TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES
Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura
como variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones,
pero sin variar su composición química.
El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas.
Los tratamientos termoquímicos o superficiales además de utilizar la temperatura como
variable, modifican la composición química de una capa superficial de la pieza por tener
lugar reacciones químicas en la superficie de la pieza.
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES
TEMPLE
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TEMPLE
Templabilidad se define como la aptitud de la aleación para endurecerse por la
formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. Ésta capacidad
depende de la composición química de la aleación. El temple se caracteriza por
enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado: agua, aceite o aire.
Ensayo de templabilidad (ensayo Jominy)
El proceso es el siguiente:
1- Una probeta normalizada de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud se lleva ala
temperatura de austenización el tiempo necesario para conseguir que la estructura se
convierta en austenita.
2- Se saca del horno, y el extremo de la pieza se templa mediante un chorro de agua de
caudal y temperatura constante, de manera que la velocidad de enfriamiento es
máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta.
3- Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira
de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los primeros 50 mm. se
traza una curva de templabilidad, representando los valores de dureza en función de la
distancia al extremo templado.
La gráfica del ensayo se ve a continuación.
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Ensayo Jominy
La gráfica muestra una curva de templabilidad típica. La velocidad de enfriamiento
disminuye con la distancia al extremo templado y por tanto lo hace la dureza.
A veces resulta más conveniente relacionar la dureza con la velocidad de enfriamiento,
en lugar de hacerlo con la distancia al extremo templado.
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Factores que influyen en el temple.
1- Composición del acero.
2- Temperatura a la que se hay que calentar.
3.- Tiempo de calentamiento.
4- Velocidad de enfriamiento.
5.- Características del medio donde se
realiza el temple.
6. Tamaño y geometría de la pieza.
Diagramas TTT
Son diagramas que representan el tiempo
necesario a cualquier temperatura para que
se inicie y termine una transformación de
fase (tiempo-temperatura-transformación).
Para su obtención se realizan ensayos sobre
distintas probetas que se someten a
diferentes velocidades de enfriamiento y se
analiza su dureza y su estructura interna.
El significado es:
•Por encima de la temperatura A1 toda la
estructura es austenita (hierro γ más
carbono)
Curvas TTT para acero eutectoide
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Curvas TTT para acero eutectoide
que no dan lugar al temple.
•Ps, línea roja, indica el inicio de la transformación a perlita, Pt indica el final de la
transformación. Esto sucede para enfriamientos lentos, velocidad V1.
•BS, línea naranja, indica el inicio de la transformación bainítica. Bf el final. Velocidades
•Si las velocidades se realizan en un medio con mayor capacidad como el agua se forma
la martensita. Esta velocidad debe ser mayor que V3 y maraca dos zonas, la de inicio de
transformación a martensita, MS y la de final, Mf.
El temple sucede siempre que la velocidad de enfriamiento sea lo suficientemente
rápida para no entrar en la zona de las S, debiendo cortar en la línea MS.
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CURVAS T.T.T.
(1)
●
Se denomina curva TTT (Transformación-Temperatura-Tiempo) al
diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una
transformación isotérmica. Los diagramas TTT son gráficas que
representan el % de transformación en función de la
temperatura (eje vertical) y del tiempo (eje horizontal,
normalmente en escala logarítmica). Se elaboran con el % de
transformación frente al logaritmo de las medidas de tiempo.
Son muy útiles para entender las transformaciones de un
acero que se enfría isotérmicamente. Así por ejemplo, en el
caso del acero, y más concretamente para la fase austenita,
que es inestable por debajo de la temperatura de
transformación eutectoide, se necesita saber
• cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a
una temperatura subcrítica específica,
• cuánto tiempo precisará para estar completamente
trasformada
• cuál será la naturaleza del producto de esta transformación
(2)
Temperatura
Tanto para aceros aleados como para aceros al carbono
Las transformaciones pueden ser:
(a).- Transformaciones isotérmicas (El enfriamiento isotérmico
se consigue por inmersión en un baño de sales fundidas, que se
mantiene a T = Cte.)
(b).- Transformaciones de enfriamiento continuo (Se consigue
enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite,..)
(vCT)
Log (tiempo)
(1): Curva Inicial de Transformación
(2): Curva Final de Transformación
VCT: Velocidad Crítica de temple
Ms: Curva Inicial de transformación martensítica
Mf: Curva Final de transformación martensítica
•
•
•
● : Nariz Perlítica
Tres zonas:
La de la izquierda de las curvas, donde la austenita todavía no ha
comenzado a transformarse.
La comprendida entre las dos curvas, donde la austenita está en periodo de
transformación.
La de la derecha, donde la austenita se encuentra completamente
transformada.
Por debajo de Ms la evolución es independiente del tiempo, sólo es función de la temperatura a que el acero es enfriado rápidamente o
templado. Una transformación de este tipo se denomina TRANSFORMACIÓN ATÉRMICA.
La nariz perlítica nos da el mínimo tiempo de retardo y nos define la velocidad crítica de temple del acero, que es la mínima velocidad que nos
permite alcanzar una estructura 100 % martensítica, sin haber sido sometido a ninguna otra transformación en el enfriamiento.
Llamamos tiempo de retardo o periodo de incubación al tiempo necesario para que comience la transformación isoterma de la austerita.
Es distinto para cada temperatura.
Para obtener estos diagramas, se calienta
un conjunto de probetas iguales a la
temperatura de austenización, y se
727
mantienen allí hasta que se transforman
en austenita.
