Transformación Austeníta-Martensíta por Tratamiento Térmico Cíclico

Revista Latinoamericana
de Metalurgia y Materiales, Vol. 3, N° 2, 1985
Transformación Austeníta-Martensíta por Tratamiento Térmico Cíclico
Enrique A. Martínez
Gerencia de Materiales, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares. Benjamin Frank1in 161, México 11,
D.F., México.
En el presente trabajo se estudia un método alternativo para transformar austenita retenida en una aleación Fe-Ni-C y se comparan los resultados con los obtenidos empleando métodos convencionales. Se encontró una relación lineal entre la cantidad
.de martensita formada y la temperatura de temple. Se midieron los cambios de resistencias eléctricas con respecto al tiempo,
observándose que a medida que la cantidad de martensita aumenta el cambio inicial de resistencia, aumenta hasta alcanzar un
máximo a aproximadamente 80% de miutensita.En los tratamientos cíclicos la transformación ocurrió únicamente en el
intervalo entre nitrógeno líquido y CO2 sólido. La transformación y ~ a' es acelerada por el tratamiento térmico cll::lito indio
cando que durante el tiempo en que el material está a la temperatura más alta del ciclo, existe cierta movilidad atómica que permite quitar el anclaje de las interfases y - a acelerando así la reacción. Se observó que el tratamiento térmico cíclico produce
mayor cantidad de rnartensita que el tratamiento sub cero.
Austenite - Martensite Transformation
by Cic1ycHeat Treatment
In the present work an alternativemethod to transform retained austenite ís studied in a Fe-Ni-C alloy. The resultsare compare with those obtained using conventional methods. A linear relationship is found between the arnount of martensíte formed and the quenching temperature. The change of electrical resistance vs. time was measured, observing that as the amount
of martensite increases, the initial change of resistance increases up to a maximum at approxírnately 80% of martensite.
During the cíclíc heat treatments the transformatíon ocurred only in the intervalliquid nitrogen- solid CO2• The y ~ a' transformation is accelerated by cíclyc heat treatment. This indicates that during the time the material is at the higher temperature
of the cicle, there is so me atomic mobility, unpinning they - a ínterfases, thus aeeelerating the reaction. The ciclyc heat treatment produced. A greater amount of martensite than the sub-cero treatment.
I.
INTRODUCCION
ros aleados y en aceros de alto contenido
de carbono la cantidad llega a ser considerable.
Entre los tratamientos térmicos convencionales el de temple revenido es tal vez
el más importante, debido a que permite
obtener la mejor combinación de propiedades mecánicas.
Durante el temple, la fase estable de alta
temperatura conocida como austenita (y) se
transforma en una fase metaestable de alta
dureza denominada martensita (a') .. Los
mecanismos de la transformación han sido
descritos en diferentes publicaciones [1, 2] Y
no serán tratados en este. trabajo.
Después del temple, normalmente
queda cierta cantidad de austenita sin transformar (austenitaretenída), la cual juega un
papel primordial en el revenido.
La cantidad de austenita retenida está en
función de la composición química de la
aleación y de la temperatura de tratamiento.
En aleaciones de bajo carbono la cantidad de
austenita no es grande; sin embargo, en ace-
Durante el calentamiento la austenita se
transforma en bainita, y si la temperatura no
es suficientemente alta para ello, se presenta
el fenómeno de "acondicionamiento", por
medio del cual la austenita, durante un enfrentamiento posterior se transformará en
más martensita. Cuando la cantidad de austenita retenida es alta los cambios de volumen asociados a dichas transformaciones
provocarán efectos nocivos, la estabilidad
dimensional del material será baja y el riesgo
de fractura grande.
El presente trabajo describe brevemente los métodos empleados para transformar la austenita retenida y los compara con
resultados obtenidos empleando un posible
método alternativo.
