ING. JAIME GONZALEZ VIVAS

Un buen mecánico de automóviles puede solucionar rápidamente sus defectos porque conoce a fondo los mecanismos y su funcionamiento. De la misma manera si conocemos bien el mecanismo de lo que pasa en tratamientos térmicos podemos solucionar los problemas originados en los procesos y que no conducen a los resultados esperados.Para ello tendremos que hacer un poco de teoría: simple, accesible, que nos ayude a comprender los fenómenos que ocurren.

Ing. Jaime González Vivas.

DEFINICIÓN Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y

enfriamiento cuidadosamente controlados, y que se aplican a un metal o aleación en estado sólido, con el fin de obtener ciertas propiedades deseadas para su empleo.

Los tratamientos térmicos no modifican la composición química del acero. Con los tratamientos térmicos se modifica la constitución del acero, modificando el estado en que se encuentra el carbono, y el estado alotrópico del hierro.

Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero

CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES FERROSAS

Aleaciones Metálicas

No ferrosasFerrosas

FundicionesAceros

Maleable Nodular Blanca GrisAlta aleaciónBaja aleación

Bajo C Medio C Alto C herramientas Inoxidable

• Formas alotrópicas– Son las diversas formas en que un metal

alotrópico puede presentarse, según su estructura cristalográfica

• Metal alotrópico– Metal monocomponente o monofásico que, sin

haber variado su composición química, sufre un cambio reversible de su estructura cristalina

• El Hierro es un metal alotrópico que pasa de..– Hierro Alfa (b.c.c.), desde Tª amb. Hasta 910ºC– Hierro Gamma (f.c.c.) desde 912ºC hasta 1.500ºC– Hierro Delta (b.c.c.) desde 1.500ºC hasta 1.540ºC

• Hierro Alfa (b.c.c.)– Cristaliza en b.c.c., o cúbica de cuerpo

centrado– Los parámetros de red son iguales, la

estructura es un cubo perfecto– Un átomo completo se coloca en el centro

del cubo y 8 átomos en las esquinas– Por cada “cubo” o celda unitaria hay, pues

• 1 + 8 x 1/8 de átomos = 2 átomos

• Hierro Delta (b.c.c.)– Similar a la fase Alfa, sólo que está

presente a Tº superior 1.400ºC• Las fases Alfa y Delta son Magnéticas

• Hierro Gamma (f.c.c.)– Fase que cristaliza en f.c.c. (cúbica

de cara centrada), en la que 6 átomos se ubican en las caras de la celda o “cubo” y 8 átomos en las esquinas

– La celda unitaria tiene, pues, 8 átomos x 1/8 + 6 átomos centrados en las caras x ½ = 4 átomos

– Es más densa que la b.c.c. ( factor de llenado 0,74 contra 0,68)

– En los “huecos” se alojarán los átomos de carbono

– No magnético

• Austenita: – Solución sólida de C en Hierro Gamma– La máxima solubilidad es del 2% de C a 1.130ºC– Carga de rotura, 150 Ksi, dureza Rockwell C 40,

elongación 10% en 2”– Tenacidad alta– Generalmente no es estable a Tª ambiente,

aunque hay circunstancias en que sí (Aceros inoxidables austeníticos)

• Cementita: – Carburo de Hierro Fe3C con un 6.67% de C– Compuesto intersticial muy duro y frágil – Es el más duro del diagrama– Su estructura es ortorrómbica

• Ferrita:– Solución sólida intersticial de una pequeña cantidad

de C disuelto en hierro – Máxima solubilidad, 0,025% de C a 723ºC– Disuelve sólo 0,008% de C a Tª ambiente– Es la estructura más suave del diagrama– Carga de rotura, 40 Ksi, dureza menor que Rockwell C

0, elongación 40% en 2”

• Perlita: – Mezcla eutectoide que contiene 0,8% C y se forma a

723ºC, a un enfriamiento muy lento– Formada por finas capas alternadas de Cementita y

Ferrita– Resistencia a la tracción. 120 Ksi, Dureza Rockwell C

20, elongación 20% en 2”

• Martensita: – Solución sólida sobresaturada de carbono

atrapado en hierro Alfa, lo que produce una estructura b.c.t (Tetragonal de cuerpo centrado)

– Es una estructura distorsionada, razón de su dureza (Rockwell C 64)

– Muy frágil– Formada por un enfriamiento muy rápido del

acero que no deja que el C se difunda fuera de la estructura de austenita, quedando el C atrapado en la solución

Componentes de un acero con un 0,4% C

1. Estructura Austenítica 100%

2. Parte de la Austenita se convierte en Ferrita

3. Un poco antes de 723ºC, hay un 50% de Austenita y un 50% de Ferrita

4. A los 723ºC, toda la austenita se transforma en Perlita (a + Fe3C), quedando a Tª ambiente, un acero con 50% de Ferrita primaria y un 50% de Perlita