540
●
215
Conseguido esto, se enfrían bruscamente
en baños de sales o metal fundido hasta la
temperatura deseada, que permanecerá
constante mientras dure el ensayo; a
intervalos de tiempo determinados se
sacan las probetas del baño y se enfrían
bruscamente hasta temperatura ambiente.
Isothermal transformation diagram for an alloy
Diagrama de transformación isotérmica de un steel HIPOEUTECTOID COMPOSITION (type
acero eutectoide con las transformaciones
4340): A, austenite; B, bainite; P, pearlite; M,
austenita-perlita (A-P) y austenita-bainita (A-B) martensite; F, proeutectoid ferrite.
Mediante el examen microscópico de las
mismas, se determina la cantidad de
austenita transformada en función del
tiempo y con ello, el principio y el final de
la transformación. Se obtiene así el
diagrama que nos da la cantidad de
austenita transformada en función del
tiempo, a temperatura constante.
La determinación práctica de las curvas TTT de cada acero constituye siempre una ayuda inestimable que orienta y hace
comprender los TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
Dicha curva sólo puede aplicarse con propiedad en tratamientos isotérmicos. Sin embargo, suele utilizarse también
industrialmente en enfriamientos continuos: sobre ella pueden superponerse, sin graves errores prácticos, las curvas de
enfriamiento real. Superponiendo a la curva TTT otra curva que señale la velocidad a que se desea enfriar la austenita,
pueden predecirse con bastante aproximación las estructuras que se obtendrán con ese enfriamiento.
A partir de estos diagramas podemos determinar el tratamiento bajo el cual debemos someter a un material para obtener la
estructura y las propiedades deseadas, y como deben ser los tiempos y las temperaturas de dichos tratamientos.
Si la velocidad de enfriamiento es muy lenta, se obtendrán estructuras
de tipo perlítico. Si la velocidad de enfriamiento fuera mayor, se
obtendrían estructuras bainíticas y si la velocidad fuera tal que la curva
de enfriamiento no cortara a la curva TTT en ninguno de sus puntos, se
obtendría estructura martensítica (acero templado).
Se denomina velocidad crítica de temple Vc, a la mínima velocidad de
enfriamiento requerida para evitar la transformación de la austenita en
otros constituyentes antes de alcanzar la temperatura Ms.
Además de las curvas TTT, podemos hablar de las curvas TTT de
enfriamiento continuo, que presentan unos tiempos mayores debido a
que en el caso de enfriamiento continuo se pasa mayor cantidad de
tiempo a altas temperaturas, mientras que en el caso isotérmico el
material llega instantáneamente a la temperatura de transformación.
En estos diagramas la temperatura eutectoide (727°C) se representa mediante
una línea horizontal; a temperaturas superiores a la eutectoide y para todos los
tiempos, existe sólo austenita. La transformación austenita-perlita sólo ocurre
si se enfría por debajo de la temperatura eutectoide, donde las curvas indican
el tiempo necesario para el inicio y el final de la transformación para cada
temperatura. Las curvas de inicio y final de transformación son casi paralelas y
se aproximan asintóticamente a la línea eutectoide.
A la izquierda de la curva de inicio de transformación sólo existe la austenita
(inestable), mientras que a la derecha de la curva de final de transformación,
sólo existe la perlita. Entre ambas curvas hay austenita transformándose en
perlita: ambos microconstituyentes están presentes.
De acuerdo con la ecuación r 
1
t0.5
727
(1)
675
la velocidad de transformación a una temperatura determinada es
inversamente proporcional al tiempo necesario para que la reacción transcurra
hasta el 50% (línea discontinua). Cuanto menor es el tiempo mayor es la
540
velocidad. En la figura se aprecia que a temperaturas próximas al eutectoide
(correspondientes a pequeños subenfriamientos) se necesitan tiempos muy
grandes (del orden de 105 s) para conseguir un 50 % de transformación y la
velocidad de reacción es muy lenta. La velocidad de transformación aumenta al
descender la temperatura hasta que a 540 °C sólo necesita 3 s para llegar al 50
% de la transformación.
El diagrama TTT muestra el tiempo necesario para transformar una fracción de la
3
muestra en función de la temperatura. La velocidad de transformación está
Obtención de un diagrama de transformación isotérmica a partir
limitada por una nucleación lenta a altas temperaturas y un crecimiento lento a
del porcentaje de transformación en función del tiempo (arriba).
baja temperatura.
En la figura se ha dibujado el camino seguido por un tratamiento
isotérmico (ABCD) sobre un diagrama de transformación isotérmico de
un acero eutectoide. El enfriamiento rápido de la austenita está
indicado por el segmento AB casi vertical y el tratamiento isotérmico y
su temperatura, por el segmento horizontal BCD. La transformación de
la austenita a perlita se inicia en el punto de intersección C (después de
unos 3.5 s) y termina hacia los 15 s, en el punto D. La figura también
muestra esquemáticamente las microestructuras a varios tiempos
durante el transcurso de la reacción.
La relación de espesores de las láminas de ferrita y cementita en la perlita
es de 8 a 1, aproximadamente. Sin embargo, el espesor absoluto de una
lámina depende de la temperatura de transformación. A temperaturas
inferiores y muy próximas a la eutectoide se forman láminas de ferrita α y
de Fe3C de mayor espesor. Esta microestructura se denomina PERLITA
GRUESA y se forma a la derecha de la gráfica de fin de transformación.
A esas temperaturas las velocidades de difusión son relativamente
elevadas y durante la difusión los átomos de carbono pueden difundir a
lo largo de distancias relativamente largas, formando láminas gruesas.
