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Tratamientos térmicos de los

aceros

Año 2016

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Las propiedades de los aceros se pueden modificar por:

• Composición Química

• Trabajado mecánico

• Microestructura ���� TRATAMIENTOS TERMICOS

CONCEPTOS

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Microestructura

• Composición química

• Condiciones de calentamiento y enfriamiento � TIEMPO

• Condiciones de deformación plástica

‘La austenita es la madre de todas las microestructuras’

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• RECOCIDO DE REGENERACIÓN

• NORMALIZADO

• RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

• RECOCIDO DE RELEVAMIENTO DE TENSIONES

• TEMPLE

• REVENIDO

• AUSTENIZADO

Resumen

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS

operación o conjunto de operaciones por medio de las cuales se somete al acero en estado sólido a uno o varios ciclos térmicos. El medio en el que se colocan las piezas durante el transcurso de estas oepraciones puede modificar, más o menos profundamente, la composición química de las capas superficiales de la pieza (tratamiento termoquímicos)

Ciclo térmico genérico

ACERO QUEMADOCuando se calienta el acero a temperaturas cerca de 1350°se forma en los bordes de grano Oxido que hacen imposible la regeneración de la estructura

Definición general

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A1, A2, A3, Acm

1252°C

A1

A3

Acm

Ar � enfriamiento

Ac � calentamiento

A2 � temperatura

de Curie

En frances

enfriamiento =

refroidissement

calentamiento =

chauffage

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Alcance:

Se verán sólo los aspectos metalúrgicos de los tratamientos térmicos, especialmente la relación:

No serán tratados otros aspectos de los tratamientos térmicos como:• Equipamientos (hornos, generadores de atmósferas, accesorios)• Atmósferas protectoras• Sistemas de medición y control• Control de calidad

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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Clasificación según la máxima temperatura alcanzada en el ciclo térmico:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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AUSTENIZACIÓN

Se trata de una etapa y no de un tratamiento térmico. Es el primer paso en cualquier tratamiento hipercrítico y de ella depende el resultado del mismo.

Objetivo :

• Obtener austenita químicamente homogénea, de tamaño de grano fino y homogéneo, • Minimizar cambios en la composición química de la superficie• Reducir la distorsión • Reducir el riesgo de fisuración

La temperatura y el tiempo son cruciales para la disolución de los carburos y la homogeneización de la austenita. Cuanto más gruesa es la distribución y los carburos de la estructura inicial, mayor es el tiempo necesario para lograr disolverlos y obtener austenita homogénea.

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AUSTENIZACIÓN

Tabla de temperaturas de austenización (ºC) para algunos aceros al C y de baja aleación para diferentes tratamientos

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AUSTENIZACIÓN

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1. Calentamiento hasta una T de austenización.2. Mantenimiento de la T un tiempo adecuado para asegurar la homogeneidad de la austenita.3. Enfriamiento lento (en horno).

Debido a la baja velocidad de enfriamiento y los largos tiempos necesarios, es untratamiento caro.

OBJETIVOS• Reblandecer el acero � Producir una estructura favorable para el mecanizado y la

deformación en frío (elevada ductilidad y tenacidad, baja tensión de fluencia).• Obtener propiedades finales específicas.• Eliminar tensiones

TEMPERATURASUsualmente unos 20 a 40°C por encima de Ac3 para aceros hipoeutectoides.

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTOEs variable. Menor a 50°C/h. Puede ser tan baja como 5°C/h.

ACEROS HIPEREUTECTOIDESEl tratamiento es intercrítico para evitar la precipitación de láminas de Fe3C en bordes de grano

de la austenita.

RECOCIDO DE REGENERACIÓN

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RECOCIDO DE REGENERACIÓN

Aceros hipereutectoides

Aceros Hipoeutectoides

Estructura de un acero de 0,5%C recocido

Acero hipereutectoide recocido desde una T hipercrítica: malla de cementita en antiguos bordes de grano austeníticos.

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RECOCIDO DE REGENERACIÓN

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NORMALIZADO

1. Calentamiento hasta la T de austenización (no menos de 50°C arriba de Ac3).2. Mantenimiento para asegurar austenita homogénea.3. Enfriamiento en aire calmo.

La estructura resultante depende del tipo de acero y del tamaño de la pieza. En los casos donde la finalidad sea la de obtener martensita, el mismo ciclo térmico

de denomina temple al aire

OBJETIVOS• Homogeneización química y estructural (piezas coladas, piezas trabajadas en caliente).• Refinamiento de la estructura.• Preparar mejor al acero para un tratamiento posterior (por ejemplo el temple).• Mejorar la maquinabilidad en aceros de bajo C.• Lograr propiedades mecánicas específicas para el servicio.

