UNIDAD 7 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 7.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - La composición de la martensita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La temperatura de austenización. c) El medio de enfriamiento. d) La posición relativa de Ms y Mf. 2 - ¿Por qué se evita el revenido de aceros entre 200 y 400º C?: a) Por la bajada de dureza. b) Por la bajada de ductilidad. c) Por la bajada de tenacidad. d) Por la bajada de alargamiento. 3 - La obtención de estructuras 100% martensíticas en un acero requiere que: a) Ms se encuentre por encima de la temperatura ambiente. b) La velocidad de enfriamiento sea superior a la velocidad crítica. c) El acero sea aleado. d) a y b. 4 - La transformación martensítica tiene lugar en los materiales que presentan: a) Transformación eutéctica b) Transformación eutectoide c) Transformación alotrópica d) Sólo ocurre en los aceros 5 - El normalizado consiste en enfriar: a) Lentamente en el interior del horno b) Al aire ambiente c) Bruscamente en aceite d) Bruscamente en agua 6 - Los elementos de aleación en general: a) Mejoran la templabilidad b) Mueven a la derecha la curva de las S c) Hacen descender la curva Ms d) Todas son correctas 121

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

7 - Los elementos de aleación en los aceros se adicionan para: a) Elevar la temperatura de la transformación martensítica. b) Aumentar la dureza por solución sólida. c) Mejorar la templabilidad. d) Posibilitar la eliminación del revenido. 8 - El campo de aplicación de la transformación martensítica es el de: a) Metales o aleaciones enfriadas bruscamente. b) Aleaciones hierro-carbono. c) Metales o aleaciones con cambios alotrópicos. d) Aleaciones insolubles en estado sólido. 9 - La dureza de la martensita del acero es debida a: a) El contenido en carbono. b) El contenido en elementos de aleación. c) El contenido en azufre. d) La temperatura de austenización. 10 - Al incrementar el contenido en elementos de aleación en los aceros: a) Se reduce la temperatura eutectoide. b) Disminuyen Ms y Mf. c) Aumenta el contenido en carbono del eutectoide. d) Aumenta la velocidad crítica de temple. 11 - La misión fundamental de los revenidos a alta temperatura, es: a) Ganar tenacidad b) Rebajar las características estáticas c) Hacer el material apto para aplicaciones dinámicas d) Todas son correctas 12 - ¿Cuáles de los siguientes procesos no requiere la difusión?: a) Envejecimiento b) Transformación martensítica c) Recocido de homogeneización d) Revenido 13 - Las exigencias de precipitación de dos fases en la transformación bainítica favorece: a) La forma laminar alternada. b) La forma globular diseminada. c) La formación de granos alternados de las dos fases. d) Es invariante. 14 - El tamaño crítico del núcleo de perlita disminuye con: a) Las tensiones térmicas del enfriamiento. b) El grado de subenfriamiento bajo la temperatura del eutectoide. c) La existencia de núcleos extraños. d) La mayor existencia de bordes de grano. 15 - La dilatometría puede ser usada para determinar los puntos de transformación perlítica y bainítica pues cuantifica fundamentalmente entre los componentes y productos: a) Sus diferentes coeficientes de dilatación. b) Los diferentes calores específicos. 122

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

c) Los coeficientes de conductividad térmica. d) Los diferentes volúmenes específicos. 16 - La diferencia más importante entre las bainitas superior e inferior está en: a) Las temperaturas del tratamiento isotérmico. b) La forma de la fase α proeutectoide. c) La forma de agujas o nódulos de su microestructura. d) El color de la estructura en el microscopio óptico. 17 - Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) La velocidad de enfriamiento. c) El contenido en carbono. d) El tamaño de grano de la austenita. 18 - Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) Los elementos de aleación. c) La acritud previa. d) Los solutos intersticiales. 19 - El elemento de aleación que más influye en la posición hacia la derecha de las curvas de las S de transformación isotérmica es: a) Manganeso. b) Silicio. c) Níquel. d) Cromo. 20 - Las características resistentes de la estructura martensítica se multiplican, sobre las de la austenita original, por un factor del orden de: a) 1.5 a 2. b) 2 a 4. c) 4 a 10. d) Más de 10. 21 - Las microestructuras de listón o placa de la martensita tienen similitud en: a) Tamaño. b) Apariencia. c) Coloración. d) Plaquetas finísimas deslizadas o macladas. 22 - El plano habitual de la martensita está definido por: a) El plano de más fácil deslizamiento en la austenita. b) El plano común de coherencia entre la austenita y martensita. c) El plano incoherente de formación de la martensita. d) El plano interfase entre la austenita y martensita. 23 - Las distorsiones de Bain indican: a) Las tensiones de compresión y cortante que se observan en la formación de las placas de martensita. b) Las deformaciones térmicas que aparecen asociadas al proceso de enfriamiento en el 123

