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Tratamientos Térmicos

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  1. Escuela Industrial Ernesto Bertelsen Temple. Fundación Diego Echeverría Castro. Tratamientos Térmicos Profesor: Luis Suárez Saa. Técnico Electromecánico. Técnico Universitario en Mecánica Automotriz. Ingeniero en Mantenimiento Industrial. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  2. Tratamiento Térmico • Es el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  3. Aplicaciones • Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. • También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  4. Características Mecánicas • Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. • Esta se caracteriza por la distribución regular de sus partículas (átomos y moléculas). Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  5. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  6. Estructura Cristalina En ésta, los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica, constituida por repetición de un elemento básico llamado cristal. La mayor parte de los metales cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centradas en las caras y hexagonal compacta. Los nombres en ingles son: “body centered cubic” (bcc), “face centered cubic” (fcc) y “hexagonal close packed” (hcp). Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  7. Estas estructuras tienen la característica de ser muy compactas, es decir, permiten aprovechar eficientemente el espacio dejando pocos huecos. En la estructura bcc esta eficiencia o “factor de empaquetamiento” es de 68%, con 32% de espacio vacío. En las estructuras fcc y hcp, 74% del espacio está ocupado por átomos y el resto, 26%, es espacio vacío. Las estructuras fcc y hcp son más densas o compactas que la bcc. Es útil tener ejemplos de las estructuras de algunos metales. En general, los metales más dúctiles son de estructura fcc, el oro, plata, cobre, aluminio, níquel y otros adoptan esta estructura. El hierro a baja temperatura y el tungsteno (W) poseen estructura bcc. El zinc y el titanio son ejemplos de metales con estructura hcp. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  8. El hierro puro puede adoptar dos estructuras diferentes, dependiendo de la temperatura a que esté sometido. • A temperatura ambiente y hasta una temperatura de 910° C posee estructura bcc. • Arriba de 910° C y hasta 1394° C adopta estructura fcc. • Entre 1394° C y 1538° C vuelve a tomar estructura bcc. • Por encima de 1538 °C, la temperatura de fusión, el hierro pierde su estructura cristalina al pasar al estado líquido. Se dice que el hierro es “polimórfico” o “alotrópico”, por poder adoptar diferentes estructuras cristalinas. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  9. Estados alotrópicos del hierro Para comprender los mecanismos por los cuales se rigen los tratamientos térmicos es necesario conocer previamente las transformaciones estructurales que sufre el hierro cuando se cambia su temperatura. Cuando se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado líquido, sufre una serie de transformaciones en su estructura cristalina. A las diferentes estructuras que aparecen cuando se produce este calentamiento se las denomina estados alotrópicos. En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrópicos: Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  10. Hierro Alfa [α] El hierro alfa se presenta a temperaturas inferiores a los 768ºC. Presenta una cristalización según el sistema cúbico centrado de cuerpo “bcc”. La capacidad que posee el hierro alfa para formar soluciones sólidas es muy débil porque los espacios interatómicos disponibles son muy pequeños (32% de espacio vacío). Este estado recibe el nombre de ferrita. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  11. Hierro Beta [β] Es muy similar al hierro alfa. Se forma a temperaturas comprendidas entre 768ºC y 900ºC, cristalizando en el sistema cúbico centrado de cuerpo “bcc”. Se diferencia principalmente del hierro alfa en que no es magnético. Desde el punto de vista metalográfico y mecánico tiene poco interés. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  12. Hierro Gama [γ] Se forma a temperaturas comprendidas entre los 900 y los 1400ºC. Cristaliza en el sistema cúbico centrado de caras “fcc”. Tiene gran capacidad para formar soluciones sólidas, ya que dispone de espacios interatómicos grandes (26%, es espacio vacío). Puede disolver hasta un 2% de carbono. Esta solución recibe el nombre de austenita. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  13. Hierro Delta [δ] Se forma a temperaturas comprendidas entre los 1400 y 1539ºC. Cristaliza en red cúbica centrada de cuerpo “bcc”. Debido a que aparece a elevadas temperaturas, tiene poca importancia en el estudio de los tratamientos térmicos y tampoco tiene aplicación siderúrgica. Todas las transformaciones alotrópicas van acompañadas de un cambio de volumen. este hecho se puede apreciar con la ayuda de un dilatómetro. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  14. Proceso de Transformación Cuando se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado líquido, sufre una serie de transformaciones en su estructura cristalina. Las temperaturas a las cuales tienen lugar estas transformaciones se denominan puntos críticos y son representados mediante la letra A. Cuando se trata de un enfriamiento Ar, y si es un calentamiento Ac. Es magnética a temperaturas inferiores de los 768°C y no magnética entre los 768°C y los 910°C (punto Ac3). Proceso de Transformación Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  15. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  16. Si desde el estado líquido, se deja enfriar lentamente una muestra de hierro, ésta se solidificará instantáneamente hacia los 1535ºC. Si continua el enfriamiento se nota una irregularidad en su velocidad hacia los 1400ºC en el punto Ar4, debido a un desprendimiento espontáneo de calor y se produce el cambio alotrópico de hierro delta a hierro gamma. A los 898ºC en el punto crítico Ar3 ocurre algo parecido, apareciendo también una disminución de la velocidad de enfriamiento y se produce la transformación de hierro gamma a hierro alfa no magnético . Por último se observa una disminución de la velocidad de enfriamiento a los 750ºC en el punto Ar2 se produce la transformación de hierro alfa no magnético a hierro alfa magnético. Materiales. Prof. Ing. Luis Suárez

  17. Diagrama de Fase • Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es necesario contar con los diagramas de cambio de fase. • En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  18. Diagrama Hierro - Carbono. • El diagrama de hierro-carbono experimenta muchas fases como son la austenita, cementita, ferrita, perlita, bainita, martensita, entre otras. • Estas fases pasan por muchos cambios debido a la temperatura y algunos procesos como son el temple y el revenido, los cuales ayudan a aumentar las propiedades mecánicas de los materiales utilizados, tales como la tenacidad, dureza, entre otras. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  19. Austenita • Es una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gamma [γ]. • La máxima solubilidad en estado sólido del carbón en la austenita es del 2,08% a 1.148°C y disminuye a un 0,8% a 723°C. • Puede contener desde 0 – 1,7% de carbono. • Su resistencia es de 88 - 105 Kp/mm² aprox. • Su dureza de 300 Brinell. • Su alargamiento de 30 a 60%. • Es poco magnética, blanda, muy dúctil y tenaz. • Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  20. Ferrita • La ferrita es hierro alfa [α] ósea hierro casi puro, que puede contener en pequeñas cantidades soluciones de silicio, fósforo y otras impurezas. • Su resistencia es de 28 Kp/mm² aprox. • Su dureza de 90 HB (unidades de Brinell). • Su alargamiento de 35 a 40%. • Es él mas blando de todos los constituyentes del acero, muy dúctil, maleable y una excelente maquinabilidad. • Es magnética a temperaturas inferiores de los 768°C y no magnética entre los 768°C y los 910°C. • Su capacidad para disolver carbono es prácticamente nulo 0,022%. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  21. Cementita • Cementita o también llamada carburo de hierro [Fe3C] contiene el 6.67% de carbono y el 93.33% de hierro. • Es el constituyente más duroy frágil de los aceros al carbono. • Su dureza es superior a los 68 HRc (Rockwell – C). • Por su gran dureza queda en relieve después del pulido pudiendo conocerse perfectamente el contorno de los granos o de las laminas. • Es magnética a la temperatura ambiente pero pierde esta propiedad a 218°C. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  22. Perlita • Es una mezcla ferritica alfa y cementita Fe3C en laminas paralelas producida por la descomposición eutoctonica de la austenita. • Esta contiene aprox. seis partes de hierro y una de carburo, lo que corresponde a 11,7% de Cementita y 88,3% de Ferrita. • Tiene una resistencia de 80 Kp/mm². • Un alargamiento de 15%. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  23. Ledeburita • Es un constituyente de naturaleza eutéctica que se forma a temperatura constante: 1.145°C. Su composición química es fija con 4,3% de C. Está formada por un 52% de Cementita y un 48% de Austenita saturada de carbono. • Teniendo en cuenta que la austenita no es estable a temperatura ambiente, debemos pensar que tampoco lo será la ledeburita, ya que en el enfriamiento la austenita se transforma en Perlita o Cementita. • La microestructura tipica es conocida con el nombre de carburo Ledeburíticos (L). Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  24. Bainita • Bainita superior: Es de aspecto arborescente, formada a 500-550°C. Las placas discontinuas de los carburos tienden a tener una orientación paralela a la dirección de las agujas de la propia bainita. • Bainita inferior: Tiene un aspecto acicular bastante parecido a la martensita, formada a 250-400°C. Estas pequeñas placas son paralelas entre si y su dirección forma un ángulo de 60° con el eje de las agujas de ferrita. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  25. Martensita • Esta formado por una solución sólida sobre saturada de carbono de hierro [γ] en hierro alfa [α] , y que se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde altas temperaturas. • Es magnética y se aumenta su dureza, resistencia y fragilidad con el contenido en carbono [hasta un máximo de 0,09% aprox.] • Su resistencia es de 170 a 250 Kp/mm². • Su dureza es de 50 a 68 HRc (Rockwell – C). • Su alargamiento es de 2,5 a 0,5%. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  26. Definición del Diagrama de Fase • El acero es una aleación de hierro carbono, con un contenido de carbono entre el 0,03 y el 1,76 %, que contiene elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su utilización en la industria. • Los productos férreos entre el 1,76 y el 6,67 %de carbono se denominan Fundiciones de hierro. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  27. Debido al porcentaje de carbono, existen diferentes puntos en el diagrama hierro carbono: • Reacción Eutéctica, “fácilmente fusible” corresponde al punto mas bajo a la cual se puede fundir una mezcla de solidos. • Reacción Peritéctica, “periférica” corresponde a un solido con un punto de fusión no congruente. • Reacción Eutectoide, corresponde a la transformación de solidificación completa del liquido. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  28. La reacción eutectoide se divide en dos tipos de aceros: • Aceros HIPOeutectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto S (eutectoide), o sea al 0,77%. • Aceros HIPEReutectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  29. Desde el punto de vista de su composición, los aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos: • Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono. • Aceros aleados: Contienen, además del carbono otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos críticos, tamaño del grano, templabilidad, resistencia a la corrosión). • Con respecto a su composición, puede ser: • De baja o alta aleación y los elementos que puede contener el acero pueden ser tanto deseables como indeseables, en forma de impurezas. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  30. Elementos que influyen en la resistencia a la corrosión. • El cromo favorece la resistencia a la corrosión; integra la estructura del cristalina, atrae el oxigeno y hace que el acero no se oxide. • El molibdeno y el wolframio también favorecen la resistencia a la oxidación. • Clasificación según la aplicación de los metales. • La industria de los aceros ha designado una denominación según el Instituto Americano del Hierro y el Acero, AISI (American Iron and Steel Institute) y la sociedad de Ingenieros Automotores SAE (Society of Automotive Engineers) que utilizará una clasificación de 4 digitos (Y Z XX). Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  31. Y=1: Aceros al Carbono (corriente u ordinario) Y=2: Aceros al Níquel. Y=3: Aceros al Níquel-Cromo. Y=4: Aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Cr-Mo. Y=5: Aceros al Cromo. Y=6: Aceros al Cromo-Vanadio. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  32. AISI SAE 1020 1 : Acero corriente u ordinario. 0 : No Aleados 20: 0,20 % Carbono. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  33. AISI SAE 3215 • : Acero al Níquel-Cromo 2 : Contenido del 1,6% de Ni y 1,5% de Cr. 15: 0,15 % Carbono. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  34. Tratamientos en los Acero • Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos. • El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, dándole características especiales a las piezas, de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. • Los tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o termoquímicos. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  35. Tratamientos mecánicos: • Se somete al metal a propiedades en frío o caliente para mejorar sus propiedades mecánicas. • Al deformar propiedades de un metal mediante martillado, laminado, etc., se modifican las estructuras y las propiedades del metal. • Tratamientos térmicos: • Recocido, temple, revenido, normalizado. • Tratamientos termoquímicos: • Cementacion, nitruracion, cianurizacion, etc. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  36. Tratamientos en Frío • Son los tratamientos realizados por debajo de la temperatura de recristalizacion, pueden ser profundos o superficiales. • Aumento de la dureza y la resistencia a la tracción. • Disminuye su plasticidad y tenacidad • Cambio en la estructura: deformación de granos y tensiones originadas (cuanto más deformación, mas dureza) • Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  37. Formación de Martensita en el Acero • Cuando el acero con constitución austenica, se enfría lentamente, la austenita [γ] se transforma en distintos productos; así por ejemplo, si el acero es hipoeutectoide la austenita sé transforma inicialmente en ferrita [α] hasta la temperatura eutectoide, a la cual la austenita remanente se transforma en perlita [α +Fe3C]. • La micro estructura final será perlita en una proporción que depende de la composición y la velocidad de enfriamiento. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  38. Influencia del % de C en la temperatura de inicio de la transformación martensitica. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  39. Diagrama de Fase Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  40. Cuando la velocidad de enfriamiento aumenta, la morfología de la ferrita [α] y la cementita [Fe3C] cambia y la perlita se hace más fina. • A una velocidad elevada, los anteriores constituyentes desaparecen súbitamente a una velocidad de enfriamiento critico, y aparece una estructura nueva más dura que es la martensita [α+γ]. • Estos productos, obtenidos por enfriamiento rápido, son metales estables desde un punto de vista termodinámico de gran utilidad para la ingeniería debido a sus propiedades. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  41. Curva Tiempo-Temperatura-Transformación • La curva TTT muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de austenita [γ] en varias fases posibles. • Las fases se pueden dividir en: 1) A velocidades lentas de enfriamiento se transforma en Ferrita [α] y Cementita [Fe3C] o perlita [α +Fe3C]. 2) A velocidades rápidas de enfriamiento se transforma en Martensita [α+γ]. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  42. La curva se interpreta partiendo del tiempo cero en la región austenita (en un lugar arriba de la línea de temperatura A1) y continúa hacia abajo y a la derecha a lo largo de una trayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  43. La curva “S” Martensita Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  44. La curva “S” Bainita Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  45. A velocidades lentas de enfriamiento la trayectoria pasa a través de la región, indicando una transformación a perlita. • La perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo en la forma de placas delgadas paralelas (cementita). Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita. • Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida (indicada por la línea punteada), la austenita se transforma en martensita. • La martensita es una fase única que consiste en una solución hierro-carbono cuya composición es igual a la de la austenita de la cual deriva. • La estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) de la martensita está en función del tiempo y es necesario para separar la ferrita y el carburo de hierro (austenita). Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  46. La dureza extrema de la martensita resulta de la deformación reticular creada por los átomos de carbono atrapados en la estructura BCT, que forman una barrera al deslizamiento. En la figura muestra el efecto significativo que tiene la martensita sobre la transformación de la dureza del acero, al aumentar el contenido de carbono. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  47. Procesos de Tratamiento Térmico • Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. • Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. • El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos pasos: austenitización y temple. • A estos pasos le sigue frecuentemente un revenido para producir martensita revenida. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

  48. Austenitización • La austenitización implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficiente alta para convertirlo parcialmente en austenita (aprox. entre los 727 y 1.500°C). • Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fase para la composición particular de la aleación. • La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y alcance la homogeneidad de composición requerida [α+γ]. Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez