Indice
-
¿Qué es el acero? Microconstituyentes, estructuras
cristalinas.
-
Características físicas de los aceros.
-
Diagrama hierro carbono.
-
Clasificación de los aceros en función del porcentaje
de carbono.
-
Relación entre características físicas y tamaño de
grano.- Otros productos siderurgicos y sus características.
-
Aleantes y características que aportan al acero.
-
Tratamientos térmicos.
1. ¿Que es el acero?
El término acero sirve comúnmente para denominar, en
ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono
variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del
grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se
producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es
posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.
No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metal
relativamente duro y tenaz.
El temple es el
nombre de un tratamiento que hace uso del cambio de la temperatura para alterar ciertas propiedades de un
material. Con respecto al acero, es muy común que se busque volverlo más duro y
resistente; para ello es necesario enfriarlo muy velozmente. En algunos casos,
se realiza una aleación con otros metales, como ser el manganeso o el níquel.
Cabe mencionar que el descenso térmico no debe ser darse en un período de
tiempo extremadamente corto, dado que en ese caso el metal puede perder su
forma y convertirse en lo que generalmente se denomina vidrio metálico.
Las cuestiones
técnicas señalan que, en el acero tradicional (conocido como acero al carbono),
el carbono no puede representar más del 2,1% del peso de la aleación. Al
superar este peso, aparecen las fundiciones que se moldean ya que, por su
constitución, resultan imposibles de forjar. Por lo tanto, el carbono suele
representar entre el 0,2% y el 0,3% del peso de la aleación.
De todas maneras, existen distintos tipos de aceros.
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida
que se incrementa la temperatura desde la temperatura ambiente:
Hasta los 911
°C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico
centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es
un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las
aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 768 °C (temperatura de Curie
a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas
cantidades de carbono.
Entre 911 y 1400
°C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras
(FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor
compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.
Entre 1400 y 1538
°C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en
el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo
hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.
A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado
líquido.
Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente
en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los
aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un
compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo
que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.
2. Características físicas de los aceros.
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y
mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición
y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden
conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para
infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:
Su densidad media es de 7850 kg/m³.
En función de la temperatura el acero se puede contraer,
dilatar o fundir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y
los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro
es de alrededor de 1.510 °C
en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente
temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria
para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de
otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por
otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C.15
Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.16
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las
aleaciones usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados
llamados alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas
hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas
antes de recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor
memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que
se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos
entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a
aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,
conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros
típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las
herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades
significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos
tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el
hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando
grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se
consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido
protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen
aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de
construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros
inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su
composición es aproximadamente de17 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta
tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero
proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar
los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes
artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no
se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace
por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que
respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el
imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase
del hierro conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros
inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden
del 10% además de algunos aleantes en menor proporción.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca
un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede
valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de
dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α =
0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas
subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por
el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos
complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae
según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del
hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción,
formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.18 El acero da
una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades
mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas
que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
Normalización de
las diferentes clases de acero
Para homogeneizar las distintas variedades de acero que se
pueden producir, existen sistemas de normas que regulan la composición de los
aceros y las prestaciones de los mismos en cada país, en cada fabricante de
acero, y en muchos casos en los mayores consumidores de aceros.
Por ejemplo, en España están regulados por la norma UNE-EN
10020:2001 y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-36010, ambas
editadas por AENOR.19
Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de
AISI (de uso mucho más extendido internacionalmente), ASTM, DIN, o la ISO 3506
3. Diagrama hierro carbono.
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se
representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la
temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se
realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización)
tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando
los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas
transformaciones— por métodos diversos.
La temperatura a que tienen lugar los cambios alotrópicos en
el hierro estará influida por los elementos que forman parte de la aleación, de
los cuales el más importante es el carbono. La figura que mostramos a
continuación muestra la porción de interés del sistema de aleación Fe-C.
Contiene la parte entre Fe puro y un compuesto intersticial, llamado carburo de
hierro, que contiene un 6.67% de C en peso. Esta porción se llamará diagrama de
equilibrio hierro-carburo de hierro.
