La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe3C). Por tanto, es producto de una transformación sin difusión . Cualquier difusión da como resultado la formación de fases de ferrita y cementita. Lleva el nombre del metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914).
A diferencia de la descomposición isotérmica de los componentes de fase por difusión, la martensita no es una fase asociada con el equilibrio térmico. Por tanto, no aparece en el diagrama de fase de equilibrio hierro-carbono. Puede considerarse como un producto de transformación que es competitivo con la perlita y la bainita.
La microestructura de la martensita en los aceros tiene diferentes morfologías y puede aparecer como martensita de listones o martensita de placa. Para el acero con 0-0,6% de carbono, la martensita tiene la apariencia de una malla y se llama martensita de malla . Para acero con más del 1% de carbono, formará una estructura en forma de placa llamada martensita de placa . La placa de martensita, como su nombre indica, se forma como cristales lenticulares (en forma de lente) con un patrón en zigzag de placas más pequeñas. Entre esos dos porcentajes, la apariencia física de los granos es una mezcla de los dos. La fuerza de la martensita se reduce a medida que aumenta la cantidad de austenita retenida.
Transformación martensítica
El endurecimiento por transformación, también conocido como endurecimiento por transformación martensítica, es uno de los métodos más comunes de endurecimiento, que se utiliza principalmente para aceros (es decir, aceros al carbono y aceros inoxidables). Sin embargo, la transformación martensítica no es exclusiva de las aleaciones de hierro y carbono. Se encuentra en otros sistemas y se caracteriza, en parte, por la transformación sin difusión.
Los aceros martensíticos utilizan predominantemente niveles más altos de C y Mn junto con tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto terminado tendrá una microestructura dúplex de ferrita con niveles variables de martensita degenerada. Esto permite diferentes niveles de fuerza. En metalurgia, el temple se usa más comúnmente para endurecer el acero mediante la introducción de martensita. Existe un equilibrio entre dureza y tenacidad en cualquier acero; cuanto más duro es el acero, menos tenaz o resistente a los impactos es, y cuanto más resistente a los impactos, menos duro es.
La martensita se produce a partir de austenita como resultado del enfriamiento rápido u otra forma de enfriamiento rápido. La austenita en las aleaciones de hierro y carbono generalmente solo está presente por encima de la temperatura eutectoide crítica (723°C) y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. En el caso de velocidades de enfriamiento normales, a medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja ferrita pobre en carbono. Dependiendo de la composición de la aleación, se puede formar una capa de ferrita y cementita, llamada perlita. Pero en caso de enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse y se transforma en una forma tetragonal centrada en el cuerpo muy tensa llamada martensita que está sobresaturada con carbono. Todos los átomos de carbono permanecen como impurezas intersticiales en la martensita.
Martensita templada
La capacidad relativa de una aleación ferrosa para formar martensita se denomina templabilidad. La templabilidad se mide comúnmente como la distancia debajo de una superficie templada a la que el metal exhibe una dureza específica de 50 HRC, por ejemplo, o un porcentaje específico de martensita en la microestructura. La dureza más alta de un acero perlítico es de 43 HRC, mientras que la martensita puede alcanzar 72 HRC. Martensita frescaes muy frágil si el contenido de carbono es superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. Es tan frágil que no se puede utilizar para la mayoría de las aplicaciones. Esta fragilidad se puede eliminar (con cierta pérdida de dureza) si el acero templado se calienta ligeramente en un proceso conocido como templado. El revenido se logra calentando un acero martensítico a una temperatura por debajo del eutectoide durante un período de tiempo específico (por ejemplo, entre 250°C y 650°C).
Este tratamiento térmico de templado permite, mediante procesos de difusión, la formación de martensita templada, según la reacción:
martensita (BCT, monofásica) → martensita templada ( fases ferrita + Fe3C)
donde la martensita BCT monofásica, que está sobresaturada con carbono, se transforma en la martensita templada , compuesta por las fases estables de ferrita y cementita. Su microestructura es similar a la microestructura de la esferidita, pero en este caso la martensita templada contiene partículas de cementita extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas incrustadas dentro de una matriz de ferrita continua. La martensita templada puede ser casi tan dura y fuerte como la martensita pero con una ductilidad y dureza sustancialmente mejoradas.
Acero inoxidable martensítico
Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en que se basan en cromo, pero tienen niveles de carbono más altos hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos con bajo contenido de carbono y alto contenido de carbono. Contienen de 12 a 14% de cromo, de 0,2 a 1% de molibdeno y ninguna cantidad significativa de níquel. Cantidades más altas de carbono les permiten endurecerse y revenido de forma muy similar a como ocurre con los aceros al carbono y de baja aleación. Tienen una resistencia a la corrosión moderada , pero se consideran duros, fuertes y ligeramente quebradizos . Son magnéticosy pueden probarse de forma no destructiva mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un acero inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene de 16 a 18% de cromo y de 0,95 a 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cubiertos, rodamientos de bolas y pistas, moldes y matrices, cuchillos.