Austenite grain
boundary
Esquema de la
formación de la
perlita a partir de la
austenita; las
flechas indican la
dirección de la
difusión del
carbono.
A medida que disminuye la temperatura, se forman láminas más
delgadas ya que la velocidad de difusión del carbono decrece. La
estructura de láminas delgadas producida en la proximidad de
540°C se denomina perlita fina .
Las propiedades mecánicas son función del espesor
de las láminas
En los aceros de otra composición la perlita coexiste con fase proeutectoide (ferrita o cementita).
La figura muestra parte de un diagrama de transformación isotérmica de un acero de 1.13 %C, donde se aprecia la curva
correspondiente a la transformación proeutectoide
Diagrama de transformación isotérmica de un acero al carbono de 1.13 %C:
A, austenita; B, bainita; C, cementita proeutectoide; M, martensita; P, perlita.
En la figura se muestran fotomicrografías de perlita gruesa y fina de un acero de composición eutectoide.
Fotomicrografía de (a) perlita gruesa y (b) perlita fina (x 3000).
Bainita
En la transformación de la austenita se
forma, además de la perlita, un
constituyente denominado bainita. La
microestructura bainítica consta de las fases
ferrita y cementita y en su formación
intervienen procesos de difusión.
La bainita forma agujas o placas,
dependiendo de la temperatura de
transformación; los detalles
microestructurales de la bainita son tan
finos que su resolución sólo es posible
mediante el microscopio electrónico.
La figura es una micrografía electrónica que
muestra agujas de bainita (en posición
diagonal: de inferior izquierda a superior
derecha); está compuesta de una matriz
ferrítica y de partículas alargadas de Fe3C.
La fase que rodea las agujas es martensita.
Estructura de la bainita mediante micrografía electrónica de
réplica. Una aguja de bainita va de la parte inferior izquierda al
vértice superior derecho y consiste en partículas alargadas de Fe3C
dentro de una matriz de ferrita. La fase que rodea la aguja bainítica
es la martensita
Martensita
El inicio de esta transformación se representa por la línea horizontal MS (inicio)
(Figura). Se trazan otras dos líneas horizontales discontinuas denominadas
M(50%) y M(90%) que indican el % de transformación austenita-martensita.
Estas líneas están localizadas a temperaturas que dependen de la composición del acero,
pero deben ser relativamente bajas para impedir la difusión del carbono (La
transformación martensítica tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan
la difusión del carbono. Si hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita). El
carácter horizontal y lineal de estas gráficas indica que la transformación martensítica es
independiente del tiempo y sólo es función de la temperatura a que el acero es enfriado
rápidamente o templado. Una transformación de este tipo se denomina
TRANSFORMACIÓN ATÉRMICA.
Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y
constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en
otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican una apreciable velocidad de
difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi indefinidamente
a temperatura ambiente.
Al enfriar un acero de composición eutectoide desde una
temperatura superior a 727°C hasta 165°C, se aprecia, según el
diagrama de transformación isotérmica (Figura ), que el 50% de la
austenita se transforma inmediatamente; pero al mantenerse a esta
temperatura el acero no experimenta posterior transformación.
165
Diagrama de transformación isotérmica completo
de un acero de composición eutectoide:
A, austenita; B, bainita; M, martensita; P, perlita.
DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN POR ENFRIAMIENTO CONTINUO
En los enfriamientos continuos, los tiempos requeridos para que la reacción empiece y
termine se retrasan. De este modo el diagrama se desplaza en el sentido que necesita más
tiempo y menos temperatura, como indica la figura 1, correspondiente al acero
eutectoide. La representación gráfica de las curvas de inicio y fin de la transformación se
denominan diagramas de transformación por enfriamiento continuo (TEC). La velocidad
de enfriamiento se puede controlar modificando el medio de enfriamiento.
En la figura 2 se superponen dos
curvas de enfriamiento
correspondientes al acero eutectoide.
La transformación se inicia en el
tiempo indicado por la intersección de
la gráfica del enfriamiento con la del
inicio de la reacción y termina una vez
cruzada la curva de final de
transformación. Los productos
microestructurales de las curvas de
enfriamiento moderadamente rápido
y lento son perlita fina y gruesa,
respectivamente.
Moderately rapid and slow cooling
curves superimposed on a continuous
cooling transformation diagram for a
Eutectoid iron–carbon alloy.
Figura 1
Figura 2
Superimposition of isothermal and
continuous cooling transformation
diagrams for a eutectoid iron–carbon alloy.
DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN POR
ENFRIAMIENTO CONTINUO
La bainita normalmente no se forma al enfriar un acero al
carbono de modo continuo hasta la temperatura
ambiente, ya que toda la austenita se transforma con el
tiempo en perlita y ésta no evoluciona hacia la bainita,
pues la región que representa la transformación austenitaperlita termina justamente por debajo de la nariz de la
curva AB (Figura ).
En todas las curvas de enfriamiento que cruzan la línea AB
de la Figura la transformación cesa en el punto de
intersección; al continuar enfriando, la austenita que no ha
reaccionado empieza a transformarse en martensita al
cruzar la línea M (inicio).
Moderately rapid and slow cooling curves superimposed on a
continuous cooling transformation diagram for a Eutectoid iron–
carbon alloy.
●
Observando la representación de la transformación martensítica, las líneas Ms (inicio), M(50%) y M(90%) ocurren a las
mismas temperaturas tanto en los diagramas isotérmicos como en los de enfriamiento continuo. Esta aseveración se
verifica al comparar las Figuras 1 y 2 referidas a un acero de composición eutectoide
Superimposition of
isothermal and
continuous cooling
transformation diagrams
for a eutectoid iron–
carbon alloy.
