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GUIA DE ESTUDIO

UNIDAD I DIAGRAMAS TTT

1. Conceptos importantes de Ciencia de Materiales:

a. Sistema: Porcin de materia aislada en un recipiente inerta, real o imaginario. Por

ejemplo: un volumen de agua, aleaciones de Fe-C (sistema Fe-C).

b. Componente: Elemento o compuesto qumico estable en las condiciones del

proceso.

c. Fase: Porcin homognea de un sistema, fsicamente distinta y mecnicamente

separable.

d. Microestructura: Forma, tamao, distribucin, orientacin, etc de los granos que

forman la estructura de un material. Podemos encontrar desde una simple

estructura de granos en un metal puro, o una mezcla compleja de fases como

ocurre en las aleaciones.

Figura 1. Microestructura Cobre Puro.

Figura 2. Microestructura Acero a diferentes tratamientos trmicos.

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e. Solucin slida: Mezcla de dos tipos diferentes de tomos, el mayoritario es el

disolvente y el minoritario es el soluto. Los tomos de soluto pueden ocupar

posiciones de sustitucin o intersticiales en la red del disolvente, mantenindose

la estructura cristalina del disolvente.

Figura 3. Tipos de soluciones slidas

f. Lmite de solubilidad: Concentracin mxima de tomos de soluto (para una

temperatura especfica). La adicin de un exceso de soluto forma otra disolucin o

compuesto diferente.

Ejemplo: Sistema Agua Azcar.

Figura 4. Diagrama Temperatura-Composicin de la mezcla de Agua (solvente) y azcar (soluto).

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g. Arreglos atmicos de la materia: Forma en la que los tomos se posicionan con el

fin de generar los enlaces para que los acerquen a la estabilidad electrnica. Estos

arreglos pueden ser: Sin orden, Orden de corto alcance y orden de largo alcance.

a. Sin orden b. Orden de corto alcance c. Orden de largo alcance

Figura 5. Tipos de arreglos atmicos

h. Materiales Cristalinos: Son aquellos que presentas estructuras cristalinas cuyo

patrn de repeticin es claramente identificable (orden de largo alcance).

Figura 6. Diagrama molecular del cuarzo (SiO2) en red cristalina

i. Sistemas Cristalinos:

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j. Celda unitaria: es el agrupamiento ms pequeo de tomos que conserva la

geometra de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forma

un cristal con dicha estructura (subdivisin de una red que conserva las

caractersticas generales de toda la red).

Figura 7. Celda unitaria cbica

k. Estructura cbica centrada en el cuerpo (BCC o CC):

l. Estructura cbica centrada en las caras (FCC o CCC):

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m. Isomorfismo: Se llaman materiales isomorfos a aquellos slidos que teniendo el

mismo sistema de cristalizacin, tienen distinta composicin de elementos

qumicos.

n. Polimorfismo: Capacidad de un material slido de existir en ms de una estructura

cristalina, todas ellas con la misma composicin de elementos qumicos.

o. Alotropa: Elementos polimorfos puros, que por lo tanto pueden presentar

diferentes estructuras cristalinas.

2. Diagrama de Hierro Carburo de Hierro (Fe-Fe3C):

2.1 Clasificacin de aleaciones metlicas:

Las aleaciones frreas se pueden clasificar de acuerdo a la figura 8. Dentro de esta clasificacin, las aleaciones frreas, cuyo componente principal es el hierro, son las que ms se producen y utilizan. El uso generalizado de las mismas se debe a tres factores:

o En la corteza terrestre abundan los minerales con compuestos de hierro. o Estas aleaciones se fabrican por medio de tcnicas relativamente

econmicas. o Poseen gran variedad de propiedades fsicas y mecnicas.

Las aleaciones frreas se pueden subdividir en dos grupos de acuerdo al contenido de carbono que las mismas poseen: aceros y fundiciones.

Aceros: Los aceros son aleaciones hierro-carbono (< 2 % de carbono) con concentraciones apreciables de otros aleantes, poseen solubilidad total a 1100 C y a temperatura ambiente slo hay solubilidad total a muy bajo porcentaje de carbono. Los aceros al carbono simples contienen pequeas cantidades de manganeso, y de slice y fsforo residuales. Los aceros de aleacin (nquel, cromo, molibdeno, slice) se pueden dividir en baja aleacin cuando el porcentaje de aleantes no supera el 10 %.

Fundiciones: Las fundiciones se clasifican como aleaciones frreas con un contenido de carbono superior al 2 %, sin embargo, en la prctica la mayora de las fundiciones contienen entre 3 y 4.5 % y otros elementos de aleacin.

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Figura 8. Clasificacin de las aleaciones metlicas.

2.2 Ventajas y desventajas del uso de las aleaciones ferrosas:

Se pueden enumerar una gran variedad de ventajas y desventajas con respecto al uso de

las aleaciones ferrosas.

