3. Tratamientos Térmicos de Aceros (II) 2022-2023.pdf

3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ACEROS (II). TEMA 3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ACEROS (II) 3.4. Recocido. 3.5. Normalizado. 3.6. Tratamientos isotérmicos. 3.7. Tratamientos intercríticos. 3.8. Tratamientos termomecánicos. 3-1 3.4....

3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ACEROS (II). TEMA 3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ACEROS (II) 3.4. Recocido. 3.5. Normalizado. 3.6. Tratamientos isotérmicos. 3.7. Tratamientos intercríticos. 3.8. Tratamientos termomecánicos. 3-1 3.4. RECOCIDO 3.4. Recocido. 3-2  3.4. RECOCIDO  Objetivo general del recocido: obtener en el acero una estructura próxima al equilibrio baja dureza, límite elástico y resistencia a tracción, junto a una alta plasticidad y tenacidad.  Según el objetivo concreto que se persiga, hay varios tipos de recocidos.  Recocido total o de regeneración (Full Annealing).  Recocido de homogeneización.  Recocido globular.  Recocido contra acritud. 3-3  3.4. RECOCIDO a. Recocido total o de regeneración (Full annealing).  Es el recocido más habitual en los aceros. Su objetivo es obtener una estructura de equilibrio de acuerdo con el diagrama Fe-C.  En los aceros hipoeutectoides se austeniza a una temperatura ligeramente superior a A3.  El enfriamiento se produce muy lentamente (dentro del horno apagado), lo que favorece que se desarrollen completamente las transformaciones del diagrama.  La estructura final del recocido será ferrita y perlita. En aceros con alta templabilidad podría formarse bainita.  En aceros hipoeutectoides la matriz de ferrita proporciona baja dureza, límite elástico y resistencia, pero bastante plasticidad y tenacidad.  Se elegirá el porcentaje en carbono del acero en función de la combinación de propiedades más idónea para la aplicación concreta. 3-4  3.4. RECOCIDO b. Recocido de homogeneización.  Se calienta el acero muy por encima de la temperatura A3.  Objetivo: favorecer la homogeneización de la composición química en el material, eliminando en lo posible la segregación.  Se aplica por ejemplo a los lingotes del acero tras su solidificación.  La permanencia de bastante tiempo a temperatura muy elevada favorece la movilidad atómica los elementos aleantes segregados se homogeneizan en composición, desde las zonas más ricas a las más pobres, dentro del material.  Alta temperatura de austenización gran tamaño de grano de la austenita tamaño basto de la ferrita y perlita final.  La estructura basta deteriora las propiedades del acero, por lo que posteriormente deberá aplicarse algún otro tipo de tratamiento que modifique esta situación. 3-5  3.4. RECOCIDO c. Recocido globular.  La estructura ferrítico-perlítica no es la que proporciona la mayor plasticidad y tenacidad.  La microestructura óptima desde estos puntos de vista es aquella con matriz ferrítica dentro de la cual se encuentran dispersos glóbulos de cementita.  Si una estructura perlítica se mantiene tiempo suficiente a temperatura adecuada evolución hacia el equilibrio termodinámico descomposición de las placas de cementita, que serán sustituidas por una dispersión de glóbulos de carburo. Este es el objetivo del recocido globular.  La globalización es más rápida cuanto más fina sea la estructura de partida.  El acero con tratamiento de recocido globular presenta los menores valores posibles de dureza, límite elástico y resistencia, pero la mayor plasticidad y tenacidad. 3-6  3.4. RECOCIDO  La microestructura de matriz de ferrita con glóbulos dispersos de cementita se puede conseguir:  A partir de una estructura martensítica, aplicando un revenido a una temperatura inferior pero muy próxima a A1 durante un tiempo suficientemente largo.  A partir de una estructura ferrítico-perlítica, mediante una larga permanencia a una temperatura algo menor que A1 (recocido globular subcrítico).  A partir de una estructura ferrítico-perlítica mediante un calentamiento a una temperatura oscilante un poco por encima y por debajo de A1 (recocido globular oscilante).  El recocido globular se aplica en la práctica por las siguientes razones:  En aceros de muy bajo carbono, para conseguir la máxima plasticidad, de cara a su conformado en frío a temperatura ambiente.  