PARTE 2

Vista previa del material en texto

Tratamientos térmicos en aceros (parte 2)
Diagramas de transformación isotérmica
El estudio de las transformaciones fuera del equilibrio fue realizado por Bain y Davenport, que analizaron en particular, las características de la transformación de la austenita a una temperatura constante subcrítica.
Dado que la austenita es inestable por debajo de la temperatura crítica inferior, se trata de establecer en qué tiempo se dará esa transformación y cuáles serán los productos de esa transformación.
Para simplificar el análisis tomaremos, en principio un acero eutectoide (0,8% de carbono), dado que en este acero no existen fases proeutectoides (ni ferrita primaria ni cementita secundaria, según se trate de aceros dulces o rápidos)
El ensayo planificado por estos metalurgistas exige los siguientes pasos:
1. Preparar un gran número de muestras, extraídas de una misma barra de acero (para que no se modifique la composición química de una muestra a la otra) y de espesor delgado (para que reaccionen rápidamente a los cambios de temperatura)
2. Calentar las muestras por encima de la temperatura crítica superior, de modo de lograr 100% de austenita.
3. Sacar del horno un lote de muestras y colocarlas en un baño de sales a una temperatura subcrítica (inferior a 723ºC). Cada muestra permanecerá en el baño un intervalo de tiempo diferente y creciente de una muestra a la otra.
4. Completado el intervalo de permanencia en el baño subcrítico, cada muestra será templada en agua fría, o en salmuera enfriada con hielo.
5. Completado el enfriamiento, las muestras se someten a un ensayo de dureza y a un análisis metalográfico, que permita determinar la cantidad de perlita presente.
6. Los pasos 3, 4 y 5 se repiten para sucesivos baños subcríticos con diferente temperatura.
La interpretación de los datos obtenidos en las muestras, se apoya en dos premisas conocidas sobre la transformación austenita – martensita: 
a. La martensita se produce en un intervalo de temperatura Ms – Mf que solo depende de la composición química del acero, y no de la velocidad del enfriamiento.
b. La martensita sólo se obtiene de la austenita. Si la austenita alcanzó a transformarse a algún tipo de estructura estable (ferrita, perlita, cementita) no existirá ninguna posibilidad de que èsta se transforme en martensita.
Los datos obtenidos por las muestras pertenecientes a un baño subcrítico se volcarán a una curva graficada en ejes cartesianos tiempo de permanencia en el baño - % de transformación a perlita.
Como podemos observar, la curva muestra un periodo sin transformación (de austenita inestable) llamado “Nucleación”, al que le sigue una curva de crecimiento de cantidad relativa de perlita, que es ascendente pero no lineal, que se desarrolla durante un segundo periodo, denominado periodo de crecimiento.
Es importante recordar que el ensayo nos entrega una curva por cada temperatura de baño subcrítico.
Por lo 
Las probetas cuyo tiempo de permanencia en el baño sea inferior al tiempo de incubación se mantuvieron como austenita y se transformaron a martensita en el posterior enfriamiento en agua. Si en tiempo de permanencia fue mayor al tiempo de nucleación, pero no llegó a completar el tiempo de crecimiento, habrá una fracción de la muestra transformada en perlita, y otra que se mantuvo como austenita hasta su posterior transformación a martensita. Finalmente, si el tiempo de permanencia supera la suma del tiempo de incubación más el de crecimiento, toda la muestra se habrá transformado a perlita, no existiendo ninguna transformación posterior.
De cada curva se extraerá el tiempo correspondiente al final de la nucleación (inicio de transformación), el correspondiente al 50% de transformación, y el 100% de transformación.
Esos datos se volcarán a un nuevo gráfico cuyos ejes son tiempo de transformación – temperatura del baño subcrítico.
En ese nuevo diagrama, llamado diagrama de transformación isotérmica o TTT, se marcarán, por cada temperatura de baño subcrítico los tres puntos relacionados con los tres tiempos anteriormente mencionados.Dichos puntos serán vinculados por tres curvas que indican, para cualquier temperatura subcrítica, dentro del intervalo definido entre la temperatura crítica y la temperatura Ms, el principio, el 50% de transformación y el final de transformación.
Dichas curvas dividen al diagrama en distintas regiones, en las que se mantienen fases definidas (del mismo modo que un diagrama de equilibrio, pero ahora, agregando la influencia del tiempo)
Estas regiones son:
· Por encima de la temperatura crítica: será una región de austenita estable.
· A la izquierda de la curva de inicio de transformación, y dentro del intervalo térmico definido por la temperatura crítica y Ms: será una región de austenita inestable.