Existen miles de aceros de distintas composiciones y/o tratamientos trmicos.

En la corteza terrestre abundan los compuestos de hierro.

Son relativamente econmicos.

Los aceros se fabrican mediante tcnicas de extraccin, afino, aleacin y conformacin relativamente econmicas.

Las aleaciones ferrosas son extremadamente verstiles, con una gran variedad de propiedades fsicas y mecnicas.

El carbono es el elemento principal que afecta las caractersticas del acero y su contenido suele ser menor al 1 %.

Son materiales 100 % reciclables (500.000.000 ton/ao), con un 60 % menos de energa.

Se debe tener en cuenta siempre que los aceros producidos en dcadas pasadas difieren de los actuales en composicin y por el proceso de produccin que influye sobre la microestructura del material y por ende, de sus propiedades.

En general no son resistentes a la corrosin.

Son aleaciones pesadas, es decir que la relacin "peso/resistencia" es elevada, y para algunos fines especficos puede ser una limitacin importante.

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2.3 Curva de enfriamiento y formas alotrpicas del hierro:

El hierro puro, al calentarse experimenta dos cambios de la estructura cristalina antes de

fundir. A temperatura ambiente la forma estable se llama ferrita o hierro . La ferrita

experimenta a 910 C a austenita o hierro . La austenita persiste hasta 1410 C, temperatura

a la que austenita se convierte en hierro , que funde a 1535 C (figura 1). En la Tabla I se muestran algunas caractersticas de estos constituyentes.

Figura 9. Curva de enfriamiento y formas alotrpicas del hierro

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2.4 Diagrama de fase:

Es la representacin grfica de las presiones, temperaturas y composiciones para las cuales

las fases son estables. Representan la relacin entre la estructura, la composicin y el

nmero de fases presentes en el equilibrio, as como de las transformaciones que se

producen desde el estado lquido hasta la temperatura ambiente cuando el calentamiento

o el enfriamiento se produce a una velocidad adecuada para que se mantenga el equilibrio.

Los diagramas se construyen representando las lneas de enfriamiento para distintas

composiciones. Los puntos marcados con L corresponden a los valores de temperatura a los

que la aleacin comienza a solidificar, y los puntos marcados con S las temperaturas a partir

de las que la aleacin es totalmente slida.

Figura 10. Curvas de enfriamiento y elaboracin de diagrama de fase binario (totalmente soluble en estado lquido y slido).

2.5 Regla de la Palanca:

La regla de la palanca es el mtodo empleado para conocer el porcentaje de fase slida y lquida presentes en una aleacin de una cierta concentracin cuando se encuentra a una determinada temperatura. El protocolo a seguir consiste en trazar la lnea vertical X (por la concentracin que deseamos analizar) y la lnea isoterma de la temperatura indicada, lnea horizontal L-O-S, en el diagrama de equilibrio de la aleacin AB. Determinando su interseccin el punto O y la interseccin con las lneas de lquidus y slidus los puntos L y S. Proyectando sobre el eje de concentraciones dichos puntos de interseccin se obtienen las concentraciones de la fase lquida, wL y de la fase slida, wS. La concentracin de la muestra que vamos a estudiar es wO. Una vez determinadas estas concentraciones, o se aplica la regla de la palanca para obtener el porcentaje de cada una de las fases en las condiciones del problema. El resultado de la suma de ambas debe ser el 100%.

% =

% =

Figura 11. Mtodo de la regla de la palanca para obtener porcentajes y concentracin de fases.

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2.6 Diagrama de fase Hierro Carburo de Hierro: En la figura 12 se muestran las fases presentes en las aleaciones hierro carbono enfriadas

muy lentamente, a varias temperaturas y composiciones de hierro con carbono hasta 6,67%.

El diagrama muestra tres lneas horizontales que indican reacciones isotrmicas:

Reaccin Peritctica: En el punto peritctico de la reaccin, el lquido de 0,53% de

carbono se combina con la ferrita para formar austenita (0,17% C). Esta reaccin

que tiene lugar a 1495C se puede escribir como:

Reaccin eutctica: En el punto eutctico de la reaccin, el lquido de 4,3% de

carbono forma austenita (2,08% C) y el compuesto intermetlico Fe3C (cementita)

que contiene 6,67 % de carbono. Esta reaccin que ocurre a 1148C puede ser

escrita como:

Reaccin eutectoide: En el punto eutectoide de la reaccin, la austenita slida de

0,8 % C produce ferrita (0,02% C) y cementita (6,67% C). Esta reaccin que

ocurre a 723 C, se puede escribir como:

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Figura 12. Diagrama de equilibrio Hierro Carburo de hierro.

