Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Yol. 1, N9 1, 1981

Determinación Metalográfica del Tamaño da Grano Ferrítico en Aceros Hipoeutectoidesa Partir del Diagrama Metaestable Fe-Fe^C

Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad Centra! de Venezuela, Ca-racas 1050-A, Venezuela.

El tamaño de grano ferritico en aceros hipoeutectoides, es un aspecto importante en la determinación de alguna;propiedades mecánicas de los mismos. Utilizando una modificación del método metalográfico cuantitativo, sehicieron mediciones de tamaño de grano ferritico en muestras de aceros hipoeutectoides, después de tratamien-

cantidades de las dos clases de grano.Se estudió la influencia de la composición química a partir de la correspondiente zona del diagrama meiaestable

_ -1/2

una función del porcentaje de carbono "C" y la fraccióil de la muestra pulida Np/Nf, y resume las caractensüc;

MetaDographic Determination of Ferritic Gran Size in Hipoeutecloid Síeels írom Fe-Fe^C Me*tastable DiagramThe ferritic grain size in hipoeutectoid steels is an importan! feature in the determination ot sorne of theirmechanical properties. By the use of a modified quantitative metallograpric method, ferritic grain size measure-

rrite and perlite aggregates is supposed for calculation düferent portions of two kind of grains.The role of chemical composition was studied from corresponding zone of metastable Fe-Fe3C diagram and fi-nally the basic metallographic correlation obtained may be summarized as follow:

INTRODUCCIÓN

Es bien conocida la relación que existe entre las pro-piedades mecánicas y la cantidad de ferrita prpeutec-toide que se produce en el intervalo comprendido en-tre la línea de temperaturas críticas superiores y la iso-terma a 727°C, del diagrama metaestable Fe-FejC, enlos aceros hipoeutectoides. Si el enfriamiento es sufi-cientemente lento, las proporciones de ferrita y periitapresentes en la micro estructura final, pueden ser cal-culadas a partir de este diagrama (región de los aceroshipoeutectoides, Fig. 1-a).

El tamaño de grano ferritico puede determinarse pa-ra buscar correlaciones con las propiedades mecánicas

de utilidad. En este sentido, los números ASTM paratamaño de grano austenítico, pueden aplicarse con ge-neralidad para designar tamaños de grano en ferrita.[1] Sin embargo, de la metalografía cuantitativa [2] yconsiderando la composición química de los aceros enestudio, puede diseñarse un método simple para su rá-pida medición.

Las propiedades mecánicas del acero, en relación altamaño de grano ferritico, han sido estudiadas por mu-hos autores, [3,4,5,6] sin mbargo, ha sido de impor-ancia el conocimiento del tamaño de grano austení-ico, [7,8,9] producido durante el calentamiento paraemple, por su influencia en e! endurecimiento adqui-ido por el acero al enfriar bruscamente. En otras pa-

a Journal of Melallatgy and Materials, Vol. ¡, No. 1, 1981

labras, el tamaño de grano austenítico es de la mayorimportancia al tratar las propiedades mecánicas en re-lación a la templabilidad. Ya en 1922, la importanciadel tamaño de grano austenítico en las característicasde temple del acero, fue informada por McQuaid yEhn.[7]

Bajo ciertas condiciones de enfriamiento, la ferritaquedará claramente definida como una red, al segre-garse en los bordes de grano de la austeníta, facilitan-do la medición de su tamaño de grano. La Fig. 2 mues-tra esquemáticamente la naturaleza de la nucleaciónde la ferrita en los límites de grano de ía austenita,antes de que esta se descomponga. El espesor de la redde ferrita es controlado mediante la velocidad de en-friamiento del acero. Sin embargo, cuando esta es su-ficientemente lenta y para composiciones pobres en car-bono, existe la tendencia a impedir la distribución dela ferrita en forma de red, debido a la abundancia dela misma. Así, la ferrita proeutectoide formada, no sólocrecerá hasta "envolver" los granos de austenita prima-rios, sino que producirá un conjunto de granos al azarjunto a las colonias perfíticas formadas poco tiempodespués, debido a la coalescencia más o menos equia-xial [10J de diferentes zonas ferríticas.