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

temple. c) Las variaciones atómicas obligadas por el cambio de red cristalina en la transformación alotrópica. d) Las posiciones de los átomos durante la transformación martensítica. 24 - La velocidad crítica de temple que se requiere para alcanzar las transformaciones sin difusión del soluto debe ser: a) Enfriamiento alto; por ejemplo, agua agitada. b) Enfriamiento continuo alto, suficiente para no cortar a la nariz perlítica de las curvas de las S. c) Enfriamiento en fluido aceite o agua. d) Enfriamiento menor que el necesario para no formar estructuras perlíticas. 25 - La velocidad crítica de temple depende de: a) Temperatura de austenización. b) Elementos de aleación. c) Contenido en carbono. d) Del fluido de enfriamiento. 26 - Una transformación martensítica se denomina atérmica porque: a) No depende de la temperatura. b) No es isotérmica. c) Es invariante con la energía interna. d) Depende de la variación de temperatura. 27 - La cantidad de transformado martensítico a una temperatura intermedia entre Ms y Mf de transformación aumenta con: a) El aumento del diámetro del grano. b) De los elementos de aleación. c) El aumento del contenido en carbono. d) Es invariante. 28 - Si se detiene la transformación martensítica a una temperatura intermedia Mi, Ms < Mi < Mf, resulta: a) Estructura martensítica con austenita que evolucionará a bainitas. b) Estructura martensítica en matriz austenítica. c) Estructuras martensíticas placadas con estructuras austeníticas. d) Estructuras martensíticas con perlitas transformadas. 29 - El grado de endurecimiento de la transformación martensítica depende directamente del contenido de: a) Martensita. b) Austenita. c) Perlita. d) Elementos de aleación. 30 - El endurecimiento del acero por transformación martensítica aumenta: a) La estricción. b) El grado de endurecimiento I = Le/σr. 124

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

c) La resiliencia. d) El alargamiento de rotura. 31 - Las aleaciones con transformación martensítica reversible se fundamentan en que ésta sucede por formación de: a) Deslizamientos. b) Maclas y deslizamientos. c) Maclas. d) Es invariante. 32 - Las aleaciones con memoria de forma controlan la temperatura de variación de forma por: a) Las temperaturas en las que se educan. b) La composición de la aleación. c) Las deformaciones que se aplican en la educación. d) El soluto sobresaturado. 33 - Las temperaturas de revenido deben cumplir las condiciones siguientes: a) Superiores a Ms e inferiores a A1. b) Superiores a temperatura ambiente e inferiores a A1. c) Superiores a Mf e inferiores a A3. d) Inferiores a Ms y superiores a Mf. 34 - Los tiempos de revenido deben seleccionarse atendiendo a: a) Hasta alcanzar la dureza deseada. b) El mínimo que alcance el entorno de la resistencia adecuada a la temperatura. c) Según el alargamiento requerido. d) Del orden de una hora. 35 - El revenido es conveniente aplicarlo a los aceros templados porque: a) Mejora la resistencia a la corrosión. b) Disminuye sus características resistentes. c) Aumenta sus parámetros de ductilidad y su tenacidad. d) Aumenta la dureza. 36 - La selección de las temperaturas del revenido debe realizarse atendiendo a: a) Las zonas que mejoran la ductilidad y tenacidad. b) Las zonas que obtienen mayor resistencia estática. c) Las zonas que evitan la fragilización. d) Según aplicaciones. 37 - Asigna cual es la causa de la fragilidad del revenido entre los procesos genéricos característicos que disminuyen la tenacidad de los materiales metálicos: a) Disminución de la ductilidad consecuencia del endurecimiento. b) Precipitación de fases frágiles en bordes de placas de martensita. c) Precipitación de fases frágiles en alineaciones de monocristales, dislocaciones en planos de deslizamiento. d) Endurecimiento propio de la estructura. 38 - La influencia de los elementos de aleación, Cr, Mo, V, en los aceros de herramientas revenidos a 500°C, se puede hipotetizar en la forma: a) A - Mantienen la dureza en compromiso con una mejora de la resiliencia. b) B - Mejoran la dureza y mantienen la resiliencia. 125

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

c) C - Mejoran dureza y resiliencia. d) Mejoran la dureza a costa de perder resiliencia. 39 - La gama de temperaturas en la que se localiza la fragilidad del revenido puede controlarse con: a) Los tiempos del revenido. b) El contenido de elementos de aleación en general. c) El contenido en silicio. d) Las tensiones originadas durante el temple.. 40 - Los diversos procesos de regeneración en el acero, recocidos de austenización, contra acritud o revenidos muestran como característica común: a) La cualidad de la microestructura en base de ferrita y perlitas. b) La cualidad y la forma de los constituyentes de la microestructura. c) Los niveles de temperatura aplicados. d) El estado original de la aleación. 41 - Los diversos procesos de regeneración en el acero muestran las diferencias entre ellos como consecuencia de: a) La aleación base. b) El estado original de la aleación. c) El tamaño de los componentes microestructurales. d) Los diferentes enfriamientos en el proceso. 7.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN 1. Transformación martensítica. Justificación. 2. Sobre un diagrama T.T.T. para un acero eutectoide indicar los constituyentes presentes en cada zona. 3. ¿ De qué parámetros depende la dureza de un acero con estructura martensítica ?. 4. ¿ Por qué es necesario aplicar un revenido tras los tratamientos de temple con transformación martensítica? 5. Define el concepto de velocidad crítica de temple. ¿ De qué parámetro depende ?. 6. Dibuja la estructura de un acero con 0,4 % de C en estado: a) Normalizado. b) Recocido. c) Revenido a alta temperatura. d) Templado. 7. Bajo qué condiciones: material, temperatura de austenización, etc., podemos encontrarnos que, tras el temple, no se alcanza la dureza correspondiente al 100% de martensita, observándose mezclas de M + A. 8. En un proceso industrial de temple, en aceros con 0.4% C, comienza a detectarse una menor dureza que en las piezas correspondientes a ese mismo acero con el tratamiento correcto. Se realizó un estudio de las piezas defectuosas y se determinó: a) Que la composición del acero es la correcta. b) Que la microestructura tras el temple presenta una mezcla de martensita con un 10 - 20% de ferrita. Señale y justifique ¿cuál es la causa del fallo? 126

