1.1.4. Transformacions dels acers

Les transformacions en estat sòlid de l’acer i en general de tots els materials no es produeixen instantàniament, necessiten un temps perquè es duguen a terme, per la qual cosa cal estudiar-ne la cinètica. Es poden agrupar els canvis estructurals en tres grups principals:

I. Transformacions difusionals sense canvi de composició. II. Transformacions difusionals amb canvi de composició. III. Transformacions adifusionals.

La cinètica dels processos en estat sòlid ve donada per dos processos diferenciats: la nucleació de la fase i el posterior creixement. L’equació d’Avrami dona compte del transcurs de la reacció Eq. (11):

y = 1 – e –kt n Eq. (11)

On k i n són constants pròpies de cada reacció. En la figura 21 es mostra la fracció de transformació (i) en funció del temps.

Figura 21. Representació de l’equació d’Avrami per a una reacció en estat sòlid típica. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Per conveni s’expressa la velocitat de transformació (ρ) com la inversa del temps necessari perquè ocórrega la meitat de la transformació i s’anomena t0,5 ot1/2. La velocitat de transformació segueix un comportament del tipus Arrhenius en la majoria de processos, és a dir, són processos activats tèrmicament. És important indicar que les condicions d’escalfament o refredament d’un aliatge, mai ocorren en condicions d’equilibri, ja que per aconseguir-lo, necessitaríem períodes tan llargs que no són aplicables en la pràctica. Açò genera cert desfasament en les temperatures indicades pels diagrames, que en el cas del diagrama Fe-C, implica uns 10-20 °C de diferència. Aquest fenomen es denomina subrefredament o sobreescalfament en funció de la direcció del tractament.

1.1.4.1. Transformacions adifusionals

Quan refredem ràpidament un acer austenític fins a la temperatura ambient, no es produeix la transformació eutectoide a perlita, sinó que apareix una nova fase anomenada martensita. Aquesta transformació de fase no és exclusiva de l’acer, també es dona en algunes ceràmiques com la de zirconi i només ocorre a velocitats de refredament molt ràpides.12

El mecanisme d’aquesta transformació no és massa conegut, encara que es va descriure per primera vegada al voltant del 1900. La transformació martensítica s’ha fet durant pràcticament tota la història de la humanitat gràcies a les propietats que brinda a l’acer, malgrat el seu descobriment tardà. S’ha comprovat que el canvi estructural sofert durant la martenització s’ha produït pel moviment cooperatiu de gran quantitat d’àtoms de ferro i carboni entre petites distàncies des de les seues posicions d’equilibri.13 No és un procés difusional, sinó més bé es deu a la distorsió de l’estructura d’fcc de l’austenita, per a donar lloc a una estructura tetragonal centrada en el cos (bct) de la martensita, segons la figura 22.

L’estructura resultant consisteix en grans de martensita en forma d’agulles o aciculars sobre una matriu d’austenita no transformada durant el ràpid refredament, a la qual es denomina austenita retinguda. En la figura 22 (a) es mostra l’estructura resultant. Són els acers més durs i resistents, però també els més fràgils.

Un altre problema associat al temperat, és l’augment de volum que es produeix com a conseqüència del canvi fcc → bct, que origina microesquerdes i defectes en la peça, que poden donar lloc a una fallada mecànica durant el servei. Una manera d’eliminar les tensions produïdes en el temperat, es basa en aplicar un tractament tèrmic de recuit, que s’anomena reveniment. La microestructura resultant del reveniment, consisteix en una matriu de ferrita amb precipitats esfèrics, dispersos, homogenis i extremadament petits de cementita (carbur de ferro). Aquesta estructura és similar als acers esferoides (fig. 25), encara que els precipitats en la martensita objecte de reveniment són molt més petits i, per tant, donen un acer mecànicament més resistent.

12. Aquest tractament tèrmic es denomina temperat. 13. Aquest moviment ocorre de manera molt ràpida, a una velocitat que s’acosta a la velocitat del so, de manera que es pot dir que és un canvi estructural instantani.

Figura 22. (a) Micrografia òptica a 1.200 augments d’un acer martensític. (b) Micrografia sem a 9.300 augments de l’apartat anterior sotmès a un reveniment de 590 °C. (c) Cel·la d’unitat tetragonal de l’estructura martensita, on els cercles acolorits corresponen als àtoms de Fe i les aspes als àtoms de C. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Les qualitats mecàniques d’aquests acers són excel·lents, atès que presenten gran tenacitat, degut a la millora de la ductilitat respecte a la martensita pura. Així mateix, la duresa d’aquests acers només és lleugerament inferior als martensítics purs, raó per la qual són materials amb un comportament mecànic excel·lent.

Segons el tractament tèrmic aplicat (reveniment), la grandària de les partícules de cementita serà una o una altra, el que influirà també en la duresa i tenacitat de l’acer. Com més temperatura i durada del reveniment, més grandària tenen les partícules de cementita i menor serà la duresa de l’acer resultant.