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2.7 Descomposicin de la austenita:

La figura 13 muestra la descomposicin de la austenita en otros constituyentes. En la misma se puede observar que si la austenita o el acero posee ms de 0.8 o 0.9 % de carbono, al enfriarse lentamente aparecen primero algunos cristales de cementita (cementita proeutectoide), mientras que si contiene menos de 0.8 o 0.9 % de carbono se formarn primero los cristales de ferrita (ferrita proeutectoide), continuando en ambos casos esta precipitacin mientras la composicin del metal madre (austenita) se va empobreciendo en el constituyente que precipita y cuando queda con la composicin eutectoide precipita toda la masa restante en cristales de esa composicin. A temperatura ambiente, los constituyentes de estas aleaciones son ferrita y cementita. El constituyente eutectoide se llama perlita y est compuesto por lminas de ferrita y cementita (aproximadamente 86,5% de ferrita y 13,5% de cementita).

Figura 13. Esquema de la descomposicin de la austenita.

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2.9 Micro constituyentes del Acero:

Fase (Ferrita): Es una solucin slida intersticial de carbono en hierro en la cual

slo son solubles muy pequeas cantidades de carbono. Esta pequea solubilidad

se explica teniendo en cuanta la forma y el tamao de las posiciones intersticiales

de la estructura BCC que dificulta el acomodamiento de los tomos de carbono. La

figura 14 muestra una microfotografa de la ferrita a, la cual es la microestructura

ms blanda y dctil del diagrama.

Figura 14. Microfotografa de la fase Ferrita.

Fase (Austenita): Es una solucin slida intersticial de carbono en hierro . Tiene

una solubilidad aproximadamente 100 veces superior que la mxima de la ferrita,

ya que las posiciones intersticiales de la estructura FCC tiene la forma adecuada para

que al llenarse de tomos de carbono la deformacin impuesta a los tomos de

hierro vecinos sea mucho menor. Adems es una microestructura que no es estable

a temperatura ambiente, salvo en algunos aceros aleados y es dctil, ms dura y

resistente que la ferrita (figura 15).

Figura 15. Microfotografa de la fase Austenita.

Fase (Hierro Delta): Similar a la ferrita, slo se diferencian a la temperatura a la

cual existen. Presenta caractersticas mecnicas similares a la ferrita, y debido al

rango alto de temperaturas que es estable no interesa en el estudio de las

aleaciones.

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Fase Cementita (Fe3C, Carburo de Hierro): Su contenido de carbono es constante

(6.67 %) y su estructura cristalina es ortorrmbica. Es un intermetlico, es muy frgil

y duro. Posee baja resistencia a traccin y elevada resistencia a compresin y su

presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. Es un

compuesto metaestable, esto es permanece como compuesto a temperatura

ambiente indefinidamente, pero si se calienta entre 650 y 700 C durante un tiempo

prolongado se transforma en hierro y carbono, en forma de grafito, que

permanece al enfriar hasta temperatura ambiente.

2.10 Micro constituyentes Bifsicos:

Perlita: Es una mezcla eutectoide compuesta por 0.80 % de carbono que se forma,

con enfriamiento lento, a 723 C. Est formada por una serie de lminas paralelas

de muy pequeo espesor de ferrita y cementita. La figura 16 muestra una

microfotografa de la perlita, la base o matriz ferrifica blanca que forma la mayora

de la mezcla eutectoide contiene delgadas capas de cementita.

Ledeburita: Mezcla eutctica de austenita y cementita que contiene 4.3 % de

carbono y se forma a 1129 C. No es estable a temperatura ambiente.

Perlita esferoidal: Se la obtiene manteniendo por perodos largos (12-15 horas) a

una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide (721 C). Tiene una

menor dureza y ms tenacidad que la perlita laminar. En los aceros con ms de 0.50

% de carbono, se necesita esferoidizar la perlita para realizar un trefilado (aumentar

la ductilidad), o mejorar la maquinabilidad. Las partculas de Fe3C aparecen como

esferas incrustadas en una matriz continua de ferrita a (figura 17). Esta

transformacin tiene lugar mediante la difusin del carbono sin cambiar la

composicin o las cantidades relativas de las fases ferrita o cementita.

Figura 16. Microfotografa de la fase Perlita.

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Figura 17. Microfotografa de la estructura Perlita Esferoidal.

2.11 Clasificacin de los aceros segn su porcentaje de carbono: Existen miles de aceros que

tiene distintas composiciones. Las propiedades mecnicas dependen del contenido de carbono,

que en la prctica suele ser inferior al 1.4 %. Los aceros ms comunes se clasifican segn el

contenido de carbono en aceros de bajo, medio o alto contenido de carbono. Adems, dentro

de cada grupo existen subclases de acuerdo a la concentracin de otros elementos de aleacin.

Los aceros al carbono slo contienen concentraciones residuales de impurezas distintas al

carbono, en tanto que en los aceros aleados, los elementos de aleacin se incorporan

intencionalmente en concentraciones especficas.