Figura 1
The complete
isothermal
transformation diagram
for an iron–carbon
alloy of eutectoid
composition: A,
austenite; B, bainite; M,
martensite; P, pearlite.
Figura 2
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.
Esta velocidad de enfriamiento crítica, incluida en diagrama de
transformación por enfriamiento continuo de la figura, roza la nariz donde
empieza la transformación perlítica.
●
NARIZ
PERLITICA
La figura indica que a velocidades de temple mayores que la crítica, sólo
se forma martensita; además, existe un tramo de velocidades de
enfriamiento en el que se forma perlita y martensita.
Finalmente, sólo se genera estructura perlítica a velocidades de
enfriamiento lentas.
No existe austenita para que se de la transformación   M
Continuous cooling transformation diagram for a eutectoid
iron–carbon alloy and superimposed cooling curves,
demonstrating the dependence of the final microstructure
on the transformations that occur during cooling.
El carbono y los otros elementos de aleación cambian el aspecto de la gráfica de transformación perlítica y proeutectoide y bainítica
alargando el tiempo y disminuyendo la velocidad crítica de enfriamiento. En efecto, una de la razones para alear los aceros estriba en facilitar
la formación de martensita o en posibilitar las estructuras totalmente martensíticas a través de secciones relativamente gruesas.
La figura 10.28 muestra el diagrama de transformación por enfriamiento continuo del mismo acero cuyo diagrama de transformación
isotérmica está representado en la figura 10.23. La presencia de la nariz bainítica explica la posibilidad de formar bainita por enfriamiento
continuo. Las curvas de enfriamiento trazadas en la figura 10.28 indican la velocidad de enfriamiento crítico y la influencia de la velocidad de
enfriamiento en el comportamiento de la transformación y en la microestructura final.
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS CURVAS TTT
Las tres zonas como desarrollo de las reacciones fundamentales de la transformación de la austenita: zona perlítica, zona bainítica, y zona
martensítica, resultan fuertemente alteradas por diversos factores que influyen sobre las curvas TTT, desplazando las mismas hacia la
derecha o hacia la izquierda en el diagrama, es decir, retardando o adelantando las transformaciones isotérmicas, tanto perlíticas como
bainíticas, o desplazando hacia arriba o hacia abajo las líneas de principio y fin de la transformación martensítica.
FACTORES INTRÍNSECOS
1.- El CONTENIDO EN C de la aleación (C es gammageno, por tanto amplia el campo de estabilidad de γ): a mayor contenido mayor será el
desplazamiento hacia la derecha de las curvas inicial y final de transformación; y hacia abajo las isotermas que indican el principio y el fin de la
transformación martensítica.
C2>C1
C4>C3
Para aceros hipoeutectoides, las transformaciones perlíticas y
bainíticas, se retrasan al aumentar el contenido en carbono. Los
aceros eutectoides presentan una curva perlítica más alejada del
origen de tiempos que la curva perlítica de los aceros tanto hipo
como hipereutectoides. En éstos la cementita proeutectoide
formada acelera, por nucleación heterogénea, la aparición de los
gérmenes de cementita rectores de la transformación perlítica.
Luego las curva TTT se desplazan hacia la izquierda
2.- ELEMENTOS ALEANTES:
a.-Gammágenos: aquellos que se disuelven preferentemente en la austenita como son el Níquel y el Manganeso, que expanden por tanto el
campo de existencia de la austenita desplazando hacia abajo las isotermas.
b.-Alfágenos: se disuelven preferentemente en la fase α (Ferrita), son por ejemplo el Cromo, el Molibdeno, el Vanadio y el Wolframio; y desplazan
las isotermas hacia arriba.
c.- Carburígenos: son elementos (habitualmente Alfágenos) que tienden a formar carburos. Producen una segunda zona de temperaturas de
transformaciones rápidas al nivel de la transformación de la austerita en bainita.Todos los elementos de aleación, excepto el cobalto, aumentan
los tiempos de transformación isoterma de la austenita.
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS CURVAS TTT // ELEMENTOS ALEANTES
En general cualquier elemento que forme solución sólida con la austenita (γ) —bien sea de sustitución (Mn, Ni, Cr, etc)
o de inserción (B, N, etc.)— retrasa las transformaciones isotérmicas, tanto perlíticas como bainíticas. Parece lógico
que así sea, ya que dichos elementos ejercen un efecto de barrera u obstrucción para la difusión del carbono y, por
tanto, los gérmenes de cementita (en la zona perlítica), o de ferrita (en la zona bainítica), tardarán más tiempo en
aparecer.
Los elementos gammágenos -especialmente el Mn y Ni- rebajan las
temperaturas de transformación austenítica A3 y Ae, con lo que disminuyen
las temperaturas de las transformaciones perlíticas. El Mn y el Ni, además,
retrasan por igual la nariz perlítica y el mentón bainítico.
Además los elementos formadores de carburos, (el Cr el Mo y otros), retrasan
más la transformación perlítica que la transformación bainítica. Son
elementos alfágenos, y por elevar las temperaturas de transformación A3 y
Ac, deberían aumentar la difusión en las reacciones y, por tanto,
acelerarlas; pero este efecto es contrarrestado por la acción contraria que
determina su afinidad por el carbono para producir carburos. (La nucleación
de la cementita se ve retardada, y aumenta el período de incubación). La
curva perlítica se desplaza hacia arriba y hacia la derecha, estrechándose su
campo.
