UNIDAD 7Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 7.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - La composición de la martensita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La temperatura de austenización. c) El medio de enfriamiento. d) La posición relativa de Ms y Mf. 2 - ¿Por qué se evita el revenido de aceros entre 200 y 400º C?: a) Por la bajada de dureza. b) Por la bajada de ductilidad. c) Por la bajada de tenacidad. d) Por la bajada de alargamiento. 3 - La obtención de estructuras 100% martensíticas en un acero requiere que: a) Ms se encuentre por encima de la temperatura ambiente. b) La velocidad de enfriamiento sea superior a la velocidad crítica. c) El acero sea aleado. d) a y b. 4 - La transformación martensítica tiene lugar en los materiales que presentan: a) Transformación eutéctica b) Transformación eutectoide c) Transformación alotrópica d) Sólo ocurre en los aceros 5 - El normalizado consiste en enfriar: a) Lentamente en el interior del horno b) Al aire ambiente c) Bruscamente en aceite d) Bruscamente en agua 6 - Los elementos de aleación en general: a) Mejoran la templabilidad b) Mueven a la derecha la curva de las S c) Hacen descender la curva Ms d) Todas son correctas 121 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7 - Los elementos de aleación en los aceros se adicionan para: a) Elevar la temperatura de la transformación martensítica. b) Aumentar la dureza por solución sólida. c) Mejorar la templabilidad. d) Posibilitar la eliminación del revenido. 8 - El campo de aplicación de la transformación martensítica es el de: a) Metales o aleaciones enfriadas bruscamente. b) Aleaciones hierro-carbono. c) Metales o aleaciones con cambios alotrópicos. d) Aleaciones insolubles en estado sólido. 9 - La dureza de la martensita del acero es debida a: a) El contenido en carbono. b) El contenido en elementos de aleación. c) El contenido en azufre. d) La temperatura de austenización. 10 - Al incrementar el contenido en elementos de aleación en los aceros: a) Se reduce la temperatura eutectoide. b) Disminuyen Ms y Mf. c) Aumenta el contenido en carbono del eutectoide. d) Aumenta la velocidad crítica de temple. 11 - La misión fundamental de los revenidos a alta temperatura, es: a) Ganar tenacidad b) Rebajar las características estáticas c) Hacer el material apto para aplicaciones dinámicas d) Todas son correctas 12 - ¿Cuáles de los siguientes procesos no requiere la difusión?: a) Envejecimiento b) Transformación martensítica c) Recocido de homogeneización d) Revenido 13 - Las exigencias de precipitación de dos fases en la transformación bainítica favorece: a) La forma laminar alternada. b) La forma globular diseminada. c) La formación de granos alternados de las dos fases. d) Es invariante. 14 - El tamaño crítico del núcleo de perlita disminuye con: a) Las tensiones térmicas del enfriamiento. b) El grado de subenfriamiento bajo la temperatura del eutectoide. c) La existencia de núcleos extraños. d) La mayor existencia de bordes de grano. 15 - La dilatometría puede ser usada para determinar los puntos de transformación perlítica y bainítica pues cuantifica fundamentalmente entre los componentes y productos: a) Sus diferentes coeficientes de dilatación. b) Los diferentes calores específicos. 122 17 . c) Níquel. d) El tamaño de grano de la austenita.Unidad 7 . d) Más de 10.El elemento de aleación que más influye en la posición hacia la derecha de las curvas de las S de transformación isotérmica es: a) Manganeso. 21 . b) La velocidad de enfriamiento.Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. c) El contenido en carbono.Las distorsiones de Bain indican: a) Las tensiones de compresión y cortante que se observan en la formación de las placas de martensita. c) El plano incoherente de formación de la martensita. 19 .El plano habitual de la martensita está definido por: a) El plano de más fácil deslizamiento en la austenita. sobre las de la austenita original. 23 .Las microestructuras de listón o placa de la martensita tienen similitud en: a) Tamaño. b) 2 a 4. d) El color de la estructura en el microscopio óptico. b) El plano común de coherencia entre la austenita y martensita. d) Los diferentes volúmenes específicos. b) Las deformaciones térmicas que aparecen asociadas al proceso de enfriamiento en el 123 . por un factor del orden de: a) 1. b) Los elementos de aleación. b) Apariencia.Endurecimiento por aleación. 20 . d) Plaquetas finísimas deslizadas o macladas.Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura.La diferencia más importante entre las bainitas superior e inferior está en: a) Las temperaturas del tratamiento isotérmico. 16 . 18 . b) Silicio. b) La forma de la fase α proeutectoide. c) Coloración.Las características resistentes de la estructura martensítica se multiplican. d) Cromo. Aleaciones con transformación martensítica c) Los coeficientes de conductividad térmica. d) Los solutos intersticiales. c) 4 a 10. 22 .5 a 2. c) La acritud previa. c) La forma de agujas o nódulos de su microestructura. d) El plano interfase entre la austenita y martensita. resulta: a) Estructura martensítica con austenita que evolucionará a bainitas. d) Depende de la variación de temperatura. suficiente para no cortar a la nariz perlítica de las curvas de las S. d) Estructuras martensíticas con perlitas transformadas. c) El aumento del contenido en carbono. 26 .La cantidad de transformado martensítico a una temperatura intermedia entre Ms y Mf de transformación aumenta con: a) El aumento del diámetro del grano. b) El grado de endurecimiento I = Le/σr. por ejemplo. 124 . c) Las variaciones atómicas obligadas por el cambio de red cristalina en la transformación alotrópica. d) Es invariante. 