Acero de bajo carbono (0,25%C): No responden al calentamiento y enfriamiento

por inmersin para lograr su endurecimiento. Secciones ligeras (barras y lingotes)

endurecen por trabajo en fro. Se utilizan en piezas de carroceras, chasis de

automvil.

Acero de medio contenido carbono (0,3 0,5% de C): El calentamiento y

enfriamiento permite la formacin de martensita (dura), que mejora sus

propiedades. Se los utiliza en vas y ruedas de ferrocarril, cigeales.

Aceros de alto contenido (0.55 - 1.4 % de C): Son los ms duros, fuertes y menos

dctiles. Son los que mejor responden a tratamientos trmicos. No pueden soldarse

con facilidad. Se los emplea en herramientas agrcolas de corte, alambre de alta

resistencia a traccin y resortes.

Aceros aleados: Intervienen otros compuestos adems del carbono, contienen ms

de un 10 % de aleantes.

2.12 Propiedades mecnicas de los aceros segn su

contenido en carbono:

Los aceros de bajo carbono son endurecidos por dispersin mediante el control de la

cantidad, tamao, forma y distribucin del Fe3C. Cuando se incrementa el contenido de

carbono, se encuentra ms Fe3C presente y en ese punto, se incrementa la resistencia del

acero (figura 18).

Por otra parte, las aleaciones BCC y HC experimentan transicin dctil-frgil. Para estos

materiales la temperatura de transicin es sensible tanto a la composicin como a la

microestructura de la aleacin. Tambin el contenido de carbono tiene una influencia

importante sobre el comportamiento energa absorbida en el impacto en funcin de la

temperatura del acero (figura 19).

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Figura 18. Variacin de la ductilidad, la resistencia a traccin y la dureza en funcin del contenido

en C.

Figura 19. Energa de impacto Izod frente al porcentaje de carbono y microestructura de perlita

fina.

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2.13 Propiedades mecnicas de los aceros en funcin de su microestructura:

A continuacin se analiza el comportamiento mecnico de los aceros al carbono con perlita

fina, perlita gruesa, esferoidita, y martensita y la relacin entre la microestructura y las

propiedades mecnicas. La cementita es ms dura y ms frgil que la ferrita. El acero que

contiene perlita fina, la resistencia a traccin, la dureza y el lmite elstico se incrementan

al aumentar el contenido de carbono. Puesto que la cementita es ms frgil, la ductilidad y

la tenacidad, disminuyen.

Los espesores de las capas de ferrita y de cementita tambin influyen en el comportamiento

mecnico del material. La perlita ms fina es ms dura y resistente que la perlita gruesa, por

la restriccin que la cementita ejerce sobre la deformacin de la ferrita. Adems, en la

perlita fina existe una mayor cantidad de lmites de grano que deben cruzar las

dislocaciones.

La esferoidita (o cementita globular o esferoidal) se obtiene al calentar un acero con

microestructura perltica hasta una temperatura inferior a la eutectoide durante un perodo

de tiempo largo, por ejemplo a 700 C entre 18 y 24 horas. Las partculas de Fe3C aparecen

como esferas incrustadas en una matriz continua de fase ; en lugar de lminas alternadas

de ferrita y de cementita de la perlita, o como partculas alargadas de Fe3C en una matriz

ferritica, como es el caso de la bainita. Los aceros con microestructura perltica dan valores

de dureza y resistencia superiores a los aceros con esferoidita.

Esto se basa en el refuerzo conseguido por la dificultad al movimiento de las dislocaciones

a travs de los lmites ferrita-cementita. Existen menos superficies de lmite de fase (grano)

por unidad de volumen en la esferoidita y, consiguientemente, la deformacin plstica no

est tan impedida, lo que origina un material relativamente blando. Los aceros

esferoidizados son extremadamente dctiles. La figura 18 muestra la variacin de la dureza

y la ductilidad de la perlita fina, perlita gruesa y esferoidita.

Figura 20. a) Dureza en funcin del porcentaje de carbono y b) Ductilidad en funcin del

porcentaje de carbono.

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2.14 Transformaciones estructurales de los aceros:

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3. Transformaciones Isotrmicas de la Austenita:

El enfriamiento lento de la austenita conduce, bajo las condiciones de equilibrio

descritas en el diagrama Fe Fe3C, a su transformacin en perlita. Ahora bien, en

funcin de la velocidad de enfriamiento a la que se somete el acero una vez austenizado,

la austenita puede transformarse, adems, en otros constituyentes como son bainita y

martensita, que son transformaciones que se producen fuera de equilibrio. En la

siguiente figura se presentan las distintas transformaciones de la austenita.

Figura 22. Diferentes transformaciones fuera de equilibrio desde la austenita.

