.

(2) Martensita laminar

La martensita laminar se encuentra en los aceros con alto contenido en carbono (ωC > 0,6%), en los aceros inoxidables al níquel (ωNi = 30%) y en algunos metales no férreos y aleaciones.

Lectura relacionada: Metales ferrosos y no ferrosos

(a) Morfología estructural: La morfología espacial de la martensita laminar tiene forma de lente convexa.

Debido al corte de la muestra durante el pulido, su sección transversal aparece en forma de aguja o de hoja de bambú al 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.

Martensita de alto contenido en carbono

(b) Características de la microestructura: Las láminas de martensita en la martensita laminar no son paralelas entre sí.

En un grano de austenita, la martensita formada por la primera lámina suele abarcar todo el grano de austenita y se divide en dos partes, lo que provoca que el tamaño de las láminas de martensita formadas posteriormente sea cada vez menor.

Martensita laminar de alto contenido en carbono

(c) Tamaño: El tamaño máximo de la martensita laminar depende del tamaño original del grano de austenita. Cuanto mayor sea el grano de austenita, más gruesa será la lámina de martensita.

(d) Martensita criptocristalina: Cuando el trozo más grande de martensita es demasiado pequeño para distinguirlo con un microscopio óptico, se habla de "martensita criptocristalina."

La martensita obtenida por enfriamiento normal en la producción tiene generalmente la forma de martensita criptocristalina.

Martensita criptocristalina

(e) Subestructura: La subestructura de la martensita laminar es principalmente maclada, por lo que también se denomina martensita maclada.

Las maclas suelen estar situadas en el centro de la martensita y no se extienden hasta la región de los bordes de la lámina de martensita. La región del borde contiene dislocaciones de alta densidad.

En el acero con un contenido de carbono de ωC > 1,4%, puede observarse una fina región maclada de alta densidad en la línea de cresta media de la lámina 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 puede relajarse por deslizamiento o deformación gemela, lo que la hace susceptible a las grietas por impacto.

En general, cuanto mayor sea el grano de austenita y mayor la lámina de martensita, más microfisuras se formarán tras el temple. La presencia de microfisuras aumenta la fragilidad de las piezas de acero con alto contenido en carbono.

Bajo la influencia de tensión internaLas microfisuras acaban por convertirse en macrofisuras, lo que provoca el agrietamiento de la pieza o una notable reducción de su vida útil a la fatiga.

(g) Morfología: La morfología de la martensita depende fundamentalmente del contenido en carbono de la austenita y está relacionada con la temperatura de inicio de la transformación en martensita (punto MS) del acero.

Cuanto mayor es el contenido de carbono de la austenita, más bajos son los puntos MS y MF.

Contenido en carbonoFormaTemperatura de formación (general)
ωC<0.2%martensita de listónPor encima de 200 ℃
ωC>0,6%martensita en planchaPor debajo de 200 ℃
ωC=0,2%~1%Estructura mixta de listones y chapasPrimero se forma el caballo de tabla y luego el caballo de 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 eleva el punto MS) aumentan la probabilidad de formación de martensita laminar.

4. Propiedades de la martensita

(1) Propiedades mecánicas: La martensita se caracteriza por resistencia y dureza.

(2) Efecto del contenido de carbono en las propiedades: La dureza de la martensita depende principalmente de su contenido en carbono.

Cuando ωC < 0,5%, la dureza de la martensita aumenta bruscamente 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 resistenciaque se consiguen principalmente mediante el refuerzo por disolución, el refuerzo por transformación de fase y el refuerzo por envejecimiento.

Los detalles son los siguientes:

Fortalecimiento de la solución sólida: La presencia de átomos intersticiales en el hueco octaédrico de la red de la fase α crea una distorsión cuadrada en la red, lo que genera un campo de tensión.

Este campo de tensiones interactúa fuertemente con las dislocaciones, aumentando así la resistencia de la martensita.

Fortalecimiento por transformación de fase: Durante la transformación en martensita, se forman defectos de red de alta densidad en el cristal. Las dislocaciones de alta densidad en la martensita laminar y las maclas en la martensita laminar inhiben el movimiento de las dislocaciones, reforzando así la martensita.

Fortalecimiento por envejecimiento: Tras la formación de martensita, el carbono y la elementos de aleación se difunden, segregan o precipitan en las dislocaciones u otros defectos de la red, fijando las dislocaciones y dificultando su desplazamiento, lo que refuerza la martensita.

(5) Resistencia de la martensita: Cuanto menor sea el tamaño del grupo o lámina de martensita, mayor será la resistencia de la martensita. Esto se debe a que la interfaz de fase de la martensita impide el movimiento de dislocación, y cuanto más pequeño sea el grano de austenita original, mayor será la resistencia de la martensita.

La plasticidad y la tenacidad de la martensita dependen principalmente de su subestructura. La martensita doble tiene una gran resistencia, pero poca tenacidad, mientras que la martensita de dislocación tiene una gran resistencia y una buena tenacidad.

(6) Volumen de martensita: Entre las distintas estructuras del acero, la austenita tiene el menor volumen específico y la martensita el mayor.

Por lo tanto, la expansión de volumen del acero durante el enfriamiento es un factor importante en la generación de grandes tensión internaLa pieza puede sufrir deformaciones, incluso grietas.

Características de la transformación martensítica

La fuerza motriz de la transformación en martensita, al igual que en otras transformaciones de fases sólidas, es la diferencia de energía libre química por unidad de volumen entre la nueva fase (martensita) y la fase madre (austenita). La resistencia a este cambio de fase también se ve influida por la energía de interfaz y la energía de deformación generadas durante la formación de la nueva fase.