28 . b) No es isotérmica. c) Enfriamiento en fluido aceite o agua. agua agitada. 30 . c) Contenido en carbono. d) Del fluido de enfriamiento. d) Enfriamiento menor que el necesario para no formar estructuras perlíticas.El grado de endurecimiento de la transformación martensítica depende directamente del contenido de: a) Martensita. 25 . b) Enfriamiento continuo alto.El endurecimiento del acero por transformación martensítica aumenta: a) La estricción. b) Estructura martensítica en matriz austenítica. d) Las posiciones de los átomos durante la transformación martensítica.Si se detiene la transformación martensítica a una temperatura intermedia Mi. c) Es invariante con la energía interna. 27 . b) Elementos de aleación. 29 . 24 .Una transformación martensítica se denomina atérmica porque: a) No depende de la temperatura. b) Austenita. b) De los elementos de aleación. d) Elementos de aleación.La velocidad crítica de temple que se requiere para alcanzar las transformaciones sin difusión del soluto debe ser: a) Enfriamiento alto. c) Perlita. c) Estructuras martensíticas placadas con estructuras austeníticas. Ms < Mi < Mf.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales temple.La velocidad crítica de temple depende de: a) Temperatura de austenización. Aleaciones con transformación martensítica c) La resiliencia. 38 . c) Maclas. b) Precipitación de fases frágiles en bordes de placas de martensita.La selección de las temperaturas del revenido debe realizarse atendiendo a: a) Las zonas que mejoran la ductilidad y tenacidad.Las aleaciones con transformación martensítica reversible se fundamentan en que ésta sucede por formación de: a) Deslizamientos. c) Superiores a Mf e inferiores a A3. d) Es invariante. 37 .La influencia de los elementos de aleación. dislocaciones en planos de deslizamiento. 35 . c) Aumenta sus parámetros de ductilidad y su tenacidad. b) El mínimo que alcance el entorno de la resistencia adecuada a la temperatura. Cr. 32 .Mantienen la dureza en compromiso con una mejora de la resiliencia. b) Las zonas que obtienen mayor resistencia estática. d) Endurecimiento propio de la estructura. c) Precipitación de fases frágiles en alineaciones de monocristales. c) Las deformaciones que se aplican en la educación. d) Del orden de una hora. c) Según el alargamiento requerido.Las aleaciones con memoria de forma controlan la temperatura de variación de forma por: a) Las temperaturas en las que se educan.Las temperaturas de revenido deben cumplir las condiciones siguientes: a) Superiores a Ms e inferiores a A1. d) Según aplicaciones. 33 . b) La composición de la aleación. b) Disminuye sus características resistentes. d) El soluto sobresaturado.Unidad 7 .Mejoran la dureza y mantienen la resiliencia. 125 .Endurecimiento por aleación. c) Las zonas que evitan la fragilización. b) B .El revenido es conveniente aplicarlo a los aceros templados porque: a) Mejora la resistencia a la corrosión. Mo. b) Superiores a temperatura ambiente e inferiores a A1. d) Aumenta la dureza.Los tiempos de revenido deben seleccionarse atendiendo a: a) Hasta alcanzar la dureza deseada. 31 . 36 . d) El alargamiento de rotura.Asigna cual es la causa de la fragilidad del revenido entre los procesos genéricos característicos que disminuyen la tenacidad de los materiales metálicos: a) Disminución de la ductilidad consecuencia del endurecimiento. 34 . se puede hipotetizar en la forma: a) A . en los aceros de herramientas revenidos a 500°C. d) Inferiores a Ms y superiores a Mf. b) Maclas y deslizamientos. V. b) Recocido. recocidos de austenización. En un proceso industrial de temple.La gama de temperaturas en la que se localiza la fragilidad del revenido puede controlarse con: a) Los tiempos del revenido. c) El tamaño de los componentes microestructurales. observándose mezclas de M + A. 40 . podemos encontrarnos que. 39 . c) Los niveles de temperatura aplicados. para un acero eutectoide indicar los constituyentes presentes en cada zona. ¿ De qué parámetro depende ?. d) Los diferentes enfriamientos en el proceso. Dibuja la estructura de un acero con 0. d) Mejoran la dureza a costa de perder resiliencia.4 % de C en estado: a) Normalizado. d) Las tensiones originadas durante el temple. b) El contenido de elementos de aleación en general. Bajo qué condiciones: material. c) Revenido a alta temperatura.. 8. Justificación. b) La cualidad y la forma de los constituyentes de la microestructura. etc.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN 1.20% de ferrita.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales c) C . Sobre un diagrama T. Define el concepto de velocidad crítica de temple.Los diversos procesos de regeneración en el acero muestran las diferencias entre ellos como consecuencia de: a) La aleación base. tras el temple. 2. Señale y justifique ¿cuál es la causa del fallo? 126 . 7. 3. b) Que la microestructura tras el temple presenta una mezcla de martensita con un 10 .T. 6. contra acritud o revenidos muestran como característica común: a) La cualidad de la microestructura en base de ferrita y perlitas.4% C. ¿ Por qué es necesario aplicar un revenido tras los tratamientos de temple con transformación martensítica? 5. no se alcanza la dureza correspondiente al 100% de martensita.Los diversos procesos de regeneración en el acero. d) El estado original de la aleación. comienza a detectarse una menor dureza que en las piezas correspondientes a ese mismo acero con el tratamiento correcto. Se realizó un estudio de las piezas defectuosas y se determinó: a) Que la composición del acero es la correcta. en aceros con 0. Transformación martensítica. 4.. c) El contenido en silicio. 