Aceros al Carbono: Clasificación, Microestructura y Tratamientos Térmicos

Metálicos

Aleaciones férreas: su principal componente es el hierro, que es abundante, económico y forma aleaciones versátiles. Su inconveniente es la corrosión.

Aceros no aleados

Aceros no aleados (ingeniería): contenido de C, Mn, Si, P y S inferior a 1,6 %.

Clasificación de los aceros según el contenido de carbono

• Bajo carbono (< 0,25 %): deformables y muy trabajables.
• Medio carbono (0,25 a 0,6 %): mayor resistencia y buen comportamiento dúctil, aunque la soldadura requiere cuidados especiales.
• Alto carbono (0,6 a 1,2 %): muy alta resistencia, pero presentan fragilidad y son difíciles de soldar.
• Aceros ultra alto carbono: aproximadamente 1,5 % de C.

Aceros aleados

Son aceros que contienen elementos de aleación en concentraciones específicas.

Propiedades mecánicas

Ductilidad: capacidad del material para deformarse sin romperse. Se determina mediante el ensayo de tracción.

Aceros de la antigüedad

Espadas de Damasco

Fabricadas con wootz, acero de la India muy rico en carbono (alrededor de 1,5 % o más, es decir, con más de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro, equivalente a más de 2 % en masa). Se trabajaba a unos 1200 °C, temperatura inferior a la de fusión del acero (1537 °C), obteniéndose un sólido poroso (hierro esponja).

Forja en Oriente Medio

Las piezas de acero se conformaban mediante golpes de martillo. Los sirios forjaban entre 650 y 850 °C, temperatura a la que el wootz es muy dúctil.

Estructura de los aceros

Los aceros están formados por cristales o granos. Las fases principales son:

• Ferrita: hierro prácticamente puro (99,95 %), que admite un 0,05 % de C a 700 °C; a menor temperatura admite menos carbono. Forma granos oscuros.
• Cementita: carburo de hierro (Fe₃C), que aparece como láminas blancas. Es muy dura y frágil.

Perlita

La perlita no es una fase única, sino una mezcla de dos: ferrita y cementita. Tiene siempre el mismo contenido de carbono, 0,77 %. La proporción entre ferrita y cementita depende del contenido de carbono: a menos carbono, más ferrita y menos perlita (con las láminas más dispersas); a más carbono, más cementita. En los aceros de alto carbono, la perlita, formada por ferrita y cementita, ocupa todo el espacio.

En el wootz de la India, la estructura presenta granos de perlita embebidos en una base de cementita, que es muy quebradiza (frágil). Entre 650 y 850 °C, al martillear la base de cementita, esta puede formar partículas dispersas en una base de perlita; cuando la base de cementita queda dispersa en muchas partículas, el wootz pasa a ser acero de Damasco.

Temple

El temple es el endurecimiento del acero. Consiste en calentarlo hasta unos 800 °C (rojo vivo) y enfriarlo súbitamente por inmersión en un líquido.

• Si el acero se enfría lentamente, los átomos de hierro forman ferrita, y los átomos de carbono que no son aceptados por la ferrita forman cementita, con ligeramente menos hierro.
• Estructura de la ferrita: los átomos de hierro ocupan las esquinas y el centro del cubo; hay pocos átomos de carbono en los huecos.
• Si el acero se calienta a rojo vivo (por encima de 727 °C), las fases ferrita y cementita desaparecen para dar austenita.

Austenita

La austenita tiene una red cristalina en la que los átomos de hierro ocupan las esquinas y el centro de cada cara. Admite hasta 2 % de carbono a 1150 °C, unas 40 veces más carbono que la ferrita.

Al calentar a rojo vivo el acero de Damasco (ferrita + cementita → austenita + cementita), parte de la cementita se descompone, liberando carbono en zonas donde se forma austenita. Si se estabiliza el acero de Damasco a rojo vivo, la austenita contiene aproximadamente 1 % de C, y la cementita que no se disuelve sigue siendo Fe₃C.