El B, para contenidos de 0.0005-0.003% formando solución sólida de inserción en la
austenita, retrasa la transformación proeutectoide y la zona perlítica de modo
muy notable.
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS CURVAS TTT/ EXTRÍNSECOS
Influencia del tamaño de grano austenítico.
En las transformaciones por nucleación y crecimiento, para una
misma composición química, se inicia más tarde la
transformación de la austenita, cuanto mayor sea el tamaño de
grano austenítico.
dγ ↑  Transformación de la austenita más tarde
Parece razonable que suceda así porque los gérmenes rectores de
la perlita —la cementita—, o en su caso de la bainita, la ferrita—,
se forman preferentemente en las juntas de grano. Por
consiguiente, cuanto más grande sea el diámetro de grano
austenítico menor es el número de juntas de grano existentes
(menor el número de lugares aptos para la nucleación) y mas tarde
comenzarán las transformaciones en las zonas perlítica y/o
bainítica.
En cuanto a la transformación martensítica, cuando el tamaño del
grano austenítico del acero es muy fino, la temperatura Ms
generalmente disminuye. Las numerosas juntas de grano parecen
oponer un obstáculo a la formación de martensita
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS CURVAS TTT
Influencia de la temperatura de austenízación.
La temperatura de austenización tiene una doble influencia en
el retraso cinético de las transformaciones. Por una parte, si el
acero no presenta inhibición al crecimiento de grano, el
aumento de temperatura produce un aumento del tamaño de
grano austenítico, con las consecuencias ya señaladas: retraso
en la cinética de las transformaciones y desplazamiento de la
curva TTT hacia la derecha (en el sentido de los tiempos
crecientes).
Por otra parte, si la temperatura de austenización es muy
elevada, la austenita al homogeneizarse en composición
química se hace más estable, y por ello también se retrasan las
transformaciones perlítica y bainítica: una austenita
inhomogénea presenta mayor probabilidad de que, en
determinados puntos de su masa, las reacciones perlíticas y
bainiticas se inicien prontamente.
Figura VIII.35. Curva T.T.T. de enfriamiento continuo (IRSID).
Acero 0.12% C, 0.79% Mn, 1.23% Si, 0.014% S, 0.011% P, 0.43% Ni,
1.22% Cr, 0.54% Mo, 0.24% Cu, 0.053% As, 0.016% Ti.
Austenizado a 950° C durante media hora. Tamaño de grano 9.
FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LAS CURVAS TTT
Con relación a la transformación martensítica, el aumento en la temperatura de austenización se traduce, en
general, en una disminución de la temperatura Ms.
M S (C )  500  350(%C )  40(% Mn)  35(%V )  20(%Cr )  17(% Ni )  10(%Cu )  10(% Mo)  5(%W )  15(%Co)  30(% Al )
Este efecto, claramente advertido en aceros de alto contenido en carbono y aleados, parece ser debido a que:
— La disolución progresiva de los carburos aumenta el contenido en carbono y aleantes solubilizados en la austenita.
Complementariamente, la austenita resulta más estable por su mayor homogeneidad y exige también mayor salto
térmico para la energía de tipo químico; y ello origina una disminución de la temperatura Ms.
— El efecto inhibidor de los aleantes mantiene un grano austenítico fino.
En cuanto a la austenita residual, el aumento en la temperatura de austenización —con la consiguiente estabilidad de
la austenita— produce casi siempre un aumento en la cantidad de austenita no transformada en el temple. No sólo
por la consiguiente disminución de Ms, sino también por la refractariedad de la austenita a transformarse por debajo
de Ms. Esto es particularmente notable en aceros con alto contenido en carbono y aleantes.
A veces, sin embargo, se observan excepciones a lo expuesto, y un aumento en la temperatura de austenización
origina un grano austenítico muy grande, que, como hemos dicho, afecta a M s , elevando dicha temperatura por
la influencia en la energía de tipo mecánico.
Templabilidad
Dentro de los aceros aleados hay dos hipótesis
1.- Acero hipoeutectoide aleado, con curvas como las de la figura.
Sabiendo que vc=velocidad critica del temple (velocidad más lenta
posible que permite el desarrollo del 1 % M, desde la temperatura de
austenización y que m y n son los retrasos de la transformación perlitica
y bainitica, respectivamente, para que se de el temple la velocidad de
enfriamiento debe librar al menor de los dos segmentos
Acero hipoeutectoide aleado
Para aceros hipoeutectoides de un mismo contenido en carbono C1%, y medianamente aleados, los retrasos en la
transformación perlítica y bainítica pueden considerarse proporcionales, respectivamente, a m y n.
m  (0, 254%C1 ) 1  4,1% Mn 1  2,83% P 1  0, 62% S  (1  0, 64% Si ) 1  2,33% Cr 1  0,52% Ni 1  3,14% Mo 1  0, 27% Cu 
n   0, 272%C1  1  4,1% Mn 1  2,83% P 1  0, 62% S 1  0, 64% Si 1  1,16% Cr 1  0, 52% Ni 1  0, 27% Cu 
Los valores de m y n dictan el valor de vc y nos indican si el acero tendrá templabilidad bainitica suficiente (caso 1) o
templabilidad perlitica suficiente (caso 2)
Los aceros eutectoides -puesto que no contienen productos proeutectoides- presentan una curva perlítica más alejada
del origen de tiempos que la curva perlítica de los aceros hipereutectoides, ya que, en este caso, la cementita
proeutectoide formada acelera por nucleación heterogénea la aparición de los gérmenes de cementita rectores de la
transformación perlítica.
