lunes, 4 de mayo de 2009

Curvas TTT/TEC y tratamientos térmicos

1. Curvas tiempo, temperatura y transformación.

El diagrama Fe-C representa la transformación de la austenita cuando los enfriamientos son lentos o de equilibrio. Los productos finales de la transformación de la austenita en los aceros son la ferrita, cementita y la perlita.
Los enfriamientos rápidos de la austenita para obtener martensita no siguen el diagrama de equilibrio Fe-C por ser productos que no están en equilibrio. En estos casos el empleo del diagrama de equilibrio Fe-C no tiene sentido y en su lugar deben utilizarse las curvas “S” o diagramas TTT en el estudio de los tratamientos térmicos de temple, normalizado y recocido.
Los diagrama TTT (tiempo, temperatura y transformación) representan el tiempo necesario para transformar de forma isotérmica la austenita a una temperatura subcrítica específica y el producto de dicha transformación. Según el procedimiento seguido en el enfriamiento de la austenita se distinguen las transformaciones isotérmicas (curvas TTT) y las transformaciones por enfriamiento continuo (Curvas TEC).
Figura 1: Diagrama TTT para un acero eutectoide
• Curvas TTT. Enfriamiento isotérmico. Registran como se transforma la austenita en un enfriamiento isotérmico y muestra los constituyentes y sus propiedades mecánicas (dureza y resistencia a la tracción) obtenidos a diferentes tiempos de transformación.
• Curvas TEC. Enfriamiento continuo. Registran la transformación de la austenita cuando el enfriamiento hasta temperatura ambiente se realiza de forma continua.
Cada acero tiene sus propias curvas TTT o TEC y se diferencian de otros materiales por la capacidad de templabilidad y los constituyentes obtenidos a diferentes tiempos y temperaturas. Son necesarias cuando se pretende tratar térmicamente un acero y obtener unas propiedades mecánicas determinadas.
Las curvas TTT son representaciones importantes porque ayudan a conocer la forma de tratar térmicamente los diversos aceros para obtener las propiedades mecánicas deseadas en cada caso. Además de indicar cuanto tiempo se necesitará para que empiece la transformación a una temperatura subcrítica definida y cuanto tiempo necesitará para que la austenita esté completamente transformada. Además de los tiempos de transformación el diagrama informa sobre la constitución final obtenida, su dureza y en algunos casos su resistencia mecánica.
En el eje de abcisas se representa en escala logarítmica el tiempo de transformación en segundos. El eje de ordenadas, en su parte izquierda, indica las temperaturas de transformación y, en su parte derecha, puede incluirse el producto final obtenido y algunas propiedades mecánicas como la dureza o la resistencia mecánica.
Para su construcción deben realizarse, sobre el mismo material, estudios experimentales, basados en la congelación de la estructura austenítica a diferentes temperaturas y tiempos predeterminados. Evaluando en cada caso, su estructura metalográfica, los constituyentes obtenidos y la dureza del mismo. Los métodos metalográficos y dilatométricos son los más empleados en la construcción de las curvas “S”.
Método metalográfico. Consiste en calentar un conjunto de probetas del mismo material hasta su estado austenítico. Seguidamente se pasan a un baño de plomo o de sales a la temperatura de estudio. La extracción de las probetas a diferentes tiempos y su enfriamiento rápido permite que la austenita no transformada se convierta en martensita conservando los constituyentes obtenidos de forma isotérmica. La observación metalográfica posterior permite calcular el porcentaje de austenita transformada, su estructura y el porcentaje de austenita no transformada (martensita) para una misma temperatura y diferentes tiempos.
Método dilatométrico. La variación de la longitud de las probetas debido a las dilataciones-contracciones permiten conocer el tiempo requerido para que se produzca el inicio y fin de la transformación de las austenita. Los cambios volumétricos son debidos a las modificaciones microestructurales y son registrados por medio de un reloj micrométrico.
En la figura 2 se presenta el procedimiento de obtención de una curva TTT. En el eje de ordenadas se representa la temperatura y en el de abcisas el tiempo en escala logarítmica. La transformación isotérmica de la austenita se produce para cada una de las temperaturas del gráfico entre las líneas gruesas de inicio y fin de transformación. La línea más cercana al eje de ordenadas representa la de inicio de transformación mientras que la más lejana muestra el fin de la transformación. La línea discontinua representa el 50% de la transformación para cada una de las temperaturas.
Figura 2: Construcción del diagrama TTT para un acero

Entre las líneas de inicio y fin de transformación se tiene una línea discontinua que representa el 50% de la transformación de la austenita. La Cs representa la temperatura crítica superior, por encima de la cual la austenita es estable. Ms y Mf representan el inicio y fin de la transformación martensítica, respectivamente.
En el diagrama de la figura 3 se aprecia que entre la línea crítica superior (Cs) y la línea de inicio de transformación, la austenita es estable. Una vez pasada la curva de inicio de transformación ésta empieza a descomponerse para transformar, de forma isotérmica, en agregados de ferrita y cementita (parte superior del diagrama TTT).
Cuando la temperatura de transformación isotérmica se realiza a temperaturas próximas a la crítica superior (enfriamiento casi de equilibrio) se obtiene perlita gruesa. En este caso se necesitan algunos minutos para su inicio y más de un mes para su transformación total.
Figura 3: Diagrama TTT de un acero eutectoide (o,89% C)
Si el mismo enfriamiento isotérmico se realiza a temperaturas más bajas, de entre 500 y 600° C (nariz de la curva) el tiempo de transformación se reduce considerablemente (minutos) y el constituyente final obtenido es perlita fina. A temperaturas más bajas el comienzo de la transformación se retarda y el tiempo requerido para su transformación total aumenta. Los productos de la transformación son la bainita.
El incremento de la velocidad de enfriamiento provoca que los átomos sólo puedan difundir distancias cortas y la estructura final es más fina. La perlita fina se obtiene por enfriamiento más rápido que la perlita gruesa siendo sus propiedades mecánicas (límite elástico y resistencia a la tracción) mayores.
Figura 4: Distribución laminar de la perlita (Feα+Fe3C). Perlita fina y perlita gruesa
Cuando el enfriamiento es más lento (temperatura de enfriamiento isotérmica más alta) el proceso de difusión de los átomos de carbono en la austenita se realiza hacia la cementita (Fe3C) mientras que la difusión del hierro se produce hacia la ferrita (Feα). La distribución de los átomos en forma de láminas gruesas se debe al mayor tiempo de difusión disponible.

