La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en aceros a temperaturas de 125–550 °C (dependiendo del contenido de aleación). [1] Descrita por primera vez por ES Davenport y Edgar Bain , [2] [3] es uno de los productos que pueden formarse 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 .
La bainita, de estructura fina no laminar , se compone habitualmente de 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 bainita hacen que esta ferrita sea más dura de lo que normalmente sería. [4] [5]
El rango de temperatura para la transformación de la austenita en bainita (125–550 °C) está entre los de la perlita y la martensita. De hecho, no existe un límite inferior fundamental para la temperatura de inicio de la bainita. [1] [6] 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 eficaz para hacerlo. [7] El aluminio o el cobalto son excepciones, ya que pueden acelerar la descomposición de la austenita y aumentar la temperatura de transformación. [8]
Las microestructuras de la martensita y la bainita parecen a primera vista bastante similares, ya que consisten en placas delgadas que en los aceros de baja aleación se agrupan. 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 verlas. Bajo un microscopio óptico , la microestructura de la bainita parece más oscura que la martensita sin templar porque la bainita tiene más subestructura. [9]
La dureza de la bainita puede estar entre la de la perlita y la de la martensita sin templar en el mismo acero . El hecho de que se pueda producir tanto durante el enfriamiento isotérmico como 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. [10]
En la década de 1920, Davenport y Bain descubrieron una nueva microestructura del acero que llamaron provisionalmente martensita-troostita, debido a que era intermedia entre la ya conocida fase martensita de baja temperatura y lo que entonces se conocía como troostita (ahora perlita fina ). [7] Esta microestructura fue posteriormente denominada bainita por los colegas de Bain en la United States Steel Corporation, [11] aunque tardó un tiempo en ser adoptada por la comunidad científica y hasta 1947 había libros que no mencionaban la bainita por su nombre. [7]
Bain y Davenport también observaron la existencia de dos formas distintas: la bainita de "rango superior", que se formaba a temperaturas más altas, y la bainita de "rango inferior", que se formaba cerca de la temperatura inicial de la martensita (estas formas se conocen ahora 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 la perlita y el rango superior de la bainita con la posibilidad adicional de ferrita proeutectoide. [7]
Por encima de aproximadamente 900 °C, un acero típico con bajo contenido de carbono está compuesto completamente de austenita , una fase de hierro de alta temperatura que tiene una estructura cristalina cúbica compacta. [12] 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 (Fe 3 C) . Además de las consideraciones termodinámicas indicadas por el diagrama de fases, las transformaciones de fase en el acero están fuertemente influenciadas por la cinética química . Esto se debe a que la difusión de átomos de hierro se vuelve difícil por debajo de aproximadamente 600 °C en condiciones de procesamiento típicas. Como consecuencia, se produce una matriz compleja de microestructuras cuando la movilidad atómica es limitada. Esto conduce a la complejidad de las microestructuras del acero que están fuertemente influenciadas por la velocidad de enfriamiento. Esto se puede ilustrar mediante un diagrama de transformación de enfriamiento continuo (CCT) que traza el tiempo necesario para formar una fase cuando una muestra se enfría a una velocidad específica, mostrando así regiones en el espacio de tiempo-temperatura a partir de las cuales se pueden deducir las fracciones de fase esperadas para un ciclo térmico dado.
Si el acero se enfría lentamente o se transforma isotérmicamente a temperaturas elevadas, la microestructura obtenida estará más cerca del equilibrio, [13] 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 fácilmente 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. [14]
La austenita que se enfría lo suficientemente rápido para evitar transformaciones de temperatura más altas, puede formar martensita , sin ninguna difusión de hierro o carbono, por la deformación de la estructura cristalina centrada en las caras de la austenita en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo o cúbica centrada en el cuerpo distorsionada. 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 reticular impuesta por la transformación. La transformación es esencialmente independiente del tiempo y la fracción de fase depende solo del grado de enfriamiento por debajo de la temperatura crítica de inicio de la martensita. [15] Además, ocurre sin la difusión de átomos sustitucionales o intersticiales y, por lo tanto, 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, al igual que la martensita, crece sin difusión pero parte del carbono se reparte en la austenita residual o precipita como cementita. A menudo se hace una distinción adicional entre la denominada bainita inferior, que se forma a temperaturas más cercanas a la temperatura inicial de la martensita, y la bainita superior, que se forma a temperaturas más altas. Esta distinción surge de las tasas de difusión del carbono a la temperatura a la que se está formando la bainita. Si la temperatura es alta, el carbono se difundirá rápidamente lejos de la ferrita recién formada y formará carburos en la austenita residual enriquecida con carbono entre las placas ferríticas, dejándolas libres de carburos. A bajas temperaturas, el carbono se difundirá más lentamente y puede precipitar antes de poder salir de la ferrita bainítica. Existe cierta controversia sobre los detalles del mecanismo de transformación de la bainita; ambas teorías se representan a continuación.
