Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

Transformaciones de Fase en Aceros al Cromo-Níquel-Molibdenodurante tratamientos isotérmicos y no isotérmicos

John H. Beynon* y Rafael Colás**

Los puntos críticos de transformación en dos aceros al cromo, níquel, molibdeno, al ser sometidos a tratamientos iso y no isotérmicos,son determinados por medio de una técnica de análisis térmico, encontrándose una buena correlación entre estos resultados y aquellosdisponibles en la literatura. El origen de las varias inflexiones en las curvas de enfriamiento, calentamiento o de transformación isotér-mica fue identificado por medio de estudios metalográficos.

Phase Transformations in Chromium-Nickel-Molybdenum SteelsDuring Isothermal and Non-isothermal Treatments.

The critical transformations points are determined in two chromium-nickel-molybdenum steels, which have been isothermally and non-isothermally treated, by means of a thermal analysis technique. Good correlation between the present results and those available in thelitera tu re is found. The origin of the various inflections in the heating, cooling or isothermal transformation curves are identified bymeans of mettallographic studies.

INTRODUCCIONLos tratamientos térmicos de aceros usados en la

práctica industrial tienen como objetivos el facilitar su.conformado o el de conferir, a una dada pieza o equipo,las propiedades deseadas. En este último caso, los acerosson calentados por encima de la temperatura a la que laaustenita es estable (Aea) y sometidos a un enfriamientoque permita la descomposición de la austenita en consti-tuyentes estables o metaestables a bajas temperaturas.Así, para un acero de una cierta composición química, lanaturaleza y propiedades de una estructura dependen engran medida del modo de enfriamiento.

La complejidad de las transformaciones presentesha originado la publicación de un buen número de día-gramas de transformación isotérmica y no isotérmica[1-51],o la formulación de ecuaciones empíricas que per-mitan predecir las temperaturas de transformación enfunción de la composición química [6-8]. La determina-ción del inicio y fin de las transformaciones que se pre-sentan durante los diferentes tratamientos puede serefectuada por medio de estudios dilato métricos [9. 10]o por medio de análisis térmico de las curvas de calenta-miento o enfriamiento [11-14].

En este trabajo presentamos la forma en que lasdiferentes transformaciones isotérmicas y no isotérmi-cas pueden ser determinadas por medio de la técnica ori-ginalmente propuesta por Mackenzie y Young [13]en losaceros al cromo, níquel, molibdeno tipo AISI 4340 y 8620.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La composición química de los aceros utilizados enel presente estudio se muestra en la Tabla I. Dichos ace-

ros fueron suministrados en forma de barras laminadasen caliente de 19,7 mm de diámetro .

TABLA 1

COMPOSICIQN QUIMICA y TRATAMIENTOS TERMICOSEFECTUADOS A LOS ACEROS ESTUDIADOS ANTES

DE REALIZAR EL TRABAJO

Elemento(% Peso)

Aleación4340 8620

CSiMnPSCrMoNiAlCaCuNSn

0.420.360.570.0040.0021.140.241.450.0390.00170.120.0065

0.180.270.820.0060.0170.480.230.510.030

<0.00050.200.120,018

Tratamientos térmicos.

4340:

Laminado en caliente, HV(20) = 444 kg/mrrr .Recocido para maquinado: una hora a 650·C, enfriado en aire

quieto, HV(20) = 277 kg/mnj'.Normalizado antes de los ensayos: 20minutos a 870°C,enfriado en

aire quieto, HV(20) = 625 kg/rnrrí'.

8620:

Laminado en caliente, HV(20) = 191 kg/mrrr.Normalizado antes de maquinado y estudios; 20 minutos a 925°C,

enfriado en aire quieto, HV(20) = 195 kll/mrrr.

Department of Engineering, The University, Leicester LEl 7RH, U.K.•• División de Estudios de Postgrado, Facultad de Inzenierla, Universidad Nacional Autónoma de México, 04510 México, D.F.

74 LatinAmerican Journal of Metallurgy and Materials, Vol, 8 Nos. 1 & 2 (1988)

1000

800,.....,u'---'

oLo.

::J...•...

~ 600<1JO-E(J)t-

400

200

eenfriamiento

-5

d

calentamiento

o-15 -10 15 20

Fig. 1. Curvas T V8.~dT/dt (diferenciales) para un acero 8620 calentado y enfriado al horno. Los puntos- marcados(a) a (e) corresponden a las micrografías de la Fig, 2.

o lO5

dT/dt [e/s]

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

(a)

( e)

50 urn

75

(b)

(d)

( e)

Fig. 2. Micrografías correspondientes a especímenes enfriados en agua a pl}rtir de las temperaturas mostradas en laFig.l. a.) T ':" 731°C,HV(30) = 192kg/mnr; b.) T = 880"C,HV(3) ~325 kg/mnr; c.) T = 966"C,HV(30) = 377

kg/mnr; d.) T = 720°C, HV(30) = 386 kg/mttr; e.) T = 54:é°C,HV(30) = 201 kg/mttr. 600 x.

