Tratamientos Térmicos

INSTITUTO TECNOLGICO DE VERACRUZ


NOTAS DEL CURSO

UNIDAD 2 TRATAMIENTOS TRMICOS

CATEDRTICO: ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICAING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


2. TRATAMIENTOS TRMICOS

Fig. 1. Piezas de acero enfriandose al aire despus de un proceso de tratamiento trmico.

2.1 Generalidades. Debido a los cambios estructurales que tienen lugar en el slido, las aleaciones hierro-carbono se encuentran se encuentran entre las aleaciones de ingeniera, relativamente pocas en nmero, que pueden tratarse trmicamente con xito, para variar sus propiedades mecnicas. Lo anterior se reere, naturalmente, a tratamientos trmicos distintos al proceso simple de recocido para el alivio de esfuerzos.[1] Los tratamientos trmicos son una combinacin de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados que aplicadas a un metal o aleacin en estado slido en una forma tal producirn propiedades deseadas.[2] Los tratamientos trmicos pueden aplicarse al acero no solamente para endurecerlo sino tambin para mejorar su resistencia, tenacidad y ductilidad. El tipo de tratamiento trmico usado, estar regido por el contenido de carbono del acero y su aplicacin subsecuente.[1] Los tratamientos trmicos pueden clasicarse como: 1. 2. 3. 4. Recocido. Normalizado. Temple. Revenido.

ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


En todos estos procesos, el acero se calienta a un ritmo relativamente lento hasta una temperatura predeterminada para luego ser enfriado, siendo la rapidez del enfriamiento lo que determina la estructura nal que habr de tener el acero. [2] Esquema del Tratamiento Trmico del Acero

Calentamiento

Permanencia

Enfriamiento

Temperatura

Tiempo

Fig. 2. Esquema del tratamiento trmico del acero.

La estructura nal ser independiente de la rapidez de calentamiento, siempre que ste se haya realizado con la lentitud suciente para que el acero llegue a su equilibrio estructural a su temperatura mxima. El ritmo de enfriamiento subsecuente, que determina la naturaleza de la estructura nal, puede variar entre un enfriamiento rpido en agua y un enfriamiento lento dentro de un horno.[2]



2.2 Diagrama de Equilibrio Hierro-Carbono1,600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 Ferrita 500 400 300 200 100 0 Ferrita + Cementita +

Diagrama Hierro-Carbono

Lquido

Lquido + Austenita Austenita 4.3% Austenita + Cementita

Lquido + Cementita

1131 C

Temperatura en C

723 C 0.83%

Cementita (Fe3C)

0

1 Aceros

2

3

4

5

6

7

Porcentaje de Carbono

Fig. 3. Diagrama de equilibrio de las aleaciones Hierro-Carbono

En el diagrama de equilibro, o de fases, 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 que los procesos de difusin (homogeneizacin) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identicando los puntos crticos (temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones). [3] Es suma importancia para poder comprender los diferentes procesos de tratamiento trmico, conocer y entender los puntos ms importantes del diagrama hierro-carbono. La Fig. 4 muestra la porcin del acero en el diagrama hierro-carbono de manera ms detallada.ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA

INSTITUTO TECNOLGICO DE VERACRUZ Porcin del Acero en el Diagrama Hierro-CarbonoAceros Hipoeutectoides1,100

Aceros Hipereutectoides

1000

Austenita900

Temperatura en C

800

Austenita + Ferrita

A3E723 C

Austenita + Cementita

A20.83%

A1

700

600

Ferrita + Perlita (Ferrita + Cementita) Ferrita

Cementita + Perlita (Ferrita + Cementita)

perlita

500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8


Fig. 4. Porcin del acero en el diagrama de equilibrio hierro-carbono.

