TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO

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1 TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO

2 TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO
Definición.- Cuando se afirma que un material se trata térmicamente, lo que habitualmente se quiere decir es que el material se hace resistente cuando se calienta y se enfría (endurecimiento). El tratamiento térmico es la operación que comprende el calentamiento y enfriamiento de un metal o de una aleación en estado sólido, con el fin de obtener ciertas propiedades convenientes. Para comprender los diversos tipos de tratamientos térmicos que se pueden realizar en el acero es necesario concentraremos en la porción eutectoide del diagrama de fases Fe-C (figura 1). Las líneas de solubilidad y la isoterma eutectoide son identificadas como A3 , Acm y A1 . La A3 muestra la temperatura a la cual la ferrita empieza a formarse en el enfriamiento; la Acm señala la temperatura a la cual empieza a formarse la cementita y la A1 es la temperatura eutectoide.

3 TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO
Figura 1

4 RECOCIDO 1.- Alivio térmico de esfuerzos residuales.- Consiste en calentar uniformemente una estructura hasta una temperatura apropiada por debajo de la temperatura de recristalización, mantenerlo a esta temperatura durante un periodo determinado y después enfriarlo de modo uniforme. Si el enfriamiento no es constante surgen nuevos esfuerzos residuales. Además de aliviar los esfuerzos de gran magnitud, el alivio de esfuerzos reduce la posible deformación del componente. 2.- Recocido.- A través de este tratamiento ocurren cambios importantes en la estructura y las propiedades después que el material ha sido calentado y mantenido a una temperatura apropiada, y después enfriado a un ritmo razonablemente lento. Es posible refinar el Fe3 C controlando la velocidad de enfriamiento cuando la austenita se transfoma en perlita. Si permitimos un enfriamiento muy lento (enfriamiento en el horno) desde la temperatura austenítica, la perlita es gruesa. En los aceros existen tres tratamientos de recocido: recocido subcrítico, recocido intercrítico y recocido completo. Recocido subcrítico.- Se realiza a temperaturas por debajo de A1 (705 a 716 oC), generalmente este tratamiento se utiliza para alivio de tensiones. Recocido intercrítico.- Para los aceros hipoeutécticos entre A1 y A3, para los aceros hipereutécticos entre A1 y A3cm. Produce un acero en su condición más blanda, la estructura que se obtiene es de partículas de carbono esferoizadas en una matriz de ferrita, las principales propiedades mecánicas son: dureza mínima, ductilidad máxima y máxima maquinabilidad. En la figura 2 se observa la zona del recocido subcrítico e intercrítico en el diagrama Hierro - Carbono

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6 RECOCIDO Recocido completo.- Se realiza a temperaturas mayores a A3 o Acm. Se obtiene una austenitización completa. Después el acero es enfriado en un horno. Permitiendo que tanto el horno como el acero se enfríen juntos, se producen bajas velocidades de enfriamiento. Puesto que se dispone de mucho tiempo para la difusión, la ferrita primaria y la perlita son gruesas y el acero tiene baja resistencia mecánica y adecuada ductilidad. 3.- Normalización.- Es un tratamiento que consiste en austenitizar el material, mantenerlo a una cierta temperatura y enfriarlo al aire natural, este enfriamiento rápido produce perlita fina. En aceros hipoeutécticos la temperatura es de 55 oC por encima de A3. En aceros hiperutécticos la temperatura es de 27 oC por encima de Acm. La microestructura es uniforme de grano fino con regiones perliticas, a través de este tratamiento se obtiene buena maquinabilidad, refinamiento del tamaño de grano y modificación de los esfuerzos residuales. Los aceros al carbono con 0,2%C o menos no reciben mas tratamiento después de la normalización, mientras que, los aceros al mediano o alto carbono suelen templarse después de la norrmalizacion. En la figura 3 se ha dibujado un esquema de los ciclos de calentamiento y enfriamiento que intervienen en los tratamientos térmicos.

7 RECOCIDO

8 DIAGRAMA TIEMPO - TEMPERATURA - TRANSFORMACION
La reacción eutectoide de estado sólido es lenta y el acero puede enfriarse por debajo de la temperatura eutectoide de equilibrio antes de que se inicie la transformación. La temperatura de transformación afecta la finura de la estructura, el tiempo requerido para la transformación e incluso el ordenamiento de las dos fases. Esta información esta contenida en el diagrama tiempo-temperatura-transformación (TTT). Este diagrama, llamado también diagrama de transformación isotérmica o bien curva C, nos permite predecir la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico requerido en los aceros. En la figura 4 se observa un diagrama TTT para un acero eutectoide. Figura 4

9 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
Mediante el diagrama TTT, podemos establecer algunas microestructuras de interés: 1.- Perlita.- Si se templa justo por debajo de la temperatura eutectoide, la austenita se subenfriará sólo un poco. La nucleación se inicia hasta que este cerca del tiempo de inicio de la perlita (Pi). Después que la perlita empieza a crecer, se produce perlita gruesa; la transformación se completa al tiempo final (Pf), según se indica en la figura 5.a. La austenita templada a una temperatura menor, la nucleación ocurre más rápidamente y el Pi es mas corto, se produce una perlita fina. La perlita será más fina cuando se produce la transformación isotérmica a unos 550 C, lo cual determina la saliente o vértice de la curva TTT. Figura 5.a

10 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
Figura 5.a

11 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
1.- Perlita.- En la siguiente figura 5.b se indica una curva de enfriamiento ABCD superpuesta en el diagrama TTT para una aleación eutectoide de hierro-carbono. Un rápido enfriamiento de la austenita a la temperatura que se indica por la línea AB. La isoterma en esta temperatura es representado por el segmento horizontal BCD. El tiempo se incrementa de izquierda a derecha a lo largo de esta línea. La transformación de austenita en perlita comienza en la intersección, punto C (aproximadamente 3,5 s) y se completa aproximadamente en 15 s, corresponde al punto D. La relación del espesor de las líneas de ferrita y cementita es aproximadamente 8 a 1. El espesor de estas líneas depende de la temperatura a la cual se realiza la isoterma. A un enfriamiento por debajo de la temperatura eutectoide producirá perlita gruesa, mientras que alrededor de los 540 C se producirá perlita fina.

