Aceros Al Carbono y Tratamientos

8/10/2019 Aceros Al Carbono y Tratamientos

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ESTUDIO DE LAS ALEACIONES FERREAS

ACEROS AL CARBONOIntroduccin.El hierro puroAleaciones hierro-carbono

Fases y constituyentes del diagrama metaestable Fe- Fe3CPropiedades mecnicas de los aceros

TRANSFORMACIONES DE NO EQUILIBRIO DE LA AUSTENITA

TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS

TRATAMIENTO TRMICOS SUPERFICIALES

ACEROS ALEADOS

FUNDICIONES


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INTRODUCCIN

Las aleaciones frreas o aleaciones de base hierro (aceros y fundiciones) siguen siendo actualmentelas aleaciones metlicas ms importantes usadas en ingeniera y suponen aproximadamente el 90 %de la produccin mundial de metales. Esto se debe por una parte, a la existencia de numerososyacimientos de minerales de hierro y al desarrollo de procedimientos de fabricacin relativamentesimples, que hacen que el precio del acero sea inferior al de otros metales, y por otra parte, a la

combinacin de resistencia, dureza, ductilidad y tenacidad que presentan. Adems la posibilidad deadquirir con tratamientos trmicos diversas microestructuras que les confieren distintas propiedadesaumenta la versatilidad y uso de estos materiales.

Las aleaciones de hierro y carbono con porcentajes entre 0.03 y 2 % de C en peso se denominanaceros ordinarios al carbono. Aunque contienen siempre en su composicin pequeas cantidadesde otros elementos (Si, P, Mn, S) procedentes del proceso de obtencin, sus propiedades dependen

fundamentalmente del contenido en carbono y son tratadas como aleaciones binarias. En ocasiones,otros elementos qumicos son aadidos para obtener propiedades especiales, es el caso de elementosde aleacin como el Ni, Cr, Mo, etc., y constituyen entonces los denominados aceros aleados. Lasaleaciones de hierro y carbono con porcentajes superiores al 2 % de C en peso se denominanfundiciones.No obstante, la diferencia fundamental entre aceros y fundiciones es que los primerosson fcilmente deformables en caliente bien por forja, laminacin o extrusin, mientras que las

fundiciones se fabrican normalmente por moldeo.

EL HIERRO PURO

El hierro es un metal que presenta distintas estructuras alotrpicas en funcin de la temperatura.

Desde su solidificacin a 1535 C hasta los 1400 C presenta estructura cbica centrada en el cuerpo(CC) denominada hierro . Entre 1400 y 910 C presenta estructura cbica centrada en las caras

(CCC) denominada hierro , transformndose a 910 en hierro de estructura CC, que es la

estructura estable para temperaturas por debajo de ese punto. El hierro es ferromagntico hastalos 770 C por encima de esa temperatura pierde el ferromagnetismo sin modificar su estructuracristalina.

El hierro puro es muy blando y presenta baja resistencia mecnica. La adicin de carbono al hierro,an en cantidades muy pequeas, aumenta su resistencia mecnica.

En las aleaciones hierro carbono, ste puede presentarse de tres formas diferentes:

a) Disuelto en el hierro formando una solucin slida intersticial o de insercin.

La solubilidad del carbono en el hierro es muy baja, prcticamente nula en el hierro . Los

intersticios o huecos de la red CC del hierro son ms pequeos que los de la red CCC del hierro lo que justifica una mayor solubilidad del carbono en esta ltima. No obstante, an en este caso eltamao de los huecos es inferior al dimetro atmico del carbono, por lo que la presencia de stedistorsiona la red del hierro provocando endurecimiento o aumento de resistencia.

La solucin slida de insercin de carbono en la red cbica centrada en el cuerpo del hierro sedenomina ferrita. La solucin slida de insercin de carbono en la red cbica centrada en las carasdel hierro se denomina austenita.


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b) combinado qumicamente con el hierro formando el carburo de hierro Fe 3C.

Estructuralmente el carbono se encuentra en los aceros combinado con el hierro formando elcarburo de hierro Fe3C, denominado cementita. La cementita es un compuesto qumico decomposicin fija (6.67 % C), que puede existir en equilibrio metaestable con las soluciones slidasferrita o austenita. Aunque la cementita es una fase metaestable, que en ciertas condiciones puededescomponerse en las fases ms estables del hierro y grafito, en la mayor parte de las condiciones

prcticas la cementita es muy estable y ser tratada como una fase de equilibrio. Por ello, el estudiode los aceros se basa en el diagrama de equilibrio metaestable Fe-Fe3C.

c) En estado de carbono libre o grafito.

El carbono en su estado libre (grafito) habitualmente no se presenta ms que en las fundiciones dehierro, cuando la solidificacin se produce segn el diagrama estable Fe-C. Las variables que

determinan que en el enfriamiento el carbono precipite en forma de cementita o de grafito seanalizarn en el estudio de las fundiciones.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO METAESTABLE Fe-Fe3C

El diagrama de equilibrio metaestable hierro-carbono o diagrama Fe-Fe3C se representa en la figura1, en l se muestran las fases presentes para las aleaciones hasta el 6.67 % C, enfriadas muylentamente.

Figura 1.Diagrama de equilibrio metaestable Fe-Fe3C


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Fases en el diagrama Fe-Fe3C

Ferrita (). Es la solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro CC. Esprcticamente hierro puro dado que la solubilidad mxima es de 0.02 % C a 723 C y disminuye

hasta ser prcticamente nula a temperatura ambiente. Es el ms blando de los constituyentes delacero y muy dctil y maleable. Tiene una resistencia a traccin aproximada de 300 MPa, 40-50 %de alargamiento y una dureza de 90 HRB o 80-100 HV.

Austenita () Es la solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro CCC. Lasolubilidad mxima de carbono es del 2% C a 1147 C y disminuye hasta un 0.8%C a 723 C.Aunque sus propiedades mecnicas varan segn los elementos de aleacin puede estimarse unaresistencia a traccin aproximada de 1100 MPa, 10 % de alargamiento y una dureza de 40 HRC o250-350 HV.

Cementita. Es un compuesto intersticial tpico, de formulacin Fe 3C y composicin fija 6.67 % C,su estructura ortorrmbica se muestra en la figura 2. Es dura y frgil, su resistencia a traccin es

pequea, pero presenta una resistencia a compresin elevada (700 MPa), por el contrario su

capacidad de deformacin es prcticamente nula. De todas las estructuras que aparecen en eldiagrama es la de mayor dureza. 68 HRC o 700 HV.

Figura 2.Estructura ortorrmbica de la cementita.

Ferrita (). Es la solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro CC atemperaturas por encima de 1400 C. Puesto que no es estable por debajo de estas temperaturas noes de mayor inters su estudio.

Reacciones invariantes del diagrama Fe-Fe3C

El diagrama Fe-Fe3C se caracteriza por presentar tres reacciones invariantes: peritctica, eutctica yeutectoide.

La reaccin peritcticatiene lugar a 1493 C

)%18.0()%10.0()%54.0( 1493

CCCL C

La transformacin peritctica solamente tiene efectos secundarios sobre la estructura de los aceros atemperatura ambiente. Todos los aceros que al solidificar pasan por el rgimen de la transformacin


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peritctica entran en el campo de la austenita como fase simple. Suponiendo que en el enfriamiento

de la aleacin se deje tiempo suficiente para permitir que la difusin en estado slido produzca unasolucin slida homognea, puede ignorarse la transformacin peritctica al estudiar lastransformaciones de fase que ocurren a temperaturas ms bajas.

La reaccin eutctica se caracteriza por que la fase lquida de composicin 4.3 % C, a latemperatura de 1147 C, se transforma simultneamente en dos fases slidas diferentes, austenita

del 2 % C y cementita.

CFeCCL C

3

1147)%2()%3.4(

La estructura caracterstica que se desarrolla como resultado de esta transformacin se conoce conel nombre de ledeburita. El estudio de esta transformacin puede ser pospuesto hasta el estudio delas fundiciones dado que la reaccin nunca tiene lugar en el caso de los aceros cuyo contenido encarbono es inferior al 2 %.

