estructura martensitica i
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CÁTEDRA: TRATAMIENTOS TÉRMICOSDOCENTE: ING. JAIME GONZALES VIVAS
HUANCAYO - 2012
FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICAEstructura Martensitica I
ESTRUCTURA MARTENSITICA I UNCP
INDICE
LA ESTRUCTURA MARTENSITICA...................................................................2
CARACTERISTICAS DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSITICA.................2
EFECTO DE LA COMPOSICION EN LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE
LA MARTENSITA................................................................................................3
CURVA DE DURAZAS VS. % DE C PARA DISTINTOS PORCENTAJES DE
MARTENSITA......................................................................................................4
LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO.................................................................4
FORMA Y TAMAÑO DE LA PIEZA......................................................................5
EL MEDIO DE ENFRIAMINETO..........................................................................6
ELECCIÓN DEL MEDIO DE TEMPLE.................................................................7
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LA ESTRUCTURA MARTENSITICA
Estructuralmente la martensíta es una solución sólida sobresaturada de C en Fe
CARACTERISTICAS DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSITICA
Veamos ahora algunas características de la transformación martensítica que
nos ayudarán a comprenderla mejor y explicar los problemas que presenta el
temple:
1º) Se produce sin que haya difusión.
2º) Se produce a bajas temperaturas.
3º) Es continua(temperatura de principio y fin)
4º) Requiere una velocidad mínima de enfriamiento.
1. Una transformación sin difusión (por corte) se produce por pequeños
desplazamientos definidos, ordenados y simultáneos de unos átomos con
respecto a otros de la red matriz. En la transformación martensíta no se conoce
exactamente cómo se producen los movimientos atómicos pero las posiciones
iniciales y finales dan cuenta de esos pequeños desplazamientos. Bain (de quien
deriva el nombre de bainita) ha explicado mediante desplazamientos puros,
simples y homogéneos cómo de la estructura cúbica de caras centrado (Y)
llegamos a la cúbica de cuerpo centrado () pasando por la tetragonal de cuerpo
centrado de la martensíta. Esta distorsión que permite pasar de una estructura a
otra por simple expansión o contracción de los parámetros cristalográficos es lo
que se llama distorsión de Bain
2. Se produce a bajas temperaturas. Evidentemente esto es así porque a bajas
temperaturas no hay difusión y quedan así bloqueadas las transformaciones
perlíticas y bainíticas.
3. La transformación martensitica es fundamentalmente continua. Con ello se
quiere significar que comienza a una temperatura (Ms) y termina a otra inferior
(Mf) separada de la primera por 150º/250ºC.
Ambas temperaturas son función de la composición química fundamentalmente
del % de C.
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Ms (ºC)=537-(361*%C)-(38,8 X %Mn)-(19,4 X %Ni)-(38,8 X %Cr)-(27.7 X % Mo)
El gráfico 2 muestra las curvas de Ms y Mf en función del % de C.
El gráfico 2 muestra que para los aceros de más de 0.65% de C, Mf está debajo
de la temperatura ambiente con lo cual aumenta el % de austenita retenida. Para
lograr su transformación, por lo menos parcial, se enfría bajo cero (tratamiento
sub cero).
La figura 3 da idea de los porcentajes de austenita retenida y la influencia del
enfriamiento a la temperatura del aire líquido.
4. La velocidad de enfriamiento a partir de la cual toda la estructura resulta
martensítica se llama: velocidad crítica del temple.
La velocidad crítica es un concepto clave en el temple; es distinta para cada
acero y depende fundamentalmente de su composición química y también es
parte del tamaño de grano.
Vc = r (Cq, G)
%C
A mayor % elemento aleante Menor Vc
Tamaño del grano.
EFECTO DE LA COMPOSICION EN LA ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LA MARTENSITA.
La dureza de la martensíta se explica porque el carbono intersticial que
sobresatura la estructura crea en la red cristalina que lo rodea un intenso campo de
deformaciones que la distorsiona. Esta distorsión aumenta con el aumento de C. El
efecto de estos campos de deformación asociados a los átomos de C se designa
como: endurecimiento por solución sólida del C.
Este efecto es el fundamental responsable de la dureza en la martensíta. Se
puede apreciar en la figura 4 donde se ve que la dureza crece casi linealmente
hasta que a partir aproximadamente de 0,70% comienza a estabilizarse.
Para entender el por qué de esto debemos referirnos a la Fig.2 donde se ve que
desde aproximadamente 0,65% de C, Mf queda debajo de la temperatura ambiente.
Ello significa que la transformación martensíta no se completa y en consecuencia la
dureza cae por efecto de la austenita retenida.
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En los aceros de bajo C(<0,30%) resulta muy difícil obtener estructuras
completas martensíticas debido a dos factores:
1.) La velocidad crítica (Vc)de temple es muy elevada y difícilmente se logra con
los medios de enfriamiento, aun los más severos y cuando se alcanza es con
riesgos para la pieza.
2.) Dada la elevada temperatura Ms de esos aceros (Fig.2) a pesar de la rápida
velocidad de enfriamiento se produce un autorevenido que determina una
precipitación de carburos en la estructura y con ello disminución de dureza.
