Microestructuras con perlita y ferrita
La perlita es una estructura microscópica comúnmente encontrada en los aceros. Se forma a partir de la transformación eutectoide de la austenita durante el enfriamiento lento del acero, como en el caso del recocido de regeneración o el de homogeneización. La perlita está compuesta por capas alternas de ferrita o Feα y cementita o Fe3C. Su apariencia bajo el microscopio óptico es laminar, similar a las capas de las «perlas», de ahí su nombre.
En condiciones de equilibrio, esto es, con enfriamientos muy lentos, esta transformación se produce a una temperatura específica llamada temperatura eutectoide, que es alrededor de 723°C para un acero con un contenido de carbono del 0,77%. A velocidades mayores, la perlita puede producirse a menores temperaturas y para contenidos menores de carbono de las de equilibrio. Además, se producen estructuras más finas, como el caso de la perlita troostítica o estructuras de tipo Widmanstätten.
La presencia de perlita en los aceros tiene importantes implicaciones en sus propiedades mecánicas. Por un lado, la perlita proporciona resistencia al acero, ya que la cementita es un compuesto duro y frágil. Por otro lado, la presencia de ferrita en la estructura proporciona tenacidad. Por lo tanto, la combinación de estas dos fases confiere al acero una buena combinación de resistencia y tenacidad.
El tamaño de grano de la perlita en el acero puede ser modificado mediante el tratamiento térmico, como en el normalizado, lo que a su vez afecta sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, un tratamiento térmico que produce una perlita más fina generalmente resultará en un acero más resistente pero menos tenaz, mientras que una perlita más gruesa puede proporcionar mayor tenacidad a costa de algo de resistencia.
La perlita comienza con la formación de un núcleo de cementita en el límite de grano de la austenita. Las zonas adyacentes se empobrecen en carbono, con lo que se fomenta la formación de núcleos de ferrita. A su vez, estos núcleos de ferrita enriquecen en carbono las zonas adyacentes, con lo que se fomenta la nucleación de cementita. El resultado es un crecimiento en forma de láminas tanto longitudinal como transversal. En la micrografía siguiente pueden apreciarse los núcleos de cementita que han dado lugar a la formación de las láminas.
Los aceros hipoeutectoides (contenido en C inferior al contenido eutectoide) enfriados lentamente, poseen una estructura de granos de ferrita envolviendo las colonias de perlita. Se trata de una estructura dúctil ya que los granos de ferrita forman la matriz. Estos granos son los primeros que se forman durante el enfriamiento, al ser el constituyente proeutectoide. Aparecen en los límites de los granos de austenita. Al segregar el carbono hacia el interior del grano de austenita ésta se enriquece hasta alcanzar la composición del eutectoide, transformándose en perlita.
Pongamos el ejemplo el acero C45:
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | Ni | Cu | Cr+Mo+Ni | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Máx
|
0.50 |
0.40 |
0.80 |
0.0045 |
0.0045 |
0.40 |
0.10 |
0.40 |
0.30 |
0.63 |
|
Mín |
0.42 |
0.10 |
0.50 |
|
|
|
|
|
|
|
Enfriamientos algo más rápidos, por ejemplo, en el caso del normalizado cuyo enfriamiento es al aire, se obtienen estructuras más finas, en especial de la ferrita, ya que la velocidad de enfriamiento más rápida fomenta la aparición de más núcleos, con lo que crecerán menos. A su vez, las láminas de perlita también serán más finas.
En los aceros hipereutectoides (contenido en carbono superior al contenido eutectoide) el constituyente proeutectoide es la cementita, dura y frágil, con lo que transmitirá este carácter al acero. En estos casos suele ser necesario un recocido de globulización, para que la cementita adopte forma de glóbulos en una matriz blanda de ferrita.
Enfriamientos algo más rápidos, por ejemplo, en el caso del normalizado cuyo enfriamiento es al aire, se obtienen estructuras más finas, en especial de la ferrita, ya que la velocidad de enfriamiento más rápida fomenta la aparición de más núcleos, con lo que crecerán menos. A su vez, las láminas de perlita también serán más finas.
Otras microestructuras con perlita y ferrita
Perlita sorbítica
La perlita sorbítica o sorbita es un tipo de perlita, de aspecto más borroso que la perlita laminar, que suele darse en recocidos de aceros aleados. Las láminas de cementita no aparecen definidas y, en su lugar, la perlita tiene un aspecto descompuesto.
Bandeado del acero
Cuando se forma la perlita, especialmente durante el enfriamiento lento desde altas temperaturas, puede ocurrir un fenómeno conocido como «bandeado». Esto significa que los constituyentes ferrita y perlita no están distribuidas uniformemente, sino que forman bandas o estrías que atraviesan la estructura. Estas bandas pueden ser visibles a simple vista o bajo un microscopio.