1.1. Constituyentes de la transformación isotérmica de la austenita

En la transformación de la austenita a temperatura constante pueden obtenerse tres estructuras típicas que dependen de la temperatura del tratamiento y que a su vez dividen el diagrama TTT en tres zonas distintas:
- Zona superior. Cerca de la temperatura crítica superior. Se obtiene perlita gruesa y perlita fina.
- Zona intermedia. Se obtiene vainita.
- Zona inferior. Se obtiene martensita.
En el mismo diagrama se incluyen las durezas obtenidas en cada uno de los enfriamientos. Para temperaturas de transformación bajas se obtienen mayores durezas. Así, la martensita es más dura que la bainita y ésta más dura que la perlita, cuyos enfriamientos son más lentos.

Ejercicio resuelto 1
Determinar sobre el gráfico el siguiente enfriamiento isotérmico para un acero de un 0,7% de carbono.
a) Enfriamiento rápido desde el estado austenítico (Fey) hasta los 450°C, mantenimiento isotérmico a 450°C durante 18 segundos y enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente.
b) Enfriamiento rápido desde el estado austenítico (Fey) hasta los 300°C, mantenimiento isotérmico a 300°C durante 4 horas.





Solución:

En el primer enfriamiento se obtiene un 50% de perlita fina y un 50% de martensita. En el segundo enfriamiento se obtiene bainita.

Ejercicio resuelto 2
Determinar sobre el gráfico los siguientes enfriamientos para un acero hipereutectoide inicialmente en estado austenítico e indicar de forma cualitativa los constituyentes obtenidos en la transformación:
a) Temple con agua hasta temperatura ambiente.
b) Enfriamiento rápido hasta los 600°C y mantenimiento durante 20 segundos. Posterior enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente.
c) Enfriamiento rápido hasta 350°C y mantenimiento a esa temperatura durante 8 minutos. A continuación se practica un enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente.
Solución:
En el primer caso se obtiene un 100% de martensita siguiendo la curva de enfriamiento A. Para el segundo enfriamiento se obtiene un 50% de perlita gruesa y un 50% de martensita (curva B). En el último de los enfriamientos se obtiene un 50% de bainita y un 50% de martensita (curva C). La martensita obtenida en cada uno de los tres casos se obtiene siempre y cuando se cruce la curva Mf.

1.2. Modificación de la posición y forma de las curvas TTT

Los siguientes diagramas TTT muestran las curvas de inicio y fin de transformación para dos aceros con diferentes porcentajes de carbono. Los aceros hipoeutectoides (0,008 - 0,89% C) tienen las curvas TTT muy cerca del eje de ordenadas mientras que los aceros hipereutectoides (0,89 - 1,76% C) las tienen más alejadas. En este último caso se dice que el acero tiene mayor templabilidad o facilidad de temple, puesto que puede obtenerse martensita con enfriamientos menos energéticos o rápidos.
Como puede verse el porcentaje de carbono de un acero es un factor que afecta a la posición de las curvas en el diagrama y por lo tanto a su templabilidad. Sin embargo, hay otros factores que pueden modificar la posición y forma de las curvas, y facilitar su tratamiento térmico. De entre ellos se destacan:
a) Composición química del acero. O porcentaje de carbono. Desplaza las curvas TTT hacia la derecha sin llegar a modificar excesivamente su forma. Los elementos de aleación adicionados al acero también pueden llegar a modificar las curvas. Los elementos carburantes como el cromo, molibdeno, wolframio y titanio desplazan las curvas a la derecha y en la mayoría de los casos modifican su forma. Los elementos no carburantes como el níquel, silicio, manganeso desplazan las curvas hacia la derecha sin modificar su forma.
b) Tamaño de grano austenítico. Un gran tamaño de grano desplaza las curvas hacia la derecha como si se tratara de un acero de alta aleación. El tamaño de grano fino desplaza las curvas hacia la izquierda. El tamaño de grano austenítico depende, en gran parte, del tiempo de mantenimiento a la temperatura de austenización. Un acero, bajo en carbono y de baja templabilidad, puede incrementar su tamaño de grano austenítico al mantenerlo a la temperatura austenítica durante un tiempo excesivo. En este caso, el acero tendrá las curvas TTT desplazadas hacia la derecha con una buena templabilidad. Sin embargo, los productos de transformación obtenidos (martensita, bainita o perlita) resultan groseros, con propiedades mecánicas (resistencia mecánica, límite elástico y resilencia) malas y no apropiadas en la mayoría de aplicaciones industriales.
c) Segregación química. Los aceros que están fuertemente segregados químicamente tienen las curvas desplazadas hacia la izquierda empeorando su templabilidad.


