Los Aceros Tratamientos Termicos

Tratamientos térmicos de los aceros

Introducción.

En el capítulo 5 estudiamos a las aleaciones ferrosas, divididas en grandes familias que

van desde los aceros al bajo carbono hasta los hierros colados, dentro de límites específicos de

temperatura, presión y composición.

Esta unidad aporta los conocimientos básicos referentes a los tratamientos térmicos de los

aceros, los cuales son principalmente aleaciones de hierro y carbono. Después de su

procesamiento, dichos aceros poseen cierta estructura y propiedades, lo cual los hace útiles

para ciertas aplicaciones.

Sin embargo, mediante el proceso denominado “Tratamiento Térmico” estos materiales

pueden variar su estructura y con ella cambiar sus propiedades, y cubrir otras necesidades y

aplicaciones requeridas.

Para una mejor comprensión de esta unidad, es necesario en primer lugar conocer los tipos

de reacciones de tres fases, la temperatura de transformación de las fases y las fases presentes,

que ocurren durante el calentamiento o enfriamiento del sistema hierro-carbono.

También es importante recordar la unidad 4 respecto a la construcción e interpretación de

los diagramas de fases, y la relación que existe entre las fases y las propiedades del material.

Las aplicaciones del acero como material tecnológico son muy variadas. En un extremo se

tienen los aceros blandos o dúctiles con escaso contenido de carbono y en el otro extremo, se

encuentran los aceros duros o frágiles con un alto contenido de carbono.

Otros aceros deben tener una alta resistencia a la corrosión, cuando son expuestos a un

medio ambiente corrosivo. Los aceros utilizados en aplicaciones eléctricas deben tener

propiedades magnéticas especiales, de tal manera que puedan se magnetizados y

desmagnetizados varias veces por segundo, con pérdidas mínimas de potencia.

Todas estas y muchas más de las propiedades requeridas en la gran variedad de aceros

existentes, pueden ser explicadas mediante el diagrama de fases del sistema hierro-carbono.

Fases del sistema simple hierro-carbono.

Durante su calentamiento el hierro puro, cambia su estructura dos veces antes de alcanzar

su punto de fusión. Es decir, al alcanzar la temperatura de 912 °C, cambia de C.C a C.C.C.

Después al llegar a los 1394 °C, vuelve a cambiar de C.C.C a C.C. Dicha estructura

permanece estable hasta que el hierro se funde a 1538 °C aproximadamente.

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RNC 231 Propiedades de los Materiales I

A continuación se definen y explican las fases, por las que atraviesa el hierro puro durante

su calentamiento.

Ferrita o hierro  .

El hiero puro a temperatura ambiente y hasta los 912 °C, tiene una estructura llamada

hierro  o ferrita. La ferrita es bastante blanda y dúctil. A temperaturas menores de 770 °C

es un material ferromagnético.

Debido a que la ferrita tiene una estructura C.C., los espacios interatómicos son muy

pequeños para acomodar átomos de carbono por el mecanismo intersticial y muy grande para

hacerlo por el sustitucional, motivo por el cuál la solubilidad del carbono en la ferrita es muy

baja.

Por tanto la ferrita es una solución sólida de carbono en hierro  , cuya solubilidad a la

temperatura ambiente es del orden de 0.008% de

carbono, por esto se considera como hierro puro, la

máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de

0,02% a 723 °C. La figura 6.1. muestra la

microestructura del acero al carbono, resaltando los

cristales blancos de ferrita.

La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros,

tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la

tracción de 275 MPa, llegando hasta un alargamiento del

40%. La ferrita se observa al microscopio como granos

poligonales claros.

En los aceros de menos de 0.6 % de carbono, la ferrita puede aparecer como cristales

mezclados con los de perlita (cristales oscuros), figura 6.1, formando una red o malla que limita a

los granos de perlita.

En los aceros de 0.6 a 0.85% de carbono, la ferrita aparece en forma de agujas o bandas

circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austerita, como es el

caso de los aceros en bruto de colada o los aceros que han sido sobrecalentados.

