Materiales para IngenieríaActividad 5

Actividad 5• Tratamiento Térmico Generalidades• Teoría del tratamiento térmico• Las transformaciones en el acero

Tratamiento Térmico• Es el proceso tecnológico encargado de darle las propiedades

y estructuras finales a la mayoría de los elementos de máquina y estructurales

• El objetivo del tratamiento térmico es obtener el cambio de estructura y propiedades deseado en un elemento de máquina o pieza a través de un régimen térmico determinado de forma permanente, variando la temperatura hasta un valor y durante un tiempo en el cual se produzcan los cambios deseados y con la velocidad de calentamiento y enfriamiento adecuada

• Para que cambien sus propiedades es necesario que como producto del tratamiento térmico ocurran transformaciones de fase estables

Factores fundamentales que influyen en el tratamiento térmico• Temperatura de tratamiento• Tiempo de permanencia• Velocidad de enfriamiento• Velocidad de calentamiento• Ciclos de tratamiento• Medio de enfriamiento y calentamiento• Permite representar gráficamente para cada tipo de

tratamiento• Inercia de calentamiento o enfriamiento

Clasificación de los T.T.• Primer grupo (Recocidos de estabilización) • Eliminación de tensiones• Eliminación de acritud• Recuperación de propiedades mecánicas• Homogenización de la composición química• Grafitización• Tratamiento térmico consistente en calentar un metal que como

resultado de un proceso anterior cualquiera, se encuentre en estado inestable, y hacerlo pasar a un estado más estable

Clasificación de los T.T.• Segundo grupo (Recocido de recristalización fásica o de

segundo género)• Producen transformación de fases• Disolución de una fase• Calentamiento por encima de la temperatura de transformación

de fase con un posterior enfriamiento lento logrando un estado de equilibrio

Clasificación de los T.T.

• Tercer grupo (Temple)• Aquellos que después de calentar por encima de una

transformación de fase al enfriarlos, la integridad de la transformación de fase inversa depende de la velocidad de enfriamiento

• Se trata de apartar a la aleación del estado de equilibrio• Se le denomina Temple verdadero al tratamiento del tercer grupo

que logra fijar toda la fase estable a altas temperaturas a temperatura ambiente.

Clasificación de los T.T.

• Cuarto grupo (revenido)• Acerca a las aleaciones templadas al estado de equilibrio, con el

aumento de la temperatura a niveles donde la difusión pueda acercarla a la estructura de equilibrio y de cierta forma ocurra la transformación de fase inconclusa.

• Es un tratamiento secundario que siempre se realiza después del temple.

Clasificación de los T.T.

• Quinto grupo (T.T. Termoquímicos)• Elevación de la temperatura dentro de una atmosfera rica en un

elemento químico que se quiere introducir en la superficie de un elemento de máquina o pieza para que con ayuda de la difusión se cambie la composición química de la aleación en profundidades menores de 2 mm

• Se logra cambiar la composición química y la estructura de la superficie

• En varios de estos es necesario la aplicación de tratamientos térmicos posteriores.

Clasificación de los T.T.

• Sexto grupo (T.T. Mecánicos)• Tratamiento térmico donde se combinan las transformaciones

estructurales con la deformación plástica

Tratamiento térmico y diagrama de estado• El tipo de diagrama de estado indica los posibles tratamientos

térmicos posibles a aplicar en él y en que intervalos de temperatura.

• Los tratamientos de los grupos segundo al cuarto necesitan que existan transformaciones polimórficas en la aleación, o al menos una precipitación por falta de solubilidad.

• En los tratamientos termoquímicos el espesor de la capa difundida es una representación de las estructuras obtenidas en el diagrama de fases del elemento difundido y el que disuelve

• Al estudiar los tratamientos térmicos es necesario recordar que el diagrama de estado es válido en condiciones de equilibrio, cuando el tratamiento térmico rompe las condiciones de equilibrio es necesario conocer las deformaciones del diagrama producto del desequilibrio

Nomenclatura necesaria

• A1 – Se refiere a la línea PSK, donde comienza o termina la transformación de la austenita en ferrita o en cementita, a la temperatura de 727 grados Celcios

• A3 – Se refiere a la curva GSE, donde se separa la zona de donde solo existe la austenita de la zona donde comienza su transformación en ferrita o cementita conocida como ACM

• Ar – El subíndice r se refiere al enfriamiento

• Ac – El subíndice c se refiere al calentamiento

Tratamientos térmicos fundamentales del acero• Recocido Incompleto• Recocido de recristalización de fase con calentamiento por encima de