El bandeado de la perlita puede deberse a varios factores, como variaciones locales en la composición química, especialmente segregaciones del Mn en la austenita, gradientes de temperatura durante el enfriamiento o tensiones residuales en el material. Este fenómeno puede afectar las propiedades mecánicas y la tenacidad del acero, ya que las bandas de perlita pueden actuar como puntos de concentración de esfuerzos, lo que potencialmente podría conducir a la fractura del material bajo cargas aplicadas.
Durante la solidificación del lingote, debido a velocidades de enfriamiento fuera del equilibrio, puede segregarse el Mn apareciendo capas más ricas en este elemento alternadas con otras más pobres. Esta segregación la heredará el acero después de los procesos de conformado, como la forja o la laminación. Al ser un elemento de sustitución en el acero, su difusión es lenta, por lo que la segregación del Mn es difícil de arreglar. En el tratamiento térmico de recocido o normalizado, esto se traduce en una distribución de concentración de Mn en la austenita de tipo sinusoidal. Al ser un elemento gammágeno, las zonas más pobres se transformarán a temperaturas mayores que las zonas ricas en Mn, generando bandas de ferrita alternadas con bandas de austenita, que se irá enriqueciendo en carbono debido a la baja solubilidad en la ferrita y que, finalmente, se transformarán en perlita. El resultado es el bandeado.
El control del bandeado de la perlita es importante en la producción de aceros y hierros con propiedades mecánicas consistentes y confiables. Esto puede lograrse mediante técnicas de procesamiento adecuadas, como un control preciso de la velocidad de solidificación, la eliminación de gradientes de composición química y la reducción de tensiones residuales en el material.
Ferrita Widmanstätten
La estructura Widmanstätten es una estructura acicular, grosera, típica de los aceros en bruto de colada; proporciona fragilidad y, por lo tanto, es indeseable. La ferrita aparece rodeando los granos y a partir de ella se desarrollan las agujas o ramificaciones características de dicha estructura.
La ferrita Widmanstätten se forma mediante un mecanismo de cizallamiento, similar al proceso de la bainita. La ferrita Widmanstätten es en realidad bainita sin carbono.
Las condiciones necesarias para la formación de la estructura Widmanstätten son: grano austenítico basto y velocidad de enfriamiento moderadamente rápida, generalmente al aire. Debido a la elevada velocidad de enfriamiento durante la formación y el tamaño engrosado de la austenita, la ferrita no puede precipitar en los límites de grano de la austenita, como lo haría en el recocido, por lo que lo hará in situ. Sólo puede precipitar a lo largo de una superficie cristalina específica de austenita y tiene una relación de orientación cristalina con su fase madre, la austenita.
A medida que se forma la ferrita Widmanstätten, el carbono se difunde desde la ferrita hacia la fase madre, la austenita, en ambos lados, provocando el aumento del contenido en carbono de la austenita entre las agujas de ferrita para convertirse finalmente en perlita.
Perlita troostítica
La perlita troostítica o troostita es otra estructura que puede encontrarse en los aceros. Se forma cuando la austenita se enfría rápidamente a una temperatura justo por debajo de la temperatura de transformación eutectoide. Esto significa que el enfriamiento no es lo suficientemente rápido como para permitir la formación completa de martensita (una estructura muy dura y frágil) o bainita, pero lo suficientemente rápido como para evitar la formación completa de perlita laminar.
La troostita está compuesta por una mezcla fina de ferrita y cementita, similar a la perlita, pero con una distribución radial y mucho más fina debido al enfriamiento más rápido. A su vez, la composición en carbono puede alejarse considerablemente de la composición eutectoide debido a que se produce fuera de las condiciones de equilibrio.
Esta estructura proporciona propiedades intermedias entre la perlita y la martensita en términos de resistencia y tenacidad.
La troostita puede ser útil en aplicaciones donde se requiera una combinación equilibrada de resistencia y tenacidad. Sin embargo, es menos común en comparación con la perlita o la martensita, ya que requiere condiciones de enfriamiento específicas para formarse.
Curva CCT correspondiente al enfriamiento en agua de un redondo de 20 mm de acero C45. Las estructuras del núcleo de la pieza y de la periferia serán completamente diferentes: ferrita, perlita troostítica y bainita superior en el núcleo; martensita con algo de austenita residual en la periferia.
Es usual encontrar troostita y, generalmente también bainita y ferrita libre, en aceros incorrectamente templados. Esta precipitación de constituyentes no deseados ocurre por falta de templabilidad del material, generalmente ocasionado por errores en el cálculo del tamaño crítico de la pieza o falta de severidad de temple. En estos casos, la periferia de las piezas podría estar constituida por martensita mientras que el núcleo presentaría además troostita y bainita.
Puede obtenerse troostita en toda la masa del acero mediante un tratamiento de recocido isotérmico, a la temperatura apropiada, aunque esta estructura carece de interés en aplicaciones de ingeniería.
Otros ejemplos de microestructuras con perlita y ferrita
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