Metalurgia de Aleaciones: Propiedades, Tratamientos Térmicos y Microestructuras

Diagrama Hierro-Carbono: Reacción Eutectoide y Microestructuras

En el **diagrama Fe-C**, la **reacción eutectoide** describe la transformación de una fase sólida en dos fases sólidas diferentes al enfriarse. En el caso del **diagrama hierro-carbono**, esta reacción ocurre a 721ºC con un 0,8% de carbono, donde la **austenita** (γ) se transforma en **perlita**, una mezcla laminar de **ferrita** (α) y **cementita** (Fe₃C).

Microestructura Hipoeutectoide

Si la muestra contiene 0,4% de carbono, se calienta a casi 900ºC para obtener una estructura de **austenita homogénea**. Posteriormente, el acero se enfría hasta una temperatura de 800ºC, y luego de 800ºC a 735ºC. Durante este enfriamiento, la cantidad de **ferrita proeutectoide** seguirá incrementando hasta alcanzar el 50% de **austenita** antes de la transformación eutectoide.

Microestructura Hipereutectoide

Si la muestra tiene un contenido de 1,2% de carbono y se calienta a casi 950ºC, manteniendo la temperatura el tiempo suficiente, toda su estructura llegará a estar formada por **austenita**.

Diagramas de Transformación y Elementos Aleantes

Los **diagramas de Bain** (a menudo referidos como diagramas TTT o CCT en el contexto de transformaciones de fase) representan la influencia de los diferentes **elementos de aleación** sobre la composición y la temperatura eutectoide, así como sobre la cinética de las transformaciones de fase.

Elementos Alfágenos y Gamágenos

Alfágenos: Si, W, Mo, Ti.
Gamágenos: C, N, Mn, Ni, Co.

Normalizado y Recocido: Diferencias y Semejanzas

El **normalizado** y el **recocido** son tratamientos térmicos fundamentales en la metalurgia, con diferencias y semejanzas clave:

Diferencias

El **normalizado** confiere mayor **resistencia** y **dureza** que el **recocido**.
El **recocido** implica un **enfriamiento más lento** que el **normalizado**.
Temperatura de calentamiento/austenización:
- Normalizado: 50-70ºC por encima de A3.
- Recocido: 30-50ºC por encima de A3.
Temperatura final de enfriamiento:
- Normalizado: Zona **perlítica**.
- Recocido: Zona **ferrito-perlítica**.
Fases y microestructura:
- Normalizado: **Perlita fina**, de **tamaño uniforme**.
- Recocido: **Ferrito-perlítico**.

Semejanzas

Ambos tratamientos son utilizados en materiales que posteriormente pueden someterse a **mecanizado**.
Ambos buscan una estructura **homogénea**.
Ambos implican **enfriamientos lentos** (aunque con diferentes velocidades relativas).

Efectos del Carbono y Aleantes en las Propiedades Mecánicas

Los **elementos de aleación** específicos y sus cantidades determinan el tipo de **acero de aleación** y sus **propiedades particulares**. Entre algunas de las **propiedades mecánicas** que modifican estos **aleantes**, destacan:

Un aumento de **resistencia** y **dureza**.
Mayor **resistencia a impactos**, **fatiga** y **corrosión**.
Mejor **maquinabilidad**.
Aumento de la **penetración del temple**.

Ejemplos Característicos de Aleantes y su Función Principal

Aluminio: Actúa como **desoxidante** y produce un acero de **grano fino**.
Boro: Aumenta la **templabilidad**.
Cromo: Aumenta la **profundidad de endurecimiento** y mejora la **resistencia al desgaste** y **corrosión**.
Cobre: Mejora significativamente la **resistencia a la corrosión atmosférica**.
Magnesio: Actúa como **desoxidante** y neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la **penetración del temple**, así como su **resistencia** y **dureza**.
Níquel: Reduce la **temperatura de endurecimiento** y la **distorsión** al ser **templado**.
Silicio: Actúa como **desoxidante** y **endurecedor**.
Azufre: En grandes cantidades, aumenta la **maquinabilidad** del acero.
Titanio: **Desoxidante** y aumenta la **resistencia a altas temperaturas**. También **inhibe el crecimiento granular**.
Tungsteno: Gran **resistencia al desgaste** y **dureza a altas temperaturas**.
Vanadio: Aumenta la **dureza** y **resistencia a impactos y fatiga**.