En aceros hipoeutectoides con alto carbono y en los aceros hipereutectoides, se usa para mejorar su maquinabilidad en procesos de fabricación por arranque de viruta. 3-7  3.4. RECOCIDO d. Recocido contra acritud.  Si un acero con estructura ferrítico-perlítica se somete a deformación plástica en frío endurecimiento por acritud, alargándose los granos de ferrita y multiplicándose las dislocaciones dentro de ésta.  Para ablandar posteriormente el material recocido contra acritud.  Temperatura del recocido contra acritud:  Si es inferior a la de recristalización de la ferrita proceso de restauración moderado ablandamiento.  Si es mayor que la temperatura de recristalización regeneración completa de la estructura se habrá perdido el endurecimiento producido por la acritud.  NOTA: En las microestructuras con ferrita con alta densidad de dislocaciones, dicha ferrita podrá recristalizar durante otros tratamientos térmicos a alta temperatura (por ejemplo, durante el revenido). 3-8  3.4. RECOCIDO e. Recocido contra tensiones.  Es un calentamiento subcrítico (por debajo de A1), empleado para reducir las tensiones residuales que pueden aparecer durante la fabricación de piezas o estructuras de acero debido a enfriamientos rápidos, procesos de soldadura o mecanizado, deformación en frío…  Las tensiones residuales se eliminan progresivamente con el mantenimiento prolongado de la pieza a temperaturas inferiores a las que se utilizan en los recocidos de recristalización. La etapa de calentamiento y, especialmente, la de enfriamiento, deben hacerse muy lentamente para evitar introducir nuevas tensiones internas de origen térmico. 3-9  3.4. RECOCIDO Temperaturas típicas de austenización en distintos tratamientos. 3-10 3.5. NORMALIZADO 3.5. Normalizado. 3-11  3.5. NORMALIZADO  El normalizado consiste en austenizar el acero a una temperatura por encima del punto crítico superior (A3 o Acm), dejándolo enfriar al aire en calma.  En aceros hipoeutectoides, el objetivo es conseguir una estructura ferrítico- perlítica similar a la del recocido total, pero más fina.  Comparación. Respecto del recocido, en el normalizado:  Los granos de ferrita son más pequeños.  El espesor de las láminas de ferrita y cementita dentro de la perlita es menor.  Hay una mayor cantidad de perlita, al desplazarse el punto eutectoide hacia una menor concentración de carbono.  El acero normalizado tiene más dureza, límite elástico y resistencia que el recocido, junto a un poco menos de plasticidad. La tenacidad suele ser similar, e incluso en algunos casos mayor. 3-12 3.5. NORMALIZADO Acero recocido Acero normalizado 3-13  3.5. NORMALIZADO  A mayor cantidad de carbono, mayor dureza y resistencia pero menor plasticidad y tenacidad.  Es un tratamiento razonablemente económico porque, aunque la temperatura de austenización que se utiliza es algo mayor que la del recocido, el enfriamiento se hace al aire.  En ocasiones se aplica un normalizado a piezas tras su forja o moldeo, para producir una cierta homogeneización de composición y un afino de grano, antes por ejemplo de un temple.  Se aplica preferentemente en aceros al carbono (no aleados) o con muy poca cantidad de elementos de aleación.  Los aceros con gran cantidad de aleantes tendrán mucha templabilidad durante el enfriamiento al aire, se pueden formar bainitas e incluso martensita, quedando una estructura compleja y con un conjunto de propiedades no interesantes para su empleo en servicio. 3-14 3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS 3.6. Tratamientos isotérmicos. 3-15  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Tratamientos isotérmicos  Son tratamientos que tienen en común el que la austenita se enfría rápidamente hasta una temperatura, a la que se va a mantener durante un cierto tiempo.  Para realizar estos tratamientos hay que considerar el diagrama de transformación isotérmica del acero. 3-16  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Recocido isotérmico.  Se enfría rápidamente la pieza en estado austenítico hasta una temperatura dentro de la zona ferrítico-perlítica, manteniéndose a esa temperatura (dentro del horno) hasta cruzar la curva correspondiente al 99% de transformación. Tras ello, la pieza se saca del horno y se enfría al aire.  