Procesos de enfriamiento

• Enfriamiento lento: hasta temperatura ambiente, el carbono se difundiría en el acero y formaría ferrita + cementita.
• Enfriamiento súbito: el carbono queda atrapado donde se encontraba en la austenita. Los átomos de hierro se acomodan en una red cristalina de ferrita, pero el espacio para el carbono es insuficiente, lo que produce la fase martensita. La martensita no es una fase de equilibrio; se produce porque los átomos de carbono quedan fuera de la base. Es una fase muy dura y elástica, importante en las espadas.

Clasificación de los aceros según su composición eutectoide

• Eutectoide: 0,77 % de C.
• Hipoeutectoides: < 0,77 % de C.
• Hipereutectoides: 0,77 - 2,1 % de C.

Transformaciones fuera del equilibrio

En los enfriamientos fuera del equilibrio, las transformaciones ocurren a temperaturas inferiores a las indicadas por el diagrama de fases; y en los calentamientos, a temperaturas superiores. Este fenómeno se denomina subenfriamiento y sobrecalentamiento.

Diagramas de transformación isotérmica (TTT)

La austenita (0,77 % C) da lugar a ferrita (0,022 % en peso de C) más cementita (6,7 % en peso de C). La temperatura desempeña un papel importante: a menor temperatura, más rápido se consigue el 50 % de transformación.

• A temperaturas inferiores y próximas a la eutectoide se forman láminas de ferrita y cementita, dando perlita gruesa.
• Al disminuir la temperatura por debajo de 540 °C se forman láminas delgadas, dando perlita fina.
• Además de perlita, la austenita puede transformarse en bainita. La transformación bainítica depende del tiempo y de la temperatura; a temperaturas inferiores se favorece la formación de perlita.

El punto en el que la velocidad de transformación es máxima define otro microconstituyente, que solo es posible obtener volviendo a calentar hasta formar austenita.

Cambios microestructurales y propiedades en el diagrama TTT

Esferoidita: el acero con microestructura perlítica se calienta hasta una temperatura inferior a la eutectoide durante un tiempo prolongado (por ejemplo, 700 °C entre 18 y 24 horas, proceso de recocido), formándose esferoidita.

Martensita

La martensita se obtiene a partir de austenita por temple. Es una fase de no equilibrio, que no aparece en el diagrama hierro-carburo de hierro, sino en el diagrama de transformación isotérmica. Depende únicamente de la temperatura a la que la aleación se enfría rápidamente o se templa (transformación atérmica).

Diagrama de transformación por enfriamiento continuo (TEC)

Los tiempos requeridos se retrasan, y la velocidad se controla modificando el medio de enfriamiento. No se forma bainita: toda la austenita se transforma en perlita. Si se continúa enfriando, la austenita que no ha reaccionado se transforma en martensita (línea M, inicio).

• Velocidad de enfriamiento crítica: las velocidades de temple mayores que la crítica producen martensita. En el tramo de velocidades intermedias se forman perlita y martensita. Solo se genera una estructura perlítica a velocidades de enfriamiento lentas.
• El carbono y otros elementos de aleación modifican el aspecto de la gráfica de transformación perlítica, proeutectoide y bainítica, alargando el tiempo y disminuyendo la velocidad crítica de enfriamiento. Incluso la presencia de carbono disminuye la velocidad crítica de enfriamiento.
• Los aceros con menos de 0,25 % de C se tratan térmicamente para formar martensita, ya que temple con velocidad tan alta no es factible en ellos.

