Transformaciones en el diagrama hierro-carbono: Apuntes de Metalurgia, Resúmenes de Electrónica

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ACEROS Y FUNDICIONES:

ESTRUCTURAS, TRANSFORMACIONES,

TRATAMIENTOS TERMICOS y APLICACIONES

F. J. BELZUNCE

Universidad de Oviedo, 2001

ACEROS Y FUNDICIONES:

ESTRUCTURAS

TRANSFORMACIONES

TRATAMIENTOS TERMICOS

y

APLICACIONES

1. FASES Y ESTRUCTURAS

1.1. Introducción 1.2. Constituyentes alotrópicos del hierro 1.3. Constituyentes simples de los aceros

1 5

2. TRANSFORMACIONES EN EL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO 2.1. Diagrama hierro-carbono 7 2.2. Descomposición de la austenita en un enfriamiento lento 8 2.3. Cinética de la transfonnación de la austenita 11 2.4. Efecto de la velocidad de enfriamiento sobre las transformaciones ferrito-perlíticas 15 2.5. Austenización de los aceros 17
3. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACION EN LOS ACEROS 3.1. Introducción 21 3.2. Distribución de los elementos aleantes 21 3.3. Modificación del diagrama hierro-carbono 23 3.4. Efecto de los elementos de aleación sobre la cinética de la transformación austenítica
4. TEMPLE DEL ACERO
5. 1. Martensi ta 4.2. Transformación martensítica 4.3. Transferencia ténnica durante el temple de los aceros .. 4.4. Tensiones de temple ..
6. DETERMINACION PRACTICA DE LA TEMPLABILIDAD 5.1. Templabilidad .. 5.2. Penetración de temple. 5.3. Diámetros críticos reales y diámetro crítico ideal .. 5.4. Ensayo Jominy.

41 41 42

6. REVENIDO DE LOS ACEROS

• 6.1. Introducción
• 6.2. Etapas en el revenido de los aceros
• 6.3. Efecto de los elementos de aleación
• 6.4. Propiedades mecánicas de los aceros templados y revenidos
• 6.5.Estimación de la dureza de un acero templado y revenido
• 6.6. Fragilización durante el tratamiento de revenido
• 7.1. Introducción 7. TRATAMIENTOS TERMICOS
• 7.2. Etapas 'en los tratamientos térmicos
• 7.3. Tratamientos térmicos fundamentales
• 7.4. Tratamientos isotérmicos
• 7.5. Tratamiento intercrítico
• 7.6. Tratamientos termomecánicos
• 8.1. Temple superficial 8. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
• 8.2. Cementación o carburación
• 8.3. Nitruración
• 8.4. Carboni truración
• 9.1. Tipos de aceros 9. ACEROS DE CONSTRUCCION
• 9.2. Aceros al carbono
• 9.3. Aceros dulces
• 9.4. Aceros microaleados
• 9.5. Aceros de gran resistencia
• 10.1. Introducción 10. ACEROS DE HERRAMIENTA
• 10.2. Aceros para trabajos en frío
• 10.3. Aceros para trabajos en caliente
• 10.4. Aceros de corte rápido

iv

Capítulo 1. Fases y estructuras

1. FASES Y ESTRUCTURAS

1.1. Introducción Los aceros y las fundiciones (^) de hierro constituyen con gran diferencia el grupo de materiales metálicos industrialmente más utilizado, ya que se pueden fabricar en grandes cantidades y con costes relativamente bajos. Además, sus propiedades en general y las mecánicas en particular abarcan un intervalo muy amplio, que van desde productos con resistencias moderadas (200-300 MPa) y ductilidades altas hasta aquellos otros caracterizados por una de las resistencias mecánicas mayores en la gama de las aleaciones metálicas (2000 MPa). Los aceros y las fundiciones de hierro son materiales basados en las aleaciones de hierro y carbono, a las que también se adicionan otros elementos de aleación, con el propósito, muchas veces, de endurecerlos, ya que el metal hierro policristalino con una muy alta pureza (60 ppm de impurezas) es un material muy blando: su límite elástico ronda los 150 MPa.