Ventajas del recocido isotérmico respecto del recocido convencional:  Se obtiene una estructura más homogénea y fina, eligiendo adecuadamente la temperatura de tratamiento se pueden conseguir mejores propiedades mecánicas.  Para ciertas temperaturas, se puede conseguir una estructura completamente perlítica, evitando la aparición de ferrita.  Se tarda un tiempo menor: la pieza se enfría al aire, no en el horno.  Es la forma más fácil de obtener una estructura perlítica en aceros de gran templabilidad, en los que incluso con enfriamientos lentos resulta difícil evitar la formación de bainitas. 3-17 3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Recocido isotérmico 3-18  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS b. Martempering.  El acero se enfría rápidamente (introduciéndolo en un baño de aceite o de sales fundidas) hasta una temperatura un poco superior a MS.  Se mantiene a esa temperatura para igualar lo más posible las temperaturas de la superficie y el centro de la pieza. El tiempo de permanencia debe ser inferior al necesario para que se inicie la transformación bainítica.  A continuación, se saca la pieza del baño y se deja enfriar al aire, produciéndose la transformación martensítica. 3-19  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS  Este tratamiento puede realizarse únicamente en aceros con mucha templabilidad, de manera que exista un intervalo de tiempo suficientemente grande, a temperaturas un poco por encima de MS, antes de que se inicie la reacción bainítica.  El objetivo del martempering es dar al acero un temple, consiguiendo una estructura completamente martensítica, pero evitando que se generen en la pieza tensiones peligrosas.  El mantenimiento a temperatura constante hace desaparecer el gradiente de temperatura en la pieza.  Como la transformación martensítica se produce durante el enfriamiento al aire posterior las diferencias de temperatura entre superficie y núcleo serán pequeñas, las tensiones internas que se desarrollen serán pequeñas no existe riesgo de agrietamiento.  La pieza debe recibir posteriormente un tratamiento de revenido, para mejorar su plasticidad y tenacidad. 3-20  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS c. Austempering.  Objetivo: conseguir, mediante un tratamiento isotérmico, una estructura completamente bainítica.  Se austeniza el acero, tras lo cual se enfría rápidamente por inmersión en sales fundidas hasta una temperatura dentro de la zona bainítica del diagrama de transformación isotérmica.  Se mantiene la pieza a esa temperatura hasta que se consiga la transformación completa de la austenita en bainita, dejando que se enfríe al aire. 3-21  3.6. TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS  Las propiedades finales de la pieza dependerán de la temperatura elegida, ya que la estructura interna y las propiedades de las bainitas dependen de su temperatura de formación.  A menor temperatura mayor dureza y menor plasticidad.  Se precisan aceros de alta templabilidad.  Ventajas del austempering frente al bonificado (temple + revenido):  Para una misma resistencia y dureza, con el austempering se consigue una mayor plasticidad y tenacidad.  Se ahorra el revenido posterior.  Durante la descomposición de la austenita, al hacerlo isotérmicamente, no se desarrollan tensiones en la pieza no hay riesgo de distorsión o agrietamiento.  Inconvenientes: elevado precio de los aceros y la complejidad de su ejecución, con un baño de sales fundidas. 3-22 3.7. TRATAMIENTOS INTERCRÍTICOS 3.7. Tratamientos intercríticos. 3-23  3.7. TRATAMIENTOS INTERCRÍTICOS  En muchas aplicaciones en la industria, los materiales usados deben ser de fácil conformabilidad, soldables y reparables, manteniendo buenas propiedades mecánicas.  Los tratamientos intercríticos se utilizan con aceros de bajo contenido en carbono (aleados o no).  Consisten en calentar el acero hasta alcanzar la región bifásica del diagrama Fe-C, donde coexisten la ferrita y la austenita. A medida que se aumenta la temperatura del tratamiento se incrementa la proporción de austenita (que puede deducirse utilizando la regla de la palanca).  Después de que el acero de bajo contenido en carbono se ha calentado hasta la zona intercrítica, se enfría rápidamente: la ferrita ya no se transforma, y la austenita se convierte en martensita.  