Diferencias entre Tratamientos Térmicos Básicos y Tratamientos Isotérmicos para Aceros

El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades mecánicas. 

El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unas propiedades específicas adecuadas para su conformación o uso final. 

Con este tipo de tratamiento, los metales son sometidos a procesos térmicos en los que no se varía su composición química aunque sí su estructura interna y, por tanto, sus propiedades.

El acero es el más importante de todos  los productos siderúrgicos y esto lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro líquido producido en los altos hornos.

 Uno de los hechos que justifica la importancia del acero en la industria es la posibilidad de obtener una gran variedad de propiedades con el mismo tipo de material. Por ejemplo, podemos disponer de aceros maleables para chapas, de aceros inoxidables para trabajos en ambientes húmedos, de aceros magnéticos para aplicaciones electromecánicas, de aceros de elevada dureza y resistencia al desgaste y a las altas temperaturas para herramientas de corte.

Los tratamientos térmicos consisten en someter al acero a una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, con el fin de variar las proporciones de sus constituyentes y así producir las propiedades deseadas sobre él. Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido.

Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y la normalización. Todos los procedimientos se basan en la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a la temperatura que conlleva la formación de la austenita.

Diferencias entre los diagramas isotérmicos para aceros eutéctoides, hipoeutéctoides e hipereutectoides.

Diferencias entre los diagramas Isotérmicos y diagramas por enfriamiento continuo.

Los diagramas tiempo-temperatura-transformación para transformaciones isotérmicas (TI) y

para transformaciones de enfriamiento continuo (TEC) se usan para predecir la

microestructura y dureza luego de los tratamientos térmicos o para especificar el tratamiento

térmico que logrará una microestructura y dureza deseadas.

Los diagramas que definen la transformación de la austenita en función del tiempo a temperatura constante se denominan diagramas de transformación isotérmica (TI)  se muestra un diagrama TI para un acero eutectoide indicando las transformaciones isotérmicas desde la austenita.

La mayoría de los tratamientos térmicos realizados sobre aceros se llevan a cabo por enfriamiento continuo más que por mantenimiento isotérmico. Por esta razón existen diagramas que representan la transformación de la austenita durante el enfriamiento a diferentes velocidades denominados diagramas de transformación de enfriamiento continuo (TEC).

Diferencias entre revenido, marrevenido, martemplado y ausrevenido.

Ausrrevenido o austeplado:

Es un tratamiento térmico tipo isotérmico que produce una estructura vainita en algunos aceros. El proceso suministra un procedimiento alternativo de templado y revenido para aumentar la tenacidad y ductilidad de algunos aceros.

En el proceso de Ausrevenido el acero es austenizado, luego templado en un baño de sal fundida hasta un a temperatura justo por encima de la temperatura crítica del acero, después mantenido isotérmicamente para permitir la transformación total de la austenita a bainita y después enfriado a temperatura ambiente en aire. La estructura final de un acero eutectoide ausrevenido es la vainita.

El revenido es otro tratamiento térmico, pero casi siempre complementario del anterior. A los dos juntos se los llama tratamiento de bonificado. Lo que se hace en este caso es volver a calentar el material, pero esta vez a menor temperatura, y posteriormente se enfriará, pero más rápido si queremos conseguir una alta tenacidad, o más despacio para evitar deformaciones debidas al descenso térmico.

El marrevenido o martemplado es una modificación del proceso de enfriamiento usado para disminuir la distorsión y fisuración de los aceros que se puede desarrollar durante un enfriamiento no uniforme del material.

Propiedades y principales aplicaciones de los aceros al carbono y aceros aleados

El acero es el principal productor siderúrgico utilizado en la industria y el acero al carbono ocupa el 90% de la producción de acero y el 10% el acero aleado.

El acero al carbono es un tipo de acero que contiene acero como su nombre lo indica, cuando el hierro está aleado con el carbono se le llama acero al carbono, aunque el principal componente es el carbono también se encuentra aleado con otros elementos como el hierro y el manganeso, la proporción de carbono y tratamiento térmico del acero son los que determinan sus propiedades, también es conocido como acero maleable, esto quiere decir que es flexible y puede tomar cualquier forma. Está considerado como de alta resistencia y baja aleación.

Este acero debe sus propiedades al carbono, y es clasificado como acero al carbono cuando su contenido no exceda los siguientes porcentajes: Carbono 0.50%, Manganeso 1.65% y Silicio 0.30%

El hecho de contener carbono hace que se eleve su resistencia a la tracción, así como incrementa su índice de fragilidad en frío, disminuye su tenacidad y ductilidad.

El acero al carbono es utilizado para la fabricación de elementos de maquinarias, motores, vehículos, piezas, tuberías, etc.

Los aceros al carbono en bruto se utilizan para construcciones metálicas y piezas de maquinaria.