76 LatinArrwncan Journai of Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

La determinación de la variación en temperatura selogró usando probetas cilíndricas de igual altura y diá-metro cortadas a partir de las barras suministradas.Estas probetas fueron perforadas por una de sus carashasta la mitad de la altura y se introdujo un termoparchromel-alumel encapsulado en una vaina de inconel de1,6 mm de diámetro. La salida del termopar se conectó aun registrador potenciométrico y a un amplificador dife-rencial, para obtener la tasa de enfriamiento o calenta-miento (dT/dt), y así determinar las temperaturas erí-ticas de transformación [13]. Los datos así obtenidos fue-ron corroborados por medio de estudios metalográficos.

RESULTADOSEn la Fig. 1 se muestran las curvas dT/dt V8. T

correspondientes al calentamiento y enfriamiento enhorno de un acero 8620. Las temperaturas críticas AC1yAc, en calentamiento y Ar, y Ara en enfriamiento, se mar-can en el lugar en el que las curvas sufren una desviaciónen el comportamiento lineal [13]. El pico endotérmico dela curva de calentamiento corresponde a la transforma-ción de perlita en austenita, en tanto que el exotérmico,en la de enfriamiento, indica la formación de perlita apartir de austenita. Los puntos indicados en las curvascorresponden a las micrografías mostradas en la Fig. 2,que pertenecen a distintas muestras enfriadas en agua apartir de la temperatura indicada. En dichas microgra-fías se observa que la estructura pasa de ferrita y perlitaa ferrita más austenita, que se transforma en martensitadurante el enfriamiento en agua, a austenita, a austenitamás ferrita y carburos y a ferrita más perlita másbainita.

En la Fig. 3 se presentan las curvas de enfriamiento,para el mismo acero, en aire y aceite. Se puede ver que lasformas de las curvas difiere, puesto que el pico exotér-mico presente en las curvas de muestras enfriadas en elhorno y al aire, desaparece cuando la muestra es en-friada en aceite. En cambio, se presenta una etapa en laque la tasa de enfriamiento disminuye en forma notable,esta misma etapa se puede observar también en la de lamuestra enfriada al aire, que se puede asociar a la trans-formación bainítica (Bs.). Al final de esta etapa SE'encuentra otra reacción exotérmica que corresponde alinicio de la formación de la martensita (Ms.). Las estruc-turas resultantes de estos tratamientos se muestran enla Fig. 4. En la micrografía correspondiente a la muestraenfriada al aire se encuentra una mezcla de ferrita, per-lita y bainita, en tanto la correspondiente al enfriamientoen aceite aparece bainita y martensita.

En la Fig. 5 se muestran las curvas para el calenta-miento en horno y enfriamiento en horno y al aire delacero con mayor aleación·(4340). En esta figura, al igualque en la Fig. 1, los puntos indicados en la curva de calen-tamiento y de enfriamiento en el horno indican las tempe-raturas a las que distintos especímenes, cuyas micro-grafías se presentan en la Fig. 6, se enfriaron en agua. Enlas curvas de enfriamiento se puede observar la supre-sión de la transformación perlítica, dando como resul-tado estructuras compuestas de ferrita más bainita másmartensita. La transformación martensítica es más mar-cada en la curva de enfriamiento al aire, pues se puede

observar la presencia de uua espira o bucle a la tempera-tura de Ms. Esta espira es resultado de la baja tasa deenfriamiento, que no es lo suficientemente alta comopara contrarrestar el calentamiento producido por la for-mación de la martensita. .

En la Fig. 7 se muestran las curvas TV8. tyTV8. dT/dtpara un espécimen del acero 4340 austenitizado a 965°C ytransferido a un horno a 650°C, con el fin de estudiar sutransformación isotérmica a esa temperatura. Al igualque en las Figs. 1 y 5, los puntos marcados en ambas cur-vas indican las micrografías, Fig. 8, de los especímenesenfriados en agua al tiempo indicado en la curva T V8. t.

DISCUSIONLas temperaturas a las que los puntos críticos se

determinaron experimentalmente se presentan en laTabla Il,La correlación entre Ac1, Aea y Ms es bastantebuena, pero no para Bs. La diferencia entre los valores deAr, y Ara de la tabla se debe a la forma de los diagramasde enfriamiento continuo [2-51.

El origen de los picos endo y exotérmicos presentesdurante el calentamiento, en ambos aceros, y el enfria-miento a bajas velocidades, en el 8620, Figs. 1, 3 Y 5.puede ser estudiado en función de las microestructuras,Figs, 2. 4 y 6. ASÍ, por ejemplo, en el caso del acero 8620

TABLA II

TEMPERATURAS DE LOS PUNTOS CRITICaS (C)

Ac¡ Acs Ar¡ Ars Bs. Ms.

