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 com-paran 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 unmáximo a aproximadamente 80% de miutensita.En los tratamientos cíclicos la transformación ocurrió únicamente en elintervalo entre nitrógeno líquido y CO2 sólido. La transformación y ~ a' es acelerada por el tratamiento térmico cll::lito indiocando que durante el tiempo en que el material está a la temperatura más alta del ciclo, existe cierta movilidad atómica que per-mite quitar el anclaje de las interfases y - a acelerando así la reacción. Se observó que el tratamiento térmico cíclico producemayor cantidad de rnartensita que el tratamiento sub cero.

Austenite - Martensite Transformation by Cic1ycHeat Treatment

In the present work an alternativemethod to transform retained austenite ísstudied in a Fe-Ni-C alloy. The resultsare com-pare with those obtained using conventional methods. A linear relationship is found between the arnount of martensíte for-med and the quenching temperature. The change of electrical resistance vs. time was measured, observing that as the amountof 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' trans-formation is accelerated by cíclyc heat treatment. This indicates that during the time the material is at the higher temperatureof the cicle, there is some atomic mobility, unpinning they - a ínterfases, thus aeeelerating the reaction. The ciclyc heat treat-ment produced. A greater amount of martensite than the sub-cero treatment.

I. INTRODUCCION ros aleados y en aceros de alto contenidode carbono la cantidad llega a ser consi-derable.Entre los tratamientos térmicos con-

vencionales el de temple revenido es tal vezel más importante, debido a que permiteobtener la mejor combinación de propieda-des mecánicas.

Durante el temple, la fase estable de altatemperatura conocida como austenita (y) setransforma en una fase metaestable de altadureza denominada martensita (a') .. Losmecanismos de la transformación han sidodescritos en diferentes publicaciones [1, 2] Yno serán tratados en este. trabajo.

Después del temple, normalmentequeda cierta cantidad de austenita sin trans-formar (austenitaretenída), la cual juega unpapel primordial en el revenido.

La cantidad de austenita retenida está enfunción de la composición química de laaleación yde la temperatura de tratamiento.En aleaciones de bajo carbono la cantidad deaustenita no es grande; sin embargo, en ace-

Durante el calentamiento la austenita setransforma en bainita, y si la temperatura noes suficientemente alta para ello, se presentael fenómeno de "acondicionamiento", pormedio del cual la austenita, durante un en-frentamiento posterior se transformará enmás martensita. Cuando la cantidad de aus-tenita retenida es alta los cambios de volu-men asociados a dichas transformacionesprovocarán efectos nocivos, la estabilidaddimensional del material será baja y el riesgode fractura grande.

El presente trabajo describe breve-mente losmétodos empleados para transfor-mar la austenita retenida y los compara conresultados obtenidos empleando un posiblemétodo alternativo.

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u. ANTECEDENTESU.1. Transformación isotérmica

La transformación martensítica en aleacionesferrosas ocurre por tres diferentes tipos de cinética.

Los aceros cuya temperatura de inicio de trans-formación de martensita (Ms) ea.mayor de 100°C,generalmente se transforman siguiendo una cinétíca"atérmica". A temperatura constante, la transforma-ción cesa en tiempos muy cortos. Y la cantidad detransformación es esencialmente función de la tem-peratura.

En aleaciones con Ms inferior a la temperaturaambiente, se encuentran dos tipos de cinética adicio-nales [1] transformación explosiva y [2] transforma-ción iso térmica. La transformación explosiva ha sidodetectada en aleaciones fierro-níquel [3] y fierro-níquel-carbono.

Otras aleaciones en particular fierro-níquel-manganeso [5], muestran una cinética completa-mente isotérmica. Sin embargo, el caso que al mo-mento es de interés, es aquel en que se ha mostradoque la transformación íso térmica está asociada fre-cuentemente con la transformación atérmica y/oexplosiva [6], 10 cual implica que la reacción aus-tenita-martensita no cesa instantáneamente al sus-penderse el enfriamiento, y que en algunos casoshasta 5% de austenita se puede transformar isotérmi-camente [7].

