domingo, 28 de septiembre de 2008

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

TRATAMIENTOS TÉRMICOS
ESFEROIDITA
La forma y la disposición de la fase cementita tienen diferencias muy claras en las microestructuras perlita y esferoidita. Los aceros con microestructura perlítica dan valores de dureza y resistencia superiores a los aceros con esferoidita. Existen menos superficies de limite de fase por unidad de volumen en la esferoidita y, por consiguiente, la deformación plástica no esta tan impedida, lo que origina un material relativamente blando. En efecto el acero más blando es el que tiene esferoidita. Esta clase de aceros son extremadamente dúctiles.
BAINITA
Estos aceros son más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas de Fe3C en una matriz ferrítica; por este motivo exhiben una interesante combinación de resistencia y ductilidad.
MARTENSITA
Los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono.
CARACTERÍSTICAS GENERALES
En general, un Tratamiento Térmico consiste en calentar el acero hasta una cierta temperatura; mantenerlo a esa temperatura durante un tiempo determinado y luego enfriarlo, a la velocidad conveniente. El objeto de los tratamientos térmicos es cambiar las propiedades mecánicas de los metales, principalmente de los aceros.
CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos pueden dividirse en dos grandes grupos:
1. º Tratamientos sin cambio de composición, es decir, aquellos en cuyo tratamiento no varían los componentes.
2. º Tratamientos con cambio de composición, los que añaden nuevos elementos a sus propios componentes o cambian la proporción de los existentes. De aquí que se llamen con más propiedad Tratamientos Termoquímicos.
REVENIDO
El revenido se lleva acabo calentando el acero martensítico a una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo de tiempo especifico. Normalmente el revenido se realiza calentando entre los 250 y 650 ºC; sin embargo las tensiones internas se pueden eliminar a temperatura de unos 200 ºC, durante el tratamiento térmico de revenido se puede conseguir, por un proceso de difusión la transformación de la martensita en martensita revenida.
La microestructura de la martensita revenida consiste en partículas extremadamente pequeñas de cementita embebidas en una matriz ferrítica continua y uniformemente dispersas. La martensita revenida casi es tan dura y resistente como la martensita, pero mucho más dúctil y tenaz. La dureza y la resistencia se explican por la gran superficie de limita de fase por unidad de volumen que existe en las diminutas y numerosas partículas de cementita. De nuevo la dura fase cementita refuerza la matriz ferrítica mediante los límites, que también actúan como barrera para el movimiento de las dislocaciones durante la deformación plástica. La fase ferrita continua también es muy dúctil y relativamente tenaz y aporta estas dos propiedades a la martensita revenida.
LA FRAGILIDAD DE REVENIDO
Algunos aceros revenidos disminuyen la tenacidad determinada mediante la resistencia al impacto, esta fragilización ocurre cuando el acero se reviene a temperaturas superiores a 575 ºC y se enfría lentamente hasta temperatura ambiente o cuando se reviene a temperaturas comprendidas entre 375 y 575 ºC. Los aceros aleados susceptibles de fragilizarse por revenido contienen apreciables porcentajes de elementos de aleación como manganeso, níquel o cromo y, además pequeñas concentraciones de una o más impurezas como antimonio, fósforo, arsénico y estaño.
La fragilidad del revenido se puede prevenir por:
1. º Control composicional
2. º Calentamiento superior a 575 ºC o inferior a 375 ºC seguido de temple a temperatura ambiente.
RECOCIDO
Este tratamiento térmico consiste básicamente en exponer el material a una elevada temperatura durante un periodo de tiempo y, luego, este es enfriado lentamente.
El objetivo del recocido se lleva a cabo para:
1. º Eliminar tensiones.
2. º Incrementar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad.
3. º Para producir una microestructura específica.
ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE RECOCIDO
1. º Calentamiento a la temperatura prevista.
2. º Impregnación térmica o mantenimiento a esta temperatura.
3. º Enfriamiento, generalmente hasta la temperatura ambiente.
El tiempo es un parámetro muy importante en estos procedimientos. Durante el calentamiento y el enfriamiento existen gradientes de temperatura entre el interior y la superficie de la pieza; esta magnitud depende del tamaño y la geometría de la pieza. Si la velocidad de cambio de temperatura es grande, se genera un gradiente de temperatura que induce tensiones internas que pueden conducir a deformaciones e incluso al agrietamiento de la pieza. El tiempo de recocido debe ser suficientemente largo para permitir la necesaria reacción para la transformación. La temperatura de recocido se acelera al aumentar la temperatura, ya que representa un proceso de difusión. Un proceso de recocido es utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frío, esto es, para ablandar y ductilizar un metal agrio. Generalmente se aplica durante los procedimientos de hechurado que necesitan gran deformación plástica, para permitir una posterior deformación sin rotura o excesivo consumo de energía. Durante su aplicación tienen lugar fenómenos de recuperación y de recristalización. Generalmente se prefiere una microestructura de grano fino; por tanto, el tratamiento térmico suele terminar antes de que ocurra un crecimiento de grano apreciable. La oxidación superficial se puede prevenir minimizando la temperatura de recocido (siempre superior a la temperatura de recristalización) u operando en atmosfera no oxidante.
En una pieza se generan tensiones internas como respuesta a:
1. º Los procesos de deformación plástica, tales como mecanizado y estampación.
2. º Un enfriamiento no uniforme en piezas conformadas a elevada temperatura por ejemplo soldadas, moldeadas, etc.
3. º Una transformación de fase, inducida por enfriamiento, en la que la fase madre y la fase producto tienen distinta densidad.
Si no se eliminan estas tensiones residuales se pueden producir distorsiones y alabeos. La eliminación de estas tensiones es resultado de un tratamiento de recocido, en el que la pieza se calienta hasta la temperatura recomendada, esta se mantiene hasta alcanzar una temperatura uniforme y, finalmente se enfría al aire hasta alcanzar la temperatura ambiente. Generalmente la temperatura de recocido es relativamente baja para prevenir los efectos de la deformación por enfriamiento y para no afectar otros tratamientos hechos sobre la pieza en un proceso anterior.
RECOCIDO DE ALEACIONES FERREAS
Antes de discutir los diferentes procedimientos de recocido para los aceros es necesario recordar los conceptos de límites de fase. La figura 1 muestra el diagrama hierro-carburo de hierro en la vecindad del eutectoide. La línea horizontal a la temperatura eutectoide, designada A1, se denomina temperatura crítica inferior, por debajo de esta misma y en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita. Los limites A3 y Acm representan las líneas de temperatura crítica superior para los aceros hipo y hipereutectoides, respectivamente. A temperaturas y composiciones por encima de estos límites prevalece la fase austenita.

