Martensita



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Martensita

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La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica.

La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de crsitalizar en la red cúbica centrada, que es la del hierro alfa, debido a la deformación que produce en su red cristalina la inserción de los átomos del carbono.

La dureza de la martenista puede atribuirse precisamente a la tensión que produce en sus crsitales esta deformación de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión el aumento de dureza que experimentan. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros.

La proporción de carbono de la martensita no es constante sino que varía hasta un máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 Rockwell-C; su resistencia mecánica, de 175 a 250 kg/mm2, y su alargamiento de 2,5 a 0,5%. Además es magnética.

La transformación de la austenita, producida por nucleación y crecimiento (con difusión), origina la formación de estructuras tipo perlítico, o de tipo bainítico, según sea el orden de temperaturas en la que la transformación tiene lugar.

Cuando por un brusco enfriamiento –que evite la formación de perlita o de bainita- la austenita es llevada a temperaturas más bajas que al de transformación bainítica, se produce una transformación sin difusión –a una velocidad en C que la austenita, que recibe el nombre de martensita.

Cristalográficamente la martensita es una estructura tetrágonal con átomos de C en posición intersticial deformada. Los parámetros cristalográficos c y a de la martensita están caracterizadas en función del porcentaje en C. De tal forma:

- La variación del parámetro c de la martensita –función del porcentaje en carbono- presenta una pendiente tres veces superior a la variación del parámetro a de la austenita, en función del porcentaje en carbono.

- Si bien c aumenta con el porcentaje de carbono, a en cambio disminuye constantemente de manera lineal.

Las curvas extrapoladas para 0% C pasan por un mismo valor del parámetro 2,86 Ǻ, que es precisamente el parámetro del Fe alfa puro. Así, la martensita aparece como una red de ferrita deformada preferencialmente según el eje c. Este es un punto interesante a considerar, puesto que justifica el carácter esencialmente metaestable de la martensita. En efecto, por elevación de temperatura (revenido), puede provocarse la eliminación de los átomos de C intersticial, que reaccionarán con átomos de Fe, dando como productos finales de la descomposición de la martensita los constituyentes ferrita y cementita.

Por otra parte, y puesto que la gran dureza de la martensita es debida fundamentalmente al C –no a los elementos de aleación- ello ha llevado durante casi 60 años a buscar las razones de la extraordinaria dureza de la martensita en la tetragonalidad de malla conferida por el C.

La transformación de austenita en martensita va siempre acompañada de aumento de volumen. La austenita tiene 4 átomos de Fe por celda elemental, y la martensita dos átomos de Fe por celda elemental. La transformación de N celdas de austenita origina la formación de 2N celdas de martensita, con lo que resulta –determinando los volúmenes correspondientes a N celdas de austenita y 2N de martensita- un incremento de volumen de 4,7%.

- La velocidad de transformación de la austenita en martensita es prácticamente instantánea.

- la martensita (observada al microscopio) presenta un aspecto acicular con efectos de relieve porducidos por mecanismos de cizallamiento, prueba de que su formación resulta de transformaciones casi instantáneas (sin difusión) en ciertos planos cristalográficos de la malla de austenita.

- la martensita tiene el mismo contenido en C que la austenita, y la localización del C en la martensita confirma que las distancias recorridas por los átomos de C son menores que el parámetro a.

Con independencia de los mecanismos cristalográficos por los que la austenita se transforma en martensita, la posibilidad termodinámica de esta reacción a una temperatura Tm, está determinada en primera aproximación por el salto térmico (Ta-Tm) que hace posible la disminución de energía libre de tipo químico necesaria para el paso de austenita a martensita desde la temperatura de austenización Ta.

Esta disminución de energía libre de tipo químico, comprende un balance entre:

- disminución de energía por paso de la forma gamma a la forma alfa.

- aumento de energía por distorsión de la forma alfa (debido a que todo el C de la austenita, y todos los aleantes, deben mantenerse disueltos en ferrita que adopta estructura tetragonal).

Es razonable admitir que la formación de martensita requiere mayor salto térmico cuanto mayor sea el contenido en elementos de aleación previamente solubilizados en la austenita.

El conocimiento aproximado de la temperatura de inicio de transformación de la martensita Ms en función de la composición química, es de interés industrial porque proporciona un criterio sobre el comportamiento del acero a la deformación y agrietamiento durante el temple (más agrietable cuanto mayor sea Ms).

Como complemento a lo anteriormente indicado, nótese que al obtener martensita el salto térmico equivalente ha de compensar también el aumento de energía libre de tipo mecánico, debido a que la relación austenita- martensita supone:

- aumento de volumen

- deformación plástica de la austenita continua a la martensita.

