Bainita

La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a temperaturas de 125 a 550 °C (según el contenido de la aleación). Descrito por primera vez por E. S. Davenport y Edgar Bain, es uno de los productos que se pueden formar cuando la austenita (la estructura cristalina cúbica centrada en las caras del hierro) se enfría más allá de una temperatura en la que ya no es termodinámicamente estable con respecto a la ferrita, cementita, o ferrita y cementita. Davenport y Bain describieron originalmente la microestructura como similar en apariencia a la martensita templada.

Una estructura fina no laminar, la bainita comúnmente consiste en cementita y ferrita rica en dislocaciones. La gran densidad de dislocaciones en la ferrita presente en la bainita y el tamaño fino de las plaquetas de la bainita hacen que esta ferrita sea más dura de lo que sería normalmente.

El rango de temperatura para la transformación de austenita en bainita (125–550 °C) se encuentra entre la perlita y la martensita. De hecho, no existe un límite inferior fundamental para la temperatura de inicio de la bainita. Cuando se forma durante el enfriamiento continuo, la velocidad de enfriamiento para formar bainita es más rápida que la requerida para formar perlita, pero menos rápida que la requerida para formar martensita (en aceros de la misma composición). La mayoría de los elementos de aleación retardarán la formación de bainita, aunque el carbono es el más efectivo para hacerlo. El aluminio o el cobalto son excepciones, ya que pueden acelerar la descomposición de la austenita y elevar la temperatura de transformación.

Las microestructuras de la martensita y la bainita a primera vista parecen bastante similares y consisten en placas delgadas que se agrupan en aceros de baja aleación. Esto es consecuencia de que las dos microestructuras comparten muchos aspectos de sus mecanismos de transformación. Sin embargo, existen diferencias morfológicas que requieren un microscopio electrónico de transmisión para ver. Bajo un microscopio óptico, la microestructura de la bainita parece más oscura que la martensita no templada porque la bainita tiene más subestructura.

La dureza de la bainita puede estar entre la perlita y la martensita sin templar en la misma dureza del acero. El hecho de que se pueda producir durante el enfriamiento isotérmico o continuo es una gran ventaja, porque esto facilita la producción de componentes grandes sin adiciones excesivas de elementos de aleación. A diferencia de los aceros martensíticos, las aleaciones basadas en bainita a menudo no necesitan un tratamiento térmico adicional después de la transformación para optimizar la resistencia y la tenacidad.

Historia

En la década de 1920 Davenport y Bain descubrieron una nueva microestructura de acero a la que provisionalmente denominaron martensita-troostita, por ser intermedia entre la ya conocida fase martensita de baja temperatura y lo que entonces se conocía como troostita (ahora perlita fina). Esta microestructura fue posteriormente nombrada bainita por los colegas de Bain en la United States Steel Corporation, aunque tomó algún tiempo para que la comunidad científica retomara el nombre con libros que datan de 1947 sin mencionar la bainita por su nombre. Bain y Davenport también notaron la existencia de dos formas distintas: 'rango superior' bainita que se formó a temperaturas más altas y de 'rango más bajo' bainita que se formó cerca de la temperatura inicial de martensita (estas formas ahora se conocen como bainita superior e inferior respectivamente). La terminología inicial se confundió aún más por la superposición, en algunas aleaciones, del rango inferior de la reacción de perlita y el rango superior de la bainita con la posibilidad adicional de ferrita proeutectoide.

Formación

Por encima de aproximadamente 900 °C, un acero bajo en carbono típico se compone completamente de austenita, una fase de hierro de alta temperatura que tiene una estructura cristalina cúbica compacta. Al enfriarse, tiende a transformarse en una mezcla de fases, ferrita y cementita, dependiendo de la composición química exacta. Un acero de composición eutectoide se transformará en condiciones de equilibrio en perlita, una mezcla intercalada de ferrita y cementita (Fe3C). Además de las consideraciones termodinámicas indicadas por el diagrama de fase, las transformaciones de fase en el acero están fuertemente influenciadas por la cinética química. Esto se debe a que la difusión de los átomos de hierro se vuelve difícil por debajo de los 600 °C en condiciones de procesamiento típicas. Como consecuencia, se produce una serie compleja de microestructuras cuando la movilidad atómica es limitada. Esto conduce a la complejidad de las microestructuras de acero que están fuertemente influenciadas por la velocidad de enfriamiento. Esto se puede ilustrar mediante un diagrama de transformación de enfriamiento continuo (CCT, por sus siglas en inglés) que traza el tiempo requerido para formar una fase cuando una muestra se enfría a una velocidad específica, mostrando así regiones en el espacio de tiempo y temperatura a partir de las cuales se pueden deducir las fracciones de fase esperadas para una muestra. ciclo térmico dado.

