Introducción

Durante el proceso de temple, ocurre el fenómeno de transformación martensítica. Este cambio de fase es de los más importantes y cruciales para una microestructura que permita obtener propiedades mecánicas mejoradas, sin embargo, uno de los más complicados en controlar. Durante este proceso de enfriamiento y transformación, suelen ocurrir problemas que afecten el desempeño en servicio del componente tratado, tales como: deformaciones, agrietamiento, fracturas o una transformación incompleta. Conocer y comprender los cambios que ocurren en la microestructura durante el enfriamiento nos ayudará a evitar los problemas antes mencionados, asegurando así obtener las mejores propiedades en nuestro acero.

¿Qué es el temple y en qué consiste?

Para aumentar la dureza o propiedades mecánicas como la resistencia a la tensión y el límite de cedencia, el temple se lleva a cabo con la finalidad de obtener una estructura, la mayoría de las veces, martensítica.

El proceso de temple consiste en un enfriamiento rápido (usando un medio de enfriamiento como agua, polímero, sales, aceite o aire forzado) de un metal, posterior a un tratamiento de austenizado (ver Figura 1). El objetivo principal del temple es lograr un enfriamiento lo suficientemente rápido como para alcanzar la transformación de fases deseada; en algunas ocasiones se busca obtener bainita, pero la mayoría de las veces se persigue la transformación martensítica.

La función básica del temple es controlar la velocidad de transferencia de calor desde la superficie de la pieza que se está templando. La velocidad de extracción de calor generada por el medio de enfriamiento afecta directamente el proceso de transformación martensítica.  

Fundamentos de la transformación martensítica

La martensita es una fase del acero que se obtiene mediante el proceso de temple. Para lograr un buen comportamiento mecánico, es necesario considerar cuidadosamente la proporción de esta fase.

La martensita es una fase muy dura y frágil, en la cual el carbono que estaba en solución sólida en la austenita permanece en solución en esta nueva fase. Es decir, se trata de una transformación de fase que no implica difusión. Esto ocurre ya que la velocidad de avance de la interfase es mayor a la capacidad del carbono para difundirse. A este tipo de martensita se le denomina martensita atérmica, y su fracción depende de la temperatura, siendo independiente del tiempo.

Cinética de la transformación martensítica

El proceso da inicio cuando un acero de baja aleación es enfriado hasta la temperatura de inicio de transformación martensítica (Ms) a una alta velocidad, y dicha transformación se detiene una vez alcanzada la temperatura final de transformación martensítica (Mf). Es importante considerar que la cantidad de fase no aumenta al prolongar el tiempo de mantenimiento isotérmico, sino al disminuir la temperatura. La razón por la que el enfriamiento por debajo de la Ms debe ser suficiente es que los sitios fáciles de nucleación se activan primero en caso de un pequeño subenfriamiento.

Una vez que se produce el cambio de fase, se considera que el carbono está atrapado dentro de la martensita, lo que significa que su potencial químico aumenta al transferirse a través de la interfaz. A diferencia de la ferrita o la perlita, la martensita se forma por una deformación de la red austenítica sin ninguna difusión de átomos. Esta deformación provoca un cambio notable en la región transformada, que consiste en un gran esfuerzo cortante y una expansión de volumen unidireccional. Cuando la formación martensítica está restringida por su entorno, adopta una forma en tipo de placas delgadas o listones, con la finalidad de minimizar la energía de deformación.

A lo largo de los años se han desarrollado diferentes modelos que explican la transformación martensítica. El modelo que se ha aplicado con mayor frecuencia es el propuesto por Koistinen y Marburger, el cual describe el progreso de transformación mediante la siguiente ecuación:

Donde: 

f=La fracción de martensita transformada
Ms=Temperatura inicial de transformación martensítica
T= Temperatura del temple
a= constante (0.011)

Con esta ecuación se demuestra que la transformación depende únicamente de la temperatura y no del tiempo. Para la mayoría de los aceros cuya temperatura Ms está muy por encima de la temperatura ambiente, la cinética de transformación parece independiente del tiempo y sigue la ecuación mostrada anteriormente (1), de la cual es evidente que parte de la austenita permanece sin transformar. A esto se le conoce como austenita retenida. También se puede observar que en la ecuación no se incluye la temperatura Mf (temperatura final de martensita), pero esta se define como el punto en el que se completa el 95% de la transformación martensítica.

