¿Por qué cambia el acero su estructura en diferentes condiciones? Este artículo explora los cinco factores críticos que influyen en el punto de inicio de la martensita (Ms) en el acero. Desde la composición química y la tensión de deformación hasta los índices de temple, las condiciones de austenitización e incluso los campos magnéticos, estas variables dictan el comportamiento de transformación del acero. Si conoce estos factores, podrá optimizar las propiedades mecánicas del acero para diversas aplicaciones. Siga leyendo para descubrir cómo influye cada elemento en el rendimiento del acero.
En términos generales, el punto Ms depende principalmente de la composición química del acero, de la cual el contenido de carbono es el que tiene un efecto más significativo.
Con el aumento del contenido de carbono en el acero, el intervalo de temperatura de transformación martensítica disminuye, como se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1 Efecto de Contenido de carbono sobre Ms y Mf
Con el aumento del contenido de carbono, los cambios del punto Ms y del punto Mf no son completamente coherentes, y el punto Ms muestra un descenso continuo relativamente uniforme;
Cuando el contenido de carbono es inferior a 0,6%, el punto Mf disminuye más significativamente que el punto Ms, ampliándose así el intervalo de temperaturas de transformación martensítica (Ms Mf).
Sin embargo, cuando el contenido de carbono es superior a 0,6%, el punto Mf disminuye lentamente, y debido a que el punto Mf ha caído por debajo de 0 ℃, hay más residual. austenita en la estructura a temperatura ambiente después del enfriamiento.
El efecto del N sobre el punto Ms es similar al del C.
Al igual que el C, el N forma una solución sólida intersticial en el acero, que tiene un efecto de refuerzo de la solución sólida en la fase γ y la fase α, pero especialmente en la fase α, aumentando así la resistencia al cizallamiento de la transformación martensítica e incrementando la fuerza impulsora de la transformación.
Al mismo tiempo, el C y el N también son elementos que estabilizan una fase.
Reducen la temperatura de equilibrio T0 de γ → α 'transición de fase, por lo que reducen fuertemente el punto Ms.
Los elementos de aleación comunes en el acero pueden reducir el punto Ms, pero el efecto no es tan significativo como el del carbono.
Sólo el Al y el Co elevan el punto Ms (como se muestra en la Fig. 2).
Fig. 2 Efecto de los elementos de aleación en el punto Ms de la ferroaleación
Los elementos que reducen el punto Ms están ordenados según su intensidad de influencia: Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, V, Ti.
Entre ellos, W, V, TI y otros elementos formadores de carburos fuertes existen principalmente en forma de carburos en el acero, y raramente se disuelven en austenita durante el enfriamiento y el calentamiento, por lo que tienen poco efecto sobre el punto Ms.
La influencia de los elementos de aleación en el punto Ms depende principalmente de su influencia en la temperatura de equilibrio T0 y el efecto de refuerzo de la austenita.
Todos los elementos (como C) que reducen drásticamente T0 temperatura y refuerzan la austenita reducen bruscamente el punto Ms.
Mn, Cr, Ni, etc. no sólo reducen la T0 temperatura pero también aumentan ligeramente la resistencia austenítica, por lo que también reducen el punto Ms.
Al, Co, Si, Mo, W, V, Ti, etc. aumentan la T0 temperatura, sino que también aumentan la resistencia de la austenita en diversos grados.
Así que..,
① Si el primero desempeña un papel más importante, el punto Ms subirá, como Al y Co;
② Si este último tiene un efecto mayor, el punto Ms se reducirá, como Mo, W, V, Ti;
③ Cuando las dos funciones son aproximadamente equivalentes, tiene poco efecto en el punto Ms, como Si.
De hecho, la interacción entre la aleación elementos de acero es muy complejo, y el punto Ms del acero depende principalmente de la prueba.
Generalmente se cree que todos los elementos de aleación que reducen el punto Ms también reducen el punto Mf.
Como se ha mencionado anteriormente, la transformación martensítica se inducirá cuando la austenita se deforme plásticamente entre Md Ms.
Del mismo modo, la deformación plástica entre Ms Mf también puede promover la transformación martensítica y aumentar la transformación martensítica.
En general, cuanto mayor es la deformación y menor es la temperatura de deformación, mayor es la deformación inducida martensita variables de transformación.
Dado que la transformación en martensita producirá inevitablemente una expansión de volumen, la tensión de compresión multidireccional impedirá la formación de martensita, reduciendo así el punto Ms.
Sin embargo, la tensión de tracción o la tensión de compresión unidireccional suelen favorecer la formación de martensita, lo que hace que aumente el punto Ms.
La influencia de la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento en el punto Ms es compleja.
El aumento de la temperatura de calentamiento y la prolongación del tiempo de mantenimiento favorecen una mayor disolución de los elementos de carbono y aleación en la austenita, lo que reducirá el punto Ms, pero al mismo tiempo provocará el crecimiento de los granos de austenita, reducirá sus defectos cristalinos y disminuirá la resistencia al cizallamiento durante la formación de martensita, aumentando así el punto Ms.
