1.- Influencia de la Composición, tamaño de grano

1.- Influencia de la Composición, tamaño de grano, dimensiones de las
piezas y medio de enfriamiento en el temple de los aceros.
Influencia de la composición.- Conociendo la curva “S” de enfriamiento continuo de un
acero, se puede determinar su velocidad crítica de temple, ya que es precisamente la
correspondiente a la línea de enfriamiento tangente a la nariz de la curva “S”.
Para conseguir un temple perfecto y una estructura totalmente martensítica, la velocidad de
enfriamiento del hacer deberá ser superior a la tangente citada anteriormente. La influencia
que los diversos elementos de aleación ejercen en el temple es, en general, disminuir la
velocidad critica de temple producto del desplazamiento de la curva “S” hacia la derecha al
aumentar el % de elementos aleantes.
Las siguientes curvas “S” (Fig. 1), se reflejan claramente la influencia de la composición y el
porcentaje de E.A. sobre la velocidad critica de temple.
Fig. 1
Influencia del tamaño de grano.- El tamaño de grano modifica la situación y forma de la
curva “S”, modificándose, por lo tanto, la velocidad crítica de temple. En aceros de igual
composición, las velocidades críticas de temple de los aceros de grano grueso son menores
que las velocidades críticas de temple de los aceros de grano fino.
En la figura 2 se observan las curvas “S” de 2 aceros de igual composición y diferente
tamaño de grano, en donde se puede ver la diferencia en la velocidad crítica del temple.
Fig. 2
En la figura a la derecha (Fig.3), se observa la
influencia del tamaño de grano en un acero 0,63%
de carbono, la diferencia de tamaño de grano, en
este último caso, se obtuvo al calentar las
muestras a temperaturas variables. Las curvas “S”
correspondientes a cada muestra, también son
distintas y, como consecuencia, también lo serán
las velocidades críticas de temple de cada uno de
ellos.
Fig.3
Influencia del tamaño de las piezas: El volumen y espesor de las piezas tiene gran
importancia en el temple de los aceros. Si estudiamos el enfriamiento en agua de un cilindro
que ha sido calentado a alta temperatura, fácilmente se comprende que la capa exterior del
acero, que está en contacto con el líquido, es la que se enfría primero y más rápidamente.
La capa siguiente se enfría con menor rapidez pues el calor no se transmite directamente al
líquido sino que debe atravesar primero la capa superficial del acero, y esta capa tiene una
conductibilidad bastante limitada. Una tercera capa del acero, situada más al centro de la
pieza, se enfría aún más lentamente, pues cuanto más al interior se encuentra, más difícil
en la transmisión de calor, se hace cada vez con más dificultad, ya que tiene que atravesar
mayor capa de metal. Se comprende fácilmente también, que las velocidades de
enfriamiento en el interior de los perfiles delgados serán mucho mayores que en los
gruesos, y que las velocidades en la superficie y en el interior de los redondos de acero de
diversos diámetros variarán mucho de un caso a otro. La influencia de la masa en la
velocidad de enfriamiento se puede ver en las tablas I y II.
Diámetro
En
milímetros
200
150
100
50
25
ENFRIAMIENTO EN AGUA LIGERAMENTE AGITADA
Distancia a la periferia en milímetros
0
10
20
30
18
10
6
48
22
12
120
30
15
240
55
28
361
115
Velocidad de enfriamiento
40
50
5
4
3
8
5
4
9
6
5
en grados por segundo
Tabla I
60
2.8
3
-
Diámetro
En
milímetros
200
150
100
50
25
ENFRIAMIENTO EN ACEITE LIGERAMENTE AGITADO
Distancia a la periferia en milímetros
0
10
20
30
40
50
2.3
2.2
2.1
2
1.9
1.8
3.6
3.3
3.1
2.9
2.6
2.4
8.2
7.6
5
4.6
3.7
2.9
45
20
12
125
50
Velocidad de enfriamiento en grados por segundo
60
1.7
2.2
-
Tabla II
En la figura 4 se señalan las velocidades de enfriamiento en diferentes puntos de la sección
de un redondo de 100 mm templado en agua ligeramente agitada. Por todo esto podemos
comprender por qué en algunos casos las capas superficiales de algunas piezas se
endurecen perfectamente y su interior, por enfriarse a velocidades menores, no se templa.
Fig. 4
Influencia del medio de enfriamiento.- El medio de enfriamiento junto con el tamaño y
forma de la pieza son los factores que deciden la velocidad de enfriamiento de las piezas de
acero en los tratamientos térmicos.
