La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a temperaturas de 125 a 550 °C (dependiendo del contenido de la aleación). [1] Descrito por primera vez por ES Davenport y Edgar Bain , [2] [3] es uno de los productos que se pueden formar cuando la austenita (la estructura cristalina cúbica del hierro centrada en las caras ) se enfría más allá de una temperatura en la que ya no se encuentra. termodinámicamente estable con respecto a ferrita , cementita o ferrita y cementita. Davenport y Bain describieron originalmente la microestructura como similar en apariencia a la martensita templada .
La bainita, una estructura fina no laminar , comúnmente consiste en cementita y ferrita rica en dislocaciones . La gran densidad de dislocaciones en la ferrita presente en la bainita y el fino tamaño de las plaquetas de bainita hacen que esta ferrita sea más dura de lo normal. [4] [5]
El rango de temperatura para la transformación de austenita en bainita (125–550 °C) se encuentra entre los de perlita y martensita. De hecho, no existe un límite inferior fundamental para la temperatura inicial 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 porque pueden acelerar la descomposición de la austenita y elevar la temperatura de transformación. [8]
Las microestructuras de la martensita y la bainita parecen a primera vista bastante similares: están formadas por placas delgadas que en los aceros de baja aleación se agrupan. Esto es una 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 martensita sin templar en un mismo acero de dureza . El hecho de que pueda producirse durante enfriamiento isotérmico o 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 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 de acero a la que llamaron provisionalmente martensita-troostita, debido a que era intermedia entre la ya conocida fase de martensita de baja temperatura y lo que entonces se conocía como troostita (ahora perlita fina ). [7] Esta microestructura fue posteriormente nombrada bainita por los colegas de Bain en la United States Steel Corporation, [11] aunque pasó algún tiempo hasta que la comunidad científica adoptó el nombre y libros de 1947 no mencionaban la bainita por su nombre. . [7]
Bain y Davenport también notaron la existencia de dos formas distintas: bainita de "rango superior" que se formó a temperaturas más altas y bainita de "rango inferior" que se formó cerca de la temperatura inicial de la martensita (estas formas ahora se conocen 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 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 enteramente de austenita , una fase de hierro de alta temperatura que tiene una estructura cristalina cúbica y 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, en condiciones de equilibrio, se transformará 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 fases en el acero están fuertemente influenciadas por la cinética química . Esto se debe a que la difusión de los átomos de hierro se vuelve difícil por debajo de aproximadamente 600 °C en condiciones de procesamiento típicas. Como consecuencia, se produce una compleja serie de microestructuras cuando la movilidad atómica es limitada. Esto conduce a la complejidad de las microestructuras de 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 requerido para formar una fase cuando una muestra se enfría a una velocidad específica, mostrando así regiones en el espacio 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] y contendrá, por ejemplo, ferrita, cementita y perlita alotriomorfa. Sin embargo, la transformación de austenita a perlita es una reacción reconstructiva que depende del tiempo y 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 sea incompleta y la austenita restante sea termodinámicamente inestable. [14]
La austenita que se enfría lo suficientemente rápido como para evitar transformaciones de temperatura más altas, puede formar martensita , sin ninguna difusión de hierro o carbono, mediante la deformación de la estructura cristalina centrada en la cara de la austenita en una estructura tetragonal o cúbica centrada en el cuerpo distorsionada . Esta fase de no equilibrio sólo puede formarse a bajas temperaturas, donde la fuerza impulsora de la reacción es suficiente para superar la considerable tensión de la red impuesta por la transformación. La transformación es esencialmente independiente del tiempo y la fracción de fase depende únicamente del grado de enfriamiento por debajo de la temperatura inicial crítica de martensita. [15] Además, ocurre sin la difusión de átomos sustitucionales o intersticiales, por lo que 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 fuerza impulsora suficiente para formar martensita. La bainita, como la martensita, crece sin difusión, pero parte del carbono luego se divide en cualquier austenita residual o precipita como cementita. A menudo se hace una distinción adicional entre la llamada 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 velocidades de difusión del carbono a la temperatura a la que se forma la bainita. Si la temperatura es alta, entonces 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 que pueda abandonar 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 mediante una transformación de cizallamiento, como en la martensita. El cambio de estructura cristalina se logra mediante deformación más que por difusión. El cambio de forma asociado con la bainita es una deformación plana invariante con un componente de corte grande. Este tipo de deformación implica un movimiento disciplinado de los átomos (en lugar de una transferencia caótica asociada con la difusión) [16] y es típica de todas las transformaciones desplazables en aceros, por ejemplo, martensita, bainita y ferrita de Widmanstaetten. Hay una energía de deformación asociada con dicho relieve, 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 el supuesto de que una placa de ferrita bainítica crece con un mecanismo similar al de la ferrita de Widmanstätten a temperaturas más altas. Por 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 que este mecanismo excluye la posibilidad de interfaces coherentes y un relieve superficial. De hecho, algunos aceptan que la formación de ferrita de Widmanstätten está controlada por la difusión de carbono y muestra un relieve superficial similar. [25]
Normalmente, 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 ven en una sección bidimensional, de hecho están interconectadas en 3 dimensiones y generalmente adoptan una morfología de placa lenticular o listón. Las propias gavillas tienen forma de cuña y el extremo más grueso está asociado con el sitio de nucleación.