En general, si no se produce ningún cambio en la composición química, es decir, en condiciones de austenitización completa, el aumento de la temperatura de calentamiento y la prolongación del tiempo de mantenimiento aumentarán el punto Ms;
En condiciones de calentamiento incompleto, el aumento de la temperatura o la prolongación del tiempo aumentarán el contenido de carbono y elementos de aleación en la austenita, lo que provocará la disminución del punto Ms.
Bajo la condición de que la composición de la austenita sea constante, la resistencia de la austenita aumentará y la resistencia al cizallamiento de la transformación martensítica aumentará cuando se refine el grano, lo que reducirá el punto Ms.
Sin embargo, cuando el refinamiento del grano no afecta significativamente a la resistencia al cizallamiento, tiene poco efecto sobre el punto Ms.
En la Fig. 3 se muestra la influencia de la velocidad de enfriamiento en el punto Ms.
Fig. 3 Efecto de la velocidad de enfriamiento en el punto Ms del acero Fe-0.5% C-2.05% NI
Cuando la velocidad de enfriamiento es baja, el punto Ms permanece constante, formando un escalón inferior, que equivale al punto Ms nominal del acero.
Cuando la velocidad de enfriamiento es muy alta, se produce otro paso en el que el punto Ms permanece constante.
Entre las dos velocidades de enfriamiento anteriores, el punto Ms aumenta con el incremento de la velocidad de enfriamiento.
Estos fenómenos pueden explicarse del siguiente modo:
Se supone que la distribución de C en la austenita durante la transformación de fase es desigual, y la segregación se produce en defectos como dislocaciones, formando "masa de aire atómica de C".
El tamaño de esta "masa de aire" está relacionado con la temperatura.
A alta temperatura, la capacidad de difusión atómica es fuerte, y la tendencia a la segregación de átomos de C es pequeña, por lo que el tamaño de la "masa de aire" también es pequeño.
Sin embargo, cuando la temperatura disminuye, la difusividad atómica disminuye, la tendencia de los átomos de C a segregarse aumenta, y el tamaño de la "masa de aire" interior aumenta con la disminución de la temperatura.
En condiciones normales de temple, estas "masas de aire" pueden alcanzar un tamaño suficiente para reforzar la austenita.
Sin embargo, la velocidad de enfriamiento extremadamente rápida inhibe la formación de "masa de aire", lo que provoca el debilitamiento de la austenita y la reducción de la resistencia al cizallamiento durante la transformación martensítica, elevando así el punto Ms.
Sin embargo, cuando la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente alta, la flexión de la "masa de aire" se frena, y el punto Ms ya no aumenta con el incremento de la velocidad de enfriamiento.
La prueba muestra que cuando el acero se templa y se enfría en el campo magnético, el campo magnético aplicado inducirá la transformación en martensita.
En comparación con la situación sin campo magnético, aumenta el punto Ms y aumenta la transformación en martensita a la misma temperatura.
Sin embargo, el campo magnético externo sólo hace que el punto Ms aumente, pero no tiene ningún efecto sobre el comportamiento de transición de fase por debajo del punto Ms.
Fig. 4 Efecto del campo magnético externo en el proceso de transformación en martensita
Como se muestra en la Fig. 4, el campo magnético aplicado aumenta Ms a Ms' durante el temple y el enfriamiento, pero la tendencia creciente de la variable rotacional es básicamente coherente con la que se produce sin campo magnético.
Cuando se retira el campo magnético aplicado antes de que finalice la transformación de fase, ésta volverá inmediatamente al estado en que se encontraba cuando no se aplicó el campo magnético, y la cantidad de transformación final de martensita no cambiará.
La razón por la que el campo magnético externo afecta a la transformación en martensita es que el campo magnético externo hace que la fase de martensita con la máxima fuerza de saturación magnética sea más estable.
Fig. 5 Diagrama termodinámico del aumento del punto Ms causado por un campo magnético externo
Como se muestra en la Fig. 5, la energía libre de la martensita disminuye en el campo magnético, mientras que el campo magnético tiene poco efecto sobre la energía libre de la austenita no ferromagnética.
Por lo tanto, la temperatura de equilibrio bifásico T0 aumenta, y el punto Ms también aumenta. También puede considerarse que el campo magnético externo compensa en realidad parte de la fuerza impulsora química con energía magnética, y la transformación martensítica puede producirse por encima del punto Ms debido a la inducción magnética.
Este fenómeno es muy similar a la transformación martensítica inducida por deformación desde el punto de vista termodinámico.
A través de la introducción de este tema, debemos tener claros los cinco factores que afectan a los puntos Ms.
Por supuesto, la revisión periódica de estos puntos de conocimiento también desempeñará un papel beneficioso en nuestra comprensión de los mismos.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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