93
Latin.American[ourna! o/ Meta/lurgy and Materia/s, VoL Ji N~_2, 1983
u.
zación de la interfase entre Ía austenita y los núcleos
de martensita. Esta inmovilización, es provocada por
átomos intersticiales que anclan las dislocaciones de
la ínterfase, e inhibe la creación de nuevos núcleos.
ANTECEDENTES
U.1. Transformación isotérmica
La transformación martensítica en aleaciones
ferrosas ocurre por tres diferentes tipos de cinética.
Los aceros cuya temperatura de inicio de transformación de martensita (Ms) ea.mayor de 100°C,
generalmente se transforman siguiendo una cinétíca
"atérmica". A temperatura constante, la transformación cesa en tiempos muy cortos. Y la cantidad de
transformación es esencialmente función de la temperatura.
En aleaciones con Ms inferior a la temperatura
ambiente, se encuentran dos tipos de cinética adicionales [1] transformación explosiva y [2] transformación iso térmica. La transformación explosiva ha sido
detectada en aleaciones fierro-níquel [3] y fierroníquel-carbono.
Otras aleaciones en particular fierro-níquelmanganeso [5], muestran una cinética completamente isotérmica. Sin embargo, el caso que al momento es de interés, es aquel en que se ha mostrado
que la transformación íso térmica está asociada frecuentemente con la transformación atérmica y/o
explosiva [6], 10 cual implica que la reacción austenita-martensita no cesa instantáneamente al suspenderse el enfriamiento, y que en algunos casos
hasta 5% de austenita se puede transformar isotérmicamente [7].
La transformación iso térmica se inicia rápidamente, pero continúa a velocidad decreciente y
puede durar meses.
U.2.
u. 3. Tratamiento sub-cero
A pesar de que la temperatura de inicio de transformación de martensita es, generalmente bien
conocídaIa temperatura donde la reacción termina
(Mf) no lo es, y por lo general se encuentra a temperaturas sub-cero. Por lo tanto, la cantidad de austenita
retenida disminuye a medida que la reacción avanza,
o lo que es lo mismo, a medida que la temperatura
decrece.
.
El tratamiento sub-cero consiste en transferir el
material a un baño, el cual se mantiene a una temperatura determinada, en el intervalo de - 80 a 270°C
(en CO2(s) - Helio (1»; La transferencia debe efectuarse
lo más rápidamente posible después del temple, para
evitar la estabilización de la austenita.
El método es adecuado desde el punto de vista de
transformación; sin embargo, introduce esfuerzos
internos, debido al choque térmico y a los cambios de
volumen, por lo que se requiere un buen control para
evitar agrietamíentos. Después del tratamiento es
recomendable efectuar un doble revenido para homogeneizar la estructura.
UA.
Tratamiento cíclico
Como se explicó anteriormente, cuando la temperatura de revenido no es suficientemente alta para
provocar la transformación a bainita, la austenita
retenida se puede acondicionar para subsecuente
transformación a martensita.
Brook ha sugerido [12] que es posible acelerar la
transforinación iso térmica a martensita por medio
de tratamientos cíclicos.
El presente trabajo se inició con la idea de unir
ambos fenómenos, acondicionamiento de la austenita retenida y aceleración de la transformación isotérmica, para obtener una posible transformación
acelerada de la austenita a martensita.
Estabilizaaon térmica
La estabilización térmica de la austenita puede
describirse como una inhibición de la reacción
austenita-martensita. Esto se observa cuando el enfriamiento es suspendido en el rango de transformación y la aleación, parcialmente transformada se
envejece, ya sea la misma o mayor temperatura.
Al continuar el enfriamiento la transformación
no vuelve a iniciarse de inmediato; para ello se
requiere cierto sobreenfriamiento.
La cantidad de estabilización está en función del
tiempo y la temperatura de envejecimiento.
Dos tipos de cinética de estabilización han sido
detectados uno cuando la temperatura de envejecimiento es superior a 80°C, otro, a temperaturas tan
bajas como - 60 °C [8].
