ANALISIS HIERRO CARBONO

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL CIENCIA DE MATERIALES CAPITULO 1

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DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO Y MICROESTRUCTURAS

DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

A las aleaciones de hierro-carbono pertenecen los aceros y las fundiciones. Los

elementos principales, de los cuales dependen la estructura y las propiedades de la

aleacin, son el hierro y el carbono.

Como resultado de una cristalizacin, es decir a partir de la aleacin lquida cristaliza

la austenita, cuyo contenido de carbono es de hasta 2%, en condiciones de igualdad de

pesos se forma la estructura austentica, las cuales se denominan aceros.

Las aleaciones que contienen mas del 2% de carbono y en la cual cristaliza

simultneamente la austenita y la cementita llevan el nombre de fundiciones.

DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

Este diagrama, presenta caractersticas particulares entorno a las fundiciones, ya que la

fractura de estas fundiciones es blanca y brillante ( fractura blanca ), razn por la cual

las mismas son denominadas blancas.

Fig.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono


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TRANSFORMACIONES Y MICROESTRUCTURAS PARA LOS

ACEROS AL CARBONO Y PARA ACEROS DE BAJA ALEACIN

EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO.-

Estudiaremos los aceros hipoeutectoides ( hasta un 0.8% de carbono ), luego los aceros

eutectoides (0.8% de carbono ) y por ultimo los hipereutectoides ( de 0.8 a 2% de

carbono). Los aceros bajos en carbono son los mas importantes del grupo,

principalmente a causa de su alta ductilidad, tanto en fro como en caliente, lo cual

permite que se procesen en formas con excelente resistencia y tenacidad. Todos los

aceros estructurales y para carroceras de automviles estn dentro de este grupo. La

mayora de las fundiciones en acero, tales como las partes para vagones de ferrocarril,

tambin estn dentro de esta gama de composiciones.

ACEROS HIPOEUTECTOIDES.-

Para tener una concepcin mas generalizada, analicemos un acero tpico de esta clase

( 0.3% de carbono ) ayudndonos con el diagrama mostrado ( Fig.2).

Los cambios mas importantes ocurren desde el enfriamiento en el intervalo de 1600 a

1300oF ( 871 a 704oC ). La ferrita () se comienza a precipitar en los limites de los

granos de la austenita () a 1333oF (723oC) y la fase cambia de 0.3 a 0.8% de carbono

Fig.2. Diagrama hierro carbono, para analizar un acero hipoeutectoide


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como resultado de esto ( la lnea de coexistencia cambia en la regin de + al

enfriarse). A 1333oF (723oC) lo que queda de se transforma en una mezcla de

+ carburo por medio de una reaccin eutectoide a temperatura constante,

+ carburo. El hecho importante es que se forma una mezcla entretejida o laminar

de dctil y de carburo duro. Este compuesto se denomina perlita y tiene una mayor

resistencia y una menor ductilidad que es la ferrita. Obsrvese que el nombre se da a la

mezcla laminar, nica de las dos fases de + carburo.

A partir de 1333oF (723oC) tenemos aproximadamente 63% de ferrita y 37% de

austenita. Nos referimos a la ferrita como ferrita primaria, para no confundirla con la

que resulta de la formacin de la perlita. Ahora, a 1333oF (723oC) toda la austenita que

queda ( de 0.8% de carbono ) se transforma en perlita y, por lo tanto, obtenemos

ferrita eutectoide ( Fig.3.a ).

Se debe recalcar que, para lograr el equilibrio, el enfriamiento debe ser lento. Un

enfriamiento mas rpido, tal como el enfriamiento por aire, producir una perlita mas

fina y se denomina normalizado. Un enfriamiento lento, tal como en enfriamiento en

horno, pasando por el eutectoide, se denomina recocido total y tiene como resultado

una resistencia algo mas baja pero una ductilidad mayor que la que se obtiene en el

normalizado. Se puede obtener otra variacin en el tamao de la perlita recalentando

o manteniendo por periodos largos la temperatura justo por debajo de la eutectoide.