Antes de
estudiar este diagrama es importante notar que no se trata de un verdadero
diagrama de equilibrio, pues un verdadero equilibrio implicaría que no hubiera
cambio de fase con el tiempo. Sin embargo, es un hecho que el compuesto carburo
de hierro se descompondrá de una manera muy lenta en hierro y carbono
(grafito), lo cual requerirá un período de tiempo muy largo a temperatura ambiente.
El carburo de hierro se dice entonces metaestable; por tanto, el diagrama
hierro-carburo de hierro, aunque técnicamente representa condiciones
metaestables , puede considerarse como representante de cambios en equilibrio,
bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas.
El
diagrama muestra tres líneas horizontales que indican reacciones isotérmicas.
La solución sólida a se llama austenita. La segunda figura muestra ampliada la
porción del diagrama de la esquina superior izquierda. Esta se conoce como
región delta, debido a la solución sólida d. A 2720ºF se encuentra una
línea horizontal que nos marca la reacción peritéctica. Dicha reacción responde
a la ecuación:
La solubilidad máxima del carbono en Fe d (BCC) es de 0.10%
(punto M), mientras que en Fe g (FCC) es mucho mayor. La presencia de carbono
influye en el cambio alotrópico d Û g. Conforme crece la proporción de C, la
temperatura del cambio alotrópico aumenta de 2554 a 2720ºF al 0.10% de C.
Considérese el significado de la línea NMPB. Al enfriar, la línea NM,
representa la frontera del cambio de estructura cristalina de Fe d (BCC) a Fe g
(FCC) para aleaciones que contienen menos del 0.10% de C. La línea MP
representa la frontera del cambio de estructura cristalina por medio de la
reacción peritéctica para aleaciones entre 0.10 y 0.18% de C. Para aleaciones
que contienen menos del 0.18% de C, al enfriar, el final del cambio de
estructura está dado por la línea NP. La línea PB representa el inicio y el fin
de la reacción peritéctica para composiciones entre 0.18 y 0.5% de C. En otras
palabras, para aleaciones entre 0.18 y 0.50% de C, el cambio alotrópico empieza
y termina a temperatura constante. Nótese que cualquier aleación que contenga
más de 0.5% de C solidificará en austenita directamente (a la derecha del punto
B).
En el diagrama de más abajo se muestra la reacción
eutéctica. El punto E del diagrama, es el punto eutéctico, de composición 4.3%
de C y que ocurre a 2065ºF.
La línea horizontal CED representa la reacción eutéctica. Cuando una
determinada aleación cruce esta línea, la parte líquida que la compone debe
solidificar en la mezcla de las dos fases que estén en ambos extremos de la
línea horizontal: austenita y carburo de hierro (llamada cementita) en este
caso. Esta mezcla eutéctica, como ya explicamos, se llama ledeburita, y la
ecuación puede escribirse como:
La microestructura de esta mezcla eutéctica generalmente no
resulta visible debido a que la austenita no es estable a temperatura ambiente
y sufre varias reacciones durante el enfriamiento.
Se puede
observar que a 1666ºF
ocurre un cambio de estructura cristalina de Fe puro g (FCC) a a (BCC). El
pequeño área a la izquierda de la línea GH, es una solución sólida de una
pequeña cantidad de carbono disuelto en Fe a (BCC), y se llama ferrita. El
diagrama muestra una tercera línea horizontal HJK, que representa la reacción
eutectoide. El punto eutectoide, J, está situado a 0.80% de C y a 1333ºF. Cualquier porción de
austenita presente se transformará en una fina mezcla eutectoide de ferrita y
cementita, llamada perlita. La ecuación que describe la reacción eutectoide es:
Por debajo de la línea eutectoide, la aleación consistirá en
una mezcla de ferrita y cementita conforme indica el diagrama. Si se toma como
base el contenido de carbono, es práctica común dividir el diagrama
hierro-carburo en dos partes: aquellas aleaciones que contienen menos del 2% de
carbono se conocen como aceros, y aquellas que contienen más del 2% se conocen
como hierros fundidos. El intervalo de aceros se subdivide aún más en base al
contenido de carbono eutectoide (0.8% de C). Así, los aceros que contienen
menos del 0.8% de C se llaman aceros hipoeutectoides, en tanto que los que tienen
entre 0.8 y 2% de C se llaman hipereutectoides. El intervalo de hierros
fundidos también puede subdividirse por el contenido de carbono eutéctico (4.3%
de C). De esta forma tenemos que los hierros fundidos con composición de C < 4.3%, se conocen como hierros fundidos
hipoeutécticos, y de la misma manera por oposición, existen los hipereutécticos.
4. Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono.
Los aceros se pueden clasificar en función de varios
criterios, esto da lugar a varias clasificaciones, la más utilizada de todas
ellas es la clasificación en función del porcentaje de carbono disuelto:
El porcentaje de carbono disuelto en el acero condiciona las
propiedades del mismo. Así cuanto mayor sea el porcentaje de carbono disuelto
en el acero, éste presenta más dureza y más resistencia a la tracción. Teniendo
esto presente es posible clasificar los aceros en:
5. Relación entre características físicas y tamaño de grano.
El tamaño de grano tiene considerable influencia en las
propiedades mecánicas de los metales y aleaciones, por eso es de gran interés
conocerlo. Así pues, podemos entender que la realización de los diferentes
tratamientos térmicos tenga como principal objetivo obtener el tamaño de grano
deseado. Resulta evidente que dicho tamaño de grano es inversamente
proporcional al número de granos presentes en la muestra.
Cálculo teórico del tamaño de grano:
El tamaño de grano se expresa, según norma ASTM, mediante el
número G obtenido de la expresión:
Número de granos / pulg2 a 100X = 2G-1
Donde G es el número de tamaño de grano de uno a ocho; este
método se aplica a metales que han recristalizado completamente.
Según el mismo criterio, se considera:
· grano grueso
cuando G < 5 (diámetro de grano 62 micras)
·
grano fino cuando G > 7 (diámetro de grano 32 micras)
Podemos hacernos una idea del tamaño de grano, según el índice
G si observamos la siguiente figura:
 |
| Tamaño de grano ordenado desde G=1 (esquina
superior izquierda) hasta 8 (esquina inferior derecha). |
Los límites de grano, son el lugar en que ocurren,
preferentemente, las reacciones en estado sólido. En general, la energía libre
de una cantidad de masa de metal dada disminuye a medida que aumenta el tamaño
de grano. La causa del cambio de energía es la disminución de la energía
interfacial asociada a los límites de grano. Esta disminución de energía es la
fuerza impulsora que tiende a producir el crecimiento del grano. Ahora bien, en
la mayoría de las condiciones de aplicación de los metales, la velocidad de
crecimiento del grano es muy pequeña, y sólo a temperaturas elevadas el
crecimiento se produce rápidamente. Un material de grano fino será, por lo
tanto, más duro y más resistente que un material de grano grueso, el cuál (este
último) tendrá más juntas de grano donde se acumularán más tensiones. Por todo
lo anterior debe verificarse que la dureza es inversamente proporcional al tamaño
de grano.
6. Aleantes y características que aportan al acero.
Aunque la composición química de cada fabricante de aceros
es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de
los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus
porcentajes admisibles
Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros
de nitruracion, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como
desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros.
Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes
pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%.
Boro: logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando
el acero está totalmente desoxidado.
Acería. Nótese la tonalidad del vertido.
Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora
la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros.Se
usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la
herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las
propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para
la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de
construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia
en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30% a 30%, según los
casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los
aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta
la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc.Forma carburos muy duros y
comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier
temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros
características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en
revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al
desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas
muy delgadas de acero que conforman la hojalata.
Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros,
debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para
neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre
suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos
durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como
desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se
desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material.Si
los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el
azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían
sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.)
que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al
encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las
piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros
ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento
fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de
0,30 a
0,80%.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho
la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros
inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la
corrosión.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la
formación de austenita.
Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo
del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo
que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace
descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a
temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios.
Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene
para una misma dureza, un limite de elasticidad ligeramente más elevado y
mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja
aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo
un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados
en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad, se
destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno.El
níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros
inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se
emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de austenita,
que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho
para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en
él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que
favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado,
taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje
oscila entre 0.15 y 0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores
inferiores al 0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad
en caliente.se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como
elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero.
Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el
hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas
temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los
que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para
herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma
carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena
resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para
herramientas.
Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero
galvanizado.
Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden
configurar un tipo determinado de acero están normalizados.
7. Tratamientos térmicos.
Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de
operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de
temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, etc., de los metales o
las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades
mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los
materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el
acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican
tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.
