F.A.S. 273

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P A T R O N A T O DE P U B L I C A C I O N E S DE LA E S C U E L A E S P E C I A L DE I N G E N I E R O S I N D U S T R I A L E S

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS

POR

JOSE APRAIZ BARREIRO Ingeniero Industrial

Jefe del Departamento de Tratamientos Trmicos de la S. A. Echevarra.-Bilbao

MADRID ] 9 4 9

Prop iedad del autor. Q u e d a h e c h o el deps i to q u e marca

la Ley.

Nuevas Grficas, S. A. - Rodrguez San Pedro, 39. - Tel. 23 30 29. - Madrid

DEDICADO

Con todo afecto a la S. A. Echevarra y a sus tcnicos Jos Huguet y Valentn Pomposo, con cuya colaboracin se ha preparado este libro.

P R O L O G O

Sera d i f c i l disculpar mi petu lancia, al prologar este l ibro, si no hubiera para ello razones de t ipo afect ivo y sent imenta l . Me lo ha pedido su autor que colabora conmigo desde hace bastantes aos en la S. A . Echevarra, fabr icando aceros especiales y com-part iendo los trabajos, disgustos y satisfacciones que una industr ia tan compleja como sta, proporciona a los que en ella t rabajamos, y no he podido negarme a ello.

A l hojearlo, vienen a mi memoria los recuerdos de las d i f i cu l -tades que hubo que vencer y de los trabajos que se real izaron para establecer en Espaa esta fabr icacin, e int roducir aunque parezca paradgico en el mercado nacional , los aceros espaoles.

Desde hace veint ic inco aos, cuando bajo la direccin de don Federico de Echevarra, se comenz en la factor a de Recalde (Bil-bao) la fabr icacin de los primeros aceros al horno elctr ico, hasta nuestros das, se ha avanzado en Espaa ext raord inar iamente en el conocimiento de los aceros especiales y en los procedimientos de t rabajo.

A ello contr ibuy en gran parte la S. A . Echevarra que, per-catada de la necesidad de mejorar los mtodos de t rabajo , envi a sus tcnicos a las principales acereras extranjeras y estableci relaciones con destacados especialistas, al objeto de impiantar en sus fbricas los ms modernos procedimientos y ofrecer a sus cl ien-tes una in formacin moderna y ef ic iente.

Dedicado Apra iz desde hace bastantes aos a esta especial idad de los Tra tamientos Trmicos, ha aprovechado la experiencia ad-qui r ida en el ta l ler , y las enseanzas recibidas en el extranjero, para preparar este l ibro en el que presenta con gran detal le junto a los clsicos diagramas de equi l ibr io, ios rps modernos descubri-mientos y teoras que en la tcnica de los t ra tamientos se han

VIII PROLOGO t

rea l izado en estos l t imos ve in te aos. Los pr imeros captulos es-t n dedicados a los pr incipios tericos fundamenta les y los dems a la prct ica de los t ra tamien tos , fac i l i tndose el estudio de todos elios con gran profus in de experiencias.

I lustra con numerosos ejemplos y f iguras los l t imos t rabajos relacionados con la Curva de la S, Ensayo Jominy y Tra ta-mientos Isotrmicos, poco conocidos ac tua lmen te por los usuarios y consumidores de los aceros especiales, que abren ex t raord inar ias posibi l idades, al f ac i l i t a r la eleccin y el empleo de los aceros y hacer posible notables mejoras en el rend imiento de los mismos.

Habindose incrementado en nuestro pas, en los l t imos t i em-pos el nmero de tal leres de t ra tamien tos , este l ibro repor tar sin duda grandes beneficios a numerosos especial istas, tcnicos e in-genieros que, al iniciarse en estos t rabajos, necesitan or ientaciones y ayuda para mejorar sus in ic ia t ivas y act iv idades.

Te rm ino augurando un gran x i to a la obra, que creo que es una de las ms completas en su mate r ia y representa una val iosa cont r ibuc in al progreso de la industr ia nacional .

ENRIQUE GOICOECHEA.

INTRODUCCION

En las industrias y talleres metalrgicos se plantean cada da ms problemas relacionados con la utilizacin y tratamiento de los aceros, y de su acertada resolucin depende en gran parte el rendimiento econmico de las instalaciones y la calidad de los producios fabri-cados.

Para determinar en cada caso el tratamiento ms adecuado, no basta la simple prctica de taller, ni son suficientes unas normas rutinarias, sino que es necesario conocer ciertos principios funda-mentales como son el diagrama hierro-carbono, la teora de< los pun-tos crticos, etc., que lejos de ser como a veces se cree puras divaga-ciones cientficas, constituyen la base fundamental de los tratamien-tos trmicos.

Co nociendo las dificultades que actualmente 'existen para encon-trar informacin adecuada a tal objeto, me h)e animado a reunir y completar en este libro algunos estudios y trabajos que he realizado sobre esta materia, creyendo que pueden ster de alguna utilidad a quienes interesa la tcnica de los tratamientos trmicos.

Aprovecho esta oportunidad para expresar mi mayor agradeci-miento a D. Arturo de Echevarra, Consejero Delegado de la S. A. Echevarra, y a D. Enrique Goicoechea, Director de Ja misma Em-presa, por las facilidades que en todo momento me han dado para realizar los ensayos y trabajos relacionados con esta obra y por la autorizacin para publicarla; a mis compaeros Sres. Guinea, Lasa y Aspiazu, por su eficaz ayuda en la preparacin y realizacin de numerosas experiencias que se citan en la misma y al Patronato de Publicaciones de la Escuela ..de.: Ingenieros: Industriales por su gene-roso proceder al editarla.

JOSE A V R A l/MA RRE-I-RO

I N D I C E

CAPITULO I DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

Pags . 1. Generalidades 1 2. Solidificacin de los metales puros 1 3. Soluciones de agua y cloruro sdico 2 4. Aleaciones cobre-plata 5 5. Aleaciones oro-plata 8 6. Aleaciones hierro-carbono 9 7. Generalidades sobre la solubilidad de los metales 13 8. Proceso de enfriamiento desde el estado lquido hasta la temperatu-

ra ambiente, de siete aleaciones hierro-carbono 17 9 Transformaciones que experimentan los aceros de menos de 0,60 %

de carbono en la zona 1.400-1.535 27 10. Disolucin del carbono o carburo de hierro en la ferrita o hie-

rro alfa 29

CAPITULO II TEMPERATURAS CRITICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS

11. Generalidades 12. Estados alotrpicos y puntos crticos del hierro. 3 1 13. Hierro alfa y hierro gamma 33 14. Hierro beta | 3g 15. Hierro delta 343 16. Puntos crticos de los aceros 36 17. Denominacin v definicin de los puntos crticos de los aceros 40 18. Determinacin de los puntos crticos 41 19. Procedimientos usados para la determinacin de los puntos crticos. 43 20'. Curvas para la determinacin de los puntos crticos 44 21. Utilizacin de cuerpos neutros 45 22. Di'atmetro con cuadrante indicador 47 23. Dilatrhetro Chevenard 48 24. Aparato Brovvn 53 25. Aparato Saladin-Le Chatelier ... .. ..' 53

CAPITULO III

TRATAMIENTOS TERMICOS

26. Generalidades 27. Tratamientos trmicos ms usados 61 28. Recocido de regeneracin, temple y normalizado ... 67 2>. Calentamiento para el recocido de regeneracin, temple y norma-

lizado ' " n

XII Pags .

30. Temperaturas convenientes para el recocido de regeneracin, tem-ple y normalizado 71

31. Duracin del calentamiento en los recocidos de regeneracin, tem-ple y normalizado 73

32. Crecimiento de los cristales de austenita con el calentamiento 74 33. Teora del recocido de regeneracin 77 34. Teora del temple 83 35. Teora del normalizado 92

CAPITULO IV

CONSTITUYENTES MICROSCOPICOS .DE LOS ACEROS

36. Generalidades 95 37. Aceros recocidos 96 38. Ferrita 97 39. Cementita 98 40. Perlita 100 41. Aceros templados 10-2 42. Austenita 105 43. Martensita 107 44. Troostita 110 45. Sorbita ... 112 46. Bainita 114 47. Carburos 11-5 48. Distribucin y efecto de los elementos aleados 118 49. Ataque de las probetas 118

CAPITULO V

C U R V A D E L-A S

50. Generalidades 121 51. Mtodos utilizados para la determinacin de la curva de la S en

los aceros 122 52. Transformacin isotrmica de la austenita a diversas temperaturas. 128 53. Constituyentes microscpicos que aparecen en las transformaciones

isotrmicas de la austenita ... ... 129 54. Avance de la transformacin de la austenita 138 55. Factores que modifican el diagrama de las transformaciones isotr-

micas de la austenita ... 140 56. Relacin entre las transformaciones de la austenita en los enfria-

mientos continuos y las transformaciones a temperatura cons-tante 144

57. Aplicacin industrial del estudio de la curva de la S 146 58. Un mtodo para determinar la transformacin de la austenita en

la zona martenstica 149

CAPITULO VI INFLUENCIA DE DIVERSOS FACTORES EN EL TEMPLE DE LOS ACEROS

59. Generalidades 1 5 1 60. Influencia de la composicin 151 61. Influencia del tamao de grano * 153 62. Influencia del tamao de las piezas 154

XIII

63. Influencia del medio de enfriamiento 156 64. Caractersticas de los procesos de enfriamiento en el temple de

los aceros 161 65. Eleccin dl medio de temple 166 66. Medios de enfriamiento ms empleados en el temple de los aceros... 169

CAPITULO VII TEMPLABILIDAD O PENETRACION D E TEMPLE

67. Generalidades 175 68. Diversos mtodos para estudiar el comportamiento de los aceros en

el temple 178 69. Examen de las fracturas 179 70. Curvas de dureza de redondos de diferentes dimetros templados... 179 71. Determinacin de las curvas de dureza empleando discos de acero. 182 72. Curvas de resistencia 182 73. Ataque qumico de las secciones templadas.. 183 74. Determinacin de la zona con 50 % de martensita 187 75. Dimetro crtico ideal 190

CAPITULO VIII ENSAYO JOMINY

76. Generalidades 195 77. Curvas Jominy 200 78. Bandas de templabilidad 201 79. Determinacin de la curva Jominy en funcin de la composicin

y del tamao del grano 202 80. Determinacin del dimetro crtico ideal de un acero por medio

del ensayo Jominy 211 81. Un procedimiento para determinar la penetracin de temple en los

redondos de acero con ayuda de las curvas Jominy 211 82. Importancia del grado de agitacin del medio de enfriamiento 217 83. Determinacin de las durezas y resistencias en los redondos de ace-

ro despus del temple y revenido 218 84. Determinacin por medio del ensayo Jominy de las temperaturas

de transformacin de los aceros en el enfriamiento continuo ... 219

CAPITULO IX

REVENIDO

85. Generalidades: i ; v ... ".'. 223 86. Modificacin d las caractersticas mecnicas 224. 87. Modificacin de los constituyentes microscpicos 226 88. Transformaciones microscpicas en el revenido de los aceros con

austenita residual 229 89. Fragilidad de revenido en la zona 225o-350 237 90. Fragilidad del revenido (fragilidad Krupp) 239 91. Influencia de diversos factores en el fenmeno de fragilidad de

revenido 241 92. Influencia del tiempo en el revenido . 249 93. Colores de revenido 250

XIV

CAPITULO X

TRATAMIENTOS ISOTERMICOS Pas.

