Cap4 Bainita - Facultad de Ingeniería

Estructura y Propiedades de las Aleaciones-Facultad de Ingeniería-UNLP
Capítulo 4: Bainita
Capítulo 4: Bainita
Bainita: producto de transformación de la austenita a temperatura
intermedia
A temperaturas entre aquellas donde ocurre la transformación eutectoide de la
austenita a la perlita y la transformación de la austenita a la martensita, puede formarse una
variedad única de microestructuras en los aceros al carbono. Davenport y Bain1 mostraron que
las microestructuras formadas a tales temperaturas intermedias eran bastante diferentes a
aquellas de la perlita y la martensita, y en honor a Edgar Bain, sus colegas la llamaron bainita.
La Fig. 4.1 es un diagrama tiempo-temperatura-transformación esquemático que muestra
claramente el rango de temperaturas intermedias, entre las de perlita y martensita, de la
formación de bainita. Los aceros con contenidos de carbono distintos al eutectoide pueden
poseer regiones de formación de fases proeutectoides a temperaturas mayores que la de la
formación de la perlita.
Figura 4. 1- Diagrama esquemático tiempo-temperatura-transformación (TTT) de un acero con rangos bien
definidos de transformación de la perlita y la bainita.
El diagrama esquemático de la Fig. 4.1 muestra un rango bien definido de tiempotemperatura para la formación de la bainita. Este rango de la transformación bainítica es
característico de los aceros de baja aleación, especialmente en enfriamientos continuos. En el
Capítulo 5 se verán varios ejemplos que muestran el efecto de los aleantes en la separación de
la formación de perlita/ferrita proeutectoide y bainita. En los aceros al carbono las regiones de
transformación para la perlita/ferrita proeutectoide y la bainita son más continuos y pueden
superponerse con la disminución de la temperatura. En los aceros aleados, los elementos
aleantes pueden causar la detención de la transformación bainítica provocando una
transformación incompleta a temperaturas intermedias. El efecto extremo de los aleantes,
1
E.S. Davenport and E.C. Bain, Transformation of Austenite at Constant Subcritical Temperaturas, Transactions
AIME, Vol 90, 1930, p 117-144.
1
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desde un acero Fe-C a uno aleado, en la transformación martensítica se muestra
esquemáticamente en los diagramas tiempo-temperatura-transformación de la Fig. 4.2.
Figura 4. 2- Diagrama esquemático tiempo-temperatura-transformación (TTT) para (a) acero al carbono con las
transformaciones de la perlita y la bainita superpuestas y (b) acero aleado con la transformación de la bainita
separada e incompleta.
Temperaturas de inicio de la transformación bainítica
La temperatura a la cual comienza la transformación de la bainita se denomina
temperatura BS, y se han determinado varias ecuaciones empíricas que reflejan el efecto de los
elementos aleantes en la misma. Steven y Hayes1 establecieron la siguiente ecuación para BS en
función de la composición (en % en peso) para aceros endurecibles de baja aleación con
contenidos de carbono desde 0.1 a 0.55%:
BS º C   830  270%C   90%Mn   37% Ni   70%Cr   83%Mo 
(Ec. 4.1)
Para aceros bainíticos de bajo carbono con contenidos entre 0.15 y 0.29% C, para
aplicaciones de altas temperaturas en la industria de la energía eléctrica, Bodnar et al.2
establecieron la siguiente ecuación con las composiciones de los elementos aleantes en % en
peso:
BS º C   844  597%C   63% Mn  16% Ni   78%Cr 
(Ec. 4.2)
Bainita vs. microestructuras ferríticas
Las microestructuras bainíticas toman varias formas. En aceros de medio y alto
carbono, de manera similar a la perlita, la bainita es una mezcla de ferrita y cementita y, por lo
tanto, depende de la partición del carbono entre la ferrita y la cementita controlada por
difusión. Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita están presentes en
arreglos no laminares. Análogamente a la martensita, la ferrita de las microestructuras
bainíticas puede aparecer como cristales aciculares similares a los cristales de forma de láminas
o placas de la martensita. Se han identificado dos morfologías principales de la ferrita y la
1
W. Stevens and A.G. Haynes, The Temperatura Formation of Martensite and Bainite in Low-alloy Steel, JISI,
Vol 183, 1956, p 349-359.
