TRATAMIENTOS TÉRMICOS ESTADOS ALOTRÓPICOS DEL HIERRO (Fe) El hierro desde temperatura ambiente hasta 910 ºC cristaliza según el sistema cúbico de cuerpo centrado (BCC). Esto quiere decir que los átomos de Fe están ordenados entre esas temperaturas como si ocuparan los vértices de un cubo, y además existiera otro átomo en el centro del cubo: 2 átomos en total. Se lo denomina Fe-alfa (Feα).
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Desde 910 ºC hasta unos 1400 ºC, el ordenamiento cristalino cambia. El sistema según el cual se disponen los átomos es el llamado cúbico de caras centradas (FCC). En él los átomos ocupan como en el caso anterior los vértices de un cubo, pero además existe sobre cada cara del cubo: 4 átomos en total. Se lo denomina Fe-gamma (Feγ).
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Un rápido análisis permite ver que por tener el Feγ mayor cantidad de átomos por cristal cúbico que el Feα, la arista del cubo del Feγ debe ser mayor. Efectivamente esas medidas son: 0,363 milésimas de micrones para el Feγ y 0,267 milésimas de micrones para el Feα.
Al calentarse el Fe, el magnetismo desaparece a los 768 ºC, es decir cuando todavía está en estado de Feα. En alguna bibliografía se denomina a este Feα amagnético como Feβ. Metalúrgicamente hablando el Feα amagnético es idéntico al Fe-beta (Feβ).
Entre 1400 ºC y la temperatura de fusión del hierro puro, 1539 ºC, el sistema de cristalización es nuevamente el cúbico de cuerpo centrado. A este estado se lo denomina Fe-delta (Feδ). Tanto el Feγ como el Feδ son amagnéticos.
SOLUCIÓN SÓLIDA DE HIERRO- CARBONO Las soluciones sólidas son de dos clases: de sustitución de inserción
En la soluciones de sustitución un átomo del elemento solvente es reemplazado dentro de la red cristalina por un elemento del elemento soluto, (ej Cu-Zn). En las soluciones sólidas de inserción, un átomo del elemento soluto se inserta entre dos átomos del elemento solvente, (ej sol. sólida de Fe-C) La solución sólida Fe-C es del tipo de inserción.
Para que dos elementos formen una solución sólida existen una serie de condiciones, pero una es fundamental: el tamaño relativo de cada átomo Así una solución sólida de sustitución solo se puede formar cuando el tamaño de los átomos de los elementos considerados no es demasiado diferente (aproximadamente un 15 %)
Para la soluciones de inserción la condición de tamaño es que el átomo de soluto no sea demasiado grande con respecto a la distancia interatómica propia del sistema de cristalización del solvente. Específicamente, en nuestro caso el C solo puede formar con el Feγ soluciones sólidas de inserción dada la gran diferencia de tamaños atómicos.
Sin embargo, la distancia interatómica del Feα y el Fe δ es demasiado pequeña para permitir la inserción del átomo de C. De esto se concluye: el Feγ forma con el C solución sólida el Feα y Feδ no forman soluciones sólidas con el C.
Esto último no es totalmente cierto. Toda red cristalina tienen imperfecciones: existen vacancias (lugares no ocupados por átomos); dislocaciones (deformaciones de la red); y zonas desordenadas en relación a la ubicación de los átomos del solvente (bordes de grano). Debido a estas imperfecciones es posible que algunos átomos de carbono encuentren lugar como para introducirse intersticialmente, por lo tanto una pequeña cantidad de carbono se disolverá en el Feα (y el Feδ).
La solución máxima de C en el Feα es de 0,025 % a 721 ºC, a la cual se la denomina FERRITA. Debido a la pobre disolución de C en Feα se puede decir que la Ferrita es prácticamente Feα puro, pero conceptualmente es una solución sólida, mientras que el Feα es un estado alotrópico. La máxima disolución de C en Feδ es de 0,10 % a 1492 ºC y a esta solución se la denomina solución sólida delta.
A la solución sólida de C en Feγ se la denomina AUSTENITA. A la solución sólida de C en Feα se la denomina FERRITA.
LÍMITES DE COMPOSICIÓN DE CARBONO Las abscisas del diagrama Fe-C metaestable tienen límites entre 0 % de C (hierro puro) y 6,67 % de C. En el diagrama de Fe-C el C no aparece en forma pura sino como compuesto CFe 3 (cementita). El % de C de este compuesto es de 6,67 % de C.