94. Generalidades 251 95. Recocido isotrmico 253 96. Austempering 257 97. Martempering ;. ... 260 98. Patenting 266 99. Tratamiento subcero 269

CAPITULO XI DIVERSOS TRATAMIENTOS DE ABl,ANDAMIENTO DIFERENTES DEI. RECOCIDO

DE REGENERACION

ICO. Recocido globular 275 101. Recocido subcrtico de ablandamiento 282 102. Recocido de los aceros estirados en fro de bajo contenido en carbono 284 103. Crecimiento del grano en el recocido de los aceros extradulces es-

tirados en fro 291 104. Recocido de los aceros estirados en fro de ms de 0,30 % de

carbono 293

CAPITULO XII

CEMENTACION

105. Generalidades 295 106. Instalaciones de cementar 298 107. Capa cementada 300 108. Cementacin con materias slidas 301 109. Endurecimiento superficial con baos de sales fundidas 305 110. Cianuracin 308 111. Cementacin en baos de sales 312 112. Determinacin del contenido en cianuro sdico 315 133. Cementacin con gases ... 316 114. Carbonitruracin 320

CAPITULO XIII

CEMENTACION ( i l )

115. Generalidades 321 116. Influencia de los elementos de aleacin 322 117. Eleccin del tipo de acero ms conveniente 328 118. Caractersticas mecnicas de la capa cementada 330 119. Medida del espesor de la capa cementada 330 120. Determinacin de los esfuerzos a que est sometida la capa ce-

mentada 332 121. Caractersticas mecnicas del ncleo central 334 122. Diferentes clases de tratamientos que se pueden dar a las piezas

cementadas 341 123. Proteccin de las zonas que no se desea endurecer 343

X Y

CAPITULO XIV NITRURACION

Pgs.

124. Generalidades ... 345 125. Ventajas de. la nitruracin 346 126. Teora de la nitruracin ... 348 127. Causas que originan la gran dureza de las capas, nitrurads 353 128. Composicin de los aceros de nitruracin 353 129. Caractersticas mecnicas .. 355 130. Instalacin de nitrurar 35,7 131. Medida de la disociacin ... 358 132. Proceso de la nitruracin ..' 359 133. Deformaciones de las piezas nitruradas ; 362 134. Aumento de volumen 362 135. Nitruracin de herramientas de acero rpido 363

CAPITULO XV

ENDURECIMIENTO POR TEMPLE SUPERFICIAL

136. Calentamiento por llama oxiacetilnica 365 137. Ventajas del templ xiaceiilico... 368 138. Clases de aceros ..: ... ... .... ... ... .... ... 369 139. Calentamiento por corrientes de induccin de alta frecuencia 370 140. Instalaciones para el - calentamiento 373 141.. Dispositivos de temple 374 142. Control' de la. profundidad de calentamiento. ... 376 143. Bombardeo de perdigones 377

CAPITULO XVI

CAMBIOS DE VOLUMEN Y DEFORMACIONES DE LOS ACEROS EN LOS TRA-TAMIENTOS TERMICOS

144. Generalidades 379 145. Cambios de volumen por dilatacin o contraccin trmica 379 146. Cambios de volumen debidos a . la modificacin de los constitu-

yentes 379 147. Cambios de volumen debidos a las deformaciones plsticas en ca-

liente ... 381 148. Algunos ejemplos de deformaciones en los tratamientos 381 149. Influencia de la composicin. 389

CAPITULO XVII

TAMAO DE GRANO

150. Generalidades 391 151. Formacin y crecimiento de los granos de austenita 393 152. Determinacin del tamao de grano 396 153. Mtodos microscpicos 399 154. Ensayo de fractura 406

XVI

CAPITULO XVIII

DES CARBURACION SUPERFICIAL DE LOS ' ACEROS Pgs.

155. Accin de las atmsferas de los. hornos sobre los aceros 409 156. Descarburacin *|10 157. Influencia descarburante de diferentes gases .... 4 1 1 158. Estudio del equilibrio de- diferentes;.mezclas gaseosas, en las atms-

feras de los hornos 4 ' 3 159. Punto de roco ;", 160. Eliminacin de la humedad .y. del anhdrido carbnico de las- atw

msferas . ; ' j J ' 161. Diferentes tipos de atmsferas 4 ' 162. Atmsferas controladas . 4 2 1 163. Atmsferas ms usadas para el tratamiento de diversos tipos de

427 aceros

APENDICE

I. Composicin de los aceros del Instituto del Hierro "y del Acer (1949). ESPAA - 4 3 2

II Composicin de los aceros EN-de The "British Standards Insti-tution (1947*. INGLATERRA 34

III Composicin de los aceros CTA de Le Centre d'Etudes Techniques de l'Automovile et du Cicle (1946). FRANCIA . 436

IV. Composicin de los aceros SAE-AISI de The Society of Automotive Engineers y The American Iron and Steel Institute (1947). ESTADOS UNIDOS 4 3 8

C A P I T U L O 1

D I A G R A M A HIERRO-CARBONO

1. Los aceres que se emplean en la industria, son aleaciones y no metales puros como el oro, la plata, el estao, etc. De sus numerosos componentes, el hierro es el elemento que entra en mayor proporcin, y el carbono el que ejerce influencia ms deci-siva en sus propiedades, caractersticas y tratamientos. El conte-nido en carbono de los aceros vara desde 0,035 % a 1,7 % , llegando en algunos casos excepcionales a 2,2 % .

Como para un estudio preliminar, la influencia del manganeso, silicio, fsforo, azufre, cromo, nquel, molibdeno, tungsteno, va-nadio v otros elementos que contienen los aceros es secundaria, ln initaremos en los primeros captulos nuestra atencin a las aleacio-nes hierro-carbono exclusivamente.

Para facilitar el estudio del diagrama hierro-carbono, que es la representacin grfica esquemtica de las transformaciones que ocurren en el enfriamiento y calentamiento lento de estas aleacio-nes, describiremos primero los fenmenos que ocurren en la soli-dificacin de algunos metales, de ciertas soluciones acuosas y de al-o-unas aleaciones metlicas que se representan en diagramas muy parecidos y ms sencillos que el que nosotros vamos a estudiar, y que nos ayudarn a familiarizarnos con esta clase de transforma-.dones.

2. Sol idi f icacin de los metales puros Si tenemos un metal puro fundido y lo enfriamos dejando que

descienda lentamente su temperatura, al observar su enfriamiento vemos que es continuo y uniforme hasta un momento en que la tem-peratura se estabiliza durante un cierto tiempo. Entonces comienza a verificarse la solidificacin del metal y cuando sta ha terminado, contina el perodo de enfriamiento hasta la temperatura ambiente con la misma uniformidad que al principio.

Representando este proceso de enfriamiento en un grfico, en el que las ordenadas sealan temperaturas y las abscisas los tiem-pos, obtendremos para diversos metales las curvas que se ven en la figura 1.

2 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

nper Hura

3. Soluciones de agua y cloruro sdico La Solidificacin de una solucin salina de agua y cloruro sdi-

co (sal comn), no se efecta generalmente a una temperatura nica, como ocurre con el agua o con los metales puros, sino que se veri-fica entre determinados lmites de temperatura, comenzando la cris-talizacin a una cierta temperatura y terminando a otra inferior. Si ensayamos una serie de soluciones de concentracin creciente, co-menzando por el agua pura, y continuamos luego con soluciones cada vez ms ricas en sal, vemos que la temperatura a la cual comien-za la cristalizacin, disminuye de solucin en solucin v existe una cierta concentracin llamada eutctica que es la concentracin que

tiene" la temperatura de solidificacin inferior a las de todas las de-ms concentraciones. Al continuar aumen-tando la riqueza e n sal, ms an que la eutctica, entonces se eleva la temperatura de comienzo de. la soli -dificacin (curva n-mero 5, f ig . 2).

Las solucions ms fricas en materia di-suelta que la eutectica, se llaman hiper-eutc-ticas, y las que son ms pobres h ipo -eu -tcticas.

La solucin q u tiene la concentracin eutctica (curva n-

que se solidifica brusca y como sucede tambin con

e o o o T

1500

1000"

500

Aluminio

E i l - a o

Tiempos Figura 1

-Curvas de enfr iamiento de diversos metales.

mero 4, f ig . 2), difiere de las dems en completamente a una temperatura fija, el agua.

Estos fenmenos se pueden estudiar preparando diversas solu-ciones de sal comn (cloruro sdico) en agua y haciendo que se va-yan enfriando lentamente desde la temperatura ambiente hasta - 3 0 .

Comenzaremos por la ms diluida, o sea, agua pura (concentra-cin cero) ; continuaremos con otras de 10, 15, 23,5 y 33 % de co-

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 22

ruro sdico (CINa), e iremos sealando en ordenadas las tempe-i aturas y en abscisas los tiempos que se registran durante J a ; ope-racin.

En la figura 2,, la curva 1 representa el proceso de enfriamiento, del agua pura que se solidifica a 0" y en el grfico se aprecia una detencin correspondiente a la formacin del hielo a esa tempe-ratura-.,. -

La curva nm. 2, se refiere,a una solucin compuesta de 10 % de cloruro sdico (CINa) y 90 % de agua. En el enfriamiento no

Tema era iuras

Tiempos F i g u r a

Curvas de enfr iamiento , de tdiversas . soluciones de c loruro sdico .

presenta punto de detencin hasta 10 y al continuar el proceso de enfriamiento, vuelve a aparecer otro punto ms acusado a 22.

Continuando con otra solucin, de 15 % de CINa, vemos que el primer punto de detencin ocurre a 16, temperatura, inferior a la anterior, y el segundo a 22 tambin.

Cuando ensayamos la solucin de 23,5 %, observaremos que en la curva aparece slo un punto de transformacin a 22. Operan-do finalmente con otra solucin de 33 .%, vemos que vuelven a apa-recer dos puntos de detencin, el primero a 8 y el segundo como los anteriores a 22.

Estudiando con detalle estos fenmenos .en las soluciones ele 10 v 15 % de cloruro sdico, vemos que cuando se verifica la primer-i

4 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

parada en el proceso de enfriamiento, se precipitan una cierta can-tidad de cristales de hielo, lo que hace que aumente la concentracin de CINa del lquido residual, que tendr menor porcentaje de

" agua que la-solucin inicial, ya que parte se ha solidificado en for-ma de hielo.

Al ir disminuyendo la temperatura, contina solidificndose ms agua y la concentracin del lquido residual sigue aumentando hasta que por fin la solucin lquida que queda llega a tener 23,5 %_de CINa y se solidifica bruscamente todo el lquido. Esta solidificacin viene sealada por una detencin de la curva. En todas las SO-

Temperatura C

20'

10'

0

10*

p

20'

30*

Soluciones hipo

CAP. I . DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 24

l o ; la lnea B - C indica la formacin de cristales de CINa, y la lnea D - E la solidificacin de la eutctica agua-sai de '23,.5 % , eie cloruro sdico.

