01 Fund Tratamientos Termicos

7/25/2019 01 Fund Tratamientos Termicos

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UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARA

DEPARTAMENTO CIENCIA DE MATERIALES


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Manuel Cabrera C./Depto. de Ciencia de Materiales/UTFSM -1.1-

1 MATERIALES METLICOS DE UTILIZACIN EN INGENIERA

1.1. Introduccin

Diversos son los factores que inciden en la seleccin de materiales metlicos de uso ingenieril.De ellos destacan, entre otros:

La disponibilidad de materiales es un aspecto relevante que condiciona la seleccin de materialesen muchas circunstancias y debe ser considerado parte integrante en las especificaciones.

Adicionalmente los materiales metlicos, y en particular los aceros, pueden alterar suspropiedades mecnicas (o qumicas) en un amplio rango, como consecuencia de:

Las propiedades mecnicas estn relacionadas directamente con la microestructura que posee elmaterial y sta se altera con los procesos mencionados anteriormente.

El siguiente esquema muestra las relaciones existentes entre una pieza, sus propiedades

mecnicas y la microestructura.

Figura 1.1 La microestructura como funcin de los parmetros quedefinen las propiedades mecnicas.

Inicialmente se presenta en este texto una caracterizacin de los aspectos relevantes de lamicroestructura de los materiales, un ordenamiento de stos en relacin a las categorasdisponibles y los criterios de seleccin empleados.

! Costo! Disponibilidad! Propiedades mecnicas y qumicas! Caractersticas de procesamiento(maquinabilidad, soldadura); etc.

Procesos de TRATAMIENTOS TRMICOSProcesos TERMOQUMICOS(carburizacin o cementacin, nitruracin, etc.)Procesos TERMOMECNICOS(deformacin en caliente)Procesos de fabricacin: soldadura, oxicorte, etc.

PIEZAMECNICA(ACERO)

PROPIEDADESMECNICAS

MICROESTRUCTURA

RELACINBIUNVOCA


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1.2. Materiales Metlicos Policristalinos

1.2.1. Estructuras Cristalinas del Fierro:

Los tomos de fierro puro, en estado slido, se ubican en el espacio segn ordenamientosrepetitivos, que son representados en tres dimensiones por las estructuras cristalinas.

En particular, el fierro adopta distintos ordenamientos atmicos o equivalentemente distintasestructuras cristalinas dependiendo de la temperatura. Esta caracterstica es la que haceposible la existencia de los tratamientos trmicos.

La siguiente figura representa las estructuras cristalinas ms comunes de los materialesmetlicos. BCC(cbica centrada en el cuerpo) y FCC(cbica centrada en las caras).

Figura 1.2 Estructura BCC de materiales metlicos, tomos en contacto atravs de la diagonal del cubo.

Se observa que las estructuras son repetitivas en el espacio. La estructura BCC es unaestructura cbica con tomos de fierro en cada vrtice y uno en el centro del cubo. Para el casodel fierro puro esta estructura es estable hasta 910C y es denominada Fe-o ferrita.

La estructura "cbica centrada en el cuerpo", BCC, puede alojar tomos de carbono disueltos, enlos huecos octadricos. El tamao de los huecos octadricos en la estructura BCC tiene un radiode 0,019 m (0,1910-8 cm = 0,19A ), en cambio el radio de carbono es 0,08 m (0,810-8cm=0,8A).

Al ser mayor el tamao del tomo de carbono que el hueco en el cual se aloja, produce una altadistorsin en la estructura. Es as como Fierro con la estructura BCC acepta como mximo, a723C, un 0,02% de carbono disuelto. Esta baja solubilidad disminuye an ms a temperaturaambiente.

Nitrgeno cuyo radio atmico es 0,07 nm (Carbono = 0,08 nm) al igual que carbono es unelemento intersticial en fierro. Posee una mxima solubilidad en ferrita de 0,095%a 585C.


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El fierro con la estructura BCC, an con carbono y/o nitrgeno disueltos en los intersticios, esconocido como Fe-o FERRITA.

Figura 1.3 Estructura FCC de materiales metlicos, tomos en

contacto a travs de la diagonal de las caras.

La estructura FCC, ms compacta que la BCC, presenta tomos de fierro en cada vrtice y en elcentro de las caras. En el caso del fierro puro esta estructura es estable entre 910C y 1394Cy es denominada Fe-o austenita.

La estructura FCC del fierro, cbica centrada en las caras, se caracteriza por ser unaestructura compacta, blanda, dctil que posee huecos octadricos mayores que los de la

estructura BCC (0,052 m) 0.52A. Esta estructura, denominada AUSTENITA o Fe- puedealojar ms carbono disuelto en su estructura, a pesar de que el hueco octadrico es de menor

tamao que el tomo de carbono. La mxima solubilidad de carbono en austenita es 2,11% a1148C disminuyendo a 0,77% a 723C.

La caracterstica ms destacada de la estructura FCC es su facilidad de deformacin y grantenacidad, debido principalmente a lo compacto de ella.

Los materiales BCC presentan como caracterstica la menor ductilidad y tenacidad. Ms anestos materiales presentan un comportamiento frgil a bajas temperaturas, segn se observaen la figura de impacto Charpy, presentada en la seccin Criterios de Seleccin.

En cada una de las categoras destacan los materiales indicados en la tabla I.1

Cuando se trata de aleaciones metlicas, los elementos aleantes pueden ubicarse en posicionesintersticiales de la estructura cristalina o en posiciones sustitucionales de los tomos delelemento principal. As se habla de soluciones slidas intersticiales o sustitucionales.


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Tabla I.1 Materiales y sus estructuras cristalinasMateriales FCC Materiales BCC

Plomo Fierro puroAluminio Aceros bajo carbonoCobre y latones hasta 30%Zn Latones 40% de ZnOro Aceros inoxidables ferrticosAceros Hadfield CromoAceros inoxidables austenticos Tungsteno

Un elemento aleante se ubicar en una posicin intersticial, cuando su tamao relativo seacompatible con los huecos de la estructura.

Para el caso de que el tamao del elemento aleante sea comparable con el del elemento principal,ste se ubicar "reemplazndolo" (nunca son iguales). Solucin slida sustitucional.

En ambos casos se produce una distorsin de la estructura cristalina y trae como consecuencia

un endurecimiento del material por solucin slida. Bajo este principio las aleaciones son msresistentes que los metales puros.

Los elementos aleantes presentes en aceros tales como Silicio, Titanio, Manganeso, Nquel,etc. ocupan huecos sustitucionales en la estructura. Es decir reemplazan las posiciones queocupa el fierro en la estructura. Al ser el tamao de los elementos aleantes diferente al tamaodel tomo de fierro, produce distorsiones en las estructuras.

En principio se establece que a mayor diferencia de tamao hay mayor distorsin, y comoconsecuencia de esto una menor solubilidad del elemento aleante. Del mismo modo una mayor

distorsin produce un mayor efecto en resistencia mecnica de la estructura.Otra consecuencia de la distorsin provocada por la aleacin es que "todo tiene un lmite". Esdecir, cuando se alcanza una determinada distorsin el sistema metal-aleacin se saturar y sealcanzar el lmite de solubilidad. En este caso podrn aparecer precipitados del elementoaleante u otras "fases", como es la situacin de agregarle azcar al agua que primero se disuelvehasta cierta cantidad, luego se satura y enseguida precipita el azcar saturada en agua.

El tratamiento de los lmites de solubilidad de cada estructura o fases slidas en sistemas dealeacin es el tema de los Diagramas de Fases. Estos sern presentados ms adelante,

particularmente para el sistema de inters: FIERRO-CARBONO.

1.2.2. Microestructura de un acero bajo carbono - Tamao de grano

Las estructuras cristalinas, tal como se mencion, son ordenamientos tridimensionales queadoptan los tomos de los materiales metlicos. Estos ordenamientos alcanzan un ciertotamao, granos o "cristales". La figura siguiente representa la microestructura de un acero0.013 %C, que contiene granos ferrticos (Fe- o BCC).


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Figura 1.4 Microestructura de un acero ferrtico, BCC. Fe-0.013%C.

Todos los materiales metlicos de uso ingenieril estn compuestos de granos. De ah elnombre de MATERIALES POLICRISTALINOS. En el caso de la figura 1.4 presentada, cadagrano tiene una estructura BCC. Un grano ferrtico difiere del vecino en orientacin, y por talmotivo el efectuar un corte se observa una lnea de defectos entre dos granos.

El tamao de grano tiene mucha importancia en las propiedades mecnicas y en lostratamientos trmicos de los aceros.

Debido a la importancia del tamao de grano de una cierta microestructura, este se encuentranormalizado de acuerdo a la norma ASTM E 112-58T, segn aparece representado en lafigura siguiente. Segn sta el tamao de grano se determina a 100 aumentos, por la relacin:

)1(2 = Nn en donde:n = N de granos a 100X en una pulgada cuadrada.N = nmero del tamao de grano ASTM

La tabla siguiente presenta la comparacin de los nmeros ASTM de tamao de granos enrelacin el tamao real.

Tabla I.2 Comparacin de tamaos de grano ASTM y real.


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Figura 1.5 Tamaos de grano normalizados ASTM a 100X.(La figuraest reducida a un 65 % de su tamao)

El tamao de grano afecta a los tratamientos trmicos y a las propiedades mecnicasde losmateriales metlicos. En particular un tamao de grano pequeo produce un aumento del lmitede fluenciay en general un aumento de la tenacidad, lo cual es positivo. Esto puede verse en larepresentacin de la figura siguiente.

Figura 1.6 Efecto del tamao de grano a) Lmite de fluencia b) Temperaturatransicin de impacto (TTI)

a) b)


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Algunas consideraciones adicionales en relacin al tamao de grano:

Los bordes de grano son superficies con gran densidad de defectos(discontinuidad de las estructuras cristalinas)

Al existir una superficie de defectos, existe una tensin superficial o energasuperficial asociada

Al encontrarse 3 granos, estos forman ngulo de 120. Esto da origen a granos de 6lados como promedio al efectuar cortes (ver figura presentada anteriormente)

Un tamao de grano grande es ms estable que uno pequeo, por poseer menornmero de superficies de grano por unidad de volmen (menor energa)

Segn lo anterior el tamao de grano siempre tiende a crecer. Slo es necesariodarle las condiciones (Temperatura). Esto ocasiona malas propiedades mecnicas

A altas temperaturas el tamao de grano aumenta, es decir el grano crece. Elcrecimiento de grano comienza a tener importancia a temperaturas superiores a lamitad del punto de fusin en grados Kelvin.