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

10. ¿Cómo pueden obtenerse estructuras 100% martensíticas enfriando al aire una pieza de acero? Justifique la respuesta. 11. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación bainítica hipereutectoide y la hipoeutectoide. 12. Justifica los efectos contrarios sobre la posición de las curvas de las S de los elementos formadores de carburos en los aceros. 13. Indica, por bibliografía, los elementos que muestran efectos deformadores de las curvas de las S en los aceros. 14. Razona sobre las correlaciones que permiten admitir el diagrama TTT de transformaciones isotérmicas como apto para definir la velocidad crítica de temple. 15. Describe la evolución de transformado martensítico que podemos esperar si no existiera cambio en volumen entre las estructuras austeníticas y martensíticas. 16. Compara el proceso de transformación martensítica con otros procesos de transformación fundamentados en la nucleación y crecimiento, anotando los factores similares de aquellos otros diferenciados. 17. Analiza la aplicabilidad de la transformación martensítica si la velocidad de enfriamiento es superior a la definida como velocidad crítica de temple. 18. Justifica los procesos que permitirían eliminar la austenita retenida en las estructuras de aceros aleados. 19. Clasifica las aleaciones y aplicaciones más generales de las transformaciones con memoria de forma. 20. A partir del reconocimiento de las curvas de características estáticas y de resiliencia en el revenido de un acero delimita los campos de aplicación y características de cada uno de ellos. 21. Con el diagrama ∆Gv = f (T) obtenido en el Calorímetro Diferencial de Barrido, justificar por comparación con los obtenidos para los procesos de recristalización y precipitación de segundas fases. 22. Establece el modelo que relata la influencia de cada uno de los principales elementos en la resiliencia de un acero revenido. 23. Analiza las características que pueden esperarse en un acero de alto contenido de aleación que después del temple se le aplica el revenido para transformar la austenita retenida por largos periodos de tiempo.

127

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

7.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS Problema 7.1. La figura siguiente representa la curva de las S correspondiente a un acero aleado F-1204, austenizado a 850°C.

∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t dónde θ0 es la temperatura del medio al que se cede calor, en este caso, la temperatura del líquido de temple: 20°C . Se pide determinar: a) la constante k del enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple, para dicho acero.

1000 900 800 Temperatura, °C

En un enfriamiento continuo, la disminución de temperatura con el tiempo puede aproximarse mediante una ley de tipo:

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C

700 600

AC3 (0.4°/min) Aparición de la ferrita

AC1 (0.4°/min)

Austenita y carburos

25

500 400

35 Ms

300 200

75

Principio de transformación

14

20

Aparición de

13 Fin de transformación 15 24 24 80 22 65

38 32 42

30

Bainita Fin de transformación

Martensita

100 0

la perlita

Dureza Rc

55

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Tiempo, segundos

b) Si se pretendiese obtener estructuras bainíticas, determine las temperaturas del baño a utilizar y el tiempo necesario para obtener 100% bainita. Problema 7.2. A partir de la curva de las S del acero aleado F-1260, determine hasta que distancia del extremo templado en la probeta Jominy se obtendrán estructuras 100% Martensíticas. DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C

Notas:

1000

• El acero ha sido austenizado a 850°C. El agua empleada en el ensayo Jominy tiene una temperatura de 20°C.

Temperatura, °C

900 800

AC3 (0.4°/min)

700

AC1 (0.4°/min)

• El enfriamiento sigue una ley de tipo: Perlita

Austenita y carburos

600 500

17 10 20 22

Principio de transformación

400

Bainita

300

Fin de transformación

48 50%

200

90%

42

49 Martensita

100 59

Dureza Rc

0 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Tiempo, segundos

128

∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t • El diagrama Jominy muestra siempre una correlación entre distancias al extremo templado y velocidades de enfriamiento en la probeta. La equivalencia aparece directamente en el eje de abcisas. El inferior muestra las distancias al extremo templado. El superior muestra las velocidades de enfriamiento dq/dt, medidas a 704°C.

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

1000 900

Austenita

800

A1

700 600

14

Ps

γ

Pf

P+γγ

500

38 40

B+γγ

Bf

Dureza Rockwell C

Temperatura, °C

Problema 7.3. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero eutectoide, de la figura, describe el tratamiento isotérmico completo y la microestructura después de cada paso requerido para obtener una dureza de 32 Rc.

Problema 7.4. Una excelente combinación de 42 400 Bs dureza, resistencia y tenacidad en los aceros 52 300 Ms la proporciona la estructura bainítica. Uno 57 200 M+γ Mf de los tratamientos es austenizar a 750°C un 100 66 Martensita acero eutectoide, como el representado en la 0 figura anterior, enfriándolo rápidamente 0,1 1 10 102 103 104 105 hasta una temperatura de 250°C durante 15 Tiempo, segundos minutos, y finalmente enfriar hasta temperatura ambiente. ¿Es posible con este tratamiento descrito obtener la estructura bainítica requerida? Problema 7.5. Utilizando el diagrama de transformación isotérmica del acero de composición eutectoide, cuyas curvas han sido representadas anteriormente, especificar la naturaleza de la microestructura que se obtendrá ( en térmicos de microconstituyentes presentes y porcentajes aproximados) de una pequeña probeta que se ha sometido a los siguientes tratamientos. Suponer siempre, que la probeta se ha calentado a 800°C durante el tiempo suficiente para alcanzar una estructura austenítica. a) Enfriamiento rápido hasta 350°C, donde se mantiene durante 104 s, templando a continuación a temperatura ambiente. b) Enfriamiento rápido hasta 250°C, donde se mantiene durante 100 s, templando a continuación a temperatura ambiente. c) Enfriamiento rápido hasta 650°C, donde se mantiene durante 20 s, enfriamiento rápido a 400°C manteniendo de nuevo 1000 s y templando a continuación a temperatura ambiente.

b) 50% martensita y 50 % bainita c) 50% perlita gruesa, 25% bainita y 25% martensita.