Los carburos en la perlita cambian de las placas comunes a esferas ( Fig.3.b). Esta

microestructura se denomina perlita esferoidal y tiene una menor dureza, pero mayor

ductilidad y tenacidad que la perlita laminar.

( a ) ( b )

Fig.3. ( a ) Cambios en la microestructura de un acero hipoeutectoide al enfriarse. La fotomicrofa del material muestra la ferrita blanca (parte blanca) y la estructura laminar de perlita ( parte obscura) atacado con nital al 2% 500 x. ( b) Estructura esferoidizada de un acero con 0.5% de carbono. Hay esferoides muy finos de carburo de

hierro en la matriz ; VHN 170. La fotomicrigrafa es de 500 aumentos, la muestra fue atacada con nital al 2%


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( a ) 0% C ( b ) 0.20% C

( c ) 0.35% C ( d ) 0.5% C

( e ) 0.7% C

ACEROS EUTECTOIDES.-

Durante el enfriamiento ( Fig.3.), hasta 2732oF ( 1500oC ) el acero se encuentra en estado

lquido. A la temperatura 2732oF ( 1500oC ) comienza la cristalizacin de ( austenita ).

Desde 2731 a 2060oF ( 1500 a 1130oC ) tiene lugar la cristalizacin de la austenita, y el

Fig.4. Aleaciones de Hierro-Carbono recocidas ( 500 X ). La secuencia de fotos de ( a ) a ( d ) muestran incrementos en el contenido de carbono, por lo tanto, hay un correspondiente decremento en la cantidad de ferrita proeutectoide ( reas claras ) que se separa la austenita antes de la reaccin eutectoide. Las reas grises son perlita, una mezcla laminar de ferrita eutectoide y carburo.


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acero consta de austenita y de aleacin lquida. Desde 2060oF hasta 1333oF ( 1147oC

hasta 723oC ) el acero est constituido por ( austenita ). En 1333oF ( 723oC ) ocurre la

transformacin de ( austenita en perlita ). Por debajo de 1333oF ( 727oC ), el

acero tiene la estructura de perlita.

ACEROS HIPEREUTECTOIDES.-

Los aceros con alto contenido de carbono poseen mayor cantidad de la fase de carburo

dura y son tiles cuando se requieren mayor resistencia, dureza y resistencia al

desgaste, tal como en la hoja de un cuchillo, en otras herramientas cortantes y en

cojinetes. Analizamos el enfriamiento de un acero con 1% de carbono con ayuda del

diagrama mostrado (Fig.6.).

Fig.6. Diagrama hierro carbono, para analizar un acero hipereutectoide

Fig.5. Acero eutectoide; perlita ( 1000 X )


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El intervalo de temperatura importante para este material esta entre 1550 y 1300oF ( 830

a 701oC). Es de vital importancia observar una fase frgil, el carburo de hierro, se

precipita en los limites de los granos austenticos desde 1520 hasta 1341oF (827 a 727oC)

( Fig .7. ).

Las propiedades de este material con alto contenido de carbono en el caso en el cual se

enfra lentamente, son muy malas. Adems la tenacidad de estos aceros

hipereutectoides es aun menor que la de los hipoeutectoides, debido a que contienen

una mayor cantidad de carburo.

( a ) ( b )

Fig.4. Cambios en la microestructura de un acero hipereutectoide al enfriarse. La fotemicrografa real de 500 aumentos del materia atacado con nital 2%. Perlita (gris), VHN 235. Algo de ferrota, VHN 160, precipitada junto al carburo (blanco)

Fig.8. Fotomicrografa de un acero hiperutectoide; perlita y cementita en forma de red. ( a ) 200X , ( b ) 500 X


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TRANSFORMACIONES Y MICROESTRUCTURAS PARA LAS

FUNDICIONES BLANCAS EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO.-

Estudiaremos las fundiciones hipoeutctica ( desde 2% hasta un 4.3% de carbono ), las

fundicin eutctica (4.3% de carbono) y las fundiciones hipereutcticas ( desde 4.3%

hasta un 6.67% de carbono ), analizados mediante el diagrama anexado ( Fig.9. ).