Aceros aleados. El surgimiento y desarrollo de la construcción de automóviles, tractores, aviones máquinas herramienta y otros tipos de construcción de maquinaria moderna han ampliado el campo de aplicación de los aceros aleados, debido a que las propiedades de los aceros al carbono no satisfacen en todo los casos las exigencias de la construcción de maquinarias modernas.

La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y la tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos.

La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros.

La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad.

La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido.

 Tratamiento térmico

     El tratamiento térmico se refiere al conjunto de procesos de congelación y calentamiento de los metales o las combinaciones en estado sólido a temperaturas específicas, controlando la temperatura, tiempo de duración, rapidez y fuerza del proceso, con el objetivo de optimizar sus características mecánicas, básicamente la firmeza, dureza y la flexibilidad. El tratamiento térmico se emplea a los materiales de acero y la siderurgia constituidos por carbono y hierro.

     En el material el tratamiento térmico es uno de los procedimientos principales para que pueda adquirir las propiedades mecánicas para las cuales está formada. Esta clase de procesos permite calentar y enfriar un metal en su estado sólido para transformar sus propiedades físicas. Con un correcto tratamiento térmico se disminuye los trabajos internos, el volumen del grano, aumentar la firmeza o promover una superficie fuerte con un interior blando.

     La base de los tratamientos térmicos está en las reacciones que causan en el material, como en las aleaciones no resistentes como en los aceros y sucede mientras el proceso de enfriamiento y calentamiento de los trozos, con unas instrucciones y tiempos específicos.

Procesos de Tratamientos Térmicos

·         Temple: su propósito es elevar la firmeza y resistencia del acero. Para esto, se calienta a una temperatura muy alta y luego pasa al enfriamiento con rapidez dependiendo de la pieza, por agua o aceite.

·         Revenido: es exclusivamente aplicado a los aceros anteriormente templados, para reducir las consecuencias del temple, almacenado parte de la firmeza y elevar la tenacidad. El revenido alcanza minimizar la dureza y resistencia de los aceros previamente templados, se separan las tensiones formadas en el temple y se perfeccionar la tenacidad, dejando al acero con la resistencia y firmeza requerida. Se diferencia principalmente del temple por la temperatura extrema y la rapidez de enfriamiento.

·         Reconocido: se refiere primordialmente en un calentamiento hasta temperatura de austenización luego un enfriamiento gradual. Con este tratamiento térmico se alcanza elevar la flexibilidad y disminuir la firmeza.

·         Normalizado: su finalidad es establecer un material en estado normal, es decir, separar las tensiones internas y con una división equitativa de carbono. Se realiza como tratamiento anticipado al temple y revenido.

Como influye la velocidad de enfriamiento en la microestructura de los aceros

Tomando como referencia un acero hipoeutectoide, el efecto de aumentar la velocidad de enfriamiento, desde el dominio austenítico, se traduce en una disminución de la temperatura Ar3 (histéresis térmica asociada a los procesos de nucleación y crecimiento). La región de estabilidad de la austenita del diagrama hierro-carbono se modifica entonces al variar la velocidad de enfriamiento.

Se supone que la línea que marca la máxima solubilidad de carbono en la austenita mantiene su tendencia al descender la temperatura por debajo de la eutectoide, de tal modo que el punto eutectoide E se desplaza hacia contenidos inferiores de carbono (El' E2, ~).

La misma figura pone entonces de manifiesto que al aumentar la velocidad de enfriamiento, aumenta también la proporción de perlita del acero, aunque el contenido Capítulo2. Transformaciones en el diagrama hierro-carbono 16 en carbono de este constituyente será menor que el que aparecería en un enfriamiento infinitamente lento. Por otro lado, como la transformación ocurre a temperaturas tanto más bajas cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento, el tamaño de grano de la ferrita y la separación interlaminar de la perlita disminuirán y, en consecuencia, aumentarán tanto la dureza como la resistencia mecánica del acero.

Resulta entonces que en un enfriamiento continuo desde la región austenítica a una determinada velocidad, se requiere un cierto subenfriamiento para que la transformación se inicie (tanto más grande cuanto mayor sea la velocidad de enfriamiento). Por otro lado, los tratamientos térmicos comerciales de los aceros suelen consistir en enfriamientos continuos (no isotermos), por lo que sería más apropiado conocer la cinética de la transformación de la austenita en enfriamientos continuos: son las denominadas curvas CCT, que expresan el inicio y final de las transformaciones en enfriamientos realizados a diferentes velocidades de enfriamiento.

Como influye el contenido de carbono en las propiedades y microestructura de los aceros sometidos a procesos de temple.