Efectos de la Adición de Níquel en Aleaciones

La adición de **Níquel** en una aleación mejora las propiedades del **tratamiento térmico**, reduciendo la **temperatura de endurecimiento** y la **distorsión** al ser **templado**. La aleación con **níquel** amplía el nivel crítico de temperatura y no forma **carburos** u **óxidos**. Esto aumenta la **resistencia** sin disminuir la **ductilidad**.

Efectos en Aceros Inoxidables

Mejora la **estabilidad de la capa de óxido protectora**, mejorando la **templabilidad**.
En los elementos **gamágenos**, aumenta la región de existencia y estabilidad de la **fase gamma**.

Efectos en Acero Maraging

Si se añade un 18-25% de **níquel**, se producirá un **endurecimiento estructural** por **maduración** y **precipitación** de **Ti**, **Al**, **Mo** o **Co**.

Aceros Inoxidables Austeníticos: Carácter Inestable (TRIP) o Estable

Los **aceros inoxidables austeníticos** pueden presentar un carácter **inestable (TRIP)** o **estable** debido a la posibilidad de formación de **martensita**.

Martensita Mecánica vs. Martensita Térmica

Se puede obtener **martensita** por **deformación mecánica** de **austenita**; la temperatura a la que se realice debe ser intermedia entre **Md** y **Ms**.

Se define **Md** como la temperatura por debajo de la cual se puede obtener un 1% de **martensita** al deformar mecánicamente la **austenita**.
Tiene que ver con **Md30**, que es la temperatura por debajo de la cual se puede obtener el 50% de **martensita** al aplicar una deformación ε = 0.3, y además no debe existir **martensita térmica** (Ms < 25ºC).

Entonces, un acero es **inestable (TRIP)** si **Ms < 25ºC** y **Md30 > 25ºC**, lo cual significa que, aunque sea **austenítico** a temperatura ambiente, puede producirse **martensita** por **transformación mecánica**. Será **estable** si **Ms < 25ºC** y **Md30 < 25ºC**. Serán más estables cuanto más bajo sea **Md30**.

Principales Tipos de Aceros para Herramientas

Los **aceros para herramientas** se clasifican según su composición y aplicación. A continuación, se describen los principales tipos:

Tipos

Aceros al Carbono (W)
Utilizados para herramientas de corte de pequeñas dimensiones en trabajos en frío.
- Composición: Hasta 1.5% C. Débilmente aleados (Mn, Si, V).
- Tratamiento Térmico: Templables (en agua) si son piezas pequeñas (hasta 3 mm).
- Propiedades: **Duros** y poco **tenaces**.
Aceros Templables en Aceite (O)
Comúnmente usados para calibres.
- Composición: 0,9% C. Aleados con Cr, V, Mn, W.
- Tratamiento Térmico: Templables (en aceite) y para piezas medianas (10-15 mm).
- Propiedades: **Dureza** y **estabilidad dimensional** (**indeformables**).
Aceros para Matrices (A y D) y para Altas Temperaturas (H)
Aplicados en **forja** y **estampación**.
- Composición: Aleados con **Si**, **Mo**, **V**, **Cr** y **W**.
- Tratamiento Térmico: Templables al aire.
- Propiedades:
  - **Tenaces**.
  - **Resistentes a la erosión**.
  - **Resistentes al desgaste**.
  - **Resistentes al choque térmico**.
  - Baja **deformabilidad**.
Aceros Rápidos (T y M)
Ideales para brocas.
- Composición: 0.7% < C < 1%. Aleados con **W**, **Mo**, **Cr**, **V** (se puede sustituir **W** por **Mo**).
- Tratamiento Térmico: Gran **templabilidad**: en **aire** o **aceite**.
- Propiedades: **Extraduros** (65 HRc).

Características Comunes y Diferencias

La característica más común es que todos son **templables**, y la diferencia radica en el medio de **enfriamiento** (aire, aceite o agua) utilizado durante el **temple**.