2 R.L. Bodnar, T. OACI, and R.I. Jaffee, Effects of Mo, Si, and Purity on the Designo f 3.5NiCrMoV, 1CrMoV,
and 2.25Cr-1Mo Bainitic Alloy Steels, Metallurgical Transactions A, Vol 20A, 1989, p 1445-1460.
2
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cementita en las microestructuras bainíticas y en vista de los dos rangos de temperatura a los
cuales se forman, Mehl en 19391 designó los tipos como bainita superior y bainita inferior. La
Fig. 4.3 muestra el efecto del contenido de carbono en las temperaturas de transición entre la
formación de la bainita inferior y la superior.
En aceros de bajo carbono, en los rangos de temperatura de transformación
intermedia, la austenita transformará solo a ferrita, resultando una microestructura bifásica de
ferrita y austenita retenida. Estas microestructuras tienen morfologías bastante diferentes que
las de ferrita proeutectoide descriptas en el Capítulo 2. Aunque algunas características de las
microestructuras de la ferrita intermedia son similares a aquellas de la bainita clásica, la
ausencia de cementita en las microestructuras ferríticas hace posible una clara diferenciación
de los productos de transformación de temperaturas intermedias de la descomposición de la
austenita.
De acuerdo a una definición microestructural de la bainita en aceros como un
producto no laminar ferrita-cementita de la transformación de la austenita, Aaronson et al. 2
reconocieron seis morfologías de la bainita que se muestran esquemáticamente en la Fig. 4.4.
Las bainitas superior e inferior son las formas más comunes encontradas en los aceros de
medio carbono y se describirán en mayor detalle en secciones posteriores en este capítulo. Sin
embargo, en ausencia de cementita, los productos de transformación de temperaturas
intermedias de la austenita caen en la categoría de ferritas.
Figura 4. 3- Efecto del contenido de carbono del acero en la temperatura de transición ente la bainita superior y
la inferior.
Bainita superior
La bainita superior se forma en el rango de temperaturas justo debajo de donde se
forma la perlita, típicamente debajo de 500ºC. La Fig. 4.5 muestra micrografías ópticas de
bainita superior formada en un acero 4360 mantenido a 495ºC y 410ºC. La bainita aparece
oscura y los cristales individuales de ferrita poseen forma acicular. La transformación bainítica
no se completó durante los mantenimientos isotérmicos y, por lo tanto, las áreas claras son
martensita formada en el temple a partir de la austenita no transformada. La bainita aparece
oscura debido a la rugosidad producida por el revelado alrededor de las partículas de cementita
de la estructura bainítica. Sin embargo, las partículas de cementita son muy finas para ser
resueltas en el microscopio óptico.
La apariencia en forma de plumas de los grupos de cristales de ferrita se muestra
claramente en las micrografías ópticas y es a veces una característica importante de
1
R.F. Mehl, Hardenability of alloy Steels, American Society for Metals, 1939
W.T. Reynols, Jr., H.I. Aaronson, and G. Spanos, A Summary of the Present Diffusionist Views on Bainite,
Materials Transactions, JIM, Vol 32 (no. 8), 1991, p 737-746.
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Capítulo 4: Bainita
identificación de la bainita superior. Las microestructuras de las bainitas superiores se
desarrollan en paquetes de cristales paralelos de ferrita que crecen a través de los granos
austeníticos produciendo una apariencia de bloque. La Fig. 4.6 muestra esta última
característica de la bainita superior en un acero 4150 transformado a 460ºC.
Figura 4. 4- Ilustración esquemática de varias microestructuras ferrita (blanco)-cementita (negro) definidas como
bainitas de acuerdo a Aaronson et al. (a) Bainita nodular. (b) Bainita columnar. (c) Bainita superior. (d) Bainita
inferior. (e) Bainita alotromórfica en borde de grano. (f) Bainita inversa.