4340:Referencias en la literatura:Andrews [7] 722 780 303Atkíns [5] 729 769 640 700 485 300Cias [2] 695 800 705 519 321Kasatkin y coautores [8] 751 778Steven y Haynes [6] 512Tomita y Okabayashi [15] 311

Experimental:

Enfriamiento en horno 759 811Enfriamiento al aire 754 816Enfriamiento en aceite 768 825

8620:Referencias en la literatura:Andrews [7] 722 835Atkins [5] 733 810Cias [2] 706 845Kasatkin y coautores [8] 734 843Steven y Haynes [6]

Experimental:

808664 298634 274

421569 419600

638

Enfriamiento en horno 849 664? 805?Enfriamiento al aire 721 852 626 775 ;:;08 414Enfriamiento en aceite 732 848 555 438Enfriamiento en agua 718 854 435

1000

800

o~::Joo+--J

e 600(lJo..E(lJr-

400

200 -

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) 77

I

II1

I

II •aceite

dT/dt [(/s]

10 (aire)100 (acei te)

III1

1

1

1

Ss

o~------------~----------------~------~o

Iaire

I

II

dT/dto

[e/S]Fig. 3. Curvas diferenciales para el acero 8620 enfriado al aire y en aceite.

78 LatinAmerican Journal of Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

(a) ,

50 jJm

1b)

Fig. 4. Micrografías correspondientes a los especímenes enfriados bajo las condiciones mostradas en la Fig. 3. a.)enfriamiento al aire, HV(30) = 174 kg/mm2; b.) enfriamiento en aceite, HV(30) = 283 kg/rnrrr'. 600 x.

1000,------,--------,-------,-------,.' -- - - - - - - - ~-----\

,Ac3

800

o1.....::J.•....•

~ 600Q.>o...EQ.>

1--

400

200

o-20

calentamiento

20

Fig, 6. Curvas diferenciales correspondientes al acero 4340 calentado en el horno y enfriado tanto en el horno como alaire. Los puntos marcados (a) a (e) corresponden a las micrografías mostradas en l~ Fig. 6.

aireeenfriamiento

-10 10

[e/s]

odT/dt

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) 79

(a)

(e)

50 um

( b)

( d)

(e)

Fig. 6. Micrografías correspondientes a especfmenes enfriados en agua a partir de las temperaturas mostradas en laFig. 5. a.) T = 748°C,HV(30) = 352 kg/mm": b.) T = 776"C,HV(3) = 492 kg/mnr': c.) T = 966"C,HV(30) = 644kg/mnr; d.) T = 435"C,HV(30) = 517 kg/rnrrr': e.) enfriado al aire hasta temperatura ambiente, HV(30) = 514

kg/rnrn. 600 x.

1000

,---.,u800L--I

es~:J.•...600dL<l>o..E(})

1- 400

200

dT/dt [e/s]10 15

00o

20

t-<~[~~.

~¡:::l~~~E"<el""¡~¡;;-;j.

.~

~Do

~'"•...R<>

«>;:::<e00

~

-5 o 5.;' •.•..-,

" \J \I ,

I ,, \

I I

J T vs. t \I ,

/

I 'I \

I~ ~ dI ' b (-oI 0·0- - - - - - - -o

I aI

I/

III

II

JI

I/

//

//

"

T 'IS. dT/dt

"...-------

°1 10Tiempo

1(0)

[5]100 10000

Fig. 7. Curvas Tvs. t y Tvs. dT/dt para el acero 4340 calentado en el horno basta 966"Cy posteriormente transferido aun horno a 650"C. Los puntos marcados (a) a (d) corresponden a las micrografías mostradas en la Fig. 8.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988) 81

calentado y enfriado en el horno, Figs. 1y 2, se puede verque a temperaturas inferiores a las que se presenta elpico endotérrnico la estructura es una mezcla de perlita yferrita (durezaVickers, carga 30 kg (HV[30)) = 192 kg/mrrr'), Fig.2á: A temperaturas superiores al pico, peroinferiores a la de austenitización completa, se encuen-tra_nmezclas de ferrita y martensita (HVf30] = 325 kg/mrrr), Fig. 2b. La austenitizaci6n completa se obtienecalentando por encima de Aea.Dada la templabilidad delacero [16], la estructura resultante es una mezcla de mar-tensita y bainita (HV[30] = 377 kg/rnrrf), Las reaccionesdescritas anteriormente se invierten durante el enfria-miento. Así, el acero en cuestión muestra una mezcla demartensita y ferrita (HV[30] = 386 kg/mrrf) cuando estemplado a partir de una temperatura comprendidaentre Ara y Arl' Fig. 2d. La perlita no aparece en especí-menes metalográficos, sino cuando el pico exotérmico,marcado en la Fig. 1 como Ar¿ es rebasado (HV[30]= 201 kg/rnm"), Fig. 2e.

