Fundamentos del tratamiento térmico del acero y el hierro fundido
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El tratamiento térmico es un conjunto de actividades destinadas a modificar la estructura de una aleación en estado sólido con el fin de obtener las propiedades mecánicas, físicas o químicas deseadas. En la práctica, esto significa que no «mejoramos» el metal simplemente calentándolo, sino asegurándonos de que una curva de temperatura adecuadamente planificada a lo largo del tiempo provoque cambios estructurales: la formación de nuevas fases, la descomposición de fases inestables, cambios en el tamaño del grano, la separación de carburos o la eliminación de tensiones internas. El tratamiento térmico incluye tanto procesos simples que implican calentamiento y enfriamiento, como procesos más complejos combinados con la interacción química con el entorno, la deformación plástica o un campo magnético.
La importancia del tratamiento térmico es especialmente evidente en el caso del acero y el hierro fundido. El hierro como material base es común, barato y fácil de procesar, pero lo que hace que la gama de aplicaciones del acero sea tan amplia es la capacidad de controlar su estructura. La existencia de variedades alotrópicas del hierro desempeña un papel clave en este sentido: las diferentes variedades de estructura cristalina son estables a diferentes temperaturas, lo que permite producir y «congelar» diferentes microestructuras en función de la rapidez con la que enfriemos el material y de si realizamos un recocido adicional. Por eso el acero se puede utilizar como material para resortes, herramientas de corte, componentes de máquinas y estructuras portantes. Así mismo, las diferencias en su comportamiento no se deben tanto a la «composición en sí» como a la microestructura obtenida durante el tratamiento térmico.
La industria moderna está imponiendo mayores exigencias a los materiales, lo que está impulsando el desarrollo de métodos de tratamiento térmico y un mayor control de calidad. Incluso los errores más insignificantes (una temperatura de templado demasiado alta, un tiempo de calentamiento demasiado corto o un enfriamiento inadecuado) pueden provocar estructuras no deseadas (por ejemplo, un grano demasiado grueso) y, como resultado, perjudicar las propiedades funcionales del producto. Por lo tanto, el tratamiento térmico no es un «complemento» de la tecnología de fabricación, sino una de sus etapas críticas.
La relación entre los sistemas de equilibrio de fases y el tratamiento térmico
Los sistemas de equilibrio de fases describen qué fases son estables en determinadas condiciones de temperatura y composición, pero lo hacen partiendo del supuesto de que haya transformaciones muy lentas. Es decir, aquellas en las que el tiempo no limita la difusión y el sistema tiene la posibilidad de alcanzar el equilibrio. Por esta razón, el diagrama de equilibrio en sí mismo no tiene en cuenta el efecto de las velocidades de calentamiento y enfriamiento. No obstante, los sistemas de equilibrio constituyen la base para planificar el tratamiento térmico, ya que indican qué transformaciones son posibles y en qué rangos de temperatura pueden esperarse.
Esta distinción es muy práctica. Si una aleación no presenta transformaciones en estado sólido (no hay áreas en el diagrama donde aparezca una fase diferente o una mezcla de fases en estado sólido), entonces dicha aleación es esencialmente no tratable térmicamente en el sentido clásico, ya que no tiene ningún «mecanismo» para cambiar su estructura. La situación es diferente en los sistemas en los que la solubilidad de un componente en estado sólido depende de la temperatura. En este caso, es posible obtener una solución supersaturada mediante un enfriamiento rápido desde una temperatura en la que la solubilidad es alta y, a continuación, forzar la precipitación durante el recalentamiento. Este esquema conduce a un cambio deliberado en la estructura y las propiedades.
Otra situación diferente se da en las aleaciones que sufren transformaciones alotrópicas en estado sólido: a altas temperaturas, una fase es estable (por ejemplo, una solución sólida con una red cristalina diferente) y, tras superar las temperaturas críticas, el sistema tiende a formar una mezcla de otras fases. Entonces, la velocidad a la que atravesamos el rango de transformación es de fundamental importancia ya que, con un enfriamiento lento, la difusión se mantiene al mismo ritmo y se forman estructuras de equilibrio, mientras que, con un enfriamiento rápido, la formación de estructuras de no equilibrio como la martensita es posible.
