Bainita

Alberto GutiérrezCésar AnchondoTransiciones de faseitchNoviembre 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.

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

Transformación Bainitica

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.

•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.

Clasificación

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 bainitaLa 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

PropiedadesLos 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 fundiciónnodular) presenta una mayor tenacidad que la bainita superior (alta temperatura), apesar 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 obtenciónLa 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.

BibliografíaIngeniería y Ciencia, ISSN 1794-9165Volumen 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/ingciencia/article/view/497