2. Templabilidad o penetración del temple.

Se define la templabilidad como la capacidad que tiene un acero para realizar la transformación martensítica en toda su sección.
Si se estudian las curvas TEC (Transformación de la austenita por enfriamiento continuo) de un redondo de acero a una velocidad de enfriamiento relativamente rápida se cruza la curva Ms (martesite Start) y todo el producto de transformación de la austenita pasará a ser martensita, si el enfriamiento llega a Mf (martensite Finish). Estas curvas de velocidad de enfriamiento son teóricas y sólo pueden ser aplicadas en los contornos exteriores de las piezas tratadas. El núcleo o interior de las piezas templadas tiene velocidades de enfriamiento menores y decrecientes, respecto a la superficie debido a la diferente velocidad de extracción del calor o enfriamiento en las diferentes profundidades de la pieza.
Es por ello que en piezas de secciones grandes y cuando la velocidad de enfriamiento es muy rápida el exterior queda templado (martensita) pero el porcentaje de transformación martensítica disminuye desde el exterior hacia el núcleo.
La primera curva con enfriamiento Ve1 obtiene en toda la sección martesita. En las curvas Ve2 y Ve3 se obtienen secciones con menor porcentaje de transformación martensítica.
Los aceros son de alta templabilidad cuando son capaces de quedar completamente templados en toda su sección. La templabilidad es medida como la aptitud para penetrar, por parte de la transformación martensítica en el interior de la pieza.
La templabilidad de un acero depende de la posición de las curvas TEC. Cuando la curva de inicio de transformación está desplazada hacia la derecha se dice que el acero tiene gran capacidad de temple o templabilidad pues la velocidad crítica de enfriamiento (Vce) necesaria para obtener un 100% de martensita en toda su sección es menos energética y será más fácil poderla realizar. Cuando las curvas TEC se encuentran desplazadas a la izquierda se requieren elevadas velocidades de enfriamiento y, en la mayoría de los casos, la templabilidad no será completa, pudiendo además, provocar tensiones por choque térmico.
Es por eso muy importante conocer la posición de las curvas TEC de un acero y los medios disponibles para poder modificar dichas curvas. Los desplazamientos a la derecha se pueden realizar modificando la composición química del acero y el tamaño de grano. Esta última opción no es recomendable por fragilizar la martensita obtenida. Las curvas TEC informan sobre la templabilidad de un acero con una composición química específica. Mismas piezas con idéntica composición química pueden tener diferente templabilidad por tener diferente tamaño de grano, inclusiones distintas o diferente acabado superficial, etc. En estos casos las curvas TEC sólo son orientativas y es necesario emplear procedimientos más precisos en la determinación de la templabilidad de un acero.
La evaluación de la templabilidad puede realizarse con varios procedimientos normalizados: ensayo Jominy, ensayo por curvas de dureza o por la evaluación macroscópica de la superficie templada.

2.1. Ensayo Jominy

Es un procedimiento normalizado que consiste en calentar una probeta normalizada del acero a evaluar hasta la temperatura de austenización completa y enfriarlo mediante un chorro de agua de caudal y temperatura constante normalizado. El chorro de agua enfría la parte inferior de la probeta de forma que se genera un gradiente de velocidades de enfriamiento a lo largo de su longitud. El extremo en contacto con el chorro de agua se templa sin dificultad mientras que en los extremos más alejados la velocidad de enfriamiento y el porcentaje templado es menor.

En la figura, se muestra una probeta Jominy y la instalación para el temple. La probeta tiene 25mm de diámetro y una longitud de 100mm. El chorro de agua a temperatura de entre 20 y 25º C y consigue obtener velocidades de enfriamiento decrecientes desde la zona templada (máxima velocidad de enfriamiento) hasta el extremo opuesto (mínima velocidad de enfriamiento). El procedimiento garantiza mismas velocidades de enfriamiento en toda su longitud ya que es independiente de la composición química del acero. Las condiciones de enfriamiento son iguales en aceros diferentes y permite su comparación.
Para cuantificar la templabilidad de la probeta en toda su longitud se rectifican dos generatrices en los extremos opuestos y se evalúa la dureza Rockwell (HRc) en puntos equidistantes y cada vez más alejados del extremo templado. Las durezas obtenidas se representan en un diagrama cartesiano como el indicado en la figura donde en el eje de ordenadas se representan las durezas HRc y en el de abcisas las distancias respecto de la zona templada.
La forma de las curvas informa sobre la templabilidad de un acero. Se mide en función de la variación de la dureza desde el extremo templado hasta el extremo más alejado. Para disminuciones pequeñas de la dureza en los diferentes intervalos mayor templabilidad tendrá el acero. La templabilidad máxima se obtiene cuando las curvas Jominy son totalmente rectas. En las gráficas adjuntas se aprecia como la dureza máxima obtenida se da en el extremo de la pieza en contacto con el chorro de agua (máxima velocidad de enfriamiento) y que depende únicamente del porcentaje de carbono. También se aprecia que los elementos de aleación modifican la forma de la curva y la dureza a medida que nos alejamos más del extremo templado.
2.2. Determinación de la templabilidad mediante curvas de dureza (curvas U).

En las empresas que no dispongan de las instalaciones descritas en el procedimiento Jominy (Norma UNE 7-279) también se puede determinar la templabilidad de un acero por la evaluación de la dureza de un redondo a diferentes profundidades. El procedimiento consiste en tornear redondos del acero previamente preparados por forja o laminación y calentarlos hasta austenizarlos por completo. Pueden prepararse redondos de diversos diámetros (50, 100, 150 Y 200 mm). El enfriamiento rápido transforma la austenita en martensita y la barra o redondo es cortado en forma de discos midiéndose la dureza HRc en toda su sección, desde la periferia al interior.
En la figura se muestra un redondo con marcas del ensayo de dureza Rockwell. Cada una de las durezas obtenidas son representadas en las curvas U donde además puede representarse la resistencia del acero. Las curvas de dureza se representan para varios diámetros (50, 100, 150, 200 Y 250 mm) utilizándose un único gráfico. Las curvas superiores y más pequeñas son las que representan los redondos de menor diámetro (50 y 100 mm), las curvas restantes representan los diámetros (150, 200 Y 250 mm)
Un procedimiento semejante al descrito puede realizarse sin utilizar durómetros. El procedimiento consiste en atacar la superficie del disco templado con Nital-5 (ácido nítrico al 5%). La zona que es atacada y reacciona con el reactivo cambia de color mientras que la templada queda de color blanco. Es un procedimiento cualitativo que informa hasta donde ha penetrado el temple en las condiciones del ensayo. El tamaño de grano también informa sobre la templabilidad del redondo. El grano fino exterior indica zona templada y el grano grueso interior representa la zona sin templar.
3. Tratamientos térmicos de los aceros.