La microestructura final resultante es una mezcla de ferrita (como matriz) con una alta densidad de dislocaciones, con zonas dispersas de martensita (en ocasiones también aparece una pequeña proporción de austenita retenida) aceros de fase dual, DP. 3-24  3.7. TRATAMIENTOS INTERCRÍTICOS  En aceros de baja templabilidad, se necesita utilizar un medio de enfriamiento muy severo (agua) para formar martensita.  En aceros aleados, con mayor templabilidad, basta un enfriamiento al aire para formar martensita ya que, aunque sean aceros de bajo contenido en carbono, el tratamiento intercrítico genera una austenita con un contenido de carbono muy superior al medio del acero (y tanto mayor cuanto menor es la temperatura del tratamiento), por lo que su templabilidad también es mayor.  Los aceros de fase dual combinan alta dureza y resistencia mecánica, (gracias a la presencia de martensita), con una buena ductilidad, proporcionada por la ferrita. La ferrita también aporta una buena capacidad de endurecimiento adicional por deformación.  Las propiedades finales de estos aceros dependen de la fracción en volumen de ferrita y martensita, que a su vez dependen del contenido en carbono, de la temperatura del tratamiento intercrítico y de la facilidad de temple (que a su vez depende del contenido en aleantes y del tamaño de la pieza). 3-25 3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS 3.8. Tratamientos termomecánicos. 3-26  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS  Buscan conseguir simultáneamente alta resistencia y buena tenacidad.  Consisten en deformaciones plásticas previas, simultáneas o posteriores (tratamientos mecanotérmicos) a las transformaciones alotrópicas de la austenita que se producirán durante los tratamientos térmicos, para mejorar las propiedades mecánicas del producto final.  Tipos de tratamientos termomecánicos.  Clase I. La deformación se produce antes de la transformación de la austenita, bien a una T en la que la austenita es estable (por encima de A1: tratamiento termomecánico a alta temperatura, HTMT, y laminación controlada), bien en la región entre la zona perlítica y la bainítica (donde la austenita es inestable: ausforming).  Clase II: La deformación se produce durante la transformación de la austenita. En función de la temperatura, puede obtenerse perlita (isoforming), o martensita (aceros TRIP).  Clase III: La deformación plástica se produce después de la transformación, bien en perlita (perlitoforming), bien en martensita (marforming). 3-27  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS a. HTMT (Tratamiento termomecánico a alta temperatura).  La deformación plástica alta temperatura se realiza en la región de estabilidad de la austenita (por encima de A3).  Este proceso puede realizarse con cualquier tipo de acero, pero es habitual usarlo en aceros al carbono o de baja aleación Cr-Mn y Cr-Ni.  Consta de una serie de etapas:  Calentamiento a T > A3 y homogeneización (permanencia a 1100ºC-1200ºC).  Deformación plástica a T > A3 (entre 50ºC y 150ºC sobre A3), en una o varias pasadas. Hasta un 40-50% de deformación.  Mantenimiento (opcional) a la temperatura de deformación.  Enfriamiento rápido (temple).  Revenido (para aliviar tensiones y mejorar tenacidad). 3-28  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS  Dado que intervienen muchos parámetros en el proceso (temperatura y tiempo de homogeneización, temperatura de deformación, cantidad de deformación, tipo de deformación, velocidad de enfriamiento, temperatura y tiempo de revenido), los resultados finales pueden ser muy diversos.  Los resultados mejoran en aceros sin impurezas (aumenta la forjabilidad), en piezas no muy grandes ni complejas (para garantizar una deformación homogénea) y usando altas velocidades de deformación y enfriamiento (para evitar la recristalización dinámica).  Mejoras obtenidas con el HTMT:  Para un mismo revenido, se obtiene mayor resistencia y límite elástico que con un temple + revenido convencional.  La ductilidad, a igual resistencia, es más alta.  Desaparece la fragilidad de revenido y desciende la temperatura de transición dúctil-frágil.  Aumenta la resistencia a fatiga. 