Se encuentra 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, a un subenfriamiento más bajo, la fuerza impulsora termodinámica reducida provoca una disminución en la tasa de nucleación que permite que las placas individuales crezcan antes de chocar físicamente entre sí. Además, el crecimiento de las placas debe ser adaptado por el flujo plástico en la austenita circundante, lo cual es difícil si la austenita es fuerte y resiste el crecimiento de la placa.
La "bainita superior" se forma en haces entre 400 y 550 °C. Estas poleas contienen varios listones de ferrita que son aproximadamente paralelos entre sí y que exhiben una relación de Kurdjumov-Sachs con la austenita circundante, aunque esta relación se degrada a medida que disminuye la temperatura de transformación. La ferrita en estas poleas tiene una concentración de carbono inferior al 0,03%, lo que da como resultado una austenita rica en carbono alrededor de los listones. [28]
La cantidad de cementita que se forma entre los listones se basa en el contenido de carbono del acero. Para un acero con bajo contenido de carbono, normalmente estarán presentes "largueros" discontinuos o pequeñas partículas de cementita entre los listones. Para 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 ángulo bajo entre listones en la bainita inferior. En la bainita inferior, el plano habitual de la ferrita también cambiará de <111> a <110> a medida que disminuye la temperatura de transformación. [28] En la bainita inferior, la cementita se nuclea en la interfaz entre ferrita y 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 austenita y 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 determinada sólo una cierta fracción de volumen de la austenita se transformaba en bainita y el resto se descomponía en perlita después de un largo retraso. Este fue el caso a pesar 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 pudo formar aumentó a medida que disminuyó la temperatura. En última instancia, esto se explicó teniendo en cuenta el hecho de que cuando se formaba la ferrita bainítica, el carbono sobresaturado sería expulsado a la austenita circundante, estabilizándola termodinámicamente contra una mayor transformación. [29]
La bainita puede considerarse esencialmente como 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 autotemperarse. [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 mediante 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 tanto, las placas de bainita pueden ser más pequeñas que las de martensita en el mismo acero. Luego, la transformación se produce mediante un mecanismo de subunidad que implica la nucleación sucesiva de nuevas placas. [31]
Con el aumento del contenido de bainita en el acero, la dureza, el rendimiento y la resistencia a la tracción permanecen casi constantes para un contenido de bainita de hasta el 50 %, y luego aumentan aproximadamente. 30%. [4] Por lo tanto , Rolls-Royce Holdings y Tata Steel han producido comercialmente en masa ejes y placas de acero con alto contenido de bainita del tamaño de un metro . [1]
En la industria ferroviaria, el acero bainita comúnmente se alea con vanadio para producir rieles de muy alta resistencia, con buena resistencia al desgaste y a la fatiga por contacto de rodadura . Los carriles de bainita fabricados por Corus se instalaron en el Túnel del Canal de la Mancha en 2006 y, después de 3 años, no mostraron evidencia de las grietas encontradas en los carriles estándar de la misma edad. [32]