3.1. Introducción

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a las que se somete un material para que tenga una transformación microestructural o macroestructural y mejore sus propiedades mecánicas.
El objeto de algunos tratamientos térmicos es mejorar la resistencia mecánica y dureza de un acero o fundición con el fin de garantizar un buen comportamiento durante su vida en servicio. Sin embargo, en otros casos, el objeto puede ser distinto, como en algunos tratamientos térmicos que se busca ductilidad y maleabilidad, propiedades que facilitan operaciones intermedias de conformación.
El mayor uso de los tratamientos térmicos se realiza en aceros, fundiciones, aleaciones de aluminio y de titanio.
Mediante la aplicación de los tratamientos térmicos se obtienen:
a) Propiedades mecánicas deseadas en las piezas tratadas.
b) Estructuras con menos dureza que facilitan las operaciones intermedias de fabricación (conformado por deformación plástica, arranque de viruta, etc.).
c) Eliminación de la acritud de las piezas deformadas en frío.
d) Eliminación de tensiones internas generadas en los procesos de deformación plástica en frío o soldadura.
e) Estructuras más homogéneas en aquellas piezas obtenidas por solidificación fuera del equilibrio.
f) Dureza y resistencia.
g) Modificación en las propiedades físicas y resistencia a agentes químicos.
Los tratamientos térmicos se clasifican en función del tipo de material metálico al que es aplicado en dos grandes grupos: tratamientos térmicos de los aceros y tratamientos térmicos de metales no férreos. Así mismo, se distingue entre tratamientos másicos, mixtos y superficiales.
Los tratamientos másicos son aquellos en el que el ciclo térmico afecta a toda la masa de la pieza y donde los enfriamientos pueden ser isotérmicos o continuos. Los tratamientos superficiales sólo afectan a la superficie de la pieza sin modificar las propiedades del núcleo. Por último, los tratamientos mixtos, también conocidos como tratamientos termoquímicos, modifican la superficie y el núcleo pero de forma diferente. Se realizan por ciclo térmico de calentamiento y enfriamiento y por la adición, mediante procesos difusivos, de elementos como el carbono y nitrógeno en la superficie de las piezas.
Los tratamientos termomecánicos además de ser tratamientos másicos, donde el ciclo térmico afecta a toda la masa de la pieza, se aplica un trabajo mecánico al mismo tiempo. Los más utilizados: ausforming, isoforming y laminación controlada.
En las aleaciones no férreas los tratamientos térmicos más usados son el recocido, temple y revenido y la solubilización y precipitación.
Todo tratamiento térmico se define según un ciclo térmico que establece la temperatura de las etapas de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.


3.2. Ciclo térmico

El ciclo térmico que caracteriza un tratamiento térmico puede ser parecido al indicado en la figura siguiente (aunque los hay más complejos). Se realiza un calentamiento de la pieza a una velocidad (Vc) definida según su pendiente, hasta llegar a la temperatura de mantenimiento (Tm), donde la pieza debe permanecer un tiempo de mantenimiento (tm) para homogeneizar la estructura. Posteriormente la pieza es enfriada con una velocidad de enfriamiento (VE). La velocidad de enfriamiento es uno de los parámetros más importantes en el ciclo térmico pues de ella dependerá la estructura final y las propiedades de la pieza tratada.
En la figura de la izquierda se muestra el ciclo térmico en un tratamiento térmico y en la figura de la izquierda se muestra un tratamiento térmico con dos ciclos.
La diferencia existente entre los diferentes tratamientos térmicos es la obtención de diferentes propiedades mecánicas en las piezas tratadas relacionadas con las microestructuras y macroestructuras obtenidas. De ahí que, la diferencia en las estructuras finales obtenidas, sean definidas en el ciclo térmico y por los parámetros (Vc, TM, tm y VE). Es por ello de gran importancia determinar cómo pueden afectar cada uno de estos parámetros.
a) La velocidad de calentamiento (Vc) no afectará en gran medida a las propiedades finales de la pieza sin embargo, por razones económicas se establecen velocidades de calentamiento lo más grande posible. No pueden realizarse calentamientos demasiado rápidos porque se producen gradientes térmicos en la sección de la pieza tratada que pueden provocar distorsiones y agrietamiento. Debe evitarse diferencias de temperatura mayores a 2üoC en distancias de 25 mm medidas en secciones transversales.
b) La temperatura de mantenimiento (TM) es importante sobre todo en los tratamientos térmicos críticos, donde se produce cambio alotrópico. La temperatura de mantenimiento determinará el tamaño de grano y la homogeneidad de la estructura final. En los tratamientos subcríticos, donde no se produce ninguna transformación alotrópica su importancia también es crítica, pues definirá la estructura final.
Temperaturas demasiado altas pueden fusionar los bordes de grano y facilitar la oxidación intergranular. En estos casos se dice que el acero se ha quemado. El acero es inservible, no puede utilizarse en ninguna aplicación y la situación es irreversible.
c) El tiempo de permanencia (tm) a la temperatura de mantenimiento también es un factor importante pues afectará al tamaño de grano, la homogeneidad química y térmica en toda la sección. El coste económico se incrementa a mayores tiempos de permanencia, sin embargo, deben tenerse en cuenta los aspectos siguientes:
o A mayores tiempos de permanencia mayor será el tamaño de grano y peores serán las estructuras finales obtenidas después del enfriamiento. El acero sobrecalentado por estar durante un tiempo excesivo a la TM presenta un tamaño de grano grueso perjudicial.
o El tiempo de permanencia debe ser suficiente para que se produzca la homogeneidad química en toda la pieza por los procesos difusivos. En el caso de los aceros el tiempo de permanencia debe garantizar que toda la estructura sea austenítica y depende del espesor, la temperatura de mantenimiento, la composición y la hetereogeneidad de la pieza a tratar.
d) Por último, la velocidad de enfriamiento (VE), es el factor de mayor importancia. De él depende la estructura final y las propiedades de la pieza tratada.
Existen otros parámetros que pueden afectar al resultado final del tratamiento térmico como pueden ser: la atmósfera del medio, el tipo y morfología de la estructura inicial, las tensiones internas de la pieza, etc.


