El tratamiento térmico del acero es el mecanismo más poderoso para influir en su estructura y propiedades. Se basa en modificaciones de redes cristalinas en función del juego de temperaturas. La ferrita, la perlita, la cementita y la austenita pueden estar presentes en una aleación de hierro y carbono en diversas condiciones. Este último juega un papel importante en todas las transformaciones térmicas del acero.
Definición
El acero es una aleación de hierro y carbono, en la que el contenido de carbono es de hasta un 2,14 % teóricamente, pero tecnológicamente aplicable lo contiene en una cantidad no superior al 1,3 %. En consecuencia, todas las estructuras que se forman en él bajo la influencia de influencias externas también son variedades de aleaciones.
La teoría presenta su existencia en 4 variantes: una solución sólida de penetración, una solución sólida de exclusión, una mezcla mecánica de granos o un compuesto químico.
La austenita es una solución sólida de penetración de átomos de carbono en la red cristalina cúbica de hierro centrada en las caras, conocida como γ. El átomo de carbono se introduce en la cavidad de la red γ de hierro. Sus dimensiones superan los poros correspondientes entre los átomos de Fe, lo que explica el limitado paso de los mismos a través de las "paredes" de la estructura principal. Formado en procesosTransformaciones de temperatura de ferrita y perlita con calor creciente por encima de 727˚С.
Gráfico de aleaciones de hierro-carbono
Un gráfico llamado diagrama de estado hierro-cementita, construido experimentalmente, es una clara demostración de todas las opciones posibles para las transformaciones en aceros y fundiciones. Los valores de temperatura específicos para una cierta cantidad de carbono en la aleación forman puntos críticos en los que se producen cambios estructurales importantes durante los procesos de calentamiento o enfriamiento, también forman líneas críticas.
La línea GSE, que contiene los puntos Ac3 y Acm, representa el nivel de solubilidad del carbono a medida que aumentan los niveles de calor.
| Tabla de solubilidad del carbono en austenita en función de la temperatura | |||||
| Temperatura, °C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Solubilidad aproximada de C en austenita, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Características de la educación
La austenita es una estructura que se forma cuando se calienta el acero. Al alcanzar la temperatura crítica, la perlita y la ferrita forman una sustancia integral.
Opciones de calentamiento:
- Uniforme, hasta alcanzar el valor requerido, exposición corta,enfriamiento. Dependiendo de las características de la aleación, la austenita puede formarse total o parcialmente.
- Aumento lento de la temperatura, largo período de mantenimiento del nivel de calor alcanzado para obtener austenita pura.
Propiedades del material calentado resultante, así como las que se producirán como consecuencia del enfriamiento. Mucho depende del nivel de calor alcanzado. Es importante evitar el sobrecalentamiento o sobrecalentamiento.
Microestructura y propiedades
Cada una de las fases características de las aleaciones hierro-carbono tiene su propia estructura de redes y granos. La estructura de la austenita es lamelar, con formas cercanas tanto aciculares como escamosas. Con la disolución completa del carbono en el hierro γ, los granos tienen una forma clara sin la presencia de inclusiones oscuras de cementita.
La dureza es de 170-220 HB. Las conductividades térmica y eléctrica son un orden de magnitud inferiores a las de la ferrita. Sin propiedades magnéticas.
Las variantes de enfriamiento y su velocidad conducen a la formación de varias modificaciones del estado "frío": martensita, bainita, troostita, sorbita, perlita. Tienen una estructura acicular similar, pero difieren en la dispersión de partículas, tamaño de grano y partículas de cementita.
Efecto del enfriamiento sobre la austenita
La descomposición de la austenita ocurre en los mismos puntos críticos. Su eficacia depende de los siguientes factores:
- Velocidad de enfriamiento. Afecta la naturaleza de las inclusiones de carbono, la formación de granos, la formación de la finalMicroestructura y sus propiedades. Depende del medio utilizado como refrigerante.