A composiciones relativamente altas en carbono, y avelocidades de enfriamiento aún bajas, esto ya no esposible, obteniéndose la red de ferrita mostrada en !aFig. 3, correspondiente a un acero recocido de 0,5% C.En general, cuando la composición es muy cercana ala eutectoide, la cantidad de ferrita es muy poca, porlo que no es posible siquiera la obtención de una redcompleta, aún a bajas velocidades de enfriamiento. Eltamaño de grano para aceros de estas composiciones,será reportado en todo caso, como el de los granos deaustenita, determinándose por métodos diversos.[11]

Entonces, la manifestación de la ferrita como en-tidad granular y por consiguiente, su influencia másdirecta en las propiedades mecánicas de los aceros hi-poeutectoides recocidos, está restringida a un rango decomposiciones definido. El objetivo de este trabajo, esel de encontrar aproximadamente este rango, e introdu-cir analíticamente la influencia de los granos de perli-ta en la determinación metalográfica del tamaño degrano ferrítico.

Por otra parte, la influencia de la perlita en las pro-piedades mecánicas, se manifiesta en la oposición queesta ofrece al flujo de ferrita durante la deformación.[12] El punto de cedencia, la velocidad de endureci-miento por deformación y la resistencia a la tracciónse incrementarán al aumentar la proporción de perlita,experimentándose también una disminución de la duc-tilidad. Tradicionalmente, los aceros hipoeutectoides nohan sido utilizados para requerimientos de una alta te-nacidad, sin embargo, recientemente se ha observadola necesidad de mejorar esta propiedad, bajando el con-tenido de carbono, a expensas de la introducción demayor cantidad de ferrita bajo la forma de granos másgrandes, lo cual implica una disminución de la resis-tencia.[13]

Resulta clara entonces, la naturaleza del estudio delas propiedades mecánicas y su relación con el tamañode grano ferrítico, en los aceros de bajo contenido decarbono, lo cual resalta la importancia de su cuantifi-cación.

tTC-C

60D.

400.

200-

o.o ' o'.a ' o U

0.4-

0.2.

0.77%C.

0.0 ' O1. E ' Q T 4 1 O ' . 6 ' O.'8

%c —Cb]

tMp

M

7*77.

del diagrama mctaestabk Te-Fe^C, correspondiente

lita vs % C para aceros hipoeutectoides enfriados encondiciones cercanas al equilibrio, (e) El mismodiagrama anterior mostrando los puntos reales decorte con los ejes, deducidos a partir de los datosde Wert (14).

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 1, N' 1, 191

Fig. 2. Secueni del inicio de la formación de la red de ferrita en los límites de grano de la aust¡de. (a) cuatro granos genéricos de austenita. (b) núcleo de ferrita proeutectoide i

stas de grano A, B, C y D. (c) desarrollo esquemático de los brazos del nú

d(Mp/M)

d%C

Donde Mp representa la masa total de perlita en elacero y M la masa total de !a microestructura. De laecuación: [1]

Mp= 1.30%C + A, (2)

M

Donde Ai es una constante de valor negativo y des-preciable, correspondiente a Mp/M para %C—0. LaFig. 1-c muestra un esquemo genérico, donde son se-ñalados el valor del %C disuelto por la ferrita a 25°C,deducido a partir de los datos experimentales de Wert[14] y el de la constante Ai. Análogamente podemosdecir:

d( l—Mp/M) d(Mf/M)

Fig. 3. Microestrucrura dei acero 0,5% C austenizado a812°C durante 75 min. y recocido. Ataque: Nital

d%C

Donde Mf representa la masa total de ferrita pre-

MÉTODO DE MEDICIÓN

Si consideramos que la ferrita no disuelve carbono atemperatura ambiente, podemos suponer válido el dia-grama de !a Fig. 1-b, donde se muestra la fracción deperlita presente en la microestructura de un acero cuyacomposición química se sitúe dentro de la zona hipoeu-íectoide siempre y cuando este haya sido enfriado len-tamente (condiciones cercanas al equilibrio). De laFig. 1-b:

= — 1.30%C +A2

M

ara Mf/M = 1, %C = 0, por lo que:

Mf— = — 1.30%C+ 1

Dividiendo la ecuación (2) entre la ecuación (5),despreciando el valor de Ai y haciendo %C = C:

LalinAmetican Joarnal of Melallu'gy and Materials, Vol. 1, No. 1, 1981

Mp

Mf 1 — 1.3QC

Corno Mp = ppVp y Mf = prVf, donde pp y pt sonlas densidades de la perlita y la ferríra respectivamente,y Vp y Vf los volúmenes correspondientes, y ademáspp/Pf -* 1, (Pp = 7,83 gr/cm3 y pf = 7,86 gr/cm3

[15] podemos escribir:

1.30CVPVf 1 — 1.30C

(7)

Aunque Vp y Vf son los volúmenes totales corres-pondientes a las masas totales en la microestructura,podemos asumir para nuestro análisis, que represen-tan los volúmenes de los granos de ferrita y perlita,cortados por el plano de pulido analizado. Esto es po-sible, si se considera que las áreas de sección totales,tanto de ferrita como de perlita, presentes en dichoplano, corresponden a unos volúmenes representativosde la composición química estudiada.