La reaccin eutectoide es similar a la eutctica, con la diferencia de que se trata de unatransformacin en estado slido, es una fase slida, la austenita de 0.8 % C, la que se transforma a723 C en otras dos fases slidas, ferrita de 0.02 % C y cementita (6.67 %C)

CFeCC C

3

723 )%02.0()%8.0(

Un acero ordinario al carbono que contiene un 0.8 % C se denomina acero eutectoide. Los acerosde contenido en carbono inferior y superior al 0.8 % se denominan aceros hipoeutectoides ehipereutectoidesrespectivamente.

La transformacin eutectoide necesita la difusin del carbono ya que las tres fases (, y Fe3C)tienen composiciones diferentes. Inicindose en los lmites de grano de la austenita, comienza a

nuclearse la ferrita () que es la fase ms pobre en carbono. Por difusin de los tomos de carbono,las zonas adyacentes se enriquecen y se transforman en cementita producindose de esta manerauna estructura laminar de placas alternadas de ferrita y cementita (figura 3). Esta microestructura deferrita y cementita se conoce como perlita, y el nombre deriva de la apariencia de madreperla bajoel microscopio.

Figura 3.Mecanismo de formacin de la perlita


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En este punto es importante tener clara la diferencia entre fases y constituyentes de una aleacin. La

perlita es el constituyente formado por lminas alternas de las fases ferrita y cementita resultado dela transformacin eutectoide de la austenita. Estrictamente los granos de un material policristalinose forman por cristales simples, es decir una nica fase o estructura cristalina, por lo que no es deltodo apropiado decir que la perlita forma granos, se debe decir que forma ndulos o colonias de

perlita.

Como se discutir en detalle ms adelante, cuando el acero se transforma a elevada temperatura,con un pequeo subenfriamiento, o velocidades de enfriamiento extremadamente lentas, la perlitaformada es gruesa (las lminas son relativamente grandes y espaciadas). A temperaturasrelativamente menores, o velocidades de enfriamiento lentas, se obtiene perlita ms fina.

La perlita tiene propiedades mecnicas intermedias entre la blanda y dctil ferrita y la dura y frgilcementita. La dureza y resistencia de la perlita fina ser superior a la de la perlita gruesa (dureza

entre 20 y 40 HRC) y lo contrario ocurrir con la ductilidad.

TRANSFORMACIONES EN ESTADO SLIDO SEGN EL DIAGRAMA Fe 3C

A temperatura elevada, se produce una transformacin en estado slido en la que la fase setransforma en el enfriamiento en austenita, transformacin que concluye a 1400 C con ladesaparicin completa de la fase delta. En el enfriamiento posterior hasta la temperatura ambiente,la austenita se transformar en ferrita y cementita, dado que no es estable por debajo de los 723 C.Sin embargo, como consecuencia del distinto contenido en carbono, los porcentajes relativos deambas fases y su distribucin en la microestructura final resultante es variable, dando lugar a unaserie de estructuras metalogrficas diferentes. Por ello, para un mejor entendimiento de estediagrama se describirn las microestructuras resultantes tras el enfriamiento lento para un acero

eutectoide, un acero hipoeutectoide y por ltimo un acero hipereutectoide.

Todas las transformaciones aqu descritas tendrn lugar de la misma forma si partiendo de un acero

a temperatura ambiente se austeniza y se enfra lentamente. El proceso de austenizacin consiste encalentar por encima de las temperaturas crticas superiores (figura 4), manteniendo durante untiempo suficiente que garantice la transformacin completa de la estructura en austenitahomognea.

Figura 4. Temperatura crtica inferior A1y temperaturas crticas superiores A3y Acm.


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Acero eutectoide

Los aceros eutectoides son aquellos en los que la fase austentica slida tiene la composicin delpunto eutectoide 0.8 % C. Por encima de 723 C la microestructura es muy sencilla con granos de

la fase orientados al azar. El enfriamiento lento a temperaturas por debajo de la temperaturaeutectoide provocar la transformacin de la estructura de la austenita en lminas de ferrita ycementita, es decir, perlita. Tras la reaccin eutectoide la microestructura ser 100 % perlita. (Fig.5) Teniendo en cuenta que la solubilidad del carbono en la ferrita vara muy poco la estructura

perltica se mantendr invariable hasta temperatura ambiente.

Figura 5. Transformaciones en el enfriamiento lento de un acero eutectoide y micrografa de laestructura resultante de 100 % perlita.

Para el acero del 0.8 % C enfriado lentamente los porcentajes en peso de ferrita y cementitaformados (que se denominan ferrita eutectoide y cementita eutectoide) se determinan aplicando laregla de la palanca a 723 C como sigue:

%3.8310002.067.6

8.067.6ferritadepeso% =

= x

%7.1110002.067.6

02.08.0cementitadepeso% =

= x


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Acero hipoeutectoide

Los aceros hipoeutectoides son aquellos en los que la fase austentica slida tiene un contenido encarbono inferior al del eutectoide 0.8 %. Los cambios en la microestructura de un acero de

composicin hipoeutectoide se dan en la figura 6. Para T > A 3, la microestructura de la fase es

homognea con granos orientados al azar. Al enfriar se forma la fase en los lmites de grano de

y nos encontramos en una regin bifsica + .Al bajar la temperatura aumenta el porcentaje de

fase , denominada ferrita proeutectoide, a la vez que disminuye el porcentaje de la fase que vaenriquecindose en carbono hasta alcanzar una composicin del 0.8 %C a la temperatura deleutectoide. Al enfriar por debajo de dicha temperatura la ferrita no cambia pero se produce latransformacin eutectoide en la que la austenita que queda se transforma en perlita dando lamicroestructura ferrtico-perltica caracterstica de los aceros hipoeutectoides (figura 6).

Figura 6. Transformaciones en el enfriamiento lento de un acero hipoeutectoide y micrografa de laestructura ferrtico- perltica resultante.

Para un acero de composicin 0.3 %C enfriado lentamente desde 850 C pueden obtenerse losporcentajes de cada fase a temperaturas justo por encima a) y por debajo de 723 C b).

a) A temperatura justo por encima de 723 C el anlisis de fase sera:

%1.6410002.08.0

3.08.0ideproeutectoferritadepeso% =

= x

%9.3510002.08.0

02.03.0austenitadepeso% =

= x

b) A temperatura justo por debajo de 723 C se habr producido la transformacin de austenita aperlita, por lo que la microestructura estar formada por un 64.1 % de ferrita y un 35.9 % de perlita,prcticamente invariantes hasta temperatura ambiente.


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Acero hipereutectoide

Los aceros hipereutectoides son de contenido en carbono entre 0.8 y 2 %. Los cambios en lamicroestructura de un acero de composicin hipereutectoide se dan en la figura 7. Para T > Acm, la

microestructura est formada por la fase homognea. Al enfriar precipita cementita en los lmitesde grano debido a la prdida de solubilidad del carbono en la austenita al bajar la temperatura. En

esta regin bifsica + Fe3C, al bajar la temperatura aumenta el porcentaje de Fe3C, denominada

cementita proeutectoide, a la vez que disminuye el porcentaje de la fase que va enriquecindoseen carbono hasta alcanzar una composicin del 0.8 %C a la temperatura del eutectoide. Al enfriar

por debajo de dicha temperatura la cementita no cambia pero se produce la transformacineutectoide en la que la austenita que queda se transforma en perlita, dando la microestructura de

perlita y cementita caracterstica de los aceros hipereutectoides.

Figura 7. Transformaciones en el enfriamiento lento de un acero hipereutectoide y micrografa dela estructura de perlita y cementita resultante.