900 800

A1

700

γ+α

A3 Ps

Fs

Pf

600 500

Bs

400

Ms

300

Mf

γ+

α

α + perlita

23

γ + α + perlita

ba

ini

ta

30

Bf

39

Bainita

49

γ + martensita

200

54

Martensita

62

100

Problema 7.7 Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un

0

Dureza Rockwell C

a) 100% perlita gruesa.

1000

Temperatura, °C

Problema 7.6. En un diagrama de transformación isotérmica del acero eutectoide, figura anterior, esquematizar y nombrar las etapas de temperatura tiempo que producen las siguiente microestructuras:

0,1

1

10

102

103

104

105

Tiempo, segundos

129

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

0,5% C, representado en la figura, Describir el tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente después de cada fases del tratamiento para obtener una dureza en el acero de 23 Rc. Problema 7.8. Un acero al carbono, con un 0.5% de C, es calentado es calentado a 800°C durante 1 hora, enfriado rápidamente a 700°C manteniéndolo a esta temperatura durante 50 s, enfriado de nuevo a 400°C durante 20 s, y finalmente enfriado a temperatura ambiente. ¿Cual es la microestructura final del acero tras el tratamiento? 900

Austenita 800

A+C

700

Temperatura, °C

Problema 7.9. Utilizando el diagrama TTT de la figura, correspondiente a un acero hipereutectoide con un 1.13% C, determinar la microestructura final, describiendo los microconstituyentes presentes, de una pequeña probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos. En todos los casos suponer que la probeta se ha calentado a 920°C durante el tiempo suficiente para conseguir la estructura austenítica completa y homogénea de partida.

600

A+P

500

A+B

400

Bainita A

300

50%

M (inicio) M (50%) M (90%)

200 100

a) Enfriar rápidamente a 250°C, mantener durante 16 minutos y templar a temperatura ambiente.

Perlita

0

0.1

1

102

10

103

104

105

106

T ie m p o , s e g u n d o s

b) Enfriar rápidamente a 650°C, mantener a esta temperatura durante 3 s, enfriar rápidamente a 400°C, mantener a esta temperatura durante 25 s y templar a temperatura ambiente. c) Enfriar rápidamente a 350°C, mantener durante 5 minutos y templar a temperatura ambiente. d) Enfriar rápidamente a 675°C, mantener durante 7 segundos y templar a temperatura ambiente.

700

Ps

600

Bs

Bs

500

Pf Bf

Ms

400

10

s

1

2°C/

0

ferrita + perlita + bainita + martensita

/s

/s

ferrita + ferrita bainita + 100 + martensita martensita 200

10°C

300

20°C

130

Fs

100°C/s

Problema 7.10. Un acero al carbono F1120, con un 0.18-0,23% de C, se enfría a una velocidad de 8°C/s cuando se templa en aceite, y a 50°C/s cuando se templa en agua. ¿Cual es la microestructura producida por cada uno de estos tratamientos descritos?. Considerar el diagrama de enfriamiento

800

Temperatura, °C

e) Enfriar rápidamente a 775°C, mantener durante 8 minutos y templar a temperatura ambiente.

900

102 T iempo, segundos

ferrita + perlita

103

ferrita + perlita + bainita

104

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

continuo de la figura. Problema 7.11. En la transformación isotérmica de un acero al carbono para herramientas, austenizado 5 minutos a 900°C, se han obtenido los siguientes valores: T (°C) Transf. Inicio Transf. Final Dureza HRC

700 600 4,2 min 1 s 22 min 10 s 15 40

500 400 300 200 100 1s 4 s 1 min 15 min 10 s 2 min 30 min 15 h 44 43 53 60 64

20 66

Construya la gráfica T.T.T. o curva de las S, e indique los constituyentes en cada una de las diferentes zonas. NOTA: Considerar el valor de Ms de 185°C y el valor de Mf de 35°C Problema 7.12. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un 0,5% C, representado en la figura del problema 7.7, describir: a) la microestructura final, indicando los constituyentes de una probeta sometida a una austenización a 800°C seguida de un enfriamiento brusco hasta 400°C, donde se mantiene durante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente. b) El tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente, después de cada fase del proceso térmico, para obtener una dureza en el acero de 30 Rc. Problema 7.13. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono eutectoide, con un 0,8% C, representado en la figura del problema 7.3, describir: a) La microestructura al someter al acero al siguiente tratamiento térmico: (i) temple instantáneo desde la región γ hasta 500°C, (ii) mantenimiento a esta temperatura durante 4 s, y (iii) temple instantáneo hasta 250°C. b) ¿Qué ocurriría si se mantiene la microestructura resultante durante un día a 250°C y posteriormente se enfría hasta temperatura ambiente? c) ¿Qué ocurriría si la microestructura resultante de la parte a) se templa directamente hasta la temperatura ambiente? a) Estimar la velocidad de enfriamiento necesaria para evitar la formación de perlita en este acero. Problema 7.14. El diagrama de transformación isotérmica de un acero aleado con un 2% de Ni, 0,7% de Cr y 0,25% de Mo es el representado en la figura siguiente, describir la microestructura final, indicando los constituyentes, de una probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos: a) Una austenización a 750°C seguida de un enfriamiento brusco hasta 300°C, donde se mantiene durante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente. b) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 350°C, manteniendo 3 horas, para 131

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

hasta

c) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 550°C, manteniendo 2 horas y 45 minutos, posteriormente enfriar de nuevo rápidamente hasta 400°C manteniendo durante 200 s y finalmente enfriar hasta temperatura ambiente. d) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 650°C, manteniendo 17 minutos, para enfriar de nuevo rápidamente hasta 400°C manteniendo 17 minutos más a esa temperatura enfriando finalmente hasta temperatura ambiente.