Figura 4. 5- Bainita superior en un acero 4360 transformado isotérmicamente a (a) 495ºC y (b) 410ºC.
Micrografía óptica.
Figura 4. 6- Bainita superior (áreas oscuras rectangulares) en un acero 4150 transformado a 460ºC. Micrografía
óptica.
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Las partículas de cementita de la bainita superior se forman entre los cristales de ferrita
en la austenita enriquecida de carbono por la expulsión del mismo desde los cristales de ferrita
en crecimiento. La Fig. 4.7 es una micrografía de lámina delgada de un microscopio
electrónico de transmisión donde se muestra cementita entre láminas en un acero 4360 que
transformó a bainita a 495ºC. Las partículas de carburos, comparadas con aquellas presentes
en la bainita inferior, son relativamente gruesas y aparecen oscuras y alargadas. En algunos
aceros, especialmente los que contienen silicio, se retarda la formación de la cementita. Como
resultado, la austenita enriquecida en carbono entre las láminas de ferrita es bastante estable y
será retenida durante la transformación y a temperatura ambiente. La Fig. 4.8 muestra
austenita retenida en bainita formada a 400ºC en un acero con 0.6% C y 2.0% Si.
Figura 4. 7- Partículas de carburos (oscuro) formadas entre cristales de ferrita en una bainita superior de un
acero 4360 transformada a 495ºC. Micrografía electrónica de transmisión.
Figura 4. 8- Austenita retenida (gris) entre láminas de ferrita de una bainita superior en un acero al carbono 0.6%
C y 2.0% Si, transformada a 400ºC. Micrografía electrónica de transmisión.
Bainita inferior
Un ejemplo de bainita inferior se muestra en la Fig. 4.9 obtenida de un acero 4360
transformado parcialmente a 300ºC. Nuevamente, la bainita se observa oscura y la parte clara
es martensita formada durante el enfriamiento a partir de austenita no transformada a 300ºC.
La bainita inferior se compone de grandes placas de ferrita que se forman de manera no
paralela entre ellas y, análogamente a la martensita en placas, se caracterizan como aciculares.
Los carburos en las placas de ferrita de la bainita inferior son los responsables de la apariencia
oscura pero son demasiado finos como para ser resueltos en el microscopio óptico.
La Fig. 4.10 muestra los carburos muy finos que se formaron en la ferrita de la bainita
inferior en un acero 4360 transformado a 300ºC. Los finos carburos típicamente forman un
ángulo de cerca de 60º con respecto al eje longitudinal del cristal de ferrita. En contraste con la
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bainita superior, los carburos se forman dentro de las placas de ferrita antes que entre placas y
son significantemente más finos que los carburos entre las láminas de la bainita superior. Se
identificó otra variedad de bainita inferior por Okamoto y Oka1 en aceros hipereutectoides
llamada bainita inferior con midrib que se forma isotérmicamente a menores temperaturas, entre
150 a 200ºC por debajo de las cuales se forman las bainitas convencionales, es decir, entre 200
y 350ºC. La Fig. 4.11 muestra una micrografía óptica y electrónica de transmisión de una
bainita inferior con midrib en un acero 1.1% C transformado a 190ºC. El midrib es una placa
delgada de martensita formada isotérmicamente que provee de la interfase en la cual se forma
la estructura bifásica de carburo-ferrita de la bainita inferior.
Figura 4. 9- Bainita inferior en un acero 4360 transformado a 300ºC. Micrografía óptica.
Figura 4. 10- Bainita inferior con finos carburos dentro de las placas de ferrita en un acero 4360 transformado a
300ºC. Micrografía electrónica de transmisión.
Figura 4. 11- Bainita inferior con midrib en un acero al carbono con 1.10% C transformada a 190ºC por 5h.
(a) Micrografía óptica. (b) Micrografía electrónica de transmisión.