TEMPERATURAS: 50°C a 70°C arriba de Ac3 para aceros hipoeutectoides.

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO: la que resulte del enfriamiento en aire.Dependiendo del tamaño de la pieza está entre 10 y 100°C/min.

ACEROS HIPEREUTECTOIDES: el normalizado puede ser intercrítico o hipercrítico.

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Aceros hipoeutectoides

NORMALIZADO

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Estructura de recocido de regeneración

Estructura de normalizado

Acero de 0,4%C

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Influencia de la temperaturaen el normalizado.Estructura resultante delnormalizado a unatemperatura correcta (900ºC)

y a una temperatura muyalta (1150ºC). Se nota ladiferencia de morfologíade la ferrita además de unaestructura mucho más gruesaen el caso de la temperaturaalta.

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Efecto de la velocidad de enfriamiento sobre el tamaño de grano ferríticoen un acero de 0,15 %C austenizado a 950 ºC.

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PROPIEDADES MECÁNICAS DE ALGUNOS ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN. ESTADOS LAMINADO, RECOCIDO Y NORMALIZADO.

En todos los casos se trataron redondos de 25 mm de diámetro, las probetas fueron de 13 mm de diámetro.El alargamiento porcentual A se midió en 50 mm.

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1.Calentamiento hasta una T<Ac1.2.Mantenimiento por un tiempo adecuado3.Enfriamiento lento.

OBJETIVO: Disminuir las tensiones residuales previamente producidas por procesos de conformado en frío, mecanizado, soldadura, colado, o algún tratamiento térmico previo.

El propósito final puede incluir:• Disminuir las tensiones en servicio.• Evitar fenómenos de rotura diferida por H o corrosión bajo tensión ya sea en servicio o durante el posterior procesamiento del metal.• Lograr mayor estabilidad dimensional.• Este tratamiento puede generar la recristalización del acero.

RANGO DE T: para aceros al C y de baja aleación es de 550 a 680°C, para algunosaceros de alta aleación puede ser mayor.

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO: dependiendo del tipo de acero y de la complejidad geométrica de la pieza pueden ser tan bajas como 5 ó 10°C/h.

RECOCIDO DE ALIVIO DE TENSIONES

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1. Calentar hasta una T cercana a Ac1 (mayor o menor),2. Mantener por un tiempo adecuado o bien oscilar por encima y por debajo de Ac13. Enfriamiento muy lento.

OBJETIVO• Microestructuralmente el objeto es globulizar los carburos laminares de la perlita.• Reblandecer el acero y aumentar su plasticidad de modo que sea apto para el mecanizado y

conformado en frío.

La dureza que se obtiene es aún menor que la del recocido de regeneración.

CLASIFICACIÓNSubcrítico: T» Ac1-50°C, se requiere mucho tiempo.Intercrítico: T» Ac1+50°C, es más corto pero requiere control de la T y la vel. de enf.Oscilante: T oscila varias veces entre Ac1- 50°C y Ac1+ 40°C. Posee las mismasventajas e inconvenientes que el tratamiento intercrítico.

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO: en general no supera 10°C/h.

RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

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RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

APLICACIONES:

Se usa solo en aceros de más de

0,4%C. La aplicación principal se

da en aceros de medio y alto C que

deban ser sometidos a operaciones

de conformado muy severas como

recalcado, extrusión en frío,

laminado de roscas, o bien a

operaciones de mecanizado

intensivo.

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RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

26Esferoidización de un acero de 0,8%C a 650ºC: (1) 0h, (2) 4h, (3) 16h, (4) 64h.

RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

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RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

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TEMPLE

1. Austenizar al acero total o parcialmente 2. Enfriamiento a una velocidad suficientemente alta como para obtener una

fracción significativa de martensita (en general no menos del 50%).

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TEMPERATURAS DE AUSTENIZACIÓNEn el caso de los aceros hipoeutectoides varía entre 40 y 60°C por sobre Ac3.