Una de las teorías sobre el mecanismo de formación específico de la bainita es que se produce por una transformación de cizallamiento, como en la martensita. El cambio de estructura cristalina se logra por una deformación en lugar de por difusión. El cambio de forma asociado con la bainita es una deformación plana invariante con un gran componente de cizallamiento. Este tipo de deformación implica un movimiento disciplinado de átomos (en lugar de una transferencia caótica asociada con la difusión), [16] y es típico de todas las transformaciones desplazativas en aceros, por ejemplo, martensita, bainita y ferrita de Widmanstaetten. Hay una energía de deformación asociada con dicho alivio, que conduce a la forma de placa del producto de transformación [17]. 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 templado de la martensita.
Hay muchas características de la bainita que esta teoría predice correctamente, entre ellas:
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 pensar que este mecanismo excluye la posibilidad de interfaces coherentes y un relieve superficial. De hecho, algunos aceptan que la formación de la ferrita de Widmanstätten está controlada por la difusión del carbono y muestra un relieve superficial similar. [25]
Por lo general, la bainita se manifiesta como agregados, denominados haces , de placas de ferrita ( subunidades ) separadas por austenita, martensita o cementita retenidas. [26] Si bien las subunidades parecen separadas cuando se observan en una sección bidimensional, de hecho están interconectadas en tres dimensiones y generalmente adoptan una morfología de placa o listón lenticular. Los haces en sí tienen forma de cuña y el extremo más grueso está asociado con el sitio de nucleación.
Se ha descubierto que el espesor de las placas ferríticas aumenta con la temperatura de transformación. [27] Los modelos de redes neuronales han indicado que esto no es un efecto directo de la temperatura per se, sino más bien un resultado de la dependencia de la temperatura de la fuerza impulsora de la reacción y la resistencia de la austenita que rodea las placas. [27] A temperaturas más altas, y por lo tanto un subenfriamiento menor, la fuerza impulsora termodinámica reducida provoca una disminución en la tasa de nucleación que permite que las placas individuales crezcan más antes de que choquen físicamente entre sí. Además, el crecimiento de las placas debe ser acomodado por el flujo plástico en la austenita circundante, lo que es difícil si la austenita es fuerte y resiste el crecimiento de la placa.
La "bainita superior" se forma en haces a unos 400–550 °C. Estos haces contienen varias láminas de ferrita que son aproximadamente paralelas entre sí y que muestran una relación de Kurdjumov-Sachs con la austenita circundante, aunque esta relación se degrada a medida que se reduce la temperatura de transformación. La ferrita en estos haces tiene una concentración de carbono inferior al 0,03 %, lo que da como resultado una austenita rica en carbono alrededor de las láminas. [28]
La cantidad de cementita que se forma entre los listones depende del contenido de carbono del acero. En el caso de un acero con bajo contenido de carbono, normalmente habrá "largueros" discontinuos o pequeñas partículas de cementita entre los listones. En el caso de un acero con un mayor contenido de carbono, los largueros se vuelven continuos a lo largo de los listones adyacentes. [28]
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 ángulos bajos entre listones en la bainita inferior. En la bainita inferior, el plano de hábito en la ferrita también se desplazará de <111> hacia <110> a medida que disminuye la temperatura de transformación. [28] En la bainita inferior, la cementita se nuclea en la interfaz entre la ferrita y la austenita .
En el presente contexto, "transformación incompleta" se refiere al hecho de que, en ausencia de precipitación de carburo, la reacción de la bainita se detiene mucho antes de que la austenita alcance su composición química de equilibrio o paraequilibrio. Se detiene en el punto en el que 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 descubrieron que, a una temperatura dada, 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. Esto era así a pesar del hecho de que se podía lograr una transformación completa de austenita en perlita a temperaturas más altas, donde la austenita era más estable. La fracción de bainita que se podía formar aumentaba a medida que la temperatura disminuía. Esto se explicó en última instancia teniendo 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. [29]
La bainita puede considerarse esencialmente como una 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. [30] Debido a que la temperatura de transformación es más alta, la austenita en sí es mecánicamente débil, de modo 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 finalmente termina su crecimiento incluso antes de que la placa haya alcanzado un límite de grano de austenita. Por lo tanto, las placas de bainita pueden ser más pequeñas que las de martensita en el mismo acero. La transformación luego procede por un mecanismo de subunidad que implica la nucleación sucesiva de nuevas placas. [31]
A medida que aumenta el contenido de bainita en el acero, la dureza, el límite elástico y la resistencia a la tracción permanecen casi constantes para un contenido de bainita de hasta el 50%, y luego aumentan aproximadamente un 30%. [4] Por lo tanto, Rolls-Royce Holdings y Tata Steel han producido en masa comercialmente ejes y placas de aceros con alto contenido de bainita del tamaño de un metro . [1]
En la industria ferroviaria, el acero bainita se suele alear con vanadio para producir raíles de muy alta resistencia, con buena resistencia al desgaste y a la fatiga por contacto rodante . Los raíles bainita fabricados por Corus se instalaron en el Túnel del Canal en 2006 y, después de 3 años, no mostraron evidencia de las grietas que se encuentran en los raíles estándar de la misma edad. [32]