Los elementos aleantes disueltos retardan el crecimiento del grano.

Cuando en la microestructura existen elementos aleantes que forman compuestos(carburos, nitrutos, xidos, etc.) estos limitan el crecimiento de grano. Niobio,titanio y vanadio son elementos fuertemente formadores de carburos, que sonagregados al acero para evitar el crecimiento de grano a altas temperaturas de

tratamiento trmicos.

En resumen el crecimiento del grano debe evitarse, y para ello estn las alternativas de evitarlas altas temperaturas de tratamiento trmico y se debe contar con la presencia deelementos aleantes disueltos o formando precipitados.

La microestructura de un material se caracteriza por el tamao de grano, la o las fasespresentes y su distribucin. Esta es observable bajo microscopio a diferencia de la estructuracristalina, que es detectable por tcnicas de Rayos-X.

1.3. METALES Y ALEACIONES

Los metales y las aleaciones suelen dividirse en dos categoras principales: aleaciones ferrosasy no ferrosas.Las aleaciones ferrosas estn basadas en el hierro como principal constituyente principal eincluyen aceros al carbono, aceros baja aleacin, aceros altamente aleados ( inoxidables,herramientas, etc), diversas clases de aceros fundidos, fierros fundidos o fundiciones, etc.


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Las aleaciones no ferrosas comprenden aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio,aleaciones de berilio, aleaciones de cobre, niquely cobalto, aleaciones de titanio, etc.

1.4. CATEGORA DE MATERIALES FORJADOS Y FUNDIDOS

Los materiales metlicos de uso ingenieril pueden obtenerse en tres principales categoras:aleaciones forjadas, aleaciones fundidas y aleaciones obtenidas por pulvimetalurgia, de acuerdo

al esquema de la Tabla I.3.

Las aleaciones forjadas (o conformadas) inicialmente se obtienen en la forma de lingotes, dedimensiones no utilizables directamente.

Todos los lingotes poseen defectos tpicos de una pieza fundida y de las cuales destacan la altasegregacin en composicin, su gran tamao de granoy orientacin de los granos en el sentidode la extraccin de calor (del rden de milmetros) y microporosidades.

Con estas caractersticas las propiedades del material no son homogneas (heterogeneidades en

composicin y granos orientados) y son de una baja tenacidad (granos grandes).

Tabla I.3 Esquema de obtencin de las categoras de materiales metlicos.

La siguiente figura ilustra un esquema de la estructura de un lingote y la secuencia de eventosque caracterizan el proceso de solidificacin.

El lingote es deformado en caliente por operaciones de laminacin y/o forja, con lo cual selogra la eliminacin de la microporosidad, la homogenizacin de la composicin qumica y un


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fuerte refinamiento de la estructura de granos del material. Con esto se obtiene la categora demateriales forjados o conformados.

Figura 1.7 Esquema de solidificacin de un lingote y secuencia deeventos en la solidificacin.

Los productos normales de materiales en esta categora (materiales forjados) son planchas,perfiles, barras, tuberas extrudas, flejes, etc. Tamaos de grano normales en este caso sondel tipo 6-8 ASTM. (44 a 22 m)

A un material de la categora forjado, en la forma de plancha (homogneo en composicin y enestructura de granos), es posible tomarle una muestra representativa para realizar unaevaluacin de toda la plancha. De hecho los controles de calidad de estos materiales se realizande esta forma.

Las ALEACIONES PARA FUNDICIN son vaciadas desde su estado lquido a un molde de laforma de la pieza a utilizar. Presenta por tanto, los defectos de piezas fundidas: inhomogenidadde composicin, estructura de granos orientada en el sentido de la solidificacin ymicroporosidades, que no son eliminadas por operaciones de conformado.

En esta categora de materiales es posible disponer de materiales en la condicin fundida (ascast) y tratada trmicamente. Toda pieza fundida al ser sometida a tratamiento trmicoelimina gran parte de las microsegregaciones y adquiere una estructura de granos ms fina.Las microporosidades no se eliminan con tratamiento trmico. Un recocido de homogenizacin esun tratamiento comunmente realizado, aparte de los necesarios para otros fines.


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Las segregaciones producidas en la solidificacin de una pieza fundida, que estn relacionadas acada sistema en particular, son de dos tipos: macrosegregacin de largo alcance (imposibles deeliminar en la prctica normal de tratamiento trmico) y microsegregacin de corto alcance.

En la mayora de las aleaciones(aceros, latones, bronces) el primer slido que aparece (en lapared del molde) es ms puroque la aleacin promedio y el ltimo (centro de la pieza) es msrico en elementos de aleacin del material: esta es la macrosegregacin.

Durante el avance de la solidificacin de la pieza, los slidos que van creciendo como dendritassegregan elementos de aleacin entre ellas, provocando la microsegregacin y microporosidades,al no llegar lquido hacia las ramas dendrticas.

Por otra parte es posible disponer de otra categora de materiales, fabricados a partir depolvos metlicos: PULVIMETALURGIA.

En esta tcnica se formula la aleacin a partir de componentes metlicos en la forma depolvos, los cuales SE MEZCLANen estado slido. Luego SE COMPACTANen una matriz con la

forma de la pieza y enseguida SE SINTERIZAN a altas temperaturas. Por medio de este ltimotratamiento, en estado slido, se logra el "pegado" de los polvos metlicos producindose unadensificacin del producto.

El grado de densificacin es una variable de este proceso y puede disearse un producto paraque posea un cierto grado de porosidad, como es el caso de los bujes de bronce autolubricados.

Mediante esta tcnica es la nica posibilidad de obtencin de materiales compuestos, comopor ejemplo: plata-xido de cadmio, cobre-carburo de tungsteno (contactos elctricos), cobalto-carburo de tungsteno (herramientas de corte: widia), etc.

Algunos comentarios en relacin a la disponibilidad en Chile de materiales en cada categora esla siguiente:

! Materiales Forjados Ferrosos: Principal productor es la Compaa Siderrgica deHuachipato (CAP-CSH). Los principales productos son aceros estructurales al carbono yaceros baja aleacin. Esta ltima categora al disponer de un horno de arco elctrico contecnologa de tratamiento en cuchara (vaco, inoculacin, desulfuracin).

! Empresas laminadoras: empresas que eventualmente disponen de hornos de fusin y queposeen etapas de laminacin - trefilacin - forja en caliente, para entrega de productosespecficos (Siderrgica Aza, Cintac, Compac, Trefilac, Inchalam, Armco, etc). Reprocesanproductos CSH y/o producen algunos tipos de aceros al carbono y baja aleacin, con formasdefinidas y eventuales tratamientos trmicos.

! Materiales Fundidos Ferrosos: Existen dos categoras de empresas: Fundiciones de acero yfierro fundido. Se fabrican toda la gama de aceros al carbono, aceros baja aleacin y aceros


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especiales (inoxidables, austenticos al manganeso, etc), fundiciones corrientes y especiales.La produccin actual de aceros fundidos es del rden de 20 a 25.000 toneladas/ao.

! Materiales No ferrosos:Principalmente empresas de cobre y aleaciones de cobre. Menos dealeaciones de aluminio, zamac, etc. La produccin es menor que la de acero y fundiciones,como asimismo la variedad de productos forjados. Productos tpicos forjados son tubos,alambres, barras, bocinas, etc. En la categora de productos fundidos estn los fittings,

hlices, etc.


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1.5. MATERIALES DE USO INGENIERIL: CRITERIOS DE SELECCIN

En general, los materiales de uso ingenieril (metales, plsticos y cermicas) son seleccionadospor diversos aspectos tales como:

Las siguientes tablas y figuras ilustran un ordenamiento de los materiales metlicos porresistencia mecnica a temperatura ambiente, a altas temperaturas, resistencia a la fatiga,propiedades de impacto, tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste.

Tabla I.4 Tenacidad a la fractura a temperatura ambiente dealgunas aleaciones estructurales

1. Resistencia mecnica (Propiedades mecnicas)

2. Aplicaciones para altas temperaturas3. Resistencia a la Fatiga4. Tenacidad5. Resistencia al Desgaste6. Resistencia a la Corrosion


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Tabla I.5 Niveles de resistencia relativos de metales y aleaciones.


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Figura 1.8 Resistencia de aleaciones base fierro con la temperatura.

Figura 1.9 Comparacin de la resistencia a la fatiga de aleaciones ferrosasy no ferrosas


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Figura 1.10 Propiedades de impacto Charpy de aceros AISI/SAEcarburizados, 0.14 a 0.20 %C base.

Figura 1.12 Correlaciones entre resistencia a la fluencia y ductilidad dediversos materiales


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Figura 1.13 Resistencia al desgaste de aceros frente a abrasivo Al2O3.

1.6 NORMAS RELACIONADAS

1.6.1. SISTEMA UNIFICADO DE NUMERACIN

Las normas relacionadas con los materiales metlicos provienen de diferentes organizaciones,entre las cuales se mencionan:

La SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices de Estados Unidos) fue la primera organizacinTcnica que reconoci la necesidad de un mtodo de designacin numrica de los aceros yestableci un sistema. En 1975, la SAE public el Unified Numbering System for Metal and

Alloys (UNS); este sistema tambin contiene referencias interrelacionadas para otrasespecificaciones de materiales.

El UNS emplea una letra prefijo para designar el material. Por ejemplo: G, para el carbono y losaceros de aleacin, A, para las aleaciones de aluminio; C, para aleaciones a base de cobre; y S,para aceros inoxidables o reistentes a la corrosin. En el caso de algunos materiales no existean un consenso en la industria que permita el establecimiento formal de un sistema dedesignacin normalizado.

SAE Society of Automotive EngineeringAISI AmericanIron and SteelInstituteASTM American Society for Testing MaterialsUNS Unified Numbering SystemCDA Copper Development Association


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CODIFICACION UNS (Unified Numbering System): El sistema UNS ha sido desarrollado porla accin conjunta de SAE, ASTM, AISI, CDA y otras agrupaciones tcnicas.

La UNS establece 15 series de nmeros para metales y aleaciones. Cada nmero UNS consistede una sola letra prefijo seguida por cinco dgitos. En la mayora de los casos la letra sugiere (eningls) a la familia del metal que identifica, por ejemplo:

Productos ferrosos

Productos no ferrosos

La designacin UNS para los metales presenta cinco dgitos que graduan la composicin qumicadel material.

