Los aceros

Los aceros

1.- ¿Qué es el acero? Microconstituyentes, estructuras cristalinas.

¿Qué es el acero? 

Son productos ferrosos con aleaciones de hierro y carbono, con porcentajes de carbono que varían ente un 0,03% y un 2% normalmente y algunos aceros especiales pueden alcanzar valores por encima del 4%. Los aceros son una combinación de una gran cantidad de elementos que pueden perjudicar o beneficiar el producto final, es por esta razón que las fundidoras actuales son tan cuidadosas en la composición química de sus productos.

Pieza echa con acero

Los aceros están conformados por conglomerados de átomos unidos por enlaces covalentes por lo que tiene un comportamiento físico que se puede explicar a nivel atómico. Si un elemento es cargado y puede recuperar su forma inicial se conoce como deforma elástica la cual se da cuando no se rompe el equilibrio de las fuerzas internas entre átomos y estas pueden regresan a su punto de equilibrio. El modulo de elasticidad a nivel atómico está directamente relacionada con la separación máxima entre átomos, siendo los materiales con enlaces fuertes los que presentan módulos elásticos con mayor capacidad. Los bajos módulos de elasticidad en algunos aceros, es debido a formaciones cristalinas dentro de la estructura y el tipo de falla que presentan es por deslizamiento de planos de átomos adyacentes, estos deslizamientos ocurren cuando las fuerzas cortantes alcanzan niveles críticos y un plano de átomos se mueve en relación a su contraparte. Este movimiento de planos se da de forma escalonada debido a las imperfecciones propias de cada estructura cristalina del acero. En la curva de deformación del acero se encuentra un punto máximo en la deformación, superado este máximo el acero comienza a fluir de forma plástica lo que impide recuperar completamente su estado inicial. Conocido como acero corrugado, es un acero al carbono laminado en caliente y diseñado para formar armaduras que serán recubiertas con concreto, este proceso se conoce como concreto armado o concreto reforzado

Microconstituyentes de los aceros:
Son constituyentes del acero los diferentes tipos de cristales que tienen formas, tamaños, composiciónes y características distintas. Por ejemplo: ferrita (hierro puro), cementita (carburo de hierro), la perlita (láminas combinadas de ferrita y cementita). Otros constituyentes son: austenita, martensita, bainita, sorbita…

Microconstituyentes del acero

- Ferrita: Es el más blando de todos y tiene una buena resiliencia y alargamiento, se considera como hierro puro y cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo .

- Cementita: Es el más duro y a la vez muy frágil, es carburo de hierro de formula Fe3C, contiene 6.67 %C.

- Perlita: Formado por finas láminas de ferrita y cementita; tiene propiedades intermedias a estos constituyentes. La perlita tiene 0.9% de carbono y una gran resistencia al desgaste. Formado por 88 % de ferrita y el 12 % de cementita. Aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita.

- Austenita: Es una solución sólida de cementita en hierro gamma. Solo aparece a altas temperaturas, superiores a 700ºC más o menos, en función de la composición del acero. Aparece indicado este dato de cada acero en la tabla Fe-C. Existen algunos aceros denominados austeniticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. Y Es el constituyente mas denso de los aceros.

- Martensita: Solución sólida de cementita en hierro alfa. Sólo es posible obtenerlo desde altas temperaturas (desde austenita) si se enfrían rápidamente (agua, aceite, por ejemplo). Es muy dura , pero muy frágil.

2.- Carácteristicas físicas de los aceros

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:

- Su densidad media es de 7850 kg/m³. En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

- El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes, (excepto las aleaciones auténticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C. Su puntode ebullición es de alrededor de 3.000 °C.

3.-Diagrama hierro carbono

Los diagramas de fase permiten que entendamos porqué las características de aceros cambian con el contenido del carbón y nos permiten hacer los aceros con las características que requerimos.

En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, de forma que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse.

Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.

De esta forma, nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.

Este diagrama fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos.

D. Chernov, comenzó la elaboración del mismo, estableciendo en 1968 los puntos críticos del acero.

Más tarde otros como N. Gutovski, M. Wittorft, Roberts Austen, Roozebom hicieron una grandes aportaciónes al estudio de este diagrama. Los últimos datos acerca del diagrama están expuestos en las obras de I. Kornilov.

Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

Hay que tener en cuenta que en una mezcla de acero es posible encontrar los siguientes estados y formas alotrópicas:

Curvas formas alotrópicas

- Acero líquido: Mezcla de hierro y carbono a muy alta temperatura, la mezcla está en fase líquida y es homogénea.- Ferrita o hierro (alfa): Sistema cúbico, imanes permanentes

.

- Hierro (beta): Similar al alfa pero no es magnético.
- Austenita o hierro (gamma): Sistema cúbico centrado en las caras.

Austenita

- Hierro (delta): Red cúbica centrada en el cuerpo.
- Cementita (Fe3C): Sólido formado por el exceso de carbono en la mezcla (la cantidad que está en exceso sobre la solubilidad y que no puede ser disuelta en la mezcla). Es una sustancia dura y frágil que no puede ser laminada ni forjada.

Fase	Símbolo	Estructura	Características
Ferrita δ	δ	CC (C. cuerpo)	Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CC). Fase de alta temperatura.
Austenita	γ	CCC (C. caras)	Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CCC). Acepta máximo 2%p C, a 1148ºC. Dúctil y tenaz.
Ferrita	α	CC (C. cuerpo)	Solución sólida de C disuelto intersticialmente en Fe (CC). Acepta máximo 0,02%p C, a 723ºC. Blanda (120 Hardness Vickers, HV) y dúctil
Cementita	Fe3C	Ortorrómbica c>b>a	Una fase sólida no metálica, de carácter cerámico. Dura y frágil (1250, HV). Contiene 6,7%p C (25%a. C)

Concentración Carbono

Estas formas alotrópicas tienen diferentes propiedades y el acero adoptará unas u otras en función de cual sea la composición y la temperatura de la mezcla. En función de la utilización que se quiera hacer del producto resultante habrá que conseguir que la forma o las formas alotrópicas producidas sean unas u otras. Esa información se encuentra en el diagrama hierro-carbono.

La posición de un una mezcla de acero en el diagrama de hierro-carbono queda definida por su temperatura y el tanto por ciento en masa de carbono que tiene la mezcla. La temperatura se representa en el eje vertical (ordenadas), el porcentaje de carbono se representa en el eje horizontal (abcisas). El eje horizontal que representa la cantidad de carbón en la mezcla toma valores crecientes hasta el 6,67%.

El diagrama hierro-carbono tiene la forma:

Diagrama Simple

Como se puede observar es un diagrama complejo en el que pueden distinguirse muchas zonas, vamos a explicar las más importantes.

A la vista del diagrama podemos apreciar que en el eje de las abscisas hay cuatro puntos bien definidos:

1º.-  El límite del diagrama corresponde a una proporción de carbono del 6,67 % que es el de la cementita pura. Las aleaciones hiero-carbono con  carbono en proporción superior al 6,67 %, lo contendrán en forma de grafito y, por tanto, están excluidas de las aleaciones ahora consideradas, que deben estar formadas única y exclusivamente con carbono combinado con el hierro en forma de carburo de hierro.

2º.-  El punto C denominado eutéctico, correspondiente a una proporción de carbono del 4,3 %, y de carburo de hierro en total de 64,5 %. La aleación del 4,3 % de carbono es la de más bajo punto de fusión (1.130°) (1.148º). Además, la totalidad de la masa de la aleación funde o se solidifica a una sola temperatura en lugar de a dos temperaturas, una de principio y otra de fin del cambio de estado (fusión o solidificación, como ocurre con las aleaciones de contenido de carbono superior o inferior al 4,3 %).

Por eso la línea OZCD, de principio de solidificación, tiene con la OBYECF el punto común C, que es el eutéctico.

Y así como con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación se va precipitando austenita, y para aleaciones de contenidos de carbono superiores al 4,3 % entre el principio y el fin de la solidificación se precipitan cristales de cementita, las aleaciones del 4,3 % de C se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina  eutéctico y es la ledeburita, formado, como se sabe, por el 52 % de cementita y el 48 % de austenita de 2,11% de carbono a 1.148 grados.