En los aceros poco aleados, las zonas perlítica y bainítica aparecen solapadas. Otro tanto ocurre con las zonas bainítica y
martensítica para aceros más aleados; y ello porque después de formarse la cantidad correspondiente de martensita, se
produce una reacción bainítica en la austenita residual (las deformaciones producidas por las primeras plaquetas de
martensita aceleran algo el mecanismo de formación de bainita).
Esferoidita
Si un acero con microestructura perlítica se calienta hasta una
temperatura inferior a la eutectoide durante un período de
tiempo largo, por ejemplo a 700°C entre 18 y 24 h, se forma
una nueva microestructura denominada esferoidita,
cementita globular o esferoidal (Figura ).
Las partículas de Fe3C aparecen como esferas incrustadas en
una matriz continua de fase α, en lugar de las láminas
alternadas de ferrita y cementita de la perlita o de las
partículas alargadas de Fe3C en una matriz ferrítica como es el
caso de la bainita.
Esta transformación tiene lugar mediante difusión del
carbono sin cambiar la composición o las cantidades relativas
de fases ferrita y cementita. La fuerza impulsora de esta
transformación radica en la disminución del límite de fase αFe3C.
La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida
en los diagramas de transformación isotérmica.
Fotomicrografía de un acero con microestructura de esferoidíta. Las
partículas pequeñas son de cementita; la fase continua es ferrita α (x1000).
La Figura resume las transformaciones y las microestructuras producidas. Aquí se supone que la perlita, la bainita y la martensita
resultan de tratamientos de enfriamineto continuo; además, la formación de la bainita sólo es posible en los aceros aleados, no
en los aceros al carbono.
Perlita
gruesa
Perlita
fina
Bainita
superior
Posibles transformaciones de la descomposición de la
austenita. Las flechas continuas indican transformaciones
con difusión y las flechas con trazos indican
transformaciones sin difusión.
Bainita
inferior
Tipos de temple.
Temple continuo de austenización completa.
Se aplica a aceros hipoeutectoides. Se calienta el material 50º C por encima de la
temperatura crítica superior (AC3), i se enfría en el medio más adecuado. El principal
componente estructural es la martensita.
Temple continuo de austenización incompleta.
Se aplica a aceros hipereutectoides. La temperatura de calentamiento está 50º C por
encima de AC1. la estructura resultante es mixta a base de martensita y cementita.
Temple martensítico o martempering.
Se calienta el acero a la temperatura de austenización y se mantiene el tiempo necesario
para que se transforme toda la austenita. Se enfría en baño de sales manteniendo la
temperatura constante durante un tiempo por encima de MS.
Temple austempering.
Es similar al anterior, con la diferencia que el tiempo de enfriamiento en sales será el
suficiente para que atraviese las curvas y la austenita se transforme en bainita.
Temple superficial.
Se calienta rápida y superficialmente el material, de forma que solo una capa delgada
alcanza la temperatura de transformación austenítica, a continuación se enfría
rápidamente. El núcleo permanece inalterable y la superficie se transforma en
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dura y resistente al rozamiento.
RECOCIDO
Consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo
previsto, y posteriormente enfriarlo lentamente. Tiene como finalidad suprimir los
defectos del temple. Las variables fundamentales son tiempo y temperatura.
Los objetivos son:
•Eliminar tensiones del temple.
•Aumentar plasticidad, tenacidad y
ductilidad.
•Conseguir una microestructura
específica.
Diagrama Fe-C. Intervalos de
temperatura de tratamiento térmico
del acero al carbono.
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El proceso consta de tres etapas fundamentales:
•Calentamiento hasta una temperatura prefijada.
•Mantenimiento de la temperatura anterior durante un tiempo conveniente.
•Enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente, realizado a una velocidad conveniente.
Recocido de aleaciones Fe-C
Para modificar algunas propiedades de los aceros, es necesario someterlos a diferentes
procedimientos de recocido. (Ver figura anterior).
La línea de la fase A1se denomina de temperatura crítica inferior. Por debajo de ella, y
en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita. Las líneas
de la fase A3 y Acm representan las líneas de temperatura crítica superior para los
aceros hipoeutectoides e hipereutectoides, respectivamente.
Normalizado
Los aceros que se han deformado por laminación, tienen una microestrutura perlítica,
con tamaños de grano relativamente grandes y forma irregular. Con el normalizado se
afina el acero y se provoca una distribución de tamaño más uniforme.
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El normalizado se realiza calentando el material a una temperatura entre 55 y 85º C
superior a la temperatura crítica superior. El valor depende de la composición.
Transcurrido un tiempo, hasta
convertir la ferrita en austenita, se
finaliza, con un enfriamiento
relativamente rápido al aire.
Curvas de enfriamiento. Normalizado
y recocido total.
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Recocido total
Es un procedimiento que se aplica a los aceros de contenido de carbono bajo y medio,
que se han conformado por mecanizado o se han deformado mucho en el proceso de
deformación en frió. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40º C por encima de
las líneas A3 o A1. se deja enfriar lentamente dentro del horno. La microestructura que
obtenemos del proceso es perlita gruesa.
Globulización
Los aceros medios y altos en carbono tienen una microestructura de perlita gruesa,
demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros se
recuecen para desarrollar la microestructura de esferoiditas. Este acero globulizado
tiene la máxima blandura y ductilidad, y es fácilmente mecanizable y deformable. El
tratamiento térmico calienta la aleación a una temperatura justo por debajo de la
eutectoide (línea A1 a 700º C). El tiempo de globulización suele durar de 15 a 25
horas.
