Transformación Martensítica

1. Introducción

o Esta transformación es un tratamiento térmico cuyo objetivo es alcanzar altas cotas de endurecimiento debido a un drástico cambio en su estructura perlítica hasta alcanzar la martensita.

o La fase β en aleaciones Cu-Zn-Al es bcc con orden de largo alcance y puede ser retenida metaestablemente a temperatura ambiente en un amplio rango de composiciones. La transformación martensítica puede ser inducida por enfriamiento, transformación espontánea, o por aplicación de tensión mecánica.

o A partir de un monocristal β, la transformación espontanea se produce sin cambio de forma por la formación, con igual estructura y diferente orientación cristalográfica.

o La transformación comienza a una temperatura Ms y se completa a la temperatura Mf, debajo de la cual el cristal es puramente martensítico. Al subir la temperatura, la transformación a fase β comienza a la temperatura As y se completa a la temperatura Af. La temperatura de equilibrio entre ambas fases Teq se define como el valor medio entre Af y Ms. Por aplicación de tensión mecánica, tracción o compresión, a temperatura mayor que Af se obtiene un monocristal martensítico. En este caso, se observa un cambio de forma respecto de la fase β.

o El monocristal β es recuperado por descarga retornando a su forma original. Si el monocristal martensítico es enfriado bajo carga hasta temperatura por debajo de As, queda retenido cuando la tensión es relevada. Las transformaciones β son influenciadas por la presencia de defectos en la red cristalina, vacancias, precipitados, dislocaciones. Debido a estos defectos, las temperaturas y tensiones críticas de transformación y la forma general del proceso de transformación pueden variar. La deformación plástica de monocristales martensíticos ocurre por deslizamiento de dislocaciones sobre plano basal, disociadas en cuartetos de dislocaciones parciales.

2. Definición: Martensita

La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de crsitalizar en la red cúbica centrada, que es la del hierro alfa, debido a la deformación que produce en su red cristalina la inserción de los átomos del carbono.

Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado auténtico a altas temperaturas.

El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7%C.

La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.

Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.

3. ¿Quién descubrió la martensita?

Adolf Martens:

o Adolf Martens (1850-1914) estableció el examen científico y la microscopía de estructura metálica en Alemania. Su principal objetivo era las pruebas de resistencia de los metales y el examen de los documentos de aceites y Kautschuk.1884 Adolf Martens se hizo cargo de la dirección del Instituto de Investigación Técnica Mecánica-en Berlín-Charlottenburg, una institución predecesora del Instituto Federal de Investigación y Prueba de Materiales. Adolf Martens diseñado numerosos Werkstoffprüfmaschinen y escribió el Manual de Ciencia de los Materiales, publicado en 1899 y fue considerado elevado. Una estructura metálica de que se presenta durante el enfriamiento rápido del acero, es nombrado en su honor martensita. La Organización Internacional de Normalización ISO 2003 designó a la dureza universal en Martens.

4. Microestructura de martensitas Fe-C

5. Estructura atómica de martensitas Fe-C

C0.6%cintas de diferentes pero limitadas orientaciones. Estructura muy distorsionada y con muchas dislocaciones 1.0%Cláminas de distintos tamaños y con estructura fina de placas paralelas. Normalmente rodeadas de austenita 0.6%C1.0%mezcla de cintas y láminas

6. Tipos de Martencita

6.1.ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

En los aceros inoxidables martensíticos, el carbono está en una concentración tal, que permite la formación de austenita a altas temperaturas, que a su vez se transforma en martensita durante el enfriamiento.

La martensita es una fase rica en carbono, frágil y extraordinariamente dura. Los aceros inoxidables martensíticos tienen la característica común de ser magnéticos y endurecibles por tratamiento térmico, presentando cuando templados una micro estructura acicular (en forma de agujas).