1.2. Constituyentes alotrópicos del hierro Al enfriar una muestra de hierro puro desde el estado líquido experimenta una serie de transformaciones que se manifiestan nítidamente con técnicas térmicas y dilatométricas (desprendimientos de calor y variaciones dimensionales respectivamente). Al calentar la misma muestra se inducen idénticas transformaciones en sentido inverso, aunque ahora las mismas tienen lugar a unas temperaturas ligeramente superiores (histéresis térmica), que a su vez son función de las velocidades de calentamiento y enfriamiento utilizadas. Al enfriar una muestra de hierro puro desde el estado líquido, su solidificación tiene lugar a 1538°C y la estructura cristalina que se forma es cúbica centrada en el cuerpo (BCC, a = 2.93Á), es el hierro b. El hierro b es estable hasta que se alcanza la temperatura de 1394°C, temperatura a la que se transforma en hierro y, de estructura

cúbica centrada en las caras (FCC, a = 3.65 Á). Finalmente a los 912°C, el hierro y se transforma en hierro a, de estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC, a = 2.9 Á). Al continuar el enfriamiento hasta temperatura ambiente, la única transformación perceptible es que el hierro se vuelve magnético por debajo de 770°C (temperatura de Curie). La Figura 1.1 muestra los citados cambios alotrópicos en un registro del volumen atómico del hierro en función de la temperatura. Debe destacarse que todas

Capítulo 1. Fases y estructuras 3

remarcar que la estructura del hierro y (FCC), si bien es más compacta, presenta intersticios mayores que la del hierro a (BCC). Los intersticios mayores en el hierro y ocupan posiciones octaédricas, existiendo también intersticios tetrédricos más pequeños. La Tabla 1.1 da cuenta del tamaño de las mayores esferas que se ajustarían al tamaño de los intersticios de las estructuras FCC y BCC.

(a) • Metal atoms o Octahedral interslíces

o (a) • Metal atoms o Octahedral interstices

aln

(b) • Metal atoms o Tetrahedral interslíces

(b) • Metal atoms o Tetrahedral interslíces Figura 1.

Estructura Hueco Radio Radio en el hierro, Á BCC (^) tetraédrico 0.29r 0. BCC octaédrico 0.15 r 0. FCC (^) tetrédrico 0.23 r 0. FCC octaédrico (^) 0.41 r .0. r = radIo atómIco Tabla 1.

Capítulo 1. Fases y estructuras 4

En las aleaciones del hierro con otros elementos distinguiremos entre los elementos intersticiales y los sustitucionales. Carbono y nitrógeno constituyen los denominados elementos intersticiales (también lo son el boro, oxígeno y el hidrógeno) ya que son átomos lo suficientemente pequeños en relación al átomo de hierro como para introducirse en su estructuras ocupando sus huecos internos. Por el contrario, los demás elementos, también presentes normalmente en los aceros como el manganeso, silicio, cromo, etc., tienen tamaños atómicos mucho mayores y forman con el hierro soluciones sólidas de sustitución. De cualquier manera, la Tabla 1.2 refleja que incluso los elementos más pequeños ocupan un volumen mayor que los propios intersticios, de modo que cuando se incorporan a la red del hierro generan una distorsión en la misma.

Elemento Radio Atómico (A) Hierro a 1. B 0. C 0. N 0. O 0. H 0. Tabla 1.

De este modo, la solubilidad del carbono y nitrógeno en el hierro y es mayor que en el hierro a, al ser mayores sus intersticios, tal y como se refleja en la Tabla 1.3. En la misma Tabla se puede apreciar que ambas solubilidades son extremadamente bajas a temperatura ambiente, siendo muy inferiores al contenido de estos elementos en los aceros industriales, por lo que a temperatura ambiente se encontrarán en formas precipitadas, carburos y nitruros, respectivamente. Otra diferencia importante a tener en cuenta entre las diferentes estructuras del hierro es su difusividad. La difusión de cualquier elemento es mucho más rápida en el hierro a (estructura más abierta) que en el hierro y (estructura más compacta). Por otro lado, también la difusividad es siempre mucho más rápida en el caso de los movimientos de los átomos intersticiales que en el de los átomos sustitucionales, como se aprecia en la Tabla 1.4.