Revenido
Elimina la fragilidad y las tensiones ocasionadas en el temple. Consiste en un
calentamiento a una temperatura inferior a A1, par lograr que la martensita se
transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento más
bien rápido. Aunque destruye parte del temple, el acero es más blando pero menos
frágil.
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TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
Estos tratamientos varían la composición química superficial de los aceros, con el fin
de mejorar determinadas propiedades de la superficie como dureza, resistencia al
desgaste o a la corrosión.
Cementación y carbonitruración.
Consiste en aumentar la cantidad de carbono en la capa exterior de los aceros. La
cementación se aplica a piezas que deben ser resistentes al desgaste y a los golpes.
Como cementante gaseoso se emplea el monóxido de carbono. Como cementante
sólido se puede emplear carbonato de bario. El cementante líquido mas empleado es el
cianuro sódico.
Nitruración
Se aplica a ciertos aceros y fundiciones obteniéndose durezas muy elevadas del orden
de 1200 unidades Brinell. Son superficialmente muy duros y resistentes a la corrosión.
La nitruración se realiza en hornos especiales, exponiendo a las piezas a una corriente
de amoniaco a una temperatura de 500 a 525º C. se utiliza para endurecer camisas de
cilindros, árboles de levas, ejes cardan, piñones y aparatos de medida.
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LA CORROSIÓN Y SUS EFECTOS
La corrosión se define como el paso de un metal en estado libre a estado combinado, que
es consecuencia de la tendencia de los metales a volver a su estado natural por la acción
destructora del oxígeno del aire y los agentes electroquímicos que favorecen el proceso de
corrosión.
Esencialmente, el fenómeno consiste en una oxidación del metal. Si el óxido formado no
es adherente y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de la pieza.
La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden
electrones. Así, un metal M, con valencia v, puede experimentar una oxidación según la
reacción: M → Mv+ + v e- donde el metal M se oxida (pérdida de electrones),
convirtiendose en un ión co v+ cargas positivas al perder sus electrones de valencia.
La zona en la que se produce la oxidación se llama ánodo, por lo que la oxidación se
conoce como reacción anódica.
La reacción inversa a la oxidación se conoce como reducción. La reducción se produce en
el cátodo, en ella se toman los electrones de la oxidación. Mv+ + ve- → M. Esta situación
es poco frecuente, salvo en condiciones determinadas que como la electrodepositación.
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CELDA ELECTROQUÍMICA. LEY DE NERNST. VELOCIDAD
DE CORROSIÓN.
Una celda electroquímica se forma cundo se introducen dos metales en un líquido
conductor de la electricidad.
En una celda electroquímica se pueden observar los dos fenómenos de oxidación
(pérdida de electrones) y de reducción (ganancia de electrones), que pueden dar lugar a
dos procesos: la corrosión electroquímica y la electrodepositación.
Componentes de una celda electroquímica:
a)
Montaje experimental, el amperímetro detecta
el paso de la corriente.
b)
Corrosión de una tubería de acero al unirla
con un racor de cobre
En la celda se tienen los siguientes componentes:
-Cátodo: recibe electrones por el circuito externo a
causa de la reacción química que sufre el ánodo.
-Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe al
abandonar iones metálicos positivos su superficie.15
-Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados.
-Electrolito: es un líquido conductor que sirve de medio para que los iones metálicos
que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo.
Pila electroquímica de hierro y cobre.
Se introducen dos electrodos de hierro y cobre en
sendas disoluciones de concentración 1 M de sus
iones separados por una membrana semipermeable
que deja pasar el disolvente pero no los solutos, con el
fin de que la disolución se mantenga. En ella el hierro
se corroe mientras el cobre se electrodeposita.
Pila electroquímica de hierro y zinc.
En este caso es el Zn el que cede los electrones y por
tanto se corroe.
Estos ejemplos indican que unas veces se corroe y
otras veces no, en función de la pareja de electrolitos
que se forma
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La influencia de la concentración de iones viene dada por la Ley de Nernst, que se
expres por la ecuación:
a temperatura próxima de 25º C
n, es el número de electrones que participa en las reacciones.
[M1n+] y [M2n+] la concentración molar de los iones metálicos.
U2 y U1, la tensión de referncia respecto del hidrógeno de la disolución de 1 M.
La cantidad de metal depositado en el cátodo (electrodepositación), se determina por
la ecuación de Faraday:
donde
m = masa de material depositado o corroído en un tiempo t, t = tiempo en segundos
I = intensidad de corriente en amperios, M = masa molecular del metal
n = valencia del ión metálico, f = constante de Faraday (96.500 culombios/mol)
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TIPOS DE CORROSIÓN
Corrosión uniforme.
Cuando se coloca un metal en un electrolito (puede ser aire húmedo). Es el caso de la
herrumbre en el acero. Es la forma más común y predecible de corrosión, se puede
prevenir con recubrimientos o barnices protectores.
Corrosión galvánica.
Sucede al poner próximos dos metales o aleaciones distintas que están expuestos a un
electrolito (agua, aire húmedo, etc.). Se debe tener cuidado de no poner juntos
metales o aleaciones separados en la serie galvánica.
Corrosión por aireación diferencial.
Sucede en los elementos de un mismo metal que disponen de grietas y rendijas, en las
cuales penetra la suciedad y la humedad, con lo que las zonas exteriores están más
aireadas y las interiores quedan empobrecidas de oxígeno, al desgastarse en la
oxidación y no poder ser renovado.
Picaduras.
El fenómeno es parecido al caso anterior. Las superficies pulidas presentan mayor
resistencia a este tipo de corrosión.
