La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a temperaturas de 125 a 550 ° C (según el contenido de aleación). [1] Descrito por primera vez por ES Davenport y Edgar Bain , [2] es uno de los productos que pueden formarse cuando la austenita (la estructura cristalina cúbica del hierro centrada en las caras ) se enfría más allá de una temperatura en la que ya no es termodinámicamente estable con con respecto a la ferrita, la cementita o la ferrita y la cementita. Davenport y Bain describieron originalmente la microestructura como similar en apariencia a la martensita templada .
Una estructura fina no laminar, la bainita comúnmente consiste en cementita y ferrita rica en dislocaciones . La gran densidad de dislocaciones en la ferrita presente en la bainita y el tamaño fino de las plaquetas de bainita hace que esta ferrita sea más dura de lo que normalmente sería. [3] [4]
El rango de temperatura para la transformación de austenita en bainita (125–550 ° C) está entre los de perlita y martensita. De hecho, no existe un límite inferior fundamental para la temperatura de inicio de la bainita. [1] [5] Cuando se forma durante el enfriamiento continuo, la velocidad de enfriamiento para formar bainita es más rápida que la requerida para formar perlita, pero menos rápida que la requerida para formar martensita (en aceros de la misma composición). La mayoría de los elementos de aleación retardarán la formación de bainita, aunque el carbono es el más eficaz para hacerlo. [6] El aluminio o el cobalto son excepciones porque pueden acelerar la descomposición de la austenita y elevar la temperatura de transformación. [7]
Las microestructuras de martensita y bainita al principio parecen bastante similares, y consisten en placas delgadas que en los aceros de baja aleación se agrupan. Esto es una consecuencia de que las dos microestructuras comparten muchos aspectos de sus mecanismos de transformación. Sin embargo, existen diferencias morfológicas que requieren un microscopio electrónico de transmisión para ver. Bajo un microscopio óptico , la microestructura de la bainita parece más oscura que la martensita sin templar porque la bainita tiene más subestructura. [8]
La dureza de la bainita puede estar entre la de la perlita y la martensita sin templar en la misma dureza del acero . El hecho de que se pueda producir tanto en refrigeración isotérmica como continua es una gran ventaja, ya que facilita la producción de componentes grandes sin adiciones excesivas de elementos de aleación. A diferencia de los aceros martensíticos, las aleaciones basadas en bainita a menudo no necesitan más tratamiento térmico después de la transformación para optimizar la resistencia y la tenacidad. [9]
Historia
En la década de 1920 Davenport y Bain descubrieron una nueva microestructura de acero a la que provisionalmente llamaron martensita-troostita, por ser intermedia entre la ya conocida fase martensita de baja temperatura y lo que entonces se conocía como troostita (ahora perlita fina ). [6] Esta microestructura fue posteriormente nombrada bainita por los colegas de Bain en la United States Steel Corporation, [10] aunque tomó algún tiempo para que el nombre fuera adoptado por la comunidad científica con libros tan tardíos como 1947 que no mencionaban la bainita por su nombre. . [6] Bain y Davenport también notaron la existencia de dos formas distintas: bainita de 'rango superior' que se formó a temperaturas más altas y bainita de 'rango inferior' que se formó cerca de la temperatura de inicio de la martensita (estas formas ahora se conocen como bainita inferior respectivamente). La terminología temprana se confundió aún más por la superposición, en algunas aleaciones, del rango inferior de la reacción de la perlita y el rango superior de la bainita con la posibilidad adicional de ferrita proeutectoide. [6]
Formación
Por encima de aproximadamente 900 ° C, un acero con bajo contenido de carbono típico está compuesto completamente de austenita , una fase de hierro de alta temperatura que tiene una estructura cristalina cúbica compacta. [11] Al enfriarse, tiende a transformarse en una mezcla de fases, ferrita y cementita, dependiendo de la composición química exacta. Un acero de composición eutectoide se transformará en condiciones de equilibrio en perlita , una mezcla intercalada de ferrita y cementita (Fe 3 C) . Además de las consideraciones termodinámicas indicadas por el diagrama de fase, las transformaciones de fase en el acero están fuertemente influenciadas por la cinética química . Esto se debe a que la difusión de átomos de hierro se vuelve difícil por debajo de aproximadamente 600 ° C en condiciones de procesamiento típicas. Como consecuencia, se produce una compleja matriz de microestructuras cuando la movilidad atómica es limitada. Esto conduce a la complejidad de las microestructuras de acero que están fuertemente influenciadas por la velocidad de enfriamiento. Esto se puede ilustrar mediante un diagrama de transformación de enfriamiento continuo (CCT) que traza el tiempo requerido para formar una fase cuando una muestra se enfría a una velocidad específica, mostrando así las regiones en el espacio de tiempo-temperatura de las cuales las fracciones de fase esperadas se pueden deducir para un dado ciclo térmico.