Capítulo l. Fases y estructuras 6

La solución sólida de inserción del carbono en el hierro y se denomina austenita. El carbono se coloca siempre en los intersticios octaédricos de esta estructura. La austenita debido a su estructura FCC es una fase blanda, tenaz y amagnética. Sus propiedades mecánicas dependen del contenido de carbono, pero podríamos dar como valores medios representativos una dureza de 300HB, una carga de rotura de 900 a 1100 MPa y alargamientos comprendidos entre 30 y 60%. Por otro lado, la solución sólida de inserción del carbono en el hierro a se denomina ferrita. En este caso los átomos de carbono no ocupan los huecos tetrédricos, más grandes, sino los octaédricos, al estar éstos últimos más favorablemente situados para relajar la tensiones inducidas. Los huecos octédricos en el hierro a son asimétricos, por lo que la inserción en ellos de un átomo de carbono desplaza solamente dos de los seis átomos que lo rodean, lo que desde el punto de vista energético es más favorable. La ferrita, al igual que el hierro a, es magnética por debajo de 770°C. Se trata del constituyente más blando de los aceros, debido en este caso a su bajo contenido en carbono. Tiene una dureza de 90HB, una resistencia mecánica de 300 MPa y un alargamiento del 400/0. Existe un tercer constituyente de gran importancia en los aceros. Se trata del carburo de hierro o cementita, de fónnula F~C. Esta es la fase que se fonna cuando el contenido de carbono de la aleación excede el límite de solubilidad de la ferrita o de la austenita. La cementita es un compuesto intermetálico que, a diferencia de la ferrita y la austenita, responde a una composición química fija: contiene siempre un 6.67% en peso de carbono. La cementita tiene una estructura cristalina ortorrómbica con los siguientes parámetros de red: a=4.52Á, b=5.09Á y c=6.74Á. Su celda unidad es compleja y contiene 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono. La cementita es ferromagnética por debajo de 210°C. Se trata igualmente de un compuesto muy duro, el más duro de los aceros (68HRC) y frágil, cuya densidad vale 7.694 g/cm^3 • La cementita es termodinámicamente inestable y por encima de 450°C puede descomponerse en sus componentes individuales, hierro y carbono (grafito). Sin embargo, el tiempo requerido para que esta descomposición tenga lugar es tan grande que en la práctica, en los aceros binarios Fe-C, nunca ocurre.

Capítulo 2. Transfonnaciones en el dialmlma hierro-carbono 7

2. TRANSFORMACIONES EN EL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

2.1. Diagrama hierro-carbono Para el estudio de las estructuras de los aceros industriales se necesita, en primer lugar, conocer y manejar con soltura el diagrama hierro-carbono, que se muestra en la Figura 2.1. Esta figura representa en realidad dos diagramas, el metaestable hierro-carbono yel diagrama estable hierro-grafito, ya que como se ha indicado en el capítulo anterior, la cementita no es una fase estable, aunque dada la lentitud de su transformación, el diagrama metaestable es el que tiene un mayor interés práctico para el estudio de los aceros. El diagrama estable hierro-grafito solo tiene interés en el estudio de las fundiciones al silicio.

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1300

(^1500) (8-F 1400

1600

1700

400

Figura 2.

Capítulo 2. Transfonnaciones en el dia~ hierro-carbono 9

la formación de un primer germen de cementita en la junta entre dos granos de austenita. La formación del germen de cementita implica la difusión del carbono desde zonas adyacentes, quedando éstas empobrecidas en carbono, siendo por lo tanto susceptibles de transformarse en ferrita, al hallarse a una temperatura inferior a la correspondiente a la de su cambio alotrópico. La microestructura a temperatura ambiente del acero de 0.77% de carbono será totalmente perlítica. Tomando como referencia el hierro puro, debe tenerse en cuenta que en virtud del carácter gammágeno del carbono, el inicio de la transformación de la austenita en ferrita (Ar 3 ) ocurre a una temperatura tanto más baja cuanto mayor es el contenido de carbono de la austenita. Los aceros con un contenido en carbono menor del 0.77% se denominan hipoeutectoides y en su enfriamiento desde la región austenítica comienzan a transformarse por transformación alotrópica en ferrita primaria o proeutectoide y finalmente, cuando se alcanzan los 727°C, la austenita aún no transformada origina perlita. La Figura 2.2 da cuenta de como tiene lugar esta transformación y refleja como la ferrita proeutectoide se origina normalmente en las juntas de grano de la austenita (zonas de mayor energía), luego forma el constituyente matriz del acero

1,0 2, Compo~iii61í (% en pesó C)

Figura 2.