NORMALIZADO
Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por laminación, consta de granos de perlita. Estos granos son relativamente grandes y de forma irregular, pero de tamaño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado normalizado para afinarlos (por ejemplo disminuir su tamaño medio) y producir una distribución de tamaño más uniforme. Los aceros perlíticos de grano fino son más tenaces que los de grano grande. El normalizado se realiza calentado 55 a 85 ºC por encima de la temperatura crítica superior, que, naturalmente, depende de la composición, como lo indica la figura 1. Después del tiempo suficiente para conseguir la austenización proceso donde se consigue la transformación completa a austenita, luego el tratamiento termina enfriando al aire.
RECOCIDO TOTAL
Este tratamiento suele aplicarse a los aceros bajos y medios en carbono que se han mecanizado o han experimentado gran deformación plástica durante el hechurado en frio. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40 ºC por encima de las líneas A3 o A1, indicadas en la figura 1, hasta conseguir el equilibrio. Después la aleación se deja enfriar dentro del horno; esto es, se apaga el horno, el horno y el acero llegan a temperatura ambiente a la misma velocidad, suelen necesitar varias horas. La microestructura resultante de este recocido es perlita gruesa que es relativamente blanda y dúctil. El procedimiento del recocido total (representado en la figura 2) necesita de mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes.
La figura 2: curvas de enfriamiento impresas encima de un diagrama de transformación por enfriamiento continúo de un acero eutectoide mostrando que la influencia que la velocidad de enfriamiento ejerce en la microestructura que aparece durante el enfriamiento.
ESFERIDIZACION O GLOBULIZACION
Los aceros medios y altos en carbono tienen una microestructura consistente en perlita gruesa que puede llegar a ser demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros se pueden recocer para desarrollar una microestructura de esferoiditas. El acero esferoidizado globulizado tiene la máxima blandura y ductilidad y es fácilmente mecanizable o deformable. El tratamiento térmico de esferoidización consiste en calentar la aleación a una temperatura justo por debajo del eutectoide (línea A1 de la figura 1 o a 700 ºC) en la región α + Fe3C del diagrama de fases. Si la fase madre es perlita, el tiempo de esferoidización suele durar de 15 a 25 horas. Durante este recocido el Fe3C coalesce para formar partículas de esferoidita.
TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS
Los tratamientos térmicos convencionales para producir aceros martensíticos suelen consistir en enfriamientos rápidos y continuos, de una muestra austenizada, en un medio de temple, tal como agua, aceite o aire. Las propiedades óptimas de un acero templado y revenido se consiguen sólo si durante el tratamiento térmico de temple la muestra adquiere un alto contenido en martensita; si se forma perlita y/o vainita resulta otra combinación de característica mecánicas. Durante el tratamiento térmico del temple es posible enfriar la muestra a velocidad uniforme, aunque la superficie siempre se enfría más deprisa que el interior. Por lo tanto, la austenita se transforma en un tramo de temperaturas. Obteniendo una posible variación de microestructura y propiedades, según la posición dentro de la muestra.
El tratamiento térmico adecuado del acero para producir una microestructura martensítica a lo largo y ancho de la sección de una muestra depende fundamentalmente de tres factores:
1. º Composición de la aleación
2. º Tipo y carácter del medio de temple
3. º Tamaño y forma de la muestra
TEMPLABILIDAD
La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacionada con un parámetro denominado templabilidad. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. Templabilidad es un término para describir la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. Templabilidad no es dureza, que significa resistencia a la penetración, aunque se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior; es decir, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. Un procedimiento estándar utilizado ampliamente para determinar la templabilidad es el ensayo jominy. En este ensayo se mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición, como por ejemplo tamaño y forma de la pieza y tratamiento de temple.
La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la distancia al extremo templado. Un acero con alta templabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias relativamente largas; uno de baja templabilidad no.

