Porque la martensita no aparece en el diagrama hierro-cementita

La transformación martensítica Cuando por un enfriamiento brusco, que evite la transformación de perlita o de bainita, la austenita (γ) es llevada a temperaturas más bajas que la de transformación bainítica, se produce una transformación sin difusión dando un constituyente de idéntico contenido en C que la austenita que recibe el nombre de martensita.
Cristalográficamente es una estructura tetragonal con átomos de C en posiciones intersticiales, concretamente se trata de una estructura tetragonal centrada en el cuerpo BCT (body centered tetragonal). Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita y la bainita. La celdilla unidad es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones, centrado en el cuerpo. Todos los átomos de C permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen en una solución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras si se calienta a Tª que implican una apreciable velocidad de difusión. Esta transformación sin difusión no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación también lo sufren. Ya que ocurre sin difusión, ocurre casi instantáneamente, los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta. Los granos de martensita tienen apariencia de lámina o de aguja, la fase blanca es austenita retenida. Puesto que se trata de una fase de no equilibrio no aparece en el diagrama de fases hierro-
cementita (Fe-Fe3C). Hay dos diferentes morfologías de martensita en los aceros. La martensita que aparece en todos los aceros con contenido de C inferior a 0,6% se denominan martensita en tablillas o en paquetes y la que aparece en aceros con C superior a 1% se denomina martensita lenticular (laminar). En aceros con contenido de C entre 0,6 y 1% aparece martensita con ambas morfologías (mezcla). La temperatura que marca el inicio de la transformación martensítica es la Ms (Martensite starting) y la final la Mf (final). Al tratarse de una transformación sin difusión, las líneas son rectas y horizontales, lo que indica que es una transformación atérmica: depende de la temperatura a la que la aleación es enfriada rápidamente pero es independiente del tiempo el cual se mantiene dicha Tª. Sólo un descenso de la temperatura provoca un aumento del porcentaje de transformación de austenita en martensita, no el transcurso del tiempo. A mayor contenido en C más baja es Ms, o sea menor será la temperatura que habrá que alcanzarse durante el enfriamiento de la austenita para que empiece a formarse la martensita.

Bainita Mezcla de fases de ferrita y cementita, en realidad se trata de carburos de Fe que no tienen por qué tener la estequiometria Fe3C. Al realizar la transformación por enfriamiento isotérmico de material que ha sido austenizado, si la temperatura es inferior a la zona donde se forma la perlita, la baja difusividad del C en la austenita a esa temperatura impide que los átomos de C emigren por difusión para concentrarse en determinadas regiones y generar cementita. La bainita es estructuralmente diferente de la perlita y la martensita pero con aspectos que recuerdan a ambas. Es una microconstituyente no laminar formado por ferrita y carburos de hierro (que no tienen por qué tener la estequiometría Fe3C). Hay superior e inferior. En la bainita superior se produce difusión generalizada de C desde zonas sobresaturadas en C hacia la austenita, el resultado son zonas pobres en C que dan lugar a ferrita entre las que se disponen carburos (cementita) precipitados en la matriz austenítica. Las temperaturas bajas a las que se produce la bainita inferior dificultan las difusión de C, así se genera una estructura formada por discos de ferrita con pequeños carburos precipitados en su interior (procedentes del C que no fue capaz de difundir al exterior) entre los que se disponen otros carburos precipitados de mayor tamaño. Los carburos que más se encuentran en la bainita inferior son los llamados tipo épsilon (&épsilon;) que presentan estructura hexagonal en lugar de ortorrómbica de la cementita y tiene entre 2,4 y 3 átomos de Fe por cada átomo de C (Fe2,4-3C).

La transformación Perlítica Se realiza por nucleación y crecimiento, cuanto más baja es la temperatura de subenfriamiento, tanto más pequeños son los núcleos de cementita y ferrita y menos es la separación entre láminas de la perlita y mayor su dureza. Cuando la temperatura es baja el C difunde con dificultad en el interior de la masa sólida y la velocidad de nucleación de la cementita disminuye, tanto más cuanto más baja sea la temperatura elegida para la transformación. Lo mismo sucede para la velocidad de crecimiento de los núcleos. Perlita gruesa: 650-727ºC, láminas alternas de ferrita y cementita separadas entre sí 0,25-0,5 µm. Perlita fina: 600-650ºC, láminas separadas entre sí 0,1-0,2 µm.