MEDIOS DE TEMPLE• Agua (usado en inmersión, aspersión o neblina)• Aceites (usado en inmersión, aspersión o neblina)• Gases (aire y otros)• Soluciones acuosas de sales o de hidróxidos• Sales fundidas (nitritos o nitratos de Na y K)• Metales fundidos (plomo)• Solución de polímeros (alcohol polivinílico, glicol polialkileno)

TEMPLE

Perlita gruesa : Velocidad de enfriamiento lenta

Perlita laminar fina: algo mas rápida

Sorbita: Constituyente oscuro y difuso , algo duro

Troostita: Rosetas nodulares mas duro

Bainita: Complicada estructura

Martensitita: Estructura acicular muy dura y frágil

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VELOCIDAD CRÍTICA DE TEMPLEMínima velocidad de enfriamiento que asegure obtener de 100% de martensita. Es una propiedad característica del acero que depende fuertemente de la composición química y del tamaño del grano austenítico.

EFECTO DE MASAVariación de la velocidad de enfriamiento entre distintos puntos de una pieza acausa de su inercia térmica. A igualdad de propiedades térmicas (difusividadtérmica), el efecto es mayor a medida que aumenta el tamaño de la pieza.

SEVERIDAD DE TEMPLEPropiedad del medio de temple que indica su capacidad para extraer el calor desdela superficie de la pieza. Una severidad infinita baja instantáneamente la T de lapieza hasta la del baño de temple. Se mide experimentalmente y dependefuertemente de la composición (que determina sus propiedades térmicas),temperatura y grado de agitación del medio de temple.

TEMPLE

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE•COMPOSICION QUIMICA.•TAMAÑO DE GRANO•TAMANO DE LA PIEZA•MEDIO DE ENFRIAMIENTO

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INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE GRANOEl tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva de la “S” y por lo tanto se modifica la velocidad critica de temple. Para igual composición que sea tamaño de grano grueso o fino condiciona. En situaciones en por distintas razones un mismo material fue calentado a diferentes temperaturas (p/e, a 850°y 1200°uno tendrá grano fino y el otro grano grueso)

INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LAS PIEZAS:El volumen de las piezas tiene gran importancia en el temple de los aceros Una pieza grande se enfria primero la periferia ,luego una segunda capa y mas tarde la tercera y asi sigue hasta llegar al centro. Las durezas tambien varian en esa forma. La conductividad dentro del material es bastante limitada. Cuando los espesores son pequeños la templabilidad mejora y toda la pieza queda templada mas uniformemente

INFLUENCIA DEL MEDIO DE ENFRIAMIENTOCon el enfriamiento en agua salada se obtiene las mayores velocidades y dentro del horno las menores

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE

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¿Cómo afectan las siguientes variables en la eficacia del temple de un acero?

• Composición química

– %C

– % aleantes sustitucionales

• Tamaño de grano austenítico

• Tamaño de la pieza

• Velocidad de enfriamiento

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TEMPLE

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPLE SUPERFICIAL

OBJETIVO: OBTENER ES DUREZA EN LA PERIFERIA.

Se trata entonces de calentar la superficie y luego enfriarla rápidamente, de esa manera se obtiene una importante dureza superficial, conservando un núcleo tenaz.

Temple a la llama: se trata de calentar una pieza mediante uno o varios sopletes, hasta que se alcance la temperatura prevista, luego se enfria en agua o cualquier otro medio adecuado.

Se utiliza para aceros con C = 0,30 % a 0,60 %

TEMPLE A LA LLAMA

•La pieza permanece quieta y gira la llama

•La llama permanece quieta y gira la pieza

•Dispositivos en los que la llama y el enfriamiento se mueven

hacia un lado y la pieza hacia el otro.

•Dispositivo semiautomático: calienta la pieza, se desplaza

y el enfriador enfría la pieza, luego la sumerge.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPLE POR INDUCCION

Se hace pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia que calienta las piezas a elevadas temperatura. Luego se enfrían rápidamente con una ducha de agua fría.

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TEMPLABILIDAD

Es la capacidad de una aleación ferrosa de obtener martensita a partir de laaustenita cuando esta se enfría en condiciones definidas.

Determina el perfil o gradiente de durezas que se obtiene en una pieza templada pero no la dureza máxima.

Se define como una propiedad intrínseca de la aleación y por lo tanto no depende de variables externas.

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Transformación Martensítica

Se considera una aleación con dos estados alotrópicos a distintas temperaturas. Punto de partida, la aleación en equilibrio en la fase de alta temperatura (austenita).

Dos caminos posibles:

• Enfriamiento lento: se permite una recristalización normal. Los átomos solutos tienen el tiempo suficiente para difundir y tomar la configuración de equilibrio estable correspondiente a la temperatura ambiente. La aleación habrá recristalizado, eliminándose estructuras anteriores y se encontrará en equilibrio estable. El tratamiento térmico se llama recocido.