800

700

A+FA+F F+P A

500

A+B 400

50%

M (inicio)

B

300

M+A

M (50%) M (90%)

200

M 100

0

1

102

10

103

104

105

106

Tiempo, segundos

900 Austenita

Ferrita

800 700

Temperatura, °C

b) Después de la austenización, se enfría rápidamente en horno de sales hasta los 400°C, donde se mantiene durante 100 segundos, para enfriar posteriormente de forma brusca hasta temperatura ambiente.

+P

600

Problema 7.15. El diagrama TTT, de un acero con un 0,37% de carbono, es el representado en la figura siguiente. Describir la microestructura final, indicando los constituyentes de la misma, tras ser sometido a los siguientes tratamientos térmicos: a) Tras la austenización a 820°C, se enfría rápidamente en baño de sales a 650°C, manteniéndose a esa temperatura durante 100 segundos, enfriando de nuevo bruscamente hasta temperatura ambiente.

A Temperatura eutectoide

Temperatura, °C

enfriar de nuevo rápidamente temperatura ambiente.

Perlita

600 500 400

Bainita

Ms

300

50% 90%

200 100

Martensita

0

0,1

1

10

0.37% C 0,72% Mn 1,05% Cr 0,22% Mo

102 103 104 Tiempo, segundos

105 106

SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION: 1 - a, 2 - c, 3 - d, 4 - c, 5 - b, 6 - d, 7 - c, 8 - c, 9 - a, 10 - d, 11 - d, 12 – b, 13 – a, 14 – b, 15 – d, 16 – c, 17 – d, 18 – b, 19 – a, 20 – c, 21 – d, 22 – b, 23 – a, 24 – b, 25 – b, 26 – d, 27 – d, 28 – b, 29 – a, 30 – b, 31 – c, 32 – b, 33 – b, 34 – d, 35 - c, 36 – d, 37 – b, 38 – b, 39 - c, 40 – a, 41 – b.

132

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

7.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS Solución al problema 7.1 a) La velocidad crítica de temple es aquella cuya curva de enfriamiento es tangente a la nariz. Es decir, la velocidad más lenta que permite obtener estructuras 100% martensíticas.

A partir de la ecuación anterior: ∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t

1000 900 800 Temperatura, °C

Para este acero, la nariz viene definida por los puntos: Temperatura: 450°C, tiempo de enfriamiento: 19 segundos.

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C

700 600

AC3 (0.4°/min) Aparición de la ferrita

AC1 (0.4°/min)

Austenita y carburos

25

500 400

35 Ms

300 200

75

Principio de transformación

14

20

30

Bainita Fin de transformación

Martensita

100

puede determinarse el tiempo necesario para alcanzar una temperatura dada. Se tendrá:

0

la perlita

13 Fin de transformación 15 24 24 80 22 65

38 32 42

Aparición de

Dureza Rc

55

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Tiempo, segundos

θ

t ∂θ = -k ∫θ∫ ∂t θ 0 0 θ a

de donde, ln(

θ -θ 0 )= -kt θa -θ0

Sustituyendo los valores conocidos: θa = 850°C temperatura de austenización θ0 = 20°C temperatura del medio refrigerante θ = 450°C, t = 19 seg y despejando k se obtiene: ln( de dónde

450 - 20 )= -19.k 850 - 20

k = 0,0346

b) La transformación a bainita requiere la utilización de un tratamiento isotérmico adecuado, tal como se muestra esquemáticamente en la figura siguiente. En este caso, como ocurre con muchos aceros aleados, se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior, denominada nariz perlítica, y otra a menores temperaturas, denominada nariz bainítica. Atravesando isotérmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainíticas. 133

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

Así pues, el rango de temperaturas del baño isotérmico debe encontrarse entre: • Temperaturas del baño : desde Ms a 430°C. La pieza deberá permanecer en el baño hasta que se completen las transformaciones a bainita. • Para una temperatura de 400°C, el tiempo de tratamiento: 2000 minutos, obteniéndose bainita de dureza 32HRC. Solución al problema 7.2 Calculemos en primer lugar hasta que distancia en la probeta Jominy se obtiene 100% martensita. Para ello, se determina la constante de enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple, definida por el enfriamiento que es tangente a la nariz bainítica: Deben alcanzarse 400°C en menos de 110 segundos. De la ecuación: ln(

θ -θ 0 )= -kt θa -θ0

Sustituyendo los valores conocidos: θa = 850°C temperatura de austenización θ0 = 20°C temperatura del agua de enfriamiento θ = 400°C, t = 110 seg Podemos despejar k: ln( de dónde

400 - 20 )= -110.k 850 - 20

k = 0,0071

Una vez conocido el valor de k, podemos calcular la velocidad de enfriamiento a cualquier temperatura. Necesitamos conocer la velocidad a 704°C. Así, se tendrá, de la ecuación general de enfriamiento: ∂θ = k( θ -θ 0 ) ∂t Ve704°C = (dθ/dt)θ=704°C = 0,0071 (704-20) = 4,85 °C/seg Dicha velocidad de enfriamiento corresponde en el gráfico Jominy a una distancia de 28 mm (o 18/16 pulgadas). Así pues, en el gráfico Jominy existe martensita, con una dureza de unos 59 HRC, desde el extremo templado hasta los 28 mm. A partir de ese punto, aparecen estructuras de Martensita + Bainita, ya que durante el enfriamiento se entra dentro de la nariz. El gráfico Jominy se muestra a continuación:

134

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

ENSAYO JOMINY 200 100 50

20

10

5

Velocidad de enfriamiento a 704°C, 3 en °C por segundo

4

70

Dureza Rockwell, HRc

60

2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000

55 50 45 40

Martensita

35

Martensita + Bainita

30 25 20

900 800

15

700

Carga de rotura, MPa

65

10 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Distancia al extremo de la probeta templada, mm Solución al problema 7.3