FUNDICIN BLANCA HIPOEUTECTICA.-

Para tener una concepcin mas generalizada, analicemos una fundicin tpica de esta

clase ( 3% de carbono ).

Hasta la temperatura de 1300oC la fundicin se encuentra en estado liquido. A partir

de esta temperatura empieza la cristalizacin de la austenita. Desde 1300oC hasta

1147oC se opera la cristalizacin de la austenita, al llegar a la temperatura eutctica

(1147oC) la fundicin viene constituida por la austenita con un contenido de 2 % de

carbono y por la aleacin lquida de la composicin eutctica ( 4.3% de carbono).

A la temperatura eutctica se desarrolla la cristalizacin eutctica, es decir se forma

cementita + austenita con un contenido de carbono del 2%. Desde 1147oC hasta 727oC

de la austenita, tanto la libre, como aquella que entra en la cementita + austenita, se

separara la cementita secundaria. En 727oC tiene lugar la transformacin de la

Fig.9. Diagrama Hierro-Carbono para el anlisis de la fundicin blanca


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austenita en perlita. Por de bajo de 727oC la fundicin se compone de cementita +

austenita, perlita y cementita secundaria.

( a ) ( b )

FUNDICIN BLANCA EUTECTICA.-

Para tener una concepcin mas generalizada, analicemos la fundicin de esta clase

( 4.3% de carbono ).

Hasta 1147oC la fundicin se encuentra en estado slido. A esta temperatura la

fundicin solidifica totalmente y se forma cementita + austenita compuesta de la

austenita que contiene 2% de carbono y de cementita. Desde 1147oC hasta 727oC a

partir de la austenita se separa la cementita secundaria, y el contenido de carbono en

la austenita se transforma en perlita. Por debajo de 727oC la fundicin tiene la

estructura de cementita + austenita, perlita y cementita secundaria.

Fig.10. Microestructura de la fundicin blanca hipoeutctica, que contiene cementita ( blanca ) y perlita ( obscura ). ( a ) Fotomicrografa 200 X ( b ) Fotomicrografa 500 X

Fig.11. Fundicin blanca eutctica, las zonas blancas representan la cementita y las zonas obscuras la perlita. 1000 X


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FUNDICIN BLANCA HIPEREUTECTICA.-

Para tener una concepcin mas generalizada, analicemos una fundicin tpica de esta

clase ( 5% de carbono ).

Hasta 1435oC la fundicin se encuentra en estado liquido. A la temperatura de 1435oC

comienza la cristalizacin de la cementita primaria. Desde 1435 oC hasta 1147 oC se

desarrolla la cristalizacin de la cementita primaria, y la fundicin consta de aleacin

liquida y de cementita primaria, y la fundicin consta de aleacin lquida y cementita

primaria. A la temperatura eutctica la fundicin se compone de cementita primaria y

de aleacin lquida de composicin eutctica, es decir, de aquellas que contienen

4.3%C, el cual, al cristalizar a esta temperatura forma cementita + austenita, cuyo

contenido de carbono es 2%.

Por debajo de 1147oC la transformacin experimenta solamente cementita + austenita,

mientras que la cementita primaria no cambia. La transformacin operada en la

cementita + austenita es la misma que en la fundicin hipoeutctica y eutctica.

DIAGRAMA HIERRO-GRAFITO

Este diagrama tiene por caracterstica el desprendimiento de carbono en forma de

grafito, por consiguiente la particularidad del sistema examinado es la formacin del

grafito. La estructura cristalina del grafito es laminada. Su resistencia mecnica y

plasticidad son normalmente bajas.

En la Fig.13. se observa que a 1153oC se forma el autctico ( cristalizacin simultanea

de la austenita con la cementita primaria, llamada tambin ledeburita ) consistente de

grafito y austenita que se denomina autctico graftico.

Fig.12. Micrografa de una fundicin blanca hipereutctica: cementita laminas clara; y austenita + cementita. 500 X


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A 738oC la austenita que contiene 0,7% de carbono se descompone formando una

eutectoide que consta de ferrita y grafito. Dicha eutectoide se denomina graftica.