Los mecanismos que controlan la estabilidad no
han sido aún determinados. A la fecha, el modelo que
.parece más adecuado. es el desarrollado por Kinsman
y Shyne [9]. Dicho modelo se basa en los trabajos de
Knapp y Dehlinger [10] y Kauffman y Cohen[11], y
propone que la estabilización es debida a la inrnovili-
III.
EXPERIMENTACION
Se preparó una aleación fierro-níquel-carbono,
fundiendo una carga integrada por fierro y níquel
electrolí ticos, así como ferro manganeso, en un
horno de inducción. alvacío, siendo el análisis químico final: Ni: 19.20%; C: 0.62%; Mn: 0.01 %; Mo, Cr,
Ti, Nb, V, Si Y Co: 0.02%, y el resto Fe.
.
El lingote fue extruido y laminado en caliente
hasta un diámetro de 6.35 mm. Después de la homo-
94
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 3, N° 2, 1983
geneización a 1.200 0(: durante 120 horas, las barras
fueron trefiladas en frío hasta 1.06 mm de diámetro
con re cocidos internedios. En todos los casos la
deformación fue suficiente para asegurar la recrísta. lización del material durante el tratamiento térmico
'. efectuado inmediatamente antes de las pruebas.
El progreso de la transformación fue seguido
<>, con un doble puente Kelvin auto balanceado, conc'
juntamente con un adaptador de baja impedancia,
por medio de mediciones de resistencia eléctrica en
muestras mantenidas isotérmicamente a temperatura sub-cero en un crióstato especialmente diseñado.
Las muestras empleadas fueron trozos en forma
de alambre de 50;8 mm de longitud y 1.06 mm de diámetro. Las terminales de medición, hechas de níquel
"200", fueron soldadas a: la muestra y el conjunto
muestra-terminales fue sellado en cápsulas dé cuarzo
a un vacío de 10- s mm de Hg.
El tratamiento térmico previo a las mediciones
de resistencia fue dado a 1000 °C por una hora, seguido de temple en agua. En este punto la microestructura consistía exclusivamente de austenita; la
cual fue transformada a diferentes cantidades de mar,,: tensita por medio de temples sub-cero.
r<
~,~
La fracción en volumen de martensita fue deter'.:{'minada por metalografía cuantitativa, contando un
:!f.. núnimo de 5.000 puntos cada vez. El número de
,." ínterfases austenita-martensita
fue determinado
~ midiendo 10 áreas de 10 crrr' a 500 aumentos para
¡:f
cada muestra.
TABLA
RELACION ENTRE TEMPERATURA
DE TEMPLE Y% MARTENSITA
Temperatura °C
-42
- 50
-80
-140
-150
<.
t¿
IV.
I
% Martemita
37.5
43.8
50.7
-169
- 169 (trat. cíclico)
-196
- 196 (trat. cíclico)
80.9
85.1
94.2
95·7
97.9
99.5
5,0
4,5
4,0
RESULTADOS
IV. 1. Relación temperatura-% martensita
~~.
Las muestras tratadas en la forma descrita en la
~. sección anterior fueron templadas a diferentes temperaturas sub-cero. Los resultados indicados en la
Tabla 1 muestran que la cantidad de transformación
~~.está en relación lineal con la temperatura (grá~ fica 1).
<'.
~
o
3,0
a::
'Cl
~1'
'.'P.
~:
2,0
l'~':
l·~:
100
I
fi
ti
I
1,0
.0
ec
·L---':_Z::-o----~.O----:-7,;IOOn----:';-I¡;;.O~---:j-I'¡¡;.O__:j-Z.OO
f
I
TIEMPO (mlO)
Sriifiul
Gráfica 2
95
Latin.American [oarnal o/ Metollurgy and MateriaJs, Vol. 3, N° 2, 1983
IV. 2. Influencia de la cantidad de martensita en la
resistencia eléctrica
IV. 4.
Transformación isotérmica
La tr~nsformación isotérmica fue realizada a la1
temperatura del nitrógeno líquido, en muestras que
conteman98% Q' y 2% de austenita retenida (yret).