Si el acero se enfría lentamente o se transforma isotérmicamente a temperaturas elevadas, la microestructura obtenida estará más cerca del equilibrio, conteniendo, por ejemplo, ferrita alotriomórfica, cementita y perlita. Sin embargo, la transformación de austenita a perlita es una reacción reconstructiva dependiente del tiempo que requiere el movimiento a gran escala de los átomos de hierro y carbono. Mientras que el carbono intersticial se difunde rápidamente incluso a temperaturas moderadas, la autodifusión del hierro se vuelve extremadamente lenta a temperaturas inferiores a 600 °C hasta que, a todos los efectos prácticos, se detiene. Como consecuencia, un acero enfriado rápidamente puede alcanzar una temperatura en la que ya no se puede formar perlita a pesar de que la reacción es incompleta y la austenita restante es termodinámicamente inestable.

La austenita que se enfría lo suficientemente rápido para evitar transformaciones a temperaturas más altas, puede formar martensita, sin ninguna difusión de hierro o carbono, por la deformación de la estructura cristalina centrada en la cara de la austenita en una tetragonal distorsionada centrada en el cuerpo. o estructura cúbica centrada en el cuerpo. Esta fase de no equilibrio solo puede formarse a bajas temperaturas, donde la fuerza impulsora de la reacción es suficiente para superar la considerable tensión de red impuesta por la transformación. La transformación es esencialmente independiente del tiempo y la fracción de fase depende únicamente del grado de enfriamiento por debajo de la temperatura crítica de inicio de la martensita. Además, ocurre sin la difusión de átomos de sustitución o intersticiales, por lo que la martensita hereda la composición de la austenita original.

La bainita ocupa una región entre estos dos procesos en un rango de temperatura donde la autodifusión del hierro es limitada pero no hay suficiente fuerza impulsora para formar martensita. La bainita, como la martensita, crece sin difusión, pero parte del carbono luego se reparte en cualquier austenita residual o precipita como cementita. A menudo se hace una distinción adicional entre la llamada bainita inferior, que se forma a temperaturas más cercanas a la temperatura de inicio de la martensita, y la bainita superior que se forma a temperaturas más altas. Esta distinción surge de las velocidades de difusión del carbono a la temperatura a la que se forma la bainita. Si la temperatura es alta, el carbono se difundirá rápidamente alejándose de la ferrita recién formada y formará carburos en la austenita residual enriquecida en carbono entre las placas ferríticas, dejándolas libres de carburos. A bajas temperaturas, el carbono se difundirá más lentamente y puede precipitar antes de que pueda salir de la ferrita bainítica. Existe cierta controversia sobre los detalles del mecanismo de transformación de la bainita; ambas teorías se representan a continuación.

Teoría desplazativa

Una de las teorías sobre el mecanismo de formación específico de la bainita es que se produce por una transformación de cizalla, como en la martensita. El cambio de estructura cristalina se logra por deformación más que por difusión. El cambio de forma asociado con la bainita es una deformación plana invariante con un gran componente de corte. Este tipo de deformación implica un movimiento disciplinado de los átomos (en lugar de una transferencia caótica asociada con la difusión) y es típica de todas las transformaciones por desplazamiento en aceros, por ejemplo, martensita, bainita y ferrita de Widmanstaetten. Hay una energía de deformación asociada con dicho relieve, que conduce a la forma de placa del producto de transformación. Cualquier difusión es posterior a la transformación sin difusión de la austenita, por ejemplo, la partición del carbono de la ferrita bainítica sobresaturada o la precipitación de carburos; esto es análogo al revenido de martensita.

Hay muchas características de la bainita que esta teoría predice correctamente, entre ellas:

• la forma de la placa, que es consecuencia de la minimización de la energía de la cepa debido a la deformación de la forma que acompaña la transformación.
• El hecho de que el exceso de carbono se retenga dentro de las regiones incluso libres de defectos de ferrite bainitico.
• El hecho de que la célula unidad de ferrite bainitico puede ser tetragonal en lugar de cúbico.
• El hecho de que la transformación bainita pueda ser dramáticamente retardada cuando el austenito es primero deformado plásticamente, un fenómeno conocido como estabilización mecánica, que es único para las transformaciones displacivas.
• El hecho obvio de que los desplazamientos ocurren cuando el bainito crece. La transformación es una combinación de deformación y cambio de estructura de cristal, como martensita.

Teoría difusiva

La teoría difusiva del proceso de transformación de la bainita se basa en la suposición de que una placa de ferrita bainítica crece con un mecanismo similar al de la ferrita de Widmanstätten a temperaturas más altas. Por lo tanto, su tasa de crecimiento depende de la rapidez con la que el carbono puede difundirse desde la ferrita en crecimiento hacia la austenita. Un error común es que este mecanismo excluye la posibilidad de interfaces coherentes y un relieve superficial. De hecho, algunos aceptan que la formación de ferrita de Widmanstätten está controlada por la difusión de carbono y muestra un relieve superficial similar.