Para el caso de los aceros, el tercer y cuarto dgito indican el contenido medio aproximado decarbono. Los dos primeros dgitos que siguen al prefijo literal, se relacionan con la clase deacero segn los mismos nmero utilizados por especificacin AISI.

Las diversas composiciones utilizadas en los aceros son las siguientes:

G10 Carbono simple G46 Nquel-molibdenoG11 Carbono de corte libre con mayor cantidad

de azufre o fsforoG48 Nquel-molibdeno

G13 Manganeso G50 CromoG23 Nquel G51 CromoG25 Nquel G52 CromoG31 Nquel-cromo G61 Cromo-vanadioG33 Nquel-cromo G86 Cromo-nquel-molibdenoG40 Molibdeno G87 Cromo-nquel-molibdenoG41 Cromo-molibdeno G92 Manganeso-silicioG43 Nquel-cromo-molibdeno G94 Nquel-cromo-molibdeno

D Aceros especificados por propiedades mecnicasF Fundiciones (fierro fundido)G Aceros al carbono y aleacin series AISI y SAEH Aceros con banda de templabilidadJ Aceros fundidosK Aceros y aleaciones ferrosas variadasS Aceros inoxidablesT Aceros para herramientas

A Aluminio y sus aleaciones C Cobre y sus aleaciones

E Tierras rarasL Metales y aleaciones de bajo punto de fusin

M Aleaciones no ferrosas variadasN Niquel y sus aleaciones

P Metales preciososZ Zinc y sus aleaciones


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El segundo par de nmeros indica el contenido aproximado de carbono en centsimos de 1%. Porlo tanto, un acero G10400 es un acero carbono simple con un contenido de carbono de 0,37 a0,44% (o sea, aproximadamente 0,40%). El quinto nmero despus del prefijo se utiliza paracasos especiales. Por ejemplo, la designacin anterior AISI 52100 corresponde a un acero alcromo con aproximadamente 1%C. La designacin UNS en G51216.En la designacin UNS para aceros inoxidables, con prefijo S, se utlilizan las designaciones

anteriores AISI para los tres nmeros que siguen al prefijo. Las dos cifras siguientes sereservan para usos especiales. El primer nmero del grupo indica la composicin aproximada. Esas como: 2 corresponde a un acero al cromo-nquel-manganeso; 3 a un acero al cromo-nquel, y 4a un acero al cromo.Los aceros inoxidables se designan a veces por su contenido de aleacin. Por ejemplo, un aceroS30200 suele mencionarse como acero inoxidable 18-8, lo que significa que tiene 18% de cromoy 8% de nquel.El prefijo para el grupo del aluminio es la letra A. El primer nmero despus del prefijo indica elprocesamiento. Por ejemplo, el A9 es un aluminio forjado, en tanto que el A0 es una aleacinfundida. El segundo designa el grupo de aleacin principal, como se muestra en la tabla siguiente.

El tercero se utiliza para modificar la aleacin original o para designar los lmites de impureza.Los dos ltimos nmeros corresponden a otras aleaciones empleadas en el grupo bsico.

Tabla I.6 Designacin de aleaciones de aluminio

Aluminio con pureza >99% Ax1xxxAluminio con cobre Ax2xxxAleaciones con manganeso Ax3xxxAleaciones con silicio Ax4xxxAleaciones con magnesio Ax5xxxAleaciones con magnesio y zinc Ax6xxxAleaciones con zinc Ax7xxx

El sistema de designacin numrica de la American Society for Testing and Materials (ASTM)para hierro fundido se emplea extensamente. Este sistema se basa en la resistencia a la tensin.Por lo tanto, el ASTM N 30 es un hierro fundido que tiene una resistencia mnima a la tensinde 30 Kpsi.

1.6.2. NORMAS AISI-SAE PARA ACEROS AL CARBONO Y BAJA ALEACIN

Las siguientes tablas presentan los distintos tipos de aceros al carbono y baja aleacin,especificados en las categoras AISI-SAE, con su equivalencia de la UNS.


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Tabla I.7 Aceros al carbono no aleados segn la especificacin AISI-SAE.

Designacin Rangos de composicin,%

Designacin Rangos de composicin,%

AISI-SAE C Mn AISI-SAE C Mn1006 0.08 mx 0.25-0.45 1070 0.65-0.76 0.60-0.90

1010 0.08-0.13 0.30-0.60 1074 0.69-0.80 0.50-0.801015 0.12-0.18 0.30-0.60 1080 0.74-0.88 0.60-0.901020 0.17-0.23 0.30-0.60 1085 0.80-0.94 0.70-1.001025 0.22-0.28 0.30-0.60 1090 0.84-0.98 0.60-0.901030 0.27-0.34 0.60-0.90 1095 0.90-1.04 0.30-0.501035 0.31-0.38 0.60-0.901040 0.36-0.44 0.60-0.901045 0.42-0.50 0.60-0.90 1524 0.18-0.25 1.30-1.65 1050 0.47-0.55 0.60-0.90 1536 0.30-0.38 1.20-1.55 1055 0.52-0.60 0.60-0.90 1541 0.36-0.45 1.30-1.65

1060 0.55-0.66 0.60-0.90 1548 0.43-0.52 1.05-1.40 1065 0.59-0.70 0.60-0.90 1552 0.46-0.55 1.20-1.55

Tabla I.8 Aceros aleados segn especificacin AISI-SAE.

Designacin Rangos de Composicin, %AISI-SAE C Mn Si Cr Ni Mo

1330 0.27-0.34 1.50-1.90 0.15-0.301335 0.32-0.39 1.50-1.90 0.15-0.301340 0.36-0.44 1.50-1.90 0.15-0.30

1345 0.41-0.49 1.50-1.90 0.15-0.304130 0..27-0.34 0.35-0.60 0.15-0.30 0.80-1.15 0.15-0.254140 0.36-0.44 0.70-1.00 0.15-0.304145 0.41-0.49 0.70-1.00 0.15-0.30 0.80-1.15 0.15-0.254340 0.36-0.44 0.55-0.80 0.15-0.30 0.60-0.90 1.65-2.00 0.20-0.304615 0.12-0.18 0.40-0.65 0.15-0.30 1.65-2.00 0.20-0.304620 0.16-0.22 0.40-0.65 0.15-0.30 1.65-2.00 0.20-0.305160 0.54-0.65 0.70-1.00 0.15-0.30 0.60-0.906150 0.46-0.54 0.60-0.90 0.15-0.30 0.80-1.158615 0.12-0.18 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258620 0.17-0.23 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.25

8625 0.22-0.29 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258630 0.27-0.34 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258640 0.36-0.44 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258655 0.49-0.60 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258742 0.38-0.46 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.20-0.30


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Manuel Cabrera C. - Depto. de Ciencia de Materiales - UTFSM -2.1-

2 TRATAMIENTOS TRMICOS

2.1. INTRODUCCIN

Los tratamientos trmicos de los aceros se efectuan con el fin de modificar las propiedadesmecnicas, tales como resistencia a la traccin, dureza superficial, tenacidad, ductilidad, etc. Enciertos casos los tratamientos trmicos tienen como objetivo mejorar las propiedades qumicas,

como por ejemplo la resistencia a la corrosin.

La modificacion de las propiedades mecnicas o qumicas se produce como consecuencia de ciclostrmicos solamente (TRATAMIENTOS TERMICOS), ciclos trmicos acompaadossimultneamente con deformacin (TRATAMIENTOS TERMOMECANICOS) o incorporacindurante el ciclo trmico de elementos al acero (TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS). Eneste ltimo caso estn los tratamientos de carburizacin y carbonitruracin.

En cualquier caso, posterior a efectuar tratamientos termomecnicos o termoqumicosgeneralmente se efectan los tratamientos trmicos con el fin de dar las propiedades finales al

producto.

Con el objeto de evitar confusiones en cuanto si los tratamientos son termomecnicos,termoqumicos o trmicos en adelante hablaremos solamente de tratamientos trmicos,independiente si se estan incorporando elementos al acero durante el tratamiento.

Una comprensin de los tratamientos trmicos de los aceros requiere conocimientos tales como:

!FUNDAMENTOS DE ACEROS!ELEMENTOS ALEANTES EN ACEROS

Estos puntos sern desarrollados inicialmente, para concluir con los tratamientos trmicospropiamente.

2.2. FUNDAMENTO DE LOS ACEROS

Los aceros al carbono son aleaciones Fierro-Carbono, hasta 1,2-2% Cmximo, con elementosresiduales provenientes de la elaboracin del acero: Azufre (S), Fsforo (P), Silicio (Si) yManganeso(Mn).

Los aceros se clasifican de acuerdo al contenido de carbono y elementos de aleacin.

Los aceros al carbono se subdividen en:

!BAJO CARBONO (0 A 0.2%),!MEDIO CARBONO (0.3 A 0.5%)!ALTO CARBONO (SOBRE 0.6).


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Por otra parte los aceros BAJA ALEACIN comprenden contenidos de elementos aleanteshasta un 8-10 % y los de ALTA ALEACIN cifras superiores a 10% de elementos aleantes.Las cantidades de Si y Mn provenientes de la fabricacin no se consideran como aleantes.

De los elementos provenientes del proceso de fabricacin, azufre y fsforo son perjudicialesya que segregan en la estructura, y en particular azufre forma compuestos con el fierro, FeS,que tienen una baja temperatura de fusin. Al ser baja la temperatura de fusin del compuesto

formado (1150C) produce efectos dainos durante la forja en caliente del acero yeventualmente durante los tratamientos trmicos.

Manganesoadems de tener efectos benficos en la templabilidad (segn se ver ms adelante)se combina con el azufre formando un sulfuro de manganeso, MnSel cual es una inclusin de altopunto de fusin, blanda, facilmente deformable que produce una buena maquinabilidad al actuarel sulfuro como un "corta viruta". Es as como existe una de aceros clasificados como de calidad"maquinables", tipo AISI-SAE 11XX.

Es necesario notar que los aceros baja aleacin contienen elementos aleantes hasta un 6-8% en

peso aproximadamente.

Generalmente los PRINCIPALES ELEMENTOS ALEANTES son: Nquel, Cromo, Vanadio,Molibdeno, Silicio, Manganeso y Tungsteno. Adicionalmente debe considerarse la presencia delos elementos residuales de la fabricacin de los aceros segn fue indicado anteriormente.

2.3. DIAGRAMA DE FASES FE - CARBONO

Una fase se interpreta como: "Una regin fisicamente diferente de la materia que poseeestructura atmica y propiedades que cambian continuamente con la temperatura, composicin,

entre otras variables. Las distintas fases de un sistema son, en principio, separables

fisicamente".