Los resultados 'semuestran en la gráfica 4, notándose que hasta 1.5% de y reto se transforma en a' por
medio- de este mecanismo. El tiempo para transformar dicha cantidad fue mayor a tres semanas, sin que
la reacción terminara, pues la transformación continuó a una velocidad cada vez menor,
La Tabla 1 muestra la cantidad de martensita
obtenida a diferentes temperaturas. La gráfica 2,
muestra los cambios de resistencia eléctrica con res-:
pecto al tiempo. A medida que la cantidad de martensita aumenta el cambio inicial de resistencia aumenta, hasta alcanzar un máximo, el cual se localiza
cuando la cantidad de martensita es aproximadamente 80%. Con mayores cantidades de a' el aumento de resistencia disminuye rápidamente y
tiende a igualar la velocidad para las muestras templadas en nitrógeno líquido.
j
IV. 3. Relación interfases-% martensita
La cantidad de interfases austenita-rnartensita
están dadas en la Tabla Il,
TABLA
Relación interfases
INTERFASES (mni!/mn?)
34.4± 7
53.6± 7
·64.0± 7
166A± 12
208.0± 15
211.2± 16
188:8 ± 9
214.4±21
Il
% aumento
de resistencia
AR%
0.55
0.58
0.63
1.04
1.35
1.59
2.49
2.99
3
% martensita
%
100 200 300
cc "
400
óOO 000
Tiempo
97.9
99.5
94.2
37.5
43.7
IV. 5.
700 800 900 1000
(mml
Tratamiento cíclico
Se efectuaron diferentes tratamientos cíclicos.
variando las temperaturas. El único int~rv~lo en ~l
que ocurre la transformación es entre nítrogeno líquido y-C02 sólido. P~ra cada te~perat~ra fueron
estudiados diferentes numeros de ciclos y tiempos. El
número óptimo de ciclos fue de 5 y ~l tiempo de permanencia a cada temperatura de cinco minutos.
Mayor número de ciclos o mayores tiempos no producen díferencía alguna.
Con este tratamiento se obtuvo la misma cantidad de transformación (1.5%), como se indica en la
TablaIlI, pero en tiempos'1lluc~~ menores (50 minutos), como se muestra en la gráfica '.
,o.7
85.1
80.9
El número de interfases es al máximo a aproximadamente 80% de martensita, lo cual está en relación directa al comportamiento .de la resistencia
eléctrica (gráfica 3).
200
TlE:MPO (MINJ
C>
n
0~------~---------2~--~--~3~
LlR(%)
GrUlca.
:3
No.d.
CICLOS
'~ '
96
;:''5
-:
.-:.
Revista Latinoamericana
de Metalurgia y Materiales, Vol. 3, N° 2, 1983
V. DISCUSION
determinado que, a temperatura menores de - 60°C,
no existe estabilización, debido a la carencia de movilidad atómica.
El presente estudio ha confirmado que en ciertas
aleaciones pueden estar asociados dos tipos de ciné,;.' tica de transformación austenita-martensita.
Aunque no ha sido desarrollada una explicación totalmente satisfactoria, las teorías más avanzadas permiten proponer una posible explicación.
TABLA
La transformación iso térmica observada, puede
entonces ser debida a efectos de nucleación, los cuales, a tan baja temperatura, deben proceder a una
velocidad muy baja, que se irá haciendo más lenta a
medida que los sitios disponibles disminuyen.
El hecho de que la transformación r - 0" pueda
ser acelerada por tratamiento térmico cíclico, indica
que, durante el tiempo en que el material está a la
temperatura más alta del ciclo, existe cierta movilidad atómica que permite quitar el anclaje de las interfases y .... O' acelerando así la reacción. La temperatura de tratamiento debe ser suficientemente baTa
como para no permitir estabilízacíón,
la cual, en caso
de existir, no permitiría la subsecuente transformación, o bien exigiría que la temperatura necesaria
fuera menor a la de nitrógeno líquido (- 196°C).