Para un acero de composicin 1.1 %C enfriado lentamente desde 900 C pueden obtenerse losporcentajes de cada fase a temperaturas justo por encima a) y por debajo de 723 C b).

a) A temperatura justo por encima de 723 C el anlisis de fase sera:

%1.51008.067.6

8.01.1ideproeutectocementitadepeso% =

= x

%9.941008.067.6

1.167.6austenitadepeso% =

= x

a) A temperatura justo por debajo de 723 C se habr producido la transformacin de austenita aperlita, por lo que la microestructura estar formada por un 5.1 % de cementita y un 94.9 % deperlita, prcticamente invariantes hasta temperatura ambiente.


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PROPIEDADES MECNICAS

Las propiedades mecnicas de los aceros van a depender de su composicin qumica y tratamientotrmico que determinan su microestructura, as como de otros factores como el trabajo en fro y eltamao de grano. En los aceros ordinarios al carbono enfriados lentamente sus propiedadesmecnicas dependen fundamentalmente del porcentaje en carbono (figura 8). Tanto el lmiteelstico y la resistencia a traccin como la dureza aumentan linealmente con el contenido en

carbono. Esto es lo que cabra esperar: la Fe3C acta como fase endurecedora, y la proporcinFe3C en el acero es linealmente proporcional a la concentracin de carbono. Por otro lado, como eslgico la ductilidad, medida como alargamiento a la rotura o estriccin, disminuyen linealmente conel contenido en carbono. La tenacidad cae de manera ms brusca con el incremento de carbono, ya

que las interfases -Fe3C en la perlita son lugares de nucleacin de grietas.

Figura 8. Variacin de las propiedades mecnicas de los aceros (tras enfriarlos lentamente)

con el contenido en carbono.


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TRANSFORMACIONES DE NO EQUILIBRIO DE LA AUSTENITA

INTRODUCCIN

Las microestructuras estudiadas hasta ahora corresponden al enfriamiento lento siguiendo eldiagrama metaestable Fe-Fe3C. La alotropa del hierro permite la transformacin atrmica de la

austenita, denominada transformacin martestica, y otras transformaciones que se describirn msadelante. Este conjunto de transformaciones permiten obtener una variada gama de microestructurasdistintas a partir de un solo acero y constituyen la base de los tratamientos trmicos.

TRANSFORMACIN MARTENSTICA

Si un acero lo calentamos por encima de las temperaturas crticas superiores, y mantenemos a esa

temperatura tiempo suficiente para obtener austenita homognea, despus en un enfriamiento lentoo moderado, los tomos de carbono pueden salir, por difusin, de la estructura de la austenita yformar la estructura cbica centrada en el cuerpo de la ferrita. El exceso de carbono, junto a tomosde hierro formara la cementita. Esta transformacin se realiza por un proceso de nucleacin ycrecimiento que es funcin del tiempo. Si la velocidad de enfriamiento aumenta, el carbono no

puede migrar, los tomos de hierro se desplazan ligeramente pero no pueden alcanzar la estructura

cbica centrada por el carbono retenido en la solucin. La estructura resultante, denominadamartensita, es una solucin sobresaturada de carbono retenido en una estructura tetragonalcentrada en el cuerpo (Fig. 9). La relacin c/a aumenta con el contenido de carbono, alcanzando unvalor mximo de 1.08. Esta distorsin tan grande de la estructura cristalina es la causa principal desu elevada dureza. Adems como la celdilla de la martensita es menos compacta que la de laaustenita en la transformacin se produce un aumento de volumen que provoca la deformacin

plstica de la matriz y contribuye al endurecimiento.

Figura 9Estructura tetragonal de la martensita

El cambio alotrpico se produce por deformaciones cortantes de la red y a la velocidad depropagacin del sonido en el material. El nuevo producto formado lo hace sobre determinadosplanos y direcciones cristalogrficos y en forma de placas o lentes que crecen casi instantneamentecoherentes con la estructura primitiva. Estas placas crecen dentro de los granos en los que se

originan y la cantidad de nueva estructura formada depende solamente de la temperatura a la que seproduzca la transformacin, alcanzndose una autoestabilizacin y necesitndose de mayorenfriamiento para poder obtener ms cantidad de martensita. (Figura 10).


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Bain sugiri que una red CCpodra ser obtenida deuna CCCpor medio de una compresin paralela al eje "c" y una expansin a lo largo de los ejes "a".Esta distorsin convierte a una red CCC en una CC con un mnimo de movimientos atmicos(Fig.11). Se cree que la deformacin macroscpica en la formacin de una placa de martensita, esun cizallamiento paralelo a un plano, denominado de habito, ms una deformacin simple detraccin o compresin perpendicular a dicho plano. El fenmeno es muy similar al maclaje.

La martensita observada al microscopio aparece en forma de agujas o estructura acicular.(figuras 12y 13)

Fig. 10. Izda) Planos y direcciones de crecimiento de la martensita. Dcha.) La temperatura debe descender para

que progrese la transformacin de austenita en martensita.

Fig. 11. Mecanismo de Bain por el que la

red CCC se transforma en CC.

Fig. 12 (izqda.) y 13 (dcha.). Agujas de martensita de color oscuro y austenita retenida (fondo blanco).


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La transformacin martestica presenta unas caracterstica particulares que conviene resaltar:

a)Es una transformacin sin difusin, por tanto,sin variacin de la composicin qumica. Estosignifica que el contenido en carbono de lamartensita coincide con el de la austenita a partirde la que se transforma. La dureza y resistencia de

la martensita es funcin del contenido en carbonoy aumenta con l (Fig 14). Sin embargo, laductilidad y tenacidad tambin disminuyen amedida que aumenta el contenido en carbono. Porello, como se estudiar en el captulo siguiente, ala mayora de los aceros martensticos se lesrealiza un recocido posterior conocido como

revenido.

b)La transformacin se realiza solamente mientrasdura el enfriamiento, cesando al interrumpirse ste.Por tanto, depende slo de la disminucin de temperatura y es independiente del tiempo. La

cantidad de martensita que se forma no vara linealmente con el descenso de temperatura sino comose muestra en la figura 15. Las temperaturas inicial y final de la transformacin se denominan MsyMfy son funcin del contenido en carbono disminuyendo a medida que ste aumenta. (figura16). Amedida que baja la temperatura el ritmo de formacin de martensita es lento al principio, el nmerode agujas producidas es pequeo, despus aumenta y finalmente prximo a M fdisminuye. Por logeneral, Mfno est claramente definida. En la prctica, la transformacin austenita a martensitanunca es completa, pues siempre quedan pequeas cantidades de austenita retenida an a baja

temperaturas.

Fig. 14. Variacin de la dureza de los aceros en

funcin de su contenido en C y microestructura.

Fig. 15. Formacin de martensita


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c)La martensita es una fase metaestable, si bien a temperatura ambiente puede persistir de modoindefinido, a mayor temperatura tender a descomponerse en las fases ms estables de ferrita ycementita.

TRANSFORMACIONES ISOTRMICAS DE LA AUSTENITA.

Hasta ahora se han descrito las transformaciones de la austenita para enfriamientos tanto lentoscomo muy rpidos, se describir ahora qu sucede cuando la austenita de aceros eutectoides seenfra rpidamente hasta temperaturas por debajo de la temperatura eutectoide para transformarseisotrmicamente.

La austenita enfriada a temperatura por debajo de las crticas inferiores no es estable, cuando semantiene a una temperatura fija un tiempo suficiente, se transforma en una estructura que es funcinde esta temperatura. La transformacin martenstica, como hemos visto, es solo un caso particularde las posibles trasformaciones. Por otra parte, los tiempos de iniciacin y finalizacin de latransformacin pueden ser obtenidos y representados en los diagramas denominados TI, TTT(temperatura, tiempo, transformacin) o curvas de la S, por la forma caracterstica que presentan. Lafigura 17 representa dicho diagrama para un acero eutectoide.

Fig. 16. Temperaturas de inicio y final de formacin de martensita segn el porcentaje de carbono.


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15Por encima de 723 C la austenita es estable. Las curvas en forma de C de la izquierda y la derechaentre esta temperatura y Ms representan el inicio y fin de la transformacin de la austenita en las

fases o constituyentes descritos en el grfico. La lnea de trazo discontinuo situada en el diagramaentre las lneas de inicio y finas de transformacin corresponden al tiempo que, a cada temperatura,tarda en transformarse la mitad de la austenita total.

