Tratamiento Térmico de Temple

 Hola amigos, en este artículo hablaremos de uno de los tratamientos térmicos más importantes del acero, el temple. Primeramente vamos a repasar el diagrama Fe-Fe3C de la figura 1. Podemos observar todas las fases y constituyentes presentes en los aceros ya sean hipo o hiper eutectoide, además observamos las lineas críticas (Acm, A3 y A1) y las temperaturas donde ocurren las transformaciones. Podemos identificas a que rango y composición las fases están estables.  Todas estas "zonas" representan la estabilidad de los aceros y de las fundiciones. 

Fíjense que, en el recocido y el normalizado (por ejemplo < 0.8% C) la microestructura será la misma pero con variaciones en su tamaño de grano y en su dureza.  

Fig. 1 Diagrama Fe-Fe3C

Supongamos que tenemos una muestra de acero de mediano carbono (0.4% C), la introducimos en el horno a la temperatura de trabajo, T y austenizamos y al cabo de un tiempo t enfriamos la pieza,  pero no lo vamos a enfriar al aire, cambiamos el medio de enfriamiento con agua agitada. En teoría, debería tener un acero normalizado con unos granos equiaxiales muy finos tomando como referencia el diagrama de la fig. 1, pero cuando realizo la preparación metalográfica nos encontramos con esta microestructura  en el microscopio (Fig. 2)

Fig. 2 Microestructura de tipo Martensita 

Esta microestructura no guarda relación con las que me ofrece el diagrama Fe-Fe3C, no se pueden diferenciar los granos de perlita y ferrita  en cuanto a los valores de dureza es mucho más elevada que el acero normalizado. Si usamos la  difracción de rayos X nos encontramos con que esta microestructura tiene una configuración cristalina de tipo tetragonal. Dicha microestructura fue denominada "martensita" en honor a su descubridor.

¿A donde los quiero llevar mis estimados estudiantes? La respuesta es, que esta estructura no entra en la categoría de estructura estable del diagrama Fe-Fe3C, entonces el diagrama de la figura 1 no aplica para el temple salvo para determinar la temperatura de austenización basado en su porcentaje de carbono.

Aquí necesitamos emplear otro tipo de diagrama como lo muestra la figura 3 en el cual podemos estimar las transformaciones basado en 1) La temperatura de austenización, 2) El tiempo y modo de enfriamiento y 3) La microestructura martensítica.

De ahí que, el diagrama TTT (Temperatura, Tiempo y Transformación) es el que se emplea para el estudio de la temperatura de transformación martensitica y el tiempo necesario para completar dicha transformación. Fíjense en la línea punteada por encima de 200°C denominada, Ms (Inicio de transformación martensítica, OJO esta puede variar según el acero) y la otra denominada Mf (Fin de la transformación). La curva en el diagrama representa las posibles microestructuras, no solo las que aparecen en el diagrama Fe-Fe3C sino también la de tipo martensita. 

Fig. 3 Diagrama TTT

El diagrama TTT puede tener diferentes variaciones dependiendo del tipo de acero si son de medio carbono o aceros de baja aleación. En la figura 4 podemos observar diferentes tipos de diagrama TTT para los aceros SAE 1080, 5140, 1034 y 9261. Vamos por lo tanto, a analizar estas curvas para obtener la mayor información útil de ellas.

Si observamos la curva TTT del acero SAE 1080, y tomamos una temperatura de austenizado de 800 °C muy por encima de la linea Ae1 ¿Que sucede si enfriamos la pieza durante 10 minutos en el horno? Si trazamos una linea desde los 800 °C  y la proyectamos hasta los 10 minutos vamos a cruzar la curva de transformación y la austenita presente va a transformarse en ferrita y cementita. Podemos determinar la temperatura de inicio y final de esa transformación de ahí que vamos a asumir entre 650 y 620 °C.

Ahora vamos a enfriarla un poco más rápido partiendo de la misma temperatura inicial pero lo enfriamos 1 minuto. Si trazamos de nuevo la linea cruzamos de nuevo la curva de transformación y podemos tener al final de ese tiempo ferrita, austenita y cementita. Esta fracción de austenita retenida puede transformarse en martensita.

¿Que sucede si enfriamos la pieza de tal manera que no toque la curva de transformación? Partimos de la misma temperatura de 800°C fíjense que la nariz de la curva inicia aproximadamente a 500°C y en un tiempo de 1 s, si la velocidad es tal que no toca la nariz de la curva la austenita pasa directamente  la línea de transformación martensítica antes de cumplir el minuto, por lo que la microestructura final es martensita con una dureza superior a 57 HRC. Fíjense lo útil que resulta este diagrama para diseñar nuestro procedimiento de temple basado en la curva TTT del acero que estudiemos. Hay una diferencia entre un acero SAE 1080 a uno SAE 5140 y es que este último pertenece a la familia de los aceros aleados.

En el siguiente ejemplo sucede una interesante situación.    

Fig. 4 Diagramas TTT de los aceros SAE 1080, 5140, 1034 y 9261.