3º.-  El punto E marca la máxima solubilidad del carbono en hierro gamma; es decir, que es el punto de máximo contenido de carbono de la austenita, que, como se recordará, es solución sólida de carbono en hierro gamma. Este punto corresponde a un contenido de carbono de 2,11%.

4º.- El punto S (P), denominado eutectoide, es análogo al punto C, que denominábamos eutéctico. La diferencia está en que en el punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido o de sólido a líquido, y en el punto eutectoide se produce solamente una transformación de la constitución de la aleación, que es sólida lo mismo a temperaturas inferiores que a temperaturas superiores al punto eutectoide.

La analogía, salvo esta diferencia, es total. Así como el punto C (eutéctico) marcaba la composición de la aleación que permanecía líquida a más baja temperatura, también el punto P (eutectoide) marca la composición de la austenita, que es estable a más baja temperatura. Este porcentaje es de 0,89% (0,77%) de C, o sea, 13,5% de carburo de hierro.

Además, la totalidad de la masa de la austenita, de composición eutectoide, se transforma íntegramente al pasar por el punto P (eutectoide) en perlita, que es el constituyente eutectoide, igual que era la ledeburita el constituyente eutéctico que se formaba al solidificarse la aleación en el punto C (eutéctico). Para contenidos de carbono superiores o inferiores al del punto P (0,77% de C), la austenita va segregando un constituyente nuevo hasta que, al llegar a la temperatura de 727º, la austenita alcanza la composición eutectoide y se transforma íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbono superiores aI 0,77%, la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm (PE), segrega cementita hasta llegar a los 727º. Y para porcentajes de carbono inferiores al 0,77% de C, la austenita, al bajar en su enfriamiento de temperaturas inferiores a las de la línea A3 (GP), segrega ferrita hasta llegar a los 727º.

5º.- Punto Y, cuyo porcentaje de carbono de 0,18 % es el de la austenita, que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492°. Este punto se denomina peritéctico, y puede considerarse como un punto eutéctico al revés.

6º.- El punto B, de 0,08 % de C, es el máximo porcentaje que puede contener en solución sólida el hierro delta.

7º.- Por último, el punto L, de 0,022% de C, que es el máximo porcentaje de carbono que puede disolver la ferrita.

Diagrama de colores

Las cuatro zonas coloreadas representas las únicas cuatro zonas en las que el acero obtenido está formado por una única fase.

- Dentro de la zona verde el acero está en estado líquido.

- Cuando un acero está dentro de zona amarilla nos encontremos con una sustancia sólida formada exclusivamente por austenita.

- La pequeña zona azul correspondiente a aceros con un muy bajo contenido en C y temperaturas en torno a los 1400ºC se corresponde con una única fase sólida  de acero .

- La pequeña zona naranja también con bajo contenido en C pero a temperaturas menores (en torno a los 700ºC) se encuentra en fase sólida y está formada por ferrita.

En el resto de las zonas tendremos una mezcla entre las fases indicadas en el gráfico. Sería posible calcular para una composición y una temperatura determinada el porcentaje de cada una de las fases presente en la mezcla, esto es algo que se escapa a los objetivos del curso.

4.- Clasifiación de los aceros en función del porcentaje de carbono

1- Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015)
Se seleccionan en piezas cuyo requisito primario es el conformado en frío.
Los aceros no calmados se utilizan para embutidos profundos por sus buenas cualidades de deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o llevan tratamientos térmicos.

Son adecuados para soldadura y para brazing. Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los calienta por encima de 600ºC.

2- Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030)
Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Son los comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas. Su respuesta al temple depende del % de C y Mn; los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo. Los de más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la capa.

Son aptos para soldadura y brazing. La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido.

3- Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053)
Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más
elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento. 

Se utilizan en amplia variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas. El contenido de C y Mn, depende de una serie de factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el % de C, de Mn o de ambos.

Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un recocido o normalizado previo.

Todos estos aceros se pueden aplicar para fabricar piezas forjadas y su selección depende del tamaño y propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. Los de mayor % de C, deben ser normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad.

Son también ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas.

Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no tratadas térmicamente.

Pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para evitar fisuras debido al rápido calentamiento y enfriamiento.

4- Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095)
Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas que no pueden lograrse con aceros de menor contenido de C.

En general no se utilizan trabajados en frío, salvo plaqueados o el enrollado de resortes.