3.3. Tratamientos térmicos subcríticos
En ellos el calentamiento no alcanza la temperatura crítica inferior A 1 Y por lo tanto no se llega a ningún grado de austenización. Los más utilizados industrialmente son: revenido (posterior al temple), recocido de eliminación de tensiones, recocido de globularización y recocido de recristalización.
3.3.1. Revenido
El revenido es un tratamiento térmico que se aplica a aquellas piezas que previamente han sido templadas (martensita) y poseen gran fragilidad, tensiones internas residuales y son difíciles de mecanizar por su gran dureza.
El revenido se realiza a temperaturas inferiores a AC1 (temperatura inferior a la eutectoide) para que la estructura de temple (martensita, BCT) evolucione a un estado más cercano al equilibrio. La modificación de los microconstituyentes afecta a las propiedades mecánicas, obteniendo menores durezas y resistencias, pero aumentando la ductilidad, el alargamiento, la resiliencia y tenacidad.
El revenido se efectúa a temperaturas de entre 200 y 650ºC y se consigue transformar la martensita (monofásica BCT) en martensita revenida, formada por ferrita y cementita. Una micrografía de martensita revenida debe mostrar perqueñas partículas de cementita homogéneamente repartidas en una matriz ferrítica. Suele ser tan dura y resistente como la martensita pero con un buen comportamiento dúctil y tenaz.
Se conoce con el nombre de bonificado al tratamiento térmico de temple y revenido. Su ciclo térmico se presenta en la figura siguiente.
Las características mecánicas obtenidas en el revenido dependen de la temperatura (tM) y del tiempo de mantenimiento (TM). Para temperaturas de mantenimiento mayores (cercanas a A1) se produce la mayor disminución de la resistencia mecánica y de la dureza, mientras que la ductilidad y la resiliencia aumentan.
Entre 200°C Y 400°C aparece una disminución en la ductilidad y la resiliencia que aumentan cuando la temperatura de mantenimiento es superior a 400°C. A este fenómeno se le conoce como fragilidad del revenido y suele aparecer en aceros aleados con cromo y manganeso. Su aparición es perjudicial por lo que se recomienda evitar tiempos prolongados a esas temperaturas y utilizar aceros con contenidos bajos en cromo y manganeso.
En la figura siguiente se observa la evolución de la resistencia mecánica, dureza, ductilidad y resiliencia con la temperatura de mantenimiento en un tratamiento térmico de revenido. La resistencia mecánica y la dureza disminuyen con la temperatura. Inicialmente lo hacen de forma lenta pero a partir de los 400°C lo hacen más rápidamente. La ductilidad y la resiliencia tienen un comportamiento inverso con un mínimo cerca de los 400°C que muestra la fragilidad del revenido.
La fragilidad del revenido se debe a la segregación de elementos como P, S, As y Sb, entre otros, hacia los bordes de grano provocando una frágil cohesión entre los granos cristalinos. El cromo y el manganeso potencian la segregación, mientras que elementos como el silicio y el molibdeno la minimizan.

3.3.2. Recocido
Son tratamientos térmicos subcríticos porque durante su calentamiento no se sobrepasa la temperatura crítica inferior y no se llega al estado austenítico. Se diferencian tres procedimientos principales en función de las propiedades buscadas: recocido de eliminación de tensiones, recocido de globalización y recocido de recristalización.



Recocido de eliminación de tensiones
Es un tratamiento subcrítico realizado a temperaturas entre 400 y 600°C que tiene como objetivo disminuir o eliminar las tensiones internas de las piezas que han sido conformadas en frío, solidificadas en molde o trabajadas en forja.
Consiste en mantener durante dos o tres horas la pieza a tratar a temperaturas de entre 400 y 600°C Y realizar un enfriamiento al aire. El enfriamiento consigue reordenar los átomos en conformaciones más estables.
La temperatura máxima del recocido debe ser aquella que no afecte a la estructura y propiedades mecánicas de la pieza. Así, por ejemplo, si se ha templado y revenido a una temperatura de 4S0°C y se realiza un recocido de eliminación de tensiones a SOO°C se sobrereviene la pieza, obteniendo durezas y resistencia mecánica muy inferiores a las deseadas. El recocido debe realizarse a temperaturas de SO°C inferiores a la del revenido.

Recocido de globulización
Es un tratamiento subcrítico que se realiza a temperaturas cercanas al punto crítico inferior Ac1, 723°C (aceros hipereutectoides), que tiene como objetivo facilitar el mecanizado y la deformación plástica de las piezas.
Se aplica a aceros con elevado porcentaje de carbono (0,6 y 1,5% C) y se considera como un tratamiento intermedio, pues con él sólo se facilita la conformación. Las propiedades finales deben obtenerse con otro tratamiento térmico.
La temperatura de calentamiento es de unos 700°C, muy cercana a Ac1 Y la pieza debe ser mantenida entre 5 y 20 horas, incluso más. La velocidad de enfriamiento debe ser muy lenta (0,5ºC/min).
La estructura de un acero eutectoide es perlita laminar. Cuando se realiza el recocido de globulización las láminas de la cementita (Fe3C) y otros carburas se rompen y globulizan. Después del recocido se obtienen partículas de cementita (Fe3C) de forma globular inmersas en una matriz ferrítica.
En la transformación de la microestructura en el recocido, paso de perlita laminar a ferrita y cementita (Fe3C) globular, la dureza del acero disminuye hasta la mínima con la globulización total.