En el caso del acero, la parte clave del sistema de equilibrio es hierro-cementita (Fe‑Fe₃C) hasta aproximadamente un 2,11 % de carbono, que es el rango relevante para el acero. Esto es lo que da sentido a la austenización (calentamiento hasta el rango de austenita) y al hecho de que, durante el enfriamiento, la austenita puede transformarse en diferentes estructuras dependiendo de la velocidad de enfriamiento. El sistema de equilibrio nos dice «qué es posible» y «dónde se encuentran las temperaturas críticas», mientras que la cinética de las transformaciones (tiempo y enfriamiento) determina «qué obtenemos realmente».
Calentamiento, remojo y enfriamiento
Cada proceso de tratamiento térmico puede considerarse como un escenario de cambios de temperatura a lo largo del tiempo en el que se pueden distinguir tres etapas principales: calentamiento, remojo y enfriamiento. El calentamiento consiste en elevar la temperatura hasta el valor especificado para un proceso determinado. A menudo, se utiliza un calentamiento gradual: primero, calentamiento a una temperatura más baja y, solo entonces, calentamiento adicional hasta la temperatura correcta. Esta división no es artificial, sino que tiene importancia tecnológica, ya que limita los gradientes de temperatura a lo largo de la sección transversal del elemento y reduce el riesgo de que aparezcan grietas o tensiones excesivas.
El envejecimiento consiste en mantener la temperatura en el nivel deseado durante el tiempo necesario para igualar la temperatura en toda la sección transversal y para que se produzcan los cambios previstos. En la práctica, el recocido tiene un doble propósito: por un lado, el elemento debe «alcanzar» la temperatura térmicamente (de lo contrario, la superficie y el núcleo estarán en estados diferentes) y, por otro lado, muchas transformaciones, especialmente la difusión, requieren tiempo para homogeneizar la composición de la fase o disolver ciertos componentes (por ejemplo, los carburos).
El enfriamiento es la reducción de la temperatura hasta alcanzar la temperatura ambiente o un valor intermedio específico. El enfriamiento lento, por ejemplo, en un horno o en aire quieto, se denomina «recocido», mientras que el enfriamiento rápido en agua o aceite se denomina «temple». También es habitual el enfriamiento gradual, en el que se produce un subenfriamiento a una temperatura superior a la temperatura final y un sobreenfriamiento a la temperatura final. Este método de control es necesario en aquellas ocasiones en las que se desea atravesar determinados rangos de temperatura más lentamente (para permitir la difusión) o más rápidamente (para evitar transformaciones de difusión perlítica y obtener martensita).
Dado que la esencia del tratamiento térmico es la relación entre la temperatura y el tiempo, se describe mediante la curva t = f(τ). En la práctica, hablamos de las velocidades medias de calentamiento y enfriamiento, pero la velocidad instantánea real es igualmente importante, ya que determina la rapidez con la que atravesamos los rangos de temperatura críticos. Por esta razón, dos procesos con «tiempos totales similares» pueden producir resultados diferentes si difieren en el proceso de enfriamiento en rangos críticos.
Clasificación del tratamiento térmico
La división del tratamiento térmico no es puramente «enciclopédica», sino que es el resultado de las herramientas que utilizamos para cambiar las propiedades. En el tratamiento térmico convencional, las características deseadas se obtienen cambiando la estructura sin alterar la composición química. Esto incluye procesos clásicos como el recocido, el endurecimiento y el templado, pero también la supersaturación y el envejecimiento, cuyos mecanismos implican la obtención de una solución supersaturada y la posterior precipitación.