Como se escribió, los aceros inoxidables martensíticos se pueden endurecer y templar a través de múltiples formas de envejecimiento / tratamiento térmico : Los mecanismos metalúrgicos responsables de las transformaciones martensíticas que tienen lugar en estas aleaciones inoxidables durante la austenización y el temple son esencialmente los mismos que se utilizan para Endurecer aceros aleados y al carbono con menor contenido de aleación. El tratamiento térmico generalmente consta de tres pasos:
- Austenitización, en la que el acero se calienta a una temperatura en el rango de 980 – 1050°C dependiendo de los grados. La austenita es una fase cúbica centrada en las caras.
- Temple. Después de la austenización, los aceros deben templarse. Las aleaciones de acero inoxidable martensítico se pueden enfriar usando aire en reposo, vacío de presión positiva o enfriamiento con aceite interrumpido. La austenita se transforma en martensita, una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo duro. La martensita es muy dura y demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones.
- Templado, es decir, calentamiento a alrededor de 500°C, mantenimiento a temperatura, luego enfriamiento por aire. El aumento de la temperatura de revenido disminuye el límite elástico y la resistencia máxima a la tracción, pero aumenta el alargamiento y la resistencia al impacto.
La resistencia de los aceros inoxidables a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la pasivación. Para que se produzca la pasivación y permanezca estable, la aleación Fe-Cr debe tener un contenido mínimo de cromo de aproximadamente 10,5% en peso, por encima del cual puede producirse pasividad y por debajo del cual es imposible. El cromo se puede utilizar como elemento de endurecimiento y se utiliza con frecuencia con un elemento de endurecimiento como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.
Resistencia a la tracción
La máxima resistencia a la tracción del acero inoxidable martensítico : el grado 440C es de 760 MPa.
Dureza
La dureza Brinell del acero inoxidable martensítico – Grado 440C es de aproximadamente 270 MPa.
Otras Fases Comunes en Aceros y Hierros
El tratamiento térmico de aceros requiere una comprensión tanto de las fases de equilibrio como de las fases metaestables que ocurren durante el calentamiento y / o enfriamiento. Para los aceros, las fases de equilibrio estable incluyen:
- Ferrita . La ferrita o α-ferrita es una fase de estructura cúbica de hierro centrada en el cuerpo que existe por debajo de temperaturas de 912°C para bajas concentraciones de carbono en el hierro. La α-ferrita solo puede disolver hasta un 0,02 por ciento de carbono a 727°C. Esto se debe a la configuración de la red de hierro que forma una estructura cristalina BCC. La fase principal del acero con bajo contenido de carbono o acero dulce y la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es el α-Fe ferromagnético.
- Austenita . La austenita, también conocida como hierro en fase gamma (γ-Fe), es una fase de estructura cúbica de hierro no magnética centrada en la cara. La austenita en las aleaciones de hierro y carbono generalmente solo está presente por encima de la temperatura eutectoide crítica (723°C) y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. Sin embargo, puede conservarse a temperatura ambiente mediante la adición de aleaciones como níquel o manganeso. El carbono juega un papel importante en el tratamiento térmico, ya que amplía el rango de temperatura de estabilidad de la austenita. Un mayor contenido de carbono reduce la temperatura necesaria para austenitizar el acero, de modo que los átomos de hierro se reorganizan para formar una estructura de celosía fcc. La austenita está presente en el tipo de acero inoxidable más utilizado, que es muy conocido por su resistencia a la corrosión.
- Grafito . Agregar una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por una mayor resistencia .
- Cementita . La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y, en algunas circunstancias, puede disociarse o descomponerse para formar α-ferrita y grafito, según la reacción: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafito). La cementita en su forma pura es una cerámica y es dura y quebradiza, lo que la hace adecuada para el refuerzo de aceros. Sus propiedades mecánicas están en función de su microestructura, que depende de cómo se mezcle con la ferrita.
Las fases metaestables son:
Pearlita . En metalurgia, la perlita es una estructura metálica en capas de dos fases, que se componen de capas alternas de ferrita (87,5% en peso) y cementita (12,5% en peso) que se encuentra en algunos aceros y fundiciones. Se llama así por su parecido con el nácar.- Martensita . La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento de la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo para difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientemente grandes para formar cementita (Fe3C).
- Bainita . La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a partir de la austenita cuando las velocidades de enfriamiento no son lo
suficientementerápidaspara producir martensita, pero aún lo son lo suficiente para que el carbono no tenga tiempo suficiente para difundirse y formar perlita. Los aceros bainíticos son generalmente más fuertes y duros que los aceros perlíticos; sin embargo, exhiben una combinación deseable de resistencia y ductilidad.
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