• Enfriamiento brusco (temple, por ejemplo en una batea con agua), se produce la transformación cristalográfica pero no la difusión, se obtendrá como resultado la estructura cristalográfica estable a temperatura ambiente pero con una cantidad de

soluto que corresponde a otra estructura. Como consecuencia, la red estará muy distorsionada y la estructura será inestable. Se produce la llamada transformación

martensítica y el producto de la reacción martensita.

La transformación martensítica es una transformación sin difusión.

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Martensita tipo listón de un acero con

menos de 0.6%C, Martensita tipo placa de un acero con

más de 1%C

Los productos obtenidos de la tranformación martensítica son duros, frágiles y de gran resistencia a la abrasión. Generalmente deben recibir un tratamiento térmico adicional de calentamiento a baja

temperatura (revenido) para disminuir su fragilidad.

Transformación Martensítica

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REVENIDO DE LA MARTENSITATratamiento subcrítico que se aplica luego del temple con el objeto de:• Aumentar la ductilidad y tenacidad de la martensita• Lograr las propiedades finales del acero eligiendo adecuadamente la T y t del tratamiento• Disminuir las tensiones residuales ocasionadas por el temple.

CICLO TÉRMICO1.Calentamiento hasta la T de revenido: puede existir un precalentamiento en el casode aceros de alto C y alta aleación susceptibles al choque térmico.

T de revenido: varía de acuerdo a las propiedades deseadas. Desde 150 °C hasta una T cercana a la crítica inferior.Tiempo de revenido: varía de acuerdo a las propiedades deseadas. Su influencia es mucho menor que la de la T. Desde 30 min hasta 4 h.

2.Enfriamiento: normalmente al aire calmo.

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REVENIDO DE LA MARTENSITA

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AISI 4340

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Variación de la dureza en

aceros en función de la

temperatura de revenido

durante 1 h y el contenido de

carbono.

El agregado de Mn, P, Si, Ni,

Cr, Mo o V no influyen en la

dureza de la martensita

fresca pero sí retardan el

tiempo de ablandamiento

para una dada temperatura.

(Grange, R.; Hribal, C. y

Porter, L; Metallurgical Trans.

8A, 1977)

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Esferoidita

Perlita Gruesa

Perlita Fina

Bainita

Martensita Revenida

Martensita

Resumen de microestructuras y propiedades mecánicas de aleaciones Fe C

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TRATAMIENTOS TERMICOS

• Curva de la “ S ”, de enfriamiento continuo. La velocidad critica de temple queda determinada por la curva tangente de enfriamiento mas rapido.

• En las figuras se puede observar como influye la composición en la velocidad critica de temple.

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Preguntas

1. ¿Qué es un tratamiento térmico en un acero?2. ¿Qué diferencia hay entre Ac1 y Ar1?3. Para un acero de 0,4% de carbono, ¿cuánto es el valor de

Ac3?4. Para un acero AISI 1040, ¿cuánto sería la temperatura de

normalizado?5. Liste los tratamiento térmicos que sean austenizantes y no

austenizantes.6. ¿Cuál es el objetivo de un recocido de regeneración?7. ¿Cómo es el ciclo térmico de un normalizado? ¿En

situaciones se lo puede aplicar?8. ¿Cuál es el riesgo de realizar un tratamiento térmico?9. ¿Qué es templado? ¿Cuál es su objeto?

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Preguntas

10. ¿Qué microestructura se obtiene de un templado?

11. ¿Cómo influye el tamaño de grano austenítico y la composición química en el resultado de un templado?

12. ¿Qué es un templado superficial?

13. Para qué se realiza un tratamiento térmico de revenido ¿A qué temperatura se realiza?

14. En el contexto de un tratamiento térmico, ¿qué significa que un acero fue quemado?

15. ¿De qué elemento de aleación depende la dureza de la martensita?

16. ¿Qué tipo de transformación es una transformación martensítica?

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Preguntas

17. Realice un diagrama tensión-deformación de un ensayo de tracción para una barra de 25 mm de diámetro de acero AISI 4340 en condición:― recocido de regeneración (full annealed)

― normalizado

― templado

― templado y revenido a 600°C

Puede utilizar el sitio www.matweb.com para obtener buena información.

18. Realice un diagrama de tensión-deformación de un ensayo de tracción aceros AISI 1020, 1040 y 1080 en estado normalizado y recocido (ver información de la diapositiva # 21)