En el tratamiento térmico químico, además de la temperatura, se utiliza un entorno químico para saturar la superficie con elementos como el carbono o el nitrógeno. El resultado es un cambio en la composición de la capa superficial y, por lo tanto, un cambio en la estructura y las propiedades, especialmente, en la resistencia al desgaste o a la fatiga. Esta es una distinción importante: en el tratamiento térmico ordinario, «trabajamos» sobre lo que ya hay en la aleación, mientras que, en el tratamiento termoquímico, además, suministramos un componente.
El tratamiento termoplástico, por otro lado, combina la temperatura con la deformación plástica, lo que permite influir en la estructura de una manera más compleja, por ejemplo, mediante el refinamiento del grano y el refuerzo mecánico. El tratamiento termomagnético utiliza un campo magnético para obtener unas propiedades físicas específicas. Sin embargo, en el contexto del acero y los fundamentos del tratamiento térmico, la atención se centra en el tratamiento térmico convencional, ya que está directamente relacionado con la transformación de la austenita y sus productos de descomposición.
Transformaciones durante el calentamiento
En el tratamiento térmico del acero, la etapa de calentamiento no se limita a «calentar el elemento». Su objetivo es obtener una estructura austenítica, ya que la austenita es el punto de partida de muchas estructuras posteriores tras el enfriamiento. Después de alcanzar la temperatura crítica A₁ (aproximadamente 727 °C), se produce una transformación fundamental: la perlita se transforma en austenita. El proceso de calentamiento posterior depende de si el acero es hipoeutectoide, eutectoide o hipereutectoide. En los aceros hipoeutectoides, tras la formación de austenita a partir de la perlita, a medida que continúa el calentamiento, la ferrita restante también se transforma en austenita, y el proceso finaliza a la temperatura Ac₃. En los aceros hipereutectoides, tras la transformación de la perlita en austenita, la cementita secundaria se disuelve en la austenita y el proceso continúa hasta la temperatura Ac_cm. En ambos casos, el objetivo es obtener una austenita lo más homogénea posible.
La transformación de la perlita en austenita tiene una estructura de proceso «interna» bien definida. Comienza con la formación de núcleos de austenita en los límites de la ferrita y la cementita. Luego los núcleos crecen y llenan los granos de perlita. Al mismo tiempo, la cementita se disuelve en la austenita. Es importante destacar que la transformación alotrópica del hierro se produce más rápidamente que la disolución completa de los carburos, por lo que, en algún momento, podemos tener austenita que aún contiene residuos de carburo y que también es químicamente heterogénea. Solo con el tiempo se produce la homogeneización a través de la difusión del carbono. Como resultado, el material distingue entre etapas: la formación de austenita heterogénea, la disolución de los residuos de carburo y, solo entonces, la homogeneización completa.
La velocidad de calentamiento también es muy importante. En condiciones de calentamiento muy lento, la transformación comienza a unos 727 °C, pero con un calentamiento más rápido, se desplaza a temperaturas más altas. Esto significa que, en la práctica, no basta con conocer las temperaturas críticas «teóricas»: hay que tener en cuenta que el rango real de transformación depende de la cinética y de la microestructura inicial. La velocidad de austenización también se ve influida por la dispersión de la perlita y la forma de la cementita, así como por la composición química del acero, incluidos los aditivos de aleación.
Tamaño del grano en el acero
En el acero, se distingue entre grano primario (tras la solidificación) y grano secundario, es decir, el grano real, el último grano de austenita formado como resultado del tratamiento térmico y plástico. Este grano real es crucial para las propiedades, especialmente, la resistencia al impacto. Un material con una estructura de grano grueso después del enfriamiento tiende a ser frágil y a tener una baja resistencia al impacto, por lo que la tecnología tiene como objetivo obtener un grano de austenita fino y luego «transferir» este tamaño de grano fino a la estructura después del enfriamiento.