Despus del enfriamiento completo, la estructura de este sistema se compone de

ferrita y grafito: eutctico, secundario y eutectoide. Esta es la fundicin ferrita gris.

Sin embargo la mayora de los casos es imposible distinguir en la microestructura

todos los componentes estructurales enumerados.

TRANSFORMACIONES Y MICROESTRUCTURAS PARA LAS

FUNDICIONES GRISES EN CONDICIONES DE EQUILIBRIO.-

En este sistema, la similitud en el cambio de fase dentro de los aceros es paralela a la ya

vista en el diagrama Hierro-Carbono, por lo que se limita al anlisis de las fundiciones

que como ya se mencion anteriormente tienen un porcentaje de carbono igual o

superior al 2%.

Debido a la formacin del grafito, vamos a encontrar tres tipos diferentes de

fundicin, y por lo tanto en su microestructura.

Fig.13. Diagrama de equilibrio Hierro-Grafito


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Los tipos de fundiciones a hablar son:

1. Fundicin gris

2. Fundicin maleable

3. Fundicin nodular

FUNDICIN GRIS.-

En la que prcticamente todo el carbono se encuentra en estado libre en forma de

grafito, o bien , parte del carbono ( la mayor ) se encuentra en forma de grafito y otra

parte se presenta en estado combinado en forma de cementita, pero la cantidad de

carbono combinado es igual o menor que la eutectoide.

Fig.14. Tipo A. Distribucin de hojuelas de grafito en el hierro gris; caracterizada por la distribucin uniforme y orientacin al azar. 100X

Fig.15. Tipo B, distribucin de hojuelas de grafito en el hierro gris, caracterizada por la agrupacin de escarapela y orientacin al azar. 100X

Fig.16. Tipo C. Distribucin de grafito de hojuelas en el hierro gris, caracterizado por la superposicin de hojuelas de tamao y orientacin al azar. 100 X

Fig.17. Tipo D. Distribucin de grafito en hojuelas en hierro gris, caracterizado por la segregacin indeterminada y orientacin al azar


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Fig.18. Tipo E. Distribucin de grafito en hojuelas, caracterizado por la segregacin indeterminada y perfecta orientacin.

Fig.19. La estructura es esencialmente como el lanzamiento y consiste en grafito tipo D que divide en hojuelas una matriz de ferrita, con las vendas oscuras de perlita a los lmites celulares. 100 X

Fig.20. Tipo A de hojuelas de grafito y una dispersin de finas partculas de carburo esferoides y algunas partculas de carburo masivo, en la matriz de ferrita. 100X

Fig.21. Tipo A de grafito en la matriz de ferrita y perlita. Las vendas obscuras de perlita en los limites de las celdas . 100X

Fig.22. Hierro gris con excelente apreciacin de Bainita (claro) y perlita fina ( obscura). 500X

Fig. 23. Hiero gris con alto contenido de fsforo, posee hojuelas de grafito tipo A y B. 100X

Fig.25. Hierro gris tipo A y B de grafito, tamaos del 5 al 8 en una matriz de bainita y perlita fina. 200X

Fig.24. Hierro gris tipo A y B de grafito, tamaos del 5 al 8 en una matriz de bainita y perlita fina. 100X


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FUNDICIN NODULAR.-

Es anloga a la fundicin gris, pero la forma del grafito es esferoidal.

Fig.26. Forma esferoidal, acero maleable. 250 X

Fig. 27. Microestructura de un hiero maleable. Existe ferrita que rodea los ndulos de grafito. 250X

Fig.28. Microestructura 100 X . Se aprecia el carburo libre columnar.

Fig.30. Microestructura de un

hierro Nodular, presentando

escoria no metlica atrapada. 100X

Fig.29. Pequea escoria no metlica. ( zona gris) y los ndulos de grafito disperso en la ferrita. La matriz es perlita. 100X

Fig.31. Metal fundido sostenido durante 10 min. a 2450oF. La tendencia produce deterioramiento en la forma de los ndulos de grafito y formacin de alguna carburo libre. 250 X


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FUNDICIN MALEABLE.-

Es anloga a la fundicin gris, pero la forma del grafito es de copos.

