La microestructura de la bainita superior está formada por placas finas de ferrita de 0.2 micras de espesor y 10 micras de longitud, aproximadamente. Las placas crecen en grupos denominados plumas. En cada pluma las placas de ferrita son paralelas y de idéntica orientación cristalográfica, y cada una presenta un plano de hábito bien definido. Las placas individuales en una pluma son generalmente denominadas 'sub-unidades' de bainita, y aparecen separadas por fronteras ligeramente desorientadas o partículas de cementita.
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Microestructura de bainita superior en un acero rico en silicio. El silicio impide la
precipitación de cementita, en su lugar se forman películas de austenita entre las
placas de ferrita bainítica. (a) Micrografía optica; (b) micrografía de campo claro
de trasmisión de electrones; imagen de campo oscuro de austenita retenida;
micrografía de trasmisión de electrones, montaje de una pluma de bainita (esta pluma
se veria como una única placa oscura en microscopía optica).
Bhadeshia y Edmonds, Acta Metallurgica, volumen 28 (1980) 1265-1273.
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La bainita superior se desarrolla en distintas etapas. El proceso se inicia con la nucleación de las placas de ferrita en las fronteras de grano austenítico. El crecimiento de cada placa es acompañado por un cambio en la forma de la región transformada (Figura), el cual puede ser descrito exactamente como una deformación del plano invariante con una gran componente de cizalla, muy similar a la observada durante la transformación martensítica. Sin embargo, la bainita crece a relativamente altas temperaturas, comparadas con las de formación de martensita, por lo que la austenita, cuya resistencia decrece cuando la temperatura de formación aumenta, no puede soportar las grandes deformaciones asociadas al cambio de forma. Estas deformaciones son relajadas por la deformación plástica de la austenita adyacente. El local incremento en la densidad de dislocaciones causado por la deformación plástica de la austenita, bloquea el movimiento de la intercara de transformación (Figura) y detiene, por tanto, el crecimiento de las placas de ferrita, de tal forma que el tamaño alcanzado por cada sub-unidad es menor que el del grano austenítico.
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Intensa maraña de dislocaciones formada en la intercara bainita (claros) austenita (oscuros), debida a la deformación inducida por el cambio de forma que tiene lugar en la transformación. La maraña de dislocaciones provoca la inmovilidad de la intercara por `éndurecimiento por trabajado', dando lugar a una pérdida de coherencia y al bloqueo del proceso de crecimiento. Este es la causa de la limitación del tamaño de cada placa de ferrita en una pluma bainítica. Bhadeshia y Edmonds, Metallurgical Transactions A, 10A (1979) 895-907. |
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Al igual que en la martensita, el cambio de forma hace que el mecanismo de crecimiento de la ferrita bainítica sea adifusional. La bainita crece en forma de placas delgadas con el fin de minimizar la deformación asociada a los desplazamientos. Si la bainita es una estructura cristalina generada por un movimiento coordinado de átomos, debe existir una relación de orientación entre la austenita y la bainita. Esta relación, experimentálmente, se ha comprobado que es del tipo en las que un par de planos de los mas compactos de ambas celdas son aproximádamente paralelos, asi como las correspondientes direcciones compactas en dichos planos. Esta es a grandes rasgos la descripción de una relación de orientación del tipo Kurdjumov-Sachs.
La bainita se forma en determinados planos cristalográficos, sin embargo, los índices del plano de hábito muestran una dispersión considerable ( Figura). Esto es debido a que muchas de las medidas son realizadas usando microscopía óptica, en tal caso, el plano de hábito determinado no es el de una sub-unidad individual, sino que corresponde a algún valor medio que depende del número, tamaño y distribución de las sub-unidades en la pluma bainítica. Todos estos factores pueden variar con la temperatura de transformación, el tiempo y la composición química.
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Planos cristalográficos irracionales de las plumas bainíticas y de las placas de martensita [Greninger y Troiano, Trans. AIMME, 140 (1940) 307-336]. Notar el énfasis en el término plumas, pues las medidas son realizadas mediante microscopía óptica y por tanto se refieren a la pluma de bainita como un todo, en lugar de a una sub-unidad individual. |
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Como ya se ha mencionado anteriormente, la bainita superior se forma en dos etapas, la primera supone la formación de ferrita bainítica, ésta presenta una muy baja solubilidad de carbono en la ferrita (<0.02 % en peso) por lo que el crecimiento de ferrita enriquece en carbono la austenita residual. Por último, la cementita precipita desde las láminas de austenita entre las sub-unidades de ferrita. La cantidad de cementita precipitada depende de la concentración de carbono de la aleación. Altas concentraciones de carbono dan lugar a una microestructura en la cual, las placas de ferrita aparecen separadas por láminas continuas de cementita. Cuando la concentración en carbono es baja en el acero, pequeñas y discretas partículas de cementita se forman entre las placas de ferrita.
Las partículas de cementita presentan una relación de orientación con la austenita, apartir de la cual precipitan, del tipo "Pitsch":
[0 0 1]Fe3C || [ -2 2 5]gamma
[1 0 0]Fe3C || [ 5 -5 4]gamma
[0 1 0]Fe3C || [ -1 -1 0]gamma
Diferentes formas de carburos pueden precipitar apartir de la austenita, y cada partícula estará indiréctamente relacionada a la ferrita através de la relación de orientación ferrita/austenita.
Si el acero presenta una cantidad suficiente de elementos aleantes retardadores de la formación de cementita (como silicio o aluminio), entonces la precipitación de carburos puede ser evitada por completo, de tal forma que se obtendría una microestructura de bainita superior compuesta exclusivamente de ferrita bainítica y austenita retenida y enriquecida en carbono. Esta microestructura también puede contener martensita, si la austenita residual transformase a martensita durante un enfriamiento a temperatura ambiente.