Recocido de recristalización o contra acritud
Tratamiento térmico subcrítico aplicado para eliminar el endurecimiento o acritud adquirida por un metal o aleación cuando es deformado en frío (trefilado, estirado, laminado, etc.).
La deformación mediante trabajo en frío endurece el material mientras produce la forma deseada. Sin embargo, cuando se pretende realizar grandes deformaciones el grado de endurecimiento es tal que el material pierde tenacidad y se fragiliza pudiendo romper si se continúa deformándolo.
El comportamiento dependerá del tipo de material trabajado. El magnesio, por ejemplo, con estructura hexagonal compacta (HCP) tiene un número limitado de sistemas de deslizamiento por lo que sólo permite pequeñas deformaciones en frío antes de romperse.
Cuando se necesita deformar en frío un material con cierto endurecimiento o acritud debe realizarse el recocido de recristalización o contra acritud para mejorar su maleabilidad y ductilidad. La combinación de trabajo en frío y de recocido permite obtener grandes deformaciones.
Se efectúa a la temperatura de recristalización del metal o aleación, un 40% de la temperatura de fusión. En los aceros se realiza a unos 550°C durante 2 horas y posterior enfriamiento al aire. El componente final obtenido es un material blando y dúctil, que conserva el buen acabado superficial y dimensional obtenido en la deformación plástica en frío.
La ductilidad conseguida con el recocido en los aceros se debe a la recristalización de la ferrita. Cuando se calienta un acero a unos 550°C los granos de ferrita pierden la forma alargada producto de la deformación plástica y adquieren la forma equiaxial inicial. Los granos de perlita no adquieren la forma equiaxial en el tratamiento térmico es por ello que en procesos de deformación plástica se emplean aceros hipoeutectoides.
En el proceso de recocido contra acritud se distingues tres etapas: recuperación, recristalización y crecimiento de grano.
En la etapa de recuperación la estructura del material trabajado en frío tiene los granos alargados y gran número de dislocaciones entrecruzadas. En esta etapa la densidad de dislocaciones se mantiene constante y las propiedades mecánicas del material apenas cambian.
Sin embargo, la reordenación de las dislocaciones reduce las tensiones internas, se produce un aumento considerable de la conductividad eléctrica y se mejora la resistencia a la corrosión.
La recuperación es adecuada para eliminar las tensiones en materiales conductores que han sido fuertemente deformados en frío. Un ejemplo lo constituye el trefilado de cobre o aluminio, donde se busca la obtención de hilos de sección constante y elevada conductividad eléctrica.
Así pues, en la primera etapa del recocido se consiguen los siguientes efectos:
- Eliminación de los esfuerzos residuales.
- Reordenamiento de dislocaciones.
- Las propiedades mecánicas no se modifican pero sí las eléctricas (mejora la conductividad).
- La forma de los granos no se modifica y si se ha realizado un trefilado estos conservan la deformación.
En la etapa de recristalización se realiza a temperaturas mayores que la recuperación (400°C) y en ella se produce el crecimiento de nuevos granos con forma equiaxial y con baja densidad de dislocaciones. El material recupera su plasticidad.
Las propiedades mecánicas del material recristalizado cambian respecto del material de partida deformado en frío. Así, la dureza, la resistencia máxima, el límite elástico disminuyen y la ductilidad aumenta. En estas condiciones el material puede volverse a deformar en frío.
La recristalización es empleada en piezas que deben sufrir grandes embuticiones o fuertes estampadas para su conformación.
En la etapa de crecimiento de grano, a mayores temperaturas el tamaño de grano crece y se empeoran las propiedades mecánicas de la aleación.




3.3.3. Normalizado
Es un tratamiento térmico subcrítico semejante al recocido pero que se realiza a temperaturas más altas y la velocidad de enfriamiento es ligeramente más elevada (enfriamiento al aire).
Sus ventajas son la rapidez y facilidad de realización, las durezas finales son algo más elevadas y la estructura más fina.

3.4. Temple
Tratamiento térmico en el que se calienta el material por encima de la temperatura crítica superior (estado austenítico) y se enfría rápidamente para obtener martensita.
La transformación martensítica confiere al acero buenas propiedades mecánicas: dureza y resistencia a la tracción pero disminuye el alargamiento, la estricción y la resiliencia.
Cuando se ensayan diferentes velocidades de enfriamiento de la austenita, desde velocidades lentas (recocido), hasta velocidades muy rápidas, se obtienen estructuras diferentes. A bajas velocidades, cercanas a las de equilibrio, se obtiene perlita laminar gruesa muy blanda. A medida que la velocidad de enfriamiento aumenta, las estructuras obtenidas son diferentes, pasando de perlita gruesa, a más fina, sorbita e incluso troostita, con durezas cada vez mayores. Cuando la velocidad de enfriamiento es alta, se obtiene la martensita.
Es por ello que uno de los parámetros más importantes es la velocidad crítica de enfriamiento, que se define como la velocidad mínima necesaria para obtener martensita en toda la pieza (temple total).
La transformación de la austenita a martensita por enfriamiento rápido sigue un proceso atérmico en el que se produce un cambio alotrópico y de solubilidad de la austenita. La transformación no depende ni de la difusión ni del tiempo sino que únicamente depende de la temperatura y de la velocidad de enfriamiento.
En los aceros el cambio alotrópico se produce al transformar la austenita con la estructura FCC a martensita con estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La estructura tetragonal se produce por el atrapamiento de átomos de carbono en posiciones intersticiales, evitando que la estructura transforme a FCC.
Durante la transformación no sucede ningún cambio químico de forma que la martensita tiene la misma composición química que la austenita de partida.
La dureza de la martensita obtenida depende del porcentaje de carbono del acero. Así, en los aceros con contenidos de carbono de entre 0,1 Y 0,4% C la dureza varía desde 30 a 60 HRc. Los aceros con contenidos mayores a 0,6% C la dureza es de 65 HRc. El mayor porcentaje de carbono crea martensita en forma de capas finas sobrepuestas de elevada dureza y gran fragilidad. Las propiedades son debidas a la ausencia de planos de deslizamiento que permiten el desplazamiento de las dislocaciones y al tamaño de grano que es fino.
En la siguiente figura se muestra la transformación martensítica de la austenita. Se produce la transformación desde una estrutura cúbica centrada en las caras (austenita) a una estructura tretagonal centrada en el cuerpo. Los átomos oscuros representados en el centro de las aristas representan la posición ocupada de forma intersticial por un átomo de carbono



