TRATAMIENTOS TERMICOS

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado.

Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas.

Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–carbono.

En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los principales tratamientos térmicos son:

RECOCIDO

Es un tratamiento térmico que consiste en calentar el metal a una temperatura adecuada, temperatura de austenitización (800-925 °C), la cual se mantienen por un cierto tiempo (recalentamiento), y después se enfría lentamente.

El recocido se realiza sobre un metal en cualquiera de los siguientes casos:

1.- Para reducir la dureza y la fragilidad.

2.- Para alterar la microestructura de manera de que se puedan obtener propiedades mecánicas deseadas

3.- Para ablandar el metal y mejorar su maquinalidad o formabilidad.

4. Para recristalizar los metales trabajados en frío

5.- Para aliviar los esfuerzos residuales inducidos por los procesos de formado previos.

El recocido total es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada en frío retorna a una red cuyo estado se halla libre de tensiones por medio de la aplicación de calor. Este proceso se efectúa totalmente en estado sólido y puede dividirse en las tres etapas siguientes: Recuperación, Recristalización y Crecimiento del Grano.

RECUPERACIÓN

La deformación plástica que ha sufrido un metal provoco la operación de esfuerzos internos que distorsiona la red cristalina incrementando la dureza y disminuyendo la ductilidad del metal.

Si llevamos la muestra de metal a una temperatura superior a la ambiental pero por debajo de la temperatura de austenización; las propiedades mecánicas de este no variaran en gran medida.

Siendo el único efecto apreciable el del alivio de los esfuerzos internos productos de la deformación plástica.

Cuando calentamos el metal las dislocaciones se mueven y reagrupan mientras que los esfuerzos residuales se reducen. Durante esta etapa aumenta relativamente la conductividad eléctrica del metal tratado.

RECRISTALIZACION

Si el calentamiento continua, el grano original donde están presente las dislocaciones dará lugar a granos de menor tamaño que estarán libres de imperfecciones y de esfuerzos residuales. Estos nuevos granos no presentan la forma alargada de los granos originales sino que son más uniformes en sus dimensiones.

Esta parte del proceso tiene como fin último el refinar el tamaño del grano, eliminando las tensiones internas y disminuyendo la heterogeneidad estructural, el recocido contribuye a mejorar las propiedades de plasticidad y viscosidad en comparación con las obtenidas después de fundido, forjado o laminado.

El proceso de recristalización requiere elevar la temperatura por debajo del cual no se dará el proceso de recristalización, mas esta temperatura no es un valor definido sino una temperatura aproximada que recibe el nombre de Temperatura de Recristalización definida como "La temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío se recristaliza por completo en una hora".

La Temperatura de Recristalización depende de diversos factores pero entre los principales tenemos:

1. La severidad de la deformación plástica.

2. El tamaño del grano original deformado plásticamente.

3. La temperatura a la cual ocurre la deformación plástica.

4. El tiempo en el cual el metal deformado plásticamente es calentado para obtener la temperatura de Recristalización.

5. La presencia de elementos disueltos en el metal.

A mayor cantidad de deformación previa, menor será la temperatura necesaria para iniciar el proceso de la recristalización debido a la mayor distorsión y a la mayor cantidad de energía interna disponible.

Si aumentamos el tiempo de recocido lograremos disminuir la temperatura de recristalización.

Si la intensidad del trabajo en frío es similar en dos muestras; aquella que presente el grano más fino introducirá un mayor endurecimiento por deformación en el metal y por lo tanto, menor será la temperatura de recristalización que en aquella de grano mayor.

Si la deformación en frío ocurre a una temperatura menor en una muestra que en otra, mayor será el grado de deformaciones introducidas disminuyendo

efectivamente la temperatura de recristalización para cierto tiempo de recocido que en la otra muestra.

CRECIMIENTO DE GRANO

El crecimiento del grano ocurre debido al proceso de coagulación y reorientación del los granos adjuntos y esto es función de el tiempo y la temperatura.

Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye produciendo un incremento en la rapidez de crecimiento del grano.

Los granos grandes tienen menor energía libre que los de tamaño menor. Esto está asociado con la menor cantidad de área de frontera de grano y está relacionada con la fuerza que impulsa el crecimiento del grano.

Dicho lo anterior; el tamaño final del grano estará determinado por los parámetros de la energía libre del grano y el grado de rigidez de la red cristalina.

Por tanto, la nucleación y el posterior crecimiento del grano comprendidos en el proceso de recocido serán los factores a controlar para la obtención de propiedades ultimas acorde con las necesidades. Si se favorece una nucleación rápida y un crecimiento lento se obtendrá como resultado un material de grano fino con el incremento en la tenacidad o resistencia al impacto con el aumento en la dureza; en cambio, si la nucleación es lenta y el crecimiento del grano es rápido en tamaño del grano será grueso con el resultado de que el metal disminuye su tenacidad y su maquinabilidad y en cambio aumenta su ductilidad.