La transformación iso térmica se inicia rápida-mente, pero continúa a velocidad decreciente ypuede durar meses.

U.2. Estabilizaaon térmica

La estabilización térmica de la austenita puededescribirse como una inhibición de la reacciónaustenita-martensita. Esto se observa cuando el en-friamiento es suspendido en el rango de transforma-ción y la aleación, parcialmente transformada seenvejece, ya sea la misma o mayor temperatura.

Al continuar el enfriamiento la transformaciónno vuelve a iniciarse de inmediato; para ello serequiere cierto sobreenfriamiento.

La cantidad de estabilización está en función deltiempo y la temperatura de envejecimiento.

Dos tipos de cinética de estabilización han sidodetectados uno cuando la temperatura de envejeci-miento es superior a 80°C, otro, a temperaturas tanbajas como - 60 °C [8].

Los mecanismos que controlan la estabilidad nohan sido aún determinados. A la fecha, el modelo que.parece más adecuado. es el desarrollado por Kinsmany Shyne [9]. Dicho modelo se basa en los trabajos deKnapp y Dehlinger [10] y Kauffman y Cohen[11], ypropone que la estabilización es debida a la inrnovili-

zación de la interfase entre Ía austenita y los núcleosde martensita. Esta inmovilización, es provocada porátomos intersticiales que anclan las dislocaciones dela ínterfase, e inhibe la creación de nuevos núcleos.

u.3. Tratamiento sub-cero

A pesar de que la temperatura de inicio de trans-formación de martensita es, generalmente bienconocídaIa temperatura donde la reacción termina(Mf) no lo es, y por lo general se encuentra a tempera-turas sub-cero. Por lo tanto, la cantidad de austenitaretenida disminuye a medida que la reacción avanza,o lo que es lo mismo, a medida que la temperaturadecrece. .

El tratamiento sub-cero consiste en transferir elmaterial a un baño, el cual se mantiene a una tempe-ratura determinada, en el intervalo de - 80 a 270°C(en CO2(s) - Helio (1»; La transferencia debe efectuarselo más rápidamente posible después del temple, paraevitar la estabilización de la austenita.

El método es adecuado desde el punto de vista detransformación; sin embargo, introduce esfuerzosinternos, debido al choque térmico y a los cambios devolumen, por lo que se requiere un buen control paraevitar agrietamíentos. Después del tratamiento esrecomendable efectuar un doble revenido para ho-mogeneizar la estructura.

UA. Tratamiento cíclico

Como se explicó anteriormente, cuando la tem-peratura de revenido no es suficientemente alta paraprovocar la transformación a bainita, la austenitaretenida se puede acondicionar para subsecuentetransformación a martensita.

Brook ha sugerido [12] que es posible acelerar latransforinación iso térmica a martensita por mediode tratamientos cíclicos.

El presente trabajo se inició con la idea de unirambos fenómenos, acondicionamiento de la auste-nita retenida y aceleración de la transformación iso-térmica, para obtener una posible transformaciónacelerada de la austenita a martensita.

III. EXPERIMENTACION

Se preparó una aleación fierro-níquel-carbono,fundiendo una carga integrada por fierro y níquelelectrolí ticos, así como ferro manganeso, en unhorno de inducción. alvacío, siendo el análisis quí-mico 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 calientehasta un diámetro de 6.35 mm. Después de la homo-

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geneización a 1.200 0(: durante 120 horas, las barrasfueron trefiladas en frío hasta 1.06 mm de diámetrocon recocidos internedios. En todos los casos ladeformación 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, con-c' juntamente con un adaptador de baja impedancia,<. por medio de mediciones de resistencia eléctrica en

muestras mantenidas isotérmicamente a tempe-ratura sub-cero en un crióstato especialmente di-señado.