La cementita no debe ser confundida con un compuesto químico común. Pues a pesar de tener una fórmula definida, tiene característica metálica: es buen conductor del calor y la electricidad, tiene brillo metálico y es además es ferromagnético como el Fe.
La cementita es un compuesto duro y frágil. Se lo identifica como: COMPUESTO INTERMETÁLICO
PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas de los materiales son una medida del comportamiento de los mismos bajo la acción de distintos tipos de esfuerzos.
Entre las más significativas se encuentran: Resistencia Resiliencia Ductilidad Tenacidad Fragilidad Maleabilidad Dureza Resistencia al desgaste Maquinabilidad Soldabilidad
RESISTENCIA La resistencia de un material es su capacidad para soportar cargas sin que se produzca su rotura o su deformación. Esta capacidad depende de la mayor o menor actuación molecular (cohesión del cuerpo).
RESILIENCIA La resiliencia está dada por el trabajo consumido por la rotura de una probeta en el ensayo de impacto Charpy dividido por la sección en el lugar de la entalla. Re siliencia S Eabs F kgm 2 cm
Desarrollo: Ep Ec Ep energía energía cinética energía potencial 1 2 2 m v potencial inicial ( al pasar final m. g. h Como la energía total debe ser constante, la energía absorbida por la probeta será la diferencia entre la energía potencia inicial y la final. por m la 1 posición. g. h Eabs. m. g. h1 m. g. h2 m. g ( h1 h2 ) 2 de eqwuilibrio)
DUCTILIDAD Es la capacidad del material a cambiar de forma y dimensiones por deformación plástica sin sufrir rotura, la que depende no solo del material sino también del estado tensional que se considere. La ductilidad se mide por el porcentaje de alargamiento que aparece en el material en la rotura.
El alargamiento de un material se mide normalmente sobre una longitud de 2 pulg. (5,08 cm). Si este porcentaje es menor al 5 %, se dice que el material es FRÄGIL, por el contrario, si supera dicho valor, el material es DÜTIL. La ductilidad es importante porque mide la capacidad del material para ser trabajado en frío. Por lo que se requieren materiales dúctiles para aplicarles las operaciones de PLEGADO, ESTIRADO o PESTAÑADO.
TENACIDAD Es la capacidad para absorber energía en la zona plástica del material. Se puede considerar como una combinación de resistencia y ductilidad. Un material tenaz es aquel que puede absorber grandes cantidades de energía sin que se produzca la rotura. Los metales que presentan un módulo de elasticidad elevado y una gran ductilidad, son muy tenaces.
FRAGILIDAD Es una propiedad opuesta a la ductilidad y consiste en la capacidad del material de destruirse sin deformación residual apreciable. Para determinar la fragilidad de los metales se emplea el ensayo CHARPY.
MALEABILIDAD Es la capacidad del material para ser deformado (o sea, darle una forma determinada) por aplicación de fuerzas de compresión, ya sea lenta o por choque, en frío o en caliente, sin que se produzcan defectos (o sea, sin acusar grietas o roturas). Los materiales maleables pueden ser forjados, laminados o estampado.
DUREZA Físicamente la dureza se la puede definir como la mayor o menor facilidad con que un cuerpo puede ser penetrado por otro más duro cuando se lo somete a una carga determinada de acuerdo al método elegido.
Los métodos más usados para determinar la dureza de un material son: a) BRINELL b) ROCKWELL c) SHORE
Método BRINELL Una bola de acero templado de 10 mm de diámetro se oprime contra la pieza del material a ser medido, mediante la aplicación de una fuerza de 3000 kg. Se determina el diámetro de la huella y se calcula el área de la superficie de contacto entre la bola y el material.
Cuando más duro es el material, más pequeña es la impronta (huella) y más alto será el número Brinell. La resistencia del acero en kg/cm2 es usualmente unas 35 veces el número de dureza Brinell. La dureza Brinell es aproximadamente proporcional a la resistencia a la tracción de los aceros. La relación es: HB. 35 R
Dureza Brinell de: Martensita HB: 650 Perlita (acero 1080)...HB: 260 Ferrita...HB: 90
Método ROCKWELL La dureza se lee directamente en una escala. Existen dos tipos de medida: Rockwell B y Rockwell C.
Rockwell B : se emplea una bola de acero de 1,59 mm (1/16 ) de diámetro. La escala da una lectura que depende de la penetración producida por una carga de 90 kg, después que se ha aplicado una precarga de 10 kg para asentar la bola sobre la pieza a medir. Este sistema se lo emplea para determinar la dureza de materiales semiduros y blandos.