AC1 seguido de un mantenimiento y un enfriamiento lento. La estructura final es perlita + (ferrita o cementita) La recristalización no será total

• Recocido Completo• Recocido de recristalización de fase con calentamiento por encima de

AC3 seguido de un mantenimiento y un enfriamiento lento. La estructura final es perlita + (ferrita o cementita) La recristalización es total

• Normalizado• Recocido de recristalización de fase con calentamiento por encima de

AC3 seguido de un mantenimiento y un enfriamiento al aire. La estructura final es perlita + (ferrita o cementita) La recristalización es total, es un intermedio entre el recocido y el temple

Tratamientos térmicos fundamentales del acero• Temple incompleto• Calentamiento con recristalización de fase por encima de AC1

seguido de un mantenimiento y un enfriamiento rápido. La estructura final es martencita + (ferrita o cementita). La recristalización no será total

• Temple completo• Calentamiento con recristalización de fase por encima de AC3

seguido de un mantenimiento y un enfriamiento rápido. La estructura final es martencita. La recristalización será total

• Revenido • Calentamiento del acero ya templado por debajo de AC1 con

transformación de fases inestables a más estables. La estructura final dependiendo de la temperatura serán vainita, sorbita o trostita

Las cuatro transformaciones del acero

• La transformación de perlita en austenita• Feα(C) + Fe3C Feγ(C) o P A

• La transformación de austenita en perlita• Feγ(C) Feα(C) + Fe3C o A P

• La transformación de austenita en martencita• Feγ(C) Feα((C)) o A M

• La transformación de martencita en Perlita• Feα((C)) Feα(C) + Fe3C o M P

Formación de la austenita• Realmente la transformación de perlita en austenita solo puede

efectuarse a las temperaturas del diagrama de estado solo si el calentamiento es muy lento.

• A velocidades de calentamiento industriales es necesario calentar por encima de esas temperaturas para que se produzca la transformación (sobrecalentamiento)

• Mientras mayor es el sobrecalentamiento más rápido se produce la transformación

• La austenita recién formada es heterogenea, en aquellos lugares donde había cementita tendrá mayor contenido de carbono

• Para que se produzca la homogenización de la austenita debe transcurrir tiempo suficiente o incrementar la temperatura para que ocurra la difusión

• El tamaño inicial del grano o cristal de la cementita influye en la rapidez del proceso de homogenización

Crecimiento del grano austenítico

• Los primeros granos de austenita se forman en los límites de los granos de ferrita y cementita, obteniéndose un grano fino en el primer estadio, denominándose grano inicial de la austenita

• El calentamiento posterior provoca el crecimiento del grano de la austenita como un mecanismo espontaneo ayudado por el crecimiento de la temperatura

• Se definen dos tipos de acero de grano fino hereditario y de grano grueso hereditario (Refiriéndose a cuan propenso es al crecimiento del tamaño de grano de la austenita después del calentamiento fásico)

• En el caso de los aceros de grano fino hereditario, el tamaño de grano no comienza a aumentar hasta los 950 – 1000 grados celcios, donde comienza a crecer indefinidamente

• El acero de grano grueso el grano de la austenita comienza a crecer inmediatamente después de pasar el punto crítico AC1

Elementos del crecimiento del grano

• Granulación hereditaria: Tendencia del grano austenítico al crecimiento

• El tamaño de grano obtenido como resultado de un tratamiento térmico se denomina tamaño de grano real

• El tamaño de grano de la perlita depende del tamaño de grano de la austenita de los cuales se forma

• La temperatura de calentamiento y la granulación hereditaria definen el tamaño de grano final de la perlita

• Si la austenita se obtiene de una martensita o Bainita el tamaño del grano de la austenita es semejante al que tenía antes del temple, producto de la permanencia en la red de los defectos pertenecientes a los límites de granos austeníticos anteriores

Elementos del crecimiento del grano

• Este mismo grano austenítico si se calienta a una temperatura más alta se hace inesperadamente más fino (esto caracteriza a la Austenita obtenida de la martensita o vainita)

• Existen dos mecanismos de crecimiento de grano el de fusión y el migratorio

• El de fusión comienza a actuar cuando la movilidad difusora se hace suficiente para cicatrizar los defectos que en los límites de grano impiden su fusión, permitiendo el crecimiento de granos grandes en temperaturas en que la migración no ha adquirido gran velocidad.