1. Austenización alrededor de 725°C y mantenimiento durante 1 hora. El acero contiene en esta fase 100% de austenita.

1000 900

Austenita

800

A1

700 600

14

Ps

γ

Pf

P+γγ

500

B+γγ

400

Bs

300

40

Bainita

Bf

42 52

Ms

200

57

M+γ

Mf

100 0

38

Perlita

66

Martensita

0,1

1

10

102

103

Dureza Rockwell C

Temperatura, °C

En la figura podemos observar la dureza Rockwell C como una función de la temperatura de transformación. La dureza de 32 Rc se obtiene con estructuras transformadas a 650°C, donde Ps, inicio de transformación perlítica, es de 4 s y Pf, final de la transformación perlítica, sucede a los 40 s. El tratamiento térmico y las microestructuras serán, por tanto, como siguen:

104

105

2. Enfriamiento rápido a 650°C manteTiempo, segundos niendo al menos 40 segundos. Después de 4 segundos se inicia la nucleación de la perlita a partir de la austenita inestable. Los granos perlíticos van creciendo hasta los 50 segundos, siendo la estructura final 100% perlita. La perlita será de tamaño medio, al encontrarse entre las temperaturas de transformación a perlitas gruesas y finas. 3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como perlita.

135

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

Solución al problema 7.4 1000 900

Austenita

800

A1

700 600

14

Ps

γ

P+γγ

500

Perlita

Pf

40

B+γγ

400

42 52

Ms

200

57

M+γ

Mf

100 0

Bainita

Bf

Bs

300

38

66

Martensita

0,1

1

10

102

103

Dureza Rockwell C

Temperatura, °C

Utilizando el diagrama TTT del acero, examinamos el tratamiento térmico descrito. Tras el calentamiento a 750°C, la microestructura es 100% austenita. Después del enfriamiento rápido a 250°C, permanece la estructura austenita inestable hasta iniciar la transformación a bainita inferior a los 150 s. Después de 15 minutos, o 900 s, se ha formado cerca del 50% de bainita, permaneciendo todavía un 50% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente.

104

105

La estructura final obtenida será, por Tiempo, segundos tanto, de un 50% de bainita y un 50% de martensita, y por ello el tratamiento descrito no es adecuado al formar una estructura muy frágil, la martensítica. Para obtener una transformación total a bainita debería permanecer el acero, a los 250°C, al menos durante 104 s, o alrededor de 3 horas. Solución al problema 7.5

900 800

Austenita

A1

700 600

γ

B+γγ

400

Bs

300

100 0

Pf

P+γγ

500

200

14

Ps

Perlita Bainita

Bf

Martensita

40 42 52

Ms Mf

38

57

M+γ (b)

(c)

(a)

100% martensita 50% perlita 100% bainita 50% bainita

Dureza Rockwell C

a) A 350°C la austenita se transforma isotérmicamente en bainita; esta reacción empieza a los 10 s y termina a los 500 s. Por lo tanto, a los 104 s el 100% de la probeta es bainita y no ocurre posterior transformación, aunque posteriormente la gráfica de enfriamiento pase por la zona de transformación martensítica.

1000

Temperatura, °C

Las gráficas tiempo - temperatura se estos tratamientos están trazados en la figura adjunta. En todos los casos consideramos un enfriamiento rápido para prevenir cualquier transformación.

66

0,1 1 10 102 103 104 105 b) La transformación bainítica, a 250°C, empieza después de 150 s, por este Tiempo, segundos motivo después de 100 s la probeta mantiene el 100% de austenita. Al enfriar esta probeta a los 215°C la austenita empieza a transformarse instantáneamente en martensita. Al llegar a la temperatura ambiente casi el 100% de la microestructura es martensita.

c) En la transformación isotérmica a 650°C, la perlita empieza a formarse a los 7 s y después de 20 s aproximadamente el 50% de la probeta se ha transformado en perlita. El enfriamiento rápido hasta 400°C está indicado por la línea vertical y durante este enfriamiento prácticamente no hay 136

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

transformación de la austenita, aunque se crucen las zonas de transformación perlítica y bainítica. A 400°C empezamos a contar a partir del tiempo 0. Después de 1000 s a esta temperatura el 100% de la austenita que quedaba se transforma en bainita. Al templar a temperatura ambiente no ocurre ningún cambio microestructural. Por este motivo la microestructura final a temperatura ambiente consiste en 50% de perlita y 50% de bainita. Solución al problema 7.6 1000

800

Temperatura, °C

a) Para obtener 100% de perlita gruesa se deberá enfriar rápidamente a temperaturas entre los 650°C y los 710°C. Tras mantener un tiempo superior a los 200 s, se enfriará a temperatura ambiente.

900

Austenita

A1 14

700

Ps

600

P+γγ

500 400 300 200

γ

B+γγ Bs

Ms

Pf

(c)

(a) Bf

Perlita Bainita

38 40 42 52

Dureza Rockwell C

En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 750°C, donde la microestructura será 100% austenita.

57 M+γ Mf b) Tras la austenización, se realiza un (b) 100 66 enfriamiento rápido a temperaturas entre los Martensita 0 400°C y los 250°C que corresponden a 0,1 1 10 102 103 104 105 temperaturas de transformaciones bainíticas, el Tiempo, segundos tiempo correspondiente para obtener el 50% de transformación a bainitas. Si tomamos una temperatura de 250°C la transformación a bainita iniciará a los 150 s. Después de 15 minutos, o 900 s, se ha formado cerca del 50% de bainita, permaneciendo todavía un 50% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. Con ello, la estructura final obtenida será, de un 50% de bainita y un 50% de martensita.