Por medio de este grfico podremos conocer e,n todo momento el estado de una mezcla salina, en la que conozcamos la concentra-cin y la temperatura, y podremos tambin estudiar todos los fe-nmenos que ocurren en las diversas soluciones de 10, l o , 23,5 y 33 % de CINa, citadas anteriormente. En efecto, si tenemos por ejemplo una mezcla de concentracin 10 % de sal y 90 % ele agua, a 16, punto M (fig. 3), en ese momento la composicin ele la so-lucin lquida es precisamente la que corresponde al punto N . Ade-ms se puede demostrar que el porcentaje de cristales precipitados es - 1 - x 100 y el del lquido madre residual - x 100.

PN PN

4 Aleaciones cobre-plata

Estas aleaciones, lo mismo que las soluciones salinas, tampoco se solidifican a una temperatura fija como los metales puros, cobre, plata, oro, hierro, etc., sino que la solidificacin se verifica en una zona ms amplia de temperaturas.

Observando el gradual enfriamiento desde 1.000, de diversas aleaciones cobre-plata fundidas- con diferentes concentraciones de los citados metales, se pueden apreciar paradas en el enfriamiento de caractersticas anlogas a las que ocurran en las soluciones de CINa. Estudiando primero el enfriamiento de una aleacin que contiene 90 % de plata y 10 % de cobre, se puede comprobar (f ig. 4) que a los 885, aproximadamente, comienzan a separarse cristales de plata \ el lquido madre se empobrece en plata y enriquece en cobre, de a misma manera que en la solucin salina disminua el porcentaje de agua y aumentaba el de sal. Al continuar descendiendo la tem-peratura, continan precipitndose cristales de plata y aumenta la concentracin en cobre de la aleacin fundida, continuando la pre-cipitacin de cristales de plata hasta que la aleacin fundida tiene una composicin de 28 % de cobre y 72 % ele plata, v entonces el lquido a 779,4 se solidifica bruscamente.

La aleacin de plata y cobre, con 28 % ele cobre y 72 % de plata, es la que tiene el punto de solidificacin ms bajo de todas las alea-ciones y es, por lo tanto, la aleacin'eutectica.

Ensayando otras concentraciones, ocurrirn fenmenos parecidos a los estudiados en las soluciones salinas de CINa.

Ahora bien, los fenmenos descritos no han ocurrido exactamen-te como hemos sealado. Los cristales de plata y cobre que se han

6 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

precipitado no son puros, sino que los cristales de plata contienen algo de cobre y los de cobre tambin tienen un cierto porcentaje de plata. Ese porcentaje es variable y viene sealado por las lneas A H y C K. Con una aleacin de 90 % de plata, comenzarn a precipitarse a 885, aproximadamente, cristales de plata con 96 ',% de plata, 4 % de ccbre (punto A ' de la lnea A H ) a medida-que con-tina la precipitacin, vara la composicin del lquido madre y tambin la composicin de los cristales que se precipitan y que de-pende en cada instante de la temperatura. A 830, aproximadamente, cuando el lquido madre tiene 82 % de plata (punto B" de la lnea

Tempere* ii ra4

F igura 4 D i a g r a m a plata-cobre.

A B), los cristales de plata que precipitan tendrn 7 % de cobre (punto A " de la lnea A H) y por fin cuando el lquido madre ten-ga 72 % de plata, es decir, la composicin eutctica, cristalizar brus-camente. Las zonas eutcticas estarn formadas por cristales de 91,2 % de plata y 8,8 % de cobre, v cristales de 8 % de plata y 92 % de cobre, aunque la composicin media de la aleacin slida ser como es natural de 90 % de plata.v ]0 % de cobre.

En el caso de otra aleacin, por ejemplo de 60 % de Cu, que se enfra desde alta temperatura, se inicia la solidificacin en el pun-to C , precipitndose cristales de cobre con 7 % de plata, punto D', a medida que desciende la temperatura aumenta el contenido en plata de los cristales que se precipitan, y cuando la temperatura sea slo un poco superior a 779,4, la solucin lquida tendr la compo-sicin eutctica 28-72 ; y se cristalizar bruscamente todo el lquido residual en forma de cristales eutcticos formados por cristales de

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 26

dos ciases, unos de 92 % de cobre y S % de piala y otros de 8,t % de. cobre v 91,2 % de plata.

Como los cristal-s que se van precipitando son siempre de com-posicin diferente (lneas A - H y C - K ) , existe entre ellos bas-tante heterogeneidad. Sin embargo, por difusin, se va igualando a i omposicin de los cristales vecinos, y a pesar de que existe siempre cierta segregacin, se puede considerar que al final de la solidificacin prcticamente se obtienen slo cristales de dos compo-siciones : cristales de cobre con 8 % de plata y cristales de plata con 8,8 % de cobre. Agrupndose cierto nmero de ellos, siempre en la misma proporcin de 28 % de cobre y 72 % de plata, que forman los cristales eutcticos. Segn el porcentaje total de plata y cobre ser mayor o menor la relacin entre los cristales de plata con cobre y los cristales eutcticos, o los de cobre con plata y los eutcticos.

En la fio-tira 5 se puede apreciar las formas que adoptan esos cristales al precipitarse y el aspecto que presentan estas aleaciones cuando se observan con el microscopio.

Por medio del diagrama de la figura 4 se puede adems conocer

15% de cofertt aay. d cobra 65* de cobr

F g u r a 5

Microestru'ctura de las aleaciones cobre-plata.

a cualquier temperatura superior a la de solidificacin total, la pro-porcin que hay de materia slida y de lquido madre.

Supongamos por ejemplo una aleacin de cobre-plata 15-85 a 830 punto i\l. A esa temperatura la proporcin entre la cantidad de materia lquida a m a t e r i a slida,'viene dada por la relacin en-tre la distancia del punto M a la lnea de- slidos A H , y la distancia del mismo punto a la lnea de lquido A-B, o sea :

Materia lquida _ MA" Materia slida MB"

8 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

5. Aleaciones oro-plata

Si se colocan en un recipiente cantidades variables de estos dos metales y se funden, se forman aleaciones que son homogneas en estado lquido. Si dejamos enfriar lentamente estasi aleaciones, ve-mos que se solidifican a temperaturas inferiores al oro (1.062) y superiores a la plata (961) y que la solidificacin no es brusca, sino

1 100-

1050'

.510'

990

9 5 0 '

900 Oro 100 9 0 8 0 70 6 0 5 0 4 0 5 0 Z0 10 0 P i a l a 0 1 0 20 5 0 4 0 5.0 6 0 7 0 80 9 0 100

F i g u r a G

D i a g r a m a s de sol idif icacin de las aleaciones oro-plata.

que la precipitacin de cristales ocurre en un cierto intervalo de tem-peraturas.

Si estudiamos por ejemplo una aleacin de 60 % de oro y 40 % de plata, vemos que el principi de la solidificacin comienza a 1.041 (punto B') y termina a 990 (punto C).

Tambin se observa que los cristales que se precipitan al prin-cipio son ms ricos en oro que el lquido y contienen un 90 % de oro y 10 % de plata (punto A ' ) . Al continuar la precipitacin, los nuevos cristales-son de menor riqueza en oro. Cuando la tempe-ratura-es de 1.010, precipitan cristales de 80 % de. oro y 20 \% de plata (punto A " ) y los ltimos que precipitan hacia 990 tienen pre-cisamente la proporcin inicial de 60 % de plata y 40 % de oro (punto C). Pudiendo considerarse al final que todos los cristales

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 9

son de la misma composicin, pues por difusin se contrarresta en gran parte la heterogeneidad inicial que haba entre ellos. La composicin de los cristales que van precipitando, viene dada por los puntos A ' A " A' " de la curva A.CB.y la composicin del l-quido residual viene dada por los puntos R' B " B"\ A cualquier temperatura comprendida entre el principio y fin de la solidifica-cin, la cantidad de metal solidificado es proporcional a la distan-cia horizontal entre ese punto y la lnea B' B" B'" y la cantidad de lquido residual es proporcional a la distancia horizontal entre ese punto y la lnea A ' A " A' " . As al principio de la solidificacin, el porcentaje de lquido es 100 .% (punto B') y el de cristales cero, y al final de la solidificacin (punto C) el porcentaje de cristales es 100 % y 'e l de lquido cero. A 1.010 el porcentaje de cristales ser

100 x ^ % y el de lquido 100 x % . En las aleaciones A " B " A ' B "

oro-plata, no ocurre como anteriormente en las aleaciones cobre-plata que haba cristales de dos clases. Ahora todos los cristales son iguales y aunque hay dos metales, estn perfectamente unidos y no aparece ms que una unidad cristalina.

6. Aleaciones hierro-carbono

Ya hemos indicado anteriormente que todos los aceros pueden considerarse fundamentalmente como aleaciones hierro-carbono, con algunas otras impurezas.

En los aceros ordinarios, esas impurezas suelen ser : manganeso, silicio, fsforo y azufre. En los aceros especiales, ciertos elementos que se aaden intencionadamente, como el cromo, tungsteno, n-quel, etc., llegan a modificar notablemente la constitucin y com-portamiento de los aceros.

Para comenzar, estudiaremos las aleaciones hierro-carbono, sin ningn otro elemento aleado, pues sus propiedades deben conocerse con detalle antes de iniciar cualquier estudio ele otras aleaciones de hierro ms complejas.

El carbono se encuentra generalmente en los aceros, combinado con el hierro, formando carburo de hiefro (cernen.tita), que contiene 6,66 % de C. Es decir, que forma-una substancia o compuesto, qu-mico de propiedades'perfectamente definidas y diferentes de las del hierro y de las clel carbono ; su frmula es CFe3 y est formado por tres partes ele hierro y una de carbono.

10 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

Por lo tanto, siempre que hablemos del carbono en los aceros, leemos que acordarnos que est en forma de carburo de hierro (c'e-mentita) y que siempre los componentes fundamentales del acero, cualquiera que sea su estado de tratamiento, son el hierro y el car-buro de hierro.

A alta temperatura, cuando el metal est fundido, el carburo de hierro se disuelve en el hierro de la misma forma que el CINa en el agua y el cobre en la plata.

Las leyes que rigen la solidificacin de estas aleaciones son bas-

2000'

1500"

1000

500'

Melol f u n d i d o l i q u i d o

A

X ^ S . pastoso CemanKla . X j .

A u s F a n l k i N v . tT X l qu ido

/ Solidificacin d a la 1 d a b u r i 1-a / Leda bur l ia L e d a b u r l l a \ / + "Z +

a u s f c n i F a -fl cemanf- iha D

i t i l . 1 i ' i 1.7 i 4 4.3

1145

6.67 */ . C F . j 0 ID 2 0 2 S 3 0 4 0 s o 6 0 6 A S 7 0 8 0 9 0 1 0 0

% F e 1 0 0 9 0 6 . 5 8 0 1 4 . 5 7 0 6 0 5 0 4 0 5 6 . 5 5 0 . 3 0 1 0 0

Figura 7 .

D i a g r a m a hierro-carbono.

tante parecidas a las ya estudiadas agua-cloruro sdico y cobre-plata.

En las aleaciones hierro-carbono los dos. constituyentes son el hierro y el carburo de hierro. Existe una aleacin eutctica (llamada iedeburita), con 35,5 % de hierro y 64,5 % ' d e carburo de hierro y, por lo tanto, de 4,3 % de carbono, que es la que tiene el punto ele solidificacin ms bajo, y al solidificarse los fenmenos se pre-sentan en forma parecida a los ya conocidos (figs. 7 y 8).

