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Trabajo de Investigación. Ingeniería de Materiales.

Microconstituyentes y Tipos de Endurecimiento en el Acero.

Facultad de Ingeniería Mecánica. 2018

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Tabla de Contenido

Introducción……………………………………………………………... 4 Objetivos…………………………………………………………............ 5 ● Objetivo General……………………………………………......... 5 ● Objetivos específicos…………………………………………....... 5 Aceros al carbono y sus microconstituyentes…………………………… 6 ● Ferrita……………………………………………………………. 9 ● Cementita…………………………………………………………. 12 ● Austenita...………………………………………………………... 15 ● Perlita……………………………………………………………... 17 ● Martensita………………………………………………………… 20 ● Troostita…………………………………………………………... 23 ● Sorbita……………………………………………………………. 25 ● Esferoidita………………………………………………………... 27 ● Ledeburita………………………………………………………... 29 ● Bainita…………………………………………………………….. 31

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Tipos de endurecimiento de los aceros………………………………… 33 ● Endurecimiento por deformación……………………………….. 34 ● Endurecimiento por solución sólida……………………………...35 ● Endurecimiento por dispersión………………………………….. 36 ● Endurecimiento por precipitación……………………………….. 37 ● Endurecimiento por tamaño de grano…………………………… 38 Conclusiones…………………………………………………………… 39 Referencias……………………………………………………………... 40

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Introducción

Con el transcurrir de los años el acero ha sido parte importante del desarrollo científico e industrial de la humanidad. Fue en la edad de hierro en el que se popularizó, este periodo de la Prehistoria se caracteriza por el abandono del bronce en beneficio del hierro debido a la abundancia de este mineral. Aquellas personas que trabajaban hierro se dieron cuenta que al incorporar diferentes tipos de rocas mediante técnicas para cambiar de forma el hierro se podía conseguir hierro con diferentes características y propiedades, este material tuvo durante la época diferentes usos incluyendo entre ellos la creación de armas, escudos cascos, y utensilios para los hogares. Fue de esta manera que con el pasar de los años, el acero se hizo mucho más popular hasta convertirse en uno de los metales más usados en la actualidad, aplicado en casi todos los ámbitos de la vida del ser humano (utensilios de cocina, entretenimiento, creación de armas y máquinas). Sus aplicaciones son tan versátiles que es necesario controlar su microestructura para poder predeterminar sus características para que sea idóneo para su propósito.

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Objetivos

● Objetivo General:

Estudiar los microconstituyentes presentes en el acero y los tipos de endurecimiento aplicados en ellos.

● Objetivos Específicos:

1. Definir claramente las diferencias entre los tipos de aceros respecto a los microconstituyentes presentes en cada uno de ellos.

2. Determinar las ventajas y desventajas de cada uno de los tipos de endurecimiento que se aplican al acero.

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Aceros al Carbono

El acero es una solución sólida compuesta por Hierro (En gran proporción) y Carbono (Máxima solubilidad a 2,11%) y otros elementos en menor proporción (Níquel, Vanadio, Manganeso, Molibdeno, Boro, Cromo, Fósforo, Azufre, Tungsteno, Silicio, etc.) que le brindan características específicas de acuerdo al uso que se le quiera dar. En su mayoría, la presencia de los microconstituyentes en el acero es determinada por los tratamientos y condiciones de trabajo(temperatura, presión y velocidad de enfriamiento) que se le den al material. Mediante la adición o remoción de microconstituyentes se puede manipular las propiedades fisicas, mecanicas y quimicas del material, por lo que el estudio de los microconstituyentes es de gran importancia en el momento de trabajar con el acero. Estos conocimientos permitirán que la estructura y morfología de los aceros cambien y se adapten correctamente al ambiente de trabajo al cual se van a aplicar las aleaciones obtenidas.

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FERRITA

Ferrita es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. La ferrita (o hierro alfa) es, en metalurgia una de las estructuras moleculares del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas, a diferencia de la austenita, que es FCC y no magnética. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, cinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos, compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos.

La ferrita aparece también como elemento eutectoide de la perlita, formando láminas paralelas, separadas por otras láminas de cementita.

