3. Curvas TTT

Es un hecho experimental que cuando un acero es calentado o enfriado se pueden llegar a producir cambios en su estructura, cambios de fase.

Llamaremos fase a cada una de las partes homogéneas físicamente separables en un sistema formado por uno o varios componentes.

Centrándonos en los aceros un cambio de fase será pues un proceso en el que el acero cambie de estructura interna y por tanto de propiedades físicas.

A la temperatura a la que se producen cada uno de estos cambios se le conoce como “punto crítico”.

El estudio de estas transformaciones se realiza desde un doble punto de vista.

Por un lado estudiaremos la termodinámica del proceso: a través de los diagramas Fe-C se determinará el estado de equilibrio que alcanzaría el sistema en unas conciones dadas de composición y temperatura.

Por otro lado se estudia la cinética (la velocidad) del proceso, es decir, el estado que realmente alcanza el sistema en función de la velocidad a la que se realiza el enfriamiento. Para ello utilizaremos los diagramas TTT.

DIAGRAMA Fe-C

Si representamos en un gráfico temperatura- composición los puntos en los que se producen estas transformaciones, obtendremos unas líneas que se corresponden con las condiciones de las transformaciones.

Las líneas más importantes que se obtienen reciben los siguientes nombres:

A1 (Ac1 ó Ar1): Temperatura del eutectoide.
A3 (Ac3 o Ar3): Línea de transformación alotrópica de austenita en ferrita.
Am (Acm o Arm): Curva de pérdida de solubilidad de carbono en la austenita.

En el diagrama Fe-C puede verse como cuando un acero con un contenido bajo en carbono es enfriado lentamente, su estructura estará formada principalmente por ferrita.

Si se trata de un acero de alto contenido en carbono se favorece la formación de cementita dura.

Y para aceros de un 0.8 % de carbono la estructura obtenida es 100 % perlítica.

Para el estudio de las transformaciones de fase del acero se utilizará el acero eutectoide. Este acero es el que se corresponde con una composición del 0.8%C y un estructura 100% de perlita. Para el resto de los aceros habrá que tener en cuenta la presencia de otros constituyentes estructurales, como la ferrita y la cementita.

Imagen 07. Elaboración propia.
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Para el estudio de las transformaciones de fase durante el enfriamiento, se utiliza el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita, denominado también diagrama T.T.T. (Transformación-Tiempo-Temperatura).
 
Estos diagramas tienen en cuenta una variable determinante en el proceso y que los diagramas de fase Fe-C no tienen en cuenta, el tiempo que dura el proceso.
 
Estos diagramas representan las curvas de enfriamiento respecto a las coordenadas temperatura-tiempo.

DIAGRAMA TTT

Para este análisis emplearemos el diagrama T.T.T. correspondiente al acero eutectoide (0.8%C).

En estos gráficos se representa en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.

Diagrama TTT
Imagen 08. Fuente propia.

Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que, fijada una temperatura constante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.

Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente.

A continuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidades y se van observando los microconstituyentes que se van obteniendo.

Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente:

La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas).

La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros, pero el microconstituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más fino, llamado también sorbita.

A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes microconstituyentes. Así la línea V3 produce trostita, la V4 bainita superior y la V5 vainita inferior.

Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se pretende es que toda la austenita se transforme en martensita. Es por ello que el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas (V6).

A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme martensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple (VC). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos perlíticos, principalmente troostita o bainita, lo que disminuirá la dureza del material tratado.

Así definimos:

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Transformación martensítica.
Transformación en la cual la austenita se subenfría a una velocidad superior a la crítica (Vc).  Con ello se origina martensita (solución sólida de carbono en Feγ) de red tetragonal.


Las principales características del proceso son:

  • Ocurre sin difusión.
  • El contenido de carbono de la martensita sigue siendo el de la austenita que la generó.
  • La transformación tiene lugar a intervalos a partir de la curva de inicio de transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).
  • Se trata de una transformación irreversible.
  • La tetragonalidad de la martensita depende de la concentración de carbono.
  • Se forma una estructura en forma de láminas o agujas.
  • El metal así obtenido queda en estado inestable con una gran cantidad de tensiones internas.
Microestructura de la martensita
Imagen 09 . Wikimedia. Creative Commons.
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La siguiente tabla muestra las propiedades de cada una de las estructuras comentadas:

Constituyente

Estructura

Obtención

Resistencia

(Kg/mm2)

Dureza

(HB)

ε (%)

Otros

Austenita

S.S.de C en Feγ

Enfriamiento rápido de aceros de alto contenido en C

88-105

300

30-60

Amagnética, blanda, dúctil, tenaz

Ferrita

S.S. de C en Feα

Enfriamiento lento de aceros hipoeutectoides

30

80-90

35

Blanda, dúctil, maleable.

Cementirta

Fe3C

En aceros hipereutectoides


650

0

Duro, frágil

Perlita

Eutectoide (Ferrita+cementita)

Enfriamiento lento de la austenita.

85

200-250

10


Martensita

S.S. sobresaturada de C en Feα

Enfriamiento rápido de la austenita

170-250

700

0,5-2,5


Trostita

Láminas alternadas de Feα y cementita

Enfriamieno lento de la austenita entre 500 y600ºC

140-175

400-500

5-10


Sorbita

Agregado de Feα y cementita

Enfriamiento isotérmico de la austenita entre 600 y 650ºC

88-140

250-400

3-10


Bainita

Arborescente o acicular

Enfriamiento isotérmico de la austenita entre 250 y 500ºC

160-230

400-600

1-10



AV - Pregunta de Selección Múltiple
Los cambios de fase en un acero se estudian a través de:
Su diagrama de fase y sus curvas TTT.
La termodinámica del proceso y la cinética del proceso.
Su diagrama Fe- C y sus curvas TTT.



En una transformación martensítica:
La velocidad de enfriamiento debe ser lenta para obtener constituyentes de equilibrio.
La curva de la velocidad de enfriamiento no debe cortar a las curvas TTT.
La velocidad de enfriamiento debe ser mayor que la crítica.



En una transformación martensítica, la curva de enfriamiento:
Puede cortar a la línea A1 pero no a la A3.
Puede cortar a la línea A1 y a la A3.
Puede cortar a la línea A1 y a la Am.