TEMAS Diciembre Belén Molina Sánchez UNIVERSIDAD ANTONIO DE NEBRIJA ASIGNATURA: MATERIALES I

Transcripción

1 TEMAS Diciembre 2005 Belén Molina Sánchez 1

2 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN El tiempo: la tercera dimensión. En los diagramas de fases se exigía que los cambios de temperatura tuviesen lugar de forma relativamente lenta, sin considerar el tiempo como un factor. Las estructuras de los diagramas de fases requieren un cierto tiempo para su formación, pudiéndose representar la aproximación al equilibrio en una escala de tiempos. El tiempo necesario para que se complete la solidificación es una función muy sensible de la temperatura, encontrándose el tiempo mínimo a una temperatura considerablemente inferior a la de fusión. El tiempo necesario para que se complete la solidificación varía con la temperatura 2

3 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagrama hierro-carburo de hierro: Las fases de equilibrio sólo pueden darse cuando el material se enfría muy lentamente desde la fase de austenita. Cuando el enfriamiento del acero no es lento (fuera de equilibrio) se forman fases que no están representadas en el diagrama. FCC BCC Las fases fuera de equilibrio no pueden obtenerse del diagrama hierro-carburo de hierro. Se necesita un diagrama adicional que tenga en cuenta la variable tiempo. La transformación de austenita se controla por difusión, por lo tanto requiere de tiempo. 3

4 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Endurecimiento: Bajo rapideces de enfriamiento lentas o moderadas, los átomos de carbono pueden difundirse hacia fuera de la estructura de austenita. De este modo los átomos de hierro se mueven ligeramente para llegar a ser BCC. Esta transformación γ α tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento y depende del tiempo. Aumentando la rapidez de enfriamiento no hay tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento del átomo de hierro, la estructura no puede llegar a ser BCC, ya que el carbono está atrapado en la solución. La estructura resultante se llama martensita y es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Dos dimensiones de la celda unitaria son iguales, pero la tercera está ligeramente extendida debido al carbono atrapado. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal causa de la alta dureza de la martensita. Después de un enfriamiento drástico, la martensita aparece microscópicamente como una estructura blanca acicular o tipo aguja. La transformación es sin difusión y no hay cambio en la composición química. Hueco = 0,104 nm Hueco = 0,072 nm φ c = 0,154 nm Desde la celda unidad del hierro γ FCC en la que se observa un átomo de C en un hueco intersticial, se produce la transformación a hierro α BCC. El carbono provoca la distorsión de esta red produciendo una celda BCT (tetragonal centrada en el cuerpo) 4

5 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Principales características de las transformación de martensita: La transformación se da sólo durante el enfriamiento y cesa si este se interrumpe. El número de agujas de martensita producidas al principio es pequeño, después aumenta y finalmente disminuye. La temperatura de inicio de la formación de martensita se llama temperatura M s y la del final de la formación temperatura M f. Si el acero se mantiene a cualquier temperatura por debajo de M s la transformación a martensita se detendrá y no avanzará nuevamente a menos que la temperatura disminuya. El intervalo de temperatura de formación de martensita es característica de una aleación y no puede disminuirse al aumentar la rapidez de enfriamiento. La martensita probablemente nunca esté en condiciones de equilibrio real, aunque puede persistir de modo indefinido en o cerca de la temperatura ambiente. La estructura puede considerarse como una transición entre la fase inestable de austenita y la condición final de equilibrio de una mezcla de ferrita y cementita. La principal característica de la martensita es su alta dureza y fragilidad. El propósito básico del endurecimiento es producir una estructura totalmente martensítica y la mínima rapidez de enfriamiento que evitará la formación de cualquier producto más suave se conoce como rapidez crítica de enfriamiento. La dureza y resistencia de la martensita están relacionadas directamente con su contenido en carbono y aumenta con él. 5