Rockwell C : se emplea un cono de diamante de 120º extremo redondeado en 0,2 mm. La precarga es también de 10 kg, pero la carga es de 140 kg. Este sistema se lo aplica principalmente para determinar la dureza de materiales duros.
Método SHORE Consiste en determinar el rebote que sufre un percusor al chocar contra la superficie del material que se ensaya, cuando se lo deja caer desde una altura determinada. La diferencia con respecto a los métodos anteriores es que en este caso se trata de una determinación dinámica.
RESISTENCIA AL DESGASTE El desgaste es la pérdida de dimensiones producidas por la abrasión o el limado de la superficie de un material. En general, los metales de elevada dureza son los que presentan menores pérdidas por desgaste. Los aceros con contenidos entre 10 14 % de Mn y 1 1,4 % de C poseen una capacidad excepcional para resistir la abrasión. Las superficies lisas se desgastan menos que las rugosas.
MAQUINABILIDAD Es la relativa facilidad con que se puede mecanizar un material con herramientas de BORDE AFILADO. Cuando una pieza requiere mucha mecanización, el proyectista intenta elegir un material con una composición y estructura de grano que se adapte lo mejor posible a las operaciones de corte.
Los aceros de bajo contenido de carbono tienen usualmente mala maquinabilidad. El agregado de Mn mejora la maquinabilidad. Los aceros aleados como consecuencia de su resistencia y tenacidad más elevada son más duros para su mecanización. El P y el S mejoran la maquinabilidad y se los agrega en algunos aceros, aunque disminuyen otras propiedades, como la resistencia a la corrosión.
SOLDABILIDAD Es la actitud que tienen los materiales metálicos para unirse por medio del proceso de soldadura por los procedimientos habituales sin que aparezca fisuración en frío.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros y consisten en calentar y mantener a las piezas o las herramientas de acero a temperaturas adecuadas durante un cierto tiempo y luego enfriarlas en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces, también cambios en la composición del metal.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS El TIEMPO y la TEMPERATURA son las variables principales y hay que fijarlas siempre de antemano de acuerdo a la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos se basan en el principio de que las transformaciones alotrópicas en el estado sólido requieren, para desarrollarse plenamente, tiempo suficiente y movilidad atómica o difusión.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Un enfriamiento lento, al permitir a los átomos ocupar sus verdaderas posiciones de equilibrio permitirá el pleno desarrollo de la transformación y el metal o aleación se transformará, pasando de la constitución que tenía a alta temperatura a la que es más estable a baja temperatura.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Por el contrario, conforme aumentamos la velocidad de enfriamiento, la transformación hallará más dificultades para desarrollarse y lo hará sólo parcialmente, y, por último, podemos llegar a impedir totalmente la transformación si la velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS RECOCIDO: tratamiento que, mediante un enfriamiento lento, facilita el desarrollo de las transformaciones. TEMPLE: tratamiento que, por un rápido enfriamiento, impide el desarrollo de las transformaciones. REVENIDO: tratamiento que permite el desarrollo parcial de las transformaciones. NORMALIZADO: tratamiento que permite regenerar propiedades y estructuras que se consideran normales y características de su composición.
RECOCIDO TRATAMIENTOS TÉRMICOS Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objeto principal es: ablandar el acero, regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consiste en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguido generalmente de enfriamientos lentos, normalmente dentro de hornos.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en los siguientes grupos: Recocido de austenización completa o de regeneración, Recocido de ablandamiento
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Recocido de austenización completa o de regeneración En este caso el calentamiento se hace hasta una temperatura ligeramente más elevada a la crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar y regenerar estructuras.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Recocido de ablandamiento Su principal objetivo es ablandar el acero por un proceso rápido y económico. Con él se pueden obtener menores durezas, pero las que se obtienen, en muchos casos, son suficientes para mecanizar perfectamente los materiales. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la crítica, Ac 1, sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire.
TEMPLE TRATAMIENTOS TÉRMICOS Su objetivo es endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Mediante el temple se impide las transformaciones que conducen a la constitución estable a baja temperatura.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Requiere, al igual que el recocido, un calentamiento previo por encima del punto crítico de la aleación, pero próximo a él y permanecer a esa temperatura el tiempo preciso para alcanzar totalmente la constitución estable a alta temperatura, seguido después de un enfriamiento rápido que impida la transformación, reteniendo así, a la temperatura ambiente la estructura estable correspondiente a altas temperaturas.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Este enfriamiento denominado crítico se suele hacer mediante la inmersión de la pieza caliente en un baño refrigerante de agua, aceite, o en una corriente de aire. La naturaleza del baño depende de la velocidad de enfriamiento requerida para alcanzar el temple. Cuanto mayor sea esa velocidad de enfriamiento, más difícil es el temple y mayor es la energía necesaria del baño.