Las muestras empleadas fueron trozos en formade alambre de 50;8 mm de longitud y 1.06 mm de diá-metro. Las terminales de medición, hechas de níquel"200", fueron soldadas a: la muestra y el conjuntomuestra-terminales fue sellado en cápsulas dé cuarzoa un vacío de 10- s mm de Hg.

El tratamiento térmico previo a las medicionesde resistencia fue dado a 1000 °C por una hora, se-guido de temple en agua. En este punto la microes-tructura consistía exclusivamente de austenita; lacual fue transformada adiferentes 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.

t¿ IV. RESULTADOS~~. IV. 1. Relación temperatura-% martensita

<'. Las muestras tratadas en la forma descrita en la~. sección anterior fueron templadas a diferentes tem-

peraturas sub-cero. Los resultados indicados en la~1'Tabla 1 muestran que la cantidad de transformación~~.está en relación lineal con la temperatura (grá-~ fica 1).'.'P.

~:l'~':l·~:IfitiIfI

100

.0

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·L---':_Z::-o----~.O----:-7,;IOOn----:';-I¡;;.O~---:j-I'¡¡;.O__:j-Z.OO

Sriifiul

TABLA I

RELACION ENTRE TEMPERATURADE TEMPLE Y% MARTENSITA

Temperatura °C %Martemita

o~ 3,0

a::'Cl

95

-42- 50-80-140-150-169- 169 (trat. cíclico)-196- 196 (trat. cíclico)

37.543.850.780.985.194.295·797.999.5

5,0

4,5

4,0

2,0

1,0

TIEMPO (mlO)

Gráfica 2

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IV. 2. Influencia de la cantidad de martensita en laresistencia eléctrica

La Tabla 1 muestra la cantidad de martensitaobtenida a diferentes temperaturas. La gráfica 2,muestra los cambios de resistencia eléctrica con res-:pecto al tiempo. A medida que la cantidad de marten-sita aumenta el cambio inicial de resistencia aumen-ta, hasta alcanzar un máximo, el cual se localizacuando la cantidad de martensita es aproximada-mente 80%. Con mayores cantidades de a' el au-mento de resistencia disminuye rápidamente ytiende a igualar la velocidad para las muestras tem-pladas en nitrógeno líquido.

IV. 3. Relación interfases-% martensita

La cantidad de interfases austenita-rnartensitaestán dadas en la Tabla Il,

TABLA Il

Relación interfasesINTERFASES (mni!/mn?)

% aumentode resistencia

AR%% martensita

% cc "

34.4± 753.6± 7

·64.0± 7166A± 12208.0± 15211.2± 16188:8± 9214.4±21

97.999.594.237.543.7,o.785.180.9

0.550.580.631.041.351.592.492.99

El número de interfases es al máximo a aproxi-madamente 80% de martensita, lo cual está en rela-ción directa al comportamiento .de la resistenciaeléctrica (gráfica 3).

200

0~------~---------2~--~--~3~

LlR(%)GrUlca. :3

IV. 4. Transformación isotérmica

jLa tr~nsformación isotérmica fue realizada a la1

temperatura del nitrógeno líquido, en muestras queconteman98% Q' y 2% de austenita retenida (yret).

Los resultados 'semuestran en lagráfica 4, notán-dose que hasta 1.5% de y retose transforma en a' pormedio-de este mecanismo. El tiempo para transfor-mar dicha cantidad fue mayor a tres semanas, sin quela reacción terminara, pues la transformación conti-nuó a una velocidad cada vez menor,

3

100 200 300 400 óOO 000 700 800 900 1000Tiempo (mml

IV. 5. Tratamiento cíclico

Se efectuaron diferentes tratamientos cíclicos.variando las temperaturas. El único int~rv~lo en ~lque ocurre la transformación es entre nítrogeno lí-quido y-C02 sólido. P~ra cada te~perat~ra fueronestudiados diferentes numeros de ciclos y tiempos. Elnúmero óptimo de ciclos fue de 5 y ~l tiempo de per-manencia a cada temperatura de cinco minutos.Mayor número de ciclos o mayores tiempos no pro-ducen díferencía alguna.

