La transformación del acero durante la refrigeración

La transformación del acero durante el enfriamiento       

El enfriamiento es un paso indispensable en el proceso de tratamiento térmico.        

Después de que una pieza de acero se calienta y se mantiene a una cierta temperatura para obtener austenita con granos finos y uniformes, se lleva a cabo el enfriamiento.

• Austenita subenfriada: Austenita que permanece sin transformar (en términos de estructura) por debajo del punto crítico A₁.
• En este punto, la austenita subenfriada no se transforma inmediatamente; en cambio, se encuentra en un estado termodinámicamente inestable (como una estructura inestable) y eventualmente sufrirá una transformación.
• Dependiendo del grado de subenfriamiento (es decir, las diferentes temperaturas de transformación), la austenita subenfriada sufre tres tipos de transformación:
• Transformación perlítica
• Transformación bainítica
• Transformación martensítica

• Condición de transformación: La austenita subenfriada se transforma en una estructura de tipo perlita dentro del rango de temperatura de A₁ → 550°C.
• Producto de transformación: Una estructura de mezcla mecánica que consiste en laminillas alternas de ferrita y cementita.
• La perlita es una de las cinco estructuras más fundamentales en las aleaciones de hierro-carbono. Se denota con la letra "P" (de "Perlita"). El nombre se origina en su brillo similar a la perla.     
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Sorbita (S)

Temperatura de formación: 650 ~ 600°C; tiene laminillas relativamente delgadas, con un grosor de aproximadamente 80 ~ 150 nm. Las laminillas son difíciles de distinguir bajo un microscopio óptico y solo se pueden identificar como la estructura laminar de ferrita y cementita bajo un microscopio óptico de alta magnificación (a una magnificación de 800 ~ 1500×).

Troostita (T)

Temperatura de formación: 600 ~ 550°C; tiene laminillas extremadamente delgadas, con un grosor de aproximadamente 30 ~ 80 nm. Las características lamelares no se pueden distinguir en absoluto bajo un microscopio óptico y solo se pueden identificar bajo un microscopio electrónico.

La temperatura de austenización y el tamaño del grano de austenita antes de la transformación solo afectan el tamaño de las colonias de perlita, pero no tienen impacto en el espaciamiento laminar.

De perlita (P) a sorbita (S) y luego a troostita (T), cuanto menor es la temperatura, menor es el espaciamiento laminar y mayor es la resistencia y la dureza. Solo difieren en finura laminar y propiedades, sin distinción esencial.

Similar al proceso de austenización durante el calentamiento, el proceso de transformación perlítica durante el enfriamiento también es un proceso de nucleación y crecimiento en estado sólido.

De manera similar, debido a la disposición atómica irregular en los límites de grano, junto con más defectos como vacantes y dislocaciones, la reorganización atómica ocurre fácilmente, por lo que la cementita primero nuclea en los límites de grano de austenita.

Después de que la cementita nuclea, comienza a crecer. Durante el proceso de crecimiento, el contenido de carbono de la austenita a ambos lados de la cementita disminuye, lo que promueve la nucleación de ferrita. Los dos nuclean y crecen alternativamente, formando múltiples estructuras lamelares compuestas de ferrita y Fe₃C.

Al mismo tiempo, la nucleación y el crecimiento también comienzan simultáneamente en otras partes de los límites de grano, formando múltiples colonias de perlita con diferentes orientaciones.

Estas colonias de perlita crecen y se fusionan en una masa continua, y finalmente, toda la estructura se transforma en perlita; por lo tanto, se completa la transformación de austenita subenfriada a perlita.

Dado que los átomos de hierro y carbono se difunden lo suficiente debido a la alta temperatura durante la transformación de austenita a perlita, este proceso se llama transformación de tipo difusión.

• Condición de transformación: La austenita subenfriada se transforma dentro del rango de temperatura de 550°C ~ Ms. Para el acero eutectoide, la temperatura Ms es 230°C.
• Producto de transformación: Una mezcla mecánica bifásica de Fe₃C (cementita) y ferrita sobresaturada en carbono, denotada por la letra "B".
• En 1930, E.S. Davenport y E.C. Bain observaron por primera vez la estructura metalográfica del producto de transformación en acero después de la transformación isotérmica a temperatura media. Más tarde, para honrar las contribuciones de Bain, esta estructura fue nombrada "Bainita".
• Basado en las diferencias en sus morfologías microestructurales, la bainita se puede clasificar en:
• Bainita superior (B_u)
• Bainita inferior (B_l)

• Morfología: En forma de pluma.

   

  La cementita discontinua en forma de varilla (Fe₃C) se distribuye entre las láminas de ferrita paralelas que crecen desde los límites de grano de austenita hacia el interior del grano.

  

• Bainita inferior (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Morfología: En forma de hoja de bambú. Los carburos finos en escamas (Fe₃C) se distribuyen en las agujas de ferrita.

  Características de rendimiento de la bainita inferior:

  Los carburos en la bainita inferior son finos y están distribuidos uniformemente. Además de la alta resistencia y dureza, también tiene buena plasticidad y tenacidad, lo que la convierte en una estructura comúnmente utilizada en la producción industrial. Obtener la estructura de bainita inferior es uno de los métodos para fortalecer los materiales de acero.

  Bajo la condición de la misma dureza, la resistencia al desgaste de la estructura de bainita inferior es significativamente mejor que la de la martensita, que puede alcanzar de 1 a 3 veces la de la martensita. Por lo tanto, obtener bainita inferior como estructura matriz en materiales de hierro y acero es un objetivo perseguido por investigadores e ingenieros.

  

   

   

  1) Proceso de formación de bainita superior

   

  Cuando la temperatura de transformación es relativamente alta (550 ~ 350°C), los núcleos de ferrita se forman preferentemente en las regiones de bajo carbono de la austenita. Estos núcleos luego crecen paralelamente desde los límites de grano de austenita hacia el interior del grano. Mientras tanto, a medida que la ferrita crece, los átomos de carbono en exceso se difunden hacia la austenita circundante. Finalmente, la Fe₃C (cementita) en forma de varilla corta o en escamas pequeñas precipita entre las láminas de ferrita, distribuidas discontinuamente entre las láminas de ferrita paralelas y densas, formando así bainita superior en forma de pluma.