Algunos ejemplos de fases en sistemas conocidos:

! Sistemas con una fase estable: Aire, Agua, agua con azcar disuelta, atmsferasgaseosas, en general mezcla de gases.

! Sistemas con ms de una fase estable: agua con aceite; agua saturada con azcar y

azcar precipitada; leche con nata; metal lquido con escoria; capa de oxido de Alsobre el aluminio metlico, etc.

Conocido es el hecho que el dejar enfriar una taza caliente de t con azcar disuelta hasta quese enfre, se precipita azcar desde el agua saturada (se aconcha). Es decir al disminuir latemperatura se pas de un sistema de una fase a un sistema de dos fases.


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Otro fenmeno que se presenta es con la adicin de sal al hielo (2 fases slidas) que tiene comoefecto derretir el hielo (forma una fase; agua con sal disuelta). Esta ltima prctica se utilizapara limpieza de vas nevadas.

Por otra parte el hierro puro a temperatura ambiente presenta una estructura BCC-"": faseferrita. Al calentar esta fase sobre 910C aparece la fase austentica, "", (FCC), la cual esestable hasta 1394C. Es decir hay un cambio de fase a 910C.

La presencia de carbono disuelto en la estructura BCC, fase ferrita, altera la temperatura delcambio de fase desde ferrita a austenita, o sea, se altera el rango de estabilidad trmica decada fase.

Del mismo modo al agregar carbono al fierro puro, este inicialmente ocupa los huecosoctadricos de la estructura BCC de la ferrita, quedando disuelto en ella y por tanto formandouna sola fase. Al aumentar el carbono adicionado al fierro, la ferrita se satura en carbono y noacepta ms carbono en solucin slida. En este punto aparece un precipitado al continuaragregando carbono: Fe3C o CEMENTITA. O sea, aparecen dos fases en el sistema fierro

carbono, alcanzndose el lmite de estabilidad en composicin de la ferrita.

Se puede conclur entonces que una cierta fase presenta un rango de estabilidad trmica ytambin generalmente un rango de estabilidad en composicin. Basta recordar que todos losmateriales pueden en principio fundirse.

Los DIAGRAMAS DE FASES son representaciones grficas que indican los rangos deestabilidad de cada fase, en funcin de la temperatura y composicin (generalmente sepresentan a P = 1 atm). Las representaciones que aqu se harn sern para un sistema de doscomponentes (sistema binario), y particularmente del sistema Fe-C en el rango de composicin

de carbono de inters.

La figura siguiente representa el diagrama de fases Fe-C hasta un 12% de carbono. Aparecen lafigura dos diagramas de fases superpuestos. Las lneas punteadas corresponden a lamodificacin del diagrama para el sistema Fe-Carbono en forma de grafito. El diagrama en suforma continua corresponde al sistema Fe - Carbono en forma de cementita (Fe3C).

Segn se presenta en el diagrama de fases Fe-carbono de la figura, aparecen las siguientesfases en condiciones de "equilibrio":

! Gas: An cuando siempre existe una fase gaseosa en equilibrio con una fase lquida (yslida tambin), a una presin de una atmsfera el fierro se evapora a 2880C(hierve)

! Lquido:Fierro puro funde a 1536C, pero la fase lquida (Fierro con carbono disueltoen estado lquido) es estable a temperaturas tan bajas como 1150Caproximadamente.


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! Grafito: An cuando no aparece en el diagrama de la figura, el grfito contiene un100% de carbono, es una fase que aparece ms comunmente en las fundiciones(fundiciones grises). Raramente aparece en aceros.

Figura 2.1 Diagrama de fases Fierro-Carbono- - - - - - Fe-Fe3C------------ Fe-Grafito

! Fe- o Ferrita. Baja solubilidad en carbono y estable slo hasta 912C. EstructuraBCC.

! Fe- o austenita. Presenta mayor solubilidad en carbono. Como mximo 2%aproximadamente y estable hasta 1394C, o estable hasta 1495C con carbono disuelto.Estructura FCC.

! Fe- o Ferrita delta: estable a temperaturas superiores a 1394C e inferiores de1536C. Estructura BCC.

! Cementita (Fe3C): Carburo de fierro que se presenta en los aceros y las fundicionesblancas. El contenido de carbono de la cementita es:

% C en cementita = (1x12)/(3x55.85+12)x100% C en cementita = 6,67a 6,69%= 6.68%


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Segn se observa en la figura, la cementita es un compuesto que no presenta solubilidad encarbono, es decir tiene prcticamente una sola composicin en carbono: 6,68% C.

El diagrama de fases de la figura puede dividirse en dos regiones de aleaciones comerciales.Hasta un 2%C como mximo es la regin de los ACEROS (Aunque excepcionalmente losaceros superan el 1,2% C). La caracterstica principal de los aceros es que son austenizables ypor tanto pueden deformarse en caliente: forjarse. Sus estructuras pueden interpretarse por

el diagrama Fe-Fe3C.

Sobre el 2% y contenidos de carbono menores que 4,3% aproximadamente, aparece la otrafamilia de aleaciones comerciales Fierro-Carbono: las FUNDICIONES (Cast Iron).

Estas presentan el lquido a menores temperaturas y se utilizan en la forma de colada, es decirno son deformables y slo es posible efectuar en ellas tratamientos trmicos: se utilizan en lageometra del estado FUNDIDO (de ah su nombre). Si al solidificar aparece grafito sonllamadas fundiciones grises y si en cambio aparece cementita al solidificar son lasfundiciones blancas. Todo esto por el aspecto de la fractura: blanca, por brillante, frgil; y gris,

por opaca, granular.

Si bien son muchas las fases de "equilibrio" que pueden aparecer, al tratar trmicamente losaceros, el inters se centra no slo en las fases slidas (ferrita, austenita, cementita y grfito).

El estudio del tratamiento trmico de los aceros deber comprender al menos el conocimientode la estabilidad de las fases ferrita, austenita y cementita.

En ciertas regiones del diagrama de fases una sola fase es estable. Entre dos regiones de unafase contiguas aparece una regin en la cual coexisten las dos fases.

A modo de ejemplo a 1300C, austenita es estable hasta 1.2% C aproximadamente y el lquidoaparece estable a partir de 2,5%C. Una aleacin Fe-2%C a 1300C presentar 2 fases establesen equilibrio, austenita de 1.2%C con lquido de 2,5%C.

2.3.1. REGIN DE DOS FASES: REGLA DE LA PALANCA.

La regla de la palanca determina la cantidad de cada faseque est presente en una regin dedos fases (regin bifsica).

Continuando con el ejemplo anterior; una aleacin Fe-2% C a 1300C. A esta temperaturacoexisten austenita "" que contiene 1,2 % de Carbono y lquido con un 2,5% Carbono. Alefectuar un balance de carbono a una masa de 1000 gramos de aleacin:

Masa de C en aleacin total = Masa C en "" + Masa C en lquido

1000 gr x 0.02 = 1000 x f""x 0.012+1000 gr x f Lx0.025


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donde f"" y f L son las fracciones en peso de austenita y lquido respectivamente. Comoautenita y lquido son las nicas fases presentes:

y al reemplazar las dos ecuaciones anteriores:

0.02 = f"" x 0.012 + (1 - f"") x 0.025f = (0.025-0.02)/(0.025-0.012)=0.385; % "" = 38.5

La regla de la palanca podra enunciarse como: Para obtener la fraccin de una fase presente enuna mezcla de dos fases, para una aleacin de composicin Co a una temperatura T, debe

trazarse la isoterma que una las dos fases. La fraccin de la fase 1 es:

La figura siguiente muestra con mayor detalle el diagrama de fases Fe-C en la regin de los

aceros.

Figura 2.2. Diagrama de fases Fierro - Carbono: Regin de los aceros

Tal como se mencion anteriormente, entre dos campos de una fase existe un campo bifsico. Amodo de ejemplo a T3C la fase ferrita es estable hasta 0,012% de carbono aproximadamente.Desde 0,012% hasta 0,6% de carbono hay dos fases coexistiendo, ferrita de 0,012%C yaustenita de 0,6%C. La austenita es la fase estable desde 0,6%C hasta 0,9% Caproximadamente. En este punto austenita se satura con carbono disuelto (lnea Acm) y aparececementita, que tiene 6,68% de Carbono (no aparece en esta figura). Sobre 0,9%C aparecen dosfases en equilibrio: austenita de 0,9%C y cementita de 6,68%C.

f"" + f L= 1

f1= (composicin fase 2-Co) ( composicin fase 2- composicin fase 1)


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Ejercicios de aplicacin de la regla de la palanca: (intente responderlo usted slo)

a) Un acero que contiene 0,2% de carbono, se calienta a 800C. Qu fases estn presentes? Cul es lacomposicin de cada fase? En qu proporcin en peso coexisten?

b) Si el mismo acero con 0,2%C se calienta a 1000C. Qu fases aparecen y cul es la composicin decada una de ellas?

c) Un acero de 0,4% de carbono a 728C. Cunta ferrita y cunta austenita contiene?

d) Un acero de 1,2% de carbono a 728C. Qu fases estn presentes y en qu proporcin?

e) A qu temperatura debe calentarse un acero de 0,4%C para que slo exista austenita?

f) Idem anterior, para un acero de 1,2 %C

g) Un acero de 0,4%C, a qu temperatura debe calentarse para que comience a aparecer austenita?

h) Un acero de 0,4%C y otro de 1,2%C son mantenidos a 600C Qu fases estn presentes en cadaacero y en qu cantidad?

Respuestas:

a) Austenita y Ferrita. C= 0,012%C, C= 0,3%C; f= 0,347, %=65,3%b) Solamente austenita. C= 0,2 = Composicin del aceroc) f=(0.4 - 0.0218)/(0.77-0.0218)= 0,238; f=0.762d) y Fe 3C. f=(6,68 - 1.20)/(6,68 - 0.77)=0.927e) T = 780Cf) T = 880C

g) T = 727Ch) Acero 0,4%C : y Fe3C;

f=(6.68 - 0.4)/(6.68 - 0,006)= 0,94% Fe3C= 6%Acero 1.2%C : y Fe3C;f=( 6.68 - 1.2)/(6.68 - 0,006)= 0,82% Fe3C= 18%

NOTACIN EN EL DIAGRAMA FE-FE3C

Existe cierta nomenclatura utilizada en el diagrama de fases Fe - Fe3C que dice relacin con lastemperaturas de transformacin. La figura presentada indica los nombres de esos puntos detransformacin.