Es importante observar que estos aceros son normalmente producidos por la industria siderúrgica en estado recocido, con ductilidad razonablemente buena. Solamente después de templados serán muy duros y poco dúctiles. Pero es precisamente en esta condición (templados), que serán resistentes a la corrosión.

El más utilizado de los aceros inoxidables martensíticos es el Tipo 420. En estado recocido (estructura ferrítica), no presenta buen comportamiento frente a la corrosión atmosférica. Esto porque durante la operación de recocido, a una temperatura aproximada de 760 ºC, el carbono y el cromo se combinan para formar carburos de cromo, Cr23C6. Cada molécula de carburo de cromo contiene, en peso, aproximadamente 95% de cromo. Considerando el alto tenor de carbono y el bajo tenor de cromo del acero inoxidable 420 (aproximadamente 0,35%C y 12,50% Cr), como todo el carbono precipita como carburo de cromo durante el recocido, esta

Conforme aumenta el porcentaje de carbono, más sitios intersticiales se llenan con átomos de carbono haciéndose la estructura tetragonal de la martensita más pronunciada:

FCC

BCC

BCT

Composición =

Composición

Fase Madre (austenita) Fase

Producto (Martensita)

Las posiciones

relativas de los

átomos no se

modifican

precipitación retirará de la solución sólida aproximadamente la mitad del cromo disponible. En esta condición el material no resiste a la corrosión y no puede ser considerado propiamente como un acero inoxidable (ya que no tiene un mínimo de 11% de cromo en solución sólida).

Por eso, el acero inoxidable 420, es colocado en servicio por el usuario, solamente después de un tratamiento de temple. Cuando templado, el carbono forma parte de la fase martensítica, no siendo encontrado en la aleación precipitado como carburo de cromo.

La alta dureza y la consecuente resistencia al desgaste, determinan las aplicaciones de este material, utilizado en cuchillería, discos de freno, equipos quirúrgicos, odontológicos y turbinas.

Si la cantidad elevada de carbono es un inconveniente en el acero inoxidable 420 en estado recocido, una solución lógica es la de disminuir este tenor, lo que se hace en el inoxidable Tipo 410. Como este material tiene un máximo de 0,15% de carbono, esta cantidad no es suficiente para remover tanto cromo de la solución sólida y, consecuentemente, presenta una buena resistencia a la corrosión atmosférica, tanto en la condición de recocido como de templado.

Después del tratamiento de temple, las durezas alcanzadas por este material no son tan altas como las presentadas por el inoxidable 420. Las principales aplicaciones del inoxidable 410 son en equipos para refinación de petróleo, válvulas, componentes de bombas y cuchillería. Aumentando la cantidad de azufre se obtiene el inoxidable 420 F, una variedad del 420, con buena maquinabilidad.

Adiciones de carbono (para obtenerse durezas todavía mayores) y de cromo y molibdeno (mejorando también la resistencia a la corrosión) nos llevan a los aceros inoxidables martensíticos Tipo 440, utilizados en cuchillos de corte profesional

7. Transformaciones Martensíticas

7.1. ¿Qué es una transformación martensítica?

Esta transformación es un tratamiento térmico cuyo objetivo es alcanzar altas cotas de endurecimiento debido a un drástico cambio en su estructura perlítica hasta alcanzar la martensita.

7.2.¿En qué se basa su dureza?

La gran dureza de la martensita es debida fundamentalmente al C

La dureza de la martenista puede atribuirse a la tensión que produce en sus crsitales esta deformación de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión el aumento de dureza que experimentan. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros.

Con la excepción del alambre estirado perlítico, generalmente los aceros de alta dureza deben una gran parte de su alta dureza a la presencia de martensita. La fuente de la dureza de la martensita ha sido sujeto de un considerable interés por parte de los metalúrgicos durante muchas décadas.Hoy en día, hay varios estudios sobre ello, siendo la discusión básica el porqué de la dureza de aceros con componente martensítico.