Prácticamente todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y fisuras.

5.- Relación entre característica física y tamaño de grano

La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.

Metalografía del acero

La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende en mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más costoso no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en forma deficiente. El procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente sencillo y requiere de una técnica desarrollada sólo después de práctica constante. El último objetivo es obtener una superficie plana, sin rayaduras, semejante a un espejo. Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografíca. Para esto se pensó en realizar una práctica en la cual pudiéramos observar una pieza cuyas características fueran conocidas y así hacer la prueba de comprobación de los granos de la muestra en este caso fue un acero A-36 cuyo procedimiento se explican a continuación:

Tamaño de grano

El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.

En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.

Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.

6.- Otros productos siderúrgicos y sus características

Los productos siderúrgicos: son productos siderúrgicos que se obtienen por la reducción de los óxidos de hierro en los altos hornos, en los que se introducen los minerales, combustibles, fundentes y aire. Dependiendo del contenido en carbono de la aleación de hierro encontramos tres tipos:

-Fundición: Son aleaciones hierro-carbono con contenidos de entre el 1.7 al 6.7% de carbono.

-Hierros: reciben este nombre los aceros extrasuaves con 0.05 a 0.15% de carbono.

-Aceros: son aleaciones con menos del 2% de carbono. De carácter maleable, templan bien debido a que su contenido de carbono supera el 0,25%. Al aumentar el porcentaje de carbono, mejoran ciertas propiedades como la resistencia a la tracción, límite elástico y dureza. Sin embargo disminuye la ductibilidad, resiliencia y alargamiento de rotura. Se distinguen diferencian varios tipos:

-Aceros ordinarios: se clasifican en función de su contenido en carbono. Pertenecen a este tipo los denominados F-115 y F-145, que se utilizan en la fabricación de ejes para anclajes y chapas.

-Aceros aleados: son aceros a los que se añaden elementos adicionales al hierro y al carbono para modificar sus propiedades. Normalmente incorporan manganeso, níquel, cromo, molibdeno, vanadio, wolframio, silicio, etc. De esta manera el cromo aumenta la dureza y constituye la base de los aceros inoxidables, el wolframio se usa en aceros rápidos para la fabricación de herramientas, el níquel hace aumentar la tenacidad. Existen los siguientes tipos:

-Aceros aleados de gran resistencia: para usos en los que sea necesaria una gran resistencia a la tracción con buena tenacidad y resiliencia. Se encuentran aceros al níquel, cromo-níquel, cromo-molibdeno y cromo-níquel-molibdeno. Se emplea para pitones y clavos y tornillos de hielo.

-Aceros de gran elasticidad: deben tener suficiente resiliencia sin que disminuya mucho el límite elástico.

-Aceros de cementación: son aceros de bajo contenido en carbono que se destinan a la fabricación de piezas cuyo núcleo debe ser tenaz y su superficie muy dura y resistente. Se logran sometiendo a las piezas a un proceso de carburación superficial.

-Aceros inoxidables: son aceros destinados a resistir el efecto corrosivo de los medios naturales o industriales. Están constituidos por mezclas de cromo con contenidos de carbono que le dan dureza. En materiales de montaña se utilizan los denominados 18-8 (18% de cromo, 8% de níquel y 18-12 (18% de manganeso y 12% de cromo) ambos con contenidos en carbono menor del 0.1%.

-Aceros de alto contenido en carbono: incorporan adicionalmente cromo y wolframio, que proporcionan dureza y resistencia al desgaste.

-Aceros rápidos: utilizados en la fabricación de herramientas cortantes, como el llamado 18-4-1 (18% de Wolframio, 4% de cromo, 1 % de vanadio y 0. 7-0.8% de carbono). En el desarrollo de nuestras actividades en montaña sólo encontraremos este tipo de aceros en las brocas de "widia", que usamos para taladrar la roca.