Cabe destacar el mecanismo de cambio de grano durante el calentamiento. La transformación de perlita en austenita promueve la fragmentación, pero un recocido adicional a altas temperaturas provoca el crecimiento del grano de austenita, ya que el metal tiende a reducir la energía de los límites del grano. Cuanto mayor sea la temperatura de calentamiento y más largo sea el tiempo de recocido, mayor será el crecimiento del grano. Esto explica por qué «demasiado calor y demasiado tiempo» puede ser destructivo: incluso si obtenemos austenita completa, puede volverse de grano grueso, lo que perjudica la resistencia a la fractura.
En este contexto, surge el concepto de «sobrecalentamiento», es decir, la tendencia de los granos de austenita a crecer bajo la influencia de la temperatura y el tiempo. En la práctica, los aceros de grano fino y grano grueso no se denominan en función del «tipo de grano que tienen», sino en función de la «facilidad con la que ese grano crece durante la austenización». El acero de grano fino nominal puede tener un grano grueso si se ha sobrecalentado; por el contrario, el acero con mayor tendencia a crecer puede producir un grano fino a la temperatura adecuada. Esto es importante porque enseña a ser cautelosos: el nombre del acero no exime de controlar la temperatura y el tiempo.
El material también indica el papel de aditivos como el aluminio, que pueden inhibir el crecimiento del grano mediante la formación de óxidos o nitruros. Desde un punto de vista tecnológico, esto se traduce en una mayor tolerancia del proceso: los aceros menos propensos al sobrecalentamiento tienen un rango de temperatura de endurecimiento más amplio y un menor riesgo de deterioro de la resistencia al impacto debido al sobrecalentamiento accidental.
Cinética de transformación de la austenita
Después de la austenización, la pregunta clave es: ¿qué ocurre con la austenita durante el enfriamiento? Por debajo de 727 °C, la austenita se convierte en una fase inestable y tiende a transformarse en estructuras con menor energía libre, como la perlita. Sin embargo, el curso de la transformación depende de dos factores opuestos. Por un lado, un mayor sobreenfriamiento aumenta el «impulso» termodinámico de la transformación, mientras que, por otro lado, la disminución de la temperatura ralentiza la difusión, sin la cual las transformaciones perlíticas no pueden proceder de manera eficiente. Como resultado, la velocidad de transformación aumenta hasta un máximo determinado (aproximadamente 550 °C) y luego disminuye con una nueva caída de la temperatura, hasta un rango en el que la difusión se «congela» prácticamente y se producen transformaciones no difusivas.
Para describir esto de forma cuantitativa y clara, se utilizan diagramas de transformación de austenita. En condiciones isotérmicas, cuando la austenita se enfría rápidamente hasta una temperatura constante y permanece allí, se observa un período característico en el que no ocurre nada: este es el período de incubación (estabilidad de la austenita). Solo después de este periodo comienza la transformación y continúa hasta completarse. Si realizamos estos experimentos para diferentes temperaturas y trazamos los tiempos de inicio y finalización de la transformación, obtenemos un diagrama CTPi (tiempo‑temperatura‑transformación isotérmica) con curvas en forma de C. La distancia entre las curvas de inicio y finalización indica la velocidad de transformación en un rango de temperatura determinado.
Los gráficos isotérmicos nos permiten distinguir tres rangos principales: a temperaturas cercanas a A₁, se produce una transformación perlítica con alta estabilidad de austenita; en el rango de temperaturas medias (aproximadamente 550‑200 °C), aparece la bainita; y por debajo de la línea Ms, las curvas de difusión desaparecen porque comienza una transformación martensítica con un mecanismo diferente. Esta imagen es fundamental porque muestra que la «austenita» no es una única vía de transformación, sino un punto de partida desde el que se pueden alcanzar diferentes estructuras en función de la vía de enfriamiento.
Transformación perlítica
La transformación perlítica es un proceso de difusión. Por lo general, comienza con la aparición de núcleos de cementita en los límites de los granos de austenita, tras lo cual, gracias a la difusión del carbono, la cementita crece en forma de placas y la austenita empobrecida en carbono se transforma en ferrita. La repetición de este mecanismo conduce a la formación de bandas alternas de ferrita y cementita, es decir, una estructura perlítica. Por lo general, se forman varias colonias perlíticas en un solo grano de austenita, y su geometría y finura dependen de la temperatura de transformación.