• Atendiendo al contenido de Carbono– Aceros Hipoeutectoides

• Contenido en Carbono inferior a 0,8%

– Aceros Eutectoides• Contenido en Carbono igual a 0,8%

– Aceros Hipereutectoides• Contenido en Carbono comprendido entre 0,8% y 2%

– Los aceros de construcción, soldables son todos del tipo Hipoeutectoide

Atendiendo a los elementos constituyentes

◦ Aceros al Carbono Contienen, además de Fe y Carbono;

Manganeso (Mn) =< 1,65%

Silicio (Si) =<0,6%

Cobre (Cu) =<0,6%

Azufre (S) =<0,05%

Fósforo (P) =<0,05%

◦ Aceros Aleados

• Atendiendo a los elementos constituyentes(cont)– Aceros Aleados

• Microaleados; contienen pequeñas cantidades de elementos capaces de formar Carburos, Nitruros, etc

– Niobio (Nb), Ti tanio (Ti), Vanadio (V)

• Aceros Aleados; contienen cantidades más significativas de elementos aleantes, para aplicaciones específicas

– Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Niquel (Ni), Vanadio (V), y mayor cantidad de Manganeso (Mn) y Silicio (Si)

• Aceros Inoxidables

– Son aceros aleados en los que el elemento principal de aleación, que los previene de la corrosión es el Cromo (Cr),con un valor superior al 12%

• Aceros Inoxidables (cont)Hay tres tipos principales– Aceros ferríticos: estructura ferrítica a cualquier

temperatura• 15-18% de Cr

• C =<0,12%

• Más resistentes a la corrosión que los martensíticos

• Difíciles de soldar. Son magnético

– Aceros martensíticos: estructura martensítica, de gran dureza• Diferentes grados de composición, pero con alto contenido

en C (hasta 1,2%)

• No soldables

• Resistente a corrosión y desgaste. Cuchillería

• Aceros Inoxidables (cont)Aceros Austeníticos

• Presentan una estructura austenítica a cualquier temperatura, por su alto contenido en Niquel (Ni)

• Baja conductividad calorífica (La mitad que la de los aceros al C). Se deforman mucho

• Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, agua de mar, productos alimenticios, etc

• Soldables, con cierto cuidado en las temperaturas entre pasadas

– 304 : Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%

– 316: Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%, Mo entre 2 y 3%

10XX Acero al carbono

11XX Acero al Carbono con alto contenido de S y bajo P

13XX Acero al Manganeso (1.75%)

40XX Acero al Mo (0.2%)

41XX Acero al Cr (0.5-0.95)% Mo (0.12-0.30)%

43XX Acero al Ni-Cr-Mo (1.65 – 0.7 – 0.2)%

51XX Acero al Cromo (0.8-1.0)%

61XX Cr - Vanadio

86XX Acero al Ni-Cr-Mo (0.55 – 0.5 – 0.2)%

• Las características mas importantes en un acero de construcción son– Elasticidad

• Es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza.

– Carga de rotura• Máxima carga soportada de manera continua, hasta la

rotura

– Dureza• Resistencia a ser “rayado” por otro cuerpo

– Ductilidad• La habilidad del metal para fluir plásticamente antes de

fractura.

– Tenacidad• Capacidad de absorber energía en un impacto

• ¿Cómo se miden estas características básica?Mediante ensayos mecánicos y análisis químicos

– Elasticidad (límite elástico), carga de rotura, ductilidad, por medio del ensayo de Tracción

– Dureza, por medio de los diferentes ensayos de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore)

– Tenacidad, por medio del ensayo de Resiliencia o impacto (Péndulo Charpy, Péndulo Izod)

– La composición química del material nos va a revelar el contenido de cada elemento, lo que va a incidir directamente en los parámetros anteriores

– Análisis micro y macrográfico, para observar la estructura del material.

– CARBONO• Elemento de mayor influencia en la soldabilidad

de los aceros

Cuando %C aumenta

Aumenta Disminuye

•El límite elástico

•La carga de rotura

•La dureza

•Ductilidad

•Tenacidad

•Soldabilidad

•Facilidad de mecanizado

Cuando el enfriamiento es muy rápido, da lugar a zonas templadas, duras y frágiles, en ZAT, que pueden agrietarse en el enfriamiento

Aceros con un contenido en C superior a 0,3% son dificilmente soldables

◦AZUFRE En general, elemento perjudicial. Conviene

mantenerlo por debajo del 0,05%

Cuando %S aumenta

Aumenta Disminuye

•Facilidad para la mecanización •Ductilidad

•Soldabilidad

El azufre reacciona con el hierro, dando Sulfuro de Hierro, que es soluble en el acero fundido, formando un eutéctico Fe-Sfe a unos 980ºC, que se deposita en los bordes de los granos de austenita, facilitando el “agrietamiento en caliente”

◦FOSFORO En general, elemento perjudicial. Conviene

mantenerlo por debajo de 0,05%. Valores superiores producen “Fragilización en Frío”

