Shewmon.

6-6.-Diagrmas TTT en aceros.

Cuando la austenita de composicin eutectoide es primero enfriada bajo la

temperatura eutectoide no pasa nada Al final la austenita se transforma en un

mezcla de ferrita y carburo como el diagrama de fases requiere, pero

inicialmente, nada sucede. Este es el punto ms importante para ser

comprendido en el estudio de la cintica de transformaciones, porque despus

que esto es firmemente establecido el estudio es preparado para hablar el

tiempo requerido para el comienzo de la transformacin y el tiempo requerido

para que se complete.

El tiempo requerido para la descomposicin de la austenita a varias

temperaturas bajo la lnea A1 es usualmente resumida en una figura como la

mostrada en la figura 6-23. Una serie de piezas de la misma aleacin son

primero mantenidas a una temperatura muy por arriba de A1 por un tiempo lo

suficientemente largo para completar la disolucin de los carburos y

homogeneizar la austenita. Las muestras son entonces rpidamente transferidos

a un bao de sal a una nueva temperatura bajo la A1. Luego de un tiempo a esta

nueva temperatura las muestras removidos y Despus de mucho tiempo a sta

nueva temperatura las muestras son removidas y templadas a la temperatura

del cuarto. Un estudio metalogrfico indica que el tiempo necesario para el

inicio de la descomposicin y el tiempo requerido para el fin de la

descomposicin a la temperatura del bao. Esos dos tiempos son graficados en

un grfico como el de la figura 6-23. Estudios a varias temperaturas permiten

trazar las curvas mostradas. sta es llamada una curva o diagrama TTT porque

relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformacin

isotrmica. A veces llamado diagrama IT (Transformacin Isotrmica) para

distinguirlo de un grfico similar para especmenes que son enfriados

continuamente.

Los diagramas TTT indican que a un pequeo sub enfilamiento T el tiempo

requerido para comenzar y finalizar la descomposicin es muy largo. Cuando el

T es incrementado, la velocidad de nucleacin y crecimiento de perlita

incrementa y los tiempos de comienzo y finalizacin de la transformacin

disminuyen.

Una rodilla o amplitud mnima de tiempo para el inicio la transformacin, y

final de la transformacin, es vista aproximadamente a 550C. Esto es

consistente con la observacin de un mximo en la velocidad de crecimiento de

la perlita en este rango de temperatura (Fig.6-18). La velocidad de nucleacin de

ferrita proeutectoide y carburo tambin pasan por un mximo a mayor T. Esto

puede ser visto notando que aunque la barrera de activacin G* disminuye

segn (T)-2, la frecuencia la cual con un desarrollo de la fluctuacin

disminuye exponencialmente con la temperatura ya que involucra la difusin

de tomos saliendo y entrando a los embriones. El producto exp(-G*/kT)

por lo tanto pasa a travs de un mximo.

Los fotogramas producto de la descomposicin formados a varias temperaturas

son mostradas en la Fig.6-23. A altas temperaturas, justo debajo de la A1, perlita

gruesa se forma. sta se vuelve ms fina con la disminucin de la temperatura.

En la rodilla y justo bajo ella, la vainita comienza a nuclear y crecer

rpidamente lo suficiente para transformar parte de la austenita antes que se

transforme a perlita. A temperaturas bien debajo de la rodilla la austenita se

transforma completamente a vainita, la transformacin perltica es demasiado

lenta para completarse.

SI la austenita es enfriada tan rpidamente para que no se transforme en perlita

o vainita en el enfriamiento, placas de una nueva fase llamada martensita se

forman en el enfriamiento bajo una temperatura crtica referida como Inicio de

Martensita o temperatura Ms. Esas placas tienen una forma similar a las placas

de bainita y son formadas por esfuerzo de cizalle. Sin embargo, una vez

nucleada la martensita las placas se propagan a travs de un grano dado a una

velocidad cercana a la del sonido. La transformacin martensitica transforma la

regin dada de austenita a ferrita de la misma composicin. Es decir, procede

sin alguna difusin de cualquier elemento sea intersticial o substitucional. La

cantidad de martensita formada depende solo de la temperatura, no del tiempo

al cual el espcimen es mantenido a esa temperatura. Si la temperatura es

continuamente disminuida, las placas de martensita continan nucleando y

creciendo con la disminucin de la temperatura hasta que esencialmente toda

la austenita es transformada a martensita. Esta temperatura bajo la cual no se

forma ms martensita es llamada temperatura fin de la martensita o Mf.