• El proceso de fusión tiene lugar entre 900 y 1000 grados Celsius• El proceso migratorio tiene lugar a temperaturas por encima de

1100 grados Celsius

Determinación de la granulación hereditaria• Calentar el acero hasta temperaturas en que comience a crecer

el grano en aceros de grano grueso hereditario y que todavía no crezca el de grano fino hereditario (930 grados Celsius para aceros ordinarios de construcción)

• Luego de medir el tamaño de grano si el número correspondiente está entre 1—4 se denominan de grano grueso hereditario y si es mayor o igual a 5 es de grano fino hereditario.

• Usar procedimiento estandarizado internacionalmente para la medición del tamaño de grano

• En las propiedades del acero influye el tamaño real• En el proceso tecnológico de tratamiento térmico influye el

hereditario• Por lo regular los aceros calmados son de grano fino hereditario

Descomposición de la austenita

• Transformación de la austenita en perlita Feγ(C) Feα(C) + Fe3C• Se necesita cierto subenfriamiento para que comience la

transformación al pasar por Ar1

• Esta transformación depende del proceso de difusión.• Mientras mayor es el subenfriamiento menor es la velocidad

de difusión por lo que la velocidad de transformación será más lenta

Descomposición de la austenita

• Mientras mayor es el subenfriamiento mayor diferencia entre las energías libres de la austenita y la perlita haciendo más estable la perlita, favoreciendo a una mayor velocidad de transformación

• Estos dos efectos contrarios obtienen una curva con un máximo de velocidad de transformación en la mitad de la transformación

• La formación de la perlita es el surgimiento de cristales o nucleación y la velocidad de su crecimiento que ambos procesos dependen del grado de subenfriamiento.

• Transcurre en un tiempo y puede representarse en una curva cinética de transformación

Curva de transformación isotérmica de la austenita• Diagrama de transformación tiempo temperatura (T.T.T.)• Se construyen midiendo el tiempo inicial y final de

transformación a temperatura constante.• En dependencia del Grado de subenfriamiento se obtienen

tres tipos de estructuras Perlita, sorbita, trostita que difieren entre si por el grado de dispersión de la ferrita y de la cementita

• Todas estas estructuras son laminares, porque parten de austenita homogénea

• Pasan a ser globulares cuando parten de austenita heterogenea

• Las curvas T.T.T. se diferencian en dependencia de si el acero es hipo o hipereutectoide o eutectoide

Curva de transformación isotérmica de la austenita• La estructura acicular que se forma cuando se pasa por debajo

de la infección de la curva se denomina bainita.• En la velocidad de formación de los núcleos intervienen

muchos factores como pureza de la aleación, desoxidación y otros.

• La velocidad de crecimiento depende únicamente de la composición química del acero y del grado de subenfriamiento

• Se pueden caracterizar los diferentes tratamientos térmicos en dicha curva ploteando las velocidades de enfriamiento

• Existe una velocidad crítica de descomposición de la ausenita, donde a una velocidad mayor no se descompone en perlita. Llamada velocidad crítica de temple a menor velocidad la austenita no se transforma completamente

Deformación del diagrama FeC en dependencia del grado de subenfriamientoI. Trasformación austenita perlitaII. Precipitación previa de ferrita con posterior transformación

austenita perlitaIII. Precipitación previa de cementita con posterior

transformación austenita perlitaIV. Trasformación austenita bainitaV. Transformación austenita Martensita con posterior

transformación austenita bainitaVI. Transformación austenita MartensitaVII. La austenita subenfriada se conserva sin transformarse

Curva de transformación termocinética de la austenita• El diagrama isotérmico T.T.T. no ofrece la información

necesaria para la práctica del tratamiento térmico. Es prácticamente imposible en los medios técnicos obtener una transformación isotérmica.

• La transformación isotérmica por lo regular ya comienza antes de alcanzarse la temperatura dada.

• El diagrama termocinético se construye a partir de enfriamientos reales

• Se puede plotear en el la velocidad de enfriamiento y conocer la dureza y estructuras que se obtendrán

Transformación Martensítica• Producto de un subenfriamiento muy grande se transforma la

austenita sin que se precipite el carbono quedando atrapado dentro de la red cristalina obteniéndose una ferrita muy saturada de carbono que se denomina Martensita

• Solo ocurre una reestructuración de la red cristalina sin difusión, por lo que la sobresaturación de la red cristalina hace que esta se deforme

• La microestructura de la martencita es en forma de agujas• La orientación de la nueva fase se realiza a un ángulo con

respecto a la anterior• Este desplazamiento angular es el causante de este relieve y

forma de agujas

Transformación Martensítica• Es irreversible, es imposible obtener austenita de la

martensita sin difusión, y cuando hay difusión esta se descompone en las microestructuras perlíticas

• Ocurre en un intervalo de tiempo extraordinariamente corto, en fracciones de segundos, casi instantáneamente.

