Transformaciones de Fase en Metales: Microestructura y Propiedades Mecánicas de Aceros

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Transformaciones de Fase en los Metales

En los tratamientos de los materiales se produce una gran variedad de transformaciones de fases que representan alteraciones en la microestructura. Un proceso de transformación, desde el punto de vista microestructural, consta de dos etapas principales:

  • Nucleación: Formación de partículas muy pequeñas o núcleos de una nueva fase.
  • Crecimiento: Aumento del tamaño de los núcleos.

La transformación se completa cuando el crecimiento de estas nuevas partículas de fase alcanza el equilibrio.

Transformación Multifase

En los enfriamientos que no son de equilibrio, las transformaciones ocurren a temperaturas inferiores a las indicadas por el diagrama de fases. En los calentamientos, los cambios se producen a temperaturas superiores. Estos fenómenos se denominan subenfriamientos y sobrecalentamientos.

Diagramas de Transformación Isotérmica

Perlita

La reacción eutectoide hierro-carbono (Feγ(0.77%C) → Feα(0.025%C) + Fe3C(6.7%C)) es fundamental en el desarrollo microestructural de los aceros. Al enfriar la austenita con una concentración eutectoide de carbono, esta se transforma en ferrita y cementita. La transformación austenita-perlita ocurre al enfriar por debajo de la temperatura eutectoide. A medida que disminuye la temperatura, se forman láminas más delgadas, y la nueva estructura próxima a los 540°C se denomina perlita fina.

Bainita

En la transformación de la austenita, a temperaturas inferiores a las de la perlita, se forma un constituyente llamado bainita.

Esferoidita

Si un acero con microestructura perlítica se calienta a una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo prolongado, se forma una nueva microestructura denominada esferoidita.

Martensita

El enfriamiento rápido hasta una temperatura próxima a la ambiental del acero austenítico origina la martensita, una estructura de no equilibrio que se forma sin difusión de la austenita. Se produce a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Los aceros que tienen carbono como único aleante son aceros al carbono, mientras que los aceros aleados contienen concentraciones de otros elementos.

Diagramas de Transformación por Enfriamiento Continuo

En el enfriamiento continuo del acero existe una velocidad crítica, que representa la velocidad de temple mínima para generar una estructura totalmente martensítica.

Comportamiento Mecánico de los Aceros al Carbono

Perlita

La cementita es más dura y frágil que la ferrita. Por este motivo, al aumentar la fracción de cementita en un acero, se obtiene un material más duro y resistente. Sin embargo, como la cementita es más frágil, al incrementar su contenido disminuye la ductilidad y la tenacidad. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa, ya que durante la transformación plástica las dislocaciones deben cruzar más límites de fase.

Esferoidita

Los aceros esferoidizados son extremadamente dúctiles y tenaces, mucho más que la perlita fina o gruesa.

Bainita

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos, debido a su estructura más fina a base de partículas diminutas de cementita en una matriz ferrítica.

Martensita

Los aceros martensíticos son los más duros y resistentes mecánicamente, pero también los más frágiles y menos dúctiles.

Martensita Revenida

La martensita resultante del temple es muy dura y frágil. La ductilidad y la tenacidad de la martensita se incrementan, y las tensiones internas se reducen, mediante el tratamiento térmico conocido como revenido. El revenido se lleva a cabo calentando el acero martensítico a una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo específico. Durante este tratamiento, por un proceso de difusión, se obtiene martensita revenida, que es casi tan dura y resistente como la martensita, pero mucho más dúctil y tenaz.

Austenita

En resumen, el enfriamiento lento de la austenita produce perlita; un enfriamiento moderado, bainita; y un enfriamiento rápido, martensita. Si la martensita se recalienta, se obtiene martensita revenida.

Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos son procesos de calentamiento y enfriamiento de los materiales mediante los cuales se logran cambios en su estructura cristalina, micrográfica y constitución.

Recocido

El recocido consiste en un calentamiento a una temperatura y duración determinadas, seguido de un enfriamiento lento de la pieza tratada. El objetivo del recocido es ablandar los metales.

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