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En la estructura globular, propia de los aceros al carbono de herramientas (0.9 a 1.4% de C recocidos a temperaturas próximas a 723°C, la ferrita aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita. La resistencia a la tracción de la ferrita que aparece en los aceros no aleados en estado recocido es cercana a los 320 MPa y su alargamiento a la rotura puede llegar a ser del 40%. La resiliencia a temperatura ambiente de la ferrita es muy elevada y su temperatura de transición frágil-dúctil se encuentra muy por debajo de 0°C. La ferrita es el más dúctil, el más tenaz y el más blando de todos los microconstituyentes. Ciertas aplicaciones de los aceros no aleados con estructuras ferríticas aprovechan la capacidad para admitir deformaciones plásticas importantes de este microconstituyente. Por ejemplo, para la embutición, un proceso de conformación que produce grandes deformaciones en frío, se utilizan aceros en estado recocido que presentan una microestructura básicamente ferrítica. Los aleantes disueltos en la ferrita tienden a endurecerla (aumentan su resistencia, límite elástico y dureza) a la vez que reducen su plasticidad y tenacidad, efecto que resulta más acusado para los solutos intersticiales que para los sustitucionales. El control del tamaño de grano es la forma más eficiente de actuar sobre las propiedades mecánicas de la ferrita de un acero porque este mecanismo permite endurecer el material y elevar su tenacidad de forma simultánea.

Cementita La cementita o carburo de hierro es un constituyente de los aceros, y otras aleaciones férreas como las fundiciones blancas, que aparece cuando el enfriamiento de la aleación sigue el diagrama metaestable Fe-Fe3C en vez de seguir el diagrama estable hierro-grafito. La cementita contiene un 8

6,67% de carbono,1 y es un compuesto intermetálico de inserción. Si bien la composición química de la cementita es Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda. La cementita es muy dura, de hecho es el constituyente más duro de los aceros al carbono, con una dureza de 68 HRc. La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227 ºC. Como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos. Todas las aleaciones Fe-C que solidifican según el diagrama metaestable, entre ellas todos los aceros, tienen como únicas fases ferrita y cementita en estado de recocido. La cementita puede aparecer como microconstituyente, o junto a la ferrita formando un microconstituyente distinto a la ferrita o a la cementita llamado perlita. Según vamos aumentando el porcentaje de carbono en el acero aumenta la concentración de cementita de nuestro acero.

Inicialmente cuando el porcentaje de carbono es bajo, la cementita comienza aparecer en los límites de grano combinado con la ferrita en forma de láminas alternas (perlita). Si vamos aumentando el porcentaje de carbono de nuestra aleación, empiezan a crecer los granos de perlita, hasta el 0.77% de carbono, donde todo es perlita. Según vamos añadiendo carbono continúa apareciendo cementita(Fe3C) en los límites de grano, y su concentración va aumentando, reduciéndose la concentración de perlita, quedando la perlita sobre una matriz de cementita. Ésta 9

es la principal razón por la que el acero cuanto más carbono, más duro y más resistencia mecánica posee, aunque aumenta también su fragilidad.

Austenita

La austenita, también conocida como gamma hierro (γ) es una forma de ordenamiento específico de los átomos de hierro y carbono. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 °C a 1400 °C. Está formado por una disolución sólida del carbono en hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2,11% (este valor debe tomarse como referencia, ya que el porcentaje real varía en función de otros elementos de aleación presentes en el acero). La austenita es dúctil, blanda y tenaz. La estructura cristalina de la austenita es del tipo cúbica, de caras centradas, en donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios, hasta un máximo tal como lo muestra el diagrama de fase Fe-C.

Esta estructura permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de carburación del acero. La solubilidad máxima es sólo del 2,11%. Hay que recordar que por definición los aceros son aquellas aleaciones del diagrama Fe-Fe3C en las que, a la suficiente temperatura, todo el carbono queda disuelto en hierro γ. Por ello el porcentaje máximo de carbono en un acero, para ser considerado como tal es del 2,11%. La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en algunos aceros inoxidables con altos contenidos de manganeso (12%) y aceros inoxidables austeníticos con contenidos en Níquel

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alrededor del 8%, ya que el níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro al carbono, lo que la hace estable a temperatura ambiente. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 °C, cuando la fase austenítica es estable.

Finalmente, a diferencia de la ferrita, la austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura. La austenita recibe su nombre de sir William Chandler Roberts-Austen, metalúrgico inglés. Roberts-Austen, que murió en Londres en 1902 a la edad de 59 años, estudió impurezas en metales puros. Su investigación y mejoras procedimentales fueron utilizadas en una variedad de usos y afectaron extensamente al mundo industrializado.