Los aceros al carbono apenas tienen elementos de aleación y los pequeños contenidos de algunos elementos presentes en su composición química son consecuencia del proceso de fabricación utilizado en la fabricación del acero. Así, por ejemplo, se añade siempre manganeso en el curso de la fabricación del acero con el propósito de combinarse con el azufre e impedir la formación del FeS; por otro lado, tanto el manganeso como el silicio son elementos desoxidantes, que se adicionan en la última fase del proceso de elaboración del acero con el fin de eliminar la presencia de FeO.

Además, todos estos aceros tienen una baja templabilidad, por lo que normalmente no se utilizan en estado de temple y revenido, sino que se emplean directamente en estado bruto de forja o de laminación y, en algunas ocasiones, tras tratamientos de normalizado y/o recocido. Los aceros al carbono tienen microestructuras ferrito-perlíticas y sus propiedades mecánicas dependen principalmente de su contenido en carbono y, en menor medida, de su contenido en manganeso.

Destaque las diferencias principales de los Tratamientos Térmicos de Recocido, Normalizado y Temple, tomando en cuenta los siguientes aspectos:

a) Proceso          b) Microestructura          c) Propiedades Mecánicas

Tratamiento Térmico	Proceso	Microestructura	Prop. Mecánicas
Recocido	El recocido es un término genérico y puede clasificarse en función de la temperatura. Se lleva a cabo por varios motivos: Para suavizar el metal y facilitar el mecanizado. Para aliviar las tensiones internas inducidas por algún proceso anterior (a menudo para permitir el procesamiento adicional sin la producción de fracturas). Para corregir un estructura de grano grueso. Para aportar elementos de aleación en una solución.		El recocido a baja temperatura puede utilizarse para eliminar esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío, sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza terminada.
Normalizado	El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que se consideran el estado natural o final del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple.	Produce una microestructura uniforme de ferrita y perlita.	Es recomendable realizar el normalizado para homogeneizar toda la estructura y conseguir mejores propiedades mecánicas después del Temple.
Temple	El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en Austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.	Conserva una estructura de martensita templada o bainita.	Es recomendable realizar el normalizado para homogeneizar toda la estructura y conseguir mejores propiedades mecánicas después del Temple.

Reacción Peritécnica

Es la fusión entre un sólido y un líquido que da como resultante otro sólido, pero la condición peculiar de este es que no es un sólido completo o con las mismas características que los solido ideales, sino que este es un sólido incongruente. Esta ocurre comúnmente entre 1800°C hasta los 800°C, ya que en temperaturas más bajas encontramos otro tipo de reacción pues mientras más baja es la temperatura es mayor la posibilidad de encontrar sólidos.

Reacción Peritécnica Binaria

Cuando por reacción de un líquido y un sólido, a temperatura constante, se obtiene otro sólido, la reacción recibe el nombre de peritéctica (o periférica). Se trata de un sólido con un punto de fusión no congruente. Considérese el diagrama de la figura y dentro de él, la composición 42.4% de plata y 1186°C de la mencionada curva. Por aplicación de la Ley de Gibbs, se desprende que esta temperatura se mantiene constante durante la reacción:

Líquido + Sólido α Ù Sólido β

La característica más importante de este diagrama es la reacción invariante peritectica a un 42.4% de Ag y 1186°C. En el punto peritectico puede existir la fase líquida (66.3%Ag), α (10.5% Ag) y β (42.4% Ag) El enfriamiento de equilibrio según la isopleta 42.4% Ag transcurre, al principio, como un sistema de solubilidad total, se van formando cristales de la solución sólida α y la composición del líquido sigue la curva liquidus.

Al llegar a la temperatura peritéctica Tp (1186°C), el líquido de composición 66.3% Ag, reacciona con la solución sólida α para transformarse completamente en la solución sólida β. Cuando comienza la reacción entre el líquido y α, los cristales de la solución sólida β se forman en la intercara líquido/α. Esta capa de cristales de β actúa de barrera e impide la reacción posterior entre el líquido y α.

Para que la reacción sea completa hay que dar tiempo suficiente para la difusión de los átomos del componente A desde α hasta β. Tal difusión dará lugar al crecimiento de β en las intercaras α/β y β /líquido hasta que la formación de β sea completa. Como tal tiempo no se alcanza, los cristales primarios de α no se trasforman completamente en β y persistirán aunque no sea una fase de equilibrio Representación esquemática del desarrollo progresivo de la reacción peritéctica.

Líquido + α = β

Formación de compuesto con punto de fusión incongruente:

Fo + Qz = En (formación compuesto intermedio)

En = Fo + Líqp (fusión incongruente)

Las aleaciones que se usan para vaciar o soldar aprovechan con frecuencia el bajo punto de fusión de la reacción eutéctica. El diagrama de fases de las aleaciones monotécticas contiene un domo, o rango de miscibilidad, en el que coexisten dos fases líquidas. En el sistema cobre - p1omo, la reacción monotectica produce diminutos glóbulos de plomo dispersos que mejoran la facilidad de maquinado de la aleación de cobre. Las reacciones peritécticas conducen a la solidificación en desequilibrio y la segregación.