Las transformaciones isotrmicas a temperaturas entre 723 y unos 550 C (denominada nariz de lacurva de la S) producen perlita, de lminas tanto ms finas cuanto menor es la temperatura detransformacin (su dureza vara entre los 15 y 40 HRC). Se denomina Ps gruesa a la Ps formada atemperaturas ms altas, cercanas a 723C; Ps media a la formada entre 650-600C y Ps fina otroostita a la formada entre 600-500C. Al igual que sucede en la tranformacin martenstica, lastransformaciones isotrmicas no son lineales con los tiempos logartmicos, sino que aparece un

retardo al principio de la transformacin y una saturacin al final de la misma (figura18).

Fig. 17. Diagrama TTT de un acero eutectoide.


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16Por otra parte, como ya se ha descrito, las transformaciones isotrmicas a temperaturas entre M syMf, producen la transformacin de la austenita en martensita. Esta transformacin se produce deforma rpida y la cantidad de martensita formada no depende del tiempo sino de la temperatura (esla zona de las dos lneas horizontales del diagrama). La austenita que queda sin transformar se

denomina austenita retenida.

Las transformaciones isotrmicas entre la nariz de la curva y Msproducen una estructura distinta dela perlita y martensita llamada bainita.La bainita es un nuevo constituyente de los aceros formado

por agujas de ferrita con precipitados de cementita (figuras 19 y 20), la formada a altas temperaturasen el rango entre la nariz de la curva de la S y Msse denomina bainita superior o arborescente, la

formada a bajas temperaturas recibe el nombre de bainita inferior o acicular. Tiene una durezavariable de 40 a 60 HRc comprendida entre las de la perlita y la martensita. (Fig. 21)

Fig. 18. Seccin del diagrama TTT de un aceroeutectoide y cantidad de perlita formada a lo largo

del tiempo.

Fig. 19. Crecimiento de perlita, nucleada

por cristal de cementita; y de vainita,

nucleada por un cristal de ferrita concementita precipitada como pequeas

placas discontinuas.


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Al igual que la dureza la evolucin de las dems propiedades es continua desde la perlita hasta lamartensita. En la dureza el rango varia entre 15 y 66 HRC, la resistencia a traccin entre ****, porel contrario el alargamiento decrece desde un 40 % para la perlita hasta el 2 % de la martensita.

DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION ISOTRMICA DE LA AUTENITA PARAACEROS HIPER E HIPOEUTECTOIDES

En todos los diagramas TTT, excepto en el caso del acero eutectoide, existe por encima de la narizuna lnea adicional asinttica hacia la temperatura crtica superior A 3o Acm(figuras 22 y 23). La

primera lnea de la izquierda indica el inicio de la transformacin de austenita a ferritaproeutectoide en los aceros hipoeutectoides, o en cementita proeutectoide en los aceroshipereutectoides. La segunda lnea corresponde al inicio de la transformacin de la austenita en

perlita. Ambas lneas se confunden generalmente en la zona de la nariz.

Fig. 20. Imagen de bainita tomada conmicroscopio electrnico de transmisin. El

grano de bainita (en diagonal) muestra las

placas de cementita en una matriz de ferrita.Rodeando el grano de bainita se observa

martensita.

Fig. 21. Agujas de bainita (color oscuro) ymartensita (color claro).


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18Los diagramas TTT de aceros que contienen adems de carbono otros elementos de aleacin puedenser ms complejos como el que se representa en la figura 24, no obstante, el significado y utilidadde los mismo es idntico al de los aceros eutectoides.

Fig. 22 (izqda) y 23 (dcha). Diagramas TTT de un acero hipereutectoide 1,13C y un acero

hipoeutectoide 0,5C.


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19DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION POR ENFRIAMIENTO CONTINUO DE LAAUSTENITA

En los procesos industriales reales, los tratamientos trmicos rara vez se efectan contransformaciones isotrmicas de la austenita, sino con enfriamientos continuos desde la temperaturade austenizacin hasta temperatura ambiente. En el enfriamiento continuo lento de un aceroeutectoide, la transformacin de austenita a perlita se produce a lo largo de un intervalo detemperaturas. Como resultado, la microestructura ser una mezcla de perlita fina, media y gruesa.Para mayores ritmos de enfriamiento se alcanzan temperaturas bajas sin que a la austenita le hayadado tiempo de transformarse en perlita y pueden formarse estructuras bainticas o martensticas. En

definitiva, la microestructrura final despus del enfriamiento continuo ser compleja.

En la figura 25 se muestran superpuestas las curvas de transformacin isotrmicas y continuas de unacero eutectoide. Las lneas iniciales y finales de transformacin del diagrama de enfriamiento

continuo se desplazan a tiempos mayores y a temperaturas ligeramente inferiores en relacin conlos diagramas isotrmicos. As pues, aunque las curvas TI slo deben usarse en sentido estricto paratratamientos trmicos isotrmicos, si dan una buena idea de la estructura que puede esperarse en unacero enfriado de forma continua. En este sentido sern usados en este texto al superponer curvas deenfriamiento sobre los diagramas TI. Para predicciones ms exactas existen diagramas deenfriamiento continuo.

Fig. 24. Diagrama TI de un

acero aleado 4340. A:

austenita, B: bainita; P:perlita; M: martensita; F:

ferrita proeutectoide.

Comment [M.V.M.G.1]: Perlita muyfina o troostita, fina y gruesa.


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Fig. 25. Superposicin de los diagramas de transformacin isotrmica y deenfriamiento continuo para un acero eutectoide.


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TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS I

INTRODUCCIN

El estudio de los tratamientos trmicos de los aceros lo abordaremos en dos temas distintos. Elprimero de ellos para el estudio de los tratamientos trmicos: recocidos, normalizados, temples y

revenido, encaminados a obtener una determinada estructura, y por tanto propiedades del material,en todos los puntos de una pieza. En un segundo tema abordaremos los tratamientos trmicossuperficiales, cuya finalidad es conseguir en una pieza diferentes propiedades, generalmente, grandureza y resistencia en superficie pero un ncleo dctil y tenaz.

En primer lugar convendra aclarar el primer concepto. Un tratamiento trmico es uno o variosciclos trmicosque consisten en:

a)un calentamiento a una determinada temperatura,b)un mantenimiento isotermo a esta temperaturac)enfriamiento que puede ser hasta temperatura ambiente o no, dependiendo de si el tratamientoconsta de uno o varios ciclos.

CalentamientoEn la etapa de calentamiento el parmetro fundamental a definir es la temperatura a la que secalienta, que depender de la finalidad del tratamiento, y ser funcin de las transformaciones omicroestructuras deseadas segn las propiedades mecnicas que se busquen. La velocidad decalentamiento no es un factor crtico y simplemente suelen hacerse de forma lenta para evitar quegradientes de temperaturas en las piezas provoquen tensiones trmicas, y como consecuenciaalabeos o deformaciones en las piezas.

Mantenimiento isotermo

En muchas ocasiones el calentamiento es a temperaturas por encima de las crticas superiores, en laregin austentica, porque se buscan estructuras fruto de la transformacin de la austenita en elenfriamiento. En este caso, se dice que el tratamiento es con austenizacin completa. La

temperatura a la que se calienta y el tiempo de mantenimiento a esa temperatura deben garantizar latransformacin completa a austenita de composicin homognea, proceso conocido comoaustenizacin.

La austenizacin comprende dos etapas: primero la recristalizacin de la austenita y en segundolugar la homogeneizacin de su composicin qumica. Debido a ambos procesos requieren de ladifusin, los dos parmetros de influencia sern la temperatura y el tiempo. La dependencia del

tiempo y la temperatura de austenizacin se muestran en la figura26.


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Cuanto mayor sea el contenido de carbono del acero mayores deben ser los tiempos de

homogeneizacin. Tambin lo sern en el caso de existencia de otros elementos de aleacinespecialmente si forman carburos. Adems, en este caso pueden requerirse temperaturas mayores

para lograr la completa difusin de estos carburos en la austenita.