Si consideramos que los granos finales obtenidosluego de un enfriamiento lento, son esféricos (tanto losde ferrita como los de perlita), entonces el área de sec-ción metalográfica promedio de los granos de ferritaobservados en el plano de pulido será: Af = TC DP/4,donde Df es el diámetro promedio correspondiente. Enestas condiciones ,_el_volumen promedio será: Vf == TC Df3/6 = 2Áf Df/3 relación también válida paraJos granos de perlita, con su designación correspon-diente, por tanto, sabiendo que: Df = 2{Af/it)1/2, de-finiendo:

NfÍ/Nf S Vfi = Vf

NP1/Np X Vp¡ = Vp

(8-a)

(S-b)

Donde Nf y Np son los granos totales de ferrita yperlita 'observados en el plano de pulido^ Vf¡ y Vpi losvolúmenes genéricos de esos granos y Vf y Vp el vo-lumen promedio de los mismos, y finalmente haciendo:

NfVf =Nf

Np1/Np 2 Ap, = Ap (11-b)

Donde Afi y Api son las áreas de sección genéricasde los granos de ferrita y perlita. Además:

_ NfNfAf = 2 Afi = Af (12-a)

_ NpNpAp = Z Api = Ap (12-b)

Donde Af y Ap son las áreas totales de los granosde ferrita y perlita presentes en la superficie de pulido.De estas dos últimas ecuaciones y de la ecuación: [10]

Las áreas totales Af y Ap, suman una superficie realigual a ab, (una vez reducidas estas dimensiones deacuerdo a la escala correspondiente) por lo que: (verFií. 4-a).

Af + Ap = ab (14)

De las ecuaciones (13) y (14):

Af = í (15)r_NpJl/3 f 1.30 C 1 2/3

1+ l~ÑTj l l —1.30cJ

Por la ecuación (12-a) puede escribirse:

_ *

!1/3 r L5oc i2/5 ij 1-1.30CJ JEsta última ecuación a su vez puede ser reescrita

como:

NpVp = Vp¡ = Vp (9-b)El aumento "m" también puede introducirse en la

anterior ecuación:

podemos entonces reescribir la ecuación: [7] Wr-JL-l 14. { Np 1 "3 f 1JOC 12^ \ '/2

V u L 1 + U f J Ll-I.30cJ J1.30C Np= (Ap/Af)"2

1 — 1.30C Nf

Podemos snálogamente definir:

1/Nf I Af, = Af

1 fa'b' TI/2

ya que = ab, también representa el área real

(ver Fig. 4-b). Podemos hacer:

e Metalurgia y Materiales, Vol. 1,

_Np_] __ 2 I f Np" ] l /3 [ 1.30C "12/3 ~j

"ÑTJ~~^L + LlrJ l i_l .30C~J J

-1/2

Donde "k" designa un parámetro que resume lascaracterísticas químicas y morfológicas de ¡a microes-tructura granular considerada (despreciando la influen-cia que puedan tener las pequeñas trazas de elemen-tos diferentes al Fe y aí C) y del cual depende la na-turaleza cualitativa y cuantitativa de la medición.

represe(reducidas de acuerdo a' . 00 película ni

Lensiones a' y b' a

- l i e s realesila) del área a con-

respondiente, con

La Fig. 6 muestra la variación del parámetro "k"con el %C, para un rango de valores de "k" compren-dido entre 0.1 y 1.0, Las características generales de!diagrama y su relación con los resultados obtenidos,serán discutidos en la sección correspondiente.

De esta forma, las ecuaciones (17) y (18) quedarántransformadas en:

El número de granos de ferrita Nf, puede ser calcu-lado de acuerdo a !a relación metalográfica:

Nf = Nfi + Nfb/2 (21)