Es un hecho experimental que cuando un acero es calentado o
enfriado se pueden llegar a producir cambios en su estructura, cambios de fase.
Llamaremos fase a cada una de las partes homogéneas
físicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes.
Centrándonos en los aceros un cambio de fase será pues un
proceso en el que el acero cambie de estructura interna y por tanto de
propiedades físicas.
A la temperatura a la que se producen cada uno de estos
cambios se le conoce como “punto crítico”.
El estudio de estas transformaciones se realiza desde un
doble punto de vista.
Por un lado estudiaremos la termodinámica del proceso: a
través de los diagramas Fe-C se determinará el estado de equilibrio que
alcanzaría el sistema en unas conciones dadas de composición y temperatura.
Por otro lado se estudia la cinética (la velocidad) del
proceso, es decir, el estado que realmente alcanza el sistema en función de la
velocidad a la que se realiza el enfriamiento. Para ello utilizaremos los
diagramas TTT.
DIAGRAMA Fe-C
Si representamos en un gráfico temperatura- composición los
puntos en los que se producen estas transformaciones, obtendremos unas líneas
que se corresponden con las condiciones de las transformaciones.
Las líneas más importantes que se obtienen reciben los
siguientes nombres:
A1 (Ac1 ó Ar1): Temperatura
del eutectoide.
A3 (Ac3 o Ar3):
Línea de transformación alotrópica de austenita en ferrita.
Am (Acm o Arm):
Curva de pérdida de solubilidad de carbono en la austenita.
En el diagrama Fe-C puede verse como cuando un acero con un
contenido bajo en carbono es enfriado lentamente, su estructura estará formada
principalmente por ferrita.
Si se trata de un acero de alto contenido en carbono se
favorece la formación de cementita dura.
Y para aceros de un 0.8 % de carbono la estructura obtenida
es 100 % perlítica.
Para el estudio de las transformaciones de fase del acero se
utilizará el acero eutectoide. Este acero es el que se corresponde con una
composición del 0.8%C y un estructura 100% de perlita. Para el resto de los
aceros habrá que tener en cuenta la presencia de otros constituyentes
estructurales, como la ferrita y la cementita.
Para el estudio de las transformaciones de fase durante el
enfriamiento, se utiliza el diagrama de descomposición isotérmica de la
austenita, denominado también diagrama T.T.T.
(Transformación-Tiempo-Temperatura).
Estos diagramas
tienen en cuenta una variable determinante en el proceso y que los diagramas de
fase Fe-C no tienen en cuenta, el tiempo que dura el proceso.
Estos diagramas
representan las curvas de enfriamiento respecto a las coordenadas
temperatura-tiempo.
DIAGRAMA TTT
Para este análisis emplearemos el diagrama T.T.T.
correspondiente al acero eutectoide (0.8%C).
En estos gráficos se representa en el eje de abscisas el
tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.
Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que,
fijada una temperatura constante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se
transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre
el diagrama.
Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de
probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la
temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y
mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la
probeta se haya austenizado completamente.
A continuación se comienza a enfriar cada una de las
probetas a distintas velocidades y se van observando los microconstituyentes
que se van obteniendo.
Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente:
La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como
producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas).
La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La
velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros,
pero el microconstituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más
fino, llamado también sorbita.
A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se
obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes
microconstituyentes. Así la línea V3 produce trostita, la V4 bainita superior y
la V5 vainita inferior.
Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se
pretende es que toda la austenita se transforme en martensita. Es por ello que
el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de
producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la
región superior de temperaturas (V6).
A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme
martensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple
(VC). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una
velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos
perlíticos, principalmente troostita o bainita, lo que disminuirá la dureza del
material tratado.
Así definimos:
Transformación martensítica.
Transformación en la cual la austenita se subenfría a una
velocidad superior a la crítica (Vc).
Con ello se origina martensita (solución sólida de carbono en Feγ) de
red tetragonal.
Las principales características del proceso son:
- Ocurre
sin difusión.
- El
contenido de carbono de la martensita sigue siendo el de la austenita que
la generó.
- La
transformación tiene lugar a intervalos a partir de la curva de inicio de
transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).
- Se
trata de una transformación irreversible.
- La
tetragonalidad de la martensita depende de la concentración de carbono.
- Se
forma una estructura en forma de láminas o agujas.
- El
metal así obtenido queda en estado inestable con una gran cantidad de
tensiones internas.