12 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE

13 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
2.- Bainita.- A una temperatura por debajo de la saliente de la curva, la nucleación ocurre rápidamente pero la difusión es lenta y el crecimiento es muy lento; generando que la cementita se precipite como partículas redondas en una matriz de ferrita (bainita). La transformación se inicia en Bi y termina en el tiempo final Bf. La bainita se vuelve más fina conforme la temperatura de transformación continúa decreciendo. La bainita que se forma por debajo de la saliente de la curva se denomina bainita gruesa, bainita superior o bainita tipo pluma. La temperatura que se forma a temperatura más baja se denomina bainita fina, bainita fina o acicular. En la siguiente figura se observa la curva C y la ubicación de la perlita y bainita.

14 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
En la figura 6 se indica las microestructuras típicas de la bainita. En la figura 7 se muestra el efecto de la temperatura de transformación en las propiedades de un acero eutectoide. Cuando decrece la temperatura, hay una tendencia general hacia una mayor resistencia y una ductilidad menor debido a la microestructura más fina que se produce Figura 6 Figura 7

15 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE

16 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
Figura 6 Figura 7

17 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
Reaccion martensítica.- La martensita es una fase que se forma como resultado de una transformación de estado sólido sin difusión, o sea que la reacción depende sólo de la temperatura, no del tiempo. La reacción martensítica suele ocurrir rápidamente. En aceros con menos del 0,2%C, la austenita CCC se transforma en una estructura de martensita CC supersaturada. En aceros de más alto carbono, la reacción martensítica ocurre cuando la austenita CCC se transforma en martensita TCC. El acero debe ser templado (calentado y enfriado rápidamente), a partir de la región de austenita estable para evitar la formación de perlita, bainita o microconstituyentes primarios. La reacción martensítica se inicia en un acero eutectoide cuando la austenita se enfría por debajo de los 220 oC, a la temperatura de inicio de la martensita (Mi). La cantidad de martensita se incrementa conforme decrece la temperatura. Cuando la temperatura es menor a la temperatura final de la martensita (Mf), el acero debe contener 100% de martensita. En la figura 8 se indica la curva C y la reacción martensítica. Figura 8

18 MICROESTRUCTURA DEL ACERO TRATADO TERMICAMENTE
Figura 8

19 REACCION MARTENSITICA
La martensita en los aceros es muy dura y frágil. La estructura TCC tiene planos no compactos de deslizamiento en los que las dislocaciones pueden moverse fácilmente. La martensita está altamente sobresaturada de carbono puesto que contiene toda la cantidad de carbono que está presente en el acero. Finalmente, la martensita tiene un tamaño de grano muy fino y una subestructura aún más fina dentro de los granos. En consecuencia, la martensita tiene poca o ninguna ductilidad y resulta tan dura que puede cortarse únicamente con herramientas especiales. En la figura 9 se indica la martensita en cintas de acero de bajo carbono (a) y placas de martensita en el acero de alto carbono (b).

20 REACCION MARTENSITICA
Figura 9

21 REACCION MARTENSITICA
Si el temple de la austenita avanza por debajo de Mi, aumenta la inestabilidad de dicha fase, transformándose en martensita una mayor fracción del sistema. Al templar hasta – 46 oC o temperaturas inferiores se obtiene una microestructura 100 % martensita (forma de agujas). En general, una estructura con 50% a 60% de martensita es aceptable. Revenido de la martensita.- La martensita es una fase frágil, para disminuir la fragilidad de este acero es necesario volver a calentar a una temperatura en la que sea posible la transformación a las fases de equilibrio α y Fe3C. Calentándolo poco tiempo a una temperatura moderada, se obtiene un producto de elevada resistencia y baja ductilidad; este tipo de tratamiento puede generar agrietamiento por cuanto se generan esfuerzos. En la figura 10 se describe la secuencia del revenido.

22 REACCION MARTENSITICA
Martempering.- Un problema asociado al temple y al revenido convencional es que la pieza se puede agrietar y distorsionar debido al enfriamiento desigual durante la etapa de temple. El exterior de la pieza se enfriará más rápidamente, por consiguiente, se transformará en martensita antes que el interior. Durante este periodo en el cual el interior y el exterior tengan distintas estructuras cristalinas, puede generarse tensiones significativas. El martempering consiste en detener el temple por encima de Ms, se puede conseguir la homogenización de la temperatura dentro de toda la pieza mediante una breve etapa isotérmica. Posteriormente un enfriamiento lento permite que la transformación martensítica se desarrolle de manera uniforme. Finalmente se consigue una mejor ductilidad a través de una etapa de revenido.

23 REACCION MARTENSITICA

24 REACCION MARTENSITICA
Austempering.- Un método alternativo cuyo fin es evitar la distorsión y el agritamiento es el austempering, el cual presenta la ventaja de evitar por completo la etapa de recalentamiento, la etapa isotérmica se extiende hasta que se completa la transformación bainitica. Como esta estructura (α + Fe3C) es más estable que la martensita el enfriamiento posterior no da lugar a su formación.