Transformaciones Martensíticas en Estado Sólido Sin Difusión: Tipos, Características y Aplicaciones

Transformaciones Martensíticas en Estado Sólido Sin Difusión

Introducción

Las transformaciones martensíticas son un tipo de transformación de fase en estado sólido que se caracterizan por no involucrar difusión de átomos. Se denominan «militares» debido a la rapidez con la que ocurren, en contraste con las transformaciones controladas por difusión, que son «civiles». Cualquier material puede experimentar una transformación martensítica si se enfría lo suficientemente rápido.

Características de las Transformaciones Martensíticas

Las transformaciones martensíticas implican un desplazamiento mínimo de las posiciones cristalinas (por ejemplo, de una estructura cúbica centrada en el cuerpo (ccc) a una tetragonal centrada en el cuerpo (tc)), generando tensiones y afectando a planos cristalinos específicos.

Transformación de Bain en Aceros

La transformación de Bain es un ejemplo de transformación martensítica en aceros, que produce una expansión de volumen del ~4%. Se puede obtener una estructura tc a partir de una ccc con un movimiento mínimo de átomos y mínima deformación de la fase original. Esto se logra mediante una contracción del 20% en la dirección c (altura) y una expansión del 12% en las direcciones a (base) de la celda unitaria.

Existe una correspondencia de planos entre las redes de martensita y austenita. El plano común a ambas no cambia en ninguna dirección durante la transformación (plano invariante). Sin embargo, se produce deformación para mantener la coherencia entre la martensita y la austenita. Esta deformación se produce por cizalladura paralela al plano de hábito, ya sea por deslizamiento de dislocaciones o maclado.

La deformación necesaria para compensar la deformación de la red durante la transformación de Bain se denomina «deformación de Bain», que reduce la transformación de la austenita circundante.

Nucleación de la Martensita

La nucleación de la martensita es heterogénea y se ve favorecida por la presencia de dislocaciones. El movimiento de una dislocación parcial durante el maclado permite la formación de una región cc. Además, la energía elástica de deformación asociada a las dislocaciones puede compensar uno de los componentes de la deformación de Bain, reduciendo la energía total para la nucleación.

Crecimiento de la Martensita

Existen dos tipos principales de morfologías de martensita:

• Cintas: a > b >> c. Se observan en aceros de bajo contenido de carbono. Crecen sobre planos {111}γ y engrosan por un mecanismo de deslizamiento de dislocaciones sobre los bordes en la dirección del frente de crecimiento. Debido al desacoplamiento entre cc y ccc, las dislocaciones pueden autonuclearse en la interfase de la cinta.
• Placas: Se observan en aceros con contenidos de carbono medios y altos. Al aumentar el %C, disminuye Ms y aumenta la cantidad de austenita retenida. Crecen sobre los planos {225}γ y {229}γ = f(%C). La martensita suele estar maclada y las placas son más finas que las cintas o la bainita. El crecimiento de las placas de martensita maclada es muy rápido.

Factores que Influyen en la Transformación Martensítica

Tensiones Externas

La deformación plástica previa a la transformación proporciona sitios de nucleación y afina el tamaño de las placas de martensita. Con deformación plástica, existe un valor límite superior para Ms. Simultáneamente, se reducen las temperaturas de transformación a austenita As y Af. La temperatura Ms puede disminuirse, e incluso suprimirse la transformación, manteniendo la muestra bajo presión hidrostática. Los aumentos de presión estabilizan la fase con menor volumen específico, disminuyendo la fuerza motriz ΔG para la transformación a martensita. La presencia de grandes campos magnéticos aumenta la Ms, ya que favorece la formación de la fase ferromagnética.

Estabilización

La estabilización se produce cuando se mantiene la muestra a una temperatura entre Ms y Mf. La transformación no continúa inmediatamente y el % de martensita obtenida es menor que si el enfriamiento se hubiera realizado de forma continua. Las placas de martensita detienen su crecimiento durante la estabilización, pero se nuclean nuevas. El grado de estabilización depende del tiempo de permanencia a esa temperatura. Es posible que el carbono tenga tiempo para difundir a la interfase debido a la gran tensión asociada con el crecimiento de las placas y que exista una relajación atómica en la interfase que aumente la barrera para la nucleación de nuevas dislocaciones.

Papel del Tamaño de Grano

Como la martensita crece manteniendo una cierta coherencia con la austenita que la rodea, los límites de grano de gran ángulo son una barrera al crecimiento. El tamaño de grano no afecta al número de núcleos formados, sino al tamaño final de la martensita. También afecta a las tensiones residuales después de la transformación. En tamaños de grano grandes, las tensiones de dilatación provocan una gran cantidad de tensiones residuales entre átomos adyacentes, que pueden dar lugar a la rotura por los límites de grano. Para tamaños de grano pequeños, las tensiones se acomodan mejor, lo que, junto con placas más finas, hace que la martensita sea más tenaz.

