Tratamientos térmicos del acero

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Tema 6:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

Son operaciones o conjunto de operaciones que consisten en someter a los aceros en estado sólido a uno o varios ciclos térmicos con el objeto de “mejorar” sus características a través de provocarle cambios en su estructura.

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Todo tratamiento térmico consta de tres etapas:

• Calentamiento

• Permanencia a una temperatura determinada

• Enfriamiento

En la mayoría de ellos, el calentamiento debe hacerse hasta unos 30 a 50ºC por encima de la temperatura Ac3 obtenida del diagrama Fe-C. Las piezas deben colocarse en el horno frío y la temperatura elevarse lentamente, tanto más cuanto mayor sea la sección de la pieza o cuando se tratan aceros especiales de alta aleación, para evitar tensiones por dilataciones desiguales entre el núcleo y la superficie. Cuando, como ocurre frecuentemente, se carga el horno ya caliente, sólo en esos casos particulares se especifica uno o dos precalentamientos.

La pieza debe permanecer en el horno hasta que la temperatura se iguale en todos sus puntos y la estructura se homogeinice. Una regla conservadora recomienda que el tiempo de permanencia sea de una hora por pulgada de espesor.

Si la temperatura es demasiado alta o el tiempo excesivo, se producirá un SOBRECALEN-TAMIENTO, es decir, se obtendrá tamaño de grano basto (muy grande) que es perjudicial para el acero. En ese caso, si no hubo alteración de los bordes de grano, luego del sobrecalentamiento puede regenerarse la estructura mediante otro tratamiento térmico. En cambio, cuando penetra oxígeno en ellos, se produce un QUEMADO, que ya no puede corregirse.

6.1 Transformaciones estructurales de la austenita

Cuando el enfriamiento del acero es lento, los cambios de fase que tendrán lugar pueden predecirse mediante el diagrama de equilibrio Fe-C ya estudiado. En cambio, si las transformaciones se

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Tratamientos térmicos del acero

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Tecnología de los materiales

producen fuera del equilibrio, se forman nuevas fases y otros constituyentes. Se aprecia:

• Disminución de las temperaturas de comienzo de formación de ferrita (A3) y eutectoide (A1)

• La transformación eutectoide ya no ocurre a temperatura constante y sí con concentraciones de carbono más bajas
• Disminución de la cantidad de ferrita hasta desaparecer

• Disminución de la distancia interlaminar de la perlita (perlita muy fina)
• Para velocidades mayores, aparición de troostita (intermedio de temple)
• Crecimiento acicular de la ferrita

• Para velocidades aún mayores, cuando la difusión del carbono es impedida, aparición de martensita

• Surgimiento de otra estructura, entre la perlita y la martensita, denominada bainita, en la que la ferrita crece en forma acicular y la cementita precipita en el interior de las agujas o plumas

Todas estas transformaciones que tienen lugar en los aceros como consecuencia del cambio alotròpico del hierro, se representan en los diagramas temperatura/tiempo/transformación o diagramas TTT.

6.1.1.        DIAGRAMAS TTT

Los diagramas TTT son datos que proveen los fabricantes de los aceros y se usan para determinar las condiciones de los tratamientos térmicos para obtener en las piezas, las propiedades mecánicas especificadas en los planos. En las figuras 6-1 y 6-2 se representan dos diferentes, correspondientes a aceros de 0,8 y 0,45 % C. Se aprecian las regiones de estabilidad e inestabilidad de la austenita y las líneas de comienzo y fin de cada transformación. La región a la derecha de la línea de final de transformación es la de ferrita y cementita ya estables; de acuerdo a la temperatura de formación, estas fases se combinarán en ferrita libre, perlita o bainita. El punto situado más a la izquierda del diagrama se llama nariz perlítica. Se puede observar que dicha nariz está más desplazada a la derecha cuanto mayor es el contenido de carbono y cuando se encuentran disueltos en la austenita la gran mayoría de los elementos aleantes del acero.

Existen dos tipos de diagramas:

1. Los de transformación isotérmica: que se utilizan para predecir el tiempo que debe permanecer el acero a una dada temperatura hasta completar los cambios estructurales esperados.

1. Los de enfriamiento continuo: para conocer los constituyentes de la estructura que se obtendrán para diferentes velocidades de enfriamiento. Un dato que se extrae de éstos es la velocidad crítica de temple: mínima velocidad de enfriamiento para la que se produce la transformación completa de austenita en martensita.

Los diagramas de aceros hipo e hipereutectoides (figuras 6.2 y 6.3), presentan una zona superior donde se produce la separación de ferrita libre o cementita (secundaria), respectivamente. A continuación por debajo de la temperatura A1, comienzan a formarse los cristales de ferrita y cementita constitutivos de la perlita; cuando la temperatura es elevada, los granos son grandes y las láminas gruesas. A temperaturas más bajas, cuando la difusión se encuentra restringida, la perlita es más fina. Por debajo de la nariz se forma una nueva estructura: bainíta. Como ya se dijo, está constituida por ferrita en forma de agujas o plumas con carburos precipitados. Tiene elevada dureza y tenacidad, pero baja resistencia a la fatiga.

Cuando la velocidad de enfriamiento es superior a la crítica, no hay tiempo para la difusión del carbono, quedando, luego de la transformación alotrópica, ferrita sobresaturada. Esto produce una deformación de la red, tanto mayor cuanto mayor sea el contenido de carbono del acero. La estructura se

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denomina martensita, tiene elevada dureza, fragilidad y límite de fatiga, y ocupa mayor volumen que la austenita que le dio origen. Observada al microscopio, presenta aspecto acicular, más fino para elevados porcentajes de carbono.

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La transformación de austenita en martensita no depende del tiempo, comienza a un valor de temperatura denominado Ms y termina cuando ha descendido hasta otro llamado, Mf. Los valores de Ms y Mf dependen del acero, disminuyendo cuando aumenta el contenido de carbono y de otros elementos aleantes como cromo, manganeso y níquel, y cuando el grano austenítico es grande. Más adelante este tema se desarrollará con mayor profundidad.

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Cuando Ms y Mf son bajas y la nariz perlítica se encuentra desplazada a la derecha del diagrama, el acero es más templable. La velocidad crítica (tangente a la nariz, sin tocarla) es menor y puede obtenerse martensita enfriando en medios menos severos como el aceite. La templabilidad de un acero indica su capacidad para adquirir dureza en el temple y que ésta penetre hacia el interior

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