Templado

Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900 grados C. y enfriándolos rápidamente en aceite o en agua se vuelven duros y quebradizos.

Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento.Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiere obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos losaceros llamada templabilidad (capacidad a la penetración del temple). Que a su vez depende fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y ademásque todos los cristales que componen la masa del acero se transforman encristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriados rápidamente se trasforman en martensita, estructura queda la máxima dureza a un acero hipoeutetoide

Transformación de la austenita

Se representan las transformaciones isotérmicas de la austenita en un

diagrama denominado abreviadamente TTT o curva de la S. Éste puede

construirse enfriando rápidamente la muestra en un baño y manteniéndola a

temperatura controlada para medir el tiempo que tarda en comenzar y finalizar

la transformación a dicha temperatura.

En dicho diagrama se aprecian tres zonas:

En la zona superior se forman las estructuras perlíticas 

En la zona inferior se forma martensita.

Es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi

instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada

de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanta mayor es la cantidad de

carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por

tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros

metales de aleación) es el constituyente más duro de los aceros.

Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita, estructura

similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor

ductilidad y resistencia que aquélla.

http://enciclopedia.us.es/index.php/Archivo:Diagrama_TTT_acero_al_carbono.png

Medios de temple.

Los distintos medios de temple utilizados en la industria ordenados en función de la severidad de temple de mayor a menor, son los siguientes:

* Solución acuosa con 10% de cloruro sódico* Agua corriente.* Sales liquidas o fundidas.* Soluciones acuosas de aceite sulfonado.* Aceite.* Aire.

Revenido.

Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

La temperatura del revenido se ajusta a las necesidades de la posterior utilización de la pieza hasta aproximadamente 150 ºC, el revenido no tiene influencia sobre la dureza, pero disminuye o elimina las tensiones producidas por el temple si se mantiene la pieza durante un tiempo prolongado a esta temperatura.

El revenido, efectuado para proporcionar el aumento de la tenacidad con la correspondiente disminución de la dureza, se lleva a cabo en el campo de los 200-300 ºC, de acuerdo con: la calidad del acero, su forma geométrica, dimensiones y la posterior utilización de la misma.

Para los aceros rápidos se utilizan temperaturas de 550-650 ºC, y en estos casos se produce un aumento de la dureza en los mismos. Tanto la velocidad de calentamiento, como la exactitud, la permanencia y el enfriamiento, tienen una gran influencia para conseguir unos resultados óptimos después del revenido. Es posible debido a la inestabilidad de la martensita.

Los revenidos a baja temperatura no originan un gran decremento en la durezay se unen principalmente para liberar de esfuerzos internos.

En el proceso de revenido, se deberá tomar cierta consideración tanto en eltiempo como en la temperatura.

Existen dos procesos especiales: el austemplado y el martemplado

El austemplado es el proceso de temple interrumpido, es una transformación isotérmica que convierte la austenita a una estructura llamada bainita.

El martemplado es el proceso mediante el cual el acero es templado rápidamente. Su propósito principal es reducir a un mínimo la distorsión, el agrietamiento y los esfuerzos residuales del templado en aceite o agua

Tabla de temperaturas para revenido acero endurecidoColor Grados °F Grados °C Tipos de AcerosPaja claro 430 22 Brocas y machuelosPaja mediano 460 240 Punzones, dados y fresasPaja obscuro 490 255 Cizalla y MartillosMorado 520 270 Cinceles para maderaAzul obscuro 570 300 Cuchillos y ciceles para aceroAzul claro 600 320 Destornilladores y resortes

Fases del revenido:El revenido se hace en tres fases: Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica, Mantenimiento de la temperatura, para igualarla en toda la pieza y el enfriamiento, a velocidad variable, no es relevante pero tampoco debe de ser excesivamente rápido.

Calentamiento El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450 a 600°C, mientras que para los aceros de herramientas la temperatura de revenido es de 200 a 350°C

Mantenimiento de la temperatura.La duración del revenido a baja temperatura es mayor que a las temperaturas más elevadas, para dar tiempo a que sea homogénea la temperatura en toda la pieza.

Enfriamiento.La velocidad de enfriamiento del revenido no tiene influencia alguna sobre el material tratado cuando las temperaturas alcanzadas no sobrepasan las que determinan la zona de fragilidad del material; en este caso se enfrían las piezas directamente en agua. Si el revenido se efectúa a temperaturas superiores a las de fragilidad, es conveniente enfriarlas en baño de aceite caliente a unos 150°C y después al agua, o simplemente al aire libre.

Normalizado.

Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido.

Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura.

Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono.

A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente. Esta variación será más acusada cuanto más cerca del núcleo realicemos el ensayo.