Cuando %P aumenta

Aumenta Disminuye

•Facilidad de mecanizado

•Resistencia a la tracción

•Ductilidad

•Soldabilidad

Durante la solidificación, el Fósforo reacciona con el Hierro formado Fosfuro de Hierro Fe3P, que aumenta el tamaño del grano, y en consecuencia, la fragilidad en fío

Para no afectar a la soldabilidad de los aceros al Carbono, se debe mantener S+P =<0,08%

◦ MANGANESO (Mn)

Tiene mayor afinidad que el Fe para combinarse con el O2

,S y C. Se emplea como desoxidante y desulfurante

Cuando %Mn aumenta

Aumenta Disminuye

•Resistencia a la tracción

•Dureza

•Ductilidad (Mn<1,5%)

•Resiliencia

•Soldabilidad (Mn<1,5%)

•Ductilidad (Mn>2%)

•Soldabilidad (Mn>2%)

Al aumentar C, debe aumentar la relación Mn/C para evitar fisuración en caliente.

Elemento Gammageno. Retiene la Austenita

◦ SILICIO (Si)

Su mayor importancia, es ser un gran agente desoxidante, para controlar el contenido de Oxígeno en el acero

Cuando % Si aumenta

Aumenta Disminuye

•Resistencia a la tracción

•Dureza

•Elasticidad

•Facilidad de mecanizado

•Soldabilidad (Si>0,65%)

Es un elemento alfágeno, formador de ferrita

Su contenido en los aceros al C puede llegar hasta el 0.35%, y en los aceros aleados hasta el 0,65%

– CROMO (Cr)

• Importantísimo en los aceros aleados

• Aumenta la templabilidad del acero

• Aumenta la resistencia a la oxidación y corrosión

• Características del Cr

– Gran afinidad por el C, para formar Carburos de Cromo

– A altas temperaturas se combina con O2 para formar óxidos de Cr, no metálico y refractario

– Es un gran formador de ferrita

• En aceros aleados con Cr>3%, gran resistencia a elevadas temperaturas, hay que emplear técnicas de soldeo especiales

• Los aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12% de Cr para aumentar su resistencia a la corrosión.

◦NIQUEL (Ni) Elemento gammágeno por excelencia.

Favorece la formación y persistencia de estructuras austeníticas

Mejora las propiedades mecánicas del acero de manera importante, en especial La ductilidad

Resiliencia. (Tenacidad a bajas temperaturas)

No forma óxidos ni carburos ya que su afinidad por el Oxígeno y el Carbono es menor que la del Hierro.

Imprescindible e aceros inoxidables austeníticos (>8%) y en aceros aleados para usos criogénicos.

◦COBRE (Cu) Elemento que no tiene gran reputación entre los

elementos aleantes del acero

Actualmente se utiliza como eun elemento que favorece el endurecimiento por precipitación

Se utiliza en el rango de 0,2 – 0,3% como aleante de los aceros al C, para formar una película superficial de Oxido de Cobre que retarda y , a veces, evita la corrosión atmosférica, dando a la estructura una pátina rojiza que se acrecienta con el tiempo.

– NITROGENO (N)• Se pretende evitar el contacto del N del aire

con el baño de fusión. (Gases atrapados que pueden producir porosidad)

• En algunos aceros aleados se emplea para mejorar sus características mecánicas

• Su uso correcto depende de la presencia de otros elementos (Al, Cr, Ti) con los que combinarse para dar Nitruros, en vez de que lo haga con el Fe para dar N3Fe que fragilizaría la soldadura. Aceros “Nitrurados”, con extremada dureza en una capa superficial

• Es un poderoso elemento austenizante. (Gammágeno)

◦ALUMINIO (Al) Utilizado en pequeñas cantidades como

desoxidante y

afinador del grano

ES un elemento alfágeno, formador de ferrita

Presenta gran afinidad por el Oxígeno con el que reacciona para formar AL2O3, sólido blanquecino de elevado punto de fusión.

– NIOBIO (Nb/Cb) TITANIO (Ti)• Presentan gran afinidad por el Carbono para

formar Carburos, por el Oxígeno y por el Nitrógeno (Sobretodo el Titanio)

• Ambos actúan como formadores o estabilizadores de ferrita

• Disueltos en hacer, aumenta su templabilidad, sin embargo, su tendencia a formar Carburos es tan grande, que en forma de Carburos insolubles, disminuye la templabilidad de los aceros.

• Su mayor propiedad es la de ser Estabilizadores de Carburos en soldaduras de aceros inoxidables Austeníticos, para evitar la migración de los posible Carburos de Cromo, al borde de los granos

• Dependen de la composición y de los tratamientos térmicos

• Para un acero al Carbono típico, las propiedades son:– Peso específico: 7,8 kg/dm3

– Punto de Fusión (a 1 Ata): 1.450 – 1.530 ºC– Módulo de Elasticidad: 2,1x103 kp/mm2

– Coef. Dilatación térmica: 12,5 x 10-6 ºC-1

– Coef. Conductividad térmica 1,1x10-1 cal/s/cm/ºC

– Resistividad eléctrica: 11,78 .cm/cm2 a 20ºC