- La presencia de un componente isotérmico en una de las etapas de descomposición - cuando se baja a un cierto nivel de temperatura, el calor estable se mantiene durante un cierto período de tiempo, después del cual continúa el enfriamiento rápido, o se produce junto con un dispositivo de calentamiento (horno).
Así, se distingue una transformación continua e isotérmica de la austenita.
Características del carácter de las transformaciones. Gráfico
Gráfico en forma de C, que muestra la naturaleza de los cambios en la microestructura del metal en el intervalo de tiempo, según el grado de cambio de temperatura: este es el diagrama de transformación de austenita. El enfriamiento real es continuo. Solo son posibles algunas fases de retención forzada de calor. El gráfico describe las condiciones isotérmicas.
El carácter puede ser de difusión y no difusión.
A tasas de reducción de calor estándar, el grano de austenita cambia por difusión. En la zona de inestabilidad termodinámica, los átomos comienzan a moverse entre sí. Aquellos que no tienen tiempo para penetrar en la red de hierro forman inclusiones de cementita. Están unidos por partículas de carbono vecinas liberadas de sus cristales. La cementita se forma en los límites de los granos en descomposición. Los cristales de ferrita purificada forman las placas correspondientes. Se forma una estructura dispersa: una mezcla de granos, cuyo tamaño y concentración dependen de la rapidez de enfriamiento y el contenido.aleación de carbono. También se forman perlita y sus fases intermedias: sorbita, troostita, bainita.
A tasas significativas de disminución de la temperatura, la descomposición de la austenita no tiene un carácter de difusión. Se producen distorsiones complejas de cristales, dentro de las cuales todos los átomos se desplazan simultáneamente en un plano sin cambiar su ubicación. La f alta de difusión contribuye a la nucleación de la martensita.
Influencia del endurecimiento en las características de descomposición de la austenita. Martensita
El endurecimiento es un tipo de tratamiento térmico, cuya esencia es el calentamiento rápido a altas temperaturas por encima de los puntos críticos Ac3 y Acm, seguido de un enfriamiento rápido. Si se baja la temperatura con la ayuda de agua a una velocidad de más de 200˚С por segundo, se forma una fase acicular sólida, que se llama martensita.
Es una solución sólida sobresaturada de penetración de carbono en hierro con una red cristalina de tipo α. Debido a los poderosos desplazamientos de los átomos, se distorsiona y forma una red tetragonal, que es la causa del endurecimiento. La estructura formada tiene un volumen mayor. Como resultado, los cristales delimitados por el plano se comprimen y nacen placas con forma de aguja.
Martensita es fuerte y muy dura (700-750 HB). Formado exclusivamente como resultado de un enfriamiento rápido.
Endurecimiento. Estructuras de difusión
La austenita es una formación a partir de la cual se pueden producir artificialmente bainita, troostita, sorbita y perlita. Si el enfriamiento del endurecimiento ocurre envelocidades más bajas, se llevan a cabo transformaciones de difusión, su mecanismo se describe arriba.
Troostite es perlita, que se caracteriza por un alto grado de dispersión. Se forma cuando el calor disminuye 100˚С por segundo. Una gran cantidad de pequeños granos de ferrita y cementita se distribuyen por todo el plano. La cementita “endurecida” se caracteriza por una forma laminar, y la troostita obtenida como resultado del revenido posterior tiene una visualización granular. Dureza - 600-650 HB.
La bainita es una fase intermedia, que es una mezcla aún más dispersa de cristales de ferrita con alto contenido de carbono y cementita. En términos de propiedades mecánicas y tecnológicas, es inferior a la martensita, pero supera a la troostita. Se forma en rangos de temperatura cuando la difusión es imposible, y las fuerzas de compresión y movimiento de la estructura cristalina para la transformación en una martensítica no son suficientes.
El sorbitol es una variedad de fases de perlita con forma de aguja gruesa cuando se enfría a una velocidad de 10˚С por segundo. Las propiedades mecánicas son intermedias entre la perlita y la troostita.