Antes se precipitaban cristales de hielo o ele ClNa o cristales de cobre con un pequeo porcentaje de plata, o de plata con cobre, v aqu al iniciarse la solidificacin se precipitan cristales de hierro

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 11

con carburo de hierro en solucin en las. aleaciones hipo-euttcticas y de carburo de hierro en las hiper-eutcticas.

Lo mismo que en las. aleaciones plata-cobre, la composicin de los cristales de hierro (con carburo de hierro en disolucin) es va-riable, oscilando el contenido de carburo desde 0 hasta un mximo de 25,5 .% (1,7 % ele C). Estos cristales de hierro con pequeas can-tidades de carburo de hierro que se. van precipitando a alta tem-peratura, se denominan cristales de austenita.

1200

1100

1000

910 900

800

7ai 700

600

Au sl-anila. ^ ^

y Y

C m n H Ka.

. i , y aubfenila. _ Ferrita. /

aushtn'iha D / , i i-l PrecipiracTSti^^ / do la perlihai

110-5

1200

1100

1000

910 900

800

7ai 700

600

Perlila + a [rrila ^

1 1 0-

Pcrlil-a + ccmanh ha.

i > i

110-5

Hierro 100 95 90 86,S C F * i P , , ,5 , , , ,0 .40 .SO-.60 .70 .30 .90 1.00 1.10 1.Z0 1S0 1.A0 1.50 1.60 1.70

F i g u r a S

D i a g r a m a hierro -carbono . Z o n a de los aceros.

Dedicando ahora especial atencin a los aceros (menos de 1,7 % ele C), podemos observar en el proceso de enfriamiento, que cuando la temperatura es inferior a 1.145, todo el metal se encuentra ya en estado slido, formando una masa homognea de cristales de austenita.

Al continuar descendiendo lentamente la temperatura, ocurren otros fenmenos de recristalizacin que son para nosotros de gran inters. Al atravesar el metal slido la zona de temperaturas, com-prendida entre 1.145 y. 721, .hay un desdoblamiento de sus crista-les y aparecen nuevos constituyentes (f ig. 9). Los fenmenos son parecidos a os que ocurran con las soluciones salinas de CINa,

1 2 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

pero ahora un poco ms complicados, pues entonces haba cambio de estado (al principio haba lquido y luego se precipitaban crista-les en estado slido) y aqu la austenita es slida y los nuevos cons-tituyentes tambin son slidos. Este fenmeno de transformacin de cristales, llama bastante la atencin, ya que ocurre a pesar ele la poca movilidad que tiene la materia en estado slido, y por eso es un poco ms difcil de comprender este fenmeno que los que antes ocurran al precipitarse los cristales en las soluciones de CINa ; sin embargo, en ambos casos el diagrama de formacin de los nuevos

CAP. I . DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 1 3

tales eutectoides formados por un aglomerado, siempre de las mis-mas proporciones (aproximadamente, seis partes de ferrita y una de cementita), se les llama cristales de perlita.

Se puede observar que si la austenita o el acero tienen ms de 0,90 % de C, al enfriarse lentamente aparecen primero algunos cris-tales de carburo de hierro de CFe3 (cementita), mientras que si con-tienen menos de-0,90 % de C se formarn primero cristales de hie-rro (ferrita), continuando en ambos casos esta precipitacin mien-tras la composicin del metal madre (austenita) se va empobre-ciendo en el constituyente que precipita, y por fin cuando queda con la composicin eutectoide de 0,9.0 % de C, precipita toda la masa restante en cristales de esa composicin.

A la temperatura-ambiente, ios constituyentes fundamentales de estas aleaciones son, pues, la ferrita (hierro casi puro) y la cfcmentita (carburo de hierro). El 'constituyente eutectoide se llama perlita y est compuesto por lminas paralelas, de ferrita y cementita. (86,5 % de ferrita y 13,5 '% de cementitaV

En las figuras 10 a 18 se pueden observar'las "niicroestructuras de los aceros al carbono enfriados .lentamente. Todas-ellas contienen cantidades variables de ferrita, perlita y cementita segn la compo-sicin. Al observar con pocos aumentos en el microscopio estos ace-ros despus de ser atacados convenientemente, la ferrita y la ce-mentita aparecen blancas, y la perlita aparece obscura (figs. 10 a 15). En cambio, cuando se observan los cristales de perlita con muchos aumentos (ms de 400), se ve que estn compuestos por lminas blancas de cementita y negras de ferrita (f igs. 16 v 18). Este aspecto obscuro de la ferrita, diferente del blanco que antes hemos observado, es debido a un efecto de sombreado, la ferrita sigue siendo tan blanca como antes, pero las lminas de cementita que son ms duras que la ferrita, quedan en relieve despus del pu-lido y envan sus sombras a la ferrita que aparece negra.

7. Generalidades sobre la solubi l idad de los metales

En los anteriores ejemplos de solidificacin de soluciones y alea-ciones metlicas se presentan los ms importantes casos de solu-bilidad.

En todos los casos estudiados la solubilidad en estado lquido es perfecta y .todos los componentes son solubles uno en otro y siem-pre existe una masa homognea, en la cual todas las partculas tie-nen la misma composicin. Al solidificarse, en cambio, el compor-tamiento es diferente.

\ KigLU-a-10 -

; : ; ; ".Vnistr'v '

Figura 12 X 150

0,30 % do O

; y F j g u r a 11 - ' ;.: ; . -x i 50 ' '

0 , 2 0 ' . % . - c k G v O i - ; , '.j ; .

Fe r r i l a

F i g u r a l o X I 5 0

0,40 % de C

F igura 14

X 150 0,50 % de C

F igura 15 X 150

0,60 % de C

Microesiructura de los aceros al carbono recocidos.

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 15

Los componentes de las soluciones salinas de agua y. cloruro s-dico, son totalmente insolubls uno en otro en estado slido. Sus costales se agrupan igual que los de las rocas formadas por mu-chas, piedras de diferentes clases. En estado slido, cada uno de los componentes conserva..su composicin fija, existiendo muchos

Perla c

Ferrila

Figura le .. "UxTfo 0,75':%' de C

PrlihQ Cmntite

' F i g u r a 17

X25Q 1,20 % de G

Microestructuras de los aceros al carbono recocidos .

cristales de'iiielo y otros muchos de CINa, pero siempre indepen-dientes y cada uno con caractersticas definidas. Sin embargo, hay zonas cristalizadas en las que se agrupan siempre cierto nmero de cristales de hielo y de cristales de CINa, precisamente con el por-centaje eutctico, formndose as grandes cristales eutcticos for-mados por cristales ms pequeos de cada uno de los componentes.

Los-componentes^ de- las aleaciones de' cobre-plata, son parcial-mente so.hcbjes en el-estado slido. Esto quiere decir que cada uno de ellos admite en estado .-slido cierta cantidad dei otro'' en -'solu-cin, !a;la temperatura ambiente la plata admite" l" de cobre . ' r e cobre admite 0,5- % de plata, aproximadamente. Por lo tanto, 'ios . individuos cristalinos resultantes en la Solidificacin sern cristales

los cristales son de la misma composicin, o sea que, e"n ekado 's-lido, ambos metalas son totalmente solubles u n .'fro.

16 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

F igura 18

X1,500

Feriita grosera . F o r m a d a por lminas de cementita y ferrita (Vilella).

Pero a temperaturas inferiores, esa solubilidad disminuye nota-blemente ; a temperaturas un poco superiores a 721, admite en so-lucin hasta 13,5 % de carburo de hierro (0,90 % de C), pero a 721 desaparece casi.totalmente esa solubilidad y a temperaturas inferio-res a 721 el carburo de hierro es prcticamente insoluble en el hie-rro. A temperaturas prximas, pero inferiores,a 721, la solubilidad es de 0,0,35 % de C, y luego, al descender la temperatura, dismi-nuye todava ms y a la temperatura ambiente es casi nula (0,008 ;%).

La figura 19 seala el porcentaje mximo de carbono o carburo ie hierro que es capaz de disolver el hierro a diferentes temperaturas.

En las aleaciones hierro-carbono se presentan diferentes casos. La austenila, que es uno de los componentes que aparecen en la

solidificacin, est compuesta por hierro y ..cantidades variables de carburo de hierro en solucin. La solubilidad del carbono o car-buro de hierro en el hierro es mxima a 1.145 y entonces llega a contener la austenita 25,5 % de carburo de hierro (1,7 % de C).

sdrni ks de solubi I dtwi, del carbono o carou.ro - di hierro erv el hierro a diversas n-vprau

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBOXO

Al hierro, que es'capaz de disolver el carbono, s le llama hierro gamma. Hay otros dos estados alotrpicos del. hierro', que son el hierro beta y el alfa, que en cambio no disuelven ms que en can-tidades pequesimas al carbono y a los que dedicaremos especial atencin en el prximo captulo.

Por lo tanto, despus del enfriamiento lento, por debajo de" 721, el hierro o ferrita y el carburo de hierro'o cementita, se pueden con-siderar totalmente. inso lub le^ i^^Q e.trg, como ocurra con la sal y el hielo, y los aceros s?f)reserttn; e--su 'forma ms elemental com-puestos por hierro f * ' , ' o ferrita y carbiim ele hierro o ceiah- ' ' ^ / / / / M Y / / / / / / / / / / A i.ms tita. Como en algu-nas zonas la ferri-ta y cementita se a g r u p a n en mez-clas eutectoides "for-mando cristales ele perlita, se puedfc.d.e-cir tambin que los, aceros estn forma-dos por ferrita y perlita, o cementita y perlita.

Resumiendo: En estado lquido, el hierro y el carburo ele hierro son total-mente solubles uno en otro, en estado slido a temperaturas superiores a 721 son par-cialmente solubles, y a temperaturas inferiores a 721 son prctica-mente . insolubles.

1.5 1,7 % C 2 S . 5 %

%C \0 008 %CFai

... -Figura 1S

Solubilidad del carbono o carburo de hierro en el hierro en

funcin de la temperatura.

8. Proceso de enf r iamiento desde el estado l quido hasta la tempe-ratura ambiente de siete aleaciones hierro-carbono

Para completar el estudio del diagrama hierro-carbono, vamos a estudiar el proceso de transformacin y los microconstituyentes que aparecen en distintos tipos de aceros y fundiciones, enfriados lenta-mente descle el estado lquido.

A C E R O ' D E 0 , 2 0 % DE-C.Comienza a solidificacin a 1 . 4 9 5 O aproximadamente (punto b de la lnea A C , f ig . 20), precipitndose

18 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

al principio cristales -de austenita cuyo contenido en carbono es in-ferior al del acero.

El contenido en carbono de estos cristales viene dado por la or-denada del punto a. Al continuar la solidificacin se van precipi-tando cristales cda vez ms ricos en carbono, y su porcentaje en carbono viene dado por los puntos a a" de la lnea A a ' a ' E . Mien-tras tanto el lquido "residual va enriquecindose en carbono y su composicin viene dada por los puntos b' b" de la lnea Ab' b"C.

Figura 20

Proceso de sol idif icacin de diversas aleaciones hierro-carbono.

Durante este tiempo se va efectuando la difusin del carbono en los cristales que se han ido precipitando, tendiendo a homogerteizarse la composicin de todos ellos y la composicin de los cristales se desplaza segn la lnea a a'a" ...