(a)

( e)

50 ~m

Las micrografías a) y b) dela Fig. 6 no presentan laesperada microestructura de la ferrita más perlitadebido a la templabilidad del acero (se puede ver en la,Fig. 6e que un normalizado, estructura original, producemartensita). Así, las micrografías muestran que la mar-ten sita al calentarse se descompone en ferrita más caroburos esferoidizados. La diferencia en las curvas de ea-lentamientode los dos aceros, Figs. 1 y 5, se debe princi-palmente a la diferencia en el contenido de carbono,puesto que el segundo pico delaeero 8620, Fig. 1, no apa-rece en el 4340, Fig. 5. La presencia de oscilaciones abajas temperaturas en las curvas diferenciales del acero4340, Figs. 5 y 7, puede ser debido al revenido de laestructura original, consistente en una mezcla de mar-tensita y bainita, Fig. 6e [17].

Las micrograffas de la Fig. 8muestran la progresivadescomposición de la austenita en ferrita más perlita,('omo habría de esperarse a partir de losdiagramas de

(b)

( d)

Fig. 8. Micrografías correspondientes a especfmenes enfriados en agua a partir de las temperaturas mostradas en laFig. 7. a.) t = 312s, HV(30) = 470kg/mm2; b.) t = 546 s, HV(3) ~ 457kg/mm2; c.) t ~ 45708, HV(30) = 187kg/

mm2; d.) t ~ 6260 s, HV(30) = 184 kg/mnr. 600 x.

82 LatinAmerican Journai 01 Metallurgy and Materials, Vol. 8 Nos. 1 & 2 (1988)

transformación isotérmica [1. 3, 4]. El punto importantea notar es la formación de una espira en la curva diferen-cial, debido a las reacciones exotérmicas de descomposi-ción. Esta evidencia preliminar permite suponer que laespira se cerrará al término de la transformación [17].

CONCLUSIONES

La técnica de análisis empleada permite la determi-nación de los puntos críticos de transformación en trata-mientos iso y no isotérmicos con bastante precisión,siendo a su vez muy fácil de implementar. Los estudiosmetalográficos permitieron la plena identificación de lasoscilaciones o inflexiones de las curvas diferenciales.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo otorgado por elConsejo Nacional de Ciencias y Tecnología (CONACYT),México. Proyecto 140107 G202-042) y al Consejo Britá-nico. Las muestras de los aceros utilizados fueron gentil-mente donadas por la Corporación Británica del Acero(British Steel Corporation).

REFERENCIAS

1. V.S. Steel: Atlas of Isothermal Transformation Diagrams,Pittsburgh (1951).

2. W.W. Cias: Phase Transformation Kinetics and Hardenabilityof Medium-Carbon Alloy Steels. Climax Molybdenum Co. (1972).

3. IRSID: Courbes de transformation des aciers de fabricationfrancaíse, Paris (1974).

4. ASM: Atlas of Isotherrnal Transformation and Cooling Trans-formation Diagrams, Metals Park (1977).

5. M. Atkins: Atlas of Continuous Cooling Transformation Día-grams for Engineering Steels, ASM, Metals Park (1980).

6. W. Steven y A.G. Haynes: J. Iron Steel Inst. 183(1956) 349.7. x.w. Andrews: J. Iron Steel Inst. 203 (1965) 721.8. O.G. Kasatkin, B.B. Vinokur y V.L. Pilyushenko: Met. Sci. Heat

Treat. 26 (1984) 27.9. G. Berger y P. Bastien: La Dilatométrie Differéntielle Appli-

quée a L'étude des Aciers, Dunod, Paris (1965).10. W.C. Leslie: The Physical Metallurgy of Steels, McGraw-

Hill (1982).11. C.H.M.Jenkins, E.H. Bucknall y G.C.H. Jenkins: 2nd Rep. Alloy

Steels Res. ComoSeco IX (2), Iron Steel Inst. (1939) 181.12. G.Guzzoni: GliAcciai Comuni e Speciali, Vol. 1: Strutturee Pro-

prieta, Ulrico Hoepli, Milán (1966).13. C.R. Mackenzie y R.W. Young: J. Iron Steel Inst. 209 (1971)

918.14. E.P. Sichieri, J.C. Bruno y H.-J. Kestenbach: Rev. LatinAm.

Met. Mat .• 3 (1981) 81.15. Y. Tomita y K. Okabayashi: Metall. Trans. A 16A (1985) 73.16. E.C. Bain y H.W. Paxton: Alloying Elements in Steel, ASM,

Metals Park (1966).17. R. Colás y J.H. Beynon: Investigación sin publicar.