En una etapa posterior a la recristalizacin aparece el proceso de engrosamiento de grano queafecta de forma negativa a las propiedades de los aceros. A muy alta temperatura puede inclusollegarse a un proceso de fusin parcial en bordes de grano, lo que se conoce como quemado delacero con prdida completa de sus caractersticas (figura27). En definitiva las consecuenciastcnicas, del crecimiento de grano, y econmicas, del tiempo, deben establecer el compromiso parala eleccin de la temperatura de austenizacin adecuada.

Enfriamiento

La etapa de enfriamiento en el tratamiento trmico es la etapa ms crucial y la que marcar lasdiferencias en la microestructura resultante, y por tanto, en las propiedades mecnicas del acero. Enla figura 28 se muestra el diagrama de transformacin continua de la austenita para un aceroeutectoide, y superpuestas sobre l distintas curvas de enfriamiento. La curva A representa unenfriamiento muy lento, generalmente en horno, la microestructura resultante sera perlita gruesa yrepresentara un tratamiento trmico de recocido. La curva B representa un enfriamiento msrpido, como se obtendra en un enfriamiento al aire quieto, la microestructura resultante sera

perlita fina y representara un tratamiento trmico de normalizado. Enfriando a una velocidadsuperior a la de la curva E se obtendra una estructura totalmente martenstica y representara untratamiento trmico de temple.

Fig. 27. Crecimiento del grano austentico en funcin de la temperatura.

Fig. 26. El proceso de austenizacin

depende de la temperatura y del tiempo.


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As pues la velocidad de enfriamiento determina el tipo de tratamiento, en el que con carctergeneral los enfriamientos lentos corresponden a recocidos, el enfriamiento al aire corresponde alnormalizado y enfriamientos ms rpidos corresponden a temples. A continuacin se detallan lascaractersticas especficas de los distintos tipos de recocidos, el normalizado y tipos de temples.

RECOCIDOS

De forma general, podemos decir que el recocido conduce al metal al equilibrio fsico-qumico ymecnico y tiende a buscar el equilibrio microestructural, por tanto tiene por objeto hacer

desaparecer estados fuera de equilibrio que resultan de tratamientos anteriores, trmicos omecnicos. Corresponde en general a los valores mximos de ductilidad y mnimos de resistencia, yrequieren por tanto de enfriamientos lentos, generalmente en horno. Dependiendo del objetivoespecfico se distinguen distintos tipos de recocido: recocido de homogeneizacin, recocido total ode ablandamiento, recocido de regeneracin, recocido de globulizacin o esferoidizacin, recocidode eliminacin de tensiones internas y recocido contra acritud. (Fig. 29)

Fig. 28. Variacin de la

microestructura de un acero

eutectoide sin alear por enfriamiento

continuo a diferentes velocidades.


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RECOCIDO DE HOMOGENEIZACIN

Se aplica a los aceros brutos de colada para los que el enfriamiento ha originado heterogeneidad

qumica, tiene por objeto eliminar dicha heterogeneidad o segregacin. Se requiere calentar ymantener el acero a muy alta temperatura en el rango de la austenita (del orden de A 3+ 200 C)hasta conseguir por difusin la homogeneidad qumica en la estructura, seguido de un enfriamientolento. Esto provoca un engrosamiento de grano por lo que suele ir seguido de un recocido deregeneracin.

RECOCIDO DE REGENERACIN

La finalidad del tratamiento es afinar el grano, se aplica cuando se presenta este problema porejemplo tras un recocido de homogeneizacin, piezas forjadas a alta temperatura, piezas moldeadas

Fig. 29. Ciclos trmicos correspondientes a distintos tipos de recocido.

Fig. 30. Obtencin de una estructura de de grano fino por

recocido de regeneracin.


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de acero o soldaduras sobrecalentadas. El tamao de grano grande reduce la tenacidad de los aceros

y su aptitud para el mecanizado y no suele ser deseable. Los aceros, debido a la transformacinalotrpica, tienen la caracterstica de que se puede afinar el grano en el calentamiento (atemperaturas del orden de A3+ 75 C) obtenindose una austenita de granos pequeos, que porenfriamiento conduce a una estructura fina (figura 30).

RECOCIDO DE ABLANDAMIENTO O TOTAL

La finalidad del tratamiento es la desaparicin total de los constituyentes que ocasionan la dureza,es decir, martensita y bainita. Se aplicar por ejemplo a piezas previamente templadas para facilitarsu mecanizacin. Los aceros hipoeutectoides se austenizan por completo, calentndolos en el rangode la austenita a temperaturas en torno a A 3+ 75 C y enfrindolos despus lentamente hasta

temperatura ambiente, generalmente en horno. La microestructura tras el recocido estar formadapor ferrita proeutectoide y perlita. En los aceros hipereutectoides el tratamiento se realiza con

autenizacin incompleta, calentando en la regin bifsica + Fe3C, a temperaturas del orden de A1+ 75 C, seguido de enfriamiento lento. La microestructura tras el recocido estar formada porcementita proeutectoide y perlita.

RECOCIDO DE GLOBULIZACIN O ESFEROIDIZACIN

Los aceros medios o altos en carbono tienen una microestructura consistente en perlita gruesa quepuede llegar a ser demasiado dura para la deformacin plstica y para el mecanizado. Por ello, estosaceros, se pueden recocer para desarrollar una microestructura en la que la cementita se encuentraen forma de glbulos en una matriz de ferrita, con la que se consigue el mximo ablandamiento. (La

figura 31 muestra la microestructura de un acero hipereutectoide de 1.3 % C tras recocidoglobulizacin )

La globulizacin o esferoidizacin puede conseguirse por calentamientos prolongados justo porencima de A1, o con calentamientos y enfriamiento oscilantes en torno a A1.

Fig. 31. Acero 1,3C con recocido de

globulizacin. Matriz de ferrita (fondo blanco)

con cementita en forma de pequeos glbulos.

Tambin pueden observarse algunas partculas

alargadas de cementita, restos de la estructuralaminar primitiva


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RECOCIDO DE RECRISTALIZACIN O CONTRA ACRITUD

Es un tipo de recocido subcrtico, es decir, se calienta por debajo de la temperatura crtica inferiorA1, pero a temperaturas superiores a la temperatura de recristalizacin, que es funcin del tipo deacero y el grado de deformacin previa en el trabajo en fro del material. El objetivo del tratamientoes eliminar la acritud introducida por la deformacin en fro, reemplazando la estructura

distorsionada por una estructura regenerando tras la recristalizacin.

RECOCIDOS DE ATENUACIN O ELIMINACIN DE TENSIONES INTERNAS

Es tambin un tipo de recocido subcrtico, es decir, se calienta por debajo de la temperatura crticainferior A1, cuyo objetivo es eliminar las tensiones internas debidas a tratamiento mecnicos o

trmicos previos, incluidos los procesos de soldadura.

NORMALIZADO

La normalizacin es el tratamiento trmico que consiste en calentar el acero unos 50 C por encimade las temperaturas crticas superiores, A3o Acm, segn se trate un acero hipo o hipereutectoide,seguido de un enfriamiento al aire en calma.

El normalizado es ms econmico que el recocido pues no se requiere un control de la velocidad deenfriamiento. Con este tratamiento se consigue una estructura de grano fino, se reduce lasegregacin de composiciones en coladas o forjados dando as mayor uniformidad estructural y seconsigue un aumento de resistencia del acero, en comparacin con el acero recocido.

