Tratamientos Térmicos del Acero: Efectos en la Microestructura y Propiedades Mecánicas

Aceros: Diagrama y Transformaciones de Fases

En el diagrama de fases de los aceros, no se tiene en cuenta todo. La austenita y la ferrita-α son fases clave. Si la temperatura (T) de enfriamiento baja, al carbono (C) no le da tiempo a ir donde quería y forma láminas de cementita más cerca, resultando en más láminas, más finas y más duras, pero también más frágiles. En el punto eutectoide (723 ºC), la austenita con un 0,8% de carbono se convierte en perlita, una mezcla de ferrita y cementita. Si se baja más la temperatura, la cementita aumenta su espesor. A mayor temperatura, mayor es el crecimiento de las láminas.

Fases en estado recocido: El recocido es un tratamiento térmico que busca obtener el acero en estados próximos al equilibrio termodinámico. A mayor porcentaje de carbono, las estructuras presentan mayor dureza, límite elástico (Le) y fragilidad.

Influencia de la Velocidad de Enfriamiento en la Microestructura

La transformación de austenita (γ) a ferrita-α depende del tamaño de grano y la velocidad de enfriamiento. Si la velocidad de enfriamiento es suficientemente grande, se puede crear martensita.

Formación de perlita: A mayor velocidad de enfriamiento, el espacio interlaminar disminuye, formándose perlita fina. En la ferrita, un menor tamaño de grano implica un límite elástico y tenacidad mayores, mientras que un menor espacio interlaminar reduce el límite elástico y la tenacidad.

Influencia de la Microestructura en las Propiedades Mecánicas

Si el porcentaje de carbono aumenta, el límite elástico y la resistencia aumentan, pero la ductilidad disminuye. La temperatura de transición dúctil-frágil en la región dúctil también disminuye.

Influencia de los Elementos de Aleación

Los elementos de aleación se utilizan para variar las propiedades de los aceros. Los elementos que estabilizan la austenita se denominan gammágenos, mientras que los que estabilizan la ferrita son alfágenos. Estos elementos modifican los parámetros del tratamiento térmico: los alfágenos aumentan la temperatura de austenización, mientras que los gammágenos la disminuyen.

Influencia en las propiedades mecánicas: Los aditivos permiten aumentar la resistencia sin disminuir la resiliencia.

Tratamientos Térmicos de los Aceros

Los tratamientos térmicos son operaciones en las que se somete un material en estado sólido a uno o varios ciclos térmicos.

Objetivo: Proporcionar al metal unas propiedades adecuadas.

Etapas:

1. Calentamiento
2. Mantenimiento (30 minutos por cada 25 mm de espesor)
3. Enfriamiento

Diagramas de Fases

Cuando se tiene ferrita-α + Perlita, se produce un afino del tamaño de grano. Por encima de la temperatura de austenización, se produce progresivamente un crecimiento del tamaño de grano. A mayor temperatura o tiempo de tratamiento, el grano aumenta. Si se produce un crecimiento excesivo, al enfriar se obtiene un acero grosero, conocido como acero sobrecalentado. En este caso, es posible recuperar las propiedades con un nuevo tratamiento. Sin embargo, si la temperatura es muy elevada, se produce acero quemado, y no es posible recuperar las propiedades. La composición química del acero determina la temperatura óptima.

Diagramas TTT

Los diagramas TTT no son útiles para estudiar la austenita en enfriamientos rápidos. Un acero austenítico que se enfría rápidamente por debajo del eutectoide experimenta transformaciones fuera del equilibrio. Se producen dos tipos de transformaciones:

• Con difusión: Intervienen fenómenos de difusión. La austenita se transforma en ferrita y cementita. En función de la temperatura de transformación, cambia la proporción y morfología de la ferrita y los carburos. A 727 ºC con velocidad lenta, se crean láminas gruesas de ferrita. A 715 ºC, fuera del equilibrio, se forman láminas más finas, resultando en un material más duro y dúctil (perlita fina). El diagrama TTT muestra, para cada temperatura, dónde empieza a crecer y dónde acaba la transformación. A alta temperatura, se forma perlita gruesa, que evoluciona a perlita fina y luego a placas de perlita. La bainita gruesa evoluciona a bainita fina (agujas).
• Austenita residual: Reduce el límite elástico, la resistencia y la dureza. Se puede reducir enfriando por debajo de Mf o mediante un tratamiento de revenido de carburos.

Diagramas CCT (Enfriamiento Continuo)

En los diagramas CCT, la velocidad de enfriamiento es constante y se determinan los dominios de transformación.

Clases de Enfriamiento

Se clasifican por velocidad de enfriamiento (de menor a mayor):

• Recocido
• Normalizado
• Temple

Recocido (Annealing)

Objetivo: Obtener estados próximos al equilibrio termodinámico, destruir estructuras desfavorables desarrolladas durante la solidificación, deformación plástica, soldadura, etc., lograr estructuras favorables al mecanizado o a la deformación en frío, lograr una estructura para aplicar un tratamiento térmico posterior, eliminar tensiones residuales y atenuar heterogeneidades.

Etapas:

• Calentamiento (depende del objetivo del tratamiento)
• Mantenimiento isotermo u oscilaciones
• Enfriamiento a velocidad inferior a la velocidad crítica de recocido

Recocido de Homogeneización

Objetivo: Eliminar heterogeneidades químicas. Se produce crecimiento de grano, por lo que se debe aplicar un recocido de regeneración.

Recocido de Regeneración

Objetivo: Afino de grano. La nucleación de nuevos granos asociada a los cambios de fase permite afinar el grano. Un tamaño de grano pequeño mejora las propiedades mecánicas.

Recocido de Ablandamiento

Objetivo: Reducir la dureza del acero para facilitar su mecanizado o para conformarlo en frío. Se aplica principalmente a aceros muy aleados (p. ej., aceros de herramientas) con el objetivo de obtener una estructura ferrito-perlítica, en lugar de las estructuras bainíticas o martensíticas que se forman tras un enfriamiento al aire.

Tipos de recocidos de ablandamiento:

• Enfriamiento continuo: Enfriamiento muy lento desde temperaturas de austenización.
• Recocido isotermo: Se realiza un enfriamiento rápido hasta una temperatura ligeramente por debajo de Ac1 (menos de 50 ºC por debajo) y se mantiene constante la temperatura (baños de sales fundidas) hasta que se completan las transformaciones.

Recocido de Globulización

Objetivo: Obtener cementita en forma esférica dispersa en una matriz de ferrita (globulita). Mejora la deformabilidad en frío y la maquinabilidad. No se debe hacer a temperaturas muy por encima de Ac1, ya que hay mayor tendencia a la formación de estructuras laminares en el enfriamiento. Una alternancia de la temperatura antes del enfriamiento acelera el proceso de globulización.

Recocido de Estabilización o de Alivio de Tensiones

Objetivo: Eliminación de tensiones residuales (mecanizado, soldadura, temple, etc.). Las tensiones residuales pueden dar lugar a diferentes problemas:

• Cambios dimensionales de la pieza
• Agrietamiento
• Reducción de la resistencia a fatiga

Temperatura variable:

• Aceros no aleados y de baja aleación: 450-650 ºC
• Aceros de herramientas de trabajo en caliente y aceros rápidos: 600-750 ºC

Recocido de Recristalización

Objetivo: Eliminación de la acritud (endurecimiento por deformación en frío). Temperatura entre 500 ºC y Ac1 + 75 ºC (según calidad y grado de deformación). El acero recupera las propiedades correspondientes a antes de deformar (recristalización).