! A1 es la temperatura a la cual comienza (si se esta calentando) a parecer la austenita.

! A2 es la transformacin de Curie del fierro, de ferromagntico a paramagntico (nopresentada), alrededor de 770C.


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! A3 es la temperatura de equilibrio entre y : temperatura a la cual hay un 100% de si seest calentando, o la temperatura a la cual comienza a aparecer al enfriar.

! Del mismo modoAcm es la temperatura a la cual desaparece la cementita para dar lugar aaustenita al calentar o equivalentemente la temperatura a la cual aparece cementita alenfriar.

Para distinguir el enfriamiento del calentamiento existen notaciones: Ac3es la temperatura a lacual hay un 100% de austenita calentar y Ar3 es la temperatura a la cual aparece ferritadurante el enfriamiento. El subndice "c"se utiliza por calentamiento "chauffage" y "r"para elenfriamiento "reffroissement".

El DIAGRAMA DE FASES FE-C presentado presta utilidad para determinar la temperaturasde calentamiento (austenizacin) de aceros al carbono y aceros baja aleacin, considerando lasmodificaciones introducidas por los aleantes.

En particular el diagrama de fases puede utilizarse para interpretar las microestructuras de

recocido y enfriamiento al aire (normalizado) de aceros al carbono simples.

Las microestructuras de enfriamientos lentos, recocido, en aceros baja aleacin, puedeninterpretarse del mismo modo con el diagrama de fases presentado.

A continuacin se discuten las posibles microestructuras que se pueden presentar en los acerosy su importancia en las propiedades mecnicas. Las microestructuras presentes en un acero, queson consecuencia de los tratamientos trmicos realizados, son causadas por lastransformaciones de fases.

2.4. TRANSFORMACIONES EN ACEROS AL CARBONO: MICROESTRUCTURAS

2.4.1. FUNDAMENTOS DE LOS TRATAMIENTOS TRMICOS

Los tratamientos trmicos juegan un papel terminal para conseguir las propiedades deseadasde acuerdo a su aplicacin.

Adicionalmente los tratamientos trmicos son aplicados como una etapa intermedia de unproceso productivo: Ej. Recocido de recristalizacion, como una etapa de la conformacinplstica.

Los tratamientos trmicos modifican la microestructura del acero y como consecuencia deesto las propiedades mecnicas.

Los tratamientos trmicos pueden dividirse en las siguientes etapas: CALENTAMIENTO,MANTENCION Y ENFRIAMIENTOdesde la temperatura de tratamiento.


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La etapa de calentamiento y mantencin en la temperatura deseada est relacionada con eltamao de la pieza y generalmente se acepta que estas etapas son del orden de 30 minutos porpulgada de seccin para geometras simples. En caso de piezas de geometra complicada serecomienda el calentamiento por etapas, para evitar distorsiones trmicas producto de lasdiferencias de temperaturas y de las transformaciones de fases.

El grfico siguiente ilustra el tiempo de permanencia recomendado a altas temperaturas en

aceros que sern templados.

Figura 2.3. Tiempo de permanencia a la temperatura de temple, en funcindel tamao de la pieza.

La etapa de enfriamiento es la ms crtica pues es la que da origen a las diversasmicroestructuras que a su vez originan distintas propiedades mecnicas.

Las propiedades resultantes del enfriamiento pueden obtenerse a partir de la informacinentregada por los diagramas de enfriamiento continuo de la austenita: DIAGRAMAS

T.T.T. (Temp-Tiempo-Transformacin), que sern presentados ms adelante.2.4.2. MICROESTRUCTURAS DE ENFRIAMIENTO EN ACEROS AL CARBONO

2.4.2.1. TRANSFORMACIONES EUTECTOIDE: MICROESTRUCTURA PERLTICA

A 800C un acero que contiene 0,8%C presenta una fase: austenita. Al enfriar la austenita yllegar a la temperatura Ar1 aparecen dos fases: ferrita y cementita. A 727C la ferrita tienecomposicin 0.02%C y la cementita 6,68%C.


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La transformacin que ocurre al pasar de una fase slida (austenita)a otras dos fases slidas(ferrita + cementita) es conocida como transformacin eutectoide, que para el caso del acerose denomina transformacin perltica: en este caso:

! Transformacin perltica:

de 0.8%C de 0.02%C + Fe3C de 6,68%C

f = (6,68 - 0.8 ) (6.68 - 0.02)=0.88 y, fFe3C=0.12

La morfologa en la cual aparecen la ferrita y la cementita es la que se presenta en la figurasiguiente:

a bFigura 2.4. Morfologa de la transformacin eutectoide o perltica enaceros. Se obseva lminas de ferrita y cementita (a) 500 X (b) 2000 X

Esta morfologa que parece "huellas dactilares" es conocida como PERLITA. La perlita esentonces una mezcla de dos fases: ferrita y cementita, que provienen de la descomposicinde la austenita. La perlita est compuesta de lminas alternadas de ferrita y cementita cuyosespesores estn en proporcin de:

Espesor /Espesor Fe3C= (0.88/densidad )/(0,12/densidad Fe3C)7/1

El espaciamiento entre las lminas de ferrita y cementita en la perlita depende de latemperatura a la cual se forma la perlita. A menores temperaturas menor ser elespaciado entre lminas, dando lugar a la "perlita fina". La perlita gruesa por otra parte seproduce cuando la perlita se forma a temperaturas cercanas a A1.


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La descomposicin de la austenita en funcin del tiempo a 650C se observa en la figurasiguiente.

Figura 2.5. Formacin de perlita a 650C a partir de austenita con uncierto tamao de grano. Las regiones rayadas representan la perlita.

La figura presentada permite visualizar que la transformacin de austenita a perlita requierede un cierto tiempoy que inicialmente la mezcla de dos fases, perlita, aparece en los lmitesde grano de la austenita.

A los dos segundos se observan los primeros ncleos de perlita y posteriormente estos ncleoscrecen y transforman toda la austenita en perlita. Es decir inicialmente hay una "nucleacin"preferentemente en los bordes de grano y elcrecimientode estos consume o transforma todala estructura inicial.

NUCLEACIN Y CRECIMIENTO

Toda transformacin de fases (por ejemplo austenita a perlita o viceversa) requiere de las dosetapas mencionadas: NUCLEACION Y CRECIMIENTO.

La NUCLEACION ocurre en zonas de alta energa:

! bordes de grano! lmite entre fases (nucleacin de a partir de perlita)! inclusiones (xidos, sulfuros)! precipitados (carburos, nitruros)! zonas de alta deformacin (materiales deformados)


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La nucleacin es una condicin de inestabilidad. A mayor inestabilidad mayor ser lanucleacin. La inestabilidad se logra al alejarse de las condiciones de equilibrio. Por ejemplocuando se enfra austenita hasta 700C, est con un sobreenfriamiento de 27C; a 600C laaustenita es ms inestable por estar sobreenfriada en 127C (la temperatura de equilibrio es727C). A 600C la nucleacin de la perlita es mucho ms intensa que a 700C. (Es ms imperiosala necesidad de transformarse).

En general alta nucleacon da origen a estructuras ms finas. Estructuras ms finas sonms resistentes mecnicamente. Dicho de otra forma una austentita enfriada en el horno (conbajo sobreenfriamiento) da origen a perlita gruesa (RECOCIDO). Un enfriamiento al aire(NORMALIZADO) de un acero al carbono da origen a perlita fina, con mayor resistenciamecnica que la recocida.

El CRECIMIENTO de un ncleo ya formado es la manera por la cual se completa latransformacin. El crecimientopuede considerarse como el avance de la nueva fase por saltosde tomos a travs de la interfase de crecimiento. Requiere adems de redistribucin de

solutosen frente de la interfase de crecimiento (la(s) nueva(s) fase(s) difiere(n) en composicincon respecto a la fase inicial). Es decir, requiere de DIFUSIN, y como la difusin depende dela temperatura, el crecimiento es ms importante en mayores temperaturas.

C OD D Q RT = exp( / )

2.4.2.2. ENFRIAMIENTO DE UN ACERO CON 0,4%C DESDE .MICROESTRUCTURA FERRITO-PERLTICA.

La figura siguiente esquematiza la microestructura que se obtiene a distintas temperaturasdurante el enfriamiento lento de un acero tipo SAE 1040.

Figura 2.6. Microestructuras a distintas temperaturas durante elenfriamiento desde austenita de un acero tipo SAE/AISI 1040.


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! A T1 hay solo austenita con un cierto tamao de grano.

! A la temperatura T2, justo bajo A3, aparece ferrita en los bordes de grano austentico. Lafraccin de ferrita es mnima pero tiene una composicin de 0,01%C aproximadamente.

! A la temperatura T3, justo sobre A1, hay ferrita de 0,02%C en equilibrio con austenita de

0,8%C. Hay un 51% de formando una red en los antiguos lmites de granos austenticos.

! Al enfriar desde T3 hasta T4 (T4 justo bajo A1) la austenita presente en T3 se transformen perlita, permaneciendo inalterado "" formado anteriormente ("" proeutectoide, pues sepresenta desde antes de la transformacin eutectoide).

! Al aplicar la regla de la palanca a la temperatura T4, la cantidad de ferrita es:

f ""= (6,68 - 0,4)/(6,68 - 0,02)=0.942=94.2%

La ferrita est presente tanto en la perlita como tambin en forma "libre", formada hasta T3.

La cantidad total de ferrita, 0.942, puede ser desglosada segn:

f " "= 0.942= ferrita "libre" + ferrita en la perlita

0.942 = ferrita "libre" + f"" f "" en la perlita

0.942 = (0.8-0.4)/(0.8-0.02) + (1-(0.8-0.4)/(0.8-0.02)) (6.68-0.8)/(6.68-0.02)

0.942 = 0.513 + 0.487 0.881

La figura siguiente muestra las microestructuras obtenidas durante el enfriamiento de un aceroAISI 1045 desde 900C.

Figura 2.7 Microestructura de un acero 1045 austenizado 75 min a 900C.(a)Enfriamiento al horno (b)Enfriamiento al aire:ambas a (500X)


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Se observa que las microestructuras de un acero al carbono corriente pueden fcilmenteinterpretarse segn el diagrama de fases, para enfriamientos al horno y al aire. Lasmicroestructuras obtenidas para estos aceros son ferrito-perlticas.

La perlita de un acero enfriado al aire es ms fina, al igual que el tamao de grano de la ferrita.

Las cantidades de ferrita y perlita difieren en ambos tratamientos, siendo mayor la cantidad deferrita obtenida al enfriar en el horno, al tener ms "tiempo" para transformar toda la ferritaindicada en el diagrama de fases.