6 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagramas temperatura-tiempo-transformación: El diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro es de poco valor en el estudio de los aceros enfriados bajo condiciones fuera de equilibrio. Como la austenita es inestable por debajo de la temperatura crítica inferior Ae 1 es necesario saber cuánto tiempo necesitará para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo para estar totalmente transformada y cuál es la naturaleza del producto de transformación. Los pasos que se siguen para determinar un diagrama de transformación isotérmica son: Preparar un gran número de muestras cortadas de la misma barra. La sección transversal tiene que ser pequeña para que reaccione rápidamente a los cambios de temperatura. Colocar las muestras en un horno o en un baño de sal fundida a la temperatura de austenización. Colocar las muestras en un baño de sal fundida que se mantenga a una temperatura constante subcrítica (por debajo de la línea Ae 1 ). Después de variar los intervalos de tiempo en el baño de sal, cada muestra se templa en agua fría o en salmuera enfriada con hielo. Después del enfriamiento a cada muestra se le mide la dureza y se estudia microscópicamente. Los pasos anteriores se repiten a diferentes temperaturas subcríticas hasta que se determinan suficientes puntos para graficar las curvas en el diagrama. 6

7 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagramas temperatura-tiempo-transformación: 7

8 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagramas temperatura-tiempo-transformación: Como resultado del experimento anterior se pueden graficar dos puntos, el tiempo para el principio y el tiempo para el final de la transformación. También se suele graficar el tiempo para el 50% transformado. El experimento se repite a diferentes temperaturas subcríticas hasta que se determinan suficientes puntos para dibujar una curva que muestre el principio de la transformación, otra curva que indique el fin de la transformación y una curva punteada que indique el 50% transformado. El tiempo se grafica sobre una escala logarítmica. Esta curva se llama diagrama T-I (transformación isotérmica), curva TTT (transformación, temperatura, tiempo) o curva S. Se trata de un diagrama de transformación tiempo-temperatura que indica el tiempo para que una fase se descomponga continuamente en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento. 8

9 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagramas TTT de un acero eutectoide: Diagrama de transformación isotérmica de un acero al carbono eutectoide en el que se indica su relación con el diagrama de fases Fe-Fe 3 C 9

10 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Transformación a perlita y bainita: El producto de transformación por encima de la región de la nariz es perlita. La microestructura de la perlita es la estructura laminar de capas alternas de ferrita y cementita. Por debajo de la línea Ae 1 se forma perlita laminar gruesa. Conforme la temperatura de transformación disminuye, la estructura laminar característica se mantiene, la separación entre las capas de ferrita y cementita disminuye hasta que la separación de capas no puede resolverse con un microscopio óptico. Conforme la temperatura de transformación y la fineza de la perlita disminuyen, la dureza aumenta. Entre la región de la nariz de aproximadamente 510 ºC y la temperatura Ms aparece un nuevo agregado de ferrita y cementita que se conoce como bainita. A temperaturas mayores del intervalo de transformación parece perlita y se conoce como bainita superior o arborescente. A bajas temperaturas aparece como una estructura negra tipo aguja que parece martensita y se conoce como bainita inferior o acicular. a) Bainita arborescente y perlita fina en una matriz martensítica, 1000x b) Microestructura de bainita transformada a 455 ºC, 15000x a) Bainita acicular, agujas negras en una matriz martensítica, 2500x b) Microestructura de bainita transformada a 260 ºC, 15000x 10

11 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Curvas de enfriamiento: Una curva de enfriamiento se determina experimentalmente colocando un termopar en un lugar definido en una muestra de acero y luego variando la variación de la temperatura con el tiempo. Como las coordenadas del diagrama TTT son las mismas que para una curva de enfriamiento es posible sobreponer varias curvas de enfriamiento en el diagrama TTT. 11

12 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Posición de la curva TTT: Hay dos factores que cambian la posición de las curvas TTT: La composición química: un incremento en el contenido de C en la aleación mueve la curva hacia la derecha (retarda la transformación). El tamaño de grano austenítico: un aumento en el tamaño de grano austenítico mueve la curva hacia la derecha (retarda la transformación). El retardo de la transformación implica que sea más fácil la formación de martensita. Diagrama TTT de un acero con un 0.35% de C y 0.37% de Mn Diagrama TTT de un acero con un 0.5% de C y 0.91% de Mn 12

13 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN La composición química: el desplazamiento a la derecha de la curva TTT se consigue adicionando vanadio (el que produce más desplazamiento), tungsteno, molibdeno, cromo, manganeso, silicio y níquel (el que produce menor desplazamiento) Diagrama TTT de un acero con un 0.35% de C y 0.37% de Mn Diagrama TTT de un acero con un 0.35% de C y 1.85% de Mn Diagrama TTT de un acero con un 0.33% de C, 0.45% de Mn y 1.97% de Cr 13