La martensita es bastante fuerte y dura, su dureza es proporcional al contenido

de carbono. El objetivo principal en el endurecimiento de aceros por

tratamiento trmico es templar la austenita para que se transforme en

martensita. La formacin y resistencia de la martensita es discutida con detalle

en el Captulo 8. Por ahora, sin embargo, pude ser considerada como ferrita

supersaturada formada por el esfuerzo de cizalle de finas plaquetas. Carburos

finos entonces precipitan y crecen, aliviando la supersaturacin de la ferrita y

contribuyendo substancialmente a la dureza.

La resistencia de las estructuras producidas transformando la austenita a uno

de los productos mostrados en la figura 6-23 pueden ser correlacionados con la

distancia media entre carburos. Como la temperatura de la transformacin es

disminuida desde la A1, las partculas son ms finas y el producto de la

transformacin es ms duro. Los aceros transformados adems se vuelven

fuertes excepto que a baja temperatura la bainita, y tal como se form

Martensita, se fractura de manera fcil y a una carga la cual debe ser

apreciablemente menor que la inferida de las altas durezas. La figura 6-23 da

datos mostrando la correlacin entre la dureza y la temperatura de

transformacin. El UTS de un acero tal (106 psi) puede ser aproximadamente

bastante bien dividiendo el numero de la dureza Brinell en 2, siempre y cuando

las fracturas del acero sean con cierta ductibilidad.

Efecto de los elemento de aleacin.

El primer propsito de agregar elemento de aleacin al acero es cambiar las

curvas TTT a tiempos ms largos. En los tratamientos trmicos esto permite que

el acero pueda ser enfriado ms lentamente y aun as mantener su estructura

austentica bajo la temperatura Ms. En una pieza de acero que es templada, la

velocidad de enfriamiento disminuye con la profundidad de la superficie. Por

lo tanto significa que el centro de la aleacin de una delgada pieza de austenita

puede ser enfriada bajo la Ms en un temple sin la transformacin anterior. La

fig. 6-25 muestra los diagramas TTT de varias aleaciones comunes con el mismo

contenido de carbono.

Para un contenido dado de carbono la dureza de un acero de un espaciado

inter-carburo dado es en gran parte independiente de la cantidad de elementos

de aleacin. Por lo tanto hay un amplio rango de de aleaciones diluidas con el

mismo contenido de carbono el cual da casi la misma dureza de temple en la

superficie. La profundidad de dureza vara con la aleacin. Los factores varios

que determinan cual aleacin seleccionar y como es tratada trmicamente son

parte de un importante y extenso campo el cual no ser tratado aqu. De la fig.

6-25 es aparente que varios elementos de aleacin, y combinacin de ellos,

puede tener un profundo efecto en la velocidad de nucleacin y crecimiento de

perlita y bainita. El efecto de varios elementos en la cintica de transformacin

de los aceros es ahora bien documentado, pero una detalla interpretacin de

esos efectos en trminos de sus efectos en las velocidades de nucleacin y

crecimiento es slo el principio.

En una forma simple, el efecto de los elementos de aleacin en el crecimiento

cintico es explicado a continuacin. Inicialmente los elementos de aleacin son

homogneamente distribuidos a travs de la austenita. Sin embargo, si el

equilibrio es alcanzado despus de la transformacin, algunos elementos de

aleacin estarn en altas concentraciones en los carburos o en la ferrita. El

particionamiento de esos elementos substitucionales requiere difusin en alto

rango aunque esos elementos difunden lentamente a las temperaturas de

transformacin. Si los elementos de aleacin se mantienen uniformemente

distribuidos en la perlita luego de la transformacin, la mezcla ferrita-carburo

no est en su nivel de energa libre ms bajo, estado particionado, pero es

metaestable. Este efecto ternario puede ser representado en un diagrama de

fases en el cual un diagrama particionado y uno no particionado son

superpuestos (Fig 6-26). A temperaturas debajo de A1 pero sobre la lnea

discontinua eutectoide Teut, la austenita puede descomponerse solo a ferrita

particionada y carburos. Abajo del eutctico discontinuo, puede descomponerse

a perlita no particionada. Si la austenita se descompone a ferrita + carburo en la

cual los elementos de aleacin tiene su equilibrio, una distribucin no

homognea, el G, es grande pero la transformacin puede proceder solo tan

rpido como los elementos substitucionales de aleacin difunden. SI la

austenita se descompone a ferrita + carburo en la cual los elemento de aleacin

estn en equilibrio metaestable, distribucin homognea, la energa libre

disponible para manejar la transformacin es marcadamente reducida.