41 .Mejoran dureza y resiliencia.T. d) Templado. 7. temperatura de austenización. ¿ De qué parámetros depende la dureza de un acero con estructura martensítica ?. b) El estado original de la aleación. 14. Justifica los procesos que permitirían eliminar la austenita retenida en las estructuras de aceros aleados. Describe la evolución de transformado martensítico que podemos esperar si no existiera cambio en volumen entre las estructuras austeníticas y martensíticas. Justifica los efectos contrarios sobre la posición de las curvas de las S de los elementos formadores de carburos en los aceros. Con el diagrama ∆Gv = f (T) obtenido en el Calorímetro Diferencial de Barrido. Compara el proceso de transformación martensítica con otros procesos de transformación fundamentados en la nucleación y crecimiento. 17. justificar por comparación con los obtenidos para los procesos de recristalización y precipitación de segundas fases. 15. 20. Aleaciones con transformación martensítica 10. Razona sobre las correlaciones que permiten admitir el diagrama TTT de transformaciones isotérmicas como apto para definir la velocidad crítica de temple.Unidad 7 . Analiza las características que pueden esperarse en un acero de alto contenido de aleación que después del temple se le aplica el revenido para transformar la austenita retenida por largos periodos de tiempo. Analiza la aplicabilidad de la transformación martensítica si la velocidad de enfriamiento es superior a la definida como velocidad crítica de temple. los elementos que muestran efectos deformadores de las curvas de las S en los aceros. 18. 11. ¿Cómo pueden obtenerse estructuras 100% martensíticas enfriando al aire una pieza de acero? Justifique la respuesta.Endurecimiento por aleación. anotando los factores similares de aquellos otros diferenciados. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación bainítica hipereutectoide y la hipoeutectoide. 12. 19. Clasifica las aleaciones y aplicaciones más generales de las transformaciones con memoria de forma. 13. A partir del reconocimiento de las curvas de características estáticas y de resiliencia en el revenido de un acero delimita los campos de aplicación y características de cada uno de ellos. 22. 16. por bibliografía. Indica. 23. Establece el modelo que relata la influencia de cada uno de los principales elementos en la resiliencia de un acero revenido. 127 . 21. E+02 1.E+00 1.4°/min) AC1 (0. A partir de la curva de las S del acero aleado F-1260. Se pide determinar: a) la constante k del enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple.E+03 1.E+05 1. °C 700 600 500 400 300 200 100 0 55 Ms AC3 (0. para dicho acero.E+02 1. determine hasta que distancia del extremo templado en la probeta Jominy se obtendrán estructuras 100% Martensíticas. El agua empleada en el ensayo Jominy tiene una temperatura de 20°C. la disminución de temperatura con el tiempo puede aproximarse mediante una ley de tipo: ∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t dónde θ0 es la temperatura del medio al que se cede calor.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7.E+06 Tiempo. El inferior muestra las distancias al extremo templado.2. Fin de transformación 48 49 42 0 1. en este caso. medidas a 704°C. La figura siguiente representa la curva de las S correspondiente a un acero aleado F-1204. segundos 128 . La equivalencia aparece directamente en el eje de abcisas.E+04 1.E+06 Tiempo.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS Problema 7. DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C 1000 900 800 Temperatura.E+00 1.4°/min) Notas: • El acero ha sido austenizado a 850°C.1.E+01 1. la temperatura del líquido de temple: 20°C . segundos b) Si se pretendiese obtener estructuras bainíticas.4°/min) Aparición de la ferrita Aparición de la perlita Austenita y carburos 25 75 35 20 14 Principio de transformación 13 Fin de transformación 15 24 24 80 22 65 30 38 32 42 Bainita Fin de transformación Martensita Dureza Rc 1.E+04 1. austenizado a 850°C.E+03 1. En un enfriamiento continuo. Problema 7. DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C 1000 900 800 Temperatura. determine las temperaturas del baño a utilizar y el tiempo necesario para obtener 100% bainita. • El enfriamiento sigue una ley de tipo: Austenita y carburos Principio de transformación Bainita Perlita 17 10 20 22 ∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t • El diagrama Jominy muestra siempre una correlación entre distancias al extremo templado y velocidades de enfriamiento en la probeta. El superior muestra las velocidades de enfriamiento dq/dt. °C 700 600 500 400 300 200 100 59 Dureza Rc 50% 90% Martensita AC3 (0.E+01 1.E+05 1.4°/min) AC1 (0. Una excelente combinación de 42 400 Bs dureza. cuyas curvas han sido representadas anteriormente. En un diagrama de transformación isotérmica del acero eutectoide.7 Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un 1000 900 800 A1 A3 Fs γ+ γ+α Temperatura. Utilizando el diagrama de transformación isotérmica del acero de composición eutectoide. esquematizar y nombrar las etapas de temperatura tiempo que producen las siguiente microestructuras: a) 100% perlita gruesa. segundos Dureza Rockwell C 23 Dureza Rockwell C Problema 7.5. b) 50% martensita y 50 % bainita c) 50% perlita gruesa.3. enfriándolo rápidamente 0. templando a continuación a temperatura ambiente. 25% bainita y 25% martensita. enfriamiento rápido a 400°C manteniendo de nuevo 1000 s y templando a continuación a temperatura ambiente.6.Unidad 7 . donde se mantiene durante 20 s. resistencia y tenacidad en los aceros 52 300 Ms la proporciona la estructura bainítica.4. °C 500 B+γ 40 Bf Problema 7. Uno 57 200 M+γ Mf de los tratamientos es austenizar a 750°C un 100 66 Martensita acero eutectoide. segundos minutos. b) Enfriamiento rápido hasta 250°C. como el representado en la 0 figura anterior.1 1 10 102 103 104 105 Tiempo. c) Enfriamiento rápido hasta 650°C. °C 700 600 500 400 300 200 100 0 Ps Pf γ + α + perlita α + perlita α Bs Ms Mf ba ini ta Bf Bainita 30 39 49 54 62 γ + martensita Martensita 0. a) Enfriamiento rápido hasta 350°C. templando a continuación a temperatura ambiente. de la figura. Problema 7. donde se mantiene durante 100 s.1 1 10 102 103 104 105 hasta una temperatura de 250°C durante 15 Tiempo. ¿Es posible con este tratamiento descrito obtener la estructura bainítica requerida? Problema 7. figura anterior. donde se mantiene durante 104 s. que la probeta se ha calentado a 800°C durante el tiempo suficiente para alcanzar una estructura austenítica. describe el tratamiento isotérmico completo y la microestructura después de cada paso requerido para obtener una dureza de 32 Rc. Problema 7. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero eutectoide. Suponer siempre. especificar la naturaleza de la microestructura que se obtendrá ( en térmicos de microconstituyentes presentes y porcentajes aproximados) de una pequeña probeta que se ha sometido a los siguientes tratamientos.Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica Temperatura. y finalmente enfriar hasta temperatura ambiente. 1000 900 800 700 600 γ A1 Ps P+γ 14 Pf 38 Austenita 129 . ¿Cual es la microestructura producida por cada uno de estos tratamientos descritos?. a) Enfriar rápidamente a 250°C. 900 Austenita 800 700 600 Temperatura. Describir el tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente después de cada fases del tratamiento para obtener una dureza en el acero de 23 Rc.9. c) Enfriar rápidamente a 350°C. °C 500 400 300 200 100 0 A+C A+P A+B Bainita A M (inicio) M (50%) M (90%) 0. segundos /s 103 104 .18-0.5% de C. de una pequeña probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos. enfriado de nuevo a 400°C durante 20 s. y a 50°C/s cuando se templa en agua. mantener a esta temperatura durante 25 s y templar a temperatura ambiente. enfriado rápidamente a 700°C manteniéndolo a esta temperatura durante 50 s. Temperatura. mantener durante 5 minutos y templar a temperatura ambiente. En todos los casos suponer que la probeta se ha calentado a 920°C durante el tiempo suficiente para conseguir la estructura austenítica completa y homogénea de partida. representado en la figura. se enfría a una velocidad de 8°C/s cuando se templa en aceite. mantener a esta temperatura durante 3 s. s e g u n d o s b) Enfriar rápidamente a 650°C. °C 900 800 700 600 500 400 Fs Ps Bs Ms Bs Bf Pf ferrita + perlita + bainita + martensita ferrita + perlita e) Enfriar rápidamente a 775°C.13% C. y finalmente enfriado a temperatura ambiente.5% C. con un 0. mantener durante 7 segundos y templar a temperatura ambiente. describiendo los microconstituyentes presentes.10. mantener durante 16 minutos y templar a temperatura ambiente. con un 0.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 0.1 1 10 102 103 Perlita 50% 104 105 106 T ie m p o . enfriar rápidamente a 400°C. correspondiente a un acero hipereutectoide con un 1. d) Enfriar rápidamente a 675°C. mantener durante 8 minutos y templar a temperatura ambiente. Problema 7. ¿Cual es la microestructura final del acero tras el tratamiento? Problema 7. Considerar el diagrama de enfriamiento 130 2°C/ 300 200 ferrita + ferrita bainita + 100 + martensita martensita 0 ferrita + perlita + bainita 10°C 100°C/s 20°C /s s 1 10 102 T iempo. Un acero al carbono.23% de C.8. determinar la microestructura final. es calentado es calentado a 800°C durante 1 hora. Un acero al carbono F1120. Utilizando el diagrama TTT de la figura. Problema 7. Problema 7.Unidad 7 .5% C.2 min 1 s 22 min 10 s 15 40 500 400 300 200 100 1s 4 s 1 min 15 min 10 s 2 min 30 min 15 h 44 43 53 60 64 20 66 Construya la gráfica T. describir: a) la microestructura final. de una probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos: a) Una austenización a 750°C seguida de un enfriamiento brusco hasta 300°C. Problema 7. representado en la figura del problema 7. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono eutectoide.25% de Mo es el representado en la figura siguiente.7% de Cr y 0.Endurecimiento por aleación.T. Problema 7.T. (ii) mantenimiento a esta temperatura durante 4 s. Inicio Transf. después de cada fase del proceso térmico. Final Dureza HRC 700 600 4. 0. donde se mantiene durante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente. e indique los constituyentes en cada una de las diferentes zonas. con un 0. austenizado 5 minutos a 900°C. En la transformación isotérmica de un acero al carbono para herramientas. b) Tras la austenización. indicando los constituyentes.12.11. y (iii) temple instantáneo hasta 250°C. para 131 . enfriar rápidamente hasta los 350°C. El diagrama de transformación isotérmica de un acero aleado con un 2% de Ni. representado en la figura del problema 7. describir: a) La microestructura al someter al acero al siguiente tratamiento térmico: (i) temple instantáneo desde la región γ hasta 500°C. b) ¿Qué ocurriría si se mantiene la microestructura resultante durante un día a 250°C y posteriormente se enfría hasta temperatura ambiente? c) ¿Qué ocurriría si la microestructura resultante de la parte a) se templa directamente hasta la temperatura ambiente? a) Estimar la velocidad de enfriamiento necesaria para evitar la formación de perlita en este acero. describir la microestructura final. manteniendo 3 horas. Aleaciones con transformación martensítica continuo de la figura. NOTA: Considerar el valor de Ms de 185°C y el valor de Mf de 35°C Problema 7. se han obtenido los siguientes valores: T (°C) Transf.8% C.3. para obtener una dureza en el acero de 30 Rc. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un 0.13. indicando los constituyentes de una probeta sometida a una austenización a 800°C seguida de un enfriamiento brusco hasta 400°C. o curva de las S. b) El tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente.7. donde se mantiene durante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente.14. 27 – d. El diagrama TTT. 21 – d. 33 – b.1 1 10 102 103 104 Tiempo.c. 2 . 8 .Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales enfriar de nuevo rápidamente temperatura ambiente. 13 – a.c. manteniendo 17 minutos.22% Mo Bainita 0. 34 – d. 38 – b. Describir la microestructura final. 37 – b. indicando los constituyentes de la misma. 31 – c. posteriormente enfriar de nuevo rápidamente hasta 400°C manteniendo durante 200 s y finalmente enfriar hasta temperatura ambiente.c. 36 – d. 22 – b. 28 – b. 25 – b.15. 29 – a.d. 10 . enfriar rápidamente hasta los 650°C. 24 – b. 23 – a. 4 . manteniendo 2 horas y 45 minutos.37% C 0.d. 20 – c. °C 600 500 400 300 200 100 0 Ms 50% 90% Martensita 0. 32 – b.c. de un acero con un 0.c. 3 . 15 – d. se enfría rápidamente en baño de sales a 650°C. 12 – b. manteniéndose a esa temperatura durante 100 segundos. 7 . 41 – b. enfriar rápidamente hasta los 550°C. es el representado en la figura siguiente. 132 .b.c. 11 .a. para enfriar de nuevo rápidamente hasta 400°C manteniendo 17 minutos más a esa temperatura enfriando finalmente hasta temperatura ambiente. donde se mantiene durante 100 segundos. 26 – d.72% Mn 1. 17 – d.a. para enfriar posteriormente de forma brusca hasta temperatura ambiente. hasta 800 A Temperatura eutectoide Temperatura.37% de carbono.d. b) Después de la austenización. 18 – b. 16 – c. enfriando de nuevo bruscamente hasta temperatura ambiente. d) Tras la austenización. °C c) Tras la austenización. 700 A+FA+F F+P 600 +P A A+B 500 400 M (inicio) 300 50% M+A M B M (50%) 200 M (90%) 100 0 1 10 102 103 104 105 106 Tiempo.05% Cr 0. 14 – b. segundos 900 Austenita 800 700 Ferrita Perlita Temperatura. 39 . 9 . tras ser sometido a los siguientes tratamientos térmicos: a) Tras la austenización a 820°C. segundos 105 106 SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION: 1 . 6 . 35 . Problema 7. se enfría rápidamente en horno de sales hasta los 400°C. 40 – a. 19 – a. 30 – b. 5 .d. 0346 450 .4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS Solución al problema 7.Endurecimiento por aleación.k 850 . Se tendrá: t ∂θ = -k ∫θ∫ ∂t θ 0 0 θ a 1000 900 800 Temperatura. Aleaciones con transformación martensítica 7.E+01 1. se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior.4°/min) Aparición de la ferrita Aparición de la perlita Austenita y carburos 25 75 35 20 14 Principio de transformación 13 Fin de transformación 15 24 24 80 22 65 30 38 32 42 Bainita Fin de transformación Martensita Dureza Rc 1. denominada nariz perlítica.1 a) La velocidad crítica de temple es aquella cuya curva de enfriamiento es tangente a la nariz. tiempo de enfriamiento: 19 segundos.4°/min) AC1 (0.E+03 1.E+04 1. la nariz viene definida por los puntos: Temperatura: 450°C. °C 700 600 500 400 300 200 100 0 55 Ms DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 850°C AC3 (0. Atravesando isotérmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainíticas. y otra a menores temperaturas.E+06 Tiempo. 133 . la velocidad más lenta que permite obtener estructuras 100% martensíticas. segundos θ de donde. como ocurre con muchos aceros aleados. t = 19 seg y despejando k se obtiene: ln( de dónde k = 0.E+05 1. En este caso. Para este acero. ln( θ -θ 0 )= -kt θa -θ0 Sustituyendo los valores conocidos: θa = 850°C temperatura de austenización θ0 = 20°C temperatura del medio refrigerante θ = 450°C.E+00 1. denominada nariz bainítica. tal como se muestra esquemáticamente en la figura siguiente.20 )= -19.20 b) La transformación a bainita requiere la utilización de un tratamiento isotérmico adecuado. Es decir.Unidad 7 .E+02 1. A partir de la ecuación anterior: ∂θ = -k( θ -θ 0 ) ∂t puede determinarse el tiempo necesario para alcanzar una temperatura dada. • Para una temperatura de 400°C.0071 (704-20) = 4. Solución al problema 7.2 Calculemos en primer lugar hasta que distancia en la probeta Jominy se obtiene 100% martensita. podemos calcular la velocidad de enfriamiento a cualquier temperatura.85 °C/seg Dicha velocidad de enfriamiento corresponde en el gráfico Jominy a una distancia de 28 mm (o 18/16 pulgadas). La pieza deberá permanecer en el baño hasta que se completen las transformaciones a bainita. desde el extremo templado hasta los 28 mm. se determina la constante de enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple. el rango de temperaturas del baño isotérmico debe encontrarse entre: • Temperaturas del baño : desde Ms a 430°C. ya que durante el enfriamiento se entra dentro de la nariz. se tendrá. Así pues.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Así pues.k 850 . el tiempo de tratamiento: 2000 minutos. Así. aparecen estructuras de Martensita + Bainita. Para ello. obteniéndose bainita de dureza 32HRC.0071 400 . El gráfico Jominy se muestra a continuación: 134 .20 Una vez conocido el valor de k. Necesitamos conocer la velocidad a 704°C. De la ecuación: ln( θ -θ 0 )= -kt θa -θ0 Sustituyendo los valores conocidos: θa = 850°C temperatura de austenización θ0 = 20°C temperatura del agua de enfriamiento θ = 400°C.20 )= -110. t = 110 seg Podemos despejar k: ln( de dónde k = 0. definida por el enfriamiento que es tangente a la nariz bainítica: Deben alcanzarse 400°C en menos de 110 segundos. de la ecuación general de enfriamiento: ∂θ = k( θ -θ 0 ) ∂t Ve704°C = (dθ/dt)θ=704°C = 0. en el gráfico Jominy existe martensita. A partir de ese punto. con una dureza de unos 59 HRC. 3 En la figura podemos observar la dureza Rockwell C como una función de la temperatura de transformación. siendo la estructura final 100% perlita.1 1 10 102 103 104 105 2. al encontrarse entre las temperaturas de transformación a perlitas gruesas y finas. MPa 14 38 55 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 .Unidad 7 . Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. mm Solución al problema 7. Los granos perlíticos van creciendo hasta los 50 segundos. sucede a los 40 s. como siguen: 1. 3 en °C por segundo 70 65 60 Dureza Rockwell. °C 700 600 500 400 300 200 100 0 γ Ps P+γ B+γ Bs Ms Mf M+γ Martensita Bf Bainita 40 42 52 57 66 0. HRc 50 45 40 35 30 25 20 15 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Martensita Martensita + Bainita 900 800 700 60 Distancia al extremo de la probeta templada. inicio de transformación perlítica. es de 4 s y Pf. segundos niendo al menos 40 segundos.Endurecimiento por aleación. 135 Dureza Rockwell C Pf Perlita Carga de rotura. Enfriamiento rápido a 650°C manteTiempo. 1000 900 800 A1 Austenita Temperatura. final de la transformación perlítica. La perlita será de tamaño medio. El tratamiento térmico y las microestructuras serán. El acero contiene en esta fase 100% de austenita. por tanto. Aleaciones con transformación martensítica ENSAYO JOMINY 200 100 50 20 10 5 4 Velocidad de enfriamiento a 704°C. Después de 4 segundos se inicia la nucleación de la perlita a partir de la austenita inestable. 3. donde Ps. La microestructura permanece como perlita. La dureza de 32 Rc se obtiene con estructuras transformadas a 650°C. Austenización alrededor de 725°C y mantenimiento durante 1 hora. 1 1 10 102 103 104 105 b) La transformación bainítica. empieza después de 150 s. 100% martensita 50% perlita 100% bainita 50% bainita (b) (c) (a) 66 c) En la transformación isotérmica a 650°C. examinamos el tratamiento térmico descrito.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 7. la microestructura es 100% austenita. o alrededor de 3 horas. permanece la estructura austenita inestable hasta iniciar la transformación a bainita inferior a los 150 s. la martensítica. se ha formado cerca del 50% de bainita. a los 250°C. la perlita empieza a formarse a los 7 s y después de 20 s aproximadamente el 50% de la probeta se ha transformado en perlita. permaneciendo todavía un 50% de austenita inestable. a los 104 s el 100% de la probeta es bainita y no ocurre posterior transformación. 1000 900 800 A1 Austenita Temperatura. °C 700 600 500 400 300 200 100 0 γ Ps P+γ B+γ Bs Ms Mf M+γ Martensita 14 40 Bf Bainita 42 52 57 66 0. Al llegar a la temperatura ambiente casi el 100% de la microestructura es martensita. Por lo tanto. aunque posteriormente la gráfica de enfriamiento pase por la zona de transformación martensítica. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente.5 Las gráficas tiempo . esta reacción empieza a los 10 s y termina a los 500 s. En todos los casos consideramos un enfriamiento rápido para prevenir cualquier transformación. Para obtener una transformación total a bainita debería permanecer el acero. y por ello el tratamiento descrito no es adecuado al formar una estructura muy frágil. a) A 350°C la austenita se transforma isotérmicamente en bainita. Solución al problema 7. Al enfriar esta probeta a los 215°C la austenita empieza a transformarse instantáneamente en martensita. Después del enfriamiento rápido a 250°C. segundos tanto. segundos motivo después de 100 s la probeta mantiene el 100% de austenita.1 1 10 102 103 104 105 La estructura final obtenida será. al menos durante 104 s. a 250°C.4 Utilizando el diagrama TTT del acero. por este Tiempo. Tras el calentamiento a 750°C. 1000 900 800 A1 Austenita Temperatura. o 900 s. de un 50% de bainita y un 50% de martensita. Después de 15 minutos. por Tiempo. El enfriamiento rápido hasta 400°C está indicado por la línea vertical y durante este enfriamiento prácticamente no hay 136 Dureza Rockwell C Perlita 38 Dureza Rockwell C Pf Perlita 38 . °C 700 600 500 400 300 200 100 0 Mf γ Ps P+γ B+γ Bs Ms M+γ 14 Pf Bf Bainita 40 42 52 57 Martensita 0.temperatura se estos tratamientos están trazados en la figura adjunta. a) Para obtener 100% de perlita gruesa se deberá enfriar rápidamente a temperaturas entre los 650°C y los 710°C.1 1 10 102 103 104 105 martensita.Endurecimiento por aleación. c) Tras la austenización. °C 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 A1 Ps P+γ Pf 14 38 40 42 52 Austenita γ Ms B+γ Bs (c) Bf Bainita 57 M+γ Mf b) Tras la austenización. 200 54 Finalmente se enfriará rápidamente hasta Martensita 62 100 temperatura ambiente con lo que el resto de la austenita inestable se transformará a 0 0. de un 50% de bainita y un 50% de martensita. El tiempo γ + α + perlita γ+ 500 30 correspondiente. Tiempo. Después de 15 minutos. Por 900 ejemplo. Ps 700 Fs según el apartado anterior. para obtener la α α + perlita Pf 600 23 transformación bainítica. Después de 1000 s a esta temperatura el 100% de la austenita que quedaba se transforma en bainita. se enfriará a temperatura ambiente. para 650°C alrededor de 50 s. aunque se crucen las zonas de transformación perlítica y bainítica. a una temperatura de ba Bs Bf ini t a 250°C. la estructura final obtenida será. Aleaciones con transformación martensítica transformación de la austenita. permaneciendo todavía un 50% de austenita inestable. A 400°C empezamos a contar a partir del tiempo 0. Con ello. de un 50% de perlita gruesa. γ+α Después enfriaremos rápidamente hasta A3 800 A 1 temperaturas entre los 400°C y los 250°C. el Tiempo. °C 137 Dureza Rockwell C Dureza Rockwell C (a) Perlita . Con ello.1 1 10 102 103 104 105 temperaturas de transformaciones bainíticas. Allí permanecerá hasta 1000 completar el 50% de transformación. se ha formado cerca del 50% de bainita. se realiza un (b) 100 66 enfriamiento rápido a temperaturas entre los Martensita 0 400°C y los 250°C que corresponden a 0. donde la microestructura será 100% austenita. Tras mantener un tiempo superior a los 200 s. Temperatura. de los cuales sólo el 25% 300 49 Mf γ + martensita será a bainitas.Unidad 7 . segundos un 25% de bainita y un 25% de martensita. Temperatura. según el apartado a. para obtener el 75% de 400 39 Bainita Ms transformación. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. Solución al problema 7. es de unos 5000 s. la estructura final obtenida será. Al templar a temperatura ambiente no ocurre ningún cambio microestructural.6 En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 750°C. o 900 s. segundos tiempo correspondiente para obtener el 50% de transformación a bainitas. Si tomamos una temperatura de 250°C la transformación a bainita iniciará a los 150 s. Por este motivo la microestructura final a temperatura ambiente consiste en 50% de perlita y 50% de bainita. deberá realizarse un enfriamiento rápido a temperaturas entre los 650°C y los 710°C que corresponden a temperaturas de transformaciones a perlitas gruesas. Temperatura. Después del enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente. Fs. Enfriamiento rápido a 590°C manteniendo al menos 5 segundos.15 s. La microestructura final será ferrita. γ + martensita Martensita 0.15 s se inicia la transformación a perlita.1 1 10 102 103 104 105 Tiempo.9 En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 815°C. el 138 Dureza Rockwell C 2. a) Tal como se observa en la figura no hay transformación a ninguna estructura mientras se encuentra a 250°C. inicia la transformación de perlita y la austenita se transforma completamente después de los 5. La dureza deseada de 23 Rc. segundos 4. Tras el enfriamiento a 400°C iniciamos la transformación a bainita alrededor de los tres segundos y a los 25 s. b) A la temperatura de 650°C obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita y concluimos con una transformación alrededor del 25% de perlitas gruesas. sólo se ha transformado el 50% de la estructura restante. La microestructura permanece como ferrita primaria y perlita. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente.5 s finaliza la transformación a perlita. La bainita inicia su transformación transcurridos 3 s y después de 20 s. y finalmente. bainita y martensita. y a los 5. Empieza formándose ferrita primaria precipitada de la austenita inestable después de 1 s. Los tratamientos y microestructuras obtenidas serán las siguientes: 1. Más tarde. A1 A3 Fs Ps Pf α + perlita α 23 . el acero sigue conteniendo solamente ferrita y austenita inestable. Solución al problema 7. 2.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 7. bainita y restos de austenita inestable.8 1. la austenita que queda atraviesa las líneas Ms y Mf y se transforma a martensita. a los 1. donde la micro-estructura será 100% austenita. Solución al problema 7. Pf. Después de 1 hora de austenización a 800°C tendremos un 100% de austenita. Ps.7 De la figura obtenemos una temperatura de austenización representada por la línea A3 de al menos 760°C. donde a 1 s se inicia la transformación a ferrita. Tras el temple final se obtendrá 100 de martensita. aproximadamente el 38%. Inmediatamente después de enfriar a 400°C. °C 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Ms Mf Bs γ+ ba ini ta γ+α γ + α + perlita Bf Bainita 30 39 49 54 62 3. se obtiene mediante transformación del acero a 590°C. El acero contiene en esta fase 100% de austenita.5 segundos. el acero contiene ferrita. Austenización a 760 + (30 a 55) = 790°C a 815°C y mantenimiento durante 1 hora. a los 1. 3. Tras un enfriamiento rápido a 700°C se inicia la transformación a ferrita a los 20 s y a los 50 s el acero contiene solamente ferrita y austenita inestable. obteniendo una estructura de bainitas intermedias que constituye el 50% a los 5 minutos. Bs. Por lo tanto. esta austenita se transforma en martensita. Fs. Ms. s e g u n d o s transformación parcial de austenita a cementita. tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y con la proporción de fases que allí se indica. Por lo tanto la 900 estructura final obtenida será de un 25% de Austenita cementita y perlita gruesa. s e g u n d o s 20°C /s s /s 104 139 . por lo tanto. una velocidad de enfriamiento de 8°C/s. A los 50°C/s. con la proporción de fases que allí se indica.Endurecimiento por aleación. por lo que obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita es tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y debido al tiempo de 8 minutos. La estructura será. c) Al enfriar a 350°C no tenemos ninguna transformación hasta iniciar la transformación a bainitas intermedias a los 30 s. °C 500 400 300 200 100 0 Bainita A M (inicio) (d) M (50%) M (90%) 50% (b) (c) (a) 0. Solución al problema 7. inicio de transformación bainítica. inicio de transformación perlítica. 