Tratamientos Termicos

Introducción

El tema de este reporte es acerca de los “TRATAMIENTOS TERMICOS”, estos son procesos que se les dan a los materiales plenamente formados que pueden ser polímeros, metales, cerámicos entre otros. Por lo general estos procesos son aplicados a los metales en especial a las aleaciones de hierro-carbono (Fe-c).

Este tipo de aleaciones se utilizan para muchos productos u objetos que son de gran importancia para la actualidad de hoy. Algunos tipos de aleaciones las podremos encontrar en los aviones, automóviles, chapas, puertas, marcos, accesorios, maquinas de soldar etc.

Aleacion

Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.

Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe, Al, Cu, Pb, ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P, C, Si, S, As

Tratamientos térmicos

Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, etc., de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos. Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Entre estas características están:

• Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

• Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).

• Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

• Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar.

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman a los aceros sin variar la composición química de los mismos.

Estructuras cristalinas

Es aquella en que los átomos se localizan en posiciones regulares y recurrentes en tres dimensiones. El patrón puede repetirse millones de veces dentro de un cristal dado. La estructura puede verse en forma de una celda unitaria, que es el agrupamiento geométrico básico de los átomos y que se repite.

Los átomos y moléculas son los bloques de construcción de la mayoría de las estructuras macroscópicas de la materia que se considera en esta sección y en la siguiente. Cuando los materiales se solidifican a partir de un estado fundido tienden a quedar cerca y a empacarse en una forma muy comprimida, en muchos casos se arreglan de una manera ordena y en otras no tanto.

Muchos materiales forman cristales cuando se solidifican a partir de un estado de fusión o liquido. Estos es característicos de en prácticamente todos los metales, asi como de muchas cerámicas y polímeros.

Tipos de estructuras cristalinas

En los metales son tres tipos de estructuras de red:

1. Cúbica centrada en el cuerpo. (BCC)

2. Cúbica centrada en las caras. (FCC)

Cuando un metal (u otro material) cambia su estructura según lo descrito sin perder la composición química del material, se le conoce como alotrópico.

Imperfecciones cristalinas

Se refiere a las desviaciones en el patrón regular de la estructura de red cristalina.

Se pueden presentar de tres maneras:

1. Defectos puntuales.

2. Defectos lineales.

3. Defectos superficiales.

Defectos puntuales:

Son imperfecciones en la estructura cristalina que involucran ya sea un solo átomo o varios de ellos. Estos adoptan varias formas que son los siguientes:

1.1 vacancia: es el defecto más simple, que involucra la falta de un átomo dentro de la estructura de red.

1.2 vacancia por par de iones: incluye un par de faltantes de iones de carga opuesta en un compuesto que tiene un balance de carga conjunta.

1.3 intersticios: distorsión en la red producida por la presencia de un átomo adicional a la estructura.

1.4 desplazamiento iónico: ocurre cuando un Ion se retira de una posición regular en la estructura de red y se inserta en una posición intersticial cuya ocupación no es normal por parte del dicho Ion.

Defecto lineal:

Es un grupo conectado de defectos puntuales que forman una línea en la estructura de red. El defecto más importante es la dislocación que se presenta de dos maneras:

1. dislocación de borde: es el arista de un plano adicional que existe en la red.

2. dislocación de tornillo: es una espiral dentro de la estructura de red alabeada de una línea de imperfección, como un tornillo.

Estos surgen mediante la solidificación o durante el proceso de deformación que se realice sobre el material sólido.

Defectos superficiales:

Son imperfecciones que se extienden en dos direcciones para formar una frontera.

Hay varias razones por las que las que una estructura cristalina no puede ser perfecta. Es frecuente que surjan imperfecciones de manera natural debido a la incapacidad del material que se solidifica para continuar sin interrupción la repetición de la celda unitaria en forma indefinida.

Fases de transformación en los aceros por temperatura y tiempo

Martensita: está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. Con un tratamiento mecánico adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al aplicarles un campo magnético.

Imagen. Diferentes tipos de martensitas

Perlita: es una mezcla de fase ferrita y carburo en la forma de placas delgadas paralelas. Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita, de manera que la trayectoria de enfriamiento pase a través de la nariz del diagrama TTT. La microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.

Hay dos tipos de perlita:

• Perlita fina: dura y resistente.

• Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

Bainita: es una mezcla alternativa de las mismas fases, que produce mediante el enfriamiento inicial rápido a una temperatura por encima de la martensita. La bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión.

Austenita: también conocida como acero gamma (γ) es una forma de ordenamiento específica de los átomos de hierro y carbono. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 ºC a 1400 ºC. La austenita es dúctil, blanda y tenaz. Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. También se le conoce como austerita.

Características:

La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en aceros fuertemente aleados, como algunos inoxidables. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.

Cementita: Es el carburo de hierro de fórmula FeC, es el micro constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono. La cementita es muy dura, de hecho es el constituyente más duro de los aceros al carbono. La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227ºC. como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.

Troostita: Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600ºC, o por revenido a 400ºC.

Características.

1. Tienen dureza alta.

2. Resistencia a la tracción de 140 a 175 kh/mm^2

3. Alargamiento de 5 a 10%.

Sorbita: Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica

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