- creación de un campo de tensiones elásticas, en la austenita contigua a la austenita deformada plásticamente.

Este aspecto importa en la formación de martensita por debajo de Ms; para obtener mayores porcentajes de martensita se necesita compensar un mayor valor de la energía mecánica y, por consiguiente, se requerirán mayores saltos térmicos.



Revenido de la martensita

Las transformaciónes que se desarrollan al calentar una martensita comprenden varias etapas, que a veces se solapan entre sí:

En la primera etapa (100º - 200º C), la martensita de estructura tetragonal rechaza el carbono en exceso y da origen a la precipitación de un carburo denominado épsilon, de estructura hexagonal compacta y fórmula aproximada Fe2,4C. Por migración del carbono se reduce progresivamente la tetragonalidad de la martensita y cuando el carbono llega a ser 0,20%, la martensita ha cambiado de estructura pasando de tretragonal a cúbica centrada en el cuerpo, o ferrita sobresaturada (martensita beta). Esta martensita cúbica puede reconocerse por su rápido ennegrecimiento cuando es atacada con nital.

La segunda etapa en el revenido (230-300º C) se caracteriza por la transformación de la austenita residual en bainita inferior. En esta etapa se produce dilatación; y a veces aumento de dureza cuando existe gran cantidad de austenita residual. La transformación tiene lugar por nucleación y crecimiento. Podría formarse igualmente bainita por transformación de la austenita a temperaturas más elevadas.

La tercera etapa (300-350º C) se caracteriza por una notable pérdida de tenacidad. En este intervalo de temperaturas, tiene lugar una redisolución del carburo épsilon acompañado por precipitación de cementita con forma de cilindro de unos 200 nm de longitud. La existencia de una red casi continua de este compuesto intermetálico confiere fragilidad a los revenidos bajos. El intervalo de temperaturas correspondiente, raramente es empleado para el revenido de los aceros templados.

Desde unos 400º C suele presentarse una cuarta etapa caracterizada por la esferoidización de las partículas de cementita que, al globulizar, rompen la continuidad del retículo. A ello se añade la restauración y recristalización de la ferrita, con el consiguiente aumento de tenacidad.

Una quinta etapa suele presentarse en algunos aceros aleados con Ni, Cr, Mn, e impurezas como Sb (800 ppm), Sn (500 ppm), P (500 ppm); se manifestó después extensamente en algunos cañones durante la primera guerra mundial; dando lugar, por ello, a la denominación de fragilidad Krupp, con que suele denominarse a esta fragilidad a los revenidos altos.

En algunos aceros, en cuya composición figuran elementos carburígenos (Mo, W, V, Ti), suelen presentar a 600º C una sexta etapa de revenido denominada etapa de dureza secundaria. Si antes del temple los elementos carburígenos estaban disueltos en la austenita, formando con ella solución sólida, pasan en el temple a formar solución sólida en la martensita, y permanecen en solución sólida en la ferrita durante el revenido, en tanto no se alcancen temperaturas del orden de 600º. Su precipitación va acompañada de aumento de dureza.

En cuanto a propiedades mecánicas, según se ha indicado con anterioridad, todos los aceros templados y revenidos presentan una etapa de globulización de la cementita, que confiere al acero una estructura de precipitación fina y dispersa, no visible al microscopio óptico, y que proporciona plasticidad y buen comportamiento a la fatiga.

Al revenir la martensita, su dureza disminuye a medida que se eleva la temperatura, y en parecido sentido evoluciona la fragilidad (aumenta la tenacidad). Los elementos de aleación que se hallan en disolución sólida dentro de la martensita, estabilizan ésta al revenido y producen una caída más lenta de su dureza, al elevar la temperatura. Con ello, en aceros aleados, se consigue en la zona útil de revenido, durezas y resistencias superiores a las obtenidas en aceros al carbono de mayor porcentaje en carbono. Con la ventaja de que esta martensita aleada, tendrá mayor resiliencia (por tener menor contenido en carbono) que la martensita del acero al carbono.

Los aleantes estabilizan cuantitativamente en diversa medida la dureza y resistencia de la martensita, por mecanismos no bien determinados.

En cuanto a variaciones dimensionales durante el revenido, cabe señalar que el paso de martensita a martensita revenida supone contracción en alguna de las etapas, dilatación en otras, y contracción en las siguientes. En conjunto, la transformación de martensita a martensita revenida supone contracción de volumen.



Bibliografía:

  • CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. Estructura, transformaciones, propiedades y selección. José Antonio Pero-Sanz Elorz. Editorial CIE Dossat 2006.

  • CIENCIA DE MATERIALES. Javier Fernández Carrasquilla. José María Lasheras Esteban. Editorial Donostiarra 1992.


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