· Entre las curvas de inicio y fin de transformación, y por encima de Ms: será una región propia del progreso de la transformación, existiendo, por lo tanto, parte de austenita inestable, y parte de perlita.
· A la derecha de la curva de fin de transformación, y por encima de Ms: completada la transformación, será una región de estructuras estables (de las que hablaremos más adelante)
· Dentro del intervalo térmico definido entre Ms y Mf: tendremos la transformación a martensita en progreso, habiendo, por lo tanto, una parte de austenita inestable, y otra parte de martensita.
· Por debajo de Mf: donde se indica el fin de la transformación a martensita.
Nariz del diagrama
Transformación a perlita y bainita
Cuando, en el diagrama de transformación isotérmica anterior, observamos la región de estructuras estables, advertimos que, según la temperatura del baño isotérmico a que tuvo lugar la transformación, se han producido distintos tipos de estructuras. Para baños subcríticos donde la temperatura es elevada (cercana a la temperatura crítica), se produce perlita de grano grueso (se resuelve con 450 aumentos aprox.). Si la temperatura del baño disminuye, siempre con valores por encima de la “nariz del diagrama”, observaremos que el tamaño de grano de perlita también se reduce dando lugar a estructuras de perlita fina (los granos más pequeños de perlita fina se resuelven con 750 aumentos aprox.). Para temperaturas de baño por debajo de la nariz del diagrama, aparece una nueva estructura que se denominó “Bainita” en honor a su descubridor (Bain).
Esta estructura se asemeja en cuanto a su organización, a la perlita: consta de placas alternadas de ferrita y cementita. Sin embargo, el embrión inicial es de ferrita (a diferencia de la perlita, en la que, el embrión inicial, es de cementita), y el tamaño de las placas es mucho más pequeño (se resuelve con microscopio de electrones y requiere de 7500 aumentos aprox.). 
Si la temperatura del baño a la que se produce la transformación está apenas por debajo de la nariz del diagrama, la bainita se organiza de tal modo, que en el microscopio se observan formaciones parecidas a las plumas de un ave. Por esa razón se la llama “bainita plumosa”
Si la temperatura del baño a la que se produce la transformación está apenas por encima de la nariz del diagrama, la bainita se organiza de tal modo, que en el microscopio se observan formaciones aciculares (como agujas orientadas en distintas direcciones). Por esa razón se la llama “bainita acicular”
Este tipo de estructuras son perfectamente estables y no aparecen en el diagrama Fe – C porque, en la construcción del mismo, solo se utilizan enfriamientos continuos y lentos. La bainita aparece, en aceros comunes, sólo cuando se practican enfriamientos en baños isotérmicos.
Debido a la extraordinaria fineza de la mezcla entre ferrita y cementita, que se produce en la bainita, estas estructuras poseen excelentes propiedades de tenacidad, acompañadas de elevada dureza y resistencia mecánica.
Desde esta mirada, poseen las características ideales, sin embargo, sólo logran producirse en piezas de espesor delgado, que respondan rápidamente a los cambios detemperatura (condición necesaria para la realización de un baño isotérmico)
Empleo de los datos del diagrama de transformación isotérmica
Dado que los ejes de coordenadas cartesianos del diagrama de transformación isotérmica (temperatura - tiempo) son los mismos utilizados para graficar una curva de enfriamiento, es posible superponer la curva de enfriamiento de una estrategia de tratamiento térmico sobre el correspondiente diagrama de transformación isotérmica del acero en cuestión, de modo de poder predecir cuáles van a ser las transformaciones producidas durante el enfriamiento, y por lo tanto, qué microconstituyentes se encontrarán en la pieza a temperatura ambiente.
Consideremos la curva de enfriamiento 1, correspondiente a una velocidad de enfriamiento muy lenta, típica del tratamiento de recocido. Observamos que esta curva cruza las líneas de inicio y fin de transformación del diagrama TTT en la región de la perlita gruesa. Esto indica que el resultado final será una estructura de perlita gruesa tìpica de este tratamiento en un acero eutectoide.
Si incrementamos la velocidad de enfriamiento (enfriamiento en aire quieto) que es la condición natural de un normalizado (curva de enfriamiento 2), observaremos que la transformación se de en la zona de perlita fina. Como se dijo en su oportunidad, el refinamiento de perlita, típico del normalizado, aumentará la tenacidad del acero en cuestión.
7 Temple parcial
La curva de enfriamiento 3 muestra una velocidad inicial alta, que garantiza pasar la temperatura correspondiente a la nariz del diagrama, sin tocar la curva de inicio de transformación del diagrama TTT, lo que supone el mantenimiento de la pieza como austenita inestable. El descenso de temperatura se frena antes de la temperatura de inicio de transformación a martensita Ms, colocando la pieza en un baño isotérmico. La transformación ocurrirá en la región de bainita inferior, dando lugar a la formación de 100% de bainita inferior. Este procedimiento es conocido como austenizado o temple isotérmico.