Si el acero se enfría lentamente o se transforma isotérmicamente a temperaturas elevadas, la microestructura obtenida estará más próxima al equilibrio, [12] conteniendo por ejemplo ferrita alotriomórfica, cementita y perlita. Sin embargo, la transformación de austenita a perlita es una reacción reconstructiva dependiente del tiempo que requiere el movimiento a gran escala de los átomos de hierro y carbono. Mientras que el carbono intersticial se difunde fácilmente incluso a temperaturas moderadas, la autodifusión del hierro se vuelve extremadamente lenta a temperaturas inferiores a 600 ° C hasta que, para todos los fines prácticos, se detiene. Como consecuencia, un acero enfriado rápidamente puede alcanzar una temperatura en la que la perlita ya no puede formarse a pesar de que la reacción sea incompleta y la austenita restante sea termodinámicamente inestable. [13]
La austenita que se enfría lo suficientemente rápido para evitar transformaciones de temperatura más altas, puede formar martensita , sin ninguna difusión de hierro o carbono, mediante la deformación de la estructura cristalina centrada en la cara de la austenita en una estructura cúbica centrada en el cuerpo o tetragonal distorsionada centrada en el cuerpo. Esta fase de desequilibrio solo puede formarse a bajas temperaturas, donde la fuerza impulsora de la reacción es suficiente para superar la considerable deformación reticular impuesta por la transformación. La transformación es esencialmente independiente del tiempo y la fracción de fase depende solo del grado de enfriamiento por debajo de la temperatura de inicio crítica de la martensita. [14] Además, ocurre sin la difusión de átomos de sustitución o intersticiales y, por lo tanto, la martensita hereda la composición de la austenita original.
La bainita ocupa una región entre estos dos procesos en un rango de temperatura donde la autodifusión del hierro es limitada pero no hay suficiente fuerza impulsora para formar martensita. La bainita, como la martensita, crece sin difusión, pero parte del carbono se divide en austenita residual o se precipita como cementita. A menudo se hace una distinción adicional entre la llamada bainita inferior, que se forma a temperaturas más cercanas a la temperatura inicial de la martensita, y la bainita superior, que se forma a temperaturas más altas. Esta distinción surge de las velocidades de difusión del carbono a la temperatura a la que se forma la bainita. Si la temperatura es alta, el carbono se difundirá rápidamente lejos de la ferrita recién formada y formará carburos en la austenita residual enriquecida con carbono entre las placas ferríticas dejándolas libres de carburo. A bajas temperaturas, el carbono se difundirá más lentamente y puede precipitar antes de que pueda salir de la ferrita bainítica. Existe cierta controversia sobre los detalles del mecanismo de transformación de la bainita; ambas teorías se representan a continuación.
Teoría de los desplazados
Una de las teorías sobre el mecanismo de formación específico de la bainita es que se produce por una transformación de cizallamiento, como en la martensita. El cambio de estructura cristalina se logra por deformación más que por difusión. El cambio de forma asociado con la bainita es una deformación plana invariante con un gran componente de corte. Este tipo de deformación implica un movimiento disciplinado de los átomos (más que una transferencia caótica asociada con la difusión), [15] y es típico de todas las transformaciones desplazadoras en aceros, por ejemplo, martensita, bainita y ferrita de Widmanstaetten. Existe una energía de deformación asociada con dicho relieve, que conduce a la forma de placa del producto de transformación [16]. Cualquier difusión es posterior a la transformación sin difusión de austenita, por ejemplo, la partición del carbono de la ferrita bainítica sobresaturada o la precipitación de carburos. ; esto es análogo al templado de la martensita.
Hay muchas características de la bainita que esta teoría predice correctamente, que incluyen:
- la forma de la placa, que es una consecuencia de la minimización de la energía de deformación debida a la deformación de la forma que acompaña a la transformación. [17]
- El hecho de que el exceso de carbono se retenga dentro de las regiones incluso libres de defectos de la ferrita bainítica. [18]
- El hecho de que la celda unitaria de ferrita bainítica puede ser tetragonal en lugar de cúbica. [19] [20] [21] [22]
- El hecho de que la transformación de la bainita puede retrasarse drásticamente cuando la austenita se deforma plásticamente por primera vez, un fenómeno conocido como estabilización mecánica, que es exclusivo de las transformaciones desplazantes. [23]
- El hecho evidente de que los desplazamientos se producen cuando crece la bainita. La transformación es una combinación de deformación y cambio de estructura cristalina, al igual que la martensita. [6]
Teoría difusiva
La teoría difusiva del proceso de transformación de la bainita se basa en el supuesto de que una placa de ferrita bainítica crece con un mecanismo similar al de la ferrita de Widmanstätten a temperaturas más altas. Por tanto, su tasa de crecimiento depende de la rapidez con la que el carbono pueda difundirse desde la ferrita en crecimiento hacia la austenita. Un error común es que este mecanismo excluye la posibilidad de interfaces coherentes y un relieve superficial. De hecho, algunos aceptan que la formación de ferrita de Widmanstätten está controlada por difusión de carbono y muestra un relieve superficial similar. [24]
Morfología
Normalmente, la bainita se manifiesta como agregados, denominados roldanas , de placas de ferrita ( subunidades ) separadas por austenita, martensita o cementita retenida. [25] Si bien las subunidades aparecen separadas cuando se ven en una sección bidimensional, de hecho están interconectadas en tres dimensiones y, por lo general, adoptan una morfología de placa lenticular o listón. Las propias poleas tienen forma de cuña con el extremo más grueso asociado con el sitio de nucleación.