A temperaturas comprendidas entre el principio y fin de la soli-dificacin, la cantidad de cristales solidificados, es proporcional a la distancia horizontal entre la vertical correspondiente a la compo-sicin del acero b c a" y la lnea A bb"b" y la cantidad de lquido residual es proporcional a la distancia de la misma vertical b c a"

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 1 9

a la lnea A a a". As, por ejemplo, a 1460 el porcentaje del lquido

ser 100 x a G %, v el porcentaje de cristales 100 x G b -a b a' b' ''

Cuando la temperatura del acero ha descendido a .1400 aproxi-madamente, punto a", la solidificacin es completa. La temperatura y composicin de los ltimos cristales que se solidifican, son los del punto a" y la del lquido residual un momento antes b" y si la difu-sin fuera completa, al final la composicin de todos ios cristales se-ra la del punto a".

En realidad la difusin no es perfecta y los primeros cristales de austenita tienen menos carbono que los que se depositan al final. La austenita precipitada es heterognea, siendo los centros de cris-talizacin y ejes de los cristales las zonas menos carburadas.

Mientras el acero atraviesa la regin austentica AESG" la difu-sin contina y si se dejase pasar el tiempo suficiente para que se efectuara la difusin, esa hetereogeneidacl inicial del .metal desapa-recera.

Sin embargo, las velocidades habituales de enfriamiento no per-miten que se efecte completamente la difusin.

Luego, no ocurre nada anormal hasta el punto a " a 89.1. Enton-ces comienzan a nacer de la austenita, cristales de ferrita v el conte-nido de carbono de la austenita restante va aumentando segn la lnea GOS, mientras la temperatura desciende.

Al llegar a los 768 toda la ferrita que ha ido naciendo a expen-sas de la austenita sufre una transformacin alotrpica, que expli-caremos en el prximo captulo, y se modifica su estructura crista-lina. Para entonces la austenita ha aumentado su carbono hasta 0,35 \% de C punto O. Por fin, al llegar a 700 aproximadamen-te, el resto ele la austenita contiene 0,90 % de C y se transforma brus-camente en perlita. con desprendimiento de calor. Apareciendo como componentes finales .cristales de ferrita y perlita.

Recordaremos que la temperatura de aparicin de los puntos cr-ticos en el enfriamiento, es un poco inferior a la que sealan teri-camente las lneas del diagrama hierro-carbono, debido al fenmeno de histresis. En cambio, en el calentamiento, se presentan a tem-peraturas un poco ms elevadas que las,tericas sealadas en'el ci-tado diagrama.

A C E R O DE 0 , 6 0 % DE C .La solidificacin comienza a tempe-ratura ms baja que antes, 1 . 4 7 0 aproximadamente ( 6 , ) . Comienza precipitndose austenita de 0 , 0 8 : % de C aproximadamente (a,Y, lue-go cada vez los cristales son ms ricos en C y los'ltimos cristales

F i g u r a 21

Z o n a s de nacimiento y estabilidad de los diversos constituyentes de las

aleaciones hierro-carbono.

39 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

Ac

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 2 1

que precipitan a 1.395 son ya de 0,60 % de C (a\). No ocurre nin-guna novedad hasta los 758 (a'\), entonces comienzan a nacer cris-tales de ferrita y la austenita se va enriqueciendo en carbono, y ha-cia los 700, cuando la composicin de la austenita es la eutectoide, precipita toda ella en forma de cristales de perlita. Obtenemos como en el caso anterior cristales de ferrita y perlita, pero la proporcin de los de perlita es mayor que antes.

A C E R O DE 0 , 9 0 % DE C La primera parte del proceso es la misma que anteriormente. El comienzo de la solidificacin ocurre a 1.445 (b2). Como siempre el contenido en carbono de los cristales de austenita que van precipitando, aumenta progresivamente hasta 0,90 % de C a 1.225, punto a'2, y entonces por difusin ya todos los cristales tienen aproximadamente la misma composicin.

Luego no ocurre nada hasta los 700. Entonces bruscamente to-dos los cristales de austenita se transforman en cristales de perlita, obtenindose como resultado exclusivamente cristales d perlita.

A C E R O DE 1 , 4 0 % DE C ,La precipitacin de la austenita se ve-rifica igual que en casos anteriores. La solidificacin comienza a 1 . 4 0 5 ' (b3) y termina a 1 . 1 4 5 (a'3), obtenindose cristales de auste-nita de 1 , 4 % de-C. Pero luego/hacia 1 . 0 2 0 (b"3) de esos cristales, de austenita, comienzan a nacer cristales de cementita -y el porcen-taje en carbono de la austenita se va modificando con la temperatura segn la lnea E S. Contina la aparicin de nuevos cristales de cementita y el empobrecimiento de los de austenita, hasta que, a 7 0 0 aproximadamente, tienen 0 , 9 0 % de C, y bruscamente se trans-forman todos los cristales de austenita en cristales de periita.

El nacimiento de esos cristales de cementita secundaria es de-bido a que el poder de disolucin de la austenita disminuye desde 1.145 al descender la temperatura. A 1.145 puede disolver hasta 1,70 % de C (25,5 % de cementita), pero a temperaturas inferiores no puede disolver tanto. A 900, por ejemplo (e'3), no puede disol-ver ms que 1,25 % de C 18,7 % de cementita y, por lo tanto, al bajar hasta esa temperatura ha tenido que ceder el 6,8 % de ce-mentita sobrante.

Estos cristales de cementita se denominan cementita secundaria, para distinguirla de la que precipita al .solidificarse las fundiciones que se llama cementita primaria.

F U N D I C I N DE- 3 % DE C . L a solidificacin comienza a 1 3 8 5 , aproximadamente, punto /'. Entonces se precipitan cristales de auste-nita cuya composicin es la del punto g precisamente ; al. descender

2 2 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

tAcyoj-upo^ uktfoidt L q u i d o ^ i n.iirir.

hi.peMukc^'tde _ . l'^ll do _

A usltniki primaria lAufrkruko. primario.) iU.s>UnUa pritnaaal

Prlita Ferriza Perilla Perlita

fundicin hipo-cuj-- iLmdition._cuHc.ki t a -= -

fundicin. hi par- eu: +CC1ica Liquida

Camenii-ai talmerttiia

|Prlila

Euftxtita.

F i g u r a 2'Z Proceso de cristalizacin de seis aleaciones hierro-carbono.

a temperatura los nuevos cristales que se precipitan tienen, cada vez ms carbono y su composicin viene marcada por la lnea g-E. El lquido madre tambin va aumentando cada vez su riqueza en

carbono segn la lnea f-C y llega a 4,3 % (punto C), cuando su temperatura es aproximadamente de 1.135. En este momento so-lidifica todo el lquido madre dando cristales de ledeburita, y ten-

CAP. I . DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 2 3

dremos cristales de austenifa de 3,7 % de carbono (E) y cristales ele ledeburita. (Se llama ledeburita a los cristales eutcticos com-puestos a 1.135 por 52 % de cementita y 48 % de austenita.)

Luego, al ir disminuyendo la temperatura, la composicin de los cristales de austenita se va modificando y su contenido''en carbono viene sealado por la lnea ES y al disminuir el carbono de los cristales de austenita, van apareciendo'cristales de cementita secun-daria. La disminin de temperatura influye tambin sobre la lede-burita, que est formada por cementita primaria y austenita. A esta austenita le pasa lo mismo que a la austenita no eutctica (que a temperaturas inferiores a 1,135" no.puede disolver 1,7 % - d e C) y ele ella nacen cristales de cementita secundaria y se va empobrecien-do en carbono hasta los 700, entonces la austenita eutctica lo mis-mo que la proeutctica, de la .que hemos hablado en el prrafo an-terior, tiene 0,90 % de C y precipitan en forma de cristales de perlita. Obtenindose como resultado cristales de cementita secundaria (de los cuales parte provienen de la austenita y otros provienen de la ledeburita), cementita de la eutctica y'cristales de perlita. (Unos que provienen de la austenita primaria y otros que provienen de la ledeburita.)

F U N D I C I N DE 4 , 3 % DE C . D e todas las aleaciones hierro-carbono, es la de ms bajo punto ce fusin. Al ir descendiendo la temperatura desde el estado lquido, no ocurre nada hasta los 1 . 1 3 5 (punto C). Entonces se solidifica bruscamente precipitndose cris-tales ele ledeburita. Estos cristales ele ledeburita. estn .formados por 52 .% ele cementita primaria y 48 .% de austenita. Al continuar des-cendiendo la temperatura, la composicin de la austenita ele la eutectica se va modificando, se precipitan cristales de cementita se-cundaria, hasta que por fin, a 700 la composicin de la austenita es la eutectoide y se precipitan cristales ele perlita. Al fin el resultado de la cristalizacin es : cristales de cementita primaria, cristales de cementita secundaria y cristales de perlita. Todos ellos resultan-tes del desdoblamiento de los cristales. eutcticos ele la ledeburita que han precipitado primeramente.

F U N D I C I N DE 4,8 % DE C.Al descender la temperatura se ini-cia la solidificacin en el punto n a 1.400 aproximadamente, comen-zando a precipitarse cristales de cementita primaria. Al continuar la solidificacin, el contenido en carbono del lquido madre va de-creciendo segn la lnea n-C, y cuando llega a 1.135 es ele 4,3 % de carbono aproximadamente, y cristalizan bruscamente, cristales ele ledeburita.

24 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

4 S. a fu ra d0s

' de la \ 1 e u tec ti

Ce mentito pro eutectica

Luego al descender la temperatura, la descomposicin de la lede-burita es igual a los casos anteriores. Como la ledeburita est for-mada.por austenita y .cementita, y como aqulla, por debajo de 1.135

lenir > A u s

'So 100 ! \Cementite |\ ! dlo I \

i , x ^ X j e o /g ' / c loetenito cyo ae la tinea

Figura 23 Compos i c i ones estructurales de las aleaciones hierro-carbono.

CAP. I . DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 2 5

va perdiendo su capacidad de disolucin del carbono desde 1,70 .% a 0,9 %, tiene que empobrecerse en carbono, y a partir de- 1.135 nacen cristales de cementita secundaria, y cuando la temperatura es de 700, la composicin de la austenita es eutectoide (0,9 % de C) y se precipita en forma de cristales de perlita, siendo el resultado final de la solidificacin : Cristales de cementita primaria proeutctica y cristales de perlita y cementita secundaria de la ledebrita.

En la figura nm. 23 se representa grficamente los porcentajes que existe de cada uno de los constituyentes de las diferentes alea-ciones hierro-carbono en tres momentos del enfriamiento lento desde alta temperatura. Para facilitar su interpretacin pondremos dos ejemplos.

A C E R O DE 0 , 6 0 DE C . S u composicin estructural inmediata-mente despus de la solidificacin total seri : 100 % de austenita de 0,60 % de carbono (fig. 23).

Su composicin, estructural un momento antes de EFG ser :

33 % de ferrita proeutectoide. 67 % de austenita de composicin eutectoide.

Por debajo de EFG sus constituyentes sern, aproximadamente :

33 % de ferrita proeutectoide. . 67 % de perlita. Esta perlita estar formada por 86,5 % de

ferrita y 13,5 % de cementita.

Resultando como constituyentes finales 9 % de cementita y 91 % de ferrita.