Errores en el Tratamiento de Temple y Revenido de Aceros de Baja Aleación

Si un acero de baja aleación, tras ser sometido a un proceso de **temple** completo y **revenido**, presenta una **dureza** inferior a la prevista inicialmente, pudieron haber ocurrido los siguientes errores de tratamiento:

El **temple** pudo realizarse incorrectamente, obteniéndose una **dureza** inferior a la prevista, bien por una **temperatura** o **tiempo insuficiente de austenización**, o bien porque el **enfriamiento** no fue lo suficientemente **rápido** para evitar las **transformaciones de tipo térmico** no deseadas.
El **revenido** pudo ser incorrecto, bien por haber seleccionado una **temperatura de revenido excesivamente alta** para el tiempo de tratamiento, o por **permanencia excesiva** a la temperatura seleccionada.

Clasificación de las Fundiciones de Hierro

Las **fundiciones de hierro** se clasifican principalmente según su composición y la forma en que se presenta el carbono:

Según su Composición

**Eutécticas** (4,3% C).
**Hipoeutécticas** (2,11% < C < 4,3%).
**Hipereutécticas** (C > 4,3%).
**Aleadas**.

Según la Forma de Presentarse el Carbono

**Fundición blanca**.
**Fundición gris**.
**Fundición atruchada**.
**Fundición maleable**.
**Fundición dúctil** o con **grafito esferoidal**.

Formación de Matrices en las Fundiciones de Hierro

Además de la forma del **grafito**, las **fundiciones de hierro** se clasifican según sus **matrices**, que se forman de la siguiente manera:

Fundición blanca: Matriz formada por **perlita**.
Fundición gris: Matriz formada por **perlita**, **ferrita** o una mezcla de ambas, interrumpidas por **láminas de grafito** frágiles y blandas que ocupan un gran volumen y producen **debilitamiento** y **fragilidad**.
Fundición dúctil o de **grafito nodular**: Microestructura de una **fundición dúctil**. Presenta **nódulos esféricos de grafito** en una **matriz ferrítica**.

Propiedades Específicas de las Fundiciones Gris y Dúctil

Fundición Gris

Baja **temperatura de fusión** (1100-1200ºC).
Bajo **coeficiente de contracción** al solidificar.
Son fáciles de **mecanizar**, tienen gran **resistencia al desgaste** (debido a que el **grafito** actúa como **lubricante** cuando roza) y una gran capacidad de **amortiguamiento de las vibraciones**.
La **resistencia mecánica** depende en gran medida de la **matriz**, aumentando la **resistencia a la tracción** y la **dureza** con la cantidad de **carbono combinado**, siendo mayor en la **matriz perlítica** que en la **ferrítica**.
Su **resistencia a la corrosión** frente al agua, ambientes industriales y otros medios poco corrosivos es superior a la de los **aceros al carbono**.

Fundición Dúctil

Mayor **resistencia mecánica**, **ductilidad** y **tenacidad** que la **fundición gris**, ya que, al encontrarse el **grafito** en forma **esferoidal**, la continuidad de la **matriz** se interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar.
Bajo **coeficiente de rozamiento**, alta **resistencia a la fatiga**, buena **resistencia a la corrosión**, buena **aptitud para el moldeo** y para ser **soldada**.

Alótropos del Titanio y sus Características

El **Titanio** presenta **dimorfismo**: a temperatura ambiente (Tamb) tiene una estructura **hexagonal compacta (HCP)**, llamada **fase alfa**. Por encima de 883ºC, presenta una estructura **cúbica centrada en el cuerpo (BCC)**, conocida como **fase beta**.

Esta última es más **deformable en caliente**, menos **resistente a la corrosión** y tiene menores **propiedades mecánicas a altas temperaturas**.

Aleaciones de Aluminio Termotratables y No Termotratables

Aleaciones Termotratables

Son aleaciones de **aluminio** con uno o más elementos que se caracterizan por aumentar su **solubilidad** con el **aluminio** a medida que aumenta su temperatura, y que presentan características para el **endurecimiento por precipitación**.

Aleaciones No Termotratables

Son aleaciones que incluyen diversas calidades de **aluminio puro** y aleaciones cuya **resistencia** obedece al **endurecimiento por disolución de sólido** y al **endurecimiento por deformación** derivado del **trabajo en frío**. Al trabajarlas en **frío** se puede aumentar su **resistencia**, por lo que generalmente se les aplica un proceso de **trabajo en frío**.