Bainita: La bainita es un agregado de ferrita y cementita que se produce mediante

procesos de difusin a temperaturas inferior a la que da lugar a la formacin de perlita

y superior a la de martensita. Su morfologa responde a una estructura plumosa que

corresponde a la bainita superior y a una acicular que corresponde a la inferior. La

formacin de bainita no es posible en aceros al C si no se encuentran aleados.

Martensita: La martensita es una fase metaestable que se produce en los aceros por la

transformacin, sin difusin y casi de forma instantnea, de la austenita cuando el acero

ha sido calentado hasta la regin austentica y enfriado muy rpidamente. La

temperatura a la que comienza la transformacin de austenita en martensita se

denomina Ms, o comienzo de la transformacin martenstica, y la temperatura a la que

finaliza Mf. La martensita se manifiesta microscpicamente en forma de agujas con

diferentes orientaciones, tal como se puede observar en la microfotografia de la figura

23, sonde se pueden apreciar pequeas cantidades de austenita retenida (zonas claras).

Figura 23. Microfotografa de la estructura Martensita.

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La estructura martenstica presenta una morfologa acicular que es

extremadamente dura debido a la distorsin producida por el C alojado en los

intersticios de la red (FCC) que al enfriar rpidamente y pasar a (BCC) impide al C

salir mediante difusin. Dado que la solubilidad de C en red (FCC) es mayor que en

la (BCC), el C queda atrapado de modo que deforma el cubo alargndolo en alguna

de las dimensiones, dando lugar a una estructura tetragonal centrada en el cuerpo.

Al alargarse la celda unidad en una de sus tres dimensiones, la hace diferente de la

estructura ferrtica (BCC).

La dureza y resistencia de la martensita est directamente relacionada con el

contenido en C y ambas aumentan conforme aumenta este. La ductilidad y

tenacidad, por el contrario, disminuyen conforme aumenta el contenido en C.

La dureza Brinell de las fases resultantes de las transformaciones de la austenita es

del orden de 185 a 225 para la perlita; de 400 a 600 para la bainita y de 700 para la

martensita.

3.1 Diagramas TTT:

Resulta evidente que el diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro es de poco

valor para el estudio de los aceros enfriados bajo condiciones fuera de equilibrio.

Como la austenita es inestable por debajo de la temperatura critica inferior, es

necesario saber cunto tiempo necesitara para empezar a transformarse a una

temperatura subcritica especfica, cuanto tiempo precisar para estar

completamente transformada y cul ser la naturaleza del producto de

transformacin. La mejor forma de entender los diagramas de transformacin

isotrmica es estudiar su derivacin. La composicin eutectoide es la ms simple de

estudiar, ya que no hay constituyentes proeutectoide presente en la

microestructura.

Los pasos son:

- Paso 1: Preparar un gran nmero de muestras cortadas de la misma

barra.

- Paso 2: Colocar las muestras en un horno a la temperatura de

austenizacin adecuada. Para una acero 1080 (eutectoide), esta

temperatura es de aproximadamente 1425 F. Se deben dejar a la

temperatura dada por un tiempo suficiente para que lleguen a ser 100%

austenita.

- Paso 3: Colocar las muestras en un bao de sal fundida que se mantenga

a una temperatura constante subcrtica (una T por debajo de A1), por

ejemplo 1300 F.

- Paso 4: Despus de variar los intervalos de tiempo en el bao de sal,

cada muestra se templa en agua fra o en salmuera enfriada con hielo.

- Paso 5: Despus del enfriamiento, a cada muestra se le toma la dureza

y se estudia microscpicamente.

- Paso 6: Los pasos se anteriores se repiten a diferentes temperaturas

subcrticas hasta que se determinan suficientes puntos para graficar las

curvas en el diagrama.

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Realmente hay inters en saber qu efectos tiene la austenita a 1300F pero las

muestras no pueden estudiarse a esa temperatura; por tanto, se debe relacionar de

alguna manera el examen microscpico a temperatura ambiente con lo que est

sucediendo a temperaturas elevadas. Dos puntos deben tenerse en cuenta:

- La martensita se forma slo de la austenita casi instantneamente a

bajas temperaturas.

- Si la austenita se transforma a una temperatura mayor a una estructura

estable a temperatura ambiente, un rpido enfriamiento no cambiar

el producto de transformacin. En otras palabras, si la perlita se forma

a 1300F, la perlita ser exactamente la misma a temperatura ambiente

no importa que tan drsticamente se temple.

Figura 24. Muestras de un acero 1080 para la elaboracin de un diagrama TTT.

Figura 25. Curva de porcentaje de perlita segn tiempo de calentamiento

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Figura 26. Diagrama que resume como se relacionan las mediciones con el diagrama TTT o S

Los diagramas TTT (Temperatura, tiempo, transformacin) o curvas S, resumen las posibles

transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindible tanto para el diseo de

tratamientos trmicos como para la interpretacin de las microestructuras resultantes

despus de los mismos.