A modo de ejercicio en la figura siguiente aparecen distintas fotomicrografas de aceros conmicroestructuras ferrito-perlticas. Estime el contenido de carbono en cada caso.

Figura 2.8 Microestructuras de aceros -perlticas.

Respuestas:(a) 0,25 a 0.30%C (b) 0.20 %C(c) 0,55 %C (d) 0.31 a 0.35%C

a) 250x b) 500x

d) 100xc) 1000x


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2.4.3. AUSTENIZACIN

Hasta el momento slo se ha presentado la transformacin desde austenita. En un caso sepresent la descomposicin de la austenita de composicin 0.8, para dar origen a la perlita. En elpunto anterior se presentaba el enfriamiento desde una austenita hipoeutectoide (composicinmenor que 0.8%C) para dar origen a la formacin de ferrita-perlita. En este punto es necesariodiscutir la austenizacin.

La austenizacin es una etapa fundamental para la fabricacin del acero. En esta fase se forjanlos aceros. Tambin en esta fase se homegeniza la composicin hetereognea de solidificacin.

En esta etapa de fabricacin en la regin austenita se cementa (carburiza), pues en esta fase esposible disolver una mayor cantidad de carbono. (ver diagrama de fases Fe-Fe3C).Adicionalmente para templar un acero, se requiere austenizar. En conclusin, es una etapafundamental tambin en los tratamientos trmicos.

La formacin de la austenita al calentar un acero a la temperatura en la cual la austenita es

estable, tambin es una transformacin de fase. Es decir se requiere de nucleacin ycrecimiento.

La figura siguiente representa la cintica de austenizacin para un acero 0.8% C, decomposicin eutectoide. Inicialmente este acero presenta estructura perltica y lostratamientos son isotrmicos, es decir la perlita se lleva a temperatura de inters y se mantienea esa temperatura hasta detectar la transformacin de fase.

Figura 2.9 Curvas de transformacin de austenita a partir de unaestructura perltica inicial

La primera curva a la izquierda de la figura 2.9 representa el comienzo de la aparicin deaustenita(o inicio de la desaparicion de perlita). Corresponde a la aparicin experimental de un0,5% de austenita. Puede decirse que se detectan en este punto slo los ncleos iniciales deaustenita; puede nuclear en los bordes de grano de la estructura inicial como tambin en las


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interfases - Fe3C de la perlita. Como son muchas ms las reas de interfases - Fe 3C estanucleacin ser la dominante.

El esquema de la figura 2.10 siguiente representa esta situacin.

Figura 2.10 Representacin esquemtica de la nucleacin de .

Posterior a la nucleacin de la austenita sta crece y consume toda la matriz perltica.La segunda curva de la figura 2.9 representa la desaparicin de la perlita, pudiendo quedar

carburos de fierro (Fe3C) residuales sin disolver an.

La tercera curva desde la izquierda establece la condicin emprica de disolucin total de loscarburos de fierro (Fe3C). Cabe resaltar que en este punto la austenita no es homognea encomposicin de carbono.

La inhomogeneidad en composicin de la austenita, puede visualizarse en la figura 2.10 en que lacomposicin de la austenita en equilibrio con la ferrita, C1, difiere de C2 (composicin deaustenita en equilibrio con cementita).

C1 puede entenderse como la correspondiente a A 3 y C 2 como A cm en el diagrama de fasesfierro carbono. La homogenizacin del carbono requiere por tanto de mayor tiempo; ultima curvaen figura 2.9.

Algunos hechos importantes en relacin a la figura 2.9:

! A mayor temperatura de austenitacin, menor ser el tiempo para obtener austenitahomognea.

! A mayor temperatura hay mayor nucleacin y mayor crecimiento. Esto equivale a decir que,

justo al momento de obtener homogneo, ser menor el tamao de grano resultante.

! La microestructura inicial afecta fuertemente la cintica de austenizacin. Unamicroestructura con menos puntos de nucleacin retardar la austenizacin.

! La cementita en forma de glbulos, en vez de lminas como en la perlita, representa menospuntos de nucleacin de la austenita. Esto trae como consecuencia un retardo de los tiemposrequeridos para austenizar.


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Figura 2.11 Efecto de la microestructura inicial y velocidad de calentamientosobre la temperatura de transformacin Ac3, de un acero AISI-1040

Si bien a mayores temperaturas se logra antes la austenizacin, como regla general NOconviene nunca calentar a mayores temperaturas que las necesarias. A altas temperaturasaparte de ser altos los costos, hay mayores problemas de oxidacin, mayores problemas en eltemple y un excesivo crecimiento del tamano de grano austenitico.

A pesar de todo esto, en algunas situaciones es inevitable tener que trabajar a altastemperaturas y el crecimiento del grano austentico es lo que se debe impedir (los otrosproblemas tienen soluciones ms empricas).

La solucin para limitar el crecimiento del grano austentico est dada por la introduccin deelementos aleantes al acero en su elaboracin: aluminio, titanio, niobio, vanadio, etc.La presencia de elementos aleantes disueltos en la austenita retardan el crecimiento delgranoy aquellos elementos aleantes que forman precipitados limitan su crecimiento. La figura2.12 muestra, a modo de ejemplo, como un acero calmado con aluminio limita el crecimiento delgrano por la formacin del nitruro de aluminio AIN.

Cuando slo se requiera austenizar completamente para efectuar tratamientos trmicos simples(no carburizacin ni forja), las temperaturas recomendables son 50C sobre Ac3 o Acm y eltiempo de mantencion es de alrededor de media hora por cada 25 mm de seccin de la pieza.


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Figura 2.12 Crecimiento del grano austentico, para un acero AISI-1020 a870C

2.5 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIN DE AUSTENITA: DIAGRAMAS TTT

2.5.1. DESCOMPOSICIN ISOTRMICA DE LA AUSTENITA.

Supngase un acero con una composicin eutectoide de (0,8%C), que fue austenizado a 780 C.

La cintica de descomposicin de la austenita se representa en diagramas isotrmicos (ITT)y otras veces en diagramas de enfriamiento continuo (CCT). En ambos casos son diagramasTransformacin - Temperatura - Tiempo y son ms conocidos como DIAGRAMAS TTT.

La figura siguiente muestra el diagrama de transformacin isotrmica para un acero eutectoide,tipo AISI 1080.

Figura 2.13. Diagrama de descomposicin isotrmica de un acero AISI1080, T= 900C (tamao de grano ASTM 6).


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La manera de interpretar este diagrama es considerar que el acero AISI 1080, con tamao degrano ASTM N6, es enfriado rpidamente (en t=0) a cada una de las temperaturas menoresque A1 (Temperatura eutectoide) y se mantiene Isotrmicamente.

La primera curva que se corta representa el "inicio"de la descomposicin de la austenita y lasegunda el "trmino". El "inicio" y el "trmino" de la transformacin se entiende como un hecho

experimental de determinacin, y es as como generalmente corresponden a un 5% y 95% detransformacin, respectivamente.

Se observa en la figura presentada 2.13, que la forma de la curva de descomposicin de laaustenita (TTT o curva "S"), presenta un tiempo en el cual la transformacin es ms rpida .Alrededor de ese mnimo se produce la mejor combinacin de nucleacin y crecimiento de losproductos de transformacin.

Con pequeos sobreenfriamientos de la austenita (cuando es mantenida a temperaturas pocomenores a A1) existe poca nucleacin y elevado crecimiento. Con grandes sobreenfriamientos

(727C300C, T= 427C) aunque la nucleacin es elevada, el crecimiento es lento y de estaforma resulta un retardo de la transformacin de la austenita.

Si el sobreenfriamiento es muy elevado, entonces se alcanza una temperatura denominada Msbajo la cual la descomposicin de la austenita slo se efecta por nucleacin. No existecrecimiento practicamente. la descomposicin de la austenita no depende del tiempo.

Ms es la temperatura a la cual comienza (Start) la formacin de MARTENSITA.

La martensita es un nuevo producto de descomposicin de la austenita. Ms representa entonces

generalmente un 5% de martensita formado, estando el 95% de la estructura resultanteformada por AUSTENITA RETENIDA.

En la parte superior de la "nariz" de descomposicin de la austenita (tambin llamada curva"S"), se produce PERLITA como producto final de transformacin, y en la parte inferior deesta "nariz" se produce otro producto de descomposicin de la austenita, denominadaBAINITA.

Figura 2.14. Avance de la perlita en una matriz austentica.


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La BAINITA es una mezcla de dos fases: ferrita y cementita. La morfologa de la bainita esde placas de ferrita en forma de agujas que crecen en una variedad de direcciones, y losprecipitados de Fe3C aparecen fuera de ellas (bainita superior) o dentro de ellas (bainitainferior). La figura siguiente muestra aspectos de este constituyente. La bainita inferior seforma a menores temperaturas y por tal motivo la microestructura es fina, al ser mayor lanucleacin.

Debe entenderse que microestructuras finas son ms resistentes que las microestructurasbastas. La explicacin a esto est relacionado con el mecanismo que controla la deformacin.Microestructuras finas son difcil de deformar y por tanto resistentes. Existen ms"obstculos" para la deformacin.

Figura 2.15. Morfologa de la bainita(a)Etapas de transformacin de la bainita. Se observa relieve superficialpor cambio volumtrico al pasar de FCC BCC. (b) Detalles de una bainitainferior.

Tanto la perlita y la bainita estn compuestas por ferrita y cementita. Sin entrar endetalles de posibles diferencias en composicin de la ferrita y cementita, ambas fases sonpredichas por el diagrama de fases Fe-Fe3C.

Alrededor de 500C en los aceros al carbono la formacin de perlita compite con la formacinde bainita. A menores temperaturas el crecimiento de la perlita es despreciable frente a la


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formacin de la bainita, ya que requiere redistribucin de carbono a mayores distancias. Ladistribucin de carbono en la bainita se efecta en gran parte a travs de la punta, en todasdirecciones.

En aceros con presencia de elementos aleantes pueden aparecer hasta dos "narices" en losdiagramas TTT. En tal caso, la "nariz" de mayor temperatura corresponde a la formacinde perlita.

La MARTENSITA, tal como se mencion anteriormente, se forma a partir de una temperaturadenominada Ms y existe un "100%" de martensita a una temperatura Mf, menor que Ms. Lacantidad de martensita formada solo depende de la temperatura a la cual es llevada laaustenita, y no depende del tiempo que es mantenida a esa temperatura. La figura siguientemuestra la dependencia de la cantidad de martensita formada en funcin de la temperatura. Elresto, en cualquier temperatura entre Ms y Mf, es AUSTENITA RETENIDA.