De manera general existen tres tipos de aceros al carbono, los cuales dependen del porcentaje de carbono en el total de la aleacin. La Tabla 1 muestra los tres tipos de acero con sus estructuras correspondientes. [5]Tabla 1. Diferentes tipos de acero en base a su contenido de carbono. Tipo de Acero Eutectoide Hipoeutectoides Hipereutectoides Contenido de Carbono 0.83% 0 - 0.83% 0.83% - 2.14% Estructura Perlita Ferrita - Perlita Perlita + Cementita



2.2.1 Conceptos Bsicos del Diagrama Hierro-Carbono. A1: Temperatura eutectoide (723 C). Constituye la mnima temperatura a la que el hierro f.c.c. puede existir bajo condiciones de equilibrio. [4] A2: Temperatura a la cual las aleaciones ferromagnticas de bajo contenido de carbono pierden dicha propiedad. Esta temperatura recibe el nombre de temperatura de Curie y tiene un valor de 768 C. [3] A3: Es la temperatura crtica superior (T.C.S.) de un acero, vara con su contenido de carbono y es aquella temperatura abajo de la cual la austenita comienza a transformarse en ferrita y cementita, bajo condiciones de enfriamiento lento. Aceros Hipoeutectoides: Son aquellos aceros cuyo contenido de carbono en el total de su aleacin es menor a 0.83%. Aceros Hipereutecotoides: Son aquellos aceros cuyo contenido de carbono en el total de su aleacin es mayor a 0.83%. El diagrama de equilibrio hierro-carbono contiene las siguientes fases slidas: Ferrita-: Es una solucin slida intersticial de carbono en la red cristalina del hierro BCC (cbica centrada en el cuerpo). Puede disolver en forma de solucin slida un mximo de 0,02% en peso de carbono a 723 C. A medida que la temperatura disminuye, la solubilidad del carbono tambin disminuye, siendo de 0,005% a 0 C. Tiene aproximadamente una resistencia mxima a la rotura de 280 MPa, un alargamiento del 35% y una dureza de 90 unidades Brinell. Es la forma ms blanda de todos los constituyentes del acero, muy dctil y maleable, adems de magntica. Austenita (): Es una solucin slida intersticial de carbono en hierro . El hierro tiene una estructura cristalina FCC (cbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado slido para el carbono que la ferrita . La mxima solubilidad en estado slido del carbono en la austenita es del 2,08% a 1.148 C y disminuye a un 0,8% a 723 C. La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de 300 unidades Brinell. Es blanda, muy dctil y tenaz. Es amagntica. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente ms denso de los aceros. Cementita (Fe3C): Es un compuesto intersticial duro y quebradizo. Tienen lmites despreciables de solubilidad y una composicin del 6,67% en carbono y 93,3% en hierro. Es dbilmente ferromagntica a baja temperatura, perdiendo sus propiedades magnticas a 217 C. Ferrita-: es una solucin slida intersticial de carbono en hierro . Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita pero con una constante de red mayor. La mxima solubilidad en estado slido del carbono en ferrita es del 0.09% a 1.465 C.



2.3 Recocido. Un proceso de recocido puede llevarse a cabo por varias razones. Los procesos de recocido del acero su pueden clasicar como sigue: [1] 1. Recocido para alivio de esfuerzos. 2. Recocidos esferoidizantes. 3. Recocido de proceso. 4. Recocido para fundiciones. 2.3.1 Recocido para la Eliminacin de Esfuerzos. Este proceso, algunas veces llamado recocido subcrtico, es til para eliminar esfuerzos residuales debido a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en fro. Generalmente se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la lnea crtica inferior A1 (530 a 650 C). [4] 2.3.2 Recocido esferoidizantes. Un acero recocido hipereutectoide con una microestructura de perlita y una red de cementita suele dar una maquinabilidad deciente. Como la cementita es dura y frgil, la herramienta de corte no puede cortar a travs de estas placas. En vez de eso, las placas tienen que ser quebradas; por tanto, la herramienta se somete a continua carga de choques por las placas de cementita y resulta una nal mellada. Un proceso trmico que mejorar la maquinabilidad se conoce como recocido de de esferoidizacin.[4] Como se muestra en la Fig. 5, muestra el proceso de esferoidizacin de la cementita perltica. Para lograr lo anterior, puede emplearse uno de los siguientes mtodos: [4] 1. Mantener durante un tiempo prolongado a una temperatura justamente por debajo de A1. 2. Calentar y enfriar alternadamente entre las temperaturas que estn justamente por encima o por debajo de A1. 3. Calentar a una temperatura o por encima de A1 y luego enfriar muy lentamente en el horno, o mantener a una temperatura justo por debajo de A1.