Almacen de productos siderúrgicos

7.- Aleantes y características que aportan al acero

Tabla de los aleantes del acero

- Silicio: El silicio es empleado como desoxidante. Tiene un efecto doble, por un lado como agente efervescente y por otro se puede combinar con el oxígeno disuelto en el acero para disminuir las malas propiedades que este elemento pueda dar al acero (Si + O2 -> SiO2 (sílice)). El contenido en silicio no conviene que sea mayor del 0,2% en aceros que se van a soldar, debido a que el sílice tiene un punto de fusión muy alto. Sin embargo el silicio puede ser de hasta 0,3% en aceros obtenidos por moldeo, ya que le da al acero fundido fluidez. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio deber ser bajo, ya que favorece la descomposición de la cementita y la transforma en grafito. (Fe3C -> 3Fe+C)

- Azufre: Junto con el fósforo, el azufre es el elemento más problemático, ya que prácticamente es insoluble en el hierro y se presenta fundamentalmente en forma de sulfuro de hierro (FeS). El eutéctico que se forma es: L->Fe (0,01% S) + FeS a 988ºC. Este eutéctico se forma fundamentalmente en los límites de grano del acero. Al ser la temperatura tan baja, en procesos de laminación o forja se funde el eutéctico, volviéndose más frágil el acero en los límites de grano, propiedad conocida como fragilidad en caliente. Para evitarlo se utiliza manganeso, favoreciendo la formación de MnS en lugar de FeS.

- Manganeso: El manganeso también es un elemento desoxidante, además de utilizarse como desulfurante como ya hemos dicho. Pero para la formación de MnS, ha de utilizarse el proceso básico en los hornos. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero.

- Fósforo: Normalmente, el fósforo se disuelve en la ferrita hasta un 1%, pero por encima de este valor, aparece en forma de Fe3P. El fósforo aumenta la fragilidad de los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregación, produciendo el fenómeno de la segregación complementaria del acero (zonas de distinta concentración). En las zonas donde el contenido de carbono es mayor, hay más perlita y menos ferrita. Por el contrario, en las zonas con menor contenido en carbono, el porcentaje de perlita es menor y el de ferrita mayor. Esto provoca la aparición de bandas alternas de ferrita y cementita, conocidas como bandas fantasmas. El contenido de fósforo en el acero no debería ser superior a 0,05%.

- Niquel: Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta la templabilidad del acero. No tiende a formar carburos. Se pueden obtener aceros resistentes con menos contenido en carbono, incrementándose la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Es un elemento caro.

- Cromo: Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita, aumenta también la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es menos caro que el niquel.

- Molibdeno: Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecánica de los aceros a altas temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad de revenido en aceros al cromo-niquel. Da dureza secundaria de revenido. Además aumenta la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables en presencia de disoluciones de cloruros.

- Cobalto: Es el único aleante que desplaza las curvas TTT del acero hacia la izquierda. Da dureza secundaria de revenido. Aumenta la resistencia a la formación de óxidos a altas temperaturas. La adición de 8 a 10% de cobalto a los aceros para herramientas, aumenta sus propiedades de corte.

- Cobre: La presencia de cobre permite que las aleaciones puedan ser endurecidas por precipitación, dando una gran resistencia a la tracción y un elevado límite elástico. Mejora la resistencia a la corrosión electroquímica de los aceros (weathering steels).

- Plomo: Permanece disperso en forma de pequeñas partículas esféricas insolubles en el acero. Aumenta la maquinabilidad de los aceros en pequeñas proporciones (0,25%).

- Boro: Aumenta de manera muy notable la templabilidad en los aceros calmados de medio contenido en carbono. El porcentaje de boro siempre es muy pequeño (entre 0,0005 y 0,005%).

8.- Tratamientos térmicos. Explicar en base a diagrama Fe-C y desarrollar sus diagramas TTT.

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los
metales que tienen por objeto modificar su estructura cristalina (en especial, el tamaño del
grano). La composición química permanece inalterable. 

Existen tres tratamientos fundamentales: 

Proceso de tratamiento térmico

- Recocido. El metal se calienta durante cierto tiempo a una temperatura determinada
y, a continuación, se enfría lentamente. De esta manera, se consigue una mayor plasticidad
para que pueda ser trabajado con facilidad. La temperatura y la duración de este tratamiento
dependerán del grado de plasticidad que se quiera comunicar al metal, así como del grado
de tensiones internas iniciales existentes en él. 

