Propiedades Mecánicas y Transformaciones de Fase en Aceros: Fundamentos Metalúrgicos

Aceros: Diagramas de Fases y Transformaciones

En el estudio de los aceros, es fundamental comprender las transformaciones de fase. Si la temperatura de enfriamiento ($\text{T}$) es baja, la austenita ($\gamma$) no tiene tiempo suficiente para evolucionar completamente hacia ferrita ($\alpha$) y cementita ($\text{Fe}_3\text{C}$) en sus posiciones de equilibrio. Esto resulta en la formación de láminas de cementita más cercanas: más láminas y más finas, lo que incrementa la dureza, pero también la fragilidad.

Transformación Eutectoide

A la temperatura eutectoide ($723 \text{°C}$), la austenita con aproximadamente $0.8\% \text{C}$ se convierte en perlita, una mezcla de ferrita y cementita.

• Si la temperatura desciende aún más, aumenta el espesor y el crecimiento de las láminas de cementita.

Fases en Estado Recocido

El recocido es un tratamiento térmico que busca obtener el acero en estados próximos al equilibrio termodinámico. Un mayor porcentaje de carbono ($\%\text{C}$) generalmente implica estructuras con mayor dureza y menor ductilidad y fragilidad.

Influencia de la Velocidad de Enfriamiento en la Microestructura

La velocidad de enfriamiento ($ ext{V}$) determina la microestructura final:

• Transformación $\gamma \to \alpha$: La velocidad afecta el tamaño de grano. Una $\text{V}$ menor favorece un tamaño de grano mayor.
• Si la $ ext{V}$ es bastante grande, es posible crear martensita.

Formación de Perlita

Una $\text{V}$ alta resulta en un espacio interlaminar bajo (perlita fina).

• Ferrita: Un tamaño de grano bajo en ferrita limita la tenacidad. Un espacio interlaminar bajo también limita la tenacidad.

Influencia de la Microestructura

Si el porcentaje de carbono ($\%\text{C}$) aumenta:

• Aumenta el límite elástico ($\text{R}_p$).
• Disminuye la ductilidad.
• La temperatura de ruptura en la región dúctil disminuye.

Influencia de los Elementos de Aleación

Los elementos de aleación se utilizan para variar las propiedades de los aceros:

• $\gamma$-genos (Estabilizadores de Austenita): Mantienen la fase austenítica.
• $\alpha$-genos (Estabilizadores de Ferrita): Estabilizan la fase ferrítica.

Modifican los parámetros del tratamiento térmico:

• Los $\alpha$-genos aumentan la temperatura de austenización ($\text{T}_a$).
• Los $\gamma$-genos disminuyen la $\text{T}_a$.

Influencia en las Propiedades Mecánicas

Los aditivos permiten aumentar la resistencia dinámica, pero pueden reducir la resiliencia.

Tratamientos Térmicos de los Aceros

Los tratamientos térmicos implican ciclos térmicos diseñados para conferir propiedades adecuadas para su empleo, consistentes en: Calentamiento, Mantenimiento y Enfriamiento.

Afino de Grano

Cuando la estructura de ferrita + perlita se transforma en austenita, se produce un afino de grano.

• Una $\text{T}$ de austenización alta genera granos de austenita más grandes.
• Mayor $\text{T}$ o mayor tiempo resultan en un mayor crecimiento del grano ($\text{Y}$).
• Si el crecimiento es excesivo, el acero está sobrecalentado, lo cual es posible de recuperar mediante afino de grano.
• Si la $\text{T}$ es muy elevada, el acero está quemado, y no es posible su recuperación.

Efecto de Aleantes en la Austenización

Elementos como $\text{Cr}$, $\text{Mo}$ son $\alpha$-genos. La presencia de elementos $\alpha$-genos aumenta la $\text{T}$ de austenización, mientras que los $\gamma$-genos ($ ext{C}$, $\text{Mn}$, $\text{Ni}$) la disminuyen.

Diagramas TTT y Transformaciones Fuera de Equilibrio

Los Diagramas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación) no son útiles para estudiar la austenita en enfriamientos rápidos. Un acero austenítico enfriado rápidamente por debajo de la temperatura eutectoide se transforma fuera del equilibrio.

Transformaciones con Difusión

La austenita ($\gamma$) se transforma en $\alpha$ (ferrita) y $\text{Fe}_3\text{C}$ (cementita).

• Temperaturas bajas favorecen la transformación $\gamma \to \alpha$, en lugar de la formación de $\text{Fe}_3\text{C}$.
• Temperaturas bajas dificultan la aparición de $\text{Fe}_3\text{C}$ en forma laminar.
• Estas transformaciones solo ocurren por encima de la temperatura $\text{M}_s$ (inicio de martensita); por debajo de esta $\text{T}$, se forma martensita.

1. Transformación Perlítica

Se da en transformaciones a mayor $\text{T}$. Primero nuclea la cementita. El espacio interlaminar de la perlita disminuye con la $\text{T}$.

2. Transformación Bainítica

Implica $\gamma \to \alpha$ y nuclea primero la ferrita. Ofrece una buena relación entre resistencia ($\text{R}_p$) y tenacidad.

• Bainita Inferior: Ferrita en forma de agujas y cementita en placas finas.
• Bainita Superior: Se forma en el rango superior de $\text{T}$. Ferrita rodeada de placas de cementita; tenacidad es mala.

Transformaciones Martensíticas (Sin Difusión)

Transformación $\gamma \to \text{martensita}$. Inicia a $\text{T}_{Ms}$ y finaliza en $\text{M}_f$ (fin de martensita). Si no se alcanza $\text{M}_f$, queda austenita residual ($\gamma_{\text{residual}}$).

Características:

• Transformación rápida: El carbono queda atrapado.
• Aumenta la dureza, pero disminuye la tenacidad.
• Un aumento del $\text{C}$ incrementa la dureza.

Austenita Residual ($\gamma_{\text{residual}}$)

En aceros con alto contenido de $\text{C}$, limita la resistencia y la dureza.

• Se reduce mediante enfriamiento por debajo de $\text{M}_f$ o mediante revenido (formación de carburos de $\text{C}$).

Diagramas CCT

Los Diagramas CCT (Enfriamiento Continuo) permiten estudiar la transformación con una velocidad de enfriamiento ($\text{V}_k$) constante y determinar los dominios de transformación.

Clases de Enfriamiento

Clasificadas según la velocidad de enfriamiento (aumento de la $\text{V}$ de enfriamiento):

1. Recocido
2. Normalizado
3. Temple

Recocido (Annealing)

Objetivo: Eliminar características no deseadas, como tensiones residuales o dureza excesiva, para facilitar el posterior mecanizado.

Etapas del Recocido

1. Calentamiento: Depende del objetivo del tratamiento.
2. Mantenimiento: Isotermo u oscilaciones.
3. Enfriamiento: A velocidad inferior a la velocidad crítica de recocido.

Tipos de Recocido

• De Homogeneización: Eliminar heterogeneidades. Se realiza a $\text{T} > \text{Ac}_3 + 200 \text{°C}$. Si se produce crecimiento de grano, se debe aplicar un recocido de homogeneización posterior.
• De Regeneración: Busca el afino de grano. Se realiza a $\text{T} > \text{Ac}_3 + 50 \text{°C}$ para obtener un tamaño de grano pequeño y mejores propiedades mecánicas.
• De Ablandamiento: Reducir la dureza para facilitar su mecanizado.