Dondo Nf¡ es el número de granos de ferrita situa-dos totalmente dentro del área de la fotografía y Nfbes el número de granos de ferrita situados en el bordede la misma y que no son totalmente visibles. De ma-nera análoga puede calcularse Np.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Fueron estudiadas 5 composiciones Fe-Fe3C, corres-pondientes a diferentes tipos de aceros hipoeutectoides,disponiéndose de 5 muestras de cada clase, cuyo aná-lisis promedio se señala en la tabla I. (No hubo nin-guna diferencia significativa en las composiciones para

un mismo tipo de acero.) Las muestras fueron suminis-tradas bajo la forma de cabillas, cuyos diámetros es-taban comprendidos entre 5/8" y 10/8". Luego de seraustenizadas, se dejaron enfriar lentamente en el hor-no, obteniéndose las estructuras mostradas en las Fi-guras 3 y 5. De acuerdo a lo dicho en la sección pre-cedente, fueron determinados Np/Nf, k y finalmenteDf, para cada tipo de acero (tabla II). Las temperatu-ras de austenización empleadas, fueron tomadas deI. Novikov [16] y los tiempos de permanencia a di-chas temperaturas, para homogenizar las estructuras,fueron calculados suponiendo una hora de austeniza-ción por cada pulgada de diámetro de la muestra. [17]

DISCUSIÓN

El tamaño de grano ferrítico final, es una conse-cuencia básica de dos hechos: el tamaño de grano aus-tenííico al comienzo de la reacción proeutectoide y lacomposición en Carbono. Ya. se dijo que a composi-ciones cercanas a la eutectoide, la ferrita proeutecíoideformada es muy poca e inclusive, la red de ésta quetiende a "envolver" !os granos de perlita finales, apa-rece incompleta. En la Fig. 3 se observa la microes-tructura final de la muestra de 0,5%C estudiada. Pue-de notarse la poca abundancia de la fase proeutectoide,cuya red aún permite definir aproximadamente el ta-maño de grano austenítico.

Otras experiencias realizadas paralelamente concomposiciones entre 0,45%C y 0,50%C, permiten de-cir que hasta un porcentaje aproximado de 0,45%C,puede identificarse un grano de ferrita como tal en unacero hipoeutectoide recocido. En este sentido, hansido reportados en la tabla II, únicamente los datosde las primeras 4 composiciones, con un porcentajede Carbono igual o menor a 0,45%. La Fig. 6 mues-tra la variación del parámetro "k" con el %C, paravalores de Np/Nf comprendidos entre 0.1 y 1.0 seña-lándose los resultados obtenidos para las 4 composi-ciones de la tabla II, cada tino de los cuales está sobreuna curva Np/Nf de valor constante e igual a los se-ñalados en la mencionada tabla. En la Fig. 6 tambiénse muestra la separación entre aquéllas composicionesdonde el grano ferrítico permanece más o menos equia-xial (%C < 0.45%C) y las composiciones superioresdonde el valor de "k" decae rápidamente a "O", co-rrespondiendo este valor, a la ausencia de ferrita proeu-tectoide, o lo que es lo mismo, a una mi croe st rúe turatoíalmeníe perlítica (composición eutectoide).

Por el contrario, cuando el porcentaje_de carbonoes muy cercano a "O", la expresión para Df puede re-ducirse a: Df = 2/Vrc (ab/Nf)'/2 ó Df=2/Vw <a'b'/Nf)1/3, donde k = 2/V^ = 1,128 representa en laFig. 6, la ordenada en el origen o punto de convergen-cia de todas las curvas a diferentes valores de Np/Nf,para %C = 0.

LaltaAmeriMH loumal o/ Metallurly and Materials, Yol. 1, No. 1, 1981

* .,

*

xt<$>\'. A-"* .-* -*• » ' *V-50^ f./-*T \ _»J*^

Fig. 5. Microestructuras de los aceros utilizados, (a) 0,102% C austenizado a 900^C duraNital 2%. (b) 0,210%C austenizado a 885°C durante 40 min. y recocido. Ataquenizado a 860°C durante 40 min. y recocido. Atayuc: Nica! 2rí . Cd) 0,45%C austy recocido. Ataque: Nital 2%.

te 40 rnin. y recocido. Ataque:Nital 2%. (c) 0,28%C auste-izado a 824°C durante E5 min.

E Metalurgia y Materiales, Vol. 1, N» I, 1

Análisis químico promedio de las muestras deacero estudiadas.

Muestratipo %C % Si % Mn

12345

0,1020,2100,2800,4500,500

0,240,600,150,170,20

0,300,300,600,700,75

0,0120,0120,0150,0080,017

0,0140,0170,0210,0150,018

T A B L A II

Parámetros metalográficos y tamaño de grano promediode ferrita en las primeras cuatro muestras de

acero estudiadas.

%C Np/Nf Nf Df <mm)

0,102 0,52 1,01760,210 0,49 0,95020,280 0,44 0,91400.450 0.56 0,8198

110 19,2 XlO'3

73 22,OX10'!