F U N D I C I N DE 3 , % DE C . S u s componentes 'inmediatamente des-pus de su solidificacin son, aproximadamente:

50 % de austenita de 1,7 % de Carbono v 50 % de eutctica. Esta eutctica est formada por 52 %

de cementita y 48 % dfe austenita de 1,7 % de carbono,

Un momento antes de EFG, los componentes son i

26 % de cementita de la eutctica. H) ,% de cementita proeutectoide. 64 % de austenita de 0,90 % de carbono.

2 6 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

TABLA I

CONSTITUYENTES MICROSCPICOS DE LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO

ENFRIADAS LENTAMENTE.

C L A S E C O N S T I T U Y E N T E S /o

D E

A L E A C I O N

C % .

Per lita total

Ferrita proeutec-

tide

Cernen-tita

proeutec-tide

Eutc-tico

Cernen-tita

eutctica

Camen-tita

primaria

Ferrita

Total .

Camen-tita

Total

Suave 0,00 0,10 0,20

0 11 22

100 89 78

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

100,0 98,5 97,0

0,0 1,9 3,0

Medio duro

0,30 0,40 0,50 0,60 0,70

33 44 56 67 78

67 56 44

, 33 22

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 0 0 0 0

95,5 94,0 92,5 91,0 89,5

4,5 6,0 7,5 9,0

10;5

Acero

Duro

0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 2,20

89 100 98 97 95 93 91 90 88 86 84 83 81 79 77

11 ' 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 2 3 5 7 9

10 12 13,9 13,6 13,3 13,1 12,8 12,5

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 8

11 15 19

0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 2 4 6 8

10

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

88,0 86,5 85,0 83,5 82,0 80,5 79,0 77,5 76,0 74,5 73,0 71,5 70,0 68,5 67,0

12,0 13,5 15,0 16,5 18,0 19,5 21,0 22,5 24,0 75,5 27,0 28,5 30,0 31,5 33,0

Fundicin

blanca

2,30 2,40 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,30 4,50 4,80 6,67

76 74 72 68 64 59 58 51 46 41 38 32 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

12,2 11,9 11,7 11,0 10,3 9.6 8,3 8,2 7.5 6.6 6,1 5.7 0,0

23 27 31 40 50 60 70 79 89

100 92 79 0

12 14 16 21 26 31 36 41 46 52 48 41 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8

21 100

65,5 64,0 62,5 58,75 55 51,25 47,5 43,75 40,0 35,5 32,5 28,0 0,0

34,5 36,0 37,5 41,25 46 48,75 52,5 56,25 60,0 64,5 67,5 72,0

100,0

CAP. I. DIAGRAMA 1-IIL RRO-CA-RBONO 2 7

Por debajo de EFG la constitucin ser : 26 % de cementita de la eutctica. 10 % de cementita proeutectoide. 64 % de per lita, que est formada por ferrila y cementita,

y sus proporciones sern, con respecto al total, de 55 % de ferrita y 45 % de cementita.

9. Transformaciones que exper imentan los aceros de menos de 0,50 % de carbono en la zona 1.400-1.535

Para hacer ms fcil el estudio del diagrama hierro-carbono, no hemos citado las transformaciones que sufren los aceros de menos de 0,50 % ele carbono a temperaturas comprendidas en el intervalo 1.400-1.535.

En esta zona el diagrama no es tan simple como hemos indicado anteriormente, y en la figura 24 se puede ver tal como es en rea-lidad.

Esas nuevas zonas son debidas a la existencia de un nuevo estado alotrpico del hierro, que se llama hierro delta.

En los procesos de enfriamiento lento, las zonas de estabilidad de los cuatro estados alotrpicos del hierro, se hallan comprendidos en los siguientes intervalos de temperatura:

Hierro delta 1.535 a 1.400 Hierro gamma 1.500 a 700 Hierro beta 900 a 768 Hierro alfa ' 768 a 20

T o d o el hierro que contiene la austenita. es siempre hierro gam-ma, el de la ferrita puede ser hierro beta o alfa, y el de la perlita es siempre hierro alfa.

El paso del hierro en estado lquido a hierro gamma y la trans-formacin del hierro gamma en hierro delta y viceversa, da lugar en los aceros de bajo contenido en carbono a nuevas fases, segn se puede verse en la figura 24.

Al solidificarse el hierro puro a 1.535, aparece el hierro delta, e|tie al disminuir la temperatura se transforma luego en hierro gamma a 1.403 aproximadamente.

Para contenidos en carbono comprendidos entre 0,03 v 0,08 % aproximadamente, las transformaciones en el enfriamiento se veri-fican en la siguiente f o r m a : 1. Acero lquido. 2. Acero lquido y

2 8 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

hierro delta (zona 2). 3. Hierro austeita (zona 4). 5. Austenita

Para aceros de 0,08 a 0,18 %

delta (zona 3). 4. Hierro delta y (zona 6). de carbono tendremos : 1. Acero

(9) 5 0 0

H\arro^-* eil-Ja Loo

Y * tcmcnViia

H'ntrro olfa

Prl\1a + Cemintita

Jt1 % de C

b Vquido

TrrUa + Perlita

F i g u r a 24

1 Z o n a s de estabilidad de los diferentes estados alotrpicos del hierro, en

los calentamientos y enfr iamientos muy lentos.

CAP. I. DIAGRAMA IIIERRO-CARBONG 2 9

lquido. 2. Acero lquido y hierro delta (zona 2). 3. Hierro delta y austenita (zona 4). '4. Austenita (zona 6).

Para aceros de 0,18 a 0,50 .% de carbono aproximadamente, ten-dremos : 1. Acero lquido. 2. Acero lquido y hierro delta (zona 2). 3 0 Acero lquido y austenita (zona 5). 4." Austenita (zona 6).

Por fin, para los aceros de ms de .0,50 % de carbono tendre-mos nicamente: 1. Acero lquido. 2. Acero lquido v austenita (zona 5). 3. Austenita (zona 6).

10. Disolucin del carbono o carburo de hierro en la fe r r i ta o hie-rro a l fa

Aunque ya se ha indicado anteriormente (f ig. 19) que la ferrita o hierro alfa es capaz de disolver o contener en disolucin cantida-des pequesimas de carbono o carburo de hierro, en algunas oca-siones, al tratar de los diferentes estados alotrpicos del hierro, se suele decir que la ferrita es hierro puro sin carbono y que el hierro alfa y el hierro beta son incapaces de disolver el carbono. A pesar de que esto puede dar lugar a confusiones, la realidad,, sin embargo, es que muchas veces se habla de esa forma, sobre todo cuando se quiere diferenciar el hierro alfa y el beta del hierro gamma, cuya capacidad de disolucin es muchsimo mayor.

Para aclarar bien lo que sucede, vamos.a explicar con ms de-talle los fenmenos que ocurren y las transformaciones que se pre-sentan como consecuencia de esa solubilidad. En la zona del diagra-ma correspondiente a porcentajes de carbono variables de 0 a 0,1 % de C, aparecen dos nuevas zonas que antes no habamos sealado y que modifican un poco las leyes de transformacin que antes se citaron.

En efecto, en el enfriamiento de los aceros hipoeutectoides de 0 a 0,35 % de C, al llegar a la temperatura Ar3 , se inicia la precipita-cin de la ferrita (f ig. 24), que antes decamos que era hierro beta y ahora diremos que es hierro beta con un porcentaje de carbono variable y que viene sealado por la lnea M - H . Al llegar a 768, toda la ferrita beta se transforma en ferrita alfa y luego a medida que desciende la temperatura, el contenido en carbono de la ferrita ya aumentando hasta 0,035 % a -721.

En los aceros de 0,35 a 0,90 % de carbono, cuando en el enfria-miento llegan a la temperatura Ar3, comienza a precipitarse direc-tamente ferrita alfa, cuyo contenido en carbono vara segn la lnea N - H . Al descender luego la temmperatura del acero hasta los 721 aproximadamente, la solubilidad es mxima y el contenido en car-

3 0 TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS

bono llega a 0,035 % . Este ser el contenido en carbono de toda la ferrita a esa temperatura, lo mismo .el de la'ferrita bipoeutectoide que el de la que se ha precipitado bruscamente, formando parte de a pexlita. Luego:.al continuar, el descenso.,de temperatura, esa solu-bilidad disminuye, se inicia una separacin de parte del carbono o carburo de hierro que tiene la ferrita en solucin y a la temperatura ordinaria, la 'ferrita contiene slo 0,008 % de carbono aproxima-damente.

CAPITULO I

TEMPERATURAS CRITICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS

11. Al estudiar el diagrama hierro-carbono, hemosvisto que exis-ten para cada "acero ciertas temperaturas, en las que en el calenta-miento y en el enfriamiento muy lento hay transformacin de los constituyentes microscpicos.

Ahora vamos a examinar con ms detalle esos puntos o tempe-raturas crticas y los fenmenos fsicos que acompaan a esas trans-formaciones, sealando al mismo tiempo los procedimientos ms utilizados para su determinacin.

12. Estados alotrpicos y puntos crt icos del hierro

Si se deja enfriar lentamente una-muestra de hierro lo ms puro posible, desde el estado lquido,- se puede observar ( f ig. 25), que

0 ID 20 50 l 50 60 70 80 90 0 10 ZO 50 4 0 50 60 70 8 0 90 100 Minutos.

Figura 25 ' Curvas de enfriamiento y calentamiento del hierro puro.

se solidifica instantneamente a 1.535. Al continuar descendiendo la temperatura, no se observa nada anormal en el proceso de enfria-miento, hasta 1.400. Entonces se nota una disminucin en la ve-

3 2 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

locidad de enfriamiento debida a un desprendimiento espontneo de calor. Lueg'o, hacia los 89B, se produce otro nuevo desprendi-miento de calor y se aprecia otra disminucin en la velocidad de enfriamiento bastante neta y pronunciada.

Hacia los 750 vuelve a ocurrir otra parada en el enfriamiento, que es ya la ltima antes de llegar a la temperatura ambiente.

Esas temperaturas en las que ocurren esos fenmenos, se lla-man'temperaturas o puntos crticos, y se denominan Ar,^ r3 y Ar, respectivamente.

La parada a 1.400, (Ard) corresponde a un cambio alotrpico .del hierro, que pasa del estado de hierro delta al de hierro gamma. El punto Ar3 a 898, seala la transformacin de hierro gamma en hierro beta y el punto Ar2 a 750, corresponde a la transforma-cin del hierro beta en hierro alfa.

Cuando el proceso es inverso .y se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta la de 1.550, los fenmenos se presen-tan en forma muy parecida, pero a temperaturas un poco superio-res, recibiendo ahora esos puntos crticos los nombres Ac2 , Ac3 y Ac,,. El AC2 se presenta hacia los 790, el Ac3 a los 910 y el Ac,, a 1.410, aproximadamente. Esta diferencia que existe entre las temperaturas crticas en el enfriamiento y en el calentamiento, reve-lan la resistencia que oponen los sistemas cristalinos a transformar-se, indicando adems que |as temperaturas crticas reales se hallan sin duela entre AG3 y r3 y Ac , y Ar2. Si se pudiera realizar esos calentamientos o enfriamientos a una velocidad infinitamente lenta, los puntos crticos se hallaran a la misma temperatura en el calen-tamiento y en el enfriamiento. A esos puntos crticos se les ha dado los nombres de Ar y Ac, recordando el proceso que se ha seguido. (En francs enfriamiento refroidlssement r, y calentamiento chauffage c.)

