Tractaments Tèrmics Acers: Defectes Cristal·lins i Microestructura

Tractaments Tèrmics dels Acers: Definició i Objectius

Els tractaments tèrmics dels acers són operacions d'escalfament i refredament aplicades a un material amb l'objectiu de provocar una transformació microestructural o macroestructural que millori les seves propietats mecàniques.

Objectius dels Tractaments Tèrmics

Els objectius d'un tractament tèrmic poden ser diversos i fonamentals per a l'enginyeria de materials:

• Aconseguir les propietats mecàniques desitjades a les peces tractades, com ara duresa, resistència o tenacitat.
• Obtenir estructures amb menys duresa per facilitar les operacions intermèdies de fabricació, com el mecanitzat.
• Eliminar l'acritud de les peces deformades en fred, restaurant la seva ductilitat.
• Eliminar tensions internes generades durant processos de deformació o soldadura, prevenint possibles fallades.
• Crear estructures més homogènies en peces obtingudes per solidificació fora de l'equilibri.
• Modificar les propietats físiques i la resistència a agents químics.

Defectes en l'Estructura Cristal·lina dels Materials

Els defectes cristal·lins són imperfeccions en l'ordenació atòmica regular d'un material, i la seva presència influeix significativament en les propietats mecàniques, elèctriques i tèrmiques. Es classifiquen principalment en defectes de punt, de línia i de superfície.

Defectes de Punt

Són imperfeccions localitzades en un punt de la xarxa cristal·lina.

• a) Vacant: És la falta d'un àtom en una posició normal de la xarxa cristal·lina. Les vacants s'originen sovint en processos ràpids de solidificació i distorsionen la xarxa.
• b) Intersticial: Es refereix a la presència d'un àtom en una zona que habitualment està desocupada (posició intersticial). L'àtom sol ser més petit que els àtoms de la xarxa cristal·lina. La introducció de gran quantitat de defectes intersticials genera distorsions a la xarxa, dificultant el moviment de les dislocacions i fent el material més dur i resistent.
• c) Substitucional: Consisteix en la substitució d'un àtom normal de la xarxa per un altre àtom, que pot ser més gran o més petit. Si l'àtom introduït té característiques similars, la xarxa cristal·lina no es veu afectada ni distorsionada, formant una solució sòlida substitucional.
• d) Defecte de Frenkel: Es produeixen dos tipus de defectes alhora: un intersticial i una vacant. Un àtom abandona la seva posició normal a la xarxa i passa a ocupar una posició intersticial propera.

Defectes de Línia o Dislocacions

Són defectes geomètrics lineals que trenquen la regularitat en la disposició de l'estructura cristal·lina. Les dislocacions apareixen per diverses raons:

• Durant el creixement de l'estructura cristal·lina, al llarg de la solidificació.
• Per deformació plàstica del material.
• Com a resultat d'un tractament tèrmic.
• Per bombardeig de partícules molt energètiques.

Les dislocacions són les principals responsables de l'enduriment dels materials per deformació. N'hi ha de tres tipus principals:

• a) De Vora: Caracteritzada per una filera d'àtoms extra que finalitza dins del cristall.
• b) Helicoidal: Es genera per una tensió de cisallament que desplaça una part del cristall, formant un espiral al punt d'unió que defineix la línia de la dislocació.
• c) Mixte: Està formada per la combinació de defectes de vora i helicoidals.

Defectes de Superfície

Aquests defectes es produeixen en les interfícies o límits del material.

• a) Superfície del Material: La xarxa cristal·lina finalitza a la superfície del material, provocant modificacions en l'ordenació atòmica en aquesta zona.
• b) Fronteres de Gra: Els grans són regions petites de material amb una estructura cristal·lina ordenada. Cada gra pot tenir una orientació diferent. El punt on es troben els diferents grans s'anomenen fronteres de gra, i són zones de gran desordre atòmic.

Diagrames TTT i Mecanismes d'Enduriment dels Acers

Cada acer posseeix el seu propi diagrama TTT (Temperatura-Temps-Transformació), el qual indica la capacitat de trempabilitat del material, els constituents microestructurals que s'obtenen i els temps i temperatures necessaris per a la seva formació.