6-7- Transformacin durante enfriamiento continuo.

En la seccin anterior, solo rpidos cambios de temperatura y las

transformaciones isotrmicas fueron considerados. Esto conduce a una

microestructura homognea y un diagrama TTT relativamente simple ya que el

efecto de un historial trmico variable no necesita ser considerado. Sin embargo,

en los tratamientos comerciales de aceros, la pieza casi siempre se transforma

mientras es enfriada continuamente. El porqu de esto es deseable considerar

un diagrama TTT para especmenes continuamente enfriados (un diagrama

CT). La figura 6-27 (a) muestra un diagrama CT y un diagrama IT superpuesto

de un acero hipoeutectoide.

Una primera aproximacin del diagrama obtenido en enfriamiento continuo es

el diagrama IT cambiado a bajas temperaturas y a largos tiempos. Este cambio

de la curva CT abajo y a la derecha puede ser explicada a continuacin. En un

espcimen mantenido a una temperatura constante, la transformacin comienza

luego de un cierto valor del producto, Nt=, es obtenido donde N es la

velocidad de nucleacin y t es el tiempo. En un ejemplo de enfriamiento

continuo, N aumenta con el descenso de la temperatura. Ya que N es muy baja

a pequeos subenfriamientos, ser requerido ms tiempo a bajas temperaturas

para alcanzar el producto Nt requerido, . Un argumento similar mantiene que

por el tiempo para completar la transformacin, depende de la temperatura de

la velocidad de crecimiento introducido como N. La figura 6-28 muestra una

serie de fotomicrografas de especmenes de un acero hipoeutectoide enfriado a

varias velocidades. El camino de tiempo-temperatura para cada uno es

mostrado en la figura 6-27b a lo largo con la dureza del producto de la

transformacin. Los valores exactos de la velocidad de enfriamiento son de

poca importancia aqu, pero varias micrografas proporcionan un buen

conjunto de ejemplos de transformaciones y morfologas discutidas hasta ahora.

Las varias fotos en la fig. 6-28 son organizadas segn la velocidad de

enfriamiento incrementndose de a a f. Lo siguiente debe ser notado en cada

una.

a. Este es el espcimen enfriado ms lento. El enfriamiento muy lento es indicado por la

perlita gruesa, las largas regiones de ferrita. Adems, sobre la mitad del espcimen es

ferrita como sera esperado en un acero con 3,8% C el cual fue enfriado lentamente lo

suficiente para dar esencialmente la proporcin de ferrita y perlita precipitada por el

diagrama de fases.

b. Algo ms rpidamente enfriada significa una temperatura de transformacin ms baja

y una alta dureza final. La ferrita y la perlita son ambas finas.

c. Aqu el volumen y fraccin de ferrita es claramente reducida y la ferrita describe los

bordes de grano austenticos anteriores. Alguna ferrita Widmanstatten adems

aparece.

d. En las fotografas anteriores toda la austenita transformada ya sea perlita o ferrita.

Aqu por primera vez es visto un apreciable aumento en la martensita remanente en el

centro de los granos. Ocasionalmente hay ferrita blanca describiendo los bordes de

grano de austenita, pero la mayor parte son colonias negras de perlita describiendo los

granos. La fase gris acicular proyectada dentro de los granos es bainita. Las largas

reas iluminadas son martensita formada de la austenita remanente cuando la regin

pasa a travs de la temperatura Ms.

e. La fase oscura alrededor de los bordes de grano es perlita. Hay alguna fina, iluminada

es ferrita W o bainita superior en los bordes de grano, as como ms fina, fase gris, la

bainita inferior extendindose bien dentro de varios granos. Notar que la dureza

incrementa rpidamente entre los especmenes aqu.

f. Este espcimen fue casi enfriado rpidamente lo suficiente para tener 100% martensita.

La perlita y bainita describen los bordes de grano como finas bandas. Alguna

estructura desarrollada dentro de los granos es debido a un ataque qumico

relativamente fuerte el cual muestra diferentes placas de martensita a travs de una

variacin del ataque con la orientacin de la red en cada placa.