Fig. 5. Proceso de esferoidizacin de la cementita perltica. ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


Mantener durante un tiempo prolongado a elevada temperatura despedazar completamente la estructura perltica y la red de cementita. La cementita se convertir en esferas, que es la forma geomtrica de mayor equilibrio con sus alrededores. Las partculas de cementita y la estructura completa se pueden llamar esferoidita. La Fig. 6 muestra la microestructura de un acero antes y despus del proceso de recocido esferoidizante.

Fig. 6. La micrografa (b) muestra una estructura de esferoidita la cual se form despus de un tratamiento trmico de recocido esferoidizante a partir de una microestructura de perlita laminar (a).

2.3.3 Recocido de Proceso. Este tratamiento trmico se utiliza en las industrias de la lmina y el alambre y se lleva a cabo al calentar el acero a una temperatura de por debajo de la lnea crtica inferior (530 a 670 C). Se aplica despus del trabajo en fro y suaviza al acero, mediante recristalizacin, para un trabajo ulterior; es muy parecido al recocido para eliminacin de esfuerzos. [4] 2.3.4 Recocido de Fundiciones. Las piezas fundidas de gran tamao se solidican de un manera muy irregular, lo que produce una microestructura conocida como Widmansttten. La disposicin de la ferrita en forma de malla en este tipo de estructura, tiende a aislar la perlita, que es ms resistente, en islotes separados; de manera que la resistencia y ms particularmente la tenacidad se daan. Las caractersticas principales de esta estructura son, por lo tanto, debilidad y fragilidad. [1] El proceso de tratamiento trmico que se emplea para eliminar este problema es el recocido de fundiciones que consiste en calentar la pieza fundida a una temperatura de unos 40 C por encima de A3, manteniendola a esa temperatura solo el tiempo necesario para que obtenga una temperatura uniforme en toda la pieza, permitindole luego enfriarse lentamente en el horno. [1]ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


Fig. 7. Efectos estructurales producidos al calentar una fundicin de acero (0.35% de C, aprox.) a una temperatura algo mayor que su crtica superior, seguida de enfriamiento a la temperatura ambiente.

Este tratamiento, no solamente introduce mejoras en las propiedades mecnicas asociadas con el grano no, sino que elimina los esfuerzos mecnicos establecidos durante la solidicacin. [1] La Fig. 7 ilustra el cambio de microestructuras durante el proceso de recocido para fundiciones, mientras que la Tabla 2 muestra la mejora de propiedades mecnicas de una pieza de acero vaciada despus del proceso de recocido. [1]Tabla 2. Mejora de propiedades despus de un proceso de recocido para fundiciones. Condicin Resistencia a la Tensin (ton/cm2) Porcentaje de Alargamiento Prueba de Doblez (Sin Fractura)

Probeta vaciada Probeta recocida

4.70 4.80

18 34

40 180

La resistencia a la tensin no se afecta considerablemente con este tratamiento, pero la tenacidad y la ductilidad mejoran.[1]ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


2.4 Normalizado Se denomina normalizado de los aceros al calentamiento por encima de A3 entre 30 a 50, permanencia a esta temperatura, y enfriamiento posterior al aire. [5] El normalizado se asemeja al recocido en que la la temperatura mxima alcanzada es similar. La diferencia se encuentra en el mtodo de enfriamiento. Mientras que en el recocido se retarda el enfriamiento, en el normalizado el acero se retira del horno y se permite su enfriamiento en aire quieto. Este mtodo de enfriamiento, relativamente rpido, limita el crecimiento de grano en el normalizado, de manera que las propiedades mecnicas son algo mejores que en la componente recocida.[1] El tipo de estructura que se obtiene por el normalizado depender mucho de la seccin transversal, ya que esto afecta la rapidez de enfriamiento. Las secciones delgadas darn un grano mucho ms no que las gruesas, y stas ltimas dieren un poco en su estructura de Temperaturas de Tratamiento Trmico de los Aceros una seccin recocida. [1]

al Carbono en Relacin con el Diagrama de Equilibrio

1,100

1000

Normalizado y Endurecimiento y Recocido de Piezas Vaciadas

Austenitao ad iz al m or N

900

Temperatura en C

800

A2

Austenita + Ferrita723 C

Austenita + Cementita

A1Esferoidizacin

700 Alivio de Esfuerzos

600

perlita

Austenita + Perlita

Cementita + Perlita

500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8


Fig. 8 Temperaturas de tratamiento trmico de los aceros al carbono, en relacin con el diagrama de equilibrio. ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