Perlita

Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (ferrita α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente. La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se 11

distinguen. Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 0.77 % en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura. Hay dos tipos de perlita: Perlita fina: dura y resistente. Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

Martensita Martensita es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión (infiltración de partículas ajenas al material procesado), a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Por extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión de materiales metálicos. Se llama martensita en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914). La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión. Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: a la velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica. De este

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modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del tiempo. La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas (variantes). La fase blanca es austenita que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también puede coexistir con otros constituyentes, como la perlita. El enfriamiento rápido (o temple) del acero austenizado, hasta temperatura próxima a la ambiental, origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita o la bainita.

La transformación martensítica tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita. La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (TCC). La celdilla unidad de esta estructura cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones, centrado en el cuerpo BCC; esta estructura es diferente de la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente. 13

Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al aplicarles un campo magnético

Troostita La troostita antiguamente se la denominaba osmondita. Constituyente que aparece en algunos aceros templados, pero con un enfriamiento a menor velocidad que la que produce la martensita, obteniéndose una parcial transformación de la austenita en productos intermedios. Sus propiedades 10 indican que es una mezcla de cementita y ferrita, que únicamente se distingue de la perlita, por su forma de división extremadamente fina. Se ataca rápidamente y su aspecto es muy oscuro. Se presenta la troostita en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre ferrita, parecidas a las de la perlita, pero más finas. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 % al 10 %. Es apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. troostita con calcita Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por transformación isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500 ºC a 600 ºC. Para que se produzca, se enfría rápidamente la austenita hasta una temperatura comprendida entre los 500 ºC y 600 ºC (la velocidad de enfriamiento crítica es la mínima para que toda la austenita se transforme en martensita), y manteniéndola a esta temperatura 14

constante hasta que toda la austenita se haya transformado en troostita. También se puede producir la troostita crítica por revenido a 400 ºC. Durante mucho tiempo se ha creído que la troostita y la sorbita se producían también en el revenido de los aceros templados, es decir, por transformación de la martensita; pero las investigaciones más recientes han desechado esta suposición.

Sorbita La sorbita es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se puede producir; por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas comprendidas entre 600 ºC y 650 ºC. Al enfriar rápidamente la austenita, que deber estar a temperaturas por encima de la crítica superior, hasta una temperatura comprendida entre los 600 ºC y 650 ºC, y manteniéndola a esta temperatura constante hasta su total transformación en sorbita. También aparece al realizar un calentamiento la martensita experimenta una serie de transformaciones y en el intervalo comprendido entre 400 ºC y 650 ºC la antigua martensita ha perdido tanto carbono, que se ha convertido ya en ferrita. La estructura así obtenida se conoce como sorbita. La sorbita se presenta formando laminillas aún más finas que las de la troostita y también similares a las de la perlita. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2 , con un alargamiento del 10 % al 20 %. También se le denomina a algunas estructuras de revenido sobre los 500 ºC confiriendo una gran ductilidad a la aleación tratada. Puede aparecer en zonas gruesas tratadas con pequeña velocidad de enfriamiento, ó bien por un tratamiento isotérmico por debajo de la de transformación perlítica. Normalmente aparece en los aceros

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forjados y laminados, en los cuales la velocidad de enfriamiento no es lo suficientemente rápida ni para el temple, o sea, para la formación de martensita, ni aún para la formación de troostita, y tampoco es lo suficientemente lenta para la formación de perlita.

Esferoidita

La esferoidita es un microconstituyente que aparece en algunos aceros. Está formado por una matriz ferrítica con partículas gruesas de cementita. En esta estructura las dislocaciones encuentran muchas menos intercaras cementita - ferrita que en la perlita y otros microconstituyentes y esto hace que las dislocaciones se propaguen con facilidad, formando aleaciones muy dúctiles y tenaces. La esferoidita se forma cuando la transformación eutectoide se realiza lentamente o cuando tras la formación de perlita se da un tratamiento de esferoidización la cementita no aparece en forma laminar, sino en forma globular de menor contenido energético (menor relación superficie/volumen).

Ledeburita La ledeburita es una mezcla eutéctica de austenita y cementita, palabra que en griego significa fluidez perfecta. La reacción eutéctica se presenta a temperatura constante al enfriar muy lentamente un líquido, obteniéndose entonces dos sólidos puros distintos, estos sólidos solidifican

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