Microestructuras y Tratamientos Térmicos del Acero: Perlita, Martensita y Defectos Cristalinos

Microestructuras del Acero

Perlita

Perlita Globular

Si calentamos un acero a una temperatura alta, próxima a 727º C, la perlita se prepara para disolverse. Para minimizar la energía superficial, adoptará una forma esférica (mecanismo de defensa de la naturaleza). Nos interesa un acero con esta estructura globular cuando, dentro de los límites de la perlita, lo queremos más blando y fácil de mecanizar. El proceso se llama esferoidización o globulización. Otro método para obtener perlita globular es calentar el acero en un intervalo de temperatura de 727º C +/- 20º C, en cuyo caso el proceso se llama recocido oscilante. Cuanto más rápido sea el enfriamiento, menor será la distancia entre las láminas en la estructura de tipo sándwich. Esta distancia también dependerá del plano de corte, ya que no están repartidas de forma simétrica.

Perlita Eutectoide

Los aceros eutectoides o perlíticos son aquellos cuyo contenido en carbono es del 0,8%. Al enfriarse, se encuentran simultáneamente en la curva de transformación y en la de solubilidad. El proceso tiene lugar en dos etapas:

• Etapa rápida: el hierro con estructura cúbica centrada en las caras (CCC) pasa a hierro con estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC).
• Etapa lenta: el carbono se convierte en cementita por difusión (C > Fe₃C). El carbono tiene que salir de la red CCC y reacciona con el hierro, formando varios precarburos hasta llegar a Fe₃C, que se llama cementita.

Al enfriar un acero eutectoide por debajo de 727º C, se obtiene una estructura tipo sándwich. Esta estructura bifásica (ferrita-cementita) se llama perlita, por lo que los aceros eutectoides también se llaman perlíticos. Un acero enfriado lentamente tendrá una perlita más gruesa, mientras que, si el enfriamiento es más rápido, la perlita será más fina. Hay varios tipos o modos de enfriar un acero:

• Rápido: aceite o agua (temple).
• Aire: normalizado.
• Horno: recocido (es el más caro).

La ferrita es más blanda y dúctil, mientras que la cementita es dura y frágil. En la perlita, sus proporciones son aproximadamente 88% ferrita y 12% cementita, por lo que la perlita es blanda y dúctil, pero su capacidad de deformación elástica es limitada.

Influencia del Temple sobre un Acero Eutectoide

Con un acero normalizado (enfriado más rápido), la perlita no se resuelve bien, y las láminas de cementita no han podido formarse, ya que la transformación perlítica no ha sido a 727º C. Si el enfriamiento es más rápido, se encuentra una perlita más fina. Pero si dicho acero, una vez austenizado, se introduce en un cubo de agua, se encontrará martensita en vez de perlita, y el cambio alotrópico puede ser a 300º C o 400º C.

Tipos de Acero según su Contenido en Carbono

Aceros Hipereutectoides

Son los aceros cuyo contenido en carbono es superior al 0,8%. Al enfriarse, se encuentran solamente en la curva de solubilidad (una vez que se toca la curva de solubilidad, no se admite más carbono). Hay una gran diferencia en el comportamiento mecánico entre los aceros hipereutectoides e hipoeutectoides. Los aceros hipoeutectoides se pueden doblar (tienen una estructura de láminas de parquet unidas por caucho), mientras que los hipereutectoides son muy duros e imposibles de doblar (parquet unido con vidrio).

Aceros Hipoentectoides

Son los aceros cuyo contenido en carbono es inferior al 0,8%. Al enfriarse, se encuentran solamente en la curva de transformación. Debido a la distancia del intersticio (CCC) > (BCC).

Tratamientos Térmicos del Acero

Temple

Temple de Acero Hipereutectoide

Para templar un acero hipereutectoide, primero lo austenizamos hasta el punto A. En este punto, el acero tendrá una estructura CCC (austenita). Luego, lo enfriamos lentamente, pasando por la curva de solubilidad hasta el punto B, donde este acero tendrá austenita CCC rodeada de un saco de cementita. El contenido en carbono es del 1%.

Temple de Acero Hipoentectoide

Otra causa de que un acero quede blando, aparte de la austenita residual, puede ser que se haya realizado mal el tratamiento térmico. Si tenemos un acero hipoeutectoide que no tiene tendencia a formar austenita residual, para obtener la martensita, primero se austeniza y luego se enfría rápidamente. Dicho acero se transformará en martensita.

Aceros Martensíticos

Cuando un acero se enfría rápidamente al sumergirlo en agua, el tratamiento térmico se llama temple. En estos casos, el carbono no tiene tiempo de salir de la red, creando una distorsión de la misma. La red ya no es cúbica, sino paralelepípeda de base cuadrada. La ferrita que contiene este carbono atrapado en la red se llama martensita. Esquema: Acero > Temple (martensita: parte negra / austenita residual: parte blanca).

Austenita Residual

Se produce a consecuencia del colapso incompleto de la estructura austenítica. Para formar la martensita, se produce un mecanismo de planos que se desplazan uno sobre otro, y así los átomos forman nuevas posiciones. Cuando una parte no se transforma, queda austenita residual. Entonces, no sería un mecanismo lineal. Para eliminar dicha austenita residual, hace falta un poco de energía y temperatura.

Defectos Cristalinos en el Acero

Vacante

Constituye el defecto puntual más simple. Es un hueco creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Puede producirse por perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales. También puede producirse por reordenamientos atómicos. El número de vacantes aumenta con la temperatura.

Dislocación

Es un defecto de línea en la red cristalina y puede definirse especificando qué átomos han perdido su localización respecto a la red perfecta. La línea de dislocación es el borde entre la parte desplazada y la no separada.