Transformaciones de las fases

TEMA 8: TRANSFORMACIONES DE LAS FASES EN EL SISTEMA Fe-C

Los diagramas de fase indican las fases presentes en el equilibrio termodinámico pero no dan información del tiempo necesario para que se den las transformaciones. Vamos a hablar primero de la nucleacion y el crecimiento cristalino. La cinética se encarga del estudio de la velocidad de esta transformación. La mayoría de las reacciones en estado solido no son instantáneas. La velocidad de reacción es el resultado de la nucleacion y el crecimiento de cristales. Que aumenta a mayor brusquedad del enfriamiento, (?T). La transformación tarda más a mayor temperatura, lo que indica que está dominada por la nucleacion y no por la difusión. Las condiciones de equilibrio solo se alcanzan si las velocidades de calentamiento o enfriamiento son tan lentas que resultan poco prácticas. La curva sigmoidal marca los tiempos de inicio, mitad y final de una transformación a una temperatura concreta (enfriamiento isotérmico) que se usan como puntos en los diagramas TTT. Vamos a estudiar 3 tipos de transformaciones, la perlítica, la bainítica y la martensítica. Transformación perlítica: se da a una temperatura entre 770 y 540ºC. A mayor Tª la difusión es mas rápida obteniéndose perlita gruesa. Cuando AT es mayor, a una Tª muy por debajo de la Te, obtenemos perlita fina. Transformaciones bainiticas: Fe? (o,77%) =Fe?(0,022%)+Fe3C(6,67%). La encontramos a una temperatura inferior a los 540ºC. Si la temperatura es suficientemente baja no hay suficiente difusión para formar perlita fina y se produce bainita. La velocidad de la transformación aumenta exponencialmente con la temperatura isotérmica, al contrario de lo visto para la austenita. La transformación bainítica es competitiva con la transformación perlítica, y la transformación entre perlita y bainita no es posible sin calentar nuevamente para formar austenita primero. La microestructura consiste en finísimas agujas de bainita constituidas por partículas de cementita en una matriz ferritica. Si la analizamos, la bainita superior tiene un aspecto arborescente y tiene placas discontinuas de carburo paralelas a las de ferrita y la bainita inferior es más acicular(agujas más alargadas y pequeñas) y tiene placas más pequeñas y a 60º con la dirección de las agujas ? . Si lo que nos interesa es la obtención de esferoidita, en la práctica esta se obtiene al calentar un acero con microestructura perlítica o bainítica hasta una temperatura justo por debajo de la eutectoide durante un largo período de tiempo. Las partículas de cementita globular aparecen como esferas incrustadas en una matriz continua de ferrita. Tiene lugar por difusión sin cambio en las cantidades relativas de las fases ferrita y cementita. La fuerza impulsora de esta transformación es la disminución de la interfase entre la ferrita y la cementita. Esta transformación no está incluida en los diagramas de transformación isotérmica. Ahora vamos a centrarnos en la transformación martensítica: Fe? (o,77%) =Fe (BCT) (o,77%). Se da a una Tª < a 215ºC. Tiene lugar cuando se enfría rápidamente la austenita a temperatura ambiente. Ocurre sin difusión de C. Es un movimiento cooperativo de todos los átomos de la estructura. La fase inicial, (martensita) es metaestable, es una solución sólida sobresaturada en carbono y no un producto de descomposición eutectoide. Dependiendo del contenido en C, el mecanismo de formación de martensita variará ligeramente. Si el contenido en carbono es bajo se forman lamelas anchas. En alto contenido de carbono se forman agujas o lentejas. Ahora vamos a ver por encima la obtención de la martensita revenida. La martensita es tan frágil que es necesario modificarla para aplicaciones prácticas. Esto se lleva a cabo mediante un calentamiento a 250-650ºC durante algún tiempo (REVENIDO) que produce martensita revenida, que son granos de cementita extremadamente finos y muy dispersos en una matriz ferritica. La martensta revnida es menos dura y resistente que la martensita pero presenta valores de ductilidad y tenacidad mejorados, siendo la fase ferrita la fase más ductil. Las propiedades mecánicas dependen del tamaño de las partículas de cementita: las partículas relativamente grandes presentan menos superficie de interfase con la ferrita, y por tanto, son más dúctiles. El tamaño de las partículas aumenta con la temperatura de revenido y con el tiempo(mas difusión de C) aumentando la ductilidad del material. Además encontramos también los diagramas de transformación por enfriamiento contínuo (TTT/TEC). En estos hay una relentizacion de la transformación al bajar la temperatura durante la transformación. Podemos clasificarlos según se trate de un acero hipereutectoide, donde se contempla la formación por fase proeutectoide; o si se trata de un acero NO eutectoide, donde a mayor %C la nariz perlítica se desplaza más a la izda, lo que significa que el acero es menos templable.  En cuanto a los efectos del C y de aleantes, los aceros ordinarios son poco templables y además requieren temples muy rápidos, lo que conlleva agrietamientos. La templabilidad de un acero es mayor a mayor contenido de aleante, es decir, no hacen falta velocidades tan altas para formar martensita.  Así que podemos mejorar la templabilidad añadiendo aleantes. Todos los elementos comunes de aleación en el acero desplazan los diagramas TTT y TEC hacia tiempos mas prolongados y velocidades criticas de enfriamiento menores. Al alear el acero, se forma una bahía en el diagrama TTT y se diferencian una nariz perlítica y una nariz bainítica, afectando a las micro-estructuras que se consiguen tras los tratamientos térmicos. Hablemos de algunos aceros de baja aleación como son el Cr, el Ni y el Mo. El Cr mejora la templabilidad, la resistencia y las propiedades de revestimiento. El Mo tiene fragilización reducida y mejora en templabilidad. La combinación Cr-Mo, permite un temple para producir martensita mas lento que reduce los gradientes térmicos y las tensiones internas. La combinación Cr-Ni mejora el limite elástico, la templabilidad, la tenacidad de impacto y la resistencia a la fatiga. Se define la templabilidad como la capacidad de un acero de formar martensita. El ensayo Jominy de temple en borde mide la templabilidad, dándonos datos de dureza en función de la distancia al borde templado (la velocidad de enfriamiento = dureza que desarrolla el acero). En la templabilidad influyen los aleantes, así como el medio y la geometría. Cuando el coeficiente superficie/volumen es mayor, la velocidad de enfriamiento sube, y el valor de dureza es mayor. Por último, hablemos brevemente de las propiedades mecánicas de los aceros: (4) 1.Enfriados en equilibrio: cuanto más C tenga un acero enfriado en equilibrio, más cementita tendrá. Lo cual implica que a mayor dureza, mayor fragilidad y cuanto más blanda, más ductil. (La ferrita ? es una fase metálica, blanda y dúctilo; mientras q la cementita (Fe3C) es una fase cerámica, dura y frágil). 2. Subenfriados con difusión-recalentados: la clave es el área de interfase ferrita-cementita (energía libre superficial acumulada) por unidad de volumen. A mayor dureza, menor ductilidad. Bainita>perlita fina>perlita gruesa>esferoidita. 3. Subenfriamiento sin difusión: La martensita es dura y frágil debido a los pocos sistemas de desplazamiento de la estructura BCT y al reforzamiento por solución solida del C intersticial. 4. Subenfriamiento sin difusión y recalentados: El revenido reduce la fragilidad de la martensita, es decir, reduce las tensioines internas causadas por el temple. Produce partículas muy pequeñas de Fe3C dispersas en una matriz ?. Disminuye la dureza y aumentan mucho la ductilidad y la tenacidad.