La figura 5 representa las curvas TTT de dos aceros al carbono el  SAE 1034 y el SAE 1090, nótese que la curva de enfriamiento del 1034 no presenta una nariz ni tiene una zona austenítica que permita la transformación martensítica. Este dato es muy importante ya que nos muestra que no todos los aceros al carbono son susceptibles a ser templados, deben tener un contenido de carbono que permita esta transformación, como puede observarse en el acero SAE 1090 el cual si posee esta característica por lo que si es susceptible a ser templado.

Fig. 5 Curva TTT aceros SAE 1034 y SAE 1090

Lo dicho anteriormente es parcialmente cierto, un acero de bajo carbono no puede ser templado pero si se modifica su composición química agregando elementos aleantes que estabilizan la austenita se puede desplazar la curva TTT más a la derecha para facilitar la transformación de austenita a martensita y también aumentar el tiempo para que dicha transformación ocurra sin necesidad de recurrir a un medio de enfriamiento muy agresivo que puede afectar la estructura de la pieza (distorsión o fracturas)

Fig. 6 Curva TTT aceros SAE 4340 y SAE 5140

Los aceros de la figura 6 representan un tipo especial de acero que son denominados aceros de baja aleación y que poseen elementos estabilizadores de la austenita y curvas que se pueden desplazar a la derecha y cuya función principal es permitir la transformación martensítica. El procedimiento para el temple se puede observar en la figura 7, la pieza es homogenizada de tal manera que tanto su superficie como su centro estén completamente austenizados. Luego de ser enfriados se obtiene la martensita y de ahí se realiza otro tratamiento térmico llamado revenido que busca disminuir la dureza del acero sin modificar la microestructura martensítica. 

Fig. 7 Etapas de transformación durante el temple y revenido

En algunos ocasiones se requiere conocer la templabilidad del acero, ¿que significa? Queremos conocer el perfil de dureza de un acero y como esta dureza va variando desde la superficie hasta el centro de la misma. De ahí que, con el perfil de dureza se puede establecer mejor el procedimiento para realizar el tratamiento térmico adecuado.

Fig. 8 Perfil de dureza para pieza sometida a ensayo Jominy

De todos los tratamientos térmicos el temple tiene mucha información que dar y es uno de los más completos, espero que este resumen les haya sido de mucha utilidad para sus estudios y bienvenidas las preguntas y comentarios ya que es importante la retroalimentación.

 

Este artículo esta dedicado a la memoria de la profesora Ing. Oldis Viez Herrera quien en vida fue docente de la asignatura tratamientos térmicos de la especialidad Tecnología Metalúrgica del IUT Puerto Cabello, Venezuela.

Referencias

ASM Handbook volumen 4 Heat Treatment

Tratamiento Térmico de Normalizado

 Hola amigos un cordial saludo, en esta parte hablaremos del normalizado y su influencia en las propiedades mecánicas del acero. En el recocido modificamos la microestructura para regenerar el grano deformado, aliviar tensiones o agrandar el mismo tamaño de grano. En el normalizado vamos a modificar el grano del acero para hacerlo lo más fino posible y aumentar así la resistencia del mismo. Entonces, partimos del mismo proceso en el horno donde austenizamos la estructura del grano como se puede apreciar en la figura 1.

Fig. 1 Rango de Normalizado en el acero

 En el Normalizado el rango de austenización es un poco más elevado que en el recocido aunque los tiempos de calentamiento y permanencia en el horno son los mismos. Por otro lado, el medio de enfriamiento en el normalizado es diferente que en el recocido ya que este último se realiza en el horno mientras que en el normalizado se realiza  al aire. Esto hace que el enfriamiento sea mucho más rápido como se puede apreciar en la figura 2 y el resultado final es una estructura mucho más fina que en el recocido y granos más pequeños. 

Fig. 2 Diferencia entre enfriamiento en recocido y normalizado

Las figuras 3A y 3B muestran dos microestructuras obtenidas de un tratamiento térmico de recocido y de normalizado. Aquí podemos distinguir la morfología del grano y como se ve más grueso en la Fig. 3A mientras que en la figura 3B se aprecia granos equiaxilaes mucho más pequeños. Ahora bien vamos a cuantificar el número de grano usando la ASTM E 112 por el método que ustedes les guste (comparativo, planimétrico o intercepción) 

Fig. 3A Microestructura de un acero recocido 100X

Fig. 3B Microestructura de un acero normalizado 100X

Una vez obtenido el tamaño de grano lo pueden comparar con la dureza del material de tal manera que la dureza del recocido debe ser menor a la del normalizado. En caso de que no coincidan deben verificar la superficie del material que no tenga residuos de óxidos, que el indentador del durómetro no esté deformado, que el equipo este calibrado y que la huella del indentador en la pieza coincida con el patrón.

Ya tienen suficiente información para realizar sus informes de laboratorios de manera exitosa, con un buen respaldo bibliográfico mas un adecuado procedimiento de tratamiento térmico el resultado final será satisfactorio.

Para terminar este corto análisis de estos tratamientos térmicos lo que hemos aprendido es que el acero sometido a una alta temperatura (austenizado) con dos maneras diferentes de enfriamiento pueden darnos una estructura que va a tener una fuerte influencia en las propiedades mecánicas de dicho material.