Figura 2.16. Formacin de martensita a distintas temperaturas.

Por otra parte, la temperatura Ms depende de la composicin de la austenita, y no del acero(En muchos casos corresponden). Las siguientes relaciones muestran esa dependencia: paraaceros al carbono y baja aleacin:

Ms (C) = 561 - 474(%C) - 33(% Mn) - 17(%Ni) - 17(%Cr) - 21(%Mo)M10(C) = Ms - 10C

M50(C) = Ms - 47CM90(C) = Ms - 85C

De las relaciones relaciones se desprende que todos los elementos disueltos austenitadisminuyen la temperatura de formacin de la Martensita. Dicho de otra forma, la presenciade elementos aleantes y en particular el carbono favorecen la mantencin de austenita retenida.

En ciertos casos la presencia de austenita retenida debe evitarse. Una vez formada estnlas alternativas de enfriar a temperaturas subcero y/o deformar el acero, para eliminar la


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austenita. El primer caso se conoce como temple subceroy en el segundo, la deformacin puedelograrse mediante un granallado superficial.

Finalmente se muestra en la figura siguiente el diagrama de transformacin isotrmica para unacero al carbono eutectoide, con sus distintas microestructuras . Se aprecia en el diagrama quelas microestructuras formadas a menores temperaturas son ms duras, por ser en parte ms

finas y por las estructuras propiamente tal.

Figura 2.17. Diagrama de descomposicin isotrmica de un acero AISI 1080, T= 900C (tamao de grano ASTM 6).


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Figura 2.18. Diagrama TTT isotrmico de un acero eutectoide con tamao degrano austentico ASTM 4-5.


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2.5.1.1. DIAGRAMA TTT ISOTRMICO DE ACEROS AL CARBONO Y BAJAALEACIN.

Las figuras siguientes representan, para fines comparativos, los diagramas TTT de distintosaceros al carbono y baja aleacin.

Figura 2.19. Diagrama TTT isotrmico para aceros al carbono


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! En los aceros de composicin distinta a la eutectoide aparece una fase a temperaturassuperiores a Ae1. Los aceros hipoeutectoides (A a F) presentan formacin de ferritabajo Ae3, y por tal motivo aparece la lnea de formacin de ferrita.

! Similarmente en aceros hipereutectoides (%C>0.8%), H, aparece la lnea de formacin decementita Acm.

! En todos los diagramas se observa que la dureza aumenta al descomponerse la austenita amenores temperaturas. En general la dureza de los aceros, para igual producto formado,aumenta al aumentar el contenido de carbono.

! La mxima dureza corresponde a la formacin de martensita en cada uno de los aceros

! La dureza de la martensita se eleva para altos %C y parece estabilizarse la mximadureza para un 0,6% C de (65-66 Rockwell C).

! Hasta la composicin eutectoide (AISI 1080), los diagramas TTT tienden a desplazarse

hacia tiempos mayores. La "nariz" de formacin de la perlita se despega del eje verticalal aumentar el contenido de carbono de la aleacin.

! El aumento %Mn desplaza las curvas TTT hacia tiempos mayores(Ver C y D)

! Un gran tamao de grano austentico desplaza tambin la "nariz" perltica hacia tiemposmayores. Esto se debe a un tamao de grano grande presenta menos puntos de nucleacinpara la transformacin de la austenita, en relacin a un tamao de grano austentico fino. Porla importancia que tiene el tamao de grano austentico en los diagramas TTT, siemprese especifica.

! Es necesario observar la variacin de Ms (y tambin Mf) al aumentar el %C. Este hechoestrelacionado a la dependencia de Ms con el contenido de carbono y elementos aleantes yaestablecido.

Figura 2.20. Diagramas de descomposicin isotrmica de los aceros bajaaleacin. (a) Acero tipo AISI 4130 (b) Acero tipo AISI 6150


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Al comparar los diagramas TTT de los aceros baja aleacin con los TTT de los aceros al carbonopuede establecerse que:

! Ms y Mf varan de acuerdo a relaciones presentadas. Con el %C y elementos aleantes

! Aparecen dos "narices" en la curva de descomposicin isotrmica de la austenita. Laformacin de perlita corresponde a la "nariz" superior, y en cambio la cintica de formacin

de bainita se presenta en la "nariz" de menores temperaturas.

! Para un contenido de carbono similar, la presencia de elementos aleantes disueltos enaustenita produce un fuerte desplazamiento de las curvas TTT hacia tiempos mayores.

! Del mismo modo, para un contenido de carbono similar, las durezas logradas a igual productoformado no difieren mayormente.

2.5.2. DESCOMPOSICIN DE LA AUSTENITA DURANTE ENFRIAMIENTOCONTINUO.

Los diagramas de enfriamiento continuo presentan la descomposicin de la austenita durante elenfriamiento desde altas temperaturas. Estos diagramas son de utilidad pues se aproximanbastante a las condiciones reales de descomposicin de la austenita. De hecho todos losenfriamientos utilizados en los tratamientos trmicos comerciales son continuos. La figurasiguiente representa en forma esquemtica esta situacin.

Figura 2.21 Curva de enfriamiento esquemticas para distintostratamientos trmicos, en un acero eutectoide.


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Si bien los diagramas de transformacin isotrmica son una herramienta valiosa para el estudioe interpretacin de los tratamientos trmicos, es ms importante disponer de los diagramas deenfriamiento continuo.

La diferencia entre los diagramas de transformacin isotrmica y los de enfriamiento continuopuede comprenderse con mayor facilidad al superponer ambos diagramas para un acero

eutectoide. La figura siguiente representa esta situacin.

Figura 2.22 Relacin entre diagrama de enfriamiento continuo (CCT) eisotrmico (ITT) para un acero eutectoide.

Segn la figura presentada, al enfriar el acero segn el enfriamiento 1, el punto "a" del diagramaisotrmico (inicio) corresponde al punto "b" (inicio) del diagrama de enfriamiento contnuo. Delmismo modo el punto "c" y "d" son equivalentes para los diagramas isotrmicos y continuorespectivamente.

La explicacin al desplazamiento del diagrama CCT (contnuo) es: el punto "a" representa el iniciode la formacin de perlita, luego de permanecer el acero 6 se a 650C; en cambio el acero alesnfriarse segn curva 1 y alcanzar el punto "a", ha permanecido a una temperatura promediomayor a 650C, y a esta mayor temperatura la transformacin es ms lenta. Por tanto serequiere ms tiempo para iniciar la transformacin durante el enfriamiento, y como el acero seest enfriando un mayor tiempo necesariamente significa una menor temperatura.

De esta forma, el efecto neto del CCT es un desplazamiento hacia mayores tiempos y menorestemperaturas, en relacin a los diagramas ITT.


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Otra diferencia de los dos tipos de diagramas de descomposicin de la austenita es ladesaparicin de la formacin de la bainita durante el enfriamiento continuo, al menos en acerosal carbono. Se observa en la figura 2.22 que al enfirar un acero segn la curva 2, el perodo detiempo que permanece en la regin baintica es demasiado corto como para que se forme unacantidad apreciable de bainita. Este hecho es favorecido en gran parte por la disminucin de lavelocidad de formacin de bainita a menores temperaturas.

Una situacin distinta se presenta en aceros aleados. Si bien el diagrama de enfriamientocontnuo se encuantra desplazado hacia mayores tiempos y menores temperaturas, aparecebainita durante el enfriamiento contnuo. En este caso la formacin de bainita a menorestemperaturas est ms favorecida. La figura 2.23 muestra este hecho para un acero AISI 4140cuyo diagrama isotrmico est superpuesto al de enfriamiento contnuo.

La figura siguiente muestra el desplazamiento de las curvas CCT para un acero baja aleacinAISI 4140.

Figura 2.23 Correlacin de diagrama de transformacin isotrmica ycontnua para un acero 4140.


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2.6. APLICACIN DE LOS DIAGRAMAS TTT AL TRATAMIENTO TRMICO DELOS ACEROS

2.6.1 TEMPLE Y REVENIDO

La microestructura ms dura (y resistente) que es posible obtener en un acero es laMARTENSITA. Esta microestructura se obtiene al enfriar rpidamente un acero desdeaustenita, evitando la formacin de productos "blandos" tales como ferrita y perlita: evitando la"nariz" perltica. El TEMPLE (quenching) es as en enfriamiento tal que produce unamicroestructura martenstica.

El REVENIDO (tempering) es un tratamiento trmico posterior al temple, y consiste en uncalentamiento a temperaturas menores a A1, como objetivo eliminar las tensiones residualesproducidas por el temple.

El diagrama TTT no considera la operacin de revenido, a menos que el acero templado contengaaustenita retenida en su microestructura. En este caso la austenita retenida generalmente setransforma durante el revenido en los productos de transformacin indicados por el diagramaisotrmico.

La figura siguiente ilustra esquemticamente el temple y revenido sobre un diagrama isotrmico.

Figura 2.24 Relacin esquemtica en temple-revenido con eldiagrama de descomposicin isotrmica de la austenita.


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2.6.2 MARTEMPERING

El siguiente esquema ilustra el diagrama isotrmico de descomposicin de austenita conel tratamiento trmico de Martempering. Este tratamiento consiste en templar en unbao a una temperatura de la pieza. Posterior a esta mantencin, la pieza de acero seretira y se enfra al aire. Durante este ltimo enfriamiento ocurre la transformacin a

martensita.

Figura 2.25. Relacin esquemtica entre TTT y Martempering.

Este tratamiento produce martensita al igual que el temple, y la mantencin a latemperatura levemente superior a Ms tiene por objeto minimizar la distorsin yagrietamiento del acero durante el endurecimiento (minimiza los gradientes trmicos).

Cuidados especiales al efectuar el Martempering:

! temperatura del bao de temple.! debe evitarse la formacin de bainita.

El diagrama isotrmico es til para seleccionar la temperatura ptima del bao detemple y estimar cuanto tiempo el acero puede mantenerse a la temperatura del baosin formacin de bainita.


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2.6.3 AUSTEMPERING

El austempering es un tratamiento de endurecimiento basado en la transformacinisotrmica de la austenita en bainita. La figura siguiente ilustra este tratamiento, elcual, al igual que el martempering minimiza la distorsin y agrietamiento producido porlos gradientes trmicos.

Figura 2.26 Representacin esquemtica de tratamiento de

Austempering y diagrama TTT.