600 A+P A+B Perlita Temperatura. la estructura será una mezcla de ferrita. y las líneas de inicio y fin de transformación bainítica. entre los 2°C/s y los 10 °C/s. cruza las líneas de inicio de transformación ferrítica. Es posible que no toda la cementita esté ubicada en los antiguos bordes de grano de la austenita al ser una transformación rápida y posiblemente incompleta. estamos entre las temperaturas de inicio y fin de transformación eutectoide. Fs.10 De la figura adjunta. y la línea de inicio de transformación a martensita. la curva corta las líneas de inicio de transformación ferrítica. esta austenita se transforma en martensita. con un 38% de 800 (e) A + C bainitas superiores y el 38% restante de 700 martensita. El resto se transforma a martensita durante el temple hasta temperatura ambiente. e) A la temperatura de 775°C. perlita y bainita. por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actúa de matriz dándonos ahora sí una estructura de máxima fragilidad. Bs y Bf.Unidad 7 . Ps.1 1 10 102 103 104 105 106 d) A la temperatura de 675°C obtenemos la T ie m p o . Tras el temple hasta temperatura ambiente. y concluimos con una transformación Esta cementita estable. precipitará en el borde de grano de la austenita. por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actuará de matriz dándonos una estructura de máxima fragilidad. Tras el enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente. Aleaciones con transformación martensítica resto se transforma con el último temple a temperatura ambiente en martensita. una 900 800 700 Fs Ps Bs Ms Bs Bf Pf ferrita + perlita + bainita + martensita ferrita + perlita Temperatura. °C 600 500 400 2°C/ 300 200 ferrita + ferrita bainita + 100 + martensita martensita 0 ferrita + perlita + bainita 10°C 100°C/s 1 10 50°C/s 102 8°C/s 103 T ie m p o . después enfriar a temperatura ambiente. A1 A3 Fs Ps Pf α + perlita α 23 . Tan sólo deberá tenerse en cuenta que la escala de abscisas es logarítmica respecto al tiempo. según el diagrama TTT a: 50% de perlita fina + 50% de austenita inestable b) Cuando mantenemos un día a 250°C.13.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales mezcla de ferrita. Solución al Problema 7. Es posible también que todavía queda una pequeña cantidad de austenita retenida.11 La construcción del diagrama no ofrece ninguna dificultad. 800 700 600 Austenita Ps A1 Perlita Pf Temperatura °C 500 400 300 200 100 0 Bs Ms Mf Martensita 4 8 15 30 60 Horas Bf Bainita 1 2 4 8 15 30 1 2 4 8 15 30 1 2 Minutos Segundos Tiempo Solución del problema 7.12. a) Martensita + Bainita inferior 25 a 40% 60 a 75 % Temperatura. °C 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Ms Mf Bs γ+ ba ini ta γ+α γ + α + perlita Bf (b) Bainita 30 39 49 54 62 Solución del problema 7. a) La microestructura corresponderá. segundos Dureza Rockwell C b) Enfriar bruscamente hasta los 500 ºC y mantener al menos durante 8 segundos. bainita y martensita.1 1 10 102 103 104 105 Tiempo. 140 γ + martensita Martensita (a) 0. así como las líneas singulares de inicio y fin de transformación. En la misma gráfica se indican los distintos constituyentes. Endurecimiento por aleación. con lo que la velocidad mínima de enfriamiento será: v= ∆T 800 − 538 °C = = 437 K / s t 0. la transformación final será: 40% bainita superior + 60% martensita d) Al permanecer 17 minutos a 650°C.14. °C 800 727°C 700 Perlita gruesa 600 500 400 300 Ms 200 100 0 0. obtenemos una transformación parcial a ferrita y perlita.1 1 10 102 103 104 105 106 M50 M90 α + Fe3C Perlita fina Austenita 50% de perlita fina + 50% de martensita d) Si consideramos un enfriamiento desde la región austenítica a 800°C. un 25% de la austenita transforma a ferrita. Por tanto. con lo que la transformación final será: 100 800 A Temperatura eutectoide 700 A+FA+F F+P 600 +P A A+B Temperatura. a los 0.6 segundos.6 s γ inest. a) Al enfriar rápidamente a 650°C y mantener la temperatura durante 100 segundos. se transformará un 40% de la masa en bainita del tipo superior. 141 . El resto iniciará de nuevo la transformación después de permanecer otros 17 minutos a 400°C donde el 60% de esta masa pasará a bainita superior y el 40% restante a martensita. segundos Solución del problema 7. Aleaciones con transformación martensítica la estructura resultante será 50% de perlita fina + 50% de bainita c) Cuando enfriamos rápidamente desde los 250°C. °C 500 400 M (inicio) 300 50% M+A B M (50%) 200 M (90%) a) M 0 c) d) b) 1 10 102 103 104 105 106 Tiempo. a) La microestructura será de un 100% de martensita. segundos 25% ferrita + 45% de bainita superior + 30% martensita Solución del problema 7. obtendremos: Temperatura. b) Tras mantener durante 3 horas a 350°C tenemos una transformación completa de la austenita a bainita del tipo inferior. la austenita no ha sufrido ninguna transformación por lo que al enfriar hasta los 400°C y mantener 200 segundos.Unidad 7 .14. transformando el resto a martensita en el último enfriamiento. γ+ α+ a) Fe 3C Bainita b) Tiempo. La ferrita. c) Tras mantener durante 2 horas y 45 minutos a 550°C. la temperatura a la que se corta la nariz perlítica resulta de 538°C. que habría transformado toda la posible. por lo que tendremos: 75% bainita + 25% martensita 142 .37% C 0.1 1 10 102 103 104 105 106 obtenemos una transformación a bainita de Tiempo.22% Mo Bainita b) Al enfriar rápidamente a 400°C y Martensita 0 mantener igualmente 100 segundos. segundos aproximadamente el 75%. con el enfriamiento brusco posterior logramos transformar a martensita toda la austenita que no se había transformado previamente.72% Mn 1. y del resto.Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Temperatura.5% perlita + 37.05% Cr 0. 0. por tanto tendremos finalmente: 50% ferrita + 12.5% martensita 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Austenita Ferrita a) Perlita b) Ms 50% 90% 0. °C vendrá expresada por el porcentaje de carbono que al ser cercano al 0. el 25% se transformará a perlita.4 % le corresponderá aproximadamente al 50%. El resto de austenita se transformará también a martensita con el nuevo enfriamiento brusco.