Se encuentra que el espesor de las placas ferríticas aumenta con la temperatura de transformación. [26] Los modelos de redes neuronales han indicado que esto no es un efecto directo de la temperatura per se sino más bien un resultado de la dependencia de la temperatura de la fuerza impulsora para la reacción y la resistencia de la austenita que rodea las placas. [26] A temperaturas más altas y, por lo tanto, un subenfriamiento más bajo, la fuerza impulsora termodinámica reducida provoca una disminución en la tasa de nucleación que permite que las placas individuales crezcan antes de chocar físicamente entre sí. Además, el crecimiento de las placas debe acomodarse mediante el flujo de plástico en la austenita circundante, lo cual es difícil si la austenita es fuerte y resiste el crecimiento de la placa.
Bainita superior
La "bainita superior" se forma alrededor de 400–550 ° C en las gavillas. Estas poleas contienen varios listones de ferrita que son aproximadamente paralelos entre sí y que exhiben una relación Kurdjumov-Sachs con la austenita circundante, aunque esta relación se degrada a medida que disminuye la temperatura de transformación. La ferrita en estas poleas tiene una concentración de carbono por debajo del 0,03%, lo que da como resultado austenita rica en carbono alrededor de los listones. [27]
La cantidad de cementita que se forma entre los listones se basa en el contenido de carbono del acero. Para un acero con bajo contenido de carbono, entre los listones estarán presentes "largueros" típicamente discontinuos o pequeñas partículas de cementita. Para el acero con un mayor contenido de carbono, los largueros se vuelven continuos a lo largo de los listones adyacentes. [27]
Bainita inferior
La bainita inferior se forma entre 250 y 400 ° C y toma una forma más parecida a una placa que la bainita superior. No hay tantos límites de ángulo bajo entre listones en bainita inferior. En la bainita inferior, el plano de hábito en la ferrita también se desplazará de <111> hacia <110> a medida que disminuya la temperatura de transformación. [27] En la bainita inferior, la cementita se nuclea en la interfaz entre la ferrita y la austenita .
Transformación incompleta
En el presente contexto, "transformación incompleta" se refiere al hecho de que en ausencia de precipitación de carburo, la reacción de bainita se detiene mucho antes de que la austenita alcance su composición química de equilibrio o paraequilibrio. Se detiene en el punto donde las energías libres de austenita y ferrita de composición idéntica se vuelven iguales, es decir, la transformación sin un cambio en la composición química de las fases participantes se vuelve termodinámicamente imposible.
Las primeras investigaciones sobre la bainita encontraron que a una temperatura dada solo una cierta fracción de volumen de la austenita se transformaría en bainita y el resto se descompondría en perlita después de un retraso prolongado. Este fue el caso a pesar del hecho de que se podía lograr una transformación completa de austenita en perlita a temperaturas más altas donde la austenita era más estable. La fracción de bainita que podría formarse aumentó a medida que disminuía la temperatura. Esto se explicó en última instancia teniendo en cuenta el hecho de que cuando se formaba la ferrita bainítica, el carbono sobresaturado sería expulsado a la austenita circundante, estabilizándolo termodinámicamente contra una transformación adicional. [28]
Diferencia entre martensita y bainita
La bainita se puede considerar esencialmente como martensita que se atempera durante el curso de la transformación. Se forma a una temperatura más alta que la martensita, e incluso esta última puede autotemper. [29] Debido a que la temperatura de transformación es más alta, la propia austenita es mecánicamente débil, de modo que la deformación de la forma debida a la bainita se relaja por la deformación plástica de la austenita adyacente. Como consecuencia, la placa en crecimiento de bainita se enfrenta a un bosque de dislocaciones que finalmente termina su crecimiento incluso antes de que la placa haya alcanzado un límite de grano austenítico. Por tanto, las placas de bainita pueden ser más pequeñas que las de martensita en el mismo acero. Luego, la transformación procede mediante un mecanismo de subunidades que implica la nucleación sucesiva de nuevas placas. [30]
Aplicaciones
Con el aumento del contenido de bainita en el acero, la dureza, el rendimiento y la resistencia a la tracción permanecen casi constantes para un contenido de bainita de hasta un 50%, y luego aumentan en aprox. 30%. [3] Por lo tanto, Rolls-Royce Holdings y Tata Steel han fabricado comercialmente en serie ejes y placas de acero con alto contenido de bainita de tamaño metropolitano . [1]
Referencias
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enlaces externos
- Libros de texto gratuitos dedicados a la bainita , las tres ediciones.
- Los elementos de aleación en acero, por Edgar C. Bain
- Descripción general de la bainita en varios idiomas
- Artículo original de Davenport y Bain
- El primer metal nanoestructurado a granel del mundo