14 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN El tamaño de grano austenítico: efecto del retardo de la rapidez crítica de enfriamiento al hacer más grueso el tamaño de grano de la austenita Diagrama TTT de un acero con un 0.87% de C, 0.3% de Mn y 0.27% V Tamaño de grano: de 2 a 3 ---Tamaño de grano:11 14

15 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Transformación a enfriamiento continuo: Del diagrama TTT es posible derivar otro diagrama que mostrará la transformación bajo enfriamiento continuo. Se conoce como el diagrama T-E (transformaciónenfriamiento). Se trata de un diagrama de transformación-temperatura-tiempo que indica el tiempo necesario para que una fase se descomponga continuamente en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento. 15

16 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Diagramas: Existen dos tipos de diagramas: Diagramas de transformación isotérmica: el cambio de fase se da a temperatura constante. Diagramas TTT. Diagrama de enfriamiento continuo: el cambio de fase se da a medida que se va enfriando el acero. Diagramas T-E. 16

17 CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN Resumen de los elementos que se pueden obtener a partir del acero y sus características: 17

18 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS El tratamiento térmico es un proceso donde se controla la temperatura y el tiempo de enfriamiento con el fin de generar fases deseadas en el acero. Es una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento de tiempos determinados y aplicados a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. El primer paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar austenita. Los tratamientos térmicos más comunes para el acero son: Austenizado. Recocido (Anneling). Normalizado (Normalizing). Templado. Revenido. Marrevenido (martemplado). Ausrevenido. Tratamientos térmicos superficiales: carburización, nitruración, carbonitruración, temple por inducción... 18

19 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Austenizado: consiste en crear austenita en la estructura del acero. La austenita se utiliza para transformarla en otras fases con un tratamiento térmico. La temperatura de austenización recomendada para los aceros hipoeutectoides es de unos 10 ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior (A 3 ). Para aceros hipereutectoides al carbono puro, la temperatura de austenización recomendada suele estar entre las líneas Acm y A 3,1 Recocido: el acero austenizado se enfría lentamente (preferentemente en horno o en cualquier material que sea buen aislante de calor) con el propósito de generar las fases de equilibrio. El propósito del recocido puede ser: Refinar el grano. Ablandar parcialmente los aceros de bajo carbono al relajar las tensiones internas resultantes de los procesos de trabajo en frío. Mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas. En algunos casos mejorar la maquinabilidad. Se trata de un enfriamiento muy lento y, por tanto, llega a estar muy próximo al diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro. 19

20 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Normalizado: el acero austenizado se somete a un enfriamiento moderado. El propósito es formar bainita o perlita muy fina. Se consigue calentando aproximadamente 40 ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior (Acm) seguido por un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura ambiente. El propósito es obtener un acero más duro y fuerte que el obtenido por recocido. Como ya no se enfría en condiciones de equilibrio, el diagrama hierrocarburo de hierro no puede utilizarse. Produce una estructura de perlita más fina y abundante que la obtenida por recocido, lo cual resulta en un acero más duro y fuerte. También se puede utilizar para: Mejorar la maquinabilidad. Refinar el grano. 20

21 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Templado: el acero austenizado se enfría rápidamente con el propósito de generar martensita. Un acero es endurecible cuando es posible aumentar su dureza (y por tanto su resistencia) por medio de un templado (o en general un tratamiento térmico). Un acero es fácil de templar si: Permite un enfriamiento no tan rápido de modo que no se forman grietas ni distorsiones en el material. El enfriamiento es suficientemente rápido para formar martensita. 21

22 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS En el templado la rapidez de enfriamiento varía en la longitud de la barra. Se hacen mediciones de dureza a lo largo de la barra para determinar cómo cambiaron las propiedades. Si la rapidez de enfriamiento es mayor que la rapidez crítica de enfriamiento, sólo se obtendrá martensita. Si es menor la pieza no endurecerá completamente. A mayor diferencia entre las dos rapideces, los productos de transformación serán más blandos y la dureza menor. La rapidez de enfriamiento cambia en forma constante durante el enfriamiento: Etapa A: estado de enfriamiento por medio de una capa de vapor. En esta etapa la temperatura del metal es tan alta que el medio de temple se vaporiza en la superficie del metal y una delgada y estable película de vapor rodea al metal caliente. El enfriamiento se produce por conducción y radiación a través de la película gaseosa y como las películas de vapor son pobres conductoras del calor, la rapidez de enfriamiento es relativamente lenta a través de esta etapa. Etapa B: enfriamiento por transporte de vapor. Esta etapa empieza cuando el metal se ha enfriado a una temperatura tal que la película de vapor ya no es estable. Lo mojado de la superficie del metal por el medio de temple produce una violenta ebullición. El calor se elimina del metal muy rápidamente como calor latente de vaporización. Esta etapa es la más rápida del enfriamiento. Etapa C: enfriamiento por medio líquido. Esta etapa empieza cuando la temperatura de la superficie del metal alcanza el punto de ebullición del líquido en temple. Ya no se forma vapor, de modo que el enfriamiento se efectúa por conducción y convección a través del líquido. 22