• Les corbes TTT són imprescindibles per determinar el tractament tèrmic que s'ha de realitzar a una peça per obtenir unes propietats mecàniques determinades.
• Ens indiquen el temps necessari per a la transformació de l'austenita en altres microconstituents.

Mecanismes d'Enduriment

Hi ha quatre mecanismes principals pels quals un material pot augmentar la seva duresa i resistència:

1. Per solució sòlida: La introducció d'àtoms d'aliatge en la xarxa cristal·lina dificulta el moviment de les dislocacions.
2. Per precipitats durs: La formació de petites partícules dures dins de la matriu del material actua com a barrera per al moviment de les dislocacions.
3. Per disminució de la mida de gra: Quan els grans són petits, hi ha més fronteres de gra. Aquestes fronteres actuen com a obstacles per al moviment de les dislocacions, augmentant la resistència del material.
4. Per treball en fred: La deformació plàstica a temperatura ambient augmenta la densitat de dislocacions, que s'entrellacen i dificulten el seu propi moviment.

L'Estructura Cristal·lina dels Materials

Un material té estructura cristal·lina quan els seus àtoms estan disposats de manera ordenada i repetitiva en les tres dimensions de l'espai, enllaçant-se amb els àtoms veïns més propers. Aquesta estructura és comuna en metalls, alguns materials ceràmics i certs polímers, i influeix significativament en les propietats mecàniques del material.

Modificació de l'Estructura Cristal·lina

L'estructura cristal·lina es pot modificar mitjançant diversos processos:

• Composició química (aliatge).
• Tractaments tèrmics.
• Deformació plàstica.
• Altres processos de fabricació.

Monocristalls i Policristalls

• Els monocristalls són materials en els quals la disposició dels àtoms a la seva estructura cristal·lina és perfectament ordenada i contínua en tot el seu volum.
  • Es poden generar en un laboratori o trobar-se a la natura.
  • A la indústria, és difícil obtenir monocristalls purs a gran escala, ja que els processos ràpids no solen donar les condicions adequades per a un creixement cristal·lí perfecte.
• Els materials policristal·lins són sòlids formats per múltiples grans o cristalls petits.
  • A la indústria, quan es solidifica un material, s'obté majoritàriament un policristall.
  • Cada gra té una orientació cristal·lina diferent i pot contenir alguns defectes en la repetició de l'estructura.

Paràmetres i Estructures Policristal·lines

Paràmetres que Defineixen una Estructura Cristal·lina

Per caracteritzar una estructura cristal·lina, s'utilitzen els següents paràmetres:

1. Cel·la unitària.
2. Paràmetre de xarxa (a).
3. Nombre d'àtoms per cel·la (n).
4. Nombre de coordinació.
5. FEA (Factor d'Empaquetament Atòmic).
6. Densitat teòrica.

Formació de les Estructures Policristal·lines

Les estructures policristal·lines s'obtenen dels processos de solidificació dels metalls, ja que apareixen diferents nuclis de solidificació en diverses zones simultàniament.

• Cada nucli té una direcció de creixement cristal·lí diferent.

Importància de les Fronteres de Gra

Les vores del gra o fronteres de gra són les zones on el creixement de dos o més grans conflueixen, i són àrees de gran desordre cristal·lí.

• Les fronteres de gra actuen com a elements que frenen el moviment de les dislocacions.
• Els materials policristal·lins amb mides de gra petites tenen més quantitat de fronteres de gra, la qual cosa dificulta el moviment de les dislocacions i fa que aquest material tingui més duresa i més resistència.

Constituents Microestructurals dels Acers

Els acers poden presentar diferents microconstituents segons la seva composició i tractament tèrmic, cadascun amb propietats característiques:

• Ferrita (Fe-α): És el constituent més tou i dúctil dels acers, amb una duresa aproximada de 90 HB i un allargament unitari del 35-40%. Correspon al ferro altament pur en la seva fase alfa.
• Perlita: Presenta una duresa d'aproximadament 250 Brinell i una resistència a la tracció de 80 kg/mm². És una microestructura laminar de ferrita i cementita.
• Austenita (Fe-γ): És el constituent més dens dels acers, amb una duresa d'uns 300 Brinell, una resistència a la tracció de 100 kg/mm² i un allargament unitari del 30%. Correspon al ferro en la seva fase gamma.
• Martensita: És el constituent més dur dels acers, format per un refredament ràpid de l'austenita.