Retomando el caso de un acero eutectoide, en la figura 27 podemos visualizar las curvas I y

II que indican el inicio y el final de la transformacin perltica y baintica, mientras que la

martenstica comienza a la temperatura Ms y finaliza a la Mf.

Figura 27. Curva TTT de un acero eutectoide.

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Se puede observar que dentro del campo perltico que la perlita gruesa y la fina presentan

diferente valores de dureza, lo que se corresponde con las diferentes distancias

interlaminares que la cementita presenta en la perlita. A mayor temperatura la velocidad de

difusin es mayor y los tomos pueden difundir a lo largo de mayores distancias,

formndose as lminas ms gruesas que cuando las temperaturas son menores y

consecuentemente la velocidad de los tomos de C es menor.

De igual forma se puede representar la transformacin baintica, aunque a temperaturas

inferiores a las de formacin de perlita. La formacin de perlita tiene lugar entre 540C y

727C, mientras que la de bainita entre 215 y 540 C. La bainita superior presenta menor

dureza, mientras que la inferior se aproxima a la dureza de la martensita.

UN enfriamiento lento del acero austenizado (Curva a, figura 27) conduce a una

transformacin perltica que comienza por debajo de la temperatura crtica A1, al cruzar la

curva de comienzo de transformacin (I) completndose la transformacin al cruzar la curva

que marca el final de la misma (II). La alta temperatura a la que se produce la transformacin

favorece los procesos de difusin.

Con un enfriamiento moderado (Curva b, figura 27), la transformacin perltica comienza a

una temperatura inferior a la que tiene lugar en el enfriamiento correspondiente a la curva

a y termina, sin completarse, al cruzar de nuevo el comienzo de la transformacin

martenstica. El resultado final es una microestructura perltica y martenstica. Bajo estas

condiciones de enfriamiento continuo no es posible obtener microestructuras bainticas, por

lo que ser necesario recurrir a otros modelos de enfriamiento.

Cuando el enfriamiento es tan rpido (curva c), que no toca la curva S o nariz de la curva

inicio de la transformacin (I) se denomina temple, mantenindose la austenita inestable

hasta alcanzar la temperatura de comienzo de la transformacin martenstica, obtenindose

una estructura totalmente templada o martenstica de elevada dureza. Dado que la

transformacin martenstica no implica difusin, ya que ocurre muy rpidamente, los granos

que la constituyen se nuclean y crecen a gran velocidad, lo que hace suponer que a efectos

prcticos la velocidad de transformacin de austenita en martensita es independiente del

tiempo.

La obtencin de estructuras bainticas en los aceros eutectoides no puede conseguirse

mediantes enfriamientos continuos, por lo que se requieren enfriamientos desde la

temperatura austentica hasta la regin baintica, seguido de un tratamiento isotrmico a

una temperatura que se encuentra en el rango de las estructuras bainticas, tal y como se

representa de forma esquemtica en la figura 28, en la que el diagrama TTT corresponde a

un acero eutectoide.

Tanto la composicin en C del acero como la de los elementos de aleacin modifican las

curvas de los diagramas TTT.

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Figura 28. Enfriamiento del acero eutectoide para obtener estructuras bainticas.

3.2 Curvas de enfriamiento y diagrama TTT:

Figura 29. Diferentes curvas de enfriamiento en el diagrama TTT

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Curva de enfriamiento 1: muestra una rapidez de enfriamiento muy lenta, tpica de un

recocido convencional. El diagrama indica que el material permanecer austentico por un

periodo relativamente largo. La transformacin empezar cuando la curva de enfriamiento

cruce el principio de la transformacin en el punto x1. El producto de la transformacin a

esa temperatura ser perlita muy gruesa y la transformacin continuar hasta el punto x1.

Como hay una ligera diferencia en temperatura entre el principio y el fin de la

transformacin, tambin habr una ligera diferencia en la finura de la perlita formada al

principio y al final. El producto total ser perlita gruesa con bajo grado de dureza. Por debajo

de la temperatura x1, la rapidez de enfriamiento no tendr efecto en la microestructura o

en las propiedades. El material puede enfriarse ahora rpidamente sin que haya cambio

alguno, lo cual es de gran valor para las compaas que fabrican recocido a nivel comercial,

ya que el diagrama indica que no es necesario enfriar el horno a temperatura ambiente, sino

que el material puede extraerse a una temperatura relativamente alta despus de la

transformacin y enfriarse en aire.

Curva de enfriamiento 2: muestra un ciclo de recocido o isotrmico y se dise

directamente del diagrama TTT. El proceso se lleva a cabo enfriando el material rpidament

desde arriba del intervalo crtico hasta una temperatura predeterminada de la porcin

superior del diagrama TTT y mantenindolo durante el tiempo indicado para producir la

transformacin completa. En contraste con el recocido convencional, este tratamiento

produce una microestructura y dureza ms uniformes, en muchos casos con un ciclo ms

corto.