Aquí tenemos una explicación más científica ahora del por qué consideran
“templables” solo los aceros con más de 0,30% de C. En ellos obtenemos con más
facilidad un “temple perfecto” entendiendo por ello una estructura completamente
martensíta de elevada dureza.
CURVA DE DURAZAS VS. % DE C PARA DISTINTOS PORCENTAJES DE MARTENSITA.
Pues, se ha podido verificar que apenas la martensíta alcanza el 50%, se
produce una rápida caída de dureza que marca la zona de transición.
En virtud de que esto tiene gran aplicación en el concepto de
templabilidad se han construido gráficos de dureza en función del % de C, para
distintos porcentajes de martensíta creciente a partir del 50%.
LA VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
Para lograr una estructura completamente martensíta tenemos que sobrepasar en
todos los puntos de la pieza la velocidad crítica de temple. Al no alcanzarse esa
velocidad se obtienen otras estructuras de la descomposición de la austenita, cuya
dureza disminuye con la disminución de la velocidad de enfriamiento, los factores
que definen la velocidad de enfriamiento son:
Uno depende de la pieza y se relaciona con su forma y tamaño.
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El otro es exterior y depende de la efectividad del medio de enfriamiento.
FORMA Y TAMAÑO DE LA PIEZA.
La superficie de la pieza se enfría con una velocidad que depende del medio de
enfriamiento y de la sección de la pieza (efecto de masa). Es decir que en el mismo
media la velocidad de enfriamiento de la superficie es mayor en una pieza de menor
sección.
Además, a medida que nos introducimos en la pieza la velocidad en los puntos
interiores disminuye, tanto más cuanto más alejados estén de la superficie.
Para poder analizar el problema en forma más cuantitativa consideramos una
pieza de forma simple.
Introducida la pieza cilíndrica en el medio, la velocidad va disminuyendo hacia el
centro en forma simétrica con respecto a la superficie (o al centro), Fig.1 muestra
además la curva(a) de variación de la velocidad en una sección longitudinal que
contiene al eje del cilindro. Su significado es que todos los puntos que equidistan r1
del centro se enfrían con igual velocidad V1; todos los puntos que equidistan r2, con
la velocidad V2. Siendo Vs y Vn las velocidades con que se enfrían la superficie y el
núcleo respectivamente y siendo: rs>r1>r2>rn=0, la variación de velocidades de
acuerdo con lo dicho será:
Vs>V1>V2>Vn
Llamado v a la caída de velocidad desde la superficie al centro tendremos:
v = Vs – Vn (>0)
O sea que el núcleo de una pieza siempre se enfría más lentamente que la
superficie. Tanto más cuanto mayor sea el diámetro de la pieza. Pero diámetro
(sección) también influye en el enfriamiento de la superficie. A igualdad de medio de
enfriamiento, a mayor diámetro (d) corresponde menor velocidad de enfriamiento
de la superficie y mayor caída de velocidad (v).
Gráficamente representamos todo esto en la figura 2.
Los aceros de construcción al carbono, los aleados de baja y media aleación tienen
a los fines prácticas la misma conductividad térmica. En consecuencia la distribución
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de velocidades de enfriamiento en piezas redondas de igual diámetro y de distintos
aceros es prácticamente independiente de la composición química. Dicho en forma
gráfica, la curva(a) de la figura 1 es igual para cualquier acero de construcción de
igual diámetro y enfriado en el mismo medio.
EL MEDIO DE ENFRIAMINETO
El medio de enfriamiento extrae en forma continua el calor de la pieza que se
enfría a través de su superficie con una velocidad definida que va a depender de la
eficacia de dicho medio.
En general se usa un fluido que puede ser un gas(aire) o preferentemente un líquido
(agua, sales fundidas , aceites, etc.). La eficacia de estos medios se puede mejorar
controlando su temperatura, agitación y/o ayudando con la agitación de la pieza.
Para conocer la influencia de los diferentes medios de temple es conveniente
estudiar las 3 etapas bien definidas que se producen en todo enfriamiento.
1ª. Etapa: Enfriamiento por cada vapor. Al introducir el metal a alta temperatura en
el medio de temple, el líquido en contacto con la superficie de la pieza se vaporiza
formándose una delegada capa de vapor que la rodea completamente. El
enfriamiento se hace por conducción y radiación a través de la capa gaseosa y
como esta capa es mala conductora del calor la velocidad de enfriamiento es
relativamente pequeña.
2ª. Etapa: Enfriamiento por transporte de vapor. Al descender la temperatura de la
superficie del metal la película de vapor va desapareciendo y va siendo
reemplazada por líquido que al ponerse en contacto con la superficie del metal entra
en violenta ebullición.
Es la etapa de enfriamiento más rápida.
3ª. Etapa: Enfriamiento por líquido. Es la última etapa y comienza cuando la
temperatura de la pieza es más baja que la de ebullición del líquido de temple. Ya
no se forma vapor y el enfriamiento se hace por conducción y convección del
líquido. Es la etapa más lenta que las anteriores.
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ELECCIÓN DEL MEDIO DE TEMPLE
Aparentemente la solución inmediata sería elegir el medio de temple más
enérgico. Pero aquí entra el factor: forma de la pieza.
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