23 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Factores que influyen en la rapidez real de enfriamiento: Medio de temple: el medio ideal debería mostrar una alta rapidez de enfriamiento inicial para evitar la transformación en la región de la nariz del diagrama TTT y luego una lenta rapidez para todo el intervalo inferior de temperatura a fin de minimizar la distorsión. No existe el medio ideal. Los medios por orden de disminución de la severidad de temple son solución acuosa del 10% de cloruro de sodio (salmuera), agua de grifo, sales fundidas o líquidas, aceite soluble y soluciones acuosas, aceite y aire. 23

24 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Factores que influyen en la rapidez real de enfriamiento: Temperatura del medio de temple: conforme la temperatura del medio aumenta, la rapidez de enfriamiento disminuye. Como el medio está más cercano a su punto de ebullición, se necesita menos calor para formar la película de vapor. Esto es cierto para el agua y la salmuera. En el caso del aceite al aumentar la temperatura este se hace más fluido aumentando la rapidez de conducción de calor a través del líquido, dependiendo del aceite el aumento de temperatura aumentará o disminuirá la rapidez de enfriamiento. Además la rapidez de enfriamiento puede mejorarse y la temperatura del medio mantenerse constante si se usa circulación del medio y agitación de la pieza (deshace la película de vapor) 24

25 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Factores que influyen en la rapidez real de enfriamiento: Condición superficial: cuando el acero se expone a una atmósfera de oxidación se forma una capa de óxido de hierro. Si esta capa es gruesa retarda la rapidez real de enfriamiento. La formación de esta capa de óxido se evita en los tratamientos térmicos comerciales. Tamaño y masa: la razón entre el área superficial y la masa es un factor importante para determinar la rapidez real de enfriamiento. Esta razón depende de la geometría de la pieza. Con un medio de temple fijo, una pieza grande se enfriará más lentamente que una pequeña. La rapidez de enfriamiento en el interior es menor que en la superficie 25

26 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Factores que influyen en la rapidez real de enfriamiento: Tamaño y masa: si se miden las durezas en diferentes diámetros, estas se pueden ordenar en un diagrama de penetración de dureza o diagrama transversal de dureza. Para un acero de composición y tamaño de grano austenítico determinados, sin considerar la forma o el tamaño de la pieza ni las condiciones de temple, dondequiera que la rapidez real de enfriamiento sea la misma, la dureza debe ser la misma 26

27 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS La templabilidad de un acero se define como la propiedad que determina la profundidad y la distribución de la dureza inducida por enfriamiento desde la condición austenítica. La templabilidad es la facilidad de formación de martensita en un acero cuando se somete a temple desde la condición austenítica. Un acero altamente endurecible es aquel que formará martensita desde el principio hasta el fin en secciones gruesas. El incremento en la templabilidad o profundidad de penetración de la dureza, puede lograrse mediante uno de estos métodos: Con las rapideces reales de enfriamiento fijas, retardar la rapidez crítica de enfriamiento (desplazar la curva TTT a la derecha) al añadir elementos de aleación o engrosando el tamaño de grano austenítico. Con la curva TTT fija, incrementar las rapideces reales de enfriamiento a través de un medio de temple más rápido o incrementando la circulación. Al aumentar la rapidez de enfriamiento aumenta el peligro de distorsión o de agrietamiento, por lo que agregar elementos de aleación es el método más común para aumentar la capacidad de endurecimiento. El método más empleado para determinar la templabilidad es la prueba o ensayo de templabilidad por enfriamiento de la punta o prueba Jominy. Los resultados del ensayo de templabilidad se expresan como una curva de dureza contra distancia desde el extremo templado. El ensayo Jominy es un ensayo en el que una barra de una pulgada (25 mm) de diámetro por 4 pulgadas (100 mm) de largo es austenizada y después templada en agua en un extremo. La dureza se mide a lo largo del lado de la barra hasta alrededor de 2.5 pulgadas (63.5 mm) del extremo templado. Se puede trazar una representación llamada curva de templabilidad de Jominy representando la dureza de la barra frente a la distancia desde el extremo templado. 27