En muchos sistemas hay un rango de miscibilidad metaestable. En algunos casos, todo el rango de miscibilidad es metaestable; es decir, el domo de inmiscibilidad está totalmente bajo el liquidus. Estos sistemas forman materiales tipo vidrios de fases separadas.

Las reacciones eutectoide y peritectoide son totalmente reacciones en estado sólido. La reacción eutectoide forma la base del tratamiento térmico de varios sistemas de aleaciones que incluyen al acero. La reacción peritectoide es de extrema lentitud, y con frecuencia produce estructuras indeseables y en desequilibrio, en las aleaciones.

La velocidad de difusión de los átomos en los sólidos es mucho menor que en los líquidos. Cada una de estas reacciones entre tres fases sucede a temperatura y composición fijas. La regla de las fases de Gibbs para una reacción entre tres fases es, a presión constante:

l + C = F + P (lO-l) F= l+C—P= l+_2—3=0

Ya que hay dos componentes C en un diagrama binario de fases, y en la reacción intervienen tres fases P. Cuando las tres fases están en equilibrio durante la reacción, no hay grados de libertad. En consecuencia, esas reacciones se llaman invariantes. La temperatura y la composición de cada fase que interviene en la reacción entre tres fases son fijas. Obsérvese que de estas cinco reacciones que se describen aquí, sólo la reacción eutéctica y eutectoide pueden causar endurecimiento por dispersión.

El sistema plomo-estaño (Ph-Sn) contiene sólo una reacción eutéctica simple. Este sistema de aleación es la base de la mayoría de las aleaciones comunes que se usan para soldar con estaño. Como se mencionó antes, debido a la toxicidad del 13h, actualmente se realiza un gran esfuerzo para reemplazarlo en las soldaduras Pb-Sn.

Fases Terminales

Se presentan en los extremos de los diagramas tocando los componentes puros.

Fases Intermedias

En los diagramas de fases a veces existen fases intermedias, las cuales se encuentran separadas de otras fases por regiones bifásicas en los diagramas binarios. Existen dos tipos: las fases intermedias estequiometricas y las no estequiometricas. Las estequiometricas tienen una composición fija y están representados en los diagramas por una línea vertical. Las no estequiometricas, tienen rango de composición y están representados ´por una zona en los diagramas de fase.

Fusión congruente es cuando el compuesto al fundir cambia directamente de un sólido a un líquido de la misma composición y la fusión incongruente es cuando el compuesto al fundir da un sólido de distinta composición y un líquido.

Fusión congruente se produce durante la fusión de un compuesto cuando la composición del líquido que se forma es la misma que la composición del sólido. Se puede contrastar con fusión incongruente. Esto sucede generalmente en de dos componentes de sistemas.

Para tomar un caso general, permiten A y B son los dos componentes y AB un compuesto sólido estable formado por su combinación química. Si dibujamos un diagrama de fases para el sistema, nos damos cuenta de que hay tres fases sólidas, a saber, A, B y el compuesto AB. En consecuencia, habrá tres curvas de fusión o el punto de congelación de CA, y CDE para las tres fases sólidas.

En el diagrama de fase, podemos notar que el punto D parte superior del diagrama de fase es el punto de fusión congruente del compuesto AB porque las fases sólida y líquida ahora tienen la misma composición. Evidentemente, en esta temperatura, el sistema de dos componentes se ha convertido en un sistema de un componente porque ambas fases sólidas y líquidas incluye solamente el compuesto AB.

El punto de fusión congruente representa una temperatura definida al igual que los puntos de fusión de los componentes puros. En el diagrama de fase, el punto de fusión congruente D del compuesto AB se encuentra por encima de los puntos de fusión de los componentes puros A y B. Sin embargo, no es necesariamente cierto. Existen diferentes tipos de sistemas conocidos en los que se observa el punto de fusión congruente a ser menor de puntos de fusión de los componentes puros.

Cuando ocurre una reacción entre un sólido y un líquido a temperatura constante, y se obtiene otro sólido la reacción recibe el nombre de peritéctica o incongruente. El sólido resultante es un sólido con punto de fusión no congruente. Al llegar a la TP (1086ºC) el líquido de composición 66.3% de Ag reacciona con la solución sólida alfa para transformarse en la solución sólida beta. Cuando comienza la reacción los cristales de la solución beta se forman en la intercara del líquido alfa, impidiendo que reaccione más líquido.

En el diagrama de equilibrio o diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) (también diagrama hierro-carbono), 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 tal que los procesos de difusión (homogeneización) tengan tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos; temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por diversos métodos.