Al estudiar luego otros temas relacionados con estos fenmenos, convendr recordar la existencia de esta histresis que se presenta en todos los tratamientos y.que modifica la situacin de los puntos crticos.

Cuando hablamos del -diagrama terico hierro-carbono, que se refiere a calentamientos o enfriamientos infinitamente lentos, po-demos decir, que la transformacin perlita-austenita, o la inversa, austenita-perlita, se verifica a .721, y en cambio, al referirnos a un proceso industrial de calentamiento, diremos por ejemplo, que en el calentamiento la transformacin perlita-austenita ha ocurrido a 725 740. y en el enfriamiento a 690 700. Adems hay que

CAP. II. TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 3 3

tener en cuenta que, as c omo la temperatura terica de 721 es fija, las otras dependen de la velocidad de calentamiento o enfria-miento, y pueden variar bastante de unos casos a otros.

13. Hierro a l fa y hierro gamma

El hierro muy puro, de bajsimo contenido en carbono, a tem-peraturas inferiores a SOS^IO0, se presenta en forma de hierro beta y hierro alfa, que no disuelven al carbono o carburo de hierro, o lo disuelven en proporciones pequesimas, variables de 0,035 % a 721 a 0,008 % a la temperatura ambiente (fig. 19). A tempera-turas superiores a 898-910, el hierro se encuentra' en forma de hierro gamma, que puede disolver al carbono o carburo de hierro en can-tidades hasta de 1,7 % . f

El hierro beta aparece en el intervalo 9l0-768, y el hierro alfa a temperaturas inferiores a 768 (f ig. 24).

Aunque entre el hierro alfa y el hierro beta hay algunas dife-rencias notables, ambos cristalizan en la misma forma, y su aptitud de disolucin del carbono, tambin es casi idntica. Por eso, aunque ahora al hablar en este apartado de la' estructura cristalina y solu-bilidad del carbono en los diferentes estados alotrpicos del hierro, algunas veces citamos nicamente el hierro al fa 'y el hierro gamma, y no citamos el hierro beta, es porque en realidad nos referimos al estado cristalino, caracterstico lo mismo del hierro alfa que del hierro "beta, que no disuelve'ms que en cantidades pequesimas al carbono.

El hierro gamma se diferencia tambin del hierro alfa A-' beta por su distinta disposicin atmica.

El hierro en estado slido a la temperatura ordinaria (hierro alfa), adopta la disposicin de cubos centrados, v en cambio, a alta temperatura (hierro gamma), se presenta con la disposicin atmica de caras centradas (f ig. 26).

Las clulas cristalinas unitarias del hierro alfa y del hierro beta tienen la forma de un cubo con un tomo de hierro en cada uno de los ocho vrtices y uno en el centro. Si se eleva la temperatura del hierro puro, esta situacin de los tomos se conserva hasta la temperatura de transformacin de 910, ' al sobrepsar la cual el hierro beta se transforma en hierro gamma, y la estructura crista-lina se disloca lo mismo que las figuras de un calidoscopio, y se transforma bruscamente en otro sistema cristalino, apareciendo la disposicin de caras centradas en la que hav un tomo n cada uno de los vrtices y un tomo en el centro de las caras.

3 4 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

Hemos pasado, pues, del cubo centrado formado por 9 tomos (uno en- el -Centro y 8 en los vrtices), al cubo de caras centradas de' 14 iomos (6 en las caras y 8 en los vrtices).

Estos cubos no estn, en realidad, formados por 9 y 14'tomos, como parece desprenderse de la observacin1 de la figura 26. Como cada uno de los-tomos-de los vrtices, forma parte de los otros

F i g u r a 26 Sistemas cristalinos del hierro alfa (cubo de cuerpo centrado) y del hierro g a m m a (cubo de

caras centradas) .

siete cubos vecinos y los de los centros de las caras pertenecen tam-.bin al cubo adyacente, esos cubos contienen en realidad un nme-ro de tomos menor..

En, el hierro alfa (cubo centrado) la materia correspondiente a cada cubo, es en realidad la de dos.tomos. Uno, .el tomo central .y, otro (8.x 1/8 = 1), correspondiente, a 1/8 de cada-uno de los vr-tices.

En el hierro gamma cada uno de los tomos del centro de las caras pertenece tambin al cubo adyacente. Resulta, por lo tanto, ,cjue el cubo elemental tiene slo la materia de 4 tomos. Uno (8 x 1 / 8 = 1 ) de 1/8 de cada uno de los vrtices y tres (6x1 /2 = 3) de 1/2 de. cada una de las seis caras.

La longitud de las. aristas de esos cubos elementales'se-denomina

CAP. II. TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 3 5

constante o parmetro del sistema cristalino, que para el "hierro alfa vara de '2,85 ,a 2,90 Angstrom (Angstrom = O,@OO.OQ0.1 mm.) V para el hierro gamma vara de 3,65 a 3,70 Angstrom (fig. 27).

Aunque el. cubo-elemental del hierro gamma.tiene ms-tomos que el del hierro alfa, el nmero total de tomos no ha aumentado al pasar de un...estado a otro ; ha habido una modificacin de es-tructura cristalina, apareciendo ahora cubos de mayor volumen, o sea, que. despus del cambio, la misma masa del hierro est for-mada por menos cubos, cada uno de los cuales ocupa ms volumen y contiene ms tomos.

A pesar de que el cubo elemental de hierro alfa es menor que el cubo de hierro gamma, el volumen ocupado por el hierro alfa

Aricas 3, So 3,7o

3,SO

3.00

2,iO

2,8o

o 4 0 0 800 -12oo -I600

Temperatura zn C F i g u r a 27

Var iac i ones de longitud de los parimetros del hierro alfa, beta, g a m m a y delta en funcin de . la temperatura.

a 730 un momento antes de transformarse en hierro gamma es siempre mayor que el ocupado por la misma cantidad de hierro gamma a esa misma temperatura. En el calentamiento, al transfor-marse- el hierro alfa en hierro gamma hay una. contraccin de vo-lumen. Para-aclarar un pco estos conceptos, que se prestan a con-fusin, recordaremos que primero nos hemos referido al tamao de la clula cristalina elemental y luego al volumen ocupado por el acero.

La disposicin ele caras centradas, o sea la del ;hierro gamma, es la ms compacta, lo que representa ms facilidad ele deformacin y es paramagntico; en cambio, el hierro alfa de cubo centrado tiene ms-'resistencia a la traccin y es ferromagntico.

rom

- Xr (jama

ra 3< ^

Mta1 m *

3 6 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

14. Hierro beta

Es un estado del hierro muy parecido al hierro alfa, tanto que algunos autores ponen en duda su existencia. Cristaliza en la mis-ma forma que el hierro alfa y- su poder de disolucin del carbono es tambin muy pequeo. Sin embargo, los pequeos desprendi-mientos y absorciones de calor y la modificacin de las propiedades magnticas que se presentan al pasar de uno a otro estado, confir-man la realidad de su existencia.

15. Hierro delta A temperaturas comprendidas entre 1.535 y 1.400 el hierro se

encuentra en forma de hierro delta, .que cristaliza lo mismo que el hierro alfa, en cubos centrados, pero la longitud de su parmetro es de 2,93 Angstrom. En los captulos posteriores se dedica poca atencin a este estado alotrpico del hierro por no tener inters industrial, ni ser interesantes las transformaciones a que da lugar. En la Tabla II resumimos los diferentes estados alotrpicos del hierro, los sistemas cristalinos y sus zonas de estabilidad.

TABLA 11

Estados a lotrpicos

Zonas de estabilidad

(Fie. 24)

Red cristalina

Propiedades magnticas

Peso-espec f ico

Alfa Zonas 9, 10 y 12 Cuerpo

centrado Muy magntica

Inferior al del hierro gamma y beta.

Beta Zonas 7- y. 8

Cuerpo centrado

Dbilmente magntica

Superior a! del hierro alfa.

Gamma Zonas 4, 5, O-, 8 y 10 Caras

centradas, No magntica

Superior al de! h ierro alfa y beta.

Delta Zonas 2, 3 y 4

Cuerpo centrado

Dbilmente magntica

Inferior al del hierro gamma.

Caractersticas, y propiedades de los diferentes estados alotrpicos del hierro.

16. Puntos crticos de los aceros

Si observamos los procesos de enfriamiento muy lento de di-versos aceros con porcentajes variables de carbono, vemos que los puntos crticos que aparecen son diferentes que los que vimos que se. presentaban en los hierros o aceros extradulces.

CAP. II . TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 3 7

Ensayando un acero con 0,15 % de carbono, se puede ver que en el enfriamiento, el punto Ar3 aparece a 850" aproximadamente, temperatura ligeramente inferior a la del hierro (fig. 28), es menos marcada su importancia que en aqul y seala el comienzo de la separacin de la ferrita proeutectoide, inicindose por lo tanto una transformacin de hierro gamma, en hierro beta. Al continuar des-cendiendo la temperatura,, aparece el punto Ar2 a 768", aproximada-

Curvas de enfr iamiento de diversas aleaciones h ierro -carbono .

mente, que corresponde a la aparicin del magnetismo del hierro, es decir, a la transformacin del hierro beta en hierro alfa. Por fin, hacia 700 existe otro punto crtico Ar i ; que no lo tiene el hierro y que es ms acentuado cuanto mayor sea' el contenido en carbono. Este punto no marca un cambio alotrpico en tocia la masa del ace-ro, sino nicamente en la austenita residual v corresponde precisa-mente a la transformacin de la austenita de composicin eutectoide en perlita, o sea, la transformacin del hierro gamma de la austeni-ta en hierro alfa de la ferrita que forma parte de la perlita v la pre-

3 8 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

cipitacin del carbono o carburo de hierro que tena aqulla en solu-cin y que ahora queda en forma de cemntita. Como el hierro puro no contiene carbono, su austenita nunca alcanza la composicin eutectoide y este punto no aparece en l. El acero extradulce, de 0,15 % de C, hacia los 7.00 contiene un poco de austenita de com-posicin eutectoide y el punto Ar, se marca muy ligeramente ; los aceros semi-duros de 0,30 y 0,50 % de C, contienen en cambio ms austenita eutectoide residual y el punto es ms acentuado.

En el calentamiento aparecen los mismos puntos, pero a tempe-raturas un poco superiores ; esta diferencia es debida, como en el

Figura 29

Puntos c r t i c o s ' d e l acero extradulce y de los aceros de 0,15 y 0,90 % de carbono Curvas derivadas.

hierro, a la histresis, y los puntos se denominan Ac r , A c , y Ac3. En los aceros, el punto Acr corresponde a la transformacin brusca ct la perlita en austenita y ocurre de los 725 a 740, y su impor-tancia depende de la cantidad de perlita que tiene el acero.

'Al estudiar un acero semi-duro de 0,50 % de C, no aparecen ms que dos puntos, debido a que cuando el contenido en carbono es mayor de 0,35 %, el hierro de la austenita pasa directamente del -estado gamma al alfa sin pasar por el beta intermedio.

CAP. II. TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 3 9

Primero se presenta el Ar32 , correspondiente a ia separacin de ia ferrita alfa proeutectoide de la austenita y luego el punto At j que seala la transformacin austenita-perlita (fig, 28).

