Propiedades De Los Materiales

TRANSFORMACIONES DE FASE EN LOS METALES

Los materiales metálicos son versátiles debido a la gran variedad de propie¬dades mecánicas susceptibles de alteración por diferentes medios Las propiedades mecánicas fundamentadas en las características microestructurales se modifican con técnicas adicionales idó¬neas. La evolución de la microestructura de aleaciones mono y bifásicas suele implicar algún tipo de transformación de fase: alteración en el número y/o carácter de las fases.

En los tratamientos de los materiales se produce una gran variedad de trans¬formaciones de fases, que representan alguna alteración de la microestruc¬tura. Estas transformaciones, para los fines de este libro, se dividen en tres categorías. En un grupo se reúnen las transformaciones que son simples di¬fusiones: no cambia ni el número ni la composición de las fases presentes.

En otro tipo de transformación dependiente de la difusión hay alteración en las composiciones de fases y, a veces, en el número de fases. El tercer tipo de transformación es sin difusión y se forma una fase me- taestable.

CINÉTICA DE REACCIONES EN ESTADO SÓLIDO

La mayoría de las reacciones en estado sólido no ocurren instantáneamente porque los obstáculos impiden el desarrollo de la reacción y la hacen depen¬der del tiempo.

Desde el punto de vista microestructural, el primer proceso que acompa¬ña a una transformación de fase es la nucleación o formación de partículas muy pequeñas, casi submicroscópicas, o núcleos de una nueva fase, capaces de crecer. Las posiciones favorables para la formación de estos núcleos son las imperfecciones, especialmente los límites de grano. El segundo proceso es el crecimiento o incremento de tamaño del núcleo. Durante este proceso desaparece volumen de la fase madre. La transformación es completa si el crecimiento de estas nuevas partículas de fases llega hasta alcanzar el equi¬librio.

La velocidad de transformación tiene importancia capital en el trata¬miento térmico de los materiales y su estudio constituye la cinética.

TRANSFORMACIONES MULTIFASE

En las aleaciones metálicas pueden ocurrir transformaciones multifase al va¬riar la temperatura, la composición y la presión externa; sin embargo, en los tratamientos térmicos se utilizan exclusivamente los cambios de temperatu¬ra para generar cambios de fases. Esto equivale a cruzar un límite de fase en un diagrama de fases composición-temperatura, cuando se calienta o se en¬fría una aleación de composición determinada.

Durante una transformación de fases, una aleación evoluciona a través de estados de equilibrio caracterizados por un diagrama de fases en térmi¬nos de fases producidas, composición y cantidad relativa. Los sistemas sólidos se aproximan al equilibrio a una velocidad tan lenta que raramente se consiguen las verdaderas estructuras de equilibrio. Las condiciones de equilibrio sólo se alcanzan si las velocidades de calentamien¬to o de enfriamiento se realizan a una velocidad tan lenta como impráctica. En los enfriamientos de no equilibrio, las transformaciones ocurren a tem¬peraturas inferiores a las indicadas por el diagrama de fases; en los calenta¬mientos, los cambios son a temperaturas superiores. Estos fenómenos se denominan subenfriamiento y sobrecalentamiento, respectivamente.

CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y DE PROPIEDADES EN ALEACIONES HIERRO-CARBONO

Los principios fundamentales de las transformaciones en estado sólido en este apartado se amplían y se aplican a las aleaciones hierro-carbono en tér¬minos de las relaciones entre tratamiento térmico, evolución de microes- tructuras y propiedades mecánicas. Se ha escogido la aleación hierro- carbono (acero) debido a su gran aplicación y a la gran variedad de microes- tructuras y de propiedades.

Bainita

En la transformación de la austenita se forma, además de la perlita, un cons¬tituyente denominado bainita. La microestructura bainítica consta de las fa¬ses ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. La bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de trans¬formación; los detalles microestructurales de la bainita son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio electrónico. La transformación bainítica también depende del tiempo y de la tempe¬ratura y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmico, a temperaturas inferiores a las de formación de la perlita; las curvas de ini¬cio, final y semirreacción son parecidas a las de la transformación perlítica.

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 es¬feroidita, cementita globular o esferoida. . La fuerza impulsora de esta transformación radica en la disminución del límite de fase a-Fe3C. La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida en los diagramas de transformación isotérmica.

Martensita

El enfriamiento rápido (o temple), hasta temperatura próxima a la am¬biental, del acero austenizadó origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transfor¬mación sin difusión de la austenita. La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pe¬queños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transfor¬mación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo.

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LOS ACEROS AL CARBONO

Se discute ahora el comportamiento mecánico de los aceros al carbono con perlita fina, perlita gruesa, esferoidita, bainita y martensita y la relaóión en¬tre la microestructura y las propiedades mecánicas. En la martensita se pue¬de considerar que existen dos fases: ferrita y cementita.

Perlita

La cementita es más dura y más frágil que la ferrita. Por este motivo al au¬mentar la fracción de Fe3C en un acero, mientras permanecen constantes los otros elementos microestructurales, resulta un material duro y resistente.

Tratamientos térmicos de aleaciones metálicas

Un proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frío, esto es, para ablandar y ductilizar un metal agrio. Generalmente se aplica durante los procedimientos de hechurado que nece¬sitan gran deformación plástica, para permitir una porterior deformación sin rotura o excesivo consumo de energía.

Para modificar las propiedades de los aceros se aplican diferentes procedi¬mientos de recocido. Sin embargo, antes de discutirlos es necesario un co¬mentario sobre los límites de fase.

Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por lamina¬ción, constan de granos de perlita (y como máximo una fase proeutectoide). Estos granos son relativamente grandes y de forma irregular, pero de tama¬ño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado! normalizado para afinarlos (p.ej., disminuir su tamaño medio) y producir una distribución de tamaños más uniforme.

El tratamiento térmico denominado recocido total se suele aplicar a los ace¬ros bajos y medios en carbono que se han mecanizado o han experimentado gran deformación plástica durante el hechurado en frío. La microestructura resultante de este recocido es perlita gruesa (además de al¬guna fase proeutectoide) que es relativamente blanda y dúctil.

El tratamiento tér¬mico de esferoidización consiste en calentar la aleación a temperatura justo por debajo del eutectoide (línea A1 de la Figura 11.1 o a 700°C) en la región a+Fe3C del diagrama de fases. Si la fase madre es perlita, el tiempo de esfe¬roidización suele durar de 15 a 25 h. Durante este recocido el Fe3C coalesce para formar partículas de esferoidita.

La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacio¬nada con un parámetro denominado templabilidad.

La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la distancia al extremo templado. Un acero con alta templabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias rela¬tivamente largas; uno de baja templabilidad no.

"Severidad de temple" es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de enfriamiento; el temple más rápido equivale al temple más se¬vero. De los tres medios de temple más utilizados (agua, aceite y aire) el agua es el que produce un temple más severo seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de cada medio también influ¬ye en la velocidad de eliminación del calor. Incrementando la velocidad de enfriamiento a través de la superficie de la probeta, aumenta la efectividad del temple. Los aceites de temple son adecuados para el tratamiento térmico de la mayoría de los aceros aleados. En efecto, para los aceros altos en car¬bono el temple en agua puede resultar demasiado severo porque produce deformaciones y grietas. El enfriamiento al aire del acero al carbono gene¬ralmente produce una microestructura casi totalmente perlítica.

El endurecimiento por precipitación resulta del desarrollo de partículas de una nueva fase, por tanto la explicación del procedimiento del tratamiento térmico se facilita mediante la utilización de un diagrama de fases. En la

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