El reveniment des del punt de vista operatiu, es fa entre els 250 °C i 650 °C durant un període predeterminat. També és possible eliminar una part de les tensions mitjançant un tractament de recuperació a 200 °C. En els acers així tractats no hi ha transformacions de fase i estructuralment continuen sent de martensita.

En la figura 23, es mostra la variació de la temperatura i de temps en el tractament de reveniment. El tractament de reveniment és un procés difusional amb canvi de composició de les fases presents, descrit per l’equació següent. Segons el tractament de reveniment aplicat, quan el contingut en carboni és molt elevat no sempre es descompon tota la martensita en ferrita i cementita, sinó que part d’aquesta roman en l’estructura, com s’indica.14

Martensita (monofàsica)  Martensita revinguda (Fe α + Fe3C)

El procés de reveniment es pot explicar pel fet que la fase tetragonal de la martensita es troba sobresaturada en carboni. En escalfar-se es produeix la difusió dels àtoms de carboni, que formen la cementita i la ferrita que són les fases d’equilibri en el diagrama de fases. Els acers martensítics són els que presenten un contingut

14. S’anomena martensita revinguda

més alt en carboni, més d’un 0,2 % en pes. Això és així perquè a més contingut en carboni més fàcil de temprar és l’acer resultant.15

Figura 23. Variació de la temperatura (a) i temps (b) en el tractament de reveniment per a un acer martensític 4340. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

1.1.4.2. Transformacions difusionals sense canvi de composició

Els típics exemples d’aquestes transformacions són: els canvis d’estat de substàncies pures, les transformacions al·lotròpiques, la recristal·lització i el creixement de gra.

Quan un metall o aliatge ha estat sotmès a una deformació o treballat en fred, al seu si es produeixen dislocacions de plans cristal·lins, els quals deformen l’estructura i emmagatzemen una part de l’energia rebuda durant la seua creació. Aquesta es pot alliberar mitjançant tractaments tèrmics de recuita o d’eliminació de tensions, en els quals no es produeixen canvis de fases de l’estructura, únicament difusió atòmica a les seues posicions d’equilibri que modifica les seues propietats. En funció de la temperatura i durada del tractament distingim entre les fases següents: nucleació, recuperació i creixement de gra. En la figura 24 s’esquematitzen els processos i la mesura de gra respecte a les propietats mecàniques:

15. La temprabilitat dona compte de la capacitat dels acers de ser temprats. Es mesura mitjançant l’estudi del gruix del material (assaig Jominy) que es transforma en martensita després del tempre. Com més temprabilitat més serà la profunditat dins del material que ha estat transformat. La representació de la duresa enfront del gruix s’anomena corbes de temprabilitat.

Figura 24. Representació gràfica de la microestructura d’un aliatge i les seues propietats mecàniques en funció de les transformacions difusionals a conseqüència d’un tractament tèrmic de recuita. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Un altre exemple d’aquest tipus de transformacions és la produïda quan s’escalfa un acer perlític a temperatures properes a l’eutectoide durant més de 15 hores i es produeix l’esferoidització l’acer, és a dir, en la matriu eutectoide els àtoms de carboni es difonen i formen precipitats esfèrics en la matriu de ferrita. És important destacar que no es produeix canvi en la composició de les fases de cementita ni de ferrita ni tampoc de la seua proporció relativa, només es produeix un reordenament de les fases produït per la tendència de disminuir la superfície de contacte entre Fe α i Fe3C. En la figura 25 es mostra l’estructura d’un acer amb esferoide.

Figura 25. Micrografia òptica d’acer amb estructura esferoide. Adaptat de Ciencia de los materiales, W. D. Callister, Ed. Reverté, Barcelona

Mecànicament l’esferoidita és un acer més dúctil i tenaç que el seu equivalent perlític, encara que en conseqüència també és més tou. L’esferoidització s’empra sovint en acers amb alt contingut en carboni per millorar la seua comformabilitad i tenacitat. Així mateix, cal destacar que el tractament d’esferoidització pot ser complet o donar lloc a estructures mixtes.

1.1.4.4. Transformacions difusionals amb canvi de composició

En són exemples típics les reaccions invariants, com són les solidificacions tractades amb anterioritat. En realitat, en refredar-se un acer d’una mateixa composició pot donar lloc a diferents tipus d’estructures amb diverses propietats entre si.

La bainita és una estructura de competició amb la perlita, quan es tempra a temperatures inferiors 550 °C. Igual que la perlita, la bainita està constituïda de ferrita i cementita, però l’estructura resultant és en forma de petites plaques o agulles de Fe3C sobre la matriu de Fe α. En la figura 26 es mostra una micrografia d’aquesta estructura.

Com es detallarà a continuació, les microestructures dels acers després del seu refredament són el resultat de la competició termodinàmica i cinètica, de manera que la perlita és l’estructura estable termodinàmicament i la bainita16 és la resultant per competició cinètica. Per això, en funció de la velocitat de refredament obtindrem una o l’altra estructura.

16. El nom prové del seu descobridor, Edgar Bain, 1939.