Una consecuencia clave de la cinética es que, a medida que aumenta el subenfriamiento, aumenta el número de núcleos y la velocidad de cristalización de los productos de transformación. Pero, al mismo tiempo, disminuye la posibilidad de difusión a larga distancia. Como resultado, se forma perlita con un espaciado entre placas cada vez menor, desde perlita de grano grueso a temperaturas cercanas a A₁ hasta perlita muy fina a temperaturas de transformación más bajas. Este cambio en la microestructura tiene un impacto directo en las propiedades: cuanto más fina es la perlita, mayor es la dureza y la solidez, pero normalmente a expensas de la plasticidad. El material indica que la perlita formada a unos 700 °C puede tener una dureza de ~220 HB, mientras que a unos 500 °C se forma perlita muy fina con una dureza significativamente mayor.
En el caso de los aceros hipoeutectoides e hipereutectoides, es importante que, en determinadas condiciones, la ferrita (hipoeutectoide) o la cementita secundaria (hipereutectoide) puedan secretarse antes de la transformación perlítica. Sin embargo, a medida que aumenta el subenfriamiento, esta etapa puede desaparecer y la transformación puede proceder de forma más «directa», lo que se asocia con la ampliación observada de los rangos en los que se forman estructuras perlíticas sin una red distintiva de ferrita o cementita.
Transformación martensítica
Por debajo de la temperatura Ms, la transformación de la austenita se produce de una manera completamente diferente, ya que la difusión del carbono queda prácticamente inhibida. En este caso, no se forman productos que requieran la separación del carbono en ferrita y cementita, sino que se produce una reestructuración no difusiva de la red cristalina del hierro. La austenita se transforma en martensita sin cambiar el contenido medio de carbono en la solución sólida, lo que significa que la martensita es una solución supersaturada de carbono en hierro α. Esta sobresaturación distorsiona la red cristalina en una forma tetragonal, y esta distorsión es la responsable de la gran dureza de la martensita, pero también de su fragilidad.
Una consecuencia importante, y a menudo pasada por alto, de la transformación martensítica es el cambio de volumen. De los productos de la transformación de la austenita, la martensita es el que tiene un mayor volumen específico. En la práctica, esto significa que el endurecimiento conlleva el riesgo de aparición de tensiones significativas, deformaciones e incluso grietas, especialmente en componentes con geometrías complejas. El material hace referencia a observaciones dilatométricas, que muestran cambios de volumen característicos asociados a las transformaciones durante el calentamiento y el enfriamiento.
La martensita se forma sin periodo de incubación: una vez superada la temperatura Ms, la transformación comienza inmediatamente y el aumento de la cantidad de martensita se produce mediante la formación de nuevas placas (agujas) en lugar del crecimiento de las ya existentes. También es muy importante que la transformación finalice a la temperatura Mf pero, a pesar de ello, es posible que parte de la austenita permanezca sin transformar como «austenita remanente». Su cantidad depende, en gran medida, del contenido de carbono: cuanto más elevados sean los contenidos de carbono, más aumenta la proporción de austenita remanente tras el endurecimiento, lo que afecta a la dureza y la estabilidad dimensional.
Transformación bainítica
En el rango de temperaturas intermedias (para los aceros al carbono, aproximadamente entre 550 °C y 200 °C), se produce una transformación bainítica que combina las características de las transformaciones difusivas y no difusivas. A estas temperaturas, la difusión del carbono en la austenita ya es muy baja, pero no nula. A partir de la austenita se forman placas de ferrita saturadas de carbono y, a continuación, debido a que la difusión del carbono en la ferrita es mayor que en la austenita, se liberan carburos (cementita) de la ferrita saturada. Como resultado, la bainita es una mezcla de ferrita y carburos, cuya fragmentación aumenta a medida que disminuye la temperatura de transformación.
