Tratamientos térmicos - Materiales y Ensayos

1
TEORÍA TP Nº
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El calentamiento y enfriamiento a temperaturas y tiempos rigurosamente controlados , es el
principio en que se basan todos los procesos metalúrgicos que se conocen como tratamientos
térmicos
y que tienen por objeto, en forma general, la regeneración o modificación de la estructura
cristalina, el acrecentamiento o variación de algunas de sus características físico-mecánicas en forma
total o solamente superficial y el contralor de todos aquellos factores que hacen del acero el metal de
más variables usos.
Los distintos tratamientos térmicos los podemos sintetizar con el siguiente cuadro:
Austenización completa
Ablandamiento
Subcríticos
Contra acritud
Recocido
Globular
Austenización incompleta
Doble
Normalizado
Agua
Aceite
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Enfriamiento
Plomo - Patenting
Sales fundidas - Austempering
- Martempering
Temple
Mercurio
A la llama
Superficial
Corrientes inducidas
de alta frecuencias
Con variación en la composición: Cementación, carburación, sulfinización y nitruración.
TEMPLE
El temple es. tal vez, el tratamiento térmico de mayor importancia de los que se somete al
acero. Para la obtención de un temple correcto, en la mayoría de los aceros, debe llevarse a la masa
de los mismos a un estado total austenítico . Las condiciones en las que se realiza el calentamiento
para conseguirlo, deben ser tales de no provocar diferencias de temperaturas muy notorias entre las
superficies y el centro de las piezas tratadas.
El motivo de estas consideraciones es que dichas diferencias de temperaturas, sobre todo en
masas grandes, dan lugar a dilataciones desiguales, las que originan tensiones que si alcanzan valores
elevados ocacionan fisuras o grietas internas, que en muchos casos se las atribuye a un mal
enfriamiento. Por ello es que se acostumbra a controlarlo rigurosamente para producir una
diferencia no mayor de 20ºC, entre puntos que distan a 25 mm o con una duración total del proceso,
superior a media hora por cada 25 mm de díametro.
Esta duración depende en gran parte de la forma en que se presentan las superficies de las
piezas, ya sean oxidadas, rugosas o pulidas, siendo más rápido el calentamiento en los primeros casos.
Las temperaturas ideales de austenización para el temple son, por lo general, de 40 a 60ºC
superiores a su punto crítico superior Ac 3 . Esta zona se elige, como así también el tiempo de
permanencia en ella, de acuerdo al volumen de las piezas, al tipo de acero y a su estado estructural,
debido a que para conseguir una austenización regular y estable, principio elemental para un buen
templado, es necesaria una normal difusión del carbono, cuyo porcentaje debe igualarse en toda la
masa.
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
2
TEORIA DE TEMPLE
Calentado uniformemente el acero a la temperatura conveniente, se debe proceder luego a
enfriarlo, siendo ésta la operación más delicada y a su vez compleja. Para interpretar mejor este
proceso, haremos un estudio sintético de las modificaciones estructurales para distintas velocidades
de enfriamiento, que si se realiza muy lentamente, comenzará a producirse la transformación de la
austenita en sus constituyentes secundarios, a la temperatura de 721ºC, obteniendose un acero de
dureza muy baja.
A medida que se va aumentando la velocidad de enfriamiento, los puntos Ar , irán
descendiendo cada vez más, dando origen al mismo tiempo a cambios fundamentales de su estructura
t típicos de cada enfriamiento, como ser la sorbita, troostita y martensita.
De todas estructuras, la que caracteriza al temple correcto es la martensítica, que para
grandes velocidades de enfriamiento comienza a aparecer a temperaturas inferiores a los 350ºC,
punto crítico que se reconoce como Ar'''.
Las características mecánicas más sobresalientes son su
entre 0,5 al 2,5%, y su dureza que alcanza valores de 68 H RC.
σET
de 170 a 250 Kg/mm2, con
δ%
REVENIDO
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Los aceros después del temple suelen quedar generalmente demasiados duros y frágiles para
los usos a que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido, que es
un tratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura
crítica inferior Ac1 , enfriándolo luego generalmente al aire, y otras veces en aceite o agua, según la
composición. El objeto del revenido no es eliminar los efectos del temple sino modificarlos,
disminuyendo la dureza y resistencia, aumentando la tenacidad y eliminando también las tensiones
internas que tienen siempre los aceros templados.
Las modificaciones o cambios estructurales que se producen en el revenido es la
descomposición más o menos completa de la martensita en otro constituyente más estable
comunmente llamada martensita revenida.
La dureza del acero disminuye con el tiempo de permanencia a la temperatura de revenido.
Por medio de tablas y/o gráficos se elige una temperatura del tratamiento térmico, el tiempo de
permanencia a dicha temperatura, según las necesidades mecánicas que se desea del acero. En
nuestro caso elevaremos la temperatura a 450ºC y la mantendremos 10 minutos, con un posterior
enfriamiento en el aire a temperatura ambiente.
Zona de temperatura
para el temple
Temp.ºC
Temp.ºC
1145
Austenita
913
720
G
Austenita +
Cementita
Austenita +
Ferrita
830
775
Temp. crítica Superior
K720
S
Temp. crítica Inferior
450
Perlita +
Ferrita
Perlita +
Cementita
Temple
0,008
0,40
0,86
-
Revenido
Tiempo
1,7 %C
Diagrama Fe - Fe3C
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
3
VELOCIDAD DE TRANSFORMACIÓN
Una transformación de fase requiere de nucleación y crecimiento. La velocidad de transformación,
por tanto, dependerá de la velocidad de ambas.