1
H. Okamoto and M. Oka, Coger Bainite with Midrib in Hypereutectoid Steels, Metallurgical Transactions A, Vol
17A, 1986, p 1113-1120.
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Mecanismo de formación de la bainita
El hecho de que las bainitas clásicas consisten en ferrita y distribuciones no laminares
de cementita avala la necesidad de que el carbono difunda en alguna etapa de la
transformación. Sin embargo, las temperaturas relativamente bajas a las cuales se forma la
bainita restringe severamente la difusión de los átomos de hierro. Esta última característica de
la transformación de la austenita a la bainita llevó a dos puntos de vista bastante diferentes de
la nucleación de la ferrita en la bainita. Uno de los puntos de vista establece que la ferrita que
primero transforma lo hace por un mecanismo de corte sin difusión o mediante
transformación martensítica. El otro establece que la ferrita nuclea y crece mediante un
mecanismo de crecimiento lateral donde el reacomodamiento de corto alcance de los átomos
de hierro puede tener lugar en los bordes de la interfase ferrita-austenita.
Las ecuaciones empíricas de BS mencionadas anteriormente reflejan el fuerte efecto de
los elementos aleantes en el comienzo de la transformación bainítica. Junto con esta
característica de los aceros con transformaciones bainíticas se encuentra la presencia de una
bahía o región de transformación muy lenta en los diagramas tiempo-temperaturatransformación. Estas regiones corresponden con los rangos de temperaturas que muestran la
separación marcada de las curvas de transformación para la perlita y la bainita en la Fig. 4.1.
Un ejemplo de tal región se muestra en la Fig. 4.12 mediante un diagrama isotérmico TTT
para un acero 4340. Tales regiones se correlacionan con la presencia de elementos aleantes
sustitucionales que pueden dividirse desde o hacia la ferrita y que se concentran en las
interfases austenita-ferrita creando una resistencia al avance de la transformación de la ferrita
bainítica. Como puede notarse, la transformación isotérmica de la austenita a bainita puede
estar severamente retardada.
Figura 4. 12- Diagrama de transformación isotérmica del acero 4340 y tratamientos térmicos isotérmicos
aplicados para producir varias microestructuras para la evaluación de fractura.
La distribución de partículas muy finas de carburos en las placas de la bainita inferior
sugiere que un cristal de ferrita se forma inicialmente, quizás mediante un mecanismo
martensítico, y como consecuencia de la supersaturación de carbono en la ferrita, los finos
carburos precipitan dentro de la misma. Otra explicación de la formación de la bainita inferior
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Capítulo 4: Bainita
fue propuesta por Spanos et al.1 Basándose en micrografías de series de aleaciones Fe-C con
2.0% Mn con microscopia electrónica de transmisión concluyen que una unidad de bainita
inferior se forma por un proceso de cuatro pasos: (1) precipitación de una espina de ferrita
casi libre de carburo; (2) nucleación de placas secundarias de ferrita, usualmente en uno de los
lados y a un ángulo de aproximadamente de 55 a 60º de la espina inicial; (3) precipitación de
carburos en la austenita en los bordes ferrita-austenita formando huecos entre las placas de
ferrita secundaria adyacentes; y (4) un proceso de recocido en el cual los huecos se llenan con
un posterior crecimiento de ferrita y precipitación adicional de carburos.
Comportamiento mecánico de las bainitas
Los aceros transformados en su mayor parte en microestructuras bainíticas desarrollan
un amplio rango de resistencias mecánicas y ductilidades. Las tensiones máximas de las
microestructuras de alto carbono y bainita inferior pueden alcanzar 1400 MPa y durezas de 55
HRC o mayores. Las resistencias mecánicas se deben a las estructuras cristalinas de la ferrita
relativamente finas, altas densidades de dislocaciones dentro de los cristales de ferrita y finas
dispersiones de cementita. Cuanto menor sea la temperatura de transformación de la bainita,
más fina será la dispersión de los carburos y mayor la dureza y la resistencia mecánica. Las
microestructuras de las bainitas inferiores compiten con las martensitas revenidas a bajas
temperaturas en resistencia mecánica y a la fractura. A menudo los aceros de baja aleación se
exponen a mantenimientos isotérmicos para formar bainita en vez de ser templados y formar
martensita, en orden de reducir las tensiones que generan fisuración por temple.