TEMPLE Y REVENIDO

El temple es el tratamiento trmico encaminado a obtener estructuras martensticas a partir delenfriamiento rpido de la austenita. El calentamiento conlleva austenizacin completa, para losaceros hipoeutectoides y austenizacin incompleta en el caso de aceros hipereutectoides. Latransformacin a martensita, muy dura y fina, se conseguir siempre que la curva de enfriamientono corte a la curva TTT ms que en la regin de transformacin martenstica. Ello requiere una

velocidad de enfriamiento superior a la velocidad crtica de temple (Ver Fig. 28), velocidadmnima de enfriamiento a la cual se produce la transformacin de la austenita formada en elcalentamiento en un 100% de martensita. La causa fundamental de la gran dureza de la martensita

es la distorsin de su estructura cristalina, al no poder difundirse el carbono hacia el exterior para

formar carburos durante el cambio de la red a la red debido a una gran velocidad deenfriamiento. Es por ello, que la dureza de la martensita es funcin del contenido en carbono de lamisma, que coincide con el contenido en carbono de la austenita a partir de la que se transforma,

puesto que la transformacin es sin difusin.


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Con el temple se consigue el endurecimiento mximo de la estructura, con mejora de todas las

propiedades mecnicas ligadas, como la dureza, resistencia a traccin, el lmite elstico y resistenciaa fatiga.

La etapa crtica del temple es pues el enfriamiento y los parmetros de mayor influencia sobre elmismo sern los siguientes:

a) el elemento enfriador

b) la forma y dimensiones de la piezac) la calidad o tipo de acero

a) El elemento enfriador.

Es el fluido que en contacto con la pieza absorbe su calor. La capacidad de extraccin de calor porel fluido de temple se mide en base a lo que se conoce como severidad de temple.

En una pieza de espesor mnimo enfriada en agua el proceso de enfriamiento ocurrira en tres etapas(figura32). Una primera etapa A, en la que la velocidad de enfriamiento es relativamente bajadebido a que se realiza por conduccin y radiacin a travs de la capa gaseosa formada tras elcontacto de la pieza a muy alta temperatura con el fluido. La segunda etapa B, es la ms rpida,cuando desciende la temperatura del metal, la pelcula de vapor no es estable y se desprende,

originndose una violenta ebullicin. El calor se evacua a travs del calor latente de vaporizacin.En la etapa C,el enfriamiento se debe a la conduccin y conveccin a travs del fluido. As pues,los parmetros que controlan el proceso son: los coeficientes de conduccin y radiacin a travs dela capa gaseosa del fluido, el calor latente de vaporizacin y los coeficientes de conduccin yconveccin a travs del fluido de temple.

Los fluidos de temple utilizados en la industria, ordenados en funcin de la severidad del temple de

mayor a menor son: agua salada, agua, sales fundidas, aceite y aire. (Fig. 33)

Tambin tienen influencia algunos otros factores. Cuanto menor es la temperatura del fluidorefrigerante, mayor es el gradiente de temperatura y mayor la velocidad de enfriamiento debido aque se acorta la etapa A. Esto es cierto para agua y salmuera, en el caso de aceites, podra no sercierto, debido a que a menor temperatura la viscosidad del aceite aumenta y el mecanismo de

Fig. 32. Variacin de la temperatura de una

pieza enfriada en agua a lo largo del tiempo.

Fig. 33. Severidad de temple de distintos

medios de enfriamiento.


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evacuacin de calor por conveccin empeora. La agitacin entre la pieza y fluido, tambin aumenta

la velocidad de enfriamiento debido a que la pelcula de vapor se rompe tan rpido como se formaacortando la primera etapa A que es ms lenta. Por ltimo el estado de la superficie de la piezaafecta a los coeficientes de conduccin de calor. Cuando el acero a alta temperatura se expone a unaatmsfera oxidante, se forma una capa de xido de hierro, llamada escama, que disminuye lasvelocidades de enfriamiento porque es peor conductora del calor. Para evitar la formacin deescamas pueden tomarse precauciones como aplicar un recubrimiento de cobre por electrolisis a la

piezas, disponer de atmsferas no oxidantes en el horno, calentar las piezas en baos de salesfundidas con lo que evita el contacto del oxgeno con la pieza o introducir virutas de hierro en elhorno que tienen ms avidez por el oxgeno que el acero.

b)

Influencia de la forma y dimensiones de la pieza

En el supuesto de una pieza de espesor mnimo todos los puntos de la pieza se enfriarn a igualvelocidad, la primera influencia de las dimensiones de la pieza es que cada punto tendr una curvade enfriamiento distinta. Los puntos de la superficie se enfran siempre a velocidades superiores alncleo de las piezas. En la figura 34 se muestran la curvas de enfriamiento para una pieza cilndrica

en puntos a distintas distancias de la superficie.

el enfriamiento del ncleo de la pieza ser ms lento cuanto menor es la relacin entre la superficie,a travs de la cual se evacua el calor, y el volumen del cual es funcin la cantidad de calor que hayque evacuar. Para una pieza cilndrica:

Luego cuanto mayor es el dimetro del cilindro menores son las velocidades de enfriamiento que se

consiguen con un medio de temple fijo. Adems cuanto mayor es el dimetro mayores son losgradientes de temperatura en el interior de la pieza. (figuras 35 y 36)

DLD

4

2

4

LD

V

A

Fig. 34. Curvas de enfriamiento a distintasprofundidades medidas desde la superficie

de una pieza cilndrica.


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Puesto que todos los puntos de la pieza no se enfran a igual ritmo, para garantizar la transformacincompleta a austenita, es necesario garantizar que en todos los puntos se supera la velocidad crticade temple. En principio podamos pensar aumentar al mximo la severidad de temple paraconseguir con ello la mxima velocidad de enfriamiento posible. Sin embargo, velocidades deenfriamiento muy altas aumentan el riesgo de formacin de grietas trmicas, grietas de temple ydeformaciones en la pieza templada. Por tanto, en el enfriamiento se buscar la mnima velocidad

de enfriamiento superando la velocidad crtica de temple.

GRIETAS TRMICAS Y GRIETAS DE TEMPLE

Las grietas trmicas son las causadas por las tensiones que se crean debido a gradientes detemperatura en el interior de las piezas. Dichas tensiones pueden provocar deformaciones plsticasen las piezas o, si superan la resistencia del material, su rotura ocasionando grietas denominadastrmicas. Evidentemente las grietas se producen en las fibras solicitadas a traccin, normalmente enlas partes exteriores, puesto que es donde se producen mayores diferencias de temperatura, yespecialmente a las temperaturas ms bajas del proceso de enfriamiento, puesto que es aqu dondela capacidad de deformacin plstica del metal es ms pequea.

Las grietas de temple son aquellas que tienen su origen en las tensiones que se crean comoconsecuencia de la variacin de volumen que tiene lugar en la transformacin martenstica. La

martensita es una estructura (tetragonal centrada en el cuerpo) de menor compacidad que laaustenita (C.C.C). En la transformacin se produce un aumento de volumen, si dicho aumento devolumen produce tensiones de traccin en la martensita pueden aparecer grietas denominadas detemple.

Supongamos un acero al que se aplica el tratamiento trmico de temple describiendo su superficie ycentro las cinticas de enfriamiento superpuestas a su diagrama TI de la figura 37. Toda la pieza setransformar en martensita, sin embargo, veamos las etapas que le precedern y qu efectos tendrnsobre la pieza.

Durante la primera etapa, el tiempo t, los esfuerzos se deben al gradiente de temperatura. Lasuperficie, obligada por el centro a no contraerse tanto como debera, quedar traccionada, mientrasel centro quedar comprimido. Como ya citamos, las partes traccionadas son las que tienen mayor

probabilidad de agrietamiento, que las comprimidas. Ello suceder cuando la estructura traccionadano permite los alargamientos requeridos por el origen de las tensiones. En esta primera etapa la

Fig. 35 (izqda) y 36 (dcha.). Gradientes de temperatura mostrados en dos piezas templadas en agua, izqda.

dimetro y dcha. dimetro 2.


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superficie es la parte traccionada, pero su estructura austentica a temperatura media del orden de

los 400 C permite alargamientos aceptables, lo que reduce el riesgo de grieta.

Durante la segunda etapa, que ocurre entre t 1y t2, la superficie, que ya ha alcanzado la temperaturaMs, se transforma a martensita y se expande; mientras el centro sufre contraccin normal debida alenfriamiento. La contraccin del centro forzar a la superficie a no expandirse tanto como debera;

por lo que sta quedar comprimida mientras que el centro quedar con tensiones de traccin. As

pues, es el centro el que posee ahora mayor riesgo de grietas pero igualmente la estructuraaustentica a temperatura media admite deformaciones aceptables lo que minimiza aqul riesgo.