La perlita es una combinación de granos de ferrita y cementita, que puede ser granular o laminar. Formado como resultado de la descomposición suave de la austenita con una velocidad de enfriamiento de 1˚C por segundo.
La beitita y la troostita están más relacionadas con las estructuras de endurecimiento, mientras que la sorbita y la perlita también pueden formarse durante el templado, el recocido y la normalización, cuyas características determinan la forma de los granos y su tamaño.
Efecto del recocido encaracterísticas de descomposición de la austenita
Prácticamente todos los tipos de recocido y normalización se basan en la transformación recíproca de la austenita. El recocido completo e incompleto se aplica a los aceros hipoeutectoides. Las piezas se calientan en el horno por encima de los puntos críticos Ac3 y Ac1 respectivamente. El primer tipo se caracteriza por la presencia de un largo período de mantenimiento, lo que asegura la transformación completa: ferrita-austenita y perlita-austenita. A esto le sigue un enfriamiento lento de las piezas de trabajo en el horno. A la salida se obtiene una mezcla de ferrita y perlita finamente dispersa, sin tensiones internas, plástica y duradera. El recocido incompleto consume menos energía y solo cambia la estructura de la perlita, dejando la ferrita prácticamente sin cambios. La normalización implica una mayor tasa de disminución de la temperatura, pero también una estructura más gruesa y menos plástica a la salida. Para aleaciones de acero con un contenido de carbono de 0,8 a 1,3%, al enfriarse, como parte de la normalización, la descomposición ocurre en la dirección: austenita-perlita y austenita-cementita.
Otro tipo de tratamiento térmico basado en transformaciones estructurales es la homogeneización. Es aplicable para piezas grandes. Implica la consecución absoluta del estado austenítico de grano grueso a temperaturas de 1000-1200 °C y exposición en el horno hasta por 15 horas. Los procesos isotérmicos continúan con un enfriamiento lento, lo que ayuda a nivelar las estructuras metálicas.
Recocido isotérmico
Cada uno de los métodos enumerados para influir en el metal para simplificar la comprensiónconsiderada como una transformación isotérmica de la austenita. Sin embargo, cada uno de ellos solo en una determinada etapa tiene rasgos característicos. En realidad, los cambios ocurren con una disminución constante del calor, cuya velocidad determina el resultado.
Uno de los métodos más cercanos a las condiciones ideales es el recocido isotérmico. Su esencia también consiste en calentar y mantener hasta la completa descomposición de todas las estructuras en austenita. El enfriamiento se implementa en varias etapas, lo que contribuye a una descomposición más lenta, prolongada y térmicamente estable.
- La rápida caída de la temperatura a 100˚C por debajo del punto Ac1.
- Retención forzada del valor obtenido (colocándolo en el horno) durante mucho tiempo hasta que se completen los procesos de formación de las fases de ferrita-perlita.
- Refrigeración en aire quieto.
El método también es aplicable a los aceros aleados, que se caracterizan por la presencia de austenita residual en estado enfriado.
Austenita retenida y aceros austeníticos
A veces es posible una descomposición incompleta cuando hay austenita retenida. Esto puede suceder en las siguientes situaciones:
- Enfriamiento demasiado rápido cuando no se produce una descomposición completa. Es un componente estructural de la bainita o martensita.
- Acero de alto carbono o de baja aleación, para los cuales los procesos de transformaciones austeníticas dispersas son complicados. Requiere métodos especiales de tratamiento térmico como la homogeneización o el recocido isotérmico.
Para alta aleación -no hay procesos de las transformaciones descritas. La aleación de acero con níquel, manganeso y cromo contribuye a la formación de austenita como la principal estructura fuerte, que no requiere influencias adicionales. Los aceros austeníticos se caracterizan por su alta resistencia, resistencia a la corrosión y resistencia al calor, resistencia al calor y resistencia a condiciones de trabajo difíciles y agresivas.
La austenita es una estructura sin cuya formación no es posible calentar el acero a alta temperatura y que interviene en casi todos los métodos de su tratamiento térmico para mejorar las propiedades mecánicas y tecnológicas.