Fig.32. Hierro esferoidal con los ndulos de grafito segregados. Distribucin densa de los ndulos cerca de la superficie echada. 8 X

Fig.33. Microestructura de hierro nodular . Mostrando grafito de tipo I ( esferas ) y tipo III ( vermicular ). 50 X

Fig.34. La matriz demuestra segregacin de grafito nodular cerca de la superficie echada. 8X

Fig.35. Microestructura de una matriz de ferrita que se produjo por la suma de Ca-Si el compuesto durante verter.

Fig.36. Microestructura de una fundicin maleable. 500X

Fig.37. Los ndulos del Temple-carbono (negro) y partculas de MnS (gris) en la matriz de martensita templado. 500X


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Fig.38. Exhibicin frrica maleable los ndulos irregulares de grafito del temple-carbono. 500X

Fig.39. Exhibicin frrica maleable sumamente

abra yo los ndulos de grafito del temple-carbono.

500X

Fig.40. exhibicin frrica maleable la alineacin ligera

de ndulos de grafito de temple-carbono. 50X

Fig.41. La exhibicin frrica maleable y alineacin excesivo de ndulo de grafito de temple-carbono. 50X

Fig.42. Microestructura que claramente define los

ndulos del temple-carbono y matriz de martensita

templado. 500X

Fig.43. Matriz en la zona endurecida a la superficie

ha sido, martensita con algo de austenita (blanco).

500X


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REACCIONES FUERA DEL EQUILIBRIO.-

Si en el diagrama de hierro carburo nos limitamos a las estructuras en equilibrio y a los

aceros al carbono, no se podran producir una gran cantidad de herramientas criticas y

sus componentes. Imaginemos nuestros problemas si no existieran brocas

endurecidas, limas, herramientas de torno, engranajes, cinceles, arados, rodillos,

cuchillas de afeitas y cientos de partes en las cuales se requieren dureza y resistencia!.

Antes de proseguir necesitamos recalcar que el cambio de dureza, son reacciones que

necesitan de tiempo, a causa de los requerimientos para la nucleacin de nuevas

estructuras o fases y la difusin de tomos que permiten el crecimiento del grano,

procesos que no ocurren instantneamente.

TRANSFORMACIN DE LA AUSTENITA.-

Parte importante de la concepcin de este proceso es entender la transformacin de la

austenita. Consideremos primero las reacciones que pueden ocurrir con la austenita

eutectoide. Qu sucede si evitamos que ocurra la reaccin a 1341oF (727oC) enfriando

Fig.44. El diagrama TTT para la descomposicin de la austenita en un acero de carbono eutectoide (AISI 1080).


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la austenita rpidamente desde 1500 hasta 1200 o 800oF ( 815 a 649 o 427oC) o an mas

fro y dejamos que reaccionen a estas temperaturas?.

Realizamos un experimento para determinar estos efectos. En una maquina

herramienta elaboramos una muestra delgada de un acero con 0.8% de carbono, con

dos huecos que sirven como puntos de referencia para la medicin. Procedemos a

ensayar en una maquina denominada dilatmetro (Fig.44).

Luego colocamos la muestra de un gancho A en un tubo de slice fundida. El tubo

mismo se sostiene rgidamente de una plataforma B. Luego el gancho de un tubo

interior en el agujero C mas bajo la muestra. La muestra se somete ahora a una

traccin leve, para que soporte el tubo interior, apoyando la punta en el soporte del

tubo exterior.

Este instrumento se denomina dilatmetro porque mide el cambio en la longitud de la

muestra. Ya sea que la muestra se contraiga o expanda, el movimiento se registra

fielmente en la cartula.

Luego cambiamos la estructura de la muestra a austenita calentando a 1600oF (871oC).