3.4.1. Factores que afectan al temple
Para obtener estructuras totalmente martensíticas la velocidad de enfriamiento debe ser superior a la velocidad crítica de enfriamiento. Cuando la velocidad es inferior, el temple no será perfecto y se obtienen otras estructuras en función de la forma de las curvas TEC.
Los factores que pueden modificarse para asegurar el temple martensítico dependen de las características del material (composición química, tamaño de grano, estructura inicial de partida y homogeneidad de la austenita) y de las dimensiones, forma y medio de enfriamiento.
Composición del acero. Los aceros con gran porcentaje de carbono tienen las curvas TEC de inicio de transformación desplazadas hacia la derecha permitiendo realizar enfriamientos con velocidades críticas de enfriamiento menos energéticas.
Se considera la velocidad crítica de temple (VCE) en un diagrama TEC como la velocidad mínima de enfriamiento que garantiza la transformación total de la austenita en martensita. Gráficamente se representa con una curva de enfriamiento continuo que es tangente a la nariz de inicio de transformación.
Otros elementos de aleación también desplazan las curvas hacia la derecha como el manganeso y el cromo. Este último, el cromo, además de desplazarlas modifica su forma generando dos narices. En estos casos la velocidad de enfriamiento necesario para templar el acero se define como la tangente a la nariz más pronunciada y que exija el enfriamiento más energético.
En la siguiente figura se representa como el manganeso desplaza las curvas TEC hacia la derecha facilitando la operación de temple por necesitar enfriamientos menos energéticos. Las dos curvas son de un mismo acero con cantidades crecientes de manganeso.
El cromo por su parte además de desplazar las curvas hacia la derecha modifica su forma, como se observa en la siguiente figura. Una mayor adición de cromo puede generar la coexistencia de dos narices. En estos casos la velocidad crítica de enfriamiento se define por la tangente a la nariz que exige un enfriamiento más energético.
Tamaño de grano. El incremento del tamaño de grano austenítico provoca el desplazamiento de las curvas TEC hacia la derecha permitiendo realizar enfriamientos menos energéticos que con el grano fino y facilitando el temple.
Sin embargo, el incremento de tamaño de grano austenítico por largos tiempos de mantenimiento en el estado austenítico provoca estructuras martensíticas muy frágiles sin aplicación industrial.
Estructura preliminar. La temperatura y el tiempo de mantenimiento necesario para austenizar de forma homogénea un acero depende de la estructura inicial de partida. Los aceros hipoeutectoides requieren de tiempos cortos en su austenización por contener ferrita. Los aceros hipereutectoides, con elevado porcentaje de carbono y estructura cementítica, requieren mayores temperaturas y tiempos más prolongados para su austenización.
Cuando se tienen aceros aleados, los tiempos y temperaturas necesarias para la austenización son mayores cuando se aumentan el porcentaje de elementos de aleación, sobre todo cuando se tienen en forma de carburos.
Dimensiones y formas de las piezas. El enfriamiento provocado en una pieza depende de la relación superficie/volumen. En las piezas finas, la velocidad de enfriamiento es prácticamente la misma en la superficie que en el núcleo. No sucede lo mismo en las piezas gruesas debido al efecto masa que provoca mayores velocidades de enfriamiento en el exterior que en el interior.
La forma de las piezas también modifica la velocidad de enfriamiento por tener espesores y formas diferentes.
Modo de enfriamiento. La utilización de agua, aceites o sales fundidas con diferentes propiedades provocan enfriamientos más o menos energéticos.
La teoría de enfriamiento define tres etapas con diferente extracción de calor. En la primera etapa y cuando la pieza a enfriar es introducida a alta temperatura en el baño de enfriamiento se produce una capa de vapor que dificulta el enfriamiento. La segunda etapa, la más rápida, se produce cuando la fase de vapor existente entre la superficie de la pieza y el líquido de enfriamiento desaparece y es sustituido por líquido en ebullición. Las burbujas producidas en el baño son responsables de la rápida evacuación del calor. La tercera y última etapa es la más lenta y se inicia cuando la temperatura de la pieza y la del medio de enfriamiento es pequeña.
La elección del mejor medio de enfriamiento se da cuando la segunda etapa se mantiene durante el máximo tiempo posible y su velocidad de extracción es grande. Es por ello necesario seleccionar un medio de enfriamiento teniendo en cuenta su calor específico, calor de vaporización, viscosidad, temperatura de ebullición y conductividad térmica, además de su bajo poder de degradación. Los más empleados son: agua, aceite, plomo, mercurio y sales fundidas.
Estado de la superficie. La presencia de cascarilla, aceites de corte o residuos carbonosos por la cementación pueden disminuir la conductividad térmica y afectar a la primera etapa del enfriamiento (generación de la capa de vapor), disminuyendo la capacidad de enfriamiento.

3.4.2. Tipos de temple
Se distinguen varios tipos de temple en función de las técnicas operativas utilizadas, el medio de enfriamiento o de los resultados finales obtenidos. Los más empleados son: temple de austenización completa o incompleta, temple interrumpido en agua y aceite o agua y aire, temple isotérmico. Austempering y martempering, temple superficial (inducción o a la llama).
3.4.2.1. Temple de austenización completa
Consiste en calentar, generalmente aceros hipoeutectoides, por encima de la temperatura crítica superior (Ac3/Acm) unos 50°C hasta austenización homogénea y completa y posterior enfriamiento en agua, aceite, aire, etc., en función de la templabilidad. La velocidad de enfriamiento debe ser superior a la crítica y no cruzar la curva de inicio de transformación.
El constituyente obtenido es martensita cuando la austenización ha sido completa y la velocidad de enfriamiento superior o igual a la crítica.