REVENIDO TRATAMIENTOS TÉRMICOS Es un tratamiento que se lleva a cabo sobre piezas previamente templadas, a los efectos de eliminar las tensiones y mejorar la tenacidad, disminuyendo la dureza y la resistencia. Consiste en un calentamiento inferior al punto crítico A 1, seguido de un enfriamiento de velocidad intermedia entre el temple y el recocido.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS NORMALIZADO Consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo De esta forma se deja al acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Se emplea para el tratamiento de piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos, y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE SUPERFICIE O TERMOQUÍMICOS CEMENTACIÓN NITRURACIÓN CARBONITRURACIÓN
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Las condiciones de servicio imponen muchas veces que las piezas de acero deben poseer al mismo tiempo, una elevada dureza superficial, para soportar fuertes rozamientos, y una elevada tenacidad en el núcleo, para soportar altas acciones fragilizadoras. Tal cosa sucede, por ej., con los engranajes, levas, bulones, etc., que sometidos a altos rozamientos soportan a su vez choques y, en general, esfuerzos dinámicos.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos empleados para dar cumplimiento a estas exigencias prácticas, se basan en la difusión, la que permite que un acero, en contacto con una determinada sustancia y en determinadas condiciones operativas, absorba superficialmente determinados elementos a fin de alcanzar la dureza superficial deseada.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS CEMENTACIÓN Tiene por objeto aumentar la proporción de carbono en la superficie de un acero mediante un proceso de difusión. Esto se realizará partiendo de un acero de bajo contenido de carbono, poniéndolo en contacto íntimo con sustancias muy ricas en carbono para permitir que él vaya penetrando en el acero.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Esta operación se realiza a temperaturas superiores a los puntos críticos, con el objeto de que el acero se encuentre en su estado austenítico y se asegure la disolución total y homogénea de todo el carbono que contiene.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS En estas condiciones, el carbono de las sustancias cementantes irá penetrando, de acuerdo a las leyes de la difusión, en el acero aumentando la concentración en las capas externas de la pieza. Esta penetración del carbono será mayor cuanto mayor sea la temperatura y el tiempo que dure la operación.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Según el estado del agente cementante empleado la cementación se clasifica en: Sólida Líquida Gaseosa
Temple TRATAMIENTOS TÉRMICOS Luego de cementar a la pieza se la debe templar en un medio adecuado, según el tipo de acero, obteniéndose una capa cementada dura y resistente al desgaste Ya que la temperatura empleada será inferior a la crítica del núcleo, éste no templará y mantendrá su ductilidad. De esta forma se disminuye al mínimo el peligro de deformaciones de la pieza.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS NITRURACIÓN Es un tratamiento de endurecimiento superficial a baja temperatura, en el que las piezas de acero templadas y revenidas al ser calentadas a 500 ºC en contacto con una corriente de amoníaco, el cual se introduce en la cámara de nitruración, absorben nitrógeno, formándose en la capa periférica nitruros de gran dureza quedando las piezas muy duras y sin necesidad de ningún tipo de tratamiento posterior. La dureza que las capas nitruradas presentan, son superiores a las de cualquier capa obtenida por otro procedimiento.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS CARBONITRURACIÓN Este proceso se puede considerar como un caso particular de la cementación gaseosa, consistiendo en el calentamiento de una aleación ferrosa en una atmósfera gaseosa de una composición que permita incorporar simultáneamente a la aleación C y N, enfriándose posteriormente en forma conveniente a los efectos de obtener las propiedades deseadas. El C necesario en la operación se logra a partir de un gas carbonoso o líquido carburante vaporizado, mientras que el N se lo obtiene a partir de amoníaco.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Una de las ventajas más interesantes de la carbonitruración consiste en que el N absorbido durante el proceso, disminuye la velocidad crítica de enfriamiento del acero. Es decir, la templabilidad de la capa de un acero carbonitrurado es mucho mayor que la correspondiente al mismo acero cementado, lo cual permite la sustitución de aceros de alta aleación por aceros menos aleados, incluso por aceros al C