La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita, formando láminas

paralelas separadas por otras láminas de cementita.

En la estructura globular de los aceros para herramientas, la ferrita aparece formando la

matriz que rodea los glóbulos de cementita.

En los aceros hipoeutectoides templados, la ferrita puede aparecer mezclada con la

martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.

Figura 6.1 Microestructura del acero al carbono

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Austenita o hierro  .

Al alcanzar la ferrita o hierro  , la temperatura de 912 °C, ésta cambia su estructura C.C

a una C.C.C., conservándola hasta los 1394 °C. A esta modificación estructural se le conoce

como austerita o hierro  .

En este intervalo de temperaturas (912-1394 °C), la austenita o hiero   es blanda y dúctil

y en consecuencia es adecuada para procesos de fabricación. Ésta razón conlleva a que el

forjado y laminado de la mayoría de los aceros, se efectúa a 1100 °C o más, aprovechando la

estructura C.C.C. del hierro. La austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura.

Puesto que la estructura austenítica tiene sitios intersticiales mayores que la ferrítica, estos

sitios son apenas los suficientemente grandes para alojar átomos de carbono intersticiales, los

cuales al acomodarse producen deformaciones en la estructura. Como resultado de ello, los

sitios no pueden ser ocupados por todos los átomos de carbono, por tanto, la máxima

solubilidad del carbono en la austenita o hierro  , es tan solo de 2.11 %.

Por definición, los aceros contienen hasta 2.0 % de carbono, así que, a elevadas

temperaturas el carbono de los aceros puede estar completamente disuelto en la austenita.

La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución

sólida por inserción de carbono en hierro  . La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al

2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de

1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura

ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel

denominados austeníticos cuya estructura es austenítica a

temperatura ambiente. La figura 6.2 ilustra la

microestructura de la austenita.

La austenita está formada por cristales cúbicos

centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una

resistencia a la tracción de 980 MPa, y un alargamiento del

30 %. No es magnética.

La austenita no puede atarcarse con nital, ésta se

disuelve con agua regia y glicerina, apareciendo como granos poligonales frecuentemente

maclados. También puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.

Ferrita o hiero  .

Por encima de los 1394 °C, la austenita C.C.C., deja de ser la forma más estable del hierro,

y se transforma nuevamente en una estructura C.C., llamada ferrita o hierro  .

Figura 6.2. Microestructura de la austenita.

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El hierro  tiene las mismas características que el hierro  , a excepción de su

intervalo de temperaturas de estabilidad, y por tanto para diferenciarlo se le conoce como

hierro  . La solubilidad del carbono en el hierro   es pequeña, pero significativamente

mayor que en el hierro  , debido a la alta temperatura.

Cementita o carburo de hierro (Fe3C).

En las aleaciones hierro-carbono el exceso de carbono respecto al límite de solubilidad

deberá formar una segunda fase, la cuál se denomina cementita o carburo de hierro.

La composición química de la cementita es (Fe3C), lo cual no significa que la cementita

forme moléculas, sino que, la red cristalina contiene átomos de hierro y carbono en proporción

de tres a uno.

La cementita es la microestructura más dura y frágil de los aceros al carbono, alcanzando

una dureza Brinell de 700 (68 RC). Tiene una estructura tetragonal con 12 átomos de hierro y

4 de carbono por celda unitaria, lo que representa un contenido de carbono de 6.67 % y 93.33

% de hierro.

La presencia de cementita o carburo de hiero con ferrita, en el acero incrementa la

resistencia mecánica de éste. Sin embargo, debido a la dureza del carburo de hierro, el acero

no resistiría concentraciones de esfuerzos.

En las probetas atacadas con ácidos se

observa de un blanco brillante y aparece como

cementita primaria o proeutéctoide.

En los aceros con más de 0.9 % C, la

cementita aparece como una red que envuelve

los granos de perlita, formando parte de la ella;

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