En una tercera etapa, despus de t2, la superficie ha alcanzado la temperatura ambiente y ser unaestructura martenstica, dura y frgil. Mientras el centro alcanza la temperatura M sy comienza sutransformacin a martensita, con la expansin caracterstica. Ello obligar a traccionarse a lasuperficie mientras el centro queda comprimido. As pue,s ahora es de nuevo la superficie exterior

la que posee mayor riesgo de grietas agravado por el hecho de que su estructura es martensita queadmite pocas deformaciones plsticas. Este momento del proceso es el que posee mayor

probabilidad de aparicin de grietas, denominadas de temple, por producirse por efectoespecialmente de la transformacin martenstica.

INFLUENCIA DEL TIPO DEACERO. TEMPLABILIDAD

La templabilidad mide la influencia deltipo de acero en la capacidad de

penetracin del temple. Templabilidad ytemple son dos conceptos que no debenconfundirse. El temple es untratamiento trmico cuyo objetivo esendurecer los aceros buscando latransformacin de la austenita a

estructuras martensticas. Latemplabilidad es la aptitud o capacidad

de un acero para templarse desde la superficie hacia el interior, o dicho de otro modo la capacidadde penetracin del temple. Un acero es de alta templabilidad si es posible formar martensita ensecciones gruesas tras el temple. Como ya se ha comentado para conseguir la transformacin amartensita es necesario enfriar la austenita a una velocidad de enfriamiento superior a la velocidadcrtica de temple, es decir, sin cortar a la nariz de la curva TTT. Dicha velocidad viene pues

intrnsecamente definida por la posicin de las curvas TTT, que depende del contenido en carbonodel acero y del tamao de grano de la austenita. En los aceros al carbono, un mayor contenido encarbono desplaza dichas curvas a la derecha, disminuyendo por tanto la velocidad crtica de temple,

y aumentando la templabilidad. Los elementos de aleacin, en mayor o menor medida, producen elmismo efecto. La influencia del tamao de grano de la austenita se debe a que la velocidad de latransformacin es proporcional al nmero de ncleos formados por unidad de volumen y tiempo.Como los lmites de grano son lugares de nucleacin preferentes, si la antenita tiene grano fino setransformar ms rpidamente que si el grano es grueso, por lo que tendr una mayor velocidadcrtica de temple.

Fig. 37. Diagrama TI y velocidades de

enfriamiento correspondientes a la

superficie y ncleo de una pieza templada.


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TIPOS DE TEMPLES

Temple normal

El constituyente principal que aparece despus de este tratamiento es martensita, el proceso serealiza con austenizacin completa para los aceros hipoeutectoides y austenizacin incompleta paralos hipereutectoides (figura40). El enfriamiento es continuo a velocidades superiores a la crticahasta una temperatura inferior o prxima a M f.

Temples isotrmicos: martempering.

Fig. 39. Curvas de templabilidad de distintos aceros aleados de la serie 8600( aleados con

Cr, Ni, Mo) con contenido variable de carbono.

Fig. 40. Rango de temperaturas aplicable

para el temple de los aceros.


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Es un tipo particular de temple escalonado isotrmico que se usa para evitar distorsiones y riesgo de

grietas de temple en las piezas. El proceso se realiza austenizando el acero y enfriando en aceite osal fundida a una temperatura justo ligeramente superior a la temperatura M s. El material debe

permanecer en el bao caliente el tiempo suficiente para conseguir que toda la masa, incluso elcorazn de la pieza, alcance e iguale la temperatura del bao, no prolongando demasiado la

permanencia para evitar que se inicie la transformacin en ningn punto. Con el enfriamientoposterior al aire se consigue una estructura martenstica con muy pocas tensiones residuales (Fig.

41).

Temples isotrmicos: austempering.

Es un temple isotrmico que produce una estructura baintica. Consiste en austenizar el acero yenfriarlo luego en un bao caliente, que es mantenido a temperatura constante, durante el tiemposuficiente para que se produzca la total transformacin de austenita en bainita. La temperatura del

bao debe estar en el rango de temperaturas de transformacin a bainita, por debajo de la nariz ypor encima de M s, y el enfriamiento hasta la temperatura del bao debe ser suficientemente rapido

para evitar la transformacin a perlita (Fig. 42). Las ventajas del proceso son que se minimiza elriesgo de producirse grietas trmicas o de temple, al producirse la transformacin de la austenita atemperatura constante, y por otra parte que las piezas sometidas a este tratamiento quedan conestructuras bainticas, que tienen una tenacidad mayor que la correspondiente a piezas en las que seconsiga la misma dureza por temple y revenido.

Fig. 41. Curva de enfriamiento correspondiente al martempering.


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REVENIDO

Los aceros despus del temple suelen quedar generalmente demasiado duros y frgiles para los usosa los que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido, que es untratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura ms baja que su temperatura crticainferior, enfrindolo luego generalmente al aire.

El objetivo del revenido es eliminar tensiones residuales y mejorar la ductilidad y tenacidad delacero, a costa de disminuir la dureza y resistencia.

Cambios estructurales de la martensita sometida a revenidoLa martensita es una estructura metaestable y se descompone al volver a calentarla. Cuando latemperatura est por debajo de 200 C, la estructura de la martensita se oscurece al ataque qumicoy se conoce como martensita negra. La martensita original empieza a perder su estructura tetragonal

bajando su contenido en carbono hasta el 0.3 %, por la formacin de un carburo de transicin

llamado carburo psilon (Fe2.4C). Las partculas de carburo son muy pequeas y aparecen en loslmites de los subgranos dentro de las placas de martensita. Tras esta transformacin el aceromantiene la alta resistencia y gran dureza, baja ductilidad y poca tenacidad, eliminando gran partede las tensiones residuales.

En los revenidos entre 200 y 400 C la martensita de bajo carbono pierde tanto el carbono como latetragonalidad y se convierte en ferrita. El carbono, asociado a los carburos o a la martensita, forma

por difusin partculas de cementita que se nuclean y desarrollan como pelculas en los lmites delas agujas o placas de martensita o como glbulos y laminillas dentro de las placas. Tras estatransformacin la ductilidad ha aumentado ligeramente, pero su tenacidad, es baja mientras ladureza ha disminuido al campo entre 40 y 60 HRC.

En los revenidos entre 400 y 650 C, la martensita se convierte en ferrita y cementita en forma delas partculas redondeadas. Lo ms significativo del cambio de propiedades mecnicas en este

Fig. 42. Curva de enfriamiento

correspondiente al austempering.


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intervalo es el aumento de tenacidad. Adems de esto la resistencia a traccin disminuye, el

alargamiento a la rotura aumenta y , la dureza disminuye al rango de 20 a 40 HRC.

En los revenidos a temperaturas en el rango justo inferior al eutectoide, la martensita se transformaen cementita esferoidizada en matriz de ferrita. Esta es la estructura ms estable de todos losagregados de ferrita y cementita, tiene una dureza mnima, buena maquinabilidad, as comotenacidad y ductilidad.

Cambios estructurales de la austenita retenida sometida a revenido

Como se ha mencionado en la transformacin de austenita a martensita en un proceso de temple esnecesario que su velocidad de enfriamiento sea mayor que la velocidad crtica de temple, pero paraque la transformacin sea completa es necesario adems que la temperatura final de enfriamientosea inferior a Mf (Ver figura 16). Si la temperatura final de enfriamiento permanece entre Msy M f,

la transformacin no es completa, quedando parte de la austenita sin transformar, denominadaantenita retenida, que hace de matriz de la martensita transformada. Esta antenita es metaestable yen el calentamiento durante el revenido se transformar en estructuras ms estables. En losrevenidos entre 200 y 400 C la austenita retenida se transforma en bainita, muy parecida a lamartensita y produciendo un ligero aumento de la dureza.

