La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento desde la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo de difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientes para formar cementita (Fe3C). Por lo tanto, es un producto de transformación sin difusión. Cualquier difusión da lugar a la formación de fases de ferrita y cementita. Recibe su nombre del metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914).

A diferencia de la descomposición isotérmica de los constituyentes de fase por difusión, la martensita no es una fase asociada al equilibrio térmico. Por lo tanto, no aparece en el diagrama de fases de equilibrio hierro-carbono. Puede considerarse como un producto de transformación que compite con la perlita y la bainita.

La microestructura de la martensita en los aceros tiene diferentes morfologías y puede aparecer como martensita en listón o martensita en placa. Para el acero de 0-0,6% de carbono la martensita tiene la apariencia de listón, y se denomina martensita de listón. En el caso de los aceros con más de un 1% de carbono, formará una estructura similar a la de una placa, denominada martensita en placa. La martensita en placa, como su nombre indica, se forma como cristales lenticulares (en forma de lente) con un patrón en zigzag de placas más pequeñas. Entre esos dos porcentajes, el aspecto físico de los granos es una mezcla de los dos. La resistencia de la martensita se reduce a medida que aumenta la cantidad de austenita retenida.

Transformación martensítica

El endurecimiento por transformación, conocido también como endurecimiento por transformación martensítica, es uno de los métodos más comunes de endurecimiento, que se utiliza principalmente para los aceros (es decir, los aceros al carbono, así como los aceros inoxidables). Sin embargo, la transformación martensítica no es exclusiva de las aleaciones hierro-carbono. Se encuentra en otros sistemas y se caracteriza, en parte, por la transformación sin difusión.

Los aceros martensíticos utilizan predominantemente niveles más altos de C y Mn junto con el tratamiento térmico para aumentar la resistencia. El producto final tendrá una microestructura dúplex de ferrita con niveles variables de martensita degenerada. Esto permite obtener distintos niveles de resistencia. En metalurgia, el enfriamiento se utiliza habitualmente para endurecer el acero introduciendo martensita. Existe un equilibrio entre la dureza y la tenacidad en cualquier acero; cuanto más duro es el acero, menos duro o resistente al impacto es, y cuanto más resistente al impacto es, menos duro es.

La martensita se produce a partir de la austenita como resultado del temple, u otra forma de enfriamiento rápido. La austenita en las aleaciones de hierro-carbono generalmente sólo está presente por encima de la temperatura crítica eutectoide (723°C), y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. En caso de velocidades de enfriamiento normales, a medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja atrás la ferrita pobre en carbono. Dependiendo de la composición de la aleación, puede formarse una capa de ferrita y cementita, llamada perlita. Pero en caso de enfriamiento rápido, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse y se transforma en una forma tetragonal centrada en el cuerpo altamente tensionada llamada martensita que está sobresaturada de carbono. Todos los átomos de carbono permanecen como impurezas intersticiales en la martensita. La velocidad de enfriamiento determina las proporciones relativas de martensita, ferrita y cementita y, por tanto, determina las propiedades mecánicas del acero resultante, como la dureza, la resistencia a la tracción y la tenacidad.

Martensita templada

La capacidad relativa de una aleación ferrosa para formar martensita se denomina templabilidad. La templabilidad se mide comúnmente como la distancia por debajo de una superficie templada en la que el metal presenta una dureza específica de 50 HRC, por ejemplo, o un porcentaje específico de martensita en la microestructura. La mayor dureza de un acero perlítico es de 43 HRC, mientras que la martensita puede alcanzar los 72 HRC. La martensita fresca es muy frágil si el contenido de carbono es superior a aproximadamente 0,2 a 0,3%. Es tan frágil que no puede utilizarse para la mayoría de las aplicaciones. Esta fragilidad puede eliminarse (con cierta pérdida de dureza) si el acero templado se calienta ligeramente en un proceso conocido como revenido. El revenido se consigue calentando un acero martensítico a una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo de tiempo determinado (por ejemplo, entre 250°C y 650°C ).

Este tratamiento térmico de revenido permite, por procesos difusionales, la formación de martensita revenida, según la reacción:

martensita (BCT, monofásica) → martensita revenida (ferrita + fases Fe3C)

donde la martensita BCT monofásica, sobresaturada de carbono, se transforma en martensita revenida, compuesta por las fases estables ferrita y cementita. Su microestructura es similar a la de la esferoidita, pero en este caso la martensita templada contiene partículas de cementita extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas incrustadas dentro de una matriz de ferrita continua. La martensita templada puede ser casi tan dura y resistente como la martensita, pero con una ductilidad y tenacidad sustancialmente mejoradas.

Acero inoxidable martensítico

Los aceros inoxidables martensíticos son similares a los aceros ferríticos en cuanto a que se basan en el cromo, pero tienen niveles de carbono más altos, de hasta el 1%. A veces se clasifican como aceros inoxidables martensíticos de bajo y alto carbono. Contienen entre un 12 y un 14% de cromo, entre un 0,2 y un 1% de molibdeno y ninguna cantidad significativa de níquel. Las cantidades más elevadas de carbono les permiten endurecerse y templarse como los aceros al carbono y de baja aleación. Tienen una resistencia moderada a la corrosión, pero se consideran duros, fuertes y ligeramente frágiles. Son magnéticos y pueden someterse a pruebas no destructivas mediante el método de inspección por partículas magnéticas, a diferencia del acero inoxidable austenítico. Un inoxidable martensítico común es el AISI 440C, que contiene del 16 al 18% de cromo y del 0,95 al 1,2% de carbono. El acero inoxidable de grado 440C se utiliza en las siguientes aplicaciones: bloques de calibre, cuchillería, cojinetes de bolas y carreras, moldes y matrices, cuchillos.