Con el enfriamiento en agua salada muy agitada, se consiguen las mayores velocidades, y
enfriando la pieza dentro del horno, se obtienen las menores.
Con enfriamientos en aceite, al aire, en sales, etc., se consiguen velocidades intermedias,
pudiendo elegirse entre todos ellos el medio que mejor cumpla las condiciones de
enfriamiento deseadas en cada caso.
En la figura 5, se puede ver las velocidades
instantáneas que se obtienen en el centro de
redondos de diversos diámetros templados en
agua y aceite muy agitados. En esta última figura
se observa que desde el comienzo del proceso va
aumentando la velocidad de enfriamiento hasta la
zona 730º-680º aproximadamente, donde alcanza
un máximo, disminuyendo luego progresivamente
hasta la temperatura del baño, existiendo una
zona entre 600º y 800º en la que las variaciones
de las velocidades son relativamente muy
pequeñas.
Fig. 5
En la tabla III se dan las velocidades de enfriamiento que se consiguen en el centro de los
redondos de 25, 50 y 75 mm enfriados en diferentes medios.
Enfriamiento
Agua agitada
…………………………..
Aceite agitado …………………………..
Corriente de aire…………………………..
Aire tranquilo
…………………………..
25 mm
36
27
1.8
0.85
DIÁMETROS
50 mm
15
10
0.9
0.4
75 mm
7
5
0.6
0.3
Velocidades en grados por segundo
Tabla III
Microstructuras y propiedades mecánicas características obtenidas por
temple de aceros.
El constituyente de los aceros templados es martensita, está conformado por una solución
sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento
rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus
propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. Su
estructura cristalina es BCT (tetragonal centrada en el cuerpo), pues al enfriar rápidamente
un acero desde altas temperaturas (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en
los intersticios pues no alcanza a ocurrir la transformación de microestructura de la
martensita.
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rockwell C, resistencia a la tracción de 170 a
250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, magnética, muy frágil y presenta un
aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se
corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior
a la crítica inferior (727° C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo
luego al aire o en cualquier medio.
2.- Revenido, Etapas características. Cambios microestructurales y de
propiedades mecánicas que experimenta un acero templado durante el
revenido.
Las variaciones de las características que experimentan los aceros por efecto de revenido
son debidas a cambios de microestructuras que consisten, principalmente, en la
descomposición más o menos completa de la martensita que se había obtenido en el
temple y que se transforma en otros constituyentes más estables. El revenido se produce
principalmente en tres etapas:
Primera etapa: esta es a bajas temperaturas, inferiores a 300º, y en ella se precipita el
carburo de hierro epsilon ε bajando así el % de carbono de la martensita a 0.25%. Esta
precipitación ocurre en los limites de los subgranos heredados de la austenita, los cuales se
siguen manifestando en la martensita.
Debido a la precipitación de este carburo ε se puede observar un ligero aumento en la
dureza según se lleva la Tº de revenido a unos 93 ºC . La precipitación de carburo ε
contribuye indudablemente como un componente de endurecimiento para el acero, puede
esperarse que el agotamiento del carbono de la matriz martensítica contribuya con un
componente de ablandamiento. Por tanto, la dureza observada refleja el resultado de estos
dos efectos.
Segunda etapa: esta solo se presenta cuando aparece austenita retenida en la
microestructura del acero templado, y en esta etapa la austenita retenida se transforma en
bainita. Esa bainita al ser luego calentada en el revenido a altas temperaturas, sufre
también una precipitación de carburo de hierro con formación final de cementita y ferrita.
Tercera etapa: Aquí, el carburo ε , que apareció en la 1ª etapa, se transforma en
cementita Fe3C, la cual precipita tanto en el exterior como en el interior de las agujas de
martensita. A medida que prosigue el calentamiento, se va disolviendo el carburo
precipitado en el interior de las agujas pasando a engrosar la capa o deposición de Fe 3 C
en el exterior de las agujas de martensita hasta su total desaparición del interior.
Al proseguir el calentamiento se produce la coalescencia de la cementita que ha precipitado
formándose núcleos más grandes, empobreciéndose en carbono las agujas de martensita
hasta quedar con la concentración de la ferrita a dicha temperatura. Los núcleos de
cementita comienzan luego a globulizarse y los cristales de ferrita que poseían la forma de
las agujas heredadas de la martensita tienden a hacerse equiaxiales.