TRATAMIENTOS TRMICOS SUPERFICIALES

En este tema se estudiarn los tratamientos cuyo objetivo es lograr en las piezas una superficie duray resistente al desgaste junto con un ncleo tenaz. Este objetivo se puede alcanzar con diferentesopciones:

- modificando la composicin base del acero en la zona superficial, bien por difusin o pordeposicin de capas superficiales.

- Con tratamientos termoqumicos: la dureza superficial se logra por modificacin de lacomposicin base del acero en la zona superficial por difusin (C y N fundamentalmente) y

por tratamiento trmico. Es el caso de los procesos de cementacin, nitruracin ocarbonitruracin.

- temple superficial: la dureza superficial se logra por un temple directo austenizando slo lazona superficial de la pieza sin modificar la composicin qumica del acero base.

TEMPLE SUPERFICIAL

Los procedimientos de endurecimiento superficial por temple no estn basados en la variacin de la

composicin qumica del acero sino en la transformacin selectiva, segn la profundidad, de laestructura ferrfico-perltica del acero a otras estructuras ms duras, como martensita o bainita,mediante el temple localizado. Por ello las reas a endurecer de la superficie se calientan desde elexterior con suficiente potencia para que exista un fuerte gradiente de temperatura hacia el interiorde la pieza, hasta que se logra una estructura austentica en el espesor superficial deseado. Acontinuacin un enfriamiento rpido producir la transformacin a martensita en la capa externa, a

bainita en la siguiente y no sufrir variacin sensible en el resto.


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El acero debe tener un porcentaje de carbono capaz de endurecer por temple, de 0.3 a 0.6 % C, eincluso elementos de aleacin que favorezcan la templabilidad.

Existen dos procedimientos de calentamiento diferentes:

a) Calentamiento por llama: los equipos son sencillos, constan de una serie de sopletes de

acetileno que calientan la zona que interesa endurecer. Tienen la ventaja de su portabilidady adaptabilidad y como inconvenientes el difcil control de la profundidad de capaendurecida y el peligro de sobrecalentamiento.

b) Calentamiento por induccin: el calentamiento local es producido por las corrientesinducidas en el metal bajo la accin de un campo magntico alterno. Es posible controlar elespesor de capa endurecido en funcin de la frecuencia del campo magntico.

CEMENTACIN

Es el ms antiguo y barato de los mtodos de endurecimiento superficial. Se aplica a aceros de bajocontenido en carbono (inferior a 0.2 %) y consiste en difundir carbono a travs de la superficie para

conseguir una capa superficial de alto contenido en carbono y al templar una alta dureza asociada.

La carburizacin se realiza calentando la pieza en un medio cementante que puede ser slido,lquido o gaseoso. Para que se produzca la disolucin del carbono y posterior difusin, es necesarioque el acero se encuentre en estado austentico, que puesto que los aceros son de bajo contenido encarbono suele ser a temperaturas entre 900 y 950 C. El mantenimiento a alta temperatura hace queel carbono se disuelva hacia el interior obtenindose un perfil de concentraciones funcin del

tiempo como el que se muestra en la figura 43. Los contenidos en carbono conseguidos ensuperficie varan entre 0.8 y 1.2 %. Evidentemente la profundidad de la capa cementada es funcinde la temperatura y el tiempo (figura 44).

Despus de este proceso se ha conseguido un alto contenido de carbono en la superficie y elcarbono original en el ncleo. Si enfriamos lentamente desde la temperatura de austenizacin, en lacapa cementada encontraramos una variacin gradual de estructuras. En la superficie est la zonahipereutectoide, perlita con una red de cementita, seguida por una zona eutectoide de perlita y

Fig. 43, Perfil de concentracin de carbonoen una pieza cementada.

Fig. 44. Relacin entre la temperatura y

duracin de la cementacin y la penetracin

del carbono.


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finalmente la zona hipoeutectoide de perlita y ferrita, con mayor cantidad de ferrita hacia la parte

ms interior de la pieza como se muestra en la figura 45..

Despus del proceso de incorporacin del carbono la periferia de la pieza dispone del potencialnecesario para su endurecimiento, se realiza pues el tratamiento trmico de temple seguido delcorrespondiente revenido a baja temperatura. Sin embargo, el tratamiento trmico de temple

posterior no suele ser un ciclo sencillo. En efecto, los largos tiempos de carburizacin del orden de8 a 12 horas producen engrosamiento del grano con los consabidos inconvenientes de prdida detenacidad. El problema se soluciona con un ciclo trmico intermedio calentando por encima de latemperatura crtica superior para regenerar la estructura y afinar el grano de la austenita, seguido deun temple con austenizacin incompleta como corresponde a un acero hipereutectoide.

Mtodos de cementacin.

Con cementantes slidos las piezas se colocan en el horno en el interior de cajas de cementar juntoal cementante o materia para suministrar el carbono, suelen ser carbn vegetal, negro animal, coke,

etc. La ventaja de este procedimiento es el bajo costo de lasInstalaciones, sirve cualquier horno y es bueno cuando se requieren enfriamientos lentos. Sinembargo, presenta como inconvenientes el elevado coste de mano de obra y consumo decombustible porque requiere tiempos ms largos de cementacin y de calentamiento, tampoco

permite un buen control de la capa cementada.

En la cementacin con lquidos las piezas se disponen en crisoles dentro de baos de salespreparadas generalmente a base de cianuro sdico. La profundidad de la capa cementada dependedel tiempo y de la composicin de las sales. Presentan la ventaja de un menor costo de operacin yde la instalacin, hay un mayor control de la temperatura y mayor igualdad de temperatura encualquier punto de la pieza, tienen el inconveniente de los riesgos derivados del manejo de cianurosque son venenosos.

En la cementacin con gases el proceso consiste en el mantenimiento de las piezas a cementar enuna atmsfera carburante (generalmente con metano), a temperaturas que oscilan desde 850 a 950C, durante un tiempo variable normalmente de 1 a 8 horas. Con ello se consiguen espesores decapas desde 0.2 a 1.5 mm. El proceso tiene la ventaja de un mejor control de la T con menor costode operacin y que permite la fabricacin en serie. El inconveniente principal es el elevado costo dela instalacin.

NITRURACIN

La nitruracin es un procedimiento de endurecimiento superficial en el que por absorcin denitrgeno, se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas de acero, incluso

Fig. 45. Variacin microestructural de un acero tras la cementacin.


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superiores a las obtenidas en la cementacin, del orden de 70 HRC. Con este tratamiento tambin se

incrementa la resistencia al desgaste y a la corrosin y mejora la vida a fatiga.

El proceso consiste en incorporar nitrgeno al acero sometindolo a una temperatura entre los 500 y600 C en atmsfera nitrogenada para formar nitruros de hierro y de los elementos de aleacin quecontenga el acero. El mecanismo de endurecimiento de la capa nitrurada tiene lugar por

precipitacin de los nitruros de los elementos de aleacin, por ellos los aceros deben contenerelementos formadores de nitruros como Al, Cr, V, W, Mo..., reducido porcentaje de carbono y handebido ser templados previamente.

ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL COMBINADO

Adems de los procesos de cementacin y nitruracin, existen otros cuyo fundamento es lacombinacin de ambos principios: incorporacin de carbono y de nitrgeno a la capa superficial.

Entre stos, los ms importantes son los que tienen lugar en horno de sales, denominadocianuracin, y el que tiene lugar por procedimiento gaseoso, denominado carbonitruracin. El

proceso trmico es similar a la cementacin.Una de las ventajas de estos procedimientos sobre la cementacin es que el nitrgeno absorbidodisminuye la velocidad crtica de temple del acero. Por el contrario la presencia de nitrgeno hacedescender las temperaturas de transformacin martenstica por lo que puede quedar mas austenita

retenida.

La dureza superficial suele variar de 60 a 65 HRC y depende del contenido de carbono y nitrogeno,de la cantidad de austenita retenida y de la presencia o ausencia de compuesto complejos de hierro,carbono y nitrgeno.

Aceros Al Carbono y Tratamientos

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