- Temple. Consiste en el calentamiento del metal, seguido de un posterior enfriamiento
realizado de forma brusca. Con esto se consigue obtener un metal muy duro y resistente
mecánicamente, con su estructura cristalina deformada. El endurecimiento adquirido por
medio del temple se puede comparar al que se consigue por deformación en frío.

- Revenido. Se aplica exclusivamente a los metales templados, pudiendo considerarse
como un tratamiento complementario del temple. Con ello se pretende mejorar la tenacidad
del metal templado, a costa de disminuir un poco su dureza.

En base al diagrama TTT:

El diagrama Fe-C representa la transformación de la austenita cuando los enfriamientos son lentos o de equilibrio. Los productos finales de la transformación de la austenita en los aceros son la ferrita, cementita y la perlita.

Los enfriamientos rápidos de la austenita para obtener martensita no siguen el diagrama de equilibrio Fe-C por ser productos que no están en equilibrio. En estos casos el empleo del diagrama de equilibrio Fe-C no tiene sentido y en su lugar deben utilizarse las curvas “S” o diagramas TTT en el estudio de los tratamientos térmicos de temple, normalizado y recocido.

Los diagrama TTT (tiempo, temperatura y transformación) representan el tiempo necesario para transformar de forma isotérmica la austenita a una temperatura subcrítica específica y el producto de dicha transformación. Según el procedimiento seguido en el enfriamiento de la austenita se distinguen las transformaciones isotérmicas (curvas TTT) y las transformaciones por enfriamiento continuo (Curvas TEC).

Diagrama TTT

- Curvas TTT. Enfriamiento isotérmico. Registran como se transforma la austenita en un enfriamiento isotérmico y muestra los constituyentes y sus propiedades mecánicas (dureza y resistencia a la tracción) obtenidos a diferentes tiempos de transformación.

Curva TTT

- Curvas TEC. Enfriamiento continuo. Registran la transformación de la austenita cuando el enfriamiento hasta temperatura ambiente se realiza de forma continua.

Cada acero tiene sus propias curvas TTT o TEC y se diferencian de otros materiales por la capacidad de templabilidad y los constituyentes obtenidos a diferentes tiempos y temperaturas. Son necesarias cuando se pretende tratar térmicamente un acero y obtener unas propiedades mecánicas determinadas.

Las curvas TTT son representaciones importantes porque ayudan a conocer la forma de tratar térmicamente los diversos aceros para obtener las propiedades mecánicas deseadas en cada caso. Además de indicar cuanto tiempo se necesitará para que empiece la transformación a una temperatura subcrítica definida y cuanto tiempo necesitará para que la austenita esté completamente transformada. Además de los tiempos de transformación el diagrama informa sobre la constitución final obtenida, su dureza y en algunos casos su resistencia mecánica.

En el eje de abcisas se representa en escala logarítmica el tiempo de transformación en segundos. El eje de ordenadas, en su parte izquierda, indica las temperaturas de transformación y, en su parte derecha, puede incluirse el producto final obtenido y algunas propiedades mecánicas como la dureza o la resistencia mecánica.

Para su construcción deben realizarse, sobre el mismo material, estudios experimentales, basados en la congelación de la estructura austenítica a diferentes temperaturas y tiempos predeterminados. Evaluando en cada caso, su estructura metalográfica, los constituyentes obtenidos y la dureza del mismo. Los métodos metalográficos y dilatométricos son los más empleados en la construcción de las curvas “S”.

Método metalográfico. Consiste en calentar un conjunto de probetas del mismo material hasta su estado austenítico. Seguidamente se pasan a un baño de plomo o de sales a la temperatura de estudio. La extracción de las probetas a diferentes tiempos y su enfriamiento rápido permite que la austenita no transformada se convierta en martensita conservando los constituyentes obtenidos de forma isotérmica. La observación metalográfica posterior permite calcular el porcentaje de austenita transformada, su estructura y el porcentaje de austenita no transformada (martensita) para una misma temperatura y diferentes tiempos.

Método dilatométrico. La variación de la longitud de las probetas debido a las dilataciones-contracciones permiten conocer el tiempo requerido para que se produzca el inicio y fin de la transformación de las austenita. Los cambios volumétricos son debidos a las modificaciones microestructurales y son registrados por medio de un reloj micrométrico.