Se suele describir como el tiempo necesario t(y) para transformar una fracción y de la muestra a
una temperatura determinada. Un diagrama de transformación isotermo, del tipo de la figura, muestra
t(y) en función de la temperatura (el tiempo se suele representar en escala logarítmica).
Estos diagramas también reciben el nombre de curvas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación).
La velocidad de transformación está limitada por una nucleación lenta a altas temperaturas y un
crecimiento lento a baja temperatura.
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Curva TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación)
Ejemplo : la transformación austenita-perlita en un acero de composición eutectoide: perlita gruesa y
perlita fina.
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
4
TRANSFORMACIONES DE FASE
Las transformaciones de fase que hemos visto hasta ahora requieren de la difusión de los átomos a
unas distancias considerables y por ello, se les llama transformaciones controladas por difusión.
Sin embargo, existen transformaciones de fase que no requieren de difusión y a estas
transformaciones se les denomina transformaciones militares. Estas transformaciones resultan en un
cambio en la estructura cristalina sin que se produzca difusión atómica. En general, conllevan una
distorsión de la red cristalina original para dar lugar a una nueva estructura, pero los átomos no se
desplazan una distancia muy grande.
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Se puede encontrar un ejemplo en el sistema Fe-C. Cuando el enfriamiento es suficientemente
rápido para evitar la formación de ferrita y perlita, existe una temperatura por debajo de la cual la
austenita se convierte en martensita.
Transformación AUSTENITA => MARTENSITA:
Microestructura de la martensita
para un acero Fe-0,8% C:
La martensita tiene forma de
agujas o lentículas donde se ha
producido la transformación mediante la
distorsión de la red (sin difusión),
embebidas en austenita retenida (que no
ha transformado).
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
5
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
Recocido
Temple y revenido
Importancia de los elementos de aleación
Recocido
Consiste en calentar un material a alta temperatura durante un tiempo y luego enfriarlo lentamente
para:
Eliminar tensiones residuales.
Incrementar ductilidad y tenacidad.
Los tratamientos de recocido se suelen aplicar a materiales deformados en frío para reducir
los efectos del endurecimiento por deformación y aumentar así su ductilidad para su trabajo posterior.
Durante el recocido tienen lugar procesos de:
Restauración: la densidad de dislocaciones disminuye gracias a la activación de la difusión a altas
temperaturas.
Recristalización: nuevos granos sustituyen a los granos deformados.
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Crecimiento de grano.
R e c o c i d o :
Microestructuras de un
acero ferrítico antes de la
deformación, después de la
deformación y después de
un tratamiento de recocido
con recristalización.
TEMPLE y REVENIDO
El temple consiste en el enfriamiento rápido de un acero austenizado para producir la
transformación a martensita.
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
6
PROPIEDADES DE LA MARTENSITA
La martensita es la fase más dura del acero, como se puede ver en la figura, y es muy útil en
aplicaciones donde el desgaste es importante.
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Sin embargo, también es muy frágil, con lo que es inservible en la mayoría de las aplicaciones. Por
ello, a la martensita se le suele someter a un tratamiento térmico posterior, llamado revenido.
Revenido : consiste en el calentamiento del acero procedente del temple a una temperatura inferior
a la eutectoide (generalmente, entre 250 ºC y 650 ºC) durante un período de tiempo.
Durante el revenido, se consigue, por difusión atómica, la formación de martensita revenida:
es decir, la descomposición en las fases estables: ferrita y cementita, en forma de una dispersión muy
fina de cementita en una fase ferrítica.
De esta forma, se consigue aumentar la tenacidad del acero templado, conservando valores de
resistencia considerables.
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº
Microestructura de la martensita y la martensita revenida para un
acero Fe-0,8% C:
7
La martensita tiene forma de agujas o lentículas donde se ha producido la transformación
mediante la distorsión de la red (sin difusión), embebidas en austenita retenida (que no ha
transformado).
La martensita revenida consiste en una matriz ferrítica que contiene una dispersión fina de
partículas de cementita.
Realizado: Ing. Oscar Fernando Rodríguez
Importancia de los elementos de aleación:
Los aceros que contienen carbono como único aleante se denominan aceros al carbono, mientras
que los aceros aleados contienen apreciables concentraciones de otros elementos, como Cr, Ni, Mo,
W, Ti, Nb, Cu, etc…
Estos aleantes afectan a las transformaciones de fase y sus velocidades, y pueden dar lugar a
fenómenos de precipitación. Los tratamientos térmicos se deben ajustar a cada acero específico para
optimizar su microestructura y sus propiedades en función de las aplicaciones.
Ejemplo: retraso de la transformación Austenita >Perlita de un acero eutectoide por la adición de
Mo, dando lugar a un acero más fácil de templar.
CUESTIONARIO
1)
2)
3)
4)
5)
¿Cómo explica la dureza del acero al aumentar el contenido de carbono?
¿Por qué en el temple la pieza se calienta unos 50 grados por encima de la línea GSK?
¿Qué consecuencias tiene en el temple un calentamiento superficial y demasiado rápido?
Explicar las diferencias entre el temple al agua, al aceite y al aire.
¿Por qué se realiza el revenido?
E.E.T. Nº 466
Gral. M.N.Savio
Laboratorio de
Mecánica
Curso:
Div.
Año
MATERIALES Y
ENSAYOS
Prof:
TeoT.P.
Fecha:
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Nº