Morfología

Por lo general, la bainita se manifiesta como agregados, denominados gavillas, de placas de ferrita (subunidades) separadas por austenita, martensita o cementita retenidas. Si bien las subunidades parecen separadas cuando se ven en una sección bidimensional, de hecho están interconectadas en 3 dimensiones y generalmente adoptan una morfología de placa lenticular o listón. Las propias poleas tienen forma de cuña con el extremo más grueso asociado con el sitio de nucleación.

Se encuentra que el espesor de las placas ferríticas aumenta con la temperatura de transformación. Los modelos de redes neuronales han indicado que esto no es un efecto directo de la temperatura en sí, sino más bien el resultado de la dependencia de la temperatura de la fuerza impulsora de la reacción y la resistencia de la austenita que rodea las placas. A temperaturas más altas y, por lo tanto, un subenfriamiento más bajo, la fuerza impulsora termodinámica reducida provoca una disminución en la tasa de nucleación que permite que las placas individuales crezcan antes de que choquen físicamente entre sí. Además, el crecimiento de las placas debe adaptarse al flujo plástico en la austenita circundante, lo cual es difícil si la austenita es fuerte y resiste el crecimiento de la placa.

Bainita superior

"Bainita superior" se forma alrededor de 400–550 °C en gavillas. Estas poleas contienen varios listones de ferrita que son aproximadamente paralelos entre sí y que exhiben una relación Kurdjumov-Sachs con la austenita circundante, aunque esta relación se degrada a medida que baja la temperatura de transformación. La ferrita de estas poleas tiene una concentración de carbono inferior al 0,03 %, lo que da como resultado una austenita rica en carbono alrededor de los listones.

La cantidad de cementita que se forma entre los listones se basa en el contenido de carbono del acero. Para un acero con bajo contenido de carbono, normalmente se utilizan "larguerillos" discontinuos. o pequeñas partículas de cementita estarán presentes entre los listones. Para acero con un mayor contenido de carbono, los largueros se vuelven continuos a lo largo de los listones adyacentes.

Bainita inferior

La bainita inferior se forma entre 250 y 400 °C y adopta una forma más parecida a una placa que la bainita superior. No hay tantos límites de ángulo bajo entre listones en bainita inferior. En la bainita inferior, el plano del hábito en la ferrita también cambiará de <111> hacia <110> a medida que disminuye la temperatura de transformación. En la bainita inferior, la cementita se nuclea en la interfase entre la ferrita y la austenita.

Transformación incompleta

En el contexto actual, "transformación incompleta" se refiere al hecho de que en ausencia de precipitación de carburos, la reacción de bainita se detiene mucho antes de que la austenita alcance su composición química de equilibrio o paraequilibrio. Se detiene en el punto donde las energías libres de la austenita y la ferrita de composición idéntica se vuelven iguales, es decir, la transformación sin un cambio en la composición química de las fases participantes se vuelve termodinámicamente imposible.

Las primeras investigaciones sobre la bainita encontraron que, a una temperatura determinada, solo una determinada fracción de volumen de la austenita se transformaría en bainita y el resto se descompondría en perlita después de un retraso prolongado. Este fue el caso a pesar del hecho de que se podía lograr una transformación completa de austenita a perlita a temperaturas más altas donde la austenita era más estable. La fracción de bainita que se podía formar aumentaba a medida que disminuía la temperatura. En última instancia, esto se explicó al tener en cuenta el hecho de que cuando se formaba la ferrita bainítica, el carbono sobresaturado se expulsaba a la austenita circundante, lo que la estabilizaba termodinámicamente contra una mayor transformación.

Diferencia entre martensita y bainita

La bainita se puede considerar esencialmente como martensita que se templa durante el curso de la transformación. Se forma a una temperatura más alta que la martensita, e incluso esta última puede autotemplarse. Debido a que la temperatura de transformación es más alta, la austenita en sí es mecánicamente débil, por lo que la deformación de la forma debida a la bainita se relaja por la deformación plástica de la austenita adyacente. Como consecuencia, la placa de bainita en crecimiento se enfrenta a un bosque de dislocaciones que eventualmente termina su crecimiento incluso antes de que la placa haya tocado un límite de grano austenítico. Por lo tanto, las placas de bainita pueden ser más pequeñas que las de martensita en el mismo acero. Luego, la transformación procede mediante un mecanismo de subunidades que implica la nucleación sucesiva de nuevas placas.

Aplicaciones

Con el aumento del contenido de bainita en el acero, la dureza, el rendimiento y la resistencia a la tracción permanecen casi constantes para un contenido de bainita de hasta el 50 % y luego aumentan aprox. 30%. Por lo tanto, Rolls-Royce Holdings y Tata Steel han producido comercialmente en masa ejes y placas de acero con alto contenido de bainita del tamaño de un metro.