Capítulo 2. TransfOlmaciones en el diagrama hierro-carbono 10

Conocidas la carga de rotura de la ferrita (300 MPa) y de la perlita (800 MPa), la regla de las mezclas permi te calcular aproximadamente la carga de rotura de cualquier acero hipoeutectoide:

R= (%ferrita) 300 + (%perlita) 800 = 300 + 650 (%C)

Los aceros con un contenido en carbono mayor que el 0.77% se denominan hipereutectoides. En estos supuestos, la transformación de la austenita en el enfriamiento comienza cuando se alcanza la temperatura para la que la austenita queda saturada en carbono. Esta precipitación tambien empieza en las juntas de grano de la austenita, pero ahora el constituyente primario formado es la cementita (cementita

proeutectoide), formándose finalmente perlita al alcanzarse la temperatura eutectoide (Figura 2.3). La cementita es ahora el constituyente matriz de estos aceros: se trata de unos productos muy frágiles.

1100 r-----¡----,.----,----r-,.----,

1000

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Ql a. ~E^700

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(^400) oL..---.....J....---l..L.o-l---"------l------.I el Composition (wt"la Cl

Figura 2.

Capítulo 2, Transfonnaciones en el diagrama hierro-carbono 12

la transformación, cuando se mantienen isotérmicamente, a una determinada temperatura, muestras de acero previamente austenizadas. En estas experiencias las muestras de acero deben enfriarse rápidamente desde la temperatura de austenización hasta la del tratamiento isotermo para evitar que la transformación comience antes de alcanzarse la temperatura isoterma. En general, las curvas TTT de los aceros tienen forma de "c" (Figura 2.5: curva TTT de un acero eutectoide), de tal modo que la nariz de la curva representa la temperatura a la que la reacción ocurre con mayor rapidez (en este caso sobre 540°C), disminuyendo ésta tanto al movemos hacia mayores como hacia menores temperaturas. La explicación reside en que al acercarnos a la temperatura eutectoide, el grado de subenfriamiento es pequeño por lo que la fuerza impulsora de la transformación disminuye (entalpía libre ligada al cambio de fase). Por otro lado, al disminuir la temperatura de transformación por debajo de la nariz de la curva, aunque el subenfriamiento aumenta, la reacción se ralentiza, al disminuir ostensiblemente la difusividad del carbono en la red del hierro.

1200

1400

100 200

800

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66 0.5 1 2 5 10 TIME - SECONOS Figura 2.

Capítulo 2. Transformaciones en el dia~ama hierro-carbono 13

Otro efecto importante que es preciso recordar es que los productos de transformación (ferrita+perlita) son tanto más finos (y por ello, de mayor dureza) cuanto menor haya sido la temperatura a la que se han formado. En la misma Figura 2.5 se observa que la perlita formada a una temperatura cercana a la eutectoide (727°C), tiene una dureza de 10-20 HRC, se trata de la perlita gruesa, con una separación interlaminar comprendida entre 0.25 y 0.5 !!m. Por el contrario, la perlita que se forma en la región de la nariz de la curva (sobre 540°C) tiene una dureza en torno a 35-40 HRC, la separación interlaminar de este constituyente es de 0.1-0.2 !!m y se denomina perlita fina. Las transformaciones perlíticas tienen lugar por nucleación y crecimiento, de tal manera que su cinética, a una determinada temperatura, responde a curvas del porcentaje de transformación en función del tiempo de tipo sigmoidal, como la representada en la Figura 2.6 (N YG son las velocidades de nucleación y crecimiento respectivamente).

"tJ (]) 0. .E^ § (J)c: 0. ~ c: .9 C3ro (^) 0. Lt e ;;::' 0.

N = 1000/cm^3 /sec G = 3 x 1O.^5 cm/sec /

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/ ./ 200 / 400 600 800 1000 Time, in seconds

Figura 2.

Las estructuras de transformación que aparecen por debajo de la nariz de la curva de la Figura 2.5, aunque también son mezclas de ferrita y cementita, son claramente diferentes de la perlita: se denominan bainitas. Cuando la transformación de la austenita eutectoide tiene lugar por debajo de 500°C, la difusión del carbono resulta ya muy dificil, mientras que el salto entálpico ligado a la transformación austenita-ferrita es muy grande. La formación de la bainita a temperaturas entre 500 y 400°C (bainita superior: 40-45 HRC) se inicia con la formación de un germen acicular de ferrita y como resultado de la necesaria expulsión del carbono, precipita cementita en los contornos de las agujas de ferrita. Entre 400 y 250°C, la difusión del carbono es aún