28 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Ensayo de templabilidad: La velocidad de enfriamiento de la barra Jominy varía a lo largo de su longitud. Esta curva es aplicable a casi todos los aceros al carbono y de baja aleación. La velocidad de enfriamiento es mayor cerca del extremo de la barra sobre el que incide el chorro de agua 28

29 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Ensayo de templabilidad: Variación de la dureza a lo largo de una barra Jominy típica La información que el ensayo Jominy proporciona acerca de la templabilidad se puede emplear de dos formas complementarias. Si se conoce la velocidad de temple de una pieza determinada, los datos del ensayo Jominy pueden predecir la dureza de la misma. Por otro lado, las medidas de dureza en distintas zonas de una pieza de gran tamaño (que pueden haber experimentado enfriamientos desiguales) pueden identificar distintas velocidades de temple 29

30 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Ensayo de templabilidad: Mediante el análisis reunido de cientos de coladas de cada grado de acero, se han establecido curvas de templabilidad mínima y máxima, conocidas como bandas de templabilidad. Curva típica de ensayo de templabilidad Banda de templabilidad 30

31 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Revenido: la martensita es una fase muy frágil. Por esta razón los aceros templados son quebradizos. El revenido consiste en recalentar el acero templado con el propósito de incrementar su ductilidad sin reducir significativamente su resistencia. Las características que adquiere el acero depende de la temperatura de revenido. 31

32 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Marrevenido: es una modificación del proceso de temple que se usa para minimizar en los aceros la distorsión y fisuración que pueden desarrollarse durante el enfriamiento no uniforme del material tratado en caliente. El proceso de marrevenido consta de: Austenización del acero. Temple en aceite caliente o sal fundida a una temperatura justo ligeramente superior (o ligeramente inferior) a la temperatura M S. Mantenimiento del acero en el medio de temple hasta que la temperatura sea uniforme en todo el material y parando este tratamiento isotérmico antes de que empiece la transformación de austenita a bainita. Enfriamiento a velocidad moderada hasta temperatura ambiente para prevenir grandes diferencias de temperatura. El acero se templa de nuevo por tratamiento convencional. La estructura del acero marrevenido es la martensita y la del acero marrevenido que posteriormente se somete a revenido es martensita revenida. Curva de enfriamiento para marrevenido superpuesta sobre un diagrama IT de un acero al carbono eutectoide. La interrupción del temple reduce las tensiones desarrolladas en el metal durante su curso 32

33 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Ausrevenido: es un tratamiento térmico que produce una estructura tipo bainita en algunos aceros al carbono. El proceso de ausrevenido consta de: Austenización del acero. Temple en un baño de sales fundidas a una temperatura justo por encima de la temperatura M S del acero. Mantenimiento del acero en el medio de temple hasta que la temperatura sea uniforme en todo el material y se produzca la transformación de austenita a bainita. Enfriamiento en aire hasta temperatura ambiente. La estructura del acero ausrevenido es la bainita. Curva de enfriamiento para ausrevenido de un acero al carbono eutectoide. La estructura resultante es la bainita 33

34 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES METÁLICAS Relación con las curvas TTT: Curva de enfriamiento 1: enfriamiento lento, típico de un recocido. Perlita gruesa con bajo grado de dureza Curva de enfriamiento 2: ciclo de recocido isotérmico. Produce una microestructura y dureza más uniformes Curva de enfriamiento 3: enfriamiento típico de normalización. Perlita más fina Curva de enfriamiento 4: enfriamiento típico de temple lento en aceite. Perlita media y fina Curva de enfriamiento 5: enfriamiento típico de temple de rapidez intermedia. Martensita (75%) más perlita fina (25%) Curva de enfriamiento 6: enfriamiento típico de temple drástico. Martensita Curva de enfriamiento 7: enfriamiento típico de temple drástico. Curva de enfriamiento tangente a la nariz (rapidez crítica de enfriamiento aproximado) Curva de enfriamiento 8: enfriamiento típico para obtener bainita (6+8) 34