Es una fase meta estable de estructura tetragonal, obtenida por un enfriamiento brusco de una solución sólida intersticial y que se forma mediante un movimiento de cizalladura en la red. Osmod (1902) la describía así: "(al observar al microscopio) pueden verse agujas o fibras rectilíneas aún más finas orientadas en direcciones paralelas y separadas o no por una matriz de apariencia granular o vermicular". Debe añadirse que dichas agujas aparecen sólo claramente cuando el porcentaje de carbono es alto siendo en otro caso la apariencia más parecida a hebras de paja amontonada. Su dureza depende del porcentaje de carbono que tenga en solución y está comprendida entre 25 y 67 HRC, aproximadamente.

Temple

1. Definición: Templado

o Proceso mediante el cual un metal ha sido sometido a un cambio brusco de temperatura para añadirle ciertas propiedades de resistencia, además de poseer una temperatura moderada, sin estar frío ni caliente.

2. ¿Qué es temple?

o Es un proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del acero con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto terminado. Es decir es un proceso de trabajo en frio que aumenta la dureza del metal, sobre todo en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos.

3. ¿Cómo se da el temple?

o Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900 grados C. y enfriándolos rápidamente en aceite o en agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento.

4. ¿De qué depende el temple en los aceros?

o Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiere obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros llamada templabilidad (capacidad a la penetración del temple). Que a su vez depende fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

5. Proceso del temple

o El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transforman en cristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriados rápidamente se trasforman en martensita, estructura que da la máxima dureza a un acero hipoeutectoide (0.83% hasta 0.008%).

6. Temperaturas del temple

o En el caso de los aceros hipoeutectoide la temperatura de austenización recomendada es de unos 30 ºC.

o En los ordinarios de carbono hipereutectoides (mayor % de carbono que los aceros hipoeutectoides). Se usan temperaturas mayores a los 30ºC.

7. Medio de temple

o Los distintos medios de temple utilizados en la industria ordenados en función de la severidad de temple de mayor a menor, son los siguientes:

- Solución acuosa con 10% de cloruro sódico- Agua corriente- Sales liquidas o fundidas- Soluciones acuosas de aceite sulfonado- Aceite- Aire.

8. Un temple mal hecho produce lo siguiente:

9. Tipos de Temple

9.1.Temple Por Inducción

Características:

- Máximo nivel de repetibilidad - Con los sistemas modernos de calentamiento por inducción de semiconductores,

la distribución del calor es siempre la misma.- Ciclos más rápidos - El calor se genera directa e instantáneamente (>2000º F. o 1093° C en < 1

segundo) dentro de la pieza. El tiempo dependerá principalmente de la frecuencia, potencia y la profundidad del temple requerida.

- Máxima precisión

- El calor inducido se puede dirigir con facilidad; se puede calentar un área reducida sin que afecte a las áreas que la circundan.

- Instalación flexible - Con nuestras estaciones de calentamiento a distancia, la bobina de inducción se

puede situar a una distancia de hasta 61 metros de la fuente de alimentación eléctrica.

- Respeto al medioambiente - El proceso es limpio, no crea polución ni produce emisiones dañinas, gases de

escape, humo, ruidos fuertes o contaminación térmica.

Procedimiento:

- La obina debe colocarse alrededor de la pieza por endurecer, pero sin tocarla- Se induce corriente- Calienta el material - Debido a transferencia de calor del material, nunca se sobrecalienta el metal. - La bobina/conductor cuenta con conexiones de agua - Tan pronto que el acero llega a la temperatura apropiada- El acero se templa usando agua a presión.

9.2.Temple por flama

Procedimiento:

- El cabezal de la flama tiene las conexiones para el agua que enfría la superficie, tan pronto como se alcanza la temperatura prevista

- Con control adecuado la sup no es afectada por la temperatura- La profundidad de la capa calentada esta en función del tiempo de calentamiento

y de la temperatura de la flama.

