Fundamentos de Metalurgia: Endurecimiento, Fractura y Transformaciones en Aceros

Mecanismos de Endurecimiento y Comportamiento de Materiales

Efecto Bauschinger

Producido por las dislocaciones al aplicar la carga en direcciones opuestas.

Endurecimiento por Solución Sólida (SS)

Los átomos de impurezas distorsionan la matriz y producen tensiones.

• Las tensiones pueden ser una barrera al movimiento de las dislocaciones.

Mecanismos del Endurecimiento por Solución Sólida:

• Interacción entre átomos de soluto y dislocaciones.
• Deformación de la red.
• Interacción eléctrica entre átomos de diferente valencia.

Fractura de Materiales

Fractura Frágil

La fractura frágil se produce a lo largo de planos cristalográficos llamados planos de fractura y tiene una rápida propagación de la grieta.

Factores que favorecen la fractura frágil:

• Baja temperatura.
• Alta velocidad de deformación.
• Estado triaxial de tensiones.

Fractura Dúctil

La fractura dúctil ocurre después de una intensa deformación plástica y se caracteriza por una lenta propagación de la grieta.

Teoría de Griffith sobre la Fractura (A.A. Griffith, 1920)

A.A. Griffith midió la resistencia a fractura de fibras de vidrio y encontró que su resistencia variaba de forma inversamente proporcional a su diámetro.

• Propuso que la fractura se inicia en defectos preexistentes en el material.
• Una grieta puede propagarse cuando la energía elástica liberada es al menos igual a la energía necesaria para formar nuevas superficies.

Transformaciones de Fase en Aceros

Austenita y su Influencia en la Perlita

La nucleación de la perlita se produce en los límites de grano de la austenita.

• Un tamaño de grano austenítico más fino implica una microestructura perlítica más pequeña y favorece la transformación.
• Un tamaño de grano austenítico más grueso retarda la transformación y favorece la templabilidad.

Relación entre Perlita y Resistencia:

Una perlita con mayor espaciado interlaminar implica menor resistencia.

Bainita

Es una estructura no laminar formada por ferrita y cementita.

• Se produce por enfriamiento de la austenita a velocidades intermedias mediante una transformación difusional de nucleación y crecimiento.
• La transformación comienza en la temperatura B_s (Bainite Start) y acaba en B_f (Bainite Finish).

Tipos de Bainita:

Existen dos tipos con distinta resistencia y microestructura:

• Bainita superior (formada entre 350°C - 550°C).
• Bainita inferior (formada entre 250°C - 350°C).

Tratamientos Térmicos: Recocido

Recocido de Regeneración

Cuando un material se somete a trabajo en frío o en caliente, se inducen esfuerzos remanentes o residuales y, además, el material generalmente adquiere una gran dureza debida a estas operaciones de trabajado. El recocido de regeneración busca revertir estos efectos.

Efectos del Recocido:

• Aparecen nuevos granos libres de deformación.
• Disminuye la fragilidad.
• Aumentan las características dúctiles.
• Disminuyen las características resistentes (dureza y resistencia mecánica).

Condiciones Generales del Recocido:

• Tiempo corto: Para evitar el crecimiento excesivo de grano.

Etapas del Recocido:

1. Restauración.
2. Recristalización.
3. Crecimiento de grano.

Condiciones Específicas (ej. Recocido Completo o Normalizado):

• Temperatura: 25-75 °C por encima de Ac₃ (temperatura crítica superior).
• Enfriamiento: Lento (al aire o en horno) hasta temperatura ambiente.
• Tiempo: Corto, para evitar el crecimiento de grano.

Recocidos Subcríticos

Estos tratamientos se realizan a temperaturas inferiores a la crítica inferior (Ac₁).

Recocido de Ablandamiento

• Objetivo: Ablandar rápida y económicamente los aceros.
• Resultado: No se obtiene la dureza más baja posible, pero es suficiente para un mecanizado posterior.
• Consideración: En algunos aceros (como aceros de herramientas y de construcción de alta aleación), la dureza que se obtiene puede ser aún demasiado alta para ciertos procesos.
• Proceso: Se calienta la pieza a una temperatura lo más alta posible, pero inferior a la crítica Ac₁, y después se deja enfriar al aire.

Recocido Contra Acritud (o de Atenuación)

• Aplicación: Se aplica a aceros de bajo contenido en carbono.
• Propósito: Se realiza en materiales deformados en frío para eliminar la acritud (endurecimiento por deformación) y aumentar su tenacidad.
• Temperatura: 550°C - 650°C.
• Enfriamiento: Al aire.
• Efecto microestructural: Se destruye el alargamiento de los granos de ferrita y se obtienen granos poliédricos más dúctiles.

Recocido Subcrítico Globular (Esferoidización)

• Objetivo: Obtener una estructura globular (esferoidal) de cementita, lo que resulta en baja dureza y alta maquinabilidad.
• Aplicación: Se aplica en aceros al carbono y de baja aleación.
• Proceso: Se somete al acero a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a Ac₁, seguido de un enfriamiento lento o mantenido a temperatura subcrítica.