El tipo de bainita afecta las características de fractura. Hehemann et al.2 mostraron que
las muestras con microestructuras de bainita superior poseen menor tenacidad y ductilidad
comparadas con muestras con microestructuras de bainita inferior, y Pickering3 mostró que las
bainitas superiores poseen mayores temperaturas de transición dúctil-frágil. Estas
observaciones fueron confirmadas en estudios de un acero 4340 transformado
isotérmicamente a varias temperaturas como muestra la Fig. 4.12. Las muestras templadas en
aceite y revenidas a 200ºC poseen microestructuras de martensita revenida con dureza de 52
HRC, aquellas mantenidas a 200ºC también transformaron a martensita revenida con dureza
de 52 HRC, las mantenidas a 280 y 330ºC transformaron casi en su totalidad a bainita inferior
con durezas de 50 y 44 HRC, respectivamente, y las transformadas a 430ºC lo hicieron casi
totalmente a bainita superior con dureza de 32 HRC.
La Fig. 4.13 muestra los resultados a temperatura ambiente del ensayo de Charpy con
entalla en V realizado en muestras de 4340. Se midieron las energías de inicio y de propagación
de la fractura. La energía de fractura de las microestructuras de la bainita superior fue
significativamente menor que las de la martensita revenida o la bainita inferior. Cuando la
fractura se inició en la bainita superior, la energía de propagación cayó a cero. La superficie de
fractura de las muestras de la bainita superior mostraron que, excepto en el inicio de la fractura
en la punta de la entalla, consistió en un mecanismo de clivaje (Fig. 4.14b) un resultado que se
atribuyó a los gruesos carburos interlaminares y al plano común de clivaje de los cristales
paralelos de la ferrita en los paquetes de la bainita superior. En contraste, las superficies de
fractura de las muestras transformadas a martensita revenida consistieron en la coalescencia de
microhuecos, es decir, fractura dúctil (Fig. 4.14a). A pesar de que en general las
1
G. Spanos, H.S. Fang, and H.I. Aaronson, A Mechanism for the Formation of Coger Bainite, Metallurgical
Transactions A, Vol 21A, 1990, p 1381-1390.
2 R.F. Hehemann, V.J. Luhan, and A.R. Troiano, The Influence of Bainite on Mechanical Porperties, Transactions
ASM, Vol 49, 1957, p 409-426.
3 F.B. Pickering, The Structure and Properties of Bainite in Steels, in Transformation and Hardenability in Steels,
Climax Molybdenum Company of Michigan, Ann Arbor, MI, 1977, p 109-132.
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Capítulo 4: Bainita
microestructuras con menor resistencia mecánica y dureza muestran mejor ductilidad y
resistencia a la fractura, el comportamiento de la bainita superior, que posee menor dureza que
las otras microestructuras del acero 4340, contradice esta regla general. Un estudio del
comportamiento a la fractura del acero 4340 transformado isotérmicamente a bainita superior
e inferior confirma la fuerte susceptibilidad de la bainita superior a la fractura por clivaje a
pesar de su menor dureza y resistencia mecánica relativa a las microestructuras de las bainitas
inferiores.
Figura 4. 13- Energía de impacto absorbida en función de la temperatura de transformación isotérmica de
muestras del acero 4340. E0 es la energía total absorbida, E1 es la energía de inicio de la fractura y E2 es la energía
de propagación de la fractura.
Figura 4. 14- Morfologías de las superficies de fractura de un acero 4340 de las muestras ensayadas mediante
ensayo Charpy con entalla en V tratadas térmicamente en: (a) temple en aceite y revenido a 200ºC y (b)
transformadas isotérmicamente a 430ºC.
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