Métodos del Proceso:

Método estacionario

Temple progresivo

10. Otros tipos de Temple

10.1. Temples normales:

10.1.1. De austenización completa

10.1.2. De austenización incompleta

10.2. Temples interrumpidos:

10.2.1. En agua y aceite

10.2.2. En agua y aire

10.3. Temples isotérmicos:

10.3.1. Austempering

10.3.2. Martempering

10.4. Temples superficiales:

10.4.1. Oxiacetilénico

10.4.2. Por inducción

11. Factores que influyen en el temple

11.1. Tamaño de las piezas

o La Temperatura Límite de Temple (TTT ) no cambia, solo cambia el tiempo. NO influye en el calentamiento más que en la duración del proceso. SI influye notablemente en el enfriamiento, en el interior el enfriamiento es más lento que en la periferia, el temple exige un enfriamiento rápido, y por lo tanto puede quedar parte de la pieza (del interior) sin templar.

o Cuando el radio de la pieza sea aproximadamente igual a la profundidad de temple, la totalidad de la masa del acero quedará templada.

o También se puede diferenciar la parte templada de la que no se templo gracias al tamaño del grano.

11.2. Composición del acero:

o Si aumenta la proporción de carbono, disminuye la Temperatura Límite de Temple (TTT). Las curvas se desplazan hacia la derecha.

o Esto se ve en aceros de 0.1% - 2% C, no se templan debido a que las dos curvas (SS) de la grafica coinciden casi con el eje de ordenadas. A partir de 0.2% C pueden templarse, por lo que tenemos menores tensiones, mayor dureza, mayor penetración, mejoran las características mecánicas.

o Si baja el tanto por cien de carbono la Temperatura Límite de Temple (TTT) sube, es el caso contrario.

11.3. Tamaño del grano

o Si el tamaño del grano aumenta, las curvas SS se desplazan a la derecha, por lo que la velocidad crítica de temple baja, y bajan las tensiones. Sin embargo aumentan la zona de penetración del temple

11.4. Medio ambiente

o La propiedades de los líquidos que más influyen en el enfriamiento de los aceros son:

- Tª inicial- Tª de ebullición- Calor de vaporización.- Grado de agitación.- Conductividad calorífica- Masa

Templabilidad

1. Características generales:

- Viene determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de las piezas.

- Influye notablemente en los resultados cuando se ensayan piezas de bastante espesor y, en cambio, influye muy poco cuando se templan perfiles delgados.

- Los elementos que más favorecen la penetración del temple son el Mn, Mo y Cr. - Con aceros de diferente aleación y del mismo contenido de carbono se tienen

características casi idénticas cuando se tratan pequeños diámetros.- En los perfiles muy delgados, cualquiera que sea la templabilidad del acero, el

temple penetra hasta el corazón. - Es diferente a la dureza.

- La dureza máxima que se puede obtener en los aceros depende principalmente del contenido de carbono

- La Templabilidad, depende de los elementos de aleación y del tamaño de grano.

2. Condición superficial:

- Una gruesa capa de escama (0.005 in), retarda la rapidez real de enfriamiento.- Es necesario considerar la presencia de escamas sólo si la rapidez real de

enfriamiento es muy próxima a la rapidez crítica de enfriamiento.- La escama es más suave que el acero endurecido.- Para minimizar la formación de escama se emplean los siguientes métodos:

Cobrizado. Atmósfera de protección a partir de hidrógeno, amoniaco y gas

quemado. Sal líquida. Virutas de hierro fundido.

3. Determinación de la zona con 50% de Martencita:

- Método metalográfico- Método de la fractura y ataque con ácido- Evaluación de la dureza- Para conseguir después del temple las mejores características mecánicas, el

porcentaje de martensita debe variar entre 50 y 90%.