El acero eutectoide, de 0,90 % de carbono, slo presenta un pun-to crtico, que en el calentamiento aparece a 725,o-740 y en el en-friamiento lento a 700, aproximadamente.

En los aceros con ms de 0,90 % de carbono, en el enfriamiento existe un punto crtico muy dbil y muy difcil ele. observar, deno-minado Arcm, que corresponde al comienzo de 1a separacin de la cementita y luego a temperatura ms baja, aproximadamente hacia

Figura 30

Puntos crticos que aparecen en el enfr iamiento de aceros al carbono de di-versas composic iones . Curvas diferenciales derivadas.

los 700 aparece el puni de recalescencia, mucho ms importante y destacado, correspondiente a la transformacin de la austenita en perlita.

El punto Arom es muy difcil de apreciar, pues la cantidad de calor desprendida es pequesima. Sin embargo, en los diagramas tericos siempre se seala este punto, cuya temperatura de apari-cin es variable desde 700 a 1.135, segn el contenido en carbono. En la figura 30 pueden observarse las temperaturas, crticas de 13 aceros al carbono, de composicin variable desde 0,01 hasta 1,85 % de carbono.

Puni Aa.Adems de las transformaciones citadas, los.aceros sufren una transformacin magntica reversible a 218, aproxima-damente. Este punto se conoce con el nombre de A0 y se emplean los smbolos Ar para el enfriamiento y Ac0 para el calentamiento.

Corresponde a la transformacin magntica de la cementita y tiene cierta semejanza con el punto A, que corresponde a la trans-

4 0 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

formacin magntica -del hierro. Los puntos Ar0 y Ac0 se presen-tan casi a la misma temperatura.

La intensidad del fenmeno aumenta con el contenido en carbo-no v es nula para el hierro, ya que no contiene cementita. El des-prendimiento de calor es tan pequeo, que no se aprecia esta trans-formacin, en muchos de los procedimientos que normalmente se emplean para determinacin de puntos crticos.

17. Denominacin y def in ic in de los puntos crt icos de los aceros

TRANSFORMACIONES EN LOS ACEROS HIPOEUTECTOIDES. CARBONO INFERIOR A 0,90 %.Calentamiento.Ac^ En los aceros al car-bono toda la perlita se transforma bruscamente en austenita en el intervalo de 725-740, aproximadamente, quedando el acero a partir de esa temperatura constituido por austenita y ferrita libre, la cual, a-medida que aumenta la temperatura, comienza a disolver-se en la austenita. En la transformacin de la perlita la formacin de cada gramo de austenita absorbe 15,9 caloras. Los aceros se contraen de 0,03 a 0,1 % . Es interesante sealar que al transfor-marse la perlita en austenita, toda Ic ferrita o hierro alfa que con-tiene la perlita se transforma en hierro gamma, a una temperatura (725-740). inferior a la que debe alcanzarse para la formacin del hierro gamma en el hierro puro (910).

A c , (768). Aparece slo en el hierro puro y en los aceros de menos de 0,35 % de C. El hierro alfa pasa a beta y pierde las propiedades magnticas. Cada gramo de. hierro absorbe 5,6 calo-ras al sufrir esta transformacin.

AC3. Este punto corresponde al fin de la disolucin de la ferrita proeutectoide en la austenita, en los aceros de menos de 0,35 [% ele carbono.

Al continuar el calentamiento, a partir del punto Ac3, se inicia una cons-tante y progresiva dilatacin del material, que corresponde a la dilatacin de la austenita, que en el intervalo comprendido entre los puntos A q y Ac3 estaba parcialmente interferida, por la contraccin que experimentaba el acero, debida a la transformacin de hiero alfa y beta en gamma, en la continua disolucin de la ferrita proeutectoide en la austenita.

El punto AC3 en el hierro puro, se manifiesta de forma muy distinta que en el resto de los aceros, ya que corresponde a la total v brusca transformacin de todo 'el hierro befa en hierro gamma y el metal experimenta una contraccin.

A c , , . Se presenta slo en los aceros de 0,35 a 0,90 % de C, y

CAP. I I . TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 4 1

en este punto ocurren a la vez los fenmenos correspondientes a los puntos A c , y Ac 3 , sealados anteriormente.

Enfriamiento.Ar3. En los aceros de menos de 0,35 % de C, se inicia la precipitacin o separacin de la ferrita de la masa de la austenita en el enfriamiento.

En el hierro puro ocurre en este punto la brusca y total trans-formacin del hierro gamma en hierro beta, desprendindose. 5,6 caloras por cada gramo de hierro gamma transformado.

Ar 2 . Transformacin de la ferrita beta no magntica, en fe-rrita alfa magntica en el enfriamiento, en la que se desprende 5,6 caloras por gramo de hierro.

Ar 3 2 . En los aceros de 0,35 a 0,90 % de C, corresponde a la aparicin simultnea de los puntos Ar3 y Ar , .

La separacin de un gramo de ferrita o hierro alfa ele la auste-nita, desprende 14,1 caloras.

A r t . Fin de la precipitacin o separacin de la ferrita de la austenita en el enfriamiento y brusca transformacin de toda la austenita que queda (y que en ese momento tendr la composicin eutectoide) en perlita. El material experimenta una dilatacin va-riable con la composicin de 0,001 a 0,08 % .

TRANSFORMACIONES EN LOS ACEROS HIPERETECTOIDES. C A R B O -NO MAYOR DE 0,90 %.Calentamiento.Ac321. Transformacin brusca de toda la perlita en austenita. El material se contrac por efecto de la transformacin de la perlita en austenita y el fen-meno es similar al descrito para el A c , . Comienza la disolucin del exceso de cementita en la austenita.

Enfriamiento.Arcm. Comienzo .de la precipitacin o separa-cin de la cementita de la masa de austenita. Este punto, en los aceros de 0,9 a 1,3 % de carbono, es muy difcil de apreciar en los ensayos normales de determinacin de puntos crticos por la pequea cantidad de calor desprendida en la transformacin.

Ar 3 l t Fin de la precipitacin o separacin de cementita de la masa de austenita, y transformacin brusca a 700 aproximadamen-te, de la austenita en perlita.

TRANSFORMACIONES EN EL ACERO E U T E C T O I D E . E i punto Ac3 2 1 marca la transformacin perlita-austenita y el Ar321 la inversa.

13. Determinacin de los puntos crticos

En los ciclos de calentamiento o enfriamiento, al atravesar los aceros las zonas crticas, adems de los cambios de estructura ya

4 2 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

citados, ocurren otros fenmenos que sirven para determinar pre-cisamente sus temperaturas de aparicin y terminacin.

Esos fenmenos son muy diversos, variando su intensidad o caractersticas segn la composicin del acero, clase de transfor-macin !o-el punto crtico de que se trate.

La primera noticia de la existencia de esa zona crtica se tuvo gracias al fenmeno del temple. Desde muy antiguo se conoce la gran dureza que adquieren los acerps en el temple. Se saba que si el acero se calienta por encima de cierta temperatura y luego se enfra rpidamente, se endurece, y tambin se saba que para que se endurezca hace falta precisamente rebasarla Si el acero

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700 750 aso 900

Var iac i n de la dureza en funcin de la temperatura de temple en dos aceros, uno, de 0,90 % de carbono , y otro , de 0,20 % de carbono.

se calienta a temperatura un poco inferior a la crtica, aunque se enfre muy rpidamente, no se endurece (fig. 31). Esto seal d una forma clara la existencia de ciertas temperaturas crticas que regulan esos fenmenos.

Cuando se trata de aceros de ms de 0,90 % de carbono, el aumento de dureza es muy brusco, y 1a nica temperatura crrica es la correspondiente al punto Ac3 2 , (fig. 31). En cambio, cuando se trata de aceros hipoeutectoides, en el calentamiento existen dos puntos crticos, el Ac, y el Ac3 , que se sealan claramente en los ensayos de temple a temperaturas crecientes (fig. 31).

n los aceros al carbono de herramientas de 0,7 a 1,4 % de C, se aprecia muy bien la. existencia de esas temperaturas crticas pol-la aparicin de otros fenmenos. Enfriando lentamente en la oscu-

C A P . II . TEMPERATURAS. CRITICAS DEL HIERRO' Y LOS ACEROS 4 3

rielad un trozo de acero de esta composicin, se ve que el color del acero se va apagando poco a poco, pero cuando llega a 700' aproximadamente, de pronto se ilumina y aumenta su resplandor.

A este punto se llama de recalescencia, precisamente por la manifestacin de este fenmeno. El resplandor v la iluminacin del acero son debidos a la energa que se desprende del acero al efectuarse la transformacin.

En el calentamiento en cambi'', se aprecia una parada en el progresivo aumento de temperatura y en la iluminacin del acero al alcanzar ste los 725-740, que corresponde a la transformacin peri ita-austen ita.

19. Procedimientos usados para la determinacin de los puntos crt icos

Existen muchos procedimientos y aparatos para la determi-nacin de Tps puntos crticos, cuyo fundamento se basa en alguno de los siguientes fenmenos : cambios de temperatura, absorcin o desprendimiento de calor, expansin o contraccin, cambio de pro-piedades magnticas, absorcin de cementita o ferrita, cambio de dureza 'v tamao de grano despus de un enfriamiento rpido, cambio en la resistencia elctrica, cambio de plasticidad, cambio en la estructura cristalina, etc.

Los mtodos basados en la dureza y cambio del grano de frac-tura despus del temple, son los ms antiguos. El procedimiento consiste en calentar las probetas a varias temperaturas crecientes y escalonadas, enfrindolas rpidamente en agua y observando la temperatura ms baja, con la que se obtiene la mayor dureza y pi grano ms f ino.

En el mtodo dilatomlrico se usan aparatos muy precisos, que miden y sealan las anormales contracciones y dilataciones que experimentan los aceros en las zonas crticas y que son dife-rentes de la expansin o contraccin regular que- experimenta el material en el calentamiento o enfriamiento de la probeta, debido a las leyes de dilatacin trmica.

Hay aparatos que registran esas variaciones grficamente. U n o de los ms utilizados es el dilatmetro Chevenard, cuyo funciona-miento describiremos ms adelante.

El mlodo magntico es aplicable a aceros de todas composi-ciones. Se coloca la probeta en un circuito magntico, se va ele-vando progresivamente la temperatura y observando las variacio-nes del flujo magntico que la atraviesa. Cuando no hay paso de

4 4 TRATAMIENTOS TRMICOS. .DE LOS ACEROS

flujo (material amagntico, hierro gamma) es seal de que he-mos atravesado la zona crtica, que se puede determinar con gran exactitud.

El mtodo calorimtrico consiste en medir el calor desarrollado por las probetas. En las zonas crticas hay un desprendimiento o absorcin de calor extraordinario, que sirve para determinar las temperaturas en que ocurren esos fenmenos.

Los mtodos metalo grficos se basan en el estudio de las estruc-turas que se obtienen al ir enfriando rpidamente varias probetas de acero a temperaturas variables. As, por ejemplo, en e! calenta-miento progresivo, las temperaturas en las que la ferrita y la ce-mentita libres son completamente absorbidas por la austenita, son los puntos crticos Ac3 y AcCJn.

20. Curvas para la determinacin de les puntos crticos

Para la determinacin de los puntos crticos, es muy convenien-te dibujar las curvas de enfriamiento y calentamiento, pues con su ayu