La curva de enfriamiento 4 es una curva de enfriamiento continuo que se hace tangente al inicio de transformación, pero que se mantiene dentro de la región de austenita inestable hasta alcanzar la zona de transformación a martensita. El resultado final será 100 % de martensita. Debemos aclarar que cualquier curva que garantice mantener la totalidad de la pieza como austenita instable hasta Ms, producirá el temple total, pero la curva graficada lo hace con la mínima velocidad posible. Llamamos a este tratamiento, temple crítico.
La curva de enfriamiento 5 refleja un temple total con un intervalo isotérmico intermedio y un segundo tramo de enfriamiento continuo de menor velocidad de enfriamiento. Como veremos más adelante, estas estrategias obtienen 100% de martensita, con menor riesgo de fisuras por tensiones residuales.
La curva de enfriamiento 6 es una versión de la estrategia anterior, sin intervalo de enfriamiento isotérmico (usando dos medios de temple diferente (agua primero y aceite después, por ejemplo)
Finalmente, la curva de enfriamiento 7 progresa hasta hacerse tangente a la curva de 50% de transformación, en la región correspondiente a perlita fina. Luego, su progreso indicaría que se reduce la perlita hasta volver a transformarse en austenita inestable. Como esto no es posible, ya que la fase transformada no puede volver a ser austenita, a menos que se vuelva a elevar la temperatura. Lo que en realidad ocurre es que la transformación se detiene hasta que se ingresa a la zona de transformación a martensita. El producto final será 50% de perlita fina +50% de martensita. Es una curva típica de temple parcial.
Transformación a enfriamiento continuo
En teoría, una curva de enfriamiento continuo no debería superponerse sobre el diagrama TTT, ya que la construcción de estos diagramas fue realizada a partir de baños isotérmicos. 
Del diagrama TTT, es posible derivar un diagrama TE (temperatura - enfriamiento) que refleje con mayor precisión la formación de los microconstituyentes durante el enfriamiento.
Como vemos en la figura, estos diagramas presentan un corrimiento de su nariz, hacia la derecha y hacia abajo, lo que nos permite concluir que, a pesar del error incurrido en el uso de los diagramas TTT, nos seguimos encontrando del lado de la seguridad. Esto significa que contaremos con un poco más de tiempo para lograr un temple total, respecto a los datos que emergen del diagrama TTT. 
Desde otro punto de vista, el descenso de la nariz hace que no haya posibilidad real de tener algún porcentaje de bainita si la curva de enfriamiento es continua. Por esa razón, la bainita no aparece en los diagramas TE, excepto que sean algunos aceros especiales, que presentan una rodilla, como se observa en la segunda imagen.
Posición del diagrama de transformación isotérmica 
En un acero, solo habrá dos maneras de producir el corrimiento de las curvas del diagrama de transformación isotérmica.
· Composición química del acero:
El aumento del contenido del carbono hará que haya más átomos de carbono que difundir para garantizar la formación de estructuras estables, y por lo tanto, más tiempo necesario para difundirlos. Esto provoca un corrimiento del diagrama a la derecha.
Por otra parte, la adición de aleantes, provocará que estos átomos, ya sea que se disuelvan en austenita, o que se alojen en las fronteras de grano, generen resistencia a la salida de los átomos de carbono. Esto también provocará la demora en la difusión, y el consecuente corrimiento a la derecha del diagrama.
· Tamaño de grano austenítico:
Aquel acero que presente un tamaño de grano austenítico grande, hará que el átomo de carbono deba moverse mayores distancias por difusión, para salir del grano, y por lo tanto, necesitará mayor cantidad de tiempo. Luego, el incremento de grano austenítico provocará un corrimiento a la derecha del diagrama TTT.
Actividades
1- Sobre el diagrama TTT de un acero eutectoide, marque una estrategia de enfriamiento que genere:
a- 100% de perlita fina con grano uniforme
b- 25% de perlita + 75% de bainita plumosa
c- 25% de perlita + 75% de martensita
d- 25% de perlita + 25% de bainita plumosa + 50% de martensita
2- Si comparamos:
a- Un acero al carbono con 0,10%C (SAE1010)
b- Un acero al carbono con 0,40%C (SAE 1040)
c- Un acero cromo – molibdeno con 0,40%C (SAE 4140)
¿Cuál de los tres tendrá el diagrama de TTT más corrido a la derecha, y cuál el más corrido hacia la izquierda? Justifique la respuesta.
3- Defina el concepto de velocidad crítica de enfriamiento.