A pesar de la presencia de una interfaz coherente entre la austenita y la martensita, la energía de interfaz es pequeña. La gran energía de deformación coherente, causada por la importante diferencia de volumen específico entre la martensita y la austenita y la necesidad de superar la resistencia al cizallamiento y generar numerosos defectos reticulares, provoca un aumento de la energía de deformación elástica y una gran resistencia a la transformación de la martensita. Como resultado, se requiere un subenfriamiento suficiente para garantizar que la fuerza impulsora de la transformación supere la resistencia a la transformación, permitiendo que se produzca la transformación de austenita en martensita.

La temperatura de inicio de la transformación en martensita, denominada "ms", se define como la temperatura a la que la diferencia de energía libre entre la martensita y la austenita alcanza la fuerza motriz mínima necesaria para la transformación.

La transformación martensítica es una transformación de la austenita subenfriada que se produce a bajas temperaturas.

En comparación con la transformación en perlita y la transformación en bainita, la transformación en martensita presenta las siguientes características distintivas:

  1. Naturaleza no difusiva de la transformación martensítica

La transformación en martensita se produce cuando la austenita está subenfriada. En ese momento, la actividad de los átomos de hierro, carbono o 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 cambio de composición entre la nueva fase y la fase madre.

  1. Coherencia de cizallamiento de la transformación martensítica

El cizallamiento se refiere a la deformación causada por dos fuerzas paralelas cercanas, de igual tamaño y dirección opuesta, que actúan sobre el mismo objeto. Durante la transformación de la martensita, la superficie superior de la probeta prepulida se inclina y se vuelve convexa, lo que demuestra que la transformación de la martensita está directamente relacionada con las propiedades macroscópicas de la fase madre y que la martensita se forma a través del cizallamiento.

La martensita y su fase madre, la austenita, permanecen coherentes, con átomos en la interfaz que pertenecen tanto a la martensita como a la austenita. La interfaz de fase es un límite de grano coherente con el cizallamiento, también conocido como plano de hábito.

La transformación martensítica es un proceso de transformación de fase en el que la nueva fase se forma en planos cristalinos y de hábito específicos de la fase madre y mantiene la coherencia a través del cizallamiento de la fase madre.

  1. La transformación en martensita se produce dentro de un intervalo de temperaturas

Nucleación de la martensita

La nucleación de martensita no es uniforme en toda la aleación, sino que se produce en posiciones favorables dentro de la fase madre, como defectos de red, regiones de deformación o regiones pobres en carbono.

Proceso de transformación martensítica

Al igual que otras transiciones de fase en estado sólido, la transformación en martensita también se produce por nucleación y crecimiento. La transformación es una migración de átomos de corto alcance y, tras la formación de un núcleo cristalino, la velocidad de crecimiento es muy rápida (de 102 a 106 mm/s) y se mantiene elevada incluso a bajas temperaturas.

Índice de transformación martensítica

La velocidad de transformación en martensita viene determinada por la velocidad de nucleación y finaliza cuando se agotan todos los núcleos mayores que el radio crítico de nucleación. Cuanto mayor sea el subenfriamiento, menor será el tamaño crítico de nucleación. Es necesario un mayor enfriamiento para que los núcleos más pequeños se nucleen y crezcan hasta convertirse en martensita.

Para acero al carbono industrial en general y acero aleadoLa transformación en martensita se produce durante el enfriamiento continuo (a temperatura variable). La austenita del acero se enfría por debajo del punto MS a una velocidad superior a la velocidad crítica de enfriamiento, lo que da lugar a la formación inmediata de algo de martensita. La transformación no tiene período de incubación y, con la disminución de la temperatura, se forma martensita adicional, sin que crezca la primera martensita formada. La transformación martensítica aumenta a medida que disminuye la temperatura.

Relación entre la transformación martensítica y la temperatura

El grado de transformación en martensita viene determinado únicamente por la temperatura alcanzada durante el enfriamiento y no se ve influido por el tiempo de mantenimiento.

Austenita retenida

Si el punto Ms de los aceros con alto contenido en carbono y de muchos aceros aleados está por encima de la temperatura ambiente y el punto Mf está por debajo de la temperatura ambiente, tras el enfriamiento rápido y el enfriamiento hasta la temperatura ambiente quedará una cantidad importante de austenita sin transformar, lo que se conoce como austenita retenida.

Para transformar por completo el austenita retenidapuede someterse a un "tratamiento en frío", como introducirlo en nitrógeno líquido.

Los factores que afectan a la cantidad de austenita retenida incluyen un mayor contenido de carbono y la presencia de elementos que reducen la EM.

Estabilización mecánica de la 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 se encuentra en un estado comprimido y es incapaz de transformarse, lo que provoca su retención.

Martensita inducida por deformación (martensita deformada)

La deformación plástica de la austenita por encima del punto MS puede dar lugar a la transformación en martensita. Cuanto mayor sea la deformación, mayor será la transformación en martensita. Esto se denomina transformación de martensita inducida por deformación.

  1. Reversibilidad de la transformación martensítica

La reversibilidad se refiere a la capacidad de algunos metales como el hierro, el oro, el níquel y otros metales no ferrosos de transformar la austenita en martensita al enfriarse y volver a transformarse en austenita al recalentarse sin difusión.

Sin embargo, esta transformación inversa según el mecanismo de transformación de la martensita no suele producirse en el acero al carbono, ya que la martensita se ha descompuesto en ferrita y carburo durante el calentamiento. Este proceso se conoce como revenido.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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