82 19,9 X I O'3

63 20,4 X 10"''

La tabla III ofrece una recopilación de los valoresmás importantes de "k" para valores de Np/Nf entre0.1 y 1.0 a porcentajes de carbono constantes. Se ob-servan las característica tisuicmc;,: (a) Para %C = 0.0el único valor posible de Np/Nf, debe ser "O" y vice-versa, en cuyo caso k= 1,128. (b) Para %C = 0.77, elúnico valor posible de Np/Nf debe ser <» y viceversa,en cuyo caso ki=0. Valores de k cercanos a cero, comoya ha sido dicho, pueden encontrarse únicamente (paraaceros hipoeuteetoides recocidos) a composiciones decarbono cercanas a la eutcctoide.

En cuanto a! tamaño de grano austenítico, hay va-rios factores que tienen importancia directa en él y porconsiguiente en el tamaño del cristal ferrítico proeu-tectoide. La velocidad de enfriamiento no será un fac-tor a considerar, ya que se ha hablado de enfriamientoslentos que involucran la formación de la máxima can-tidad de ferrita proeuíectoide posible a una composi-ción particular.

El grado de deformación previa es un factor impor-tante, porque produce numerosos focos de nucleaciónde nuevos granos libres de deformación, en las zonasde ¡os granos originales más intensamente deformadas¡favoreciendo con ello la obtención de un tamaño finalde grano pequeño. Si los granos de austeniía recristali-zados son pequeños, la ferrita proeutectoide generadaen los bordes de grano durante el enfriamiento, serán

El tiempo de permanencia a temperatura de auste-nización, es otro factor de importancia a considerar.Cualquiera que sea la temperatura de recocido, cuantomayor es el tiempo que permanece a dicha temperatu-ra, mayor es la facilidad que tiene el grano para crecery por lo tanto, mayor es el tamaño final de éste. Porotra parte, bajas velocidades de calentamiento a tem-peratura de austenización, implicarán la formación deun pequeño número de núcleos, favoreciéndose el cre-cimiento de grano y en consecuencia, la obtención deuna estructura basta.

La combinación de estas tres variables, en formacompleja, puede producir una gama de tamaños de gra-no austenítico y con ello, diversos tamaños de crista-les de ferrita proeutectoide para un mismo porcentajede carbono. No es la intención del trabajo, demostrar¡a influencia de los anteriores factores, tarea por de-más larga y difícil, en e! tamaño de grano ferrítico deun determinado acero hipoeutectoide recocido, sinomás bien, medir de una forma rápida y sencilla el ta-maño promedio de los granos de ferrita que son unaconsecuencia de los mismos.

T A B L A I I I

Valores de "k" como una función de Np/Nf y del %C, para situaciode combinación de estas dos últimas variables.

:s probables

Np/Nf 0,0 0,í 0,2 0,3 0,6 0,7 0,9 0,1

1,061 1,046 1,035 1,027 1,020 1,014 1,009 1,005 1,001 0,997

1,017 0,993 0,977 0,965 0,955 0,947 0,940 0,933 0,927 6,922

0,973 0,942 0,922 0,907 0,895 0,885 0,876 0,868 0,861 0,855

— 0,925 0,887 0,864 0,846 0,833 0,821 0,811 0,802 0,794 0,7S7

0,865 0,822 0,796 0,776 0,761 0,748 0,737 0,728 0,720 0,712

n jvt.r,,.,! t,f Mífs/í'^j .:K¿ Ma:í.rij!f, Vol. 1, No. 1, 1981

1.2

1.0

0.8

|

k 0.6

0.4

0.2

0.0

J.12B

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

%cFig. 6. Parámetro "t" vs %C para valores de Np/Nf comprendidos >

primeras cuatro composiciones de la Tabla I, se señalan sobreconsíaníe. Se muestra además la zona útil de mediciones ha<

itre 0,1 y 1,0. Los resultados experimentales para lasn pequeño segmento de sus respectivas curvas a Np/NEa la izquierda del diagrama.

CONCLUSIONES

1. El tamaño promedio de grano fem'tico, en ace-ros hípoeutectoides recocidos, dejando constantes to-dos los demás factores, es una función de la composi-ción de carbono relacionada con las proporciones deferrita y perüta correspondientes y de la fracción degranos de perlita a granos de ferrita presentes en elárea de medición.

2. El factor cualitativo de ia medición, viene dadopor la suposición de simetría esférica en ambos tiposde grano, además de otras consideraciones menores,tales como una composición química real en los gra-nos de la sección transversal de pulido y la exclusióndel efecto de otros elementos, inclusiones, impurezas,etc.

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