INFLUENCIA DEL MEDIO DE TEMPLE, TAMAÑO Y GEOMETRÍA DE MUESTRA
La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la velocidad de la eliminación de la energía térmica, que es función de las características del medio de temple en contacto con la superficie de la muestra, del tamaño y de la geometría de la muestra.
Severidad de temple es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de enfriamiento; el temple más rápido equivale al temple más severo. De los tres medios más utilizados que son el agua, aceite y aire, el agua es el que produce un temple más severo seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. Incrementando la velocidad de enfriamiento a través de la superficie de la probeta, aumenta la efectividad del temple. Los aceites de temple son adecuados para el tratamiento térmico de la mayoría de aceros aleados. Para aceros altos en carbono el temple en agua puede resultar demasiado severo por que produce deformaciones y grietas. Mientras el aire utilizado para el enfriamiento del acero al carbono generalmente produce una microestructura casi totalmente perlítica.
Durante el temple de una probeta de acero, la energía térmica se debe transportar a la superficie antes de que ésta pueda disiparse en el medio de temple. Por consiguiente, la velocidad de enfriamiento en el interior de la estructura del acero varía con la posición y depende del tamaño y de la geometría de la probeta.
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metálicas pueden aumentar por la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la original fase matriz, esto se puede conseguir mediante un apropiado tratamiento térmico denominado endurecimiento por precipitación porque las pequeñas partículas de la nueva fase se denominan precipitados. Este procedimiento también se denomina endurecimiento por envejecimiento ya que el endurecimiento se desarrolla con el tiempo, como en las aleaciones envejecidas. Ejemplos aleaciones envejecidas por tratamientos de precipitado cobre-berilio, cobre-estaño y algunas aleaciones férreas.
Un sistema de aleación endurecible por dispersión si su diagrama de equilibrio cumple las dos siguientes condiciones que la solubilidad máxima de un componente en otro sea considerable, del orden de varios porcentajes; y que el límite de solubilidad del componente principal disminuya rápidamente al descender la temperatura. Estas condiciones las cumple el hipotético diagrama de fases de la figura 3.
La máxima solubilidad corresponde a la composición en el punto M. Además, el límite de solubilidad entre las fases α y α + β disminuye desde la concentración máxima a una concentración muy baja de B en A en el punto N. por otra parte, la composición de la aleación endurecible por precipitación debe ser menor que la correspondiente a la solubilidad máxima. Estas condiciones son necesarias pero no suficientes para que ocurra el endurecimiento por precipitación en un sistema de aleación.
Figura 3: Hipotético diagrama de fases de una aleación endurecible por precipitación.
TRATAMIENTO TÉRMICO DE DISOLUCION
En este primer tratamiento térmico de precipitación los átomos de soluto se disuelven para formar una disolución solida monofásica. Al considerar la aleación de composición Co de la figura 3, el tratamiento consiste en calentar la aleación a una temperatura dentro del campo de fase α, To por ejemplo, y esperar hasta que toda la fase β presente se disuelva completamente. En este punto, la aleación consiste sólo en la fase α de composición Co. A continuación se enfría rápidamente o se templa a la temperatura T1 de modo que se dificulte la difusión a fin de prevenir la formación de fase β. Para muchas aleaciones, T1 es la temperatura ambiente.
Así a T1 existe una situación de no equilibrio en la cual la fase α aparece como disolución solida sobresaturada con átomos B; en este estado la aleación es relativamente blanda y poco resistente. Además, en la mayoría de las aleaciones las velocidades de difusión a T1 son extremadamente lentas, de modo que la monofase α permanece a esta temperatura durante periodos relativamente largos.
TRATAMIENTO TÉRMICO DE PRECIPITACIÓN
El tratamiento térmico consiste en calentar la disolución solida sobresaturada α a una temperatura intermedia T2 (figura 3) dentro de la región bifásica, temperatura a la cual la velocidad de difusión es apreciable. La fase precipitada β comienza a formarse como partículas finamente dispersas de composición Cβ, proceso que a veces se denomina envejecimiento. Después de permanecer el tiempo adecuado a la temperatura T2, la aleación se enfría a temperatura ambiente a una velocidad que generalmente no tiene importancia. En la figura 4 se ha representado la temperatura frente al tiempo en los tratamientos térmicos de disolución y de precipitación. El carácter de las partículas β y, por consiguiente, la resistencia y la dureza de la aleación dependen de la temperatura de precipitación T2 y del tiempo de envejecimiento a esta temperatura. En algunas aleaciones el envejecimiento ocurre espontáneamente a temperatura ambiente durante largos periodos de tiempo. En la figura 5 es representado el comportamiento de una típica aleación endurecible por precipitación. Al incrementar el tiempo, la resistencia aumenta, alcanza un máximo y finalmente disminuye. La disminución de resistencia y dureza ocurre después de largos periodos de tiempo se conoce como sobreenvejecimiento.
Figura 4: Grafica temperatura frente al tiempo de los tratamientos térmicos de disolución y precipitación para el endurecimiento.

MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO
Las aleaciones de aluminio de alta resistencia generalmente se endurecen por precipitación. Aunque muchas de esas aleaciones tienen diferentes proporciones y combinaciones de elementos aleantes, quizá el mecanismo de endurecimiento mas estudiado corresponde a la aleación aluminio-cobre rica en aluminio.
La figura 6 presenta la región del diagrama de fases de aluminio-cobre rica en aluminio. La fase α es la disolución solida sustitucional de cobre en aluminio, mientras que el compuesto intermetálico CuAl2 se designa como fase θ. Una aleación aluminio-cobre de composición 96% Al-4% Cu, por ejemplo, en desarrollo de la fase θ de equilibrio durante el tratamiento térmico se forma primero varias fases de transición en una secuencia específica. Las propiedades mecanices quedan afectadas por el carácter de las partículas de estas transiciones de fases. Durante esta etapa inicial del endurecimiento (un corto tiempo de la figura 5) los átomos de cobre se agrupan en forma de diminutos discos de aproximadamente 25 átomos de diámetro y dos átomos de espesor y aparecen en innumerables posiciones dentro de la fase α. Los grupos o racimos, a veces denominados zonas, son tan pequeños que estas partículas precipitadas no se pueden distinguir. Sin embargo, con el tiempo y la consiguiente difusión de los átomos de cobre, estas zonas aumentan su tamaño. Después de estas partículas precipitadas experimentan dos transiciones de fases (denominadas θ” y θ’), antes de alcanzar la fase de equilibrio θ. La figura 5 muestra los aumentos de resistencia y dureza como consecuencia de la presencia de las innumerables fases de transición y metaestable. En esta figura se destaca que la máxima resistencia coincide con la formación de la fase θ”, que se puede conservar enfriando la aleación a temperatura ambiente. El sobreenvejecimiento es la consecuencia del crecimiento continuo de las partículas y del desarrollo de fase θ’ y θ.

ENDURECIMIENTO POR REDUCCIÓN DE TAMAÑO DE GRANO
El tamaño, o el diámetro medio, de los granos de un metal policristalino afecta a las propiedades mecánicas. En general granos continuos tienen diferentes orientaciones cristalográficas y desde luego un límite de grano común como lo indica la figura
Durante la deformación plástica, el deslizamiento o el movimiento de las dislocaciones deben ocurrir a través de este límite de grano común, digamos desde el grano A al grano B.
Un material con grano fino esto quiere decir que tiene granos pequeños es más duro y resistente que uno que tenga granos gruesos, puesto que el primero tiene un área total limite de grano mayor para impedir el movimiento de las dislocaciones. El tamaño de grano puede ser regulado mediante la velocidad de solidificación de la fase liquida, y también por deformación plástica seguida por un tratamiento térmico apropiado.








Conclusión
Hemos sabido abordar la importancia de los tratamientos térmicos para modificar las propiedades mecánicas de las aleaciones metálicas para un determinado producto.
Además las principales diferencias entre cada tratamiento y diferentes aplicaciones dentro de la gama de los metales en la industria.