Transformaciones de Fase y Tratamientos Térmicos en Aceros: Conceptos Clave

Objetivo de los Tratamientos Térmicos

El objetivo principal de los tratamientos térmicos es la modificación de las propiedades mecánicas de metales y aleaciones mediante el control preciso de la temperatura.

Transformaciones de Fase por Enfriamiento

Las transformaciones de fase más relevantes ocurren durante el proceso de enfriamiento, y su naturaleza depende de la velocidad a la que este se lleva a cabo.

Clasificación según la Velocidad de Enfriamiento

• De equilibrio (velocidad de enfriamiento baja): Austenita → Ferrita + Cementita → Perlita
• De no equilibrio (velocidad de enfriamiento alta): Austenita → Bainita → Martensita

La solidificación, que incluye la nucleación y el crecimiento, es un proceso dinámico que depende del tiempo. A una temperatura dada, se requiere un tiempo finito para que todo el material pase de una fase a otra.

Diagramas TTT

Los diagramas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación), también conocidos como diagramas de transformación isotérmica, representan la dependencia del tiempo y la temperatura en las transformaciones en estado sólido. Estos diagramas recopilan los tiempos de inicio y finalización de cada transformación a diferentes temperaturas.

Transformaciones en Equilibrio

La reacción eutectoide produce una microestructura de perlita estable. Estas transformaciones ocurren mediante mecanismos de difusión en estado sólido, que tienen lugar a través de la nucleación y el crecimiento. A mayor velocidad de enfriamiento, aumenta la nucleación y disminuye el crecimiento. El tamaño y la forma de los microconstituyentes dependen de la temperatura, el subenfriamiento y la velocidad de enfriamiento.

Transformaciones en No Equilibrio

Transformación Bainítica

La transformación bainítica implica difusión y resulta en una combinación de ferrita y cementita. Esta microestructura ofrece una buena combinación de dureza y tenacidad. La bainita se forma a temperaturas entre 215-540°C y presenta una matriz ferrítica con agujas finas de cementita. No es una transformación eutectoide.

• Bainita superior (300-500°C): Se caracteriza por bloques de agujas debido a una difusión relativamente baja.
• Bainita inferior (200-300°C): Presenta agujas aisladas y pequeñas debido a una difusión extremadamente baja.

Transformación Martensítica

La transformación martensítica ocurre sin difusión y se produce por un enfriamiento rápido (temple) desde la austenita a temperaturas muy bajas. Los granos nuclean y crecen rápidamente. Esta transformación es atérmica, es decir, depende de la temperatura a la que se enfría la aleación. La transformación de austenita (FCC) a martensita (tetragonal centrada en el cuerpo) es el mecanismo principal.

Características de la Martensita

• La transformación martensítica provoca un aumento de volumen, lo que puede generar grietas.
• Alta resistencia y dureza, debido a la distorsión que introduce el carbono retenido.
• Fragilidad.
• La dureza depende del contenido en carbono (mayor dureza a mayor contenido de carbono).
• Los elementos de aleación no influyen en la dureza de la martensita, pero sí en la templabilidad del acero.

Diagramas TTT y CTT

Existen dos tipos principales de diagramas:

1. Diagramas ITT (Transformación Isotérmica): Representan transformaciones a temperatura constante.
2. Diagramas CTT (Transformación por Enfriamiento Continuo): Representan transformaciones bajo condiciones de velocidades de enfriamiento constantes.

Velocidad Crítica de Enfriamiento

Es la velocidad de enfriamiento máxima a la que toda la austenita se transforma en martensita.

Factores que Influyen en los Diagramas TTT

• Contenido en carbono y elementos de aleación: Aumentan el tiempo de incubación (desplazan la curva hacia tiempos mayores).
• Elementos gammágenos (Mn, Ni): Disminuyen la temperatura de transformación.
• Elementos alfágenos (Cr, Mo): Retrasan la transformación perlítica, originando el "mentón bainítico".
• Temperatura de austenización y tamaño de grano austenítico: Si aumentan, incrementan el tiempo de incubación (desplazan la curva hacia tiempos mayores).

Tipos de Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos se clasifican según la velocidad de enfriamiento (de menor a mayor):

1. Recocido
2. Normalizado
3. Temple
4. Temple + Revenido

Tipos de Recocido

1. Recocido de Homogeneización: Se realiza sobre lingotes de acero después de la solidificación para eliminar heterogeneidades químicas.
2. Recocido de Regeneración: Se aplica a aceros sobrecalentados para disminuir el tamaño de grano.
3. Recocido de Globulización o Esferoidización: Se utiliza en aceros hipereutectoides para obtener esferoidita, que es más fácil de mecanizar.
4. Recocido de Eliminación de Tensiones: Se realiza para eliminar tensiones creadas después del mecanizado.
5. Recocido de Recristalización: Se emplea para eliminar la acritud de un trabajo en frío.
6. Recocido Isotérmico: Se enfría la pieza desde la austenización a una temperatura ligeramente inferior a la reacción eutectoide y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo determinado.

Normalizado

Similar al recocido, pero con un enfriamiento algo más rápido, generalmente al aire.

Temple (Austenita → Martensita)

La velocidad crítica de temple es la velocidad de enfriamiento mínima para que toda la austenita se transforme en martensita.

Revenido

Modifica la martensita, haciéndola más blanda y tenaz (martensita revenida).

Templabilidad y Profundidad de Temple

La templabilidad se define como la aptitud de un acero para formar martensita en toda su sección mediante el temple. Depende de la composición (%C y aleantes) y del tamaño de grano austenítico.

La profundidad de temple depende del tamaño de la pieza y de la severidad del medio de enfriamiento.

• Si la severidad del temple (H) es pequeña, la diferencia entre la temperatura del núcleo (Tn) y la superficie (Ts) es pequeña, lo que resulta en una profundidad de temple ALTA.
• Si H es grande, la diferencia entre Tn y Ts es grande, lo que resulta en una profundidad de temple PEQUEÑA.

Diámetro Crítico

Diámetro Crítico Real de un Acero: Máximo diámetro de un acero que, enfriado en un medio determinado, tiene en su centro una estructura 99% martensítica.

Diámetro Crítico Ideal (DI): Similar al diámetro crítico real, pero para un medio de severidad infinita.

Factores que Afectan al Diámetro Crítico

1. Tamaño de grano austenítico: ↑ tamaño de grano ⇒ ↑ templabilidad ⇒ ↑ DI
2. Composición: ↑ %C ⇒ ↑ templabilidad ⇒ ↑ DI // ↑ % elementos aleantes ⇒ ↑ DI
3. Severidad de temple del medio: ↑ H ⇒ ↓ templabilidad ⇒ ↓ DI