3-29  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS b. Ausforming.  La deformación de la austenita se produce a temperaturas en las que está en un estado metaestable, en la zona de la “bahía” entre las transformaciones perlítica y bainítica.  La temperatura de deformación plástica de la austenita debe ser suficientemente baja para que no tengan lugar fenómenos de restauración ni de recristalización (usualmente entre 450ºC y 550ºC).  Tanto la temperatura de austenización como la de deformación de la austenita deben ser lo más bajas posibles, para tener el menor tamaño de grano y la mayor densidad de dislocaciones.  Se aplican muy niveles altos de deformación (50 al 70%), para aumentar la resistencia mecánica del producto final.  La temperatura de ausforming será tal que se pueda realizar la deformación de la austenita sin que se inicie su transformación.  Una vez deformada la pieza a la temperatura de ausforming, se enfría bruscamente para obtener una estructura martensítica, y posteriormente se realiza un revenido. 3-30  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS  Sólo puede aplicarse a aceros muy aleados (aceros rápidos, aceros de bajo carbono con alto Cr y Mo, o aceros inoxidables martensíticos).  Los equipos de deformación (laminación, extrusión, estampado) deben aplicar altas tensiones de deformación. El proceso es caro.  Ventajas del ausforming:  Una resistencia mecánica muy alta (de 2500 a 3000 MPa, mayor que en el HTMT), gracias a la acritud producida en la austenita, el afino de grano (y de las placas de martensita) y a la precipitación de carburos durante la propia deformación.  A igual valor de resistencia, mayor tenacidad que los aceros que se han sometido a temple y revenido convencional.  Buen comportamiento a fatiga (aunque algo menor que el HTMT). 3-31  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS c. Isoforming.  Desde el estado austenítico, se enfría rápidamente el acero hasta una temperatura en el dominio perlítico y se realiza la deformación antes, durante y después de la transformación perlítica.  La austenita (metaestable) se transforma totalmente durante la deformación, por lo que puede enfriarse después simplemente al aire.  La deformación (hasta el 70%, en una o varias etapas) origina una microestructura final con un grano ferrítico muy fino y partículas de cementita globulares uniformemente repartidas (no en láminas).  El producto final tiene una buena resistencia mecánica y buena tenacidad. Se usa en aceros de construcción (barras pretensadas y alambres trefilados).  A menor temperatura de deformación, mayor resistencia y menor tenacidad. 3-32  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS d. Aceros TRIP.  Están basados en la posibilidad de transformar la austenita en martensita mediante deformación plástica.  La base es la realización de un ausforming, y permiten obtener alto límite elástico, junto con alta ductilidad y tenacidad de fractura.  La deformación se produce entre MD (máxima temperatura a la que puede producirse la transformación martensítica por deformación) y Ms.  Etapas del proceso (variante del ausforming):  Austenización (con una disolución homogénea de los aleantes).  Enfriamiento y deformación severa (70-80%) por encima de MD en el intervalo 250-550ºC) para que precipiten carburos muy finos en la austenita. Enfriamiento al aire.  Deformación en frío a temperatura ambiente (por debajo de MD y por encima de Ms, que debe ser inferior a RT), para obtener martensita.  Revenido final de la martensita obtenida. 3-33  3.8. TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS  Los aceros TRIP deben tener una composición muy exacta, y en ella primará el Ni (para bajar mucho la Ms y hacer estable la austenita a temperatura ambiente).  Suelen ser aceros de tipo inoxidable, típicamente con 10% Cr y 8% Ni.  Se utilizan para fabricar productos planos y varillas. e. Marforming.  Consiste en deformar en frío la martensita o bainita obtenida tras el temple, y antes o después del revenido.  Se realizan deformaciones inferiores al 10%.  El límite elástico y la resistencia mejoran respecto del tratamiento de temple sin deformación posterior, por el aumento en la densidad de dislocaciones y una reprecipitación más fina de los carburos. 3-34