Tipos de recocido →Recocido de homogenización: al solidificar una aleación de composición “C”, el primer sólido es rico en el componente A que tiene mayor punto de fusión, y el último es más rico en B, esto origina inhomogeneidad en el interior del grano. Este recocido trata de homogeneizar calentando hasta casi la línea sólidus.→Recocido de regeneración: son recocidos supercríticos porque requieren de la austenización previa del acero al menos por encima de Ae. Tienen por finalidad ablandar el acero para poder mecanizarlo conformarlo en frío. Esto es posible por haber conseguido en el enfriamiento una estructura ferrito-perlítica que es más blanda que la bainita o la martensita. →Recocido de austenización incompleta, también llamado recocido globular: por la forma no laminar que adopta el eutectoide (perlita). Se puede efectuar de varias maneras. Una alternancia en las temperaturas antes del enfriamiento favorece la morfología globular y, por tanto, el ablandamiento del acero. Esta alternancia, al facilitar la nucleación heterogénea de la cementita logra transformar más rápidamente la austenita eutectoide en globulita. →Recocido isotérmico:
Se hace necesario cuando el acero tiene gran templabilidad. Suele realizarse con sales fundidas debido a su gran capacidad de absorción de calor. Si un acero se encuentra en estado de austenita y se deja enfriar al aire se obtendrá una estructura dura, de bainita o martensita. La resistencia mecánica de la perlita es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del espaciado interlaminar.→Recocido de ablandamiento o industrial: la estructura que se logra es la de una cementita globular repartida en una matriz ferrítica. La obtención de esta estructura ablanda el acero cualquiera que sea su estructura inicial. El ablandamiento que se consigue es suficiente para el mecanizado. No se llega a valores tan bajos como en el caso del recocido de regeneración.→Recocido de recristalización o frente a acritud: se realiza sobre aceros que hayan sufrido anteriormente tratamientos mecánicos de deformado en frío como el estampado, forja, laminado o trefilado y tiene como objeto recuperar en el metal su estructura cristalina original y eliminar las tensiones internas que puedan producir fragilidad a fin de hacerlo más apto para resistir los esfuerzos a que se vea sometido. La temperatura y tiempos de enfriamiento se escogen según el acero a tratar y el grado de acritud del mismo. En general 650-700ºC con enfriamiento por aire los granos de ferrita deformados por el tratamiento mecánico recuperan su estado poliédrico y recupera su ductilidad anterior.→Doble recocido: consiste en la ejecución de un recocido de regeneración seguido de un recocido de ablandamiento realizado cuando el acero se halla todavía caliente. Permite obtener grados de dureza sumamente bajos.
→Normalizado Se lleva el acero por encima de A3 para conseguir austenización completa, homogeneizarlo en ese estado y enfriarlo, con mayor velocidad que en el recocido, por lo general al aire libre.→Diagrama de Grossman Representación del diámetro crítico real (ɸc) frente al diámetro crítico ideal (ɸc ideal). En él se puede deducir que cuanto mayor es la severidad del medio más se aproxima el medio de enfriamiento real al ideal. →Fundiciones grises Son aquellas que al solidificar lo hacen según el diagrama Fe-grafito. Ello se favorece con altos contenidos de C y Si y con velocidad de solidificación lenta. La mayoría de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2,5 y 4% en C, el contenido en Si es del 1-3% ya que es un estabilizante del grafito. El grafito aparece en forma de placas irregulares generalmente alargadas y curvas en forma de hojuelas que producen una superficie de fractura de color grisáceo o negruzco. Por tanto la fundición gris está constituida por cementita, perlita o ferrita y grafito. La cantidad de cementita depende del contenido en C y de la acción grafitizante de los elementos aleantes. La resistencia mecánica de las fundiciones grises depende de la matriz, siendo mayor para el caso de la matriz perlítica que la ferrítica. Velocidades de enfriamiento moderadas favorecen la formación de matriz perlítica y velocidades bajas la ferrítica.→Fundiciones maleables La mayoría del C se encuentra sin combinar en forma de partículas redondeadas irregulares o copos, conocidas como carbono revenido. Se obtienen a partir de las fundiciones blancas tratándolas térmicamente por encima de A1, a esa temperatura los constituyentes serán austenita y cementita, pero al cabo de un cierto tiempo la cementita se descompondrá dando lugar a copos de grafito (de aspecto general más o menos redondeado, pero con bordes sinuosos con entrantes y salientes abruptos). Si el enfriamiento posterior se realiza al aire, la fundición estará compuesta por copos de grafito rodeados de una matriz perlítica procedente de la descomposición de la austenita. Si durante el enfriamiento se mantiene el material largo tiempo a una Tª situada justo por debajo de A1, todo el C combinado se convierte en ferrita y el grafito se depositará sobre los copos preexistentes. De esta forma se obtiene una fundición maleable ferrítica. En condiciones de enfriamiento intermedias, por ejemplo, manteniendo la fundición menor tiempo por debajo de A1, la fundición final tendrá una matriz ferrítico-perlítica.→ Fundiciones dúctiles o nodulares El C se encuentra sin combinar en forma de nódulos esféricos inmersos en una matriz ferrítica. Difiere de las fundiciones maleables en que se obtiene directamente desde la solidificación mediante adiciones de aleantes especiales, lo que las hace más baratas al no ser necesarios tratamientos posteriores de recocido.→