3.4.2.2. Temple de austenización incompleta
Se aplica en aceros hipereutectoides calentando a temperaturas superiores (50°C) a la crítica superior Ac321. De esta forma sólo se transforma la perlita en austenita, quedando la cementita residual sin transformar. Al enfriar rápidamente a velocidad superior a la crítica la austenita se transforma en martensita y queda la cementita sin transformar.


3.4.2.3. Temple interrumpido
Son aplicados cuando se desea templar piezas complejas sin que se desarrollen tensiones internas por utilizar velocidades de enfriamiento demasiado rápidas.
Consisten en enfriar rápidamente durante los primeros instantes del enfriamiento para poder salvar la nariz de las curvas TTT y posteriormente enfriar con velocidades inferiores durante la transformación martensítica. De esta forma se obtienen piezas templadas sin deformaciones ni grietas.
Son dos los procedimientos más utilizados industrialmente y se distinguen por el medio de enfriamiento utilizado en cada una de las dos etapas:
- En agua y aceite. El enfriamiento inicial se realiza de forma energética con agua. Se obtienen velocidades de enfriamiento superiores a la crítica y se consigue salvar la nariz de la curva TTT. Posteriormente se cambia el medio de enfriamiento (aceite), menos energético y que permite transformar la austenita en martensita sin que las diferencias bruscas de temperatura provoquen grietas ni deformaciones acusadas.
- En agua y aire. Es parecido al anterior pero la interrupción del enfriamiento con agua se realiza a unos 225°C. A continuación se enfría al aire para que la transformación se produzca de forma suave y sin deformaciones.

3.4.2.4. Temple isotérmico
Se emplean dos tratamientos: austempering y martempering. Se caracterizan por realizar la transformación de la austenita a temperatura constante o a velocidad constante.
- Austempering. Consiste en calentar a temperatura superior a la crítica superior (Ac3 o AC321) para obtener austenita homogénea y después enfriar de forma energética hasta temperaturas de entre 200 y 500°C, por encima de la temperatura de inicio de transformación de la martensita (Ms), por debajo de la nariz de la curva TTT. La transformación de la austenita se realiza de forma isotérmica (a temperatura constante) obteniendo bainita.
La transformación isotérmica evita la aparición de tensiones internas (grietas y deformaciones), no necesitan revenidos posteriores y se obtiene mejor tenacidad que con el bonificado.
- Martempering. Es parecido al anterior pero el constituyente final obtenido no es bainita sino martensita. Se realiza efectuando un enfriamiento energético inicial, a velocidad superior a la crítica para no obtener estructuras intermedias como la perlita hasta unos 200 °C por encima de la temperatura de inicio de la transformación de la martensita (Ms). El enfriamiento isotérmico se realiza al aire y después de la transformación total de la austenita se efectúa un revenido.
Al igual que con el austempering la transformación isotérmica evita la aparición de tensiones internas y deformaciones, obteniendo una estructura final de martensita revenida.
3.5. Tratamientos termomecánicos
Son tratamientos en los que se combina la acción simultánea de una energía mecánica de deformación plástica permanente con la acción térmica para modificar la macroestructura del acero tratado y mejorar propiedades mecánicas como la dureza, elasticidad y tenacidad.
Se clasifican en función de la temperatura a la que se realizan en tratamientos en frío y tratamientos en caliente. Cuando el tratamiento se realiza a temperaturas superiores a la de recristalización del acero el tratamiento es en caliente, en caso contrario se dice que es en frío.
Los tratamientos en frío comprenden a la embutición y trefilado. Los tratamientos en caliente, la forja, extrusión, estirado y laminación.
- Tratamientos en frío. Incrementan la dureza y el límite elástico sin producirse difusión por la deformación plástica a temperaturas inferiores a la de recristalización. En los procedimientos asociados a la obtención de fuertes reducciones de sección provocan que las piezas se vuelvan duras y frágiles (acritud) y puedan romper si se sigue con la deformación. En estos casos deben tratarse térmicamente mediante recocido contra acritud que afina el grano, homogeneiza la estructura y permite seguir deformando plásticamente el metal.
- Tratamientos en caliente. Están basados en la aptitud que tienen ciertas aleaciones para recristalizar y crecer en tamaño de grano. La deformación plástica experimentada en un acero cuando es conformado a temperaturas superiores a la de recristalización es más fácil por tener mayor número de sistemas de deslizamiento debido a la agitación térmica. Además, a estas temperaturas se produce una disminución en la resistencia que oponen los granos en su deformación.
Durante la deformación plástica debe darse simultáneamente la recristalización de los granos deformados, así el material no adquiere acritud. La conformación en caliente permite obtener mayores deformaciones que en la conformación en frío y .con la aplicación de menores esfuerzos. Además el grano obtenido es más fino, no se tienen tensiones residuales y la resistencia mecánica es mayor.
El ausforming (forming, deformación, y aus, austenita) es un tratamiento termomecánico que permite deformar plásticamente una pieza y templarla posteriormente. Se realiza en los aceros que tienen curvas TTT con dos narices a temperaturas comprendidas entre los 400 y 600°C. A estas temperaturas los tiempos de inicio y final de transformación son largos y puede deformarse el acero sin temor a su transformación.
El acero se deforma a temperatura superior a Ms e inferior a la temperatura de recristalización sin que la austenita homogénea sufra transformación martensítica. Después de la deformación plástica y de acumular acritud se templa y reviene.

La combinación de la acritud por deformación, el temple y el revenido final hace que el acero adquiera unas propiedades mecánicas excelentes.
Para realizar el ausforming deben seguirse las cinco etapas indicadas en el siguiente diagrama. Inicialmente se calienta el acero hasta su estado austenítico. Se enfría en un horno a temperaturas comprendidas entre los 440 y 630°C Y se deforma isotérmicamente a esa temperatura. La deformación se realiza por forja, embutición profunda, laminación o extrusión. El material adquiere mayor dureza cuando mayor es la deformación aplicada. Después de su deformación se realiza el temple y se practica un revenido en función de las propiedades finales deseadas (tenacidad y dureza).

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