4. Diámetro crítico ideal:

- Es el diámetro (expresado en pulgadas) del mayor redondo de ese acero, en cuyo centro se consigue una estructura microscópica con 50% de martensita, después de ser enfriado, desde la temperatura de temple, en un medio de enfriamiento teórico, cuya capacidad de absorción de calor fuese infinita.

- Empleando el medio de enfriamiento teórico se conseguiría que la temperatura de la superficie bajase instantáneamente a la temperatura del medio de temple y se mantuviera así.

- Se consigue prácticamente en la siguiente forma:

Obtener para un acero y un medio de enfriamiento el diámetro crítico.

- Diámetro Crítico es el diámetro del mayor redondo, en el que después del Temple en un medio de enfriamiento determinado, se consigue en el corazón de la estructura, un 50% de martensita.

Un acero tiene para cada medio de enfriamiento un diámetro crítico fijo.

Se construye la curva correspondiente al ensayo, tomando en cada caso en abscisas, el diámetro del redondo y en ordenadas, el diametro de la zona que ha quedado sin templar.

La intersección de la curva con el eje de abscisas, señala el valor del diámetro crítico correspondiente.

Se determina el valor numérico de la severidad de temple correspondiente al enfriamiento empleado.

Finalmente en el gráfico, preparado por Groβmann, se determina el Diámetro Crítico Ideal.

5. Bandas de Templabilidad:

o Son curvas que plasman la máxima y mínima templabilidad, entre las cuales deben estar situadas las curvas de Jominy.

o Mediante el análisis reunido de cientos de coladas de cada grado de acero, se han establecido curvas de templabilidad mínima y máxima:

o La denominación normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H (Hardenability). Como las características que más interesan en muchos aceros son sus propiedades después del temple y su templabilidad, en EE.UU. se utilizan las bandas de templabilidad para la recepción de los aceros de los que se obtienen probetas para realizar el ensayo Jominy, sustituyendo así a los análisis químicos, ya que la composición por sí sola no da idea de las características que pudiéramos denominar funcionales del acero.

Curva típica de ensayo de templabilidad Banda de templabilidad

6. Ensayo de Grossman

o El ensayo de templabilidad de Grossman o también conocido como ensayo de templabilidad por las curvas en U, consiste en templar al agua, es decir calentar a una temperatura bastante alta (sobre la de transformación eutectoide) y enfriar sumergiendo en agua las barras cilíndricas de diferentes diámetros, generalmente desde ½” hasta 2”. En seguida se pulirán y se medirá la dureza en función de la distancia al centro usando la medida Rockwell “C” (HRC). Cuando dureza baja a cierto valor crítico en el centro de la muestra, se define como el diámetro crítico para el cual la aleación puede ser templada.

7. Ensayo de Jominy

o Consiste en templar una probeta de ø25x100 mm. Nos sirve para poder determinar el Dcp y el Dci y la templabilidad de un material.

o Principales Características:

- Determinaremos si es un Acero al Carbono o un Acero Aleado. Usaremos el diagrama Hierro Carbono, o haremos un nuevo diagrama si es aleado.

- Determinaremos TT . Lo tendremos 25 minutos para calentar y 50 minutos para mantenerlo. Procedemos al enfriamiento con el aparato especial (ver figura), donde realizaremos un enfriamiento de abajo a hacia arriba; hay un caudal idóneo,

que es el que cuando el chorro llega a tocar en la pared de la parte inferior del recipiente.

- Trazamos la curva Jominy donde observamos a primera vista la poca o gran templabilidad por la inclinación de esta curva.

Ensayo

Algunas microestructuras y propiedades mecánicas características obtenidas por temple de aceros:

o El constituyente de los aceros templados es martensita, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. Su estructura cristalina es BCT (tetragonal centrada en el cuerpo), pues al enfriar rápidamente un acero desde altas temperaturas (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en los intersticios pues no alcanza a ocurrir la transformación de microestructura de la martensita.

o La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rockwell C, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, magnética, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727° C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.