2.5 Temple El objetivo del temple es el de obtener una alta dureza o solidez en la pieza. Al templar la austenita obtenida a consecuencia del calentamiento del acero hasta la temperatura de temple, se enfra sbitamente hasta la temperatura necesaria y se transforma en martensita, bainita (troostita nodular o troostita de enfriamiento).[5] Siempre que se enfra rpidamente una aleacin metlica, existe la tendencia a suprimir los cambios de transformaciones estructurales. Frecuentemente es, posibles, el atrapar una estructura metlica en la forma que exista a una temperatura alta, preservandola as a la temperatura ambiente. Esto es relativamente fcil en aleaciones en las cuales la transformacin es lenta, pero en el caso de las aleaciones hierro-carbono el caso tiende a ser el inverso.[1] As, pues, cuando un acero ordinario al carbono se enfra de su rango austentico, no es posible atrapar la austenita y preservarla as a la temperatura ambiente. En lugar de esto, se obtiene una u otra fase intermedia entre austenita por una parte y perlita por otra. Estas fases varan en cuanto al grado de dureza, pero todas son ms duras que la perlita o la austenita.[1]

2.5.1 Medios de Temple Es deseable que el medio de enfriamiento para el temple enfre con rapidez en la zona de temperaturas donde la austenita tiene poca estabilidad (600-650 C) y con lentitud en la zona de temperaturas de la transformacin martenstica (300-200 C) para que no se originen tensiones.[1] La Tabla 3 muestra el tipo de microestructura obtenida, consecuencia de diferentes velocidades de enfriamiento. [1]Tabla 3. Estructuras metalogrcas obtenidas en base a la velocidad de enfriamiento durante un procesos de temple. Velocidad de Enfriamiento Tipo de Estructura Caractersticas Es las ms dura de las fases que se encuentran en el acero. Es una solucin slida de sobresaturada de carbono en hierro FCC. Esta solucin sobresaturada es muy dura y frgil. En el microscopio aparece como una masa de cristales liformes. Bajo el microscopio en el orden de los 1000 aumentos, muestra una naturaleza laminada muy similar a la perlita.

Extremadamente Rpida

Martensita

Menos Severo

Bainita (Troostita Nodular o Trostita de Enfriamiento)

Otro factor que inuye en el tipo de microestructura que se obtiene despus de un proceso de temple, es el porcentaje de carbono de la aleacin. La Fig. 9 muestra los tipos de estructuras mencionadas previamente.ING. JOS FRANCISCO DEL VALLE MOJICA


(a)

(b)Curva de Tratamiento Trmico de Temple

Fig. 9 La micrografa (a) muestra una estructura metalogrca bainitica, mientras que la micrografa (b) muestra una estructura metalogrca martensitica.

Empape Isotrmico

Temperatura

Ca len tam ien to

to EnfriamienAustenita Martensita + AR

Ferrita + Perlita BCC

(Ferrita + Perlita) Austenita BCC FCC

Austenita Bainita BCC Tetragonal

TiempoFig. 10 Curva de tratamiento trmico de temple.



REFERENCIAS

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Raymond A. Higgis, Ingeniera Metalrgica Tomo I - Metalurgia Fsica Aplicada.Editorial C.E.C.S.A ASM Metals Handbook Wikipedia:http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_Hierro-Carbono Sydney H. Avner, Introduccin a la Metalurgia Fsica, McGraw-Hill Malishev, Nikolaiev, Shivalov, Tecnologa de los Metales, Lumisa-Editorial Mir XTEC.CAThttp://www.xtec.cat/~maleman1/uned/unedcurset23.html


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