Con este tratamiento se obtuvo la misma canti-dad de transformación (1.5%), como se indica en laTablaIlI, pero en tiempos'1lluc~~ menores (50 minu-tos), como se muestra en la gráfica '.

TlE:MPO (MINJ

C>

n

No.d. CICLOS

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96 ;:''5

-: .-:.

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V. DISCUSION

El presente estudio ha confirmado que en ciertasaleaciones pueden estar asociados dos tipos de ciné-

,;.' tica de transformación austenita-martensita. Aun-que no ha sido desarrollada una explicación total-mente satisfactoria, las teorías más avanzadas permi-ten proponer una posible explicación.

TABLA III

NUMERO DE CICLOS - % DE MARTENSITA

Ciclo %Martensita

1 98.52 98.53 99.04 99.35 99.5

Elmodelo de nucleacíón desarrollado por Kauff-man y Cohen [11] indica que la influencia de elemen-tos de aleación en la temperatura de inicio de trans-formación por explosión("burst"), denominada Mb,solamente puede ser explicada si se asume un incre-mento en el tamaño de los nucleos a medida que ele-mentos como el níquel aumentan en la aleación.

Para aleaciones que se transforman isotérmica-mente, el problema de nucleación está definido, con-siderándose un tamaño de núcleo constante [13].

Por otro lado, Pati y Cohenl l-f] han indicadoque existe la misma diferencia, en cuanto a nuclea-ción, que en relación a la fuerza impulsora, la cual es-baja para la transformación explosiva, mientras quees alta para la transformación isotérmica, por lo quela formación explosiva o bien ocufnrá primero, obien tiene mayor posibilidad de ocurrir.

Magee [15] ha dado una posible explicación adichas diferencias, considerando dos comportamien-tos diferentes, uno a bajas temperaturas donde ladifusión de carbono es prácticamente cero, y otro atemperaturas donde existe cierta movilidad de losátomos de carbono.

Cuando existe movilidad, es posible que ocurraestabilización la cual, de acuerdo a los modelos deKinsman y Shyne [8], ocurre por la inmovilización dela interfase por átomos intersticiales.

En el presente estudio se ha observado que, enefecto, existe una relación entre la martensita y lasinterfases. Los átomos de carbono que anclan dichasinterfases, deberían producir un aumento en resistí-vidad eléctrica, el cual ha sido confirmado en este tra-bajo. Por otro lado, los mismos autores [9] han

determinado que, a temperatura menores de - 60°C,no existe estabilización, debido a la carencia de movi-lidad atómica.

La transformación iso térmica observada, puedeentonces ser debida a efectos de nucleación, los cua-les, a tan baja temperatura, deben proceder a unavelocidad muy baja, que se irá haciendo más lenta amedida que los sitios disponibles disminuyen.

El hecho de que la transformación r - 0" puedaser acelerada por tratamiento térmico cíclico, indicaque, durante el tiempo en que el material está a latemperatura más alta del ciclo, existe cierta movili-dad atómica que permite quitar el anclaje de las inter-fases y .... O' acelerando así la reacción. La tempe-ratura de tratamiento debe ser suficientemente baTacomo para no permitir estabilízacíón, la cual, en casode existir, no permitiría la subsecuente transforma-ción, o bien exigiría que la temperatura necesariafuera menor a la de nitrógeno líquido (- 196°C).

VI. CONCLUSIONES

1. Ha sido establecido que, por tratamientotérmico cíclico en un intervalo adecuado detemperatura, la transformación austenitaretenida martensita puede ser lograda enaleaciones Fe-Ni-C.

2. La transformación isotérmica a martensitaexiste, y puede ser acelerada considerable-mente por tratamiento térmico cíclico.

3. El tratamiento térmico cíclico producirámayor cantidad de martensita que el trata-miento sub-cero.

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