Influencia de los Elementos de Aleación

En la temperatura de transformación martensítica:

1. Existe una correlación inversa de las temperaturas de inicio y final de la transformación martensítica Ms y Mf con la concentración de los elementos de aleación. Para aceros de gran contenido en elementos de aleación, la temperatura final de transformación Mf es inferior a la temperatura ambiente, no existiendo por tanto una transformación total a martensita.

En las características resistentes a la martensita:

La martensita férrea tiene las siguientes características:

• Alta carga de rotura y alta dureza (55-65 HRC)
• Alto límite elástico
• Bajo alargamiento
• Baja tenacidad
• La velocidad de enfriamiento no afecta a la dureza final, siempre que sea superior a la velocidad crítica de temple Vc.

En los aceros, la velocidad crítica de temple se reduce conforme aumenta el contenido de aleantes, ya que se retrasan (se hacen más lentas) las transformaciones de equilibrio.

Transformación Martensítica Termoelástica

Martensita termoelástica: las placas de martensita se forman y crecen continuamente a medida que disminuye la temperatura, y decrecen y desaparecen siguiendo el mismo camino, pero de forma inversa, al aumentar la temperatura, recuperándose la orientación que tenía inicialmente la fase origen.

Martensita no termoelástica: una vez que la placa de martensita adquiere un determinado tamaño durante el enfriamiento, no crece más aunque se siga subenfriando, porque la interfase queda aparentemente inmovilizada. Cuando se calienta esta martensita, la intercara inmovilizada no experimenta el movimiento inverso al de su creación y la placa en conjunto no adquiere de nuevo la orientación que tenía originariamente.

Nucleación de la Martensita Termoelástica

Las transformaciones martensíticas pueden ser inducidas tanto por descensos de temperatura como por la aplicación de una tensión mecánica. Es posible inducir la transformación martensítica a temperaturas superiores a Ms mediante la aplicación de una tensión mecánica externa que tienda a neutralizar las tensiones internas producidas por la transformación. Se pueden considerar dos casos para que se produzca el inicio de la nucleación de la martensita:

1. Nucleación de la martensita en ausencia de tensión mecánica (σ = 0). En ausencia de tensión mecánica, la transformación martensítica se inicia a la temperatura Ms, y la variación de energía libre para nuclear la transformación es una función lineal de la temperatura: ΔGMs = (To – Ms) ΔS.
2. Nucleación de la martensita con aplicación de tensión mecánica (σ ≠ 0). Se pueden dar dos situaciones: 1. Que mediante la aplicación de una tensión σ’, la transformación se inicia a Msσ» < To. 2. Que mediante la aplicación de una tensión σ», la transformación se inicia a Msσ» > To. En este caso, la energía libre de nucleación adquiere el valor ΔG = ΔGt – ΔGσ». La contribución térmica es positiva, por lo que se opone a la transformación, y la martensita nucleada a T > To es termodinámicamente inestable en el estado libre de tensión a su temperatura de formación.

Crecimiento de la Martensita Termoelástica

Durante el crecimiento de una placa de martensita, hay dos contribuciones energéticas que afectan al proceso de formación: la fuerza motriz que impulsa la transformación ΔGd y la energía resistiva que se opone al transcurso de dicha transformación ΔGr. Se puede demostrar que el crecimiento cesará cuando se cumpla que: ΔGd = ΔGr. Excluyendo el caso de la interrupción del crecimiento de una placa por un límite de grano o algún otro obstáculo, se pueden diferenciar tres casos según la igualdad o desigualdad de la ecuación:

1. ΔGd = ΔGr. Este equilibrio termoelástico es la base de la formación de la martensita termoelástica, en la que algún cambio en el término mecánico o térmico de la energía libre puede provocar el crecimiento o disminución de la placa de martensita.
2. ΔGd > ΔGr. Si la energía motriz es mayor que la resistiva y permanece así hasta que el crecimiento se detiene en un obstáculo, se producirá un crecimiento espontáneo en cuanto se produzca la nucleación. Este es el caso del comportamiento repentino o «burst» de la martensita.
3. ΔGd < ΔGr. En este caso, la placa de martensita no puede crecer espontáneamente y solo lo hará si se aplica una tensión externa que ayude a superar la barrera energética.

Propiedades Mecánicas de la Martensita Termoelástica

Pseudoelasticidad

La pseudoelasticidad es una propiedad, poco frecuente, que presentan algunas aleaciones metálicas de experimentar grandes deformaciones elásticas. Cuando una muestra martensítica se somete a tensión a una temperatura superior a Af, se induce la transformación martensítica por efecto de la tensión, obteniéndose la curva tensión-deformación. La transformación inversa tiene lugar al ser eliminada la tensión.

Memoria de Forma

En contraste con la pseudoelasticidad, el efecto de memoria de forma se obtiene al deformar un material a una temperatura inferior a Af. La parte ascendente de la curva tensión-deformación es debida bien a la formación de martensita inducida por tensión, o a la reorientación de la martensita de origen térmico. Cuando se suprime la tensión, sin variar la temperatura, el material recupera elásticamente, en parte, su estado inicial, manteniendo una deformación considerable. Al calentar el material por encima de Af, se produce la transformación inversa a la fase original, recuperando la forma inicial.