Cuando se vuelven apreciables las reacciones asociadas a esta etapa se produce un
decidido ablandamiento de la probeta. Esto se muestra por la marcada caída en la dureza
que comienza a unos 200 ºC. 4En las primeras partes de esta etapa, tanto la solución de los
carburos épsilon como la remoción de carbono de la martensita debe ablandar el metal. Sin
embargo, al mismo tiempo, la precipitación de cementita contribuye a un efecto
endurecedor.
Cambios microestructurales producidos por revenido: Durante el proceso de
revenido ocurren cambio microestructurales debidos a reacciones en estado sólido. Las más
importantes son:
- Segregación de átomos de carbono.- En la red cristalina martensítica de aceros de
bajo carbono hay una alta densidad de dislocaciones. Los espacios intersticiales de esta red,
cercanos a las dislocaciones proveen de sitios de energía menor para los átomos de carbono
que la de posiciones intersticiales en la red normal. Así, cuando un acero martensítico de
bajo carbono es revenido desde 25 a 100ºC, los átomos de carbono se redistribuyen hacia
estos sitios de menor energía. En realidad gran parte de la redistribución de los átomos de
C se realiza durante el enfriamiento en el rango de temperatura donde se forma la
martensita.
1.
Para aceros de bajo contenido de carbono, menor a 0,2% de C, la redistribución ocurre
mayoritariamente, por segregación de los átomos de C hacia los defectos de la red,
principalmente dislocaciones.
2.
Para aceros con alto contenido de C, la redistribución, en este caso, ocurre por
agrupación de precipitaciones. La fuerza impulsora de esta reacción es la disminución de la
energía elástica total de la red cristalina. El número de sitios de dislocaciones de baja
energía es mucho menor en aceros de alto carbono, esto determina que la segregación de
carbono por este mecanismo sea muy reducida.
Precipitación de carburos.-En aceros al carbono se han identificado tres tipos de carburos
que difieren en composición química y estructura cristalina.
3.
En revenidos entre 100 y 200°C, en aceros sobre 0,2%C, se produce precipitación de
carburo ε , (composición Fe2-3C, con una estructura cristalina HCP), el cual es metaestable
y se disuelve a altas temperaturas. Los carburos ε se caracterizan por ser finos y muy
pequeños, por lo cual es necesario mucho aumento para observarlos, además precipitan
según ciertos planos cristalográficos específicos, Figura 6 (a). Es importante destacar el
hecho que en aceros de bajo carbono, menos de 0,2% de C, estos carburos no precipitan.
4.
Para revenidos entre 250 y 700°C, precipita cementita, (composición Fe3C y
estructura cristalina ortorrómbica), Figura 6 (b). En un comienzo y con revenidos a menores
temperaturas, 200 a 300ºC, la cementita aparece en forma de agujas, en cambio, para
revenidos a mayores temperaturas, entre 400 y 700°C, las partículas de cementita crecen
por coalescencia y toman forma esférica. Si el tiempo de revenido se prolonga mucho los
carburos crecen demasiado y se pierde completamente la dureza del temple, se obtiene de
esta forma una matriz de ferrita con partículas gruesas de cementita, llamada esferoidita,
Figura 6 (c).
5.
Existe un tercer tipo de carburo, denominado carburo Hägg (Fe5C2, y estructura
cristalina monoclínica), éste precipita en algunos aceros de alto carbono revenidos entre
200 y 300ºC, es metaestable y de composición intermedia entre el carburo ε y la
cementita.
Fig. 6
Descomposición de la austenita retenida.- En aceros de más de 0,4%C al templar a
temperatura ambiente queda austenita retenida:
• El revenido a temperaturas entre 200 y 300°C produce transformación de esta austenita
en bainita, esto explica el aumento de dureza en aceros de alto C para revenidos de baja
temperatura, debido a que la bainita es más dura que la austenita. Sobre 350°C la pérdida
de dureza es causada también por un efecto de recristalización.
Recuperación y recristalización.-Es difícil determinar
cuando comienza la recuperación de la estructura
martensítica durante el recocido, pero se puede decir con
certeza que lo afecta sobre los 400ºC. Durante la
recuperación los bordes de las celdas y las dislocaciones se
aniquilan mutuamente al azar, desarrollándose una
estructura de grano fino. Después de largo tiempo a
temperatura iguales o superiores a 600ºC, la martensita
ya recuperada recristaliza, produciendo una estructura
ferrítica, en la cual grandes partículas de Fe3C se
introducen en los borde de grano o entre ellos,
Figura 7.
Fig. 7
3.- Importancia práctica del revenido, factores que intervienen.
Parámetros, o relación de estos factores (Jaffe-Hollomon), que permiten
predecir el comportamiento frente al revenido.