Esto se hace simplemente sumergiendo la parte inferior del dilatmetro con la

muestra en un recipiente que contenga plomo lquido a 1600oF (871oC). La slice

fundida es inerte y tiene una excelente resistencia al choque trmico.

Fig.44. Dilatmetro para medir trasformaciones. 1 = gua del indicador, 2 = medidor de cartula, 3 = salientes de cuarzo, 5 = tubo

exterior de cuarzo, 6 = tubo interior de cuarzo, 7 = muestra ( 4 por por 1/32 pulg; 114.3 por 12.4 por 0.8 mm.


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FORMACIN DE PERLITA.-

Para observar la transformacin que ocurre, realizamos la experiencia anterior, con la

variante que ahora sea un recipiente con plomo a 1300oF (704oC), y al representar los

cambios de longitud que ocurren en el tiempo se obtiene la grafica mostrada ( Fig.45.).

Al analizar esta grafica e interpretar los resultados encontramos cambios estructurales.

La primera etapa (1) es una contraccin a medida que se enfra la austenita. La

muestra esta a temperatura constante durante el periodo (2) y dado, que no esta

ocurriendo un cambio en la microestructura, no se presenta ningn cambio en la

longitud. En un lapso posterior (3) notamos que la longitud de la muestra esta

aumentando, aunque esta en un bao a temperatura constante. Esto se debe al cambio

en la estructura austenita perlita. Despus de la transformacin no hay cambio en

las dimensiones. Mientras la temperatura se mantenga constante.

Si medimos la dureza del acero a la temperatura ambiente despus de la

transformacin, encontraremos que esta aumenta a medida que se reduce la

temperatura de transformacin. El espacio entre las placas de carburo en la perlita es

menor y la dureza y la resistencia estn relacionados con la distancia entre los

carburos.

Fig.45. Cambio de longitud al templar de un acero con 0.8% de carbono a 1300oF (723oC)

Fig.46. Perlita 2500X. Esta microestructura es una

mezcla laminar de ferrita (matriz clara ) y carburo

(oscura). La perlita se forma de la austenita con

composicin eutectoide. Por lo tanto, la cantidad y

composici6n de la perlita es la misma cantidad y

composicin eutectoide


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FORMACIN DE LA BAINITA .-

Por debajo de 1000oF (538oC) la estructura transformada cambia su apariencia desde

placas alternantes y carburo de la perlita hasta una estructura en forma de plumas

denominada bainita. La dureza sigue aumentando porque el carburo se esta volviendo

cada vez mas fino y en consecuencia la distancia a la cual puede ocurrir el

deslizamiento en la ferrita se hace mas pequea.

( a ) ( b )

FORMACIN DE MARTENSITA.-

Por debajo de los 420oF (216oC) una fraccin de la nueva estructura, denominada

martensita se forma instantneamente con cada disminucin de temperatura. Si se

suspende el enfriamiento y mantenemos la temperatura constante, no se produce mas

martensita sino hasta cuando se reinicie el enfriamiento.

La temperatura a la cual se

Fig.47. (a) Bainita superior (placas grises en forma de pluma). (b) Bainita inferior, (agujas obscuras). 500X

Fig.48. Interpretacin esquemtica del efecto de calentamiento, aproximadamente en la transformacin de temperatura, microestructura y propiedades del acero al carbn eutectoide


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inicia la transformacin se denomina temperatura de comienzo de la martensita ( Ms ) y la

temperatura a la cual termina se denomina como temperatura final de la martensita ( Mf ).

La importancia de la martensita radica en que es la estructura mas dura que se forma a

partir de la austenita.

Es especialmente importante observar que una vez que la bainita se ha transformado

en alguna de las estructuras mencionadas antes, no se puede transformar en otra a

menos que se recaliente la pieza a la temperatura de la austenita.

( a ) Martensita 80X ( b ) Martensita templada (

400oF ). 400X

( c ) Martensita templada ( 100oF ) 400X

( d ) Martensita y perlita muy fina. 80X

( e ) Martensita y perlita muy fina. 400X

Fig.49. Estructura del acero. Micro estructuras de martensita

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