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