Introducción: Diagrama de fase de hierro-carbón en el tratamiento térmico

Para cualquier persona que trabaja con el acero, el diagrama de fase de hierro-carbono es una herramienta indispensable. Mapea la relación entre la temperatura, el contenido de carbono y las fases presentes en aleaciones de hierro-carbono. Procesos de tratamiento térmico como anelar, normalizar, apagar y templar depender de un control de temperatura preciso. Entendiendo dónde en este diagrama se encuentran los puntos de transformación críticos permite a los ingenieros diseñar ciclos de calor que producen propiedades mecánicas inesperadas como la dureza, la resistencia, la resistencia, la resistencia o la ductilidad.

El diagrama en sí es de más de un siglo de antigüedad, pero sigue siendo fundamental en la metalurgia. Muestra las fases estables en el equilibrio: líquido, delta ferrite, austenita, ferrite y cementita (Fe3C). La clave para usar el diagrama efectivamente reside en reconocer las reacciones invariantes -peritectic a 1495 °C (para el contenido de carbono cerca del 0,09%), eutectic

¿Cuáles son las temperaturas críticas?

Las temperaturas críticas son valores específicos a lo largo del eje de temperatura donde los cambios de fase comienzan o terminan. En el contexto del tratamiento térmico de acero, estas son las temperaturas a las que se producen transformaciones que pueden controlarse para alterar la microestructura. No son números fijos únicos para todos los aceros, sino que cambian con contenido de carbono y elementos de aleación.

  • Ac1] – La temperatura a la que el austenito comienza a formar de la ferrite durante el calentamiento (también llamada la temperatura crítica más baja para los aceros).
  • Ac3 – La temperatura a la que se completa la transformación de la ferrite a la austenita durante el calentamiento. Para los aceros hipereutectoide, esto se denomina a menudo la línea Acm, donde la cementita se disuelve en austenita.
  • A1 – Temperatura eutectoide de equilibrio (727°C para aceros de carbono lisos), donde se forma perla en frío lento.
  • A3] – La línea de equilibrio que separa la región (austenita + ferrita) de la región de austenita de una fase única para aceros hipoeutectoide.

Estas temperaturas se etiquetan con un subscripto “c” (calor) o “r” (cooling) para indicar si se miden durante el calentamiento o enfriamiento, porque la histeresis ocurre. En la planificación del tratamiento térmico, usted normalmente trabaja con Ac1 y Ac3 para la calefacción, y el uso de diagramas de transformación isotérmica (TTT) o enfriamiento continuo (CCT) para los caminos de enfriamiento que des que des des.

Leyendo las temperaturas críticas clave del diagrama

Temperatura Eutectoide (A1)

La temperatura crítica más fundamental es el eutactoide a 727°C. Esta es la línea horizontal en el diagrama junto a la que convergen todas las líneas de contenido de carbono. A esta temperatura y a un contenido de carbono de 0.76%, la mezcla austenita se transforma en perla (la mezcla de lino de ferrito y cemento).

Temperatura crítica inferior (Ac1) y Temperatura crítica superior (Ac3)

Para aceros hipoeutectoide (carbon < 0.76%), the Ac3 temperature lies above the A1 line on a sloping boundary. For example, a 0.2% carbon steel has an Ac3 around 860°C. Between Ac1 and Ac3, the steel is a mixture of austenite and ferrite; only above Ac3 is it fully austenitic. For hypereutectoid steels (carbon > 0.76%), el límite equivalente es la línea Acm, donde el cemento se disuelve en austenito. En estos aceros, la austenitización completa ocurre por encima de Acm, que puede estar cerca de 1100 °C para un acero al carbono 1,2%, pero muchos tratamientos térmicos conservan intencionalmente algún cemento no disuelto para la resistencia al desgaste.

Límites de fase local

Para leerlas desde el diagrama, siga estos pasos:

  1. Identificar el contenido de carbono de tu aleación en el eje horizontal.
  2. Dibuja una línea vertical hacia arriba de ese contenido de carbono.
  3. La intersección con el límite A3 (para hipoeutectoide) da la temperatura Ac3 o Ae3. La intersección con la línea horizontal A1 da el Ac1.
  4. Para los aceros hipereutectoide, la intersección con la línea Acm (extensión izquierda de la composición eutectoide) da la temperatura a la que el cemento se disuelve completamente. El A1 sigue siendo el mismo.

Estas lecturas suponen condiciones de equilibrio, alcanzables sólo con una calefacción muy lenta o refrigeración. En la práctica, ajustarás estos valores basados en las tasas de calefacción y la composición de aleación.

Cómo Aleación de elementos cambia temperaturas críticas

Los aceros de carbono de color azul siguen el diagrama simple, pero la mayoría de los aceros de ingeniería contienen manganeso, cromo, níquel, molibdeno y otros elementos. Estos elementos de aleación cambian significativamente las temperaturas críticas. Por ejemplo, el cromo eleva los puntos A1 y A3 mientras que estabilizan carburos; níquel los baja.

Una regla simple del pulgar: para cada 1% del cromo, la temperatura A1 aumenta aproximadamente 15-20°C. El níquel disminuye la A1 en aproximadamente 10°C por 1%. El silico también eleva A1, pero en menor medida. Para el trabajo de precisión, debe consultar un diagrama de fase específico para la aleación o utilizar el software termodinámico. Métodos de laboratorio como la dilatometría pueden confirmar el Ac1 y Ac3 real para un calor dado.

Métodos experimentales para verificar las temperaturas críticas

Mientras que el diagrama proporciona un punto de partida, el tratamiento térmico del mundo real requiere verificación. Cinco métodos comunes se utilizan:

  • Dilatometría: Una muestra se calienta mientras mide cambios dimensionales. Las transformaciones de fase provocan cambