Bainita Expo

Bainita

Alberto Gutiérrez César Anchondo Transiciones de fase itch Noviembre 2015

La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y  en su formación intervienen procesos de difusión. En  la  transformación  bainítica  y  de  acuerdo  con  Bhadeshia,  la  nucleación  tiene  lugar  con  difusión    de  carbono en condiciones de paraequilibrio. Al igual que en  la martensita, el cambio de forma hace que el mecanismo  de  crecimiento  de  la  ferrita  bainítica  sea  adifusional.  La  bainita  crece  en  forma  de  placas  delgadas  con  el  fin  de  minimizar la deformación asociada a los desplazamientos.

La transformación bainítica en aceros tiene  lugar  a  temperaturas  comprendidas  entre  la  transformación  de  ferrita  proeutectoide  (austenita)  y  perlita  y  la  transformación  martensítica.  En  aceros  de  alto  contenido  en  carbono  y  silicio,  la  transformación  bainítica  se  produce,  también,  entre  los  mismos  tipos  de  transformación  pero,  a  temperaturas  significativamente  inferiores

Antecedentes La Historia de la Bainita se remonta a finales de los años 1920,  en  el  transcurso  de  unos  estudios  sobre  la  transformación  isoterma  de  la  Austenita  a  temperaturas  superiores  a  la  Martensita,  fueron  la  base  para  que  Davenport  y  Bain  años  después  se  percataran  de  una  micro  estructura  de  forma  acicular oscura que era muy diferente a la Perlita o Martensita  observadas en el mismo acero.  En  un  principio  la  llamaron  micro  estructura  Martensita  ±  Troostita,  ya  que  consideraron  que  tenia  una  forma  martensítica  pero  templable,  esta  estructura  fue  objeto  de  numerosos  estudios  debido  a  sus  interesantes  propiedades  y  los estudios fueron publicados por Bain en1939.

Transformación Bainitica En el estudio de las transformaciones de fase que presentan las aleaciones Fe-C, se ha encontrado que a temperaturas intermedias entre las correspondientes a la formación de perlita y martensita, la austenita se descompone en un producto microestructuralmente diferente a las previamente mencionadas. Este fue llamado de diferentes formas hasta que  finalmente  se  generalizo  con  el  nombre  de  bainita,  en  honor  a  Bain,  quien  la  descubrió desarrollando sus trabajos en la construcción de diagramas TTT.

La transformación bainítica ha sido estudiada intensamente en las aleaciones Fe-C-Si, como  los  aceros  de  alto  silicio  y  las  fundiciones  nodulares,  donde  se  previene  inicialmente la precipitación de los carburos. Allí, la baja difusión de los átomos aleantes  sustituciones impide la transformación de la austenita en carburos, debido a que estos no  alcanzan su composición química de equilibrio, dada la insolubilidad del silicio en la fase  carburo. Así, el carbono difunde hacia la austenita aumentando su concentración en esa  fase. De esta manera la cinética de la reacción puede ser dividida en dos etapas: nucleación y  crecimiento  de  la  ferrita  bainitica,  y  descomposición  de  la  austenita  enriquecida  en  carbono.

El enriquecimiento en carbono genera estabilidad en la austenita con respecto a  la  transformación  austenita-ferrita,  produciendo  una  interrupción  temporal  de  la  reacción. Sin  embargo,  la  austenita  de  alto  carbono  no  es  estable  indefinidamente;  si  el  material  permanece  por  largo  tiempo  a  la  temperatura  de  tratamiento,  ocurre  la  descomposición de la austenita de alto carbono en ferrita y carburos

Etapas de transformación durante el austemperado.

Clasificación •La Bainita formada entre 350 y 550°C, se llama bainita superior o plumosa, en ella la cementita está en  forma de barras y no en placas. Estudios han mostrado que la ferrita y la Cementita nuclean  independientemente y que el elemento que controla el crecimiento de la Bainita superior es la difusión del  carbono en la Austenita.  •La Bainita formada por transformación isotérmica entre 250 y 350°C se conoce como Bainita inferior.  Debido a que la difusión del carbono es baja a esta temperatura, la Cementita precipita internamente en  las placas de ferrita. 

La bainita superior es más blanda y se observan con  formas arborescentes en láminas finas y dirigidas en  orientaciones preferentes dentro de cada nódulo La menor temperatura de tratamiento incide en la  morfología de la bainita superior en el sentido de afinar  los listones y mezclarla con aparición de trazas de bainita  inferior. La bainita inferior, es más duras y se identifica con  placas de ferrita con precipitados de carburos muy finos  con formas de hojas de cuchillo. Las hojas de los  carburos, cementita, están alineadas paralelamente pero  formando ángulos de 60° con los ejes de las placas de  ferrita. .

Microestructura La  microestructura  bainitica  se  caracteriza  por  la  formación  de  placas  o  listones  de  ferrita  supersaturada  con  carbono;  este  elemento, dependiendo de la temperatura de  transformación, se difunde hacia la austenita  residual  promoviendo  la  precipitación  de  carburos  (bainita  superior)  o  precipita  como  carburos dentro de la placa de ferrita (bainita  inferior).

La forma de los listones o las placas  está  dada  por  la  variación  de  las  tasas  de  crecimiento  de  sus  intercaras  con  la  temperatura  de  transformación.  Por  otro  lado,  la  menor  temperatura  de  reacción  lleva  a  una  disminución  en  la  difusión  del  carbono,  resultando  en  subunidades de menor tamaño.

Algunos  autores  obtuvieron  una  bainita  de  baja  temperatura  en  un  acero  de  mediana  aleación,  donde  el  espesor  de  placa  fue  32  nm  a  una  temperatura  de  transformación  de  200oC

La  bainita  puede  definirse  según  su  microestructura  como  el  producto  de  una  reacción  eutectoide  no  laminar, en oposición con la perlita la cual es producto  de  una  reacción  eutectoide  laminar.  Dado  que  la  transformación  se  realiza  a  menor  temperatura  que  la  perlítica,  la  bainita  pierde  la  característica  laminar  de  ésta  y  tiende  a  tomar  forma  de  agujas,  (en  una  vista  plana), en las cuales se entremezclan las fases: α+ Fe  3 C.

En la imagen se pueden apreciar las diferentes morfologías de la bainita, dependiendo del acomodo de las fases ferrita (blanco) y cementita (oscuro)

Cinética de la bainita La cinética de  formación de  la bainita tiene una curva en  forma  de  C,  en  un  diagrama  TTT  semejante  a  la  curva  típica de los procesos de transformación que ocurren por  nucleación  y  crecimiento,  con  un  periodo  de  incubación  bien definido antes del inicio de la formación de la bainita.  En los aceros al carbono ocurre un traslape significativo entre la parte inferior de la reacción perlıtica y la superior de la reacción bainıtica.

Una característica importante de  la reacción  bainıtica con relación a su fenómeno de reacción  incompleta, es la existencia de una temperatura bien definida por encima de la cual la austenita  no  transforma  en  bainita,  semejante  a  la  temperatura  MS  de  la  martensita.  Tal  temperatura,  denominada BS (Bainita start), es determinada por la composición química de la austenita. Esto implica que la fracción volumétrica de bainita formada aumenta con la disminución de la temperatura de tratamiento isotérmico. En  la  temperatura  de  fin  de  formación  de  bainita,  denominada  BF  (Bainita  finish),  la  microestructura  del  acero  es  totalmente  bainıtica;  sin  embargo,  se  han  reportado  excepciones  debido  a  las  condiciones  adversas  de  crecimiento  a  bajas  temperaturas  que  producen  una  disminución de la cantidad de bainita formada

En las temperaturas intermedias, entre BS y BF , siempre  existirá austenita residual la cual transformara con menor  velocidad después de un periodo de tiempo dado, el cual  generalmente  es  demasiado  grande  en  los  aceros.  Por  ejemplo,  algunos  autores  han  calculado  tiempos  para  finalizar  la  reacción  que,  para  un  acero  con  1%  de  carbono, 2% de silicio y 3% de manganeso, alcanzan los  10₉  segundos;  es  decir,  10  años.  Por  otra  parte,  en  las  fundiciones nodulares los tiempos para que transforme la  austenita  son  más  cortos,  pero  aumentan  con  la  adición  de aleantes

Propiedades Los aceros bainiticos son más duros y resistentes que los  perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de  partículas  diminutas  de Cementita en  una  matriz  ferrítica  por  este  motivo  exhiben  una  interesante  combinación  de  resistencia y ductilidad.

En  general,  en  términos  de  resistencia  a  la  fluencia,  la  bainita  presenta  un  mejor comportamiento que la perlita y la ferrita proeutectoide y es superada  por la martensita. Sin embargo, debido a que la martensita generalmente se  utiliza  en  estado  revenido,  estas  dos  microestructuras  pueden  ser  similares  con  respecto  a  la  resistencia  a  la  fluencia.  Aun  mas,  cuando  se  obtiene  bainita  de  baja  temperatura,  de  120ᵒC  a  200oC,  el  espesor  de  las  placas  llega  a  ser  tan  pequeño,  que  la  mezcla  de  esta  bainita  con  la  austenita  retenida puede proporcionar durezas de 600 HV

Con respecto a la ductilidad y a la energía al  impacto,  la  bainita  presenta  un  mejor  comportamiento con respecto a la perlita y a  la martensita revenida, gracias al tamaño de  las placas bainitica y al menor tamaño de los  carburos  que  presenta  con  respecto  a  la  martensita revenida

En la bainita hay que destacar que la inferior (baja temperatura en la fundición nodular) presenta una mayor tenacidad que la bainita superior (alta temperatura), a pesar de que también tiene una mayor resistencia a la fluencia. Esto puede ser atribuido al menor tamaño de los paquetes y de las placas, los  cuales tienen un cambio mayor en la orientación entre sus lımites, incrementando  el obstáculo tanto al movimiento de las dislocaciones como a la propagación de las  grietas

Método de obtención La  bainita  se  obtiene  a  través  de  un  proceso  conocido  como  austempering  que  es  un tratamiento  térmico que  se  aplica  al Acero.  Con  este  tratamiento  isotérmico  se  pretende  obtener  piezas  con  una  estructura  bainítica,  que  sean  duras  pero  no  extremadamente  frágiles.  Suele aplicarse  a  aceros  con  un  contenido  en carbono  alto.

El proceso consiste en: • Se calienta el acero a una temperatura dentro del rango de austenizacion (790-900c) • Se templa en un baño que se mantiene a una temperatura constante (entre 270-400c) • Se deja reposar el baño en un tiempo t los suficiente para obtener la transformación bainitica. • Se enfría hasta la temperatura ambiente en aire

En la figura a) se puede observar  una estructura con un 100% de  martensita, sin embargo en las  figuras b y c se puede apreciar el  inicio de la formación de la bainita  inferior (partes mas oscuras en la  micrografía)

Al amplificar la región donde aparece  la bainita, se puede apreciar que aun  existen regiones ocupadas por la fase  martensita, esto se debe a que en la  estructura existe austenita residual  que propicia a la creación de la fase  martensita incrementando las  propiedades mecánicas del material.

Aplicaciones La variedad de aceros bainíticos disponibles en el mercado, incluyen aceros bainíticos ultra-altos en  carbono  con  una  alta  soldabilidad,  aceros  de  muy  alta  resistencia  que  compiten  con  los  aceros  martensíticos  templados  y  revenidos,  aceros  resistentes  a  altas  temperaturas  usados  durante  décadas  en  las  centrares  nucleares,  aceros  forjados  mejores  que  los  martensíticos,  pues  requieren  mucho  menos  procesado,  aceros  inoculados  en  los  cuales,  la  bainita  nuclea  intraganularmente  produciéndose una microestructura caótica resistente a la propagación de grietas, etc. Los aceros de  muy  alta  resistencia  están  compuesto  de  una  mezcla  de  ferrita  bainítica,  martensita  y  austenita  retenida.  Su  templabilidad  puede  ser  mejorada  añadiendo  a  su  composición  manganeso,  cromo  y  níquel. 

Aceros  de  resistencia  media  con  la  misma  microestructura,  pero  algo  reducido  el  contenido  de  la  aleación, son utilizados en la industria del automóvil como barras de protección lateral. Otro avance  importante en dicha industria ha sido la aplicación de aceros bainíticos forjados en la fabricación de  componentes, tales como los ejes de dirección. 

Aceros  bainíticos  resistentes  a  altas  temperaturas  son  usados,  y  con  gran  éxito,  en  centrales  nucleares  desde  los  años  cuarenta.  Su  templabilidad  ha  de  ser  tal,  que  mediante  enfriamiento  continuo  debe  poder  generarse bainita en toda la sección de un componente de 1 m de diámetro. Estos aceros presentan cromo y  molibdeno,  los  cuales  facilitan  la  templabilidad  y  dan  lugar  por  precipitación  a  carburos  que  aumentan  la  resistencia a la deformación plástica a altas temperaturas.

Bibliografía Ingeniería y Ciencia, ISSN 1794-9165 Volumen 1, número 2, paginas 83-96, septiembre de 2005 http:// www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/spanish /bainitem.html https://es.wikipedia.org/wiki/Bainita http:// publicaciones.eafit.edu.co/index.php/ingci encia/article/view/497