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Corrosión intergranular.
Sucede cuando en los límites del grano ha precipitado una segunda fase, con lo que se
produce una celda galvánica (dos componentes con distinta electronegatividad).
Corrosión por tensiones.
Una deformación en frío puede producir pequeñas grietas, estas zonas con menor
concentración de oxígeno que el exterior hacen de ánodo y comienza la corrosión.
PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN
Diseño.
Se evitará la formación de células galvánicas; por ejemplo, al unir tuberías de acero
con latón.
Otra precaución es que la superficie del ánodo sea mayor que la del cátodo. Por
ejemplo una arandela de cobre sobre una chapa de acero, hace que el cobre tome pocos
electrones del acero y la corrosión del acero es lenta. Pero si arandela es de acero frente
a la chapa de cobre, la corrosión del acero es muy rápida.
Los recipientes para contener líquidos deben ser cerrados y con fondos que faciliten el
vaciado total.
Para evitar grietas que faciliten la corrosión por aireación diferencial se usará la
soldadura en construcciones metálicas.
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Inhibidores.
Utilizan sustancias que reaccionan con el oxígeno y lo eliminan o bien atacan la
superficie que se desea preservar formando un recubrimiento protector. Las sales de
cromo pueden realizar esta función.
Recubrimientos protectores.
Siempre se realizará una escrupulosa limpieza de la superficie que se quiere cubrir.
•Metálicos. Como el Mg, Al, Zn, Sn, Cu, Ni, etc.
•Orgánicos. Son las pinturas que se convierten en una capa impermeable a acciones
externas. Los anticorrosivos como el minio actúan como inhibidores.
•Con reacción superficial. Se produce una reacción química en la superficie. No se crea
una capa, se trata más bien de una reacción química al reaccionar con el agente externo.
Protección anódica o pasivación.
Se forma una película de óxido o de hidróxido, adherente e impermeable, evitando la
formación de celdas galvánicas.
Protección catódica.
Se trata de que el metal que se va a proteger deje de ser ánodo para forzarlo a ser cátodo.
Para ello hay dos variantes, el ánodo de sacrificio y el voltaje impuesto.
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Selección del material.
Emplear materiales o aleaciones resistentes a la corrosión. En ocasiones resulta caro y
no es posible. Un ejemplo es sustituir el acero por aluminio en carpintería metálica.
OXIDACIÓN
Se refiere a la combinación de un metal con el oxígeno del aire (corrosión seca).
La reacción química que tiene lugar en un metal divalente:
Oxidación del metal: M → M2+ + 2eReducción del oxígeno: ½ O2 + 2e- → O2El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos.
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a)
Que la capa de óxido ocupe una superficie menor que el metal del que se formó
(Mg), con lo que se produce una capa porosa que permite que la oxidación siga
avanzando.
b)
Que la capa de óxido ocupe una superficie igual a la del metal de que se formó (Al),
la capa de óxido adherente e impermeable hace que la oxidación se detenga.
c)
Que la capa de óxido ocupe una superficie mayor que el metal de que se formó (Fe),
esa capa inicialmente protectora al aumentar su grosor aparecen tensiones que hace
que se resquebraje y la oxidación continúa.
DEGRADACIÓN DE POLÍMEROS
Al proceso de deterioro de los plásticos debido a fenómenos fisicoquímicos se llama
degradación.
Hinchamiento y disolución.
Sucede en contacto con líquidos de estructura química lo más parecida al polímero
sólido.
Rotura del enlace.
La radiación ultravioleta penetra en el interior del polímero y es capaz de ionizar los
átomos, lo que hace que el polímero se rompa. El oxígeno y el ozono pueden acelerar u
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originar la rotura. Las cadenas moleculares también se pueden romper por la
temperatura.
Exposición a la intemperie.
Comienza con la influencia de la radiación ultravioleta, que facilita su oxidación. Los
fluorocarbonados son inertes a la degradación por agentes atmosféricos.
DESGASTE Y EROSIÓN
Para disminuir el desgaste se recurre a: reducir las cargas en las superficies con
movimiento relativo, que las durezas de las superficies sean parecidas, que las superficies
sean lisas, la lubricación y el grafito de las fundiciones.
Un caso particular es la erosión líquida o cavitación, que sucede cuando un líquido con
burbujas de gas entra en una región de baja presión. Sucede en hélices rotores de turbinas
y bombas hidraúlicas.
También se da erosión líquida cuando un gas, conducido a alta velocidad contiene gotas
de líquido.
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de donde,
In(
e- eº )= -kt
ea-ea
Sustituyendo los valores conocidos:
8ª = 850 ºC temperatura de austenización
80 = 20 º C temperatura del medio refrigerante
8 = 450º C '
t = 19 seg
y despejando k se obtiene:
ln(
de dónde
-2 0
)= -19. k
850 -2 0
450
k = 0,0346
b) La transformación a bainita requiere la utilización de un tratamiento isotérmico adecuado, tal
como se muestra esquemáticamente en la figura siguiente. En este caso, como ocurre con muchos
aceros aleados, se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior, denominada nariz
perlítica, y otra a menores temperaturas, denominada nariz bainítica. Atravesando
isotérmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainíticas.
Así pues, el rango de temperaturas del baño isotérmico debe encontrarse entre:
• Temperaturas del baño : desde Ms a 430 ° C. La pieza deberá permanecer en el baño hasta
que se completen las transformaciones a bainita.
• Para una temperatura de 400 º C, el tiempo de tratamiento: 2000 minutos, obteniéndose
bainita de dureza 32HRC.