Comportamiento mecánico

• Perlita: la cementita es más dura y frágil que la ferrita. Al aumentar Fe₃C, y manteniendo constantes otros elementos, el material resulta duro y resistente. La resistencia, la dureza Brinell y el límite elástico aumentan con el C, pero disminuyen la ductilidad y la tenacidad.
• La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. La cementita refuerza a la ferrita, y en la perlita fina hay más superficie, por lo que es más dura. La perlita gruesa es más dúctil que la fina.
• Esferoidita: tiene resistencia y dureza inferiores a las anteriores. Los aceros con esferoidita son más blandos y muy dúctiles.
• Bainita: es más dura y resistente que las estructuras perlíticas, porque tiene una estructura más fina, formada por partículas diminutas de Fe₃C en una matriz ferrítica. Combina resistencia y ductilidad.
• Martensita: es la más dura y mecánicamente resistente, pero también la más frágil y menos dúctil. Su dureza depende del contenido de carbono.
• Los aceros perlíticos, menos resistentes y duros, no son tenaces debido a su microestructura.

Expansión de volumen durante el temple

La austenita es más densa que la martensita; durante la transformación de fase al templar aumenta el volumen. El temple rápido de piezas grandes puede producir grietas debido a tensiones internas, problema que aparece si el contenido de carbono supera 0,5 %.

Martensita revenida

La martensita resultante del temple es muy dura y frágil. La ductilidad y la tenacidad aumentan, y las tensiones internas disminuyen mediante el tratamiento térmico conocido como revenido: se calienta el acero martensítico a una temperatura inferior a la eutectoide (250 a 650 °C), aunque las tensiones internas pueden eliminarse a unos 200 °C.

La estructura resultante presenta partículas pequeñísimas de cementita embebidas en una matriz ferrítica continua y uniforme. Es casi tan dura y resistente como la martensita, pero más dúctil y tenaz.

Las variables de este tratamiento térmico son la temperatura y la duración; la mayoría de los tratamientos de revenido se realizan a temperatura constante. Por ejemplo, un acero aleado se templó en aceite para generar una estructura martensítica, y el revenido se realizó durante 1 hora a cada una de las temperaturas.

Fragilidad del revenido

Algunos revenidos disminuyen la tenacidad, determinada mediante la resistencia al impacto. La fragilidad aparece cuando el revenido se realiza a temperaturas superiores a 575 °C y se enfría lentamente hasta temperatura ambiente. Los aceros se revienen a temperaturas comprendidas entre 375 y 575 °C. Estos aceros contienen porcentajes apreciables de Mn, Ni y Cr, y pequeñas concentraciones de una o más impurezas de antimonio, fósforo, arsénico y estaño. La rotura ocurre a lo largo de los límites de grano austeníticos.

La fragilidad del revenido se evita mediante control composicional y/o calentando por encima de 575 °C y por debajo de 375 °C, seguido de temple a temperatura ambiente. La tenacidad perdida de un acero fragilizado puede recuperarse calentándolo a 600 °C y enfriándolo a 300 °C.

Tratamientos térmicos de los aceros

Son enfriamientos rápidos y continuos (de muestra austenizada) en agua, aceite o aire. Después del temple debe conseguirse martensita en toda la sección, sin presencia de perlita y/o bainita.

En el temple, la superficie se enfría más rápido, lo que puede producir variaciones en la microestructura y propiedades. El tratamiento térmico depende de tres factores: la composición de la aleación, el tipo y carácter del medio de temple, y el tamaño y forma de la muestra.

Templabilidad

La templabilidad es la medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. Un acero aleado de alta templabilidad forma martensita tanto en la superficie como en el interior.

Severidad del temple

La severidad del temple indica la velocidad de enfriamiento: cuanto más rápido, más severo. Existen tres medios principales: agua, aceite y aire. El agua produce el temple más severo, seguido del aceite y, por último, el aire. El aceite es el medio adecuado en la mayoría de los casos. Los aceros de alto carbono se templan en agua, por ser muy severo para ellos. El enfriamiento al aire produce una estructura casi totalmente perlítica.

La velocidad de enfriamiento depende de la posición, el tamaño y la geometría de la pieza. El diámetro de las probetas influye en la distribución de durezas.