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2.6.4 RECOCIDO O ABLANDAMIENTO

La obtencin de un acero blando para que pueda ser procesado, mecanizado, etc., tambin serelaciona con los diagramas de descomposicin de la austenita.

Las microestructuras ms blandas son ferrita y perlita, y la obtencin de stas es el objetivodel recocido.

Una microestructura basta (perlita gruesa o cementita globulizada) se obtiene a temperaturasde formacin cercanas a Al. Evidentemente el tiempo de transformacin debe considerarse. Esascomo adicionalmente el recocido convencional (enfriamiento en el horno) existe untratamiento de recocido isotrmico que aproveche la existencia de un tiempo mnimo paratransformar la austenita. La figura siguiente representa estas situaciones.

Figura 2.27 Tratamientos de ablandamiento.(a) Recocido convencional(b) Recocido isotrmico.


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2.7. ENDURECIMIENTO DEL ACERO: TEMPLE Y REVENIDO

Los posibles microconstituyentes de encontrar en aceros son los siguientes, de acuerdo altratamiento trmico:

TABLA II.1

POSIBLES MICROESTRUCTURAS DE ACEROS! Ferrita ()! Perlita (+ Fe 3C: lminas alternadas)! Bainita (+Fe3C: agujas de +carburos)! Martensita (')! Cementita globulizada en matriz ferrtica

(+Fe3C: glbulos de Fe3C en matriz ferrtica)! Austenita retenida

La figura siguiente muestra las propiedades de resistencia de las microestructuras mscomunes.

Figura 2.28 Propiedades Mecnicas de las distintasmicroestructuras en aceros.


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2.7.1 MARTENSITA

En la figura anterior se observa que la martensita es la microestructura ms resistente que esposible obtener en aceros, para un cierto contenido de carbono. El nivel de resistencia es lejoses ms alto que se puede lograr en los aceros.

Del mismo modo las microestructuras de recocido, cementita esferoidizada en matriz ferrtica

(o esferoidita) y perlita gruesa, son las ms blandas aptas para mecanizado o deformacin. Lesiguen la perlita fina, normalmente producto de normalizado y la bainita, producto deenfriamientos ms severos.

Se observa que la dureza de la martensita depende del contenido de carbono. Este contenido decarbono es que se disuelve en la austenita. La figura y tabla siguiente muestran las propiededesde resistencia a la fluencia y dureza de la microestructura martenstica.

Figura 2.29.(a) Lmite de fluencia de la martensita sin revenir deacuerdo al %C.(b) Dureza mxima de la martensita

Tabla II.2 Dureza de la martensita de acuerdo al %C.%C HRc %C HRc %C HRc0.1 38 0.27 49 0.44 580.11 39 0.28 49 0.45 580.12 40 0.29 50 0.46 590.13 40 0.30 50 0.47 590.14 41 0.31 51 0.48 590.15 41 0.32 51 0.49 60

0.16 42 0.33 52 0.50 600.17 42 0.34 53 0.51 600.18 43 0.35 53 0.52 610.19 44 0.36 54 0.53 610.20 44 0.37 55 0.54 610.21 45 0.38 55 0.55 610.22 45 0.39 56 0.56 610.23 46 0.40 56 0.57 620.24 46 0.41 57 0.58 620.25 47 0.42 57 0.59 620.26 48 0.43 58 0.60 62

a) b)


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Algunos hechos importantes en relacin a este producto de transformacin de la austenita:

La martensita es una fase metaestable que tiene la misma composicin que la austenita de la cualproviene: el mismo contenido de carbono y elementos aleantes.

La transformacin martenstica se produce por un mecanismo de cizalle de un volumen discreto

de austenita.

A escala atomstica la martensita presenta una estructura tetragonal centrada en el cuerpo,cuya tetragonalidad depende del contenido de carbono principalmente, ver figura.

Figura 2.30 Estructura de la martensita de los aceros.(a) Distorsin de Bain en la transformacin martenstica.(b) Parmetros de la estructura de y martensita

Los tomos de carbono se ubican preferencialmente en los "puntos negros" de presentada yasproduce un efecto de aumentar la tetragonalidad de la estructura martenstica.

Hay un cambio volumtrico de expansin en la transformacin martenstica que puedeinterpretarse para este efecto como el paso de (B) a (C) en la figura. De este modo :

Cambio volumtrico= (Vmartensita-Vaustenita)/Vaustenita * 100

V/V = (VC - VB)/VB * 100

V/V = (a2 * c - (ao/ 2)2 * ao )/((ao/ 2)2 * ao) * 100

La tabla siguiente muestra la expansin volumtrica y lineal de la transformacin martensticapara distintos contenidos de carbono.


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TABLA II.3 CAMBIOS VOLUMTRICOS DE LA TRANSFORMACIN MARTENSTICA.

%C V/V o(%) / o(%)=V/3Vo0.0 4.87 1.620.2 4.74 1.580.4 4.61 1.540.6 4.48 1.49

0.8 4.34 1.451.0 4.20 1.401.2 4.06 1.35

La dureza de la martensita depende nicamente del contenido de carbono. La alta dureza de lamartensita se debe a la distorsin de la estructura tegragonal al aumentar el contenido decarbono, y a la gran densidad de dislocaciones (defectos) que se producen por el mecanismo decizalle de la transformacin. La cantidad de dislocaciones, defectos de la microestructuracaractersticos de deformacin, es comparable a la de materiales altamente deformados.

La martensita se forma a temperaturas menores que Ms, y esta temperatura es dependiente delcontenido de carbono y elementos aleantes, siendo mayor la influencia del carbono.

El grfico de dureza v/s %C muestra que para altos contenidos de carbono, tipicamente sobre0,8%, la presencia de austenita retenida se hace notar en la resistencia (o dureza) obtenida.

Debido a que la transformacin martenstica presenta rasgos de deformacin (presencia dedislocaciones), la aplicacin de esfuerzos que produzcan deformacin al acero facilita latransformacin de austenita retenida. Ases como una operacin de granallado (golpeteo departculas sobre la superficie de un acero templado) ocasiona en ciertos casos la eliminacin dela austenita retenida. Del mismo modo es posible explicar la existencia de una temperatura Mdsuperior a Ms, en la cual se obtiene martensita con deformacin plstica.

2.7.2 REVENIDO DE LA MARTENSITA (TEMPERING)

Cuando se enfra una pieza de acero para formar martensita ocurren dos cambios dimensionalesbsicos: contraccin trmica debido al enfriamiento, y expansin volumtrica producido por latransformacin de a Martensita.

Estos cambios volumtricos no necesariamente se anulan y se producen grandes tensionesinternas. Si estas tensiones son muy elevadas puede producirse deformacin plstica (y el aceropuede alabearse), o pueden ocasionarse grietas de temple.

Soluciones para mejorar las caracteristicas de tenacidad de aceros templados:

El Martempering, ya presentado, es un tratamiento trmico en el cual se minimizan losproblemas de agrietamiento producidos al templar el acero desde alta temperatura.


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Seleccionar aceros aleados. Los aceros aleados requieren de menores velocidades deenfriamiento para lograr la estructura endurecida martenstica y es un recurso que hay queutilizar. Al ser ms templables los aceros aleados y utilizar menoores velocidades deenfriamiento, la estructura es ms tenaz que una similar de acero al carbono.

Realizar un revenido.La estructura martenstica, tal como se mencion, presenta las mayorespropiedades de resistencia. Al mismo tiempo es una estructura extremadamente frgil, a tal

punto que exige un tratamiento trmico que la haga algo dctil. La necesidad de eliminartensiones internas producidas por el temple se hace ms necesario para aceros al carbono, porlo cual las temperaturas de revenido debern ser mayores. En cualquier caso los aceros aleadostambin requieren de este tratamiento trmico.

EL REVENIDO ES UN TRATAMIENTO TRMICO POSTERIOR AL TEMPLE QUE TIENECOMO FINALIDAD DAR DUCTILIDAD A LOS ACEROS TEMPLADOS.

Consiste en un calentamiento a temperaturas menores a A1 durante un cierto tiempo.

Si bien el objetivo del revenido es disimular la fragilidad de un acero endurecido, el seguimientodel revenido se efecta generalmente por mediciones de dureza.

La figura siguiente ilustra los cambios en dureza durante el revenido de aceros al carbono, alcalentarse 1 hora entre 100 y 700C.

Figura 2.31 Dureza de martensita revenida de aceros al carbono alrevenirse una hora entre 100C y 700C.


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Se observa en la figura que en general se produce un ablandamiento pronunciado al revenir lamartensita a altas temperaturas.

Durante el revenido la fase martenstica que estsobresaturada y distorsionada por el carbono,va segregndolo para dar lugar a la precipitacin de carburos de fierro. El ablandamientoobservado es as la consecuencia del efecto combinado de prdida de tetragonalidad de lamartensita por un lado y la precipitacin de carburos de fierro por el otro lado.

Con temperaturas de revenido superiores a 400C la microestructura observada consiste en unamatriz ferrtica con Fe3C precipitada en forma de glbulos. Esta microestructura es conocidacomo "globulizado", "perlita globulizada" o "esferoidizado", y son presentadas en lasfotomicrografas siguientes.

Figura 2.32 Estructuras globulizadas de aceros al carbono(a) Acero 1064 (b) Acero 1095.

La variacin de otras propiedades mecnicas en aceros al carbono durante el revenido sepresentan en la siguiente figura.

Figura 2.33 Variacin de propiedades mecnicas e impactodurante el revenido durante 1 hora en aceros al carbono.

a b


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Se observa una disminucin de las propiedades de resistencia y en general un aumento de laelongacin y reduccin de rea. La energa de impacto Izod, lo cual refleja de alguna manera latenacidad, sufre una cada acentuada a temperaturas entre 250 a 400C. Esta "fragilizacin"detectada en el ensayo de impacto es causada por segregaciones de elementos aleantes hacialos bordes de grano, y es conocida como Fragilidad de Revenido.

EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEANTES DURANTE EL REVENIDO

Los elementos aleantes en el acero modifican las curvas de revenido de la martensita. La figurapresentada a continuacin muestra dos tipos de comportamiento del revenido en aceros conelementos aleantes.

Figura 2.34 Efecto de elementos aleantes en revenido de aceros. (a)Efecto del contenido de Silicio (b) Endurecimiento Secundario producido

por Mo (similarmente W).En general todos los elementos aleantes retardan el ablandamiento durante el revenido, enrelacin a aceros al

01 Fund Tratamientos Termicos

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