La martensita, así como todas las demás fases que evolucionan a partir de la austenita, es una transformación de primer orden que consiste en nucleación y crecimiento. Ambos procesos requieren activación térmica. La energía de activación es pequeña porque no se requiere difusión durante la transformación martensítica. Además, la estructura interfacial favorece un deslizamiento fácil; con suficiente coherencia interfacial para permitir el movimiento conservativo de los átomos, no se necesita difusión.

Sin embargo, el hecho de que se requiera activación térmica para superar las pequeñas barreras significa que existe una dependencia temporal de la transformación que puede detectarse fácilmente si esta ocurre a temperaturas criogénicas.

Transformación martensítica criogénica: modelos y evidencias experimentales

Existe evidencia sobre alternativas al mecanismo tradicional de transformación martensítica. Una de ellas fue presentada por K. Ullakko y M. Nieminen en su artículo: “Prevention of martensitic transformation during rapid cooling”, donde se estudió un acero Fe-0.05C-23.6Ni-3.3Mn-0.2C wt% enfriado rápidamente hasta los 4 Kelvin. Este enfriamiento abrupto provocó que el acero se mantuviera en fase austenítica, confirmando que, a velocidades de enfriamiento muy altas, no existe el tiempo suficiente para que ocurra la nucleación martensítica, y que a temperaturas extremadamente bajas, la nucleación de la martensita no es cinéticamente posible.

Por otra parte, cuando el material fue calentado lentamente, se comenzó a observar la transformación aproximadamente a 88 K. Cuando la temperatura del material volvía a disminuir, la tasa de transformación también descendía.

Efecto de los elementos de aleación en la transformación martensítica

La mayoría de los elementos que se encuentran en solución sólida en la austenita provocan que las temperaturas Ms disminuyan, a excepción del Co y Al. Por otra parte, los elementos intersticiales como el carbono y el nitrógeno tienen un mayor efecto que los elementos metálicos. En los siguientes histogramas podemos observar que existe una variación entre las temperaturas de transformación martensítica con todas las posibles combinaciones para el mismo grado de acero 4340

Tabla 1. Composición química estándar de un acero grado 4340

Figura 2. Histograma de rango de temperatura a)Ms y b)M99 (Mf) para acero 4340 dentro del rango de especificación, generadas con Thermo-Calc software

Conclusión

La transformación martensítica es un fenómeno fundamental en el tratamiento térmico de los aceros, cuya correcta comprensión es clave para diseñar procesos que optimicen las propiedades mecánicas de los componentes. A diferencia de otras transformaciones difusionales, la martensita se forma por un mecanismo de transformación sin difusión, lo cual le confiere características únicas en términos de velocidad, morfología y efectos dimensionales. Sin embargo, esta misma naturaleza implica desafíos importantes en su control, tales como deformaciones, agrietamiento y la presencia de austenita retenida.

Finalmente, el efecto de los elementos de aleación sobre las temperaturas Ms y Mf destaca la necesidad de un diseño cuidadoso de la composición química de los aceros, especialmente cuando se busca un equilibrio entre dureza, tenacidad y estabilidad dimensional. Comprender todos estos aspectos permite al ingeniero metalúrgico tomar decisiones fundamentadas en el desarrollo de tratamientos térmicos más eficientes, seguros y adaptados a las exigencias de servicio de cada componente.

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Referencias:

• Koistinen, D. P., & Marburger, R. E. (1959). A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels. Acta Metallurgica, 7(1), 59–60. https://doi.org/10.1016/0001-6160(59)90170-1
• Ullakko, K., Nieminen, M., & Pietikäinen, V. (1991). Prevention of martensitic transformation during rapid cooling. Scripta Metallurgica et Materialia, 25(6), 1329–1334. https://doi.org/10.1016/0956-716X(91)90297-L
• Bhadeshia, H. K. D. H. (2001). Steels: Microstructure and properties (2nd ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann.
• Kurdjumov, G. V., & Maksimova, L. N. (1960). Time dependence of the martensitic transformation in high-nickel steels. Physics of Metals and Metallography, 9(1), 92–95.
  (Disponible en traducción desde revistas soviéticas; referencia histórica sobre transformación martensítica isotérmica.)
• Lee, S. J., & Van Tyne, C. J. (2011). Empirical equations to predict the start temperature of martensitic transformation in steels. Materials Science and Engineering: A, 528(3), 1392–1396. https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.10.077
• Wayman, C. M. (1964). Introduction to the crystallography of martensitic transformations. New York: Macmillan.