Tratamiento a base de calor

Tratamiento a base de calor

El tratamiento térmico (o tratamiento térmico ) es un grupo de procesos industriales y metalúrgicos utilizados para alterar las propiedades físicas ya veces químicas de un material. La aplicación más común es metalúrgica . Los tratamientos térmicos también se utilizan en la fabricación de muchos otros materiales, como el vidrio . El tratamiento térmico implica el uso de calentamiento o refrigeración, normalmente a temperaturas extremas, para lograr un resultado deseado tal como endurecimiento o reblandecimiento de un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen recocido , endurecimiento de la caja , reforzamiento de la precipitación , templado , normalización y enfriamiento . Es digno de mención que mientras que el término tratamiento térmico se aplica sólo a procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se realizan con el propósito específico de alterar intencionalmente las propiedades, el calentamiento y el enfriamiento ocurren frecuentemente durante otros procesos de fabricación tales como formación en caliente o soldadura.

Alótropos de hierro, mostrando las diferencias en las estructuras de celosía entre el hierro alfa (baja temperatura) y el hierro gamma (alta temperatura). El hierro alfa no tiene espacios para que los átomos de carbono residan, mientras que el hierro gamma está abierto al libre movimiento de pequeños átomos de carbono.

Procesos fisicos

Los materiales metálicos consisten en una microestructura de pequeños cristales llamados "granos" o cristales . La naturaleza de los granos (es decir, tamaño y composición del grano) es uno de los factores más efectivos que pueden determinar el comportamiento mecánico general del metal. El tratamiento térmico proporciona una manera eficaz de manipular las propiedades del metal controlando la velocidad de difusión y la velocidad de enfriamiento dentro de la microestructura. El tratamiento térmico se usa a menudo para alterar las propiedades mecánicas de una aleación metálica, manipulando propiedades tales como dureza , resistencia , tenacidad , ductilidad y elasticidad .

Existen dos mecanismos que pueden cambiar las propiedades de una aleación durante el tratamiento térmico: la formación de martensita hace que los cristales se deformen intrínsecamente y el mecanismo de difusión provoca cambios en la homogeneidad de la aleación . 

La estructura cristalina consiste en átomos que se agrupan en un arreglo muy específico, llamado una red. En la mayoría de los elementos, este orden se reorganizará, dependiendo de condiciones como temperatura y presión. Este reordenamiento, llamado alotropía o polimorfismo, puede ocurrir varias veces, a muchas temperaturas diferentes para un metal particular. En las aleaciones, este reordenamiento puede provocar que un elemento que normalmente no se disuelva en el metal base se vuelva repentinamente soluble , mientras que una inversión de la alotropía hará que los elementos sean parcial o completamente insolubles. 

Cuando en el estado soluble, el proceso de difusión hace que los átomos del elemento disuelto se diseminen, tratando de formar una distribución homogénea dentro de los cristales del metal base. Si la aleación se enfría a un estado insoluble, los átomos de los constituyentes disueltos (solutos) pueden migrar fuera de la solución. Este tipo de difusión, llamado precipitación , conduce a la nucleación , donde los átomos migratorios se agrupan en los límites de grano. Esto forma una microestructura consistente generalmente en dos o más fases distintas. [4] El acero que ha sido enfriado lentamente, por ejemplo, forma una estructura laminada compuesta de capas alternas de ferrita y cementita , convirtiéndose en perlita blanda. [5] Después de calentar el acero a la fase de austenita y luego enfriarla en agua, la microestructura estará en la fase martensítica. Esto se debe al hecho de que el acero cambiará de la fase de austenita a la fase de martensita después del temple. Debe tenerse en cuenta que puede haber perlita o ferrita si el enfriamiento brusco no enfría rápidamente todo el acero. 

A diferencia de las aleaciones a base de hierro, la mayoría de las aleaciones tratables por calor no experimentan una transformación de ferrita. En estas aleaciones, la nucleación en los límites de grano a menudo refuerza la estructura de la matriz cristalina. Estos metales se endurecen por precipitación. Típicamente un proceso lento, dependiendo de la temperatura, esto se refiere a menudo como "endurecimiento de la edad". 

Muchos metales y no metales presentan una transformación de martensita cuando se enfrían rápidamente (con medios externos como aceite, polímero, agua, etc.). Cuando un metal se enfría muy rápidamente, los átomos insolubles pueden no ser capaces de emigrar fuera de la solución en el tiempo. Esto se llama una " transformación sin difusión ". Cuando la matriz cristalina cambia a su disposición a baja temperatura, los átomos del soluto quedan atrapados dentro de la red. Los átomos atrapados evitan que la matriz cristalina cambie completamente a su alotropo de baja temperatura, creando tensiones de cizallamiento dentro de la red. Cuando algunas aleaciones se enfrían rápidamente, como el acero, la transformación de martensita endurece el metal, mientras que en otras, como el aluminio, la aleación se vuelve más blanda. [7]

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