Ahora ¿Que sucede si enfriamos mucho más rápido el acero? La respuesta en el próximo artículo

Saludosssss

 

Tratamientos Térmicos. Recocido

 Hola amigos en este artículo hablaremos del recocido y su importancia. Este tratamiento térmico tiende a modificar la microestructura del acero con el fin último de disminuir la resistencia y aumentar el tamaño de grano. En ocasiones, el material sufre de una deformación plástica extrema y para poder regenerar su estructura se recurre a este tratamiento, como puede observarse en la figura 1. Conforme el material tiende a recuperarse, sus granos deformados liberan la energía almacenada, se recristalizan y comienzan a crecer. El proceso culmina con el enfriamiento de la pieza en el horno hasta la temperatura ambiente.

Fig. 1 Recocido en un material deformado 

La temperatura del recocido por lo general se realiza a aproximadamente 50°C sobre la linea crítica del diagrama Fe-Fe3C tal como se puede apreciar en la figura 2. Cabe destacar que existen otros tratamientos de recocido  que no necesariamente involucran austenizar toda la pieza. Entre ellos están, recocido de alivio de tensiones, contra acritud y la esferoidización 

Fig. 2 Rango de Tratamiento Térmico del Recocido en el Acero

Ahora bien, que información debo manejar a la hora de realizar mis prácticas de laboratorio de tratamientos térmicos en un acero. Primeramente manejar el diagrama Fe-C, ya que conociendo el % de carbono de su acero pueden estimar la temperatura de recocido en el horno (recuerden las etapas, Calentamiento+Recocido+Enfriamiento) Segundo, comparar la microestructura de la pieza antes y después del tratamiento ya que en sus informes deben mostrar las condiciones con las cuales se recibió la pieza. Tercero, emplear el estándar ASTM E112 para estimar el tamaño de grano acorde con el método de su preferencia ya sea comparativo, planimétrico o intercepción. Cuarto y muy importante comparar las durezas iniciales y finales de la pieza ya que no solo ustedes observarán como varía el tamaño de grano sino también como esta variación se refleja en la microestructura. 

Tratamiento Térmico Introducción

 Hola amigos un cordial saludo en este artículo vamos a dar unos tips para ustedes que están cursando la asignatura de tratamientos térmicos y que les puede servir en sus practicas de laboratorio. Primeramente definimos el tratamiento térmico como operaciones de calentamiento y enfriamiento con el fin último de modificar las propiedades mecánicas de un acero o de una aleación no ferrosa.

 En el tratamiento térmico No se funde el material ya que las transformaciones se realizan en estado sólido. Las temperaturas a operar son muy bajas en comparación con la fundición. Antes de iniciar un tratamiento térmico, se debe conocer el diagrama de fase del material a modificar ya que estos muestran las lineas críticas de trabajo para un buen diseño de un procedimiento de tratamiento térmico. En la figura 1 se puede observar el diagrama Fe-Fe3C el cual indica las lineas críticas asociadas con las operaciones de tratamiento térmico y que se identifican como lineas Ac, Acm y Ac1 (Fig. 2)

Fig. 1 Diagrama Fe-Fe3C

Fig, 2 Lineas críticas

Un dato interesante que nos da el diagrama es la división del acero en dos áreas, la primera los aceros hipoeutécticos cuya porcentaje máximo de C es 0.8% aproximado (depende de la fuente consultada) y los aceros hipereutécticos que están en el orden de 0.8 a 2 % C. El tratamiento térmico es diferente para estos aceros hipereutectoides, por ejemplo el tratamiento térmico de esferoidización busca modificar la cementita presente en esferas con una notable disminución de la dureza (Fig. 3)

 Fig. 3 Rango de temperaturas para el tratamiento térmico de esferoidización

Con el diagrama se pueden ubicar las temperaturas en las cuales podemos realizar el tratamiento térmico. En el caso del acero tenemos varios tratamientos   Recocido, Normalizado, Temple, Revenido, Cementación, Nitrurización, Martempering,  Austempering entre otros. Los cuatro primeros son los más utilizados y se diferencian entre ellos por la temperatura a la cual se realiza el calentamiento de la pieza y su medio de enfriamiento. De ahí que, en el recocido el acero es calentado unos grados por encima de la linea AC3 y enfriado en el horno, mientras que en el normalizado la temperatura de tratamiento es un poco superior al recocido y el enfriamiento es al aire (Fig. 4)

 Fig. 4 Ciclos de calentamiento y enfriamiento en el acero para el recocido y el normalizado

Ahora bien,¿Que se busca en el recocido? Lo más importante es disminuir la resistencia del acero e incrementar su tamaño de grano. ¿Que se busca en el normalizado? En este tratamiento queremos disminuir el tamaño de grano para aumentar la resistencia en el acero. El punto clave aquí esta en el tamaño de grano por lo que a la hora de evaluar las microestructuras deben tener la información de que tratamiento se le realizó a la pieza, temperaturas de tratamiento, microestructura inicial previa al tratamiento térmico y la microestructura final y por último y muy importante un durómetro para verificar la dureza.