Dureza Rockwell C

Temperatura, °C

c) Tras la austenización, deberá realizarse un enfriamiento rápido a temperaturas entre los 650°C y los 710°C que corresponden a temperaturas de transformaciones a perlitas gruesas, según el apartado a. Allí permanecerá hasta 1000 completar el 50% de transformación. Por 900 ejemplo, para 650°C alrededor de 50 s. γ+α Después enfriaremos rápidamente hasta A3 800 A 1 temperaturas entre los 400°C y los 250°C, Ps 700 Fs según el apartado anterior, para obtener la α α + perlita Pf 600 23 transformación bainítica. El tiempo γ + α + perlita γ+ 500 30 correspondiente, a una temperatura de ba Bs Bf ini t a 250°C, para obtener el 75% de 400 39 Bainita Ms transformación, de los cuales sólo el 25% 300 49 Mf γ + martensita será a bainitas, es de unos 5000 s. 200 54 Finalmente se enfriará rápidamente hasta Martensita 62 100 temperatura ambiente con lo que el resto de la austenita inestable se transformará a 0 0,1 1 10 102 103 104 105 martensita. Con ello, la estructura final obtenida será, de un 50% de perlita gruesa, Tiempo, segundos un 25% de bainita y un 25% de martensita.

137

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

Solución al problema 7.7 De la figura obtenemos una temperatura de austenización representada por la línea A3 de al menos 760°C. La dureza deseada de 23 Rc, se obtiene mediante transformación del acero a 590°C, donde a 1 s se inicia la transformación a ferrita, Fs, a los 1.15 s se inicia la transformación a perlita, Ps, y a los 5.5 s finaliza la transformación a perlita, Pf. Los tratamientos y microestructuras obtenidas serán las siguientes: 1. Austenización a 760 + (30 a 55) = 790°C a 815°C y mantenimiento durante 1 hora. El acero contiene en esta fase 100% de austenita. 2. Enfriamiento rápido a 590°C manteniendo al menos 5 segundos. Empieza formándose ferrita primaria precipitada de la austenita inestable después de 1 s. Más tarde, a los 1.15 s, inicia la transformación de perlita y la austenita se transforma completamente después de los 5.5 segundos. 3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como ferrita primaria y perlita. Solución al problema 7.8

1000 900

2. Tras un enfriamiento rápido a 700°C se inicia la transformación a ferrita a los 20 s y a los 50 s el acero contiene solamente ferrita y austenita inestable.

700

Temperatura, °C

3. Inmediatamente después de enfriar a 400°C, el acero sigue conteniendo solamente ferrita y austenita inestable. La bainita inicia su transformación transcurridos 3 s y después de 20 s, el acero contiene ferrita, bainita y restos de austenita inestable.

800

A1

γ+α

A3 Ps

Fs

Pf

600 500

Bs

400

Ms

300

Mf

γ+

α

α + perlita

23

γ + α + perlita

ba

ini

ta

30

Bf

39

Bainita

49

γ + martensita

200

54

Martensita

62

100 0

Dureza Rockwell C

1. Después de 1 hora de austenización a 800°C tendremos un 100% de austenita.

0,1

1

10

102

103

104

105

Tiempo, segundos

4. Después del enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, la austenita que queda atraviesa las líneas Ms y Mf y se transforma a martensita. La microestructura final será ferrita, bainita y martensita. Solución al problema 7.9 En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 815°C, donde la micro-estructura será 100% austenita. a) Tal como se observa en la figura no hay transformación a ninguna estructura mientras se encuentra a 250°C. Tras el temple final se obtendrá 100 de martensita. b) A la temperatura de 650°C obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita y concluimos con una transformación alrededor del 25% de perlitas gruesas. Tras el enfriamiento a 400°C iniciamos la transformación a bainita alrededor de los tres segundos y a los 25 s, sólo se ha transformado el 50% de la estructura restante, aproximadamente el 38%, y finalmente, el 138

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

resto se transforma con el último temple a temperatura ambiente en martensita. Por lo tanto la 900 estructura final obtenida será de un 25% de Austenita cementita y perlita gruesa, con un 38% de 800 (e) A + C bainitas superiores y el 38% restante de 700 martensita. Temperatura, °C

c) Al enfriar a 350°C no tenemos ninguna transformación hasta iniciar la transformación a bainitas intermedias a los 30 s, obteniendo una estructura de bainitas intermedias que constituye el 50% a los 5 minutos. El resto se transforma a martensita durante el temple hasta temperatura ambiente.

600

A+P

500

A+B

Perlita

400

Bainita A

300

50%

M (inicio) (d) M (50%) M (90%)

200 100

(b)

(c) (a)

0

0.1 1 10 102 103 104 105 106 d) A la temperatura de 675°C obtenemos la T ie m p o , s e g u n d o s transformación parcial de austenita a cementita, tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y con la proporción de fases que allí se indica. y concluimos con una transformación Esta cementita estable, precipitará en el borde de grano de la austenita. Tras el temple hasta temperatura ambiente, esta austenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actuará de matriz dándonos una estructura de máxima fragilidad. Es posible que no toda la cementita esté ubicada en los antiguos bordes de grano de la austenita al ser una transformación rápida y posiblemente incompleta.

e) A la temperatura de 775°C, estamos entre las temperaturas de inicio y fin de transformación eutectoide, por lo que obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita es tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y debido al tiempo de 8 minutos, con la proporción de fases que allí se indica. Tras el enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, esta austenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actúa de matriz dándonos ahora sí una estructura de máxima fragilidad. Solución al problema 7.10 800