III
NUMERO DE CICLOS - % DE MARTENSITA
Ciclo
% Martensita
1
2
3
98.5
98.5
99.0
99.3
99.5
4
5
VI.
CONCLUSIONES
1.
El modelo de nucleacíón desarrollado por Kauffman y Cohen [11] indica que la influencia de elementos de aleación en la temperatura de inicio de transformación por explosión("burst"), denominada Mb,
solamente puede ser explicada si se asume un incremento en el tamaño de los nucleos a medida que elementos como el níquel aumentan en la aleación.
Para aleaciones que se transforman isotérmicamente, el problema de nucleación está definido, considerándose un tamaño de núcleo constante [13].
Por otro lado, Pati y Cohenl l-f] han indicado
que existe la misma diferencia, en cuanto a nucleación, que en relación a la fuerza impulsora, la cual esbaja para la transformación explosiva, mientras que
es alta para la transformación isotérmica, por lo que
la formación explosiva o bien ocufnrá primero, o
bien tiene mayor posibilidad de ocurrir.
Magee [15] ha dado una posible explicación a
dichas diferencias, considerando dos comportamientos diferentes, uno a bajas temperaturas donde la
difusión de carbono es prácticamente cero, y otro a
temperaturas donde existe cierta movilidad de los
átomos de carbono.
Cuando existe movilidad, es posible que ocurra
estabilización la cual, de acuerdo a los modelos de
Kinsman y Shyne [8], ocurre por la inmovilización de
la interfase por átomos intersticiales.
En el presente estudio se ha observado que, en
efecto, existe una relación entre la martensita y las
interfases. Los átomos de carbono que anclan dichas
interfases, deberían producir un aumento en resistívidad eléctrica, el cual ha sido confirmado en este trabajo. Por otro lado, los mismos autores [9] han
2.
3.
Ha sido establecido que, por tratamiento
térmico cíclico en un intervalo adecuado de
temperatura, la transformación austenita
retenida martensita puede ser lograda en
aleaciones Fe-Ni-C.
La transformación iso térmica a martensita
existe, y puede ser acelerada considerablemente por tratamiento térmico cíclico.
El tratamiento térmico cíclico producirá
mayor cantidad de martensita que el tratamiento sub-cero.
BIBLIOGRAFIA
1.
E. R. Petty: Martensíte. Ed. Longman (1970) ..
2.
E. A. Martínez: Tesis Doctoral. Universidad de Sheffield
(1979).
3. E. S, Machlin y M. Cohen: Trans. AIME, 191 (1951),744,
4, R. Brook y A. R. Entwísle: ]ISI (1965),203.
5. C: H. Shin, et. al.: Trans. AIME, 203 (1955), 183,
6, V. Raghavan y A. R. Entwisle: The Physícal Properties of
Martensite and Bainite, Iron and Steel Inst. Spec, Rep. 93
(1965); 29,
7.
8.
9.
M. Cohen: Trans, ASM, 41 (1949), 35.
K. R. Kínsrnan y]. C. Shyne: Acta Met., 15 (1967),1527.
K. R. Kinsman y]. c. Shyhe: Acta Met., 14 (1966), 1063.
10. H. Knapp y C. Dehlinger: Acta Met., 4 (1956), 289.
11. 1. Kauffman y M. Cohen: Progr. Met. Phys, 7 (1958),165.
12. R. Brook: The Physical Properties ofMartensite and Bainite,
Iron and Steel Inst. Spec. Rep. 93,165.
13. A. R. Entwisle: Met.Trans. 2 (1971), 2395.
14. S. R. Pati y M. Cohen: Acta Met., 17 (1969), 189.
15. C. 1. Magee: Phase Transforrnatíons. Ed. ASM (1970), 115.
97