Curva de enfriamiento 3: Muestra una rapidez de enfrimiento mayor que la del recocido y

puede considerarse tpica de normalizacin. El diagrama indica que la transformacin

empezar en el punto x3, con la formacin de perlita gruesa, en un tiempo ms corto que el

del recocido. La transformacin estar completa en x3 al formarse la perlita media. Como

existe una diferencia de temperatura mayor entre x3 y x3 de la que hay entre x1 y x1, la

microestructura normalizada mostrar mayor variacin en la finura de la perlita y menor

proporcin de perlita gruesa que la microestructura recocida.

Curva de enfriamiento 4: Curva tpica de un temple lento en aceite, es parecida a la descrita

en lneas anteriores, y la microestructura ser una mezcla de perlita media y fina.

Curva de enfriamiento 5: Curva tpica de una rapidez intermedia de enfriamiento empezar

a transformarse en perlita fina ( en x5) en un tiempo relativamente corto. La transformacin

a perlita fina continuar hasta que la curva sea tangente a algn porcentaje transformado

(por ejemplo 25%), en x5. Por debajo de esta temperatura, la curva de enfriamiento ir en

una direccin de disminucin de porcentaje transformado. Como la perlita no puede formar

austenita al enfriarse, la transformacin deber detenerse en x5. La microestructura en este

punto constar de 25% de fina perlita nodular que rodea ampliamente los granos

austenticos existentes. Se mantendr en esta condicin hasta que la lnea Ms se cruce en

x5. La austenita restante ahora se transforma en martensita. La estructura final a

temperatura ambiente consistir en 75% de martensita y 25% de fina perlita nodular.

Curva de enfriamiento 6: Curva tpica de un temple drstico, es suficientemente rpida para

evitar la transformacin en la regin de la nariz. Se conserva austentica hasta que la lnea

Ms se alcanza en x6. LA transformacin a martensita tendr lugar entre las lneas Ms y Mf.

La microestructura final ser enteramente martensita con alto grado de dureza.

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Curva de enfriamiento 7: Curva tangente a la nariz, representa la rapidez crtica de

enfriamiento aproximada (REC) para el acero en cuestin. Cualquier rapidez menor que la

indicada cortar la curva por arriba de la nariz y formar algn producto de transformacin

ms blando, en tanto que cualquier rapidez de enfriamiento mayor que la ilustrada formar

slo martensita.

Ntese que es posible formar 100% de perlita o 100% de martensita mediante un enfriamiento

continuo, pero no es posible formar 100% de bainita. Una estructura baintica completa puee

formarse slo mediante un enfriamiento suficientemente rpido, para pasar por alto la natiz de la

curva y luego mantenerla en el intervalo de temperatura en el que se forma la bainita, hasta que se

termina la transformacin. Por ejemplo la curva de enfriamiento 6 y 8.

Ejemplo: Mediante el diagrama TTT de un acero eutectoide, disee las condiciones de enfriamiento

necesarias para obtener una estructura final con aproximadamente un 50% de martensita y de

bainita superior.

Solucin: Para transformar la austenita en bainita en una acero eutectoide es necesario salvar la

nariz del diagrama TTT, que se presenta en la figura 30, mediante un enfriamiento controlado desde

la regin austentica hasta una temperatura dentro de la regin baintica, mantener a temperatura

constante durante el tiempo t para que se transforme un 50% aproximadamente de austenita en

bainita (curva de puntos), y a continuacin, una vez transcurrido el tiempo t, enfriar rpidamente

para que el resto de austenita se transforme en martensita.

Figura 30. Curva de enfriamiento propuesta para lograr 50% de martensita y 50% de bainita

superior.

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ANEXO 1 : PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

PROPIEDADES IMPORTANTES

a. Densidad: Se entiende por densidad la relacin entre la masa y el volumen del material.

En los materiales metlicos est condicionado por la alta compactacin que tienen los

tomos en el enlace metlico, por lo que son materiales que presentan alta densidad. En

la siguiente tabla se pueden observar las densidades de algunos de los metales ms

utilizados.

Metal Densidad (g/cm3)

Magnesio 1,74

Berilio 1,85

Aluminio 2,70

Titanio 4,51

Zinc 7,13

Hierro 7,87

Nquel 8,90

Cobre 8,96

Wolframio 19,30

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b . Resistencia mecnica: Se entiende por resistencia mecnica de un material la resistencia que presenta a deformarse cuando est sometido a la accin de una carga exterior. En la figura 9 se muestran esquemticamente diferentes tipos de solicitaciones externas que mediante los ensayos correspondientes permiten caracterizar el comportamiento del material.