Isotropía Carácterística de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas, es decir, que ciertas magnitudes dan resultados idénticos independientemente de la dirección escogida para dicha medida (lo contrario es anisotropía). →Temperatura de subenfriamiento A las temperaturas termodinámicas de solidificación la probabilidad de formar núcleos estables y sustentables es extremadamente pequeña. En consecuencia a solidificación no comienza a la temperatura termodinámica de solidificación. Si la Tª continua decreciendo respecto a la de equilibrio de solidificación, la fase líquida que debería haberse transformado en sólido viene a ser cada vez más inestable termodinámicamente. Como el líquido está por debajo de la temperatura de solidificación de equilibrio, se considera subenfriado. Así, el subenfriamiento es la temperatura de equilibrio de solidificación menos la temperatura real del líquido. Al aumentar el grado de subenfriamiento, al fuerza termodinámica impulsora de la formación de una fase sólida a partir del líquido rebasa la resistencia a creación de una interfaz sólido-líquido.→Crecimiento planar: Cuando el ritmo con que aparecen nuevos núcleos es muy alto, la Tª del líquido en las proximidades del núcleo es siempre mayor que la de este y superior a la Tª de fusión. Si el núcleo está en el seno del líquido, su crecimiento implica un sobre calentamiento del líquido del entorno inmediato, que es el que absorbe el calor latente correspondiente. .Dado que todo el líquido circundante a cad núcleo posee una distribución térmica similar, el crecimiento será igualmente probable en todas las direcciones por lo que el núcleo crecerá de forma regular. El crecimiento será enormemente lento ya que la agitación térmica del líquido será muy alta como para permitir disposiciones ordenadas. Pero si el núcleo se forma heterogéneamente sobre las paredes del contenedor, el calor latente lo absorben las paredes y el proceso de crecimiento se verá acelerado. Es decir, el sólido que se está formando está una temperatura inferior que la del líquido circundante y el calor latente se elimina por conducción a partir de la interfaz sól-liq. Toda protuberancia que comienza a crecer en la interfaz estará rodeada de líquido a mayor temperatura que la de solidificación, entonces se detiene el crecimiento de la protuberancia hasta que se empareja con el resto de la interfaz.→
Crecimiento dendrítico: por otra parte puede ocurrir que el ritmo de nucleación sea más bajo, en este caso el líquido se subenfría antes de que se forme el sólido (como el número de embriones es muy bajo, la cantidad de calor de solidificación cedido al líquido será pequeña, por lo que zonas de este pueden alcanzar temperaturas por debajo de la Tª de fusión sin solidificar. Bajo estas condiciones, los núcleos no crecen de forma regular sino con unas estructuras carácterísticas llamadas dendritas. SU formación se debe a que el líquido subenfriado puede absorber parte del calor latente liberado durante la solidificación, como resultado se produce un crecimiento desaforado a lo largo de ciertas direcciones que da lugar a los brazos primarios de la dendrita, es decir, sólo es posible cuando la masa de líquido en el entorno de los núcleos se halla a Tª inferior a la temperatura de fusión, luego se halla subenfriado. Las direcciones de los brazos principales de las dendritas coincide con el de mayor gradiente térmico. También suelen crecer brazos secundarios y terciarios para hacer más eficiente la evacuación de calor latente. El crecimiento dendrítico finaliza cuando el líquido subenfriado alcanza la temperatura de fusión.→Endurecimiento por dispersión de partículas: la existencia de partículas de una fase dura, distribuidas uniformemente por todo el material (dispersas) constituye un medio eficaz de aumentar la resistencia de un material (se puede multiplicar la dureza del AL hasta 8 veces). Hay un tamaño de partícula que optimiza el endurecimiento del material, es decir, cuando los precipitados son lo suficientemente grandes y mordientes con una red muy diferente de la de la matriz la interfase será incoherente, en esta situación las dislocaciones no pueden atravesar lo precipitados y por tanto, los rodean por un proceso que se inicia con un arqueo de la distorsión alrededor de la partícula y que termina dejando lo que se llama “lazo de dislocación”. El efecto endurecedor de los precipitados aumenta muy rápidamente a medida que disminuye la distancia entre precipitados de manera que el limite elástico es proporcional a este facto: 1/L (1/L aumenta también lo hace el limite elástico)→Endurecimiento por afino de grano: en la ecuación hal-peck tenemos que T significa tamaño medio de grano, sigmasubI limite elástico monocristalino y K es la contante empírica, como contrapartida al incremento de las propiedades mecánicas mejoradas al afinar el grano tenemos que las soluciones solidas normalmente son menos tenaces.→Endurecimiento por aleación: se sabe que los metales uros son siempre más blandos y menos resistentes que las soluciones solidas formadas usando el mismo metal como base. El aumento de concentración de átomos de impurezas produce un aumento de la resistencia a la tracción a la dureza y del límite elástico.→Endurecimiento por precipitación o envejecimiento: Se produce por una secuencia de transformaciones de fase que conducen a una dispersión uniforme de precipitados de tipo coherente, de tamaño de grano pequeño y duro, sobre una matriz blanda y dúctil. Ejemplo: aleación de 4% Cu en Al (matriz Al).