Transformaciones en el calentamiento

La formación de la austenita se realiza por nucleación y crecimiento, por lo que necesita un cierto tiempo para completarse (difusión de grano). Se necesita mantener la austenita un cierto tiempo a temperatura de austenización para lograr su homogeneización. La velocidad está directamente relacionada con la temperatura, por eso la homogeneización es más rápida a mayor temperatura.

Sobrecalentamiento: al elevar mucho la temperatura en la etapa austenítica se produce un crecimiento excesivo del tamaño de grano y disminución de la energía interna. Al enfriarse, la ferrita forma agujas desde el borde de grano hacia el centro, lo que hace que la austenita no sea más homogénea. Esta estructura indeseable por fragilidad se le hace un tratamiento regenerativo: calentar el acero auste y enfriar.

Quemado: si la temperatura es mayor que en el sobrecalentamiento, puede que se acerque mucho a la línea solidus y empiece la fusión del acero en algunos puntos, pero con oxidación y sin regeneración.

Transformación martensítica

Si se enfría rápidamente una estructura austenítica se evitan las transformaciones P+B.

1. Debido a la ausencia de difusión por bajas temperaturas, la transformación no altera la composición química de las fases (Composición química austenita = la de martensita). El cambio estructural sucede por un pequeño movimiento atómico de reorientación.
2. La transformación martensítica no depende del tiempo, solo de la temperatura. Enfriando por debajo de la temperatura a la que comienza la transformación (Ms), la transformación ocurre instantáneamente y no progresa, siendo transformaciones atérmicas.
3. El paso de la austenita a martensita produce un aumento de volumen. Una celda de austenita se transforma en dos celdas de martensita, lo que puede resultar peligroso dadas las bajas temperaturas y crear tensiones residuales e incluso grietas.
4. La cantidad de martensita aumenta al disminuir la temperatura, pero no es proporcional. Por debajo de Mf (temperatura fin de transformación) hay 100% de martensita.
5. Ms disminuye al aumentar el porcentaje de carbono.

Recocido: Para realizar el tratamiento de recocido hay que calentar el acero hasta alcanzar una temperatura más o menos similar a la indicada a propósito del normalizado y a continuación enfriar la pieza muy lentamente; generalmente se apaga el horno y se deja enfriar la pieza en su interior.

• Recocido de austenización completa o de regeneración: se calienta el acero por encima de A3. Es típico de aceros hipoeutectoides; la estructura final resultante es ferrita y perlita.
• Recocido de austenización incompleta: es el típico de aceros hipereutectoides, que no pueden austenizarse por completo. Se mantiene la temperatura en una intermedia entre A1 y Acm. A la temperatura del tratamiento coexisten entonces austenita y cementita; esta última fase adopta una forma globular para estabilizarse (menor superficie de intercara). La cementita que se genera posteriormente en el enfriamiento sigue adoptando esta morfología.
• Recocido subcrítico: se calienta el acero hasta una temperatura inferior a A1; no se produce austenización. La cementita de la perlita pasa de forma laminar a globular más estable. Se efectúa a veces para ablandar más aún los aceros hipoeutectoides, ya que esta estructura globular es la más blanda que se podría obtener; además se evitan los riesgos de sobrecalentamiento y distorsiones al no realizarse transformación alotrópica alguna.
• Recocido isotérmico: puede ser de austenización completa o incompleta. El enfriamiento se realiza introduciendo la pieza en un horno mantenido a una temperatura constante algo inferior a A1 hasta que la transformación se completa. Resulta de este modo una estructura más regular y homogénea.
• Recocido de homogeneización: se efectúa para homogeneizar la estructura de piezas fundidas. Debe realizarse a temperaturas altas para acelerar al máximo la difusión.
• Recocido de recristalización: se realiza sobre piezas previamente deformadas plásticamente en frío (endurecidas) para restituir sus propiedades mecánicas iniciales. Es siempre un tratamiento subcrítico.
• Recocido de relajación de tensiones: también se trata también de un tratamiento subcrítico. Su finalidad es eliminar las tensiones residuales que pueden quedar en las piezas metálicas tras enfriamientos bruscos, procesos de conformado plástico, soldaduras, etc.

Efectos de la adición de elementos aleantes

Templabilidad: desplaza la curva TTT a la derecha. Revenido: estabiliza la estructura martensítica, por lo que la dureza disminuye más lentamente. Modificación del diagrama Fe-C: gammagenos aumentan la estabilidad de la austenita y alfagenos que aumentan el campo de estabilidad de la ferrita. Tamaño de grano: los elementos carburígenos inhiben el crecimiento del grano.

Etapas de los tratamientos térmicos

Calentamiento: Al calentar un redondo en un horno apropiado, como la transmisión del calor se efectúa desde la periferia hasta el núcleo, en un instante cualquiera observaríamos un gradiente térmico a lo largo del diámetro del redondo. Como consecuencia de la dilatación térmica aparecerán unas tensiones entre los diferentes puntos del redondo. El tiempo de permanencia a temperatura constante para lograr una austenización correcta deberá ser tanto mayor cuanto menor sea la temperatura para compensar la más lenta difusión atómica. Por la misma razón también se necesitan tiempos de permanencia mayores cuanto más grosera sea la estructura inicial del acero.

Enfriamiento: El riesgo de aparición de deformaciones permanentes, grietas y tensiones residuales internas es muy alto en esta fase del tratamiento, ya que habitualmente las velocidades de enfriamiento pueden ser muy grandes. Estas velocidades serán función del tipo de tratamiento térmico efectuado.

Etapas temple:

Etapa 1: en un primer momento el líquido refrigerante, en contacto con el metal caliente, entra en ebullición; se produce una fina capa continua de vapor entre el metal y el medio, que dificulta la transmisión de calor. El coeficiente M será pequeño y la velocidad de enfriamiento lenta.

Etapa 2: en el transcurso del enfriamiento el metal se enfría y el espesor de la capa de vapor disminuye hasta que se rompe en algunos puntos: el líquido establece un contacto directo con la superficie metálica evaporándose inmediatamente. Se producen ahora unas fuertes corrientes de convección que aumentan el coeficiente M y con él, la velocidad de enfriamiento.

Etapa 3: la temperatura superficial de la pieza desciende por debajo de la de ebullición del medio y la película de vapor desaparece por completo. Ahora, aún siendo M alto, el gradiente térmico es pequeño y la velocidad de enfriamiento volverá a disminuir.