Figura 9. Solicitaciones presentes en los materiales.

c. Elasticidad: La elasticidad de un material viene determinada por la capacidad que presenta para recuperar su forma y dimensiones iniciales cuando cesa la causa generadora de su deformacin. Tanto la resistencia mecnica como la elasticidad de los materiales se calculan mediante ensayos mecnicos, fundamentalmente a travs del ensayo de traccin.

d. Elasticidad: La elasticidad de un material viene determinada por la capacidad que presenta para recuperar su forma y dimensiones iniciales cuando cesa la causa generadora de su deformacin. Tanto la resistencia mecnica como la elasticidad de los materiales se calculan mediante ensayos mecnicos, fundamentalmente a travs del ensayo de traccin.

e. Plasticidad: Es la aptitud que presentan ciertos materiales para deformarse plsticamente bajo la accin de fuerzas externas sin alcanzar la rotura.

f. Dureza: Por dureza se entiende la resistencia que opone un material a la deformacin plstica generada mediante la identacin de otro. Su medida se realiza mediante ensayos de dureza segn diferentes mtodos: Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop, etc

g. Fragilidad: Se entiende por fragilidad de un material la propiedad de romperse bajo la accin de una determinada carga sin deformarse significativamente. Por ello, la fractura frgil se produce sin apenas deformacin plstica.

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h. Tenacidad: Es la capacidad que presenta un material para absorber energa durante su deformacin plstica hasta producirse la rotura. Esta propiedad se cuantifica en ensayos de impacto, por ejemplo mediante la utilizacin del pndulo de Charpy, en los que se mide la energa absorbida por el material al recibir el impacto liberado desde una altura determinada. Otro modo de cuantificar esta importante propiedad, sobre todo para los materiales metlicos, es calculando el rea que se encuentra bajo la curva tensin-deformacin en el ensayo de traccin.

i. Resiliencia: Es la capacidad que presenta un material para absorber energa durante su deformacin elstica. Otro modo de cuantificar esta importante propiedad, sobre todo para los materiales metlicos, es calculando el rea que se encuentra bajo la zona elstica de la curva tensin-deformacin en el ensayo de traccin.

j. Ductilidad: Esta propiedad indica la capacidad de un material para deformarse plsticamente sin alcanzar la fractura. Se calcula midiendo su alargamiento o su reduccin de rea en el ensayo de traccin.

k. Maleabilidad: Es la aptitud que presenta un material para reducirse a laminas muy finas, tambin corresponde a la capacidad de conformacin por deformacin plstica a compresin.

l. Conductividad Elctrica: Indica la propiedad de un material de conducir la corriente elctrica y est relacionada con la existencia de electrones libres en el material, hecho significativo en el caso de metales y aleaciones metlicas dado el enlace metlico entre tomos. La presencia de impurezas disminuye notablemente la conductividad elctrica de los metales. Los metales son buenos conductores elctricos, por ejemplo el Cu y Al presentan un factor de conductividad elctrica aproximadamente 109 veces superior al de los materiales semiconductores, como es el caso del Si y de aproximadamente 1021 al de los aislantes, como es el caso de los polmeros.

m. Conductividad trmica: Es una medida de la intensidad con la que el calor se transmite a travs del material. Intuitivamente un material ser buen conductor trmico en la medida en que exista mayor compactacin en su estructura interna.

n. Temperatura de fusin: La temperatura de fusin de un slido es aquella a la que debe ser sometido para proporcionarle la energa trmica necesaria para romper todos los enlaces que le dan cohesin, y consecuentemente se transforme en lquido.

o. Resistencia a la corrosin: Es la resistencia que presenta un metal a deteriorarse en su ambiente de servicio por la accin de reacciones qumicas o electroqumicas. Existen diferentes mecanismos de corrosin, como la corrosin qumica o electroqumica, galvnica, intergranular, por picadura (pitting), etc

p. Aleabilidad: Es la capacidad que presentan los metales para formar aleaciones metlicas. q. Reduccin: Es la capacidad del material para mantener sus propiedades con la menor

cantidad cantidad de material por unidad de producto con el fin de minimizar el volumen de residuos.

r. Reutilizacin: Es la caracterstica del material que le permite ser utilizado un nmero determinado de veces sin someterse a procesos de transformacin, prolongando su vida til antes de convertirse en residuo.

s. Reciclabilidad: Es la caracterstica de un material que permite, mediante procesos de transformacin, alargar su vida til bajo diferentes formas y aplicaciones.

t. Colabilidad: Es la aptitud que presenta un material metlico para ser colado en el interior de un molde, y obtener un producto slido sano y por tanto libre de defectos.

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u. Conformabilidad: Es la capacidad de un material para ser sometido a procesos de deformacin plstica durante su conformacin mediante forja, laminacin, trefilado, extrusin, etc, con el fin de obtener geometras diversas.