La estructura martensítica presenta las mayores propiedades de de resistencia. Al mismo
tiempo es una estructura extremadamente frágil, a tal punto que exige un tratamiento
térmico que la haga algo dúctil. La necesidad de eliminar tensiones internas producidas por
el temple se hace más necesario para aceros al carbono, por lo cual las temperaturas de
revenido deberán ser mayores. El revenido es un tratamiento térmico posterior al
temple que tiene como finalidad dar ductilidad a los aceros templados.
En el Revenido afectan diversos factores como por ejemplo, el estado inicial de la pieza, el
tamaño de la pieza (a mayor tamaño de la pieza mayor efecto nivelador), temperatura (a
medida que aumenta la temperatura, disminuye HB y a mayor temperatura disminuye el
tiempo de permanencia), duración del tratamiento y los elementos aleantes los cuales en el
acero modifican las curvas de revenido de la martensita.
Predicción de la dureza de revenido. Trabajos desarrollados en relación al revenido de
aceros al carbono y baja aleación hacen posible predecir la dureza alcanzada luego de
revenir cualquier acero aleado en estado martensítico.
Los resultados experimentales han sido ordenados de tal forma que primero es necesario
obtener la dureza base de acuerdo al contenido de carbono del acero a temperatura de
revenido seleccionado.
El efecto de los elementos aleantes, tal como se mencionó, es retardar el ablandamiento
durante el revenido. Es decir, a igual temperatura de revenido la dureza no decae tanto con
la presencia de elementos aleantes. Expresado en esta metodología, la dureza base se
aumentará. Las figura
permite obtener la contribución de los elementos aleantes
considerados a la dureza del acero a la temperatura de revenido establecida. Por razones de
espacio, solo se puso en este informe algunos casos.
De esta forma la dureza estimada después de revenir por una hora a 1000º F (538º C) un
acero AISI 8650 será:
HVestimado
= HVbase + ∆HV ( Mn = 0,77 ) + ∆HV ( P = 0,010 ) + ∆HV ( Cr = 0,51 ) + ∆HV ( Si = 0,22 ) +
∆HV ( Ni = 0,60 ) + ∆HV ( Mo = 0,20 )
HVestimado = 210 + 43 + 3 + 35 + 18 + 4 + 45 = 358
El tiempo y la temperatura son dos de los parámetros más críticos del revenido. Existen
varios métodos para determinar la relación tiempo-temperatura, como la ecuación de
Hollomon-Jaffe y la correlación de Grange-Baughman, por mencionar algunos.
Actualmente se acostumbre a representar el revenido de los aceros en función del
parámetro Jaffe-Hollomon o parámetro de revenido. Es decir, la dureza H representada
como una función del parámetro T(C+logt), en donde C es una constante:
El concepto que está implícito en esta relación es el hecho que la dureza será la misma para
igual valor de revenido T(C+logt). Es decir, dos combinaciones (T, t) de revenido que
originen el mismo valor del parámetro tendrán como resultado igual dureza final del acero.
La siguiente figura puede usarse para convertir una combinación temperatura-tiempo de
revenido a cualquier otra, para aceros de baja aleación. De esta forma, a modo de ejemplo,
59 horas de revenido a 260º C equivalen a 2 minutos a 370º C o a 1 hora a 316º C.
4.- Aceros de “elevada resistencia al revenido”. Características generales,
factores involucrados, utilización.
Cuando aceros al carbono son revenidos, se observa que, si la temperatura a la cual se
realiza este proceso es elevada entre 100 y 700ºC, ocurre una disminución progresiva de la
dureza que va acompañada con un incremento en la ductilidad.
La formación de cementita y su engrosamiento gradual en la matriz ferrítica son las causas
principales de los cambios en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, reemplazando la
cementita por otros carburos más estables, como por ejemplo carburos de Molibdeno y/o
Tungsteno, el ablandamiento observado en estos aceros puede reducirse significativamente
y, si se agregan cantidades suficientes de elementos de aleación se producirá un incremento
en la dureza en el rango de 500 a 650ºC; este reendurecimiento producto del revenido es
llamado endurecimiento secundario.
Los aceros que presentan este endurecimiento son los llamados aceros rápidos. La
característica fundamental de estos aceros es conservar su filo en caliente, pudiéndose
trabajar con las herramientas casi a l rojo (600º) sin disminuir su rendimiento, tienen
buena resistencia a la temperatura y al desgaste generalmente es usado en brocas, fresas,
para realizar procesos de mecanizado con máquinas herramientas. Algunas composiciones
típicas de los aceros rápidos son: C = 0.75%, W = 18%, Cr = 4% y V = 1% ; otra C =
0.75%, W = 18%, Co = 4% y V = 1.25%.