Se distingue entre bainita superior (formada a temperaturas más altas en este rango) y bainita inferior (a temperaturas más bajas), que difieren en morfología y dureza. El material proporciona valores aproximados que indican que la bainita superior puede tener una dureza de aproximadamente 45 HRC y la bainita inferior de aproximadamente 55 HRC, lo que muestra su «posición» entre la perlita y la martensita típicas. Además, se indica que, en los aceros al carbono, los rangos perlítico y bainítico pueden superponerse parcialmente, lo que da lugar a estructuras mixtas.
Transformación de la austenita durante el enfriamiento continuo
Aunque los diagramas isotérmicos son muy informativos, la mayoría de los procesos tecnológicos reales tienen lugar bajo enfriamiento continuo en lugar de enfriamiento isotérmico. Por lo tanto, se construyen diagramas CTPc (tiempo‑temperatura‑transformación para enfriamiento continuo), que tienen en cuenta el hecho de que la temperatura disminuye con el tiempo y el material «cruza» diferentes rangos de transformación. Estos diagramas son particularmente útiles porque permiten hacer la comparación directa de las curvas de enfriamiento con las líneas de transformación y predicen qué estructura se formará en un proceso específico.
Con un enfriamiento muy lento, las transformaciones son similares a las transformaciones de equilibrio: en los aceros hipoeutectoides, primero se secreta ferrita (a partir de Ar₃) y, a continuación, se produce una transformación perlítica en Ar₁. A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, las temperaturas de transformación disminuyen y algunas etapas pueden desaparecer, por ejemplo, la precipitación temprana de ferrita antes de la perlita puede desaparecer gradualmente, lo que da lugar a una estructura perlítica más homogénea. Un aumento adicional de la velocidad de enfriamiento desplaza el sistema hacia la bainita y, a velocidades aún mayores, aparecen estructuras de bainita‑martensita, hasta que finalmente, a una velocidad suficientemente alta, es posible obtener casi exclusivamente martensita.
Aquí es donde entra en juego el concepto de velocidad crítica de enfriamiento, es decir, la velocidad mínima a la que se obtiene una estructura martensítica homogénea (por supuesto, con algo de austenita residual). Este concepto es práctico: nos indica si un componente determinado puede endurecerse «por completo» en un medio de enfriamiento determinado y con unas dimensiones determinadas. Los diagramas CTPc, especialmente cuando incluyen curvas de enfriamiento y los valores de dureza correspondientes, nos permiten leer directamente qué proporción de fases (por ejemplo, ferrita, bainita, martensita, etc.) obtendremos para un proceso de enfriamiento específico.
Templado
La martensita es una fase inestable y el acero endurecido, aunque muy duro, puede ser demasiado frágil y estar lleno de tensiones internas. Por lo tanto, el templado es un proceso que utiliza el calentamiento controlado del acero endurecido a temperaturas más altas para iniciar cambios en la martensita. El punto clave es que el templado no es un fenómeno único, sino una secuencia de etapas que dependen de la temperatura. El material distingue cuatro etapas principales que difieren en términos de los carburos que se secretan, cómo cambia el contenido de carbono en la martensita y cuándo se producen las transformaciones de austenita residual.
A bajas temperaturas de templado (entre 80 y 200 °C), se produce la primera etapa, que implica la precipitación de carburo ε. Esto puede incluso aumentar temporalmente la dureza de los aceros con alto contenido de carbono, lo cual es una observación importante y contraria a la intuición: el templado no siempre significa ablandamiento desde el primer minuto. A continuación, en el rango de aproximadamente 200‑300 °C, se produce una mayor precipitación de carburo ε y una transformación por difusión de la austenita residual en una estructura bainítica. En el rango de aproximadamente 300‑400 °C, el carburo ε se transforma en cementita y se alcanza un estado más cercano al equilibrio; entonces se forma martensita templada. A temperaturas más altas (aproximadamente 400‑650 °C), la cementita se coagula, se eliminan las tensiones y se forma una estructura llamada sorbita, que ofrece una solución intermedia más favorable de propiedades.