• En dependencia del porciento de carbono puede que quede austenita residual en el metal producto de que la temperatura final de transformación está por debajo de la temperatura ambiente.

• La velocidad de enfriamiento no influye en la temperatura de comienzo ni de fin de la transformación

Transformación bainítica• Es una transformación intermedia entre la martensitica y la

perlitica, hay difusión pero no la suficiente creando tensiones entre las zonas de mayor contenido de carbono y las más pobres

• Es en esencia una transformación tipo martensita pero no tan sobresaturada

• También produce cierto relieve en la superficie pulida, con una microestructura intermedia

• En dependencia de la temperatura a que se produce, mas cerca o mas lejos del principio de transformación martensitica será bainita superior o inferior

Transformaciones en el revenido

• Estructura inicial martensita tetragonal y austenita residual• La Martensita es la estructura de mayor volumen y la

austenita es la de menor volumen• Al transformarse la martensita disminuirá el volumen y al

transformarse la austenita aumentará el volumen• La primera etapa la caracteriza la reducción del volumen de la

martensita producto de la precipitación de carbono en exceso a sus límites de grano en un carburo muy parecido a la cementita pero que no llega a serlo llamándosele martensita revenida (Revenido bajo hasta los 200 grados Celsius)

Transformaciones en el revenido

• Por encima de 200 grados Celsius hasta los 300 comienza la segunda transformación de revenido o segunda etapa.

• En esta segunda etapa la austenita residual se transforma en martensita revenida, es una transformación difusiva, por su naturaleza se parece a la bainitica desde la austenita, produciendo un aumento del volumen.

• Al final de esta etapa la fase sobresaturada ya posee 0.15 a 0.2 % de Carbono

• Al aumentar la temperatura comienza una reducción del volumen producto de la precipitación del carbono totalmente, disminuyéndose las tensiones internas producto de la sobresaturación y se forma la cementita (Tercera etapa)

Transformaciones en el revenido

• Al final de la tercera etapa se obtiene ferrita y cementita, comenzando la cuarta etapa si se sigue aumentando la temperatura con la coalescencia y globalización de la ferrita y cementita

• Todos los procesos se efectúan dentro de la martensita, por lo que se conserva el carácter acicular de la estructura

• Las estructuras obtenidas en cada tipo de revenido son aciculares y globulares con mejores propiedades que las obtenidas directamente desde la austenita.

Tratamiento termo mecánico (T.T.M.)

• Tipos:• Tratamiento termo mecánico a altas temperaturas (T.T.M.A.T)

Consistiendo en la deformación de la austenita por encima de Ac3 con un enfriamiento rápido

• Tratamiento termo mecánico a bajas temperaturas (T.T.M.B.T) Consiste en la deformaci{on de la austenita en la deformación plástica durante el enfriamiento desde Ac3 antes del inicio de la transformación martensítica

• Tratamiento termo mecánico previo (T.T.M.P) es una deformación plástica en frio antes del calentamiento por encima de Ac3 y un enfriamiento rápido posterior.

• Tratamiento mecánico térmico (TMT) es aquel en que se aplica la deformación luego de la transformación martensítica

Tratamiento termo mecánico (T.T.M.)

• Es la combinación del tratamiento térmico con la deformación plástica

• Se obtiene endurecimiento con mejoras en las propiedades mecánicas por la transformación de fase y la herencia de la deformación plástica que le transmite a la martensita la austenita deformada. Una defomación a la martensita del (3 al 5) % permite obtener aumentos de la resistencia del (10 al 20)%

• Mientras más deformada esté la austenita más resistente será la martensita obtenida

• Se trata de deformaciones del orden del (80 al 90)% • Como en los T.T.M.B.T. es a relativas bajas temperaturas crea

dificultades tecnológicas a la hora de la deformación plástica

Tratamiento termo mecánico (T.T.M.)

• El tratamiento T.T.M.A.T. se dificulta lograr un enfriamiento rápido antes de comenzar la recristalización, pero en determinadas condiciones es mejor que recristalice y después aplicar el enfriamiento

• En todos los casos después de la deformación plástica hay que aplicarla transformación martensitica y el revenido

• Cuando se deforma la austenita se le denomina ausforming y cuando se deforma la martensita marforming