5.- Fragilidad de Revenido, en zonas comprendidas entre 250 y 400 ºC y
“fragilidad krupp”, entre 450 y 550 ºC, aproximadamente. Aceros en los
cuales se produce, formas de detectarla (ensayos), formas de evitarla.
Fragilidad de revenido en la zona 250º a 400º : Cuando se efectúa el revenido de
algunas clases de aceros en la zona de
temperaturas comprendida entre los 250º
y
400º,
aproximadamente
se
ha
observado experimentalmente que hay
una ligera disminución de la tenacidad. Si
se efectúan ensayos sistemáticos con
probetas de diversos aceros templados y
revenidos a distintas temperaturas, se
puede observar que en esa zona, algunos
aceros, a pesar de experimentar un ablandamiento no presentan como era de esperar el
clásico aumento de la tenacidad, sino que ésta también disminuye (Fig.).
Recientemente se ha comprobado que esa fragilidad, cuyo carácter antes no era bien
conocido, se inicia en los comienzos de la tercera etapa del revenido y se presenta
precisamente
Fig. Influencia del revenido en la resistencia y resiliencia de los aceros. La zona de
fragilidad se desplaza hacia la derecha (altas temperaturas) con la adición de ciertos
elementos aleados como el silicio.
cuando la cementita forma una red o película que envuelve las agujas de martensita. La
fragilidad es máxima cuando mayor es la continuidad de esa red de cementita.
Fragilidad 250-400
Fragilidad Krupp (entre 450º y 550º C): Este tipo de fragilidad se presenta en el
revenido de aceros cromo-niqueles y en algunas otras clases de aceros y ocurre cuando
después del temple, el acero permanece durante bastante tiempo en la zona de
temperaturas comprendida entre 450º y 550º C. Por lo tanto cuando el revenido se hace a
temperaturas superiores a 550º C la fragilidad se puede producir si el enfriamiento es muy
lento.
No se conoce bien las causas de esta fragilidad que no va acompañada de cambios de
dureza, volumen o propiedades magnéticas que podrían ayudar a estudiar el fenómeno, ni
se observan tampoco en el examen microscópico con pocos aumentos modificaciones de
estructura, siendo en la actualidad el ensayo por choque, el único que acusa su existencia e
importancia.
En los casos donde se produce la fragilidad debido a enfriamientos lentos, el fenómeno se
caracteriza por la diferencia que existe entre los valores de resiliencia que se obtienen
cuando el enfriamiento se hace rápido y cuando el enfriamiento se hace lento.
¿Como evitar esta fragilidad?- Cuando se emplean temperaturas de revenido superiores
a 550º C, se puede evitar la fragilidad efectuando el enfriamiento muy rápidamente para
evitar una permanencia prolongada del acero a esas temperaturas peligrosas. La adición de
molibdeno en porcentajes de 0,15 a 0,50 % aproximadamente, es el remedio más eficaz
para evitar esta fragilidad.
La forma de detectar la fragilidad es con el coeficiente de susceptibilidad S:
s=
ρ
Re siliencia con enfriamien to muy rápido
= 1
Re siliencia con enfriamien to lento
ρ2
Ensayo de Sensibilización para destacar el fenómeno de susceptibilidad: Este
ensayo consta de emplear un tratamiento de sensibilización que consiste en mantener los
aceros después del temple y revenido por 24 horas a 525º C que son las condiciones más
desfavorables. Las resiliencias obtenidas sirven a veces para tener una idea del
comportamiento del acero. También pueden servir para calcular el índice de susceptibilidad
con las resiliencias en ese caso y las obtenidas cuando después del revenido las probetas se
enfrían en agua.
Ensayo de los aceros a baja temperatura después de someterlos a un ensayo de
sensibilización: Este tratamiento de sensibilización sirve para destacar en los ensayos a baja
temperatura el comportamiento de los aceros.
Universidad Técnica
Federico Santa María
PRE-INFORME Nº 2
“TRATAMIENTOS TERMICOS”
ELENA REINOSO
BIBLIOGRAFÍA





Apraiz, “Tratamientos Térmicos de los Aceros”
Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles”
Grossmann and Bain, “Principles of Heat treatment”
Manuel cabrera, “Fundamento de los tratamientos térmicos”
http://www2.ing.puc.cl/icmcursos/metalurgia/apuntes/cap4/44/