Desde el punto de vista tecnológico, el objetivo del templado es que, a medida que disminuye la dureza, aumenten la plasticidad y la resistencia al impacto. El material destaca que las propiedades mecánicas óptimas se suelen alcanzar cuando el templado se realiza en un rango de aproximadamente 600‑650 °C, y que, por encima de esa temperatura, el aumento de la plasticidad ya no es tan pronunciado. Además, es importante distinguir entre estructuras con dureza similar, pero morfología de cementita diferente: la perlita fina y la estructura tras el templado de la martensita pueden parecer similares y tener una dureza similar, pero difieren en la forma de los carburos y, por lo tanto, en ciertas propiedades, como el límite elástico o el estrechamiento.
El efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades del acero
El endurecimiento conduce a la formación de martensita y, por lo tanto, a una alta dureza cuyo aumento está relacionado con el aumento del contenido de carbono. El material indica que, hasta un determinado nivel de contenido de carbono (aproximadamente el 0,7 %), el aumento de la dureza de la martensita es especialmente fuerte, y a partir de ahí los aumentos son menores. Al mismo tiempo, en los aceros hipereutectoides endurecidos a partir de temperaturas muy altas, puede aparecer una mayor proporción de austenita residual, lo que puede modificar la dureza y el comportamiento observados del acero.
El templado cambia este panorama: las bajas temperaturas pueden producir efectos de endurecimiento menores en los aceros con alto contenido de carbono pero, en general, un aumento de la temperatura de templado conduce a una disminución de la dureza y la solidez y a un aumento de la plasticidad y la resistencia al impacto. Es importante destacar que no se trata de un «efecto mágico de la temperatura», sino de transformaciones muy específicas: la precipitación de carburos a partir de la martensita, una disminución de la estructura tetragonal, la transformación de los carburos en cementita y su coagulación. La microestructura, más concretamente, la forma y distribución de los carburos y el estado de la solución sólida, es la responsable de las propiedades observadas.
Una comparación entre las estructuras perlíticas y las estructuras obtenidas mediante el templado de la martensita resulta especialmente instructiva. Aunque pueden tener una dureza similar y un aspecto «general» similar, la cementita en la perlita tiene una forma rayada, mientras que en las estructuras tras el templado de la martensita suele tener una forma más granular (globular). El material señala que, con la misma dureza, la resistencia a la tracción y la elongación pueden ser similares, pero el límite elástico y la reducción de área son a veces más favorables para las estructuras después del templado. Esto explica por qué el tratamiento térmico (endurecimiento + templado) es tan popular: proporciona un conjunto de propiedades que son difíciles de obtener solo con el enfriamiento a perlita.
Fundamentos del tratamiento térmico del acero y el hierro fundido: resumen
La base teórica del tratamiento térmico del acero se reduce a comprender que el proceso está controlado por la transformación de la austenita. El sistema de equilibrio Fe‑Fe₃C indica las fases críticas y las áreas de temperatura, y la cinética nos indica qué transformaciones se producirán a una velocidad de enfriamiento determinada. Los diagramas CTPi y CTPc muestran dónde la austenita es estable, dónde se descompone en perlita o bainita y dónde se transforma en martensita sin difusión. El templado, por otro lado, organiza el estado endurecido: elimina las tensiones y cambia la forma de los carburos, lo que da lugar a las propiedades funcionales necesarias en la práctica.
En este sentido, el tratamiento térmico no es un conjunto de «recetas», sino una consecuencia lógica de la relación: temperatura + tiempo + velocidad de enfriamiento → microestructura → propiedades. Cuanto mejor comprendamos esta relación, con mayor seguridad podremos seleccionar los parámetros tecnológicos, minimizar el riesgo de que aparezcan defectos y dar forma al material de forma consciente para cumplir los requisitos de diseño.