Como se ha escrito, los aceros inoxidables martensíticos pueden endurecerse y templarse mediante múltiples formas de envejecimiento/tratamiento térmico: Los mecanismos metalúrgicos responsables de las transformaciones martensíticas que tienen lugar en estas aleaciones inoxidables durante el austenitizado y el enfriamiento son esencialmente los mismos que se utilizan para endurecer los aceros al carbono y aleados de menor contenido de aleación. El tratamiento térmico suele consistir en tres etapas:

• Austenización, en la que el acero se calienta a una temperatura comprendida entre 980 y 1050 °C, dependiendo de los grados. La austenita es una fase cúbica centrada en la cara.
• Enfriamiento. Después de la austenización, los aceros deben ser templados. Las aleaciones inoxidables martensíticas pueden enfriarse utilizando aire en calma, vacío a presión positiva o enfriamiento en aceite interrumpido. La austenita se transforma en martensita, una estructura cristalina tetragonal dura centrada en el cuerpo. La martensita es muy dura y demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones.
• El revenido, es decir, el calentamiento a unos 500 °C, el mantenimiento de la temperatura y el enfriamiento con aire. El aumento de la temperatura de revenido disminuye el límite elástico y la resistencia a la tracción final, pero aumenta el alargamiento y la resistencia al impacto.

La resistencia de los aceros inoxidables a los efectos químicos de los agentes corrosivos se basa en la pasivación. Para que la pasivación se produzca y se mantenga estable, la aleación Fe-Cr debe tener un contenido mínimo de cromo de alrededor del 10,5% en peso, por encima del cual puede producirse la pasivación y por debajo del cual es imposible. El cromo puede utilizarse como elemento endurecedor y con frecuencia se utiliza con un elemento endurecedor como el níquel para producir propiedades mecánicas superiores.

Resistencia a la tracción máxima

La resistencia a la tracción máxima del acero inoxidable martensítico – Grado 440C es de 760 MPa.

Dureza

La dureza Brinell del acero inoxidable martensítico – Grado 440C es de aproximadamente 270 MPa.

Otras fases comunes en aceros e hierros

El tratamiento térmico de los aceros requiere una comprensión tanto de las fases de equilibrio como de las fases metaestables que se producen durante el calentamiento y/o el enfriamiento. En el caso de los aceros, las fases de equilibrio estables incluyen:

• Ferrita. La ferrita o α-ferrita es una fase de estructura cúbica centrada en el cuerpo del hierro que existe por debajo de las temperaturas de 912°C para bajas concentraciones de carbono en el hierro. La α-ferrita sólo puede disolverse hasta un 0,02 por ciento de carbono a 727°C. Esto se debe a la configuración de la red de hierro que forma una estructura cristalina BCC. La fase primaria de los aceros suaves o de bajo contenido en carbono y de la mayoría de los hierros fundidos a temperatura ambiente es la α-Fe ferromagnética.
• Austenita. La austenita, también conocida como hierro en fase gamma (γ-Fe), es una fase de hierro de estructura cúbica centrada en la cara no magnética. La austenita en las aleaciones de hierro-carbono generalmente sólo está presente por encima de la temperatura crítica de eutectoide (723°C), y por debajo de 1500°C, dependiendo del contenido de carbono. Sin embargo, puede mantenerse hasta la temperatura ambiente mediante adiciones de aleación como el níquel o el manganeso. El carbono desempeña un papel importante en el tratamiento térmico, porque amplía la gama de temperaturas de estabilidad de la austenita. Un mayor contenido de carbono reduce la temperatura necesaria para la austenitización del acero, de manera que los átomos de hierro se reorganizan para formar una estructura reticular fcc. La austenita está presente en los tipos de acero inoxidable más utilizados, que son muy conocidos por su resistencia a la corrosión.
• Grafito. La adición de una pequeña cantidad de carbono no metálico al hierro cambia su gran ductilidad por la mayor resistencia.
• Cementita. La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable, y en algunas circunstancias se puede hacer que se disocie o descomponga para formar α-ferrita y grafito, según la reacción: Fe3C → 3Fe (α) + C (grafito). La cementita en su forma pura es una cerámica y es dura y quebradiza, lo que la hace adecuada para reforzar los aceros. Sus propiedades mecánicas están en función de su microestructura, que depende de cómo se mezcle con la ferrita.

Las fases metaestables son:

• Perlita. En metalurgia, la perlita es una estructura metálica estratificada de dos fases, que se compone de capas alternas de ferrita (87,5 % en peso) y cementita (12,5 % en peso) que se da en algunos aceros y fundiciones. Se llama así por su parecido con la madreperla.
• Martensita. La martensita es una estructura metaestable muy dura con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La martensita se forma en los aceros cuando la velocidad de enfriamiento desde la austenita es tan alta que los átomos de carbono no tienen tiempo de difundirse fuera de la estructura cristalina en cantidades suficientes para formar cementita (Fe3C).
• Bainita. La bainita es una microestructura en forma de placa que se forma en los aceros a partir de la austenita cuando las velocidades de enfriamiento no son lo suficientemente rápidas para producir martensita, pero sí lo suficientemente rápidas para que el carbono no tenga tiempo de difundirse para formar perlita. Los aceros bainíticos suelen ser más resistentes y duros que los perlíticos, pero presentan una combinación deseable de resistencia y ductilidad.