Fs Ps

600

Bs

Bs

500

Pf Bf

Ms

400

1

s

0

ferrita + perlita + bainita + martensita

/s

/s

ferrita + ferrita bainita + 100 + martensita martensita 200

2°C/

300

10°C

Temperatura, °C

700

20°C

A los 50°C/s, la curva corta las líneas de inicio de transformación ferrítica, Fs, inicio de transformación bainítica, Bs, y la línea de inicio de transformación a martensita, Ms. La estructura será, por lo tanto, una

900

100°C/s

De la figura adjunta, una velocidad de enfriamiento de 8°C/s, entre los 2°C/s y los 10 °C/s, cruza las líneas de inicio de transformación ferrítica, Fs, inicio de transformación perlítica, Ps, y las líneas de inicio y fin de transformación bainítica, Bs y Bf. Por lo tanto, la estructura será una mezcla de ferrita, perlita y bainita.

ferrita + perlita

10 50°C/s 102 8°C/s 103

ferrita + perlita + bainita

104

T ie m p o , s e g u n d o s

139

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

mezcla de ferrita, bainita y martensita. Es posible también que todavía queda una pequeña cantidad de austenita retenida. Solución al Problema 7.11 La construcción del diagrama no ofrece ninguna dificultad. Tan sólo deberá tenerse en cuenta que la escala de abscisas es logarítmica respecto al tiempo. En la misma gráfica se indican los distintos constituyentes, así como las líneas singulares de inicio y fin de transformación.

800

Austenita

A1

700

Temperatura °C

600

Ps

Perlita

Pf

500 400 300 200

Bainita

Ms

100 0

Bf

Bs

Mf

Martensita

1 2 4 8 15 30 1 2 4 8 15 30 1 2 Minutos Segundos

4

8 15 30 60 Horas

Tiempo Solución del problema 7.12. 1000

a) Martensita + Bainita inferior

Solución del problema 7.13. a) La microestructura corresponderá, según el diagrama TTT a: 50% de perlita fina + 50% de austenita inestable b) Cuando mantenemos un día a 250°C,

800

A1

700

γ+α

A3 Ps

Fs

500

γ+

Bs

400

Ms

300

Mf

23

γ + α + perlita

ba

ini

ta

Bf

30

(b)

39

Bainita

49

γ + martensita

200

54

Martensita

100 0

α

α + perlita

Pf

600

62

(a) 0,1

1

10

102

103

Tiempo, segundos

104

105

Dureza Rockwell C

b) Enfriar bruscamente hasta los 500 ºC y mantener al menos durante 8 segundos, después enfriar a temperatura ambiente.

140

900

60 a 75 % Temperatura, °C

25 a 40%

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

la estructura resultante será 50% de perlita fina + 50% de bainita

800

c) Cuando enfriamos rápidamente desde los 250°C, obtendremos:

700

d) Si consideramos un enfriamiento desde la región austenítica a 800°C, la temperatura a la que se corta la nariz perlítica resulta de 538°C, a los 0,6 segundos, con lo que la velocidad mínima de enfriamiento será: v=

Perlita gruesa α + Fe3C

600

Temperatura, °C

50% de perlita fina + 50% de martensita

Austenita

727°C

Perlita fina

500 400

γ+

γ inest.

α+

a)

300

Bainita

Fe 3C

b)

Ms 200

M50 M90

100

∆T 800 − 538 °C = = 437 K / s t 0,6 s

0 0,1

1

102

10

103

104

105

106

Tiempo, segundos

Solución del problema 7.14. a) La microestructura será de un 100% de martensita.

800

b) Tras mantener durante 3 horas a 350°C tenemos una transformación completa de la austenita a bainita del tipo inferior.

700

A+FA+F F+P +P

600

Temperatura, °C

c) Tras mantener durante 2 horas y 45 minutos a 550°C, la austenita no ha sufrido ninguna transformación por lo que al enfriar hasta los 400°C y mantener 200 segundos, se transformará un 40% de la masa en bainita del tipo superior, transformando el resto a martensita en el último enfriamiento. Por tanto, la transformación final será:

A Temperatura eutectoide

A

500

A+B 400

B

300

M+A

M (50%) M (90%)

200

40% bainita superior + 60% martensita d) Al permanecer 17 minutos a 650°C, un 25% de la austenita transforma a ferrita. El resto iniciará de nuevo la transformación después de permanecer otros 17 minutos a 400°C donde el 60% de esta masa pasará a bainita superior y el 40% restante a martensita, con lo que la transformación final será:

50%

M (inicio)

a)

c) d)

b)

100

M 0

1

10

102

103

104

105

106

Tiempo, segundos

25% ferrita + 45% de bainita superior + 30% martensita Solución del problema 7.14. a) Al enfriar rápidamente a 650°C y mantener la temperatura durante 100 segundos, obtenemos una transformación parcial a ferrita y perlita. La ferrita, que habría transformado toda la posible, 141

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

50% ferrita + 12,5% perlita + 37,5% martensita

900

Austenita

800 700

Temperatura, °C

vendrá expresada por el porcentaje de carbono que al ser cercano al 0,4 % le corresponderá aproximadamente al 50%, y del resto, el 25% se transformará a perlita, con el enfriamiento brusco posterior logramos transformar a martensita toda la austenita que no se había transformado previamente, por tanto tendremos finalmente:

a)

Ferrita

Perlita

600 500 400 300 200

b) Bainita

Ms 50% 90%

100

0.37% C 0,72% Mn 1,05% Cr 0,22% Mo

b) Al enfriar rápidamente a 400°C y Martensita 0 mantener igualmente 100 segundos, 0,1 1 10 102 103 104 105 106 obtenemos una transformación a bainita de Tiempo, segundos aproximadamente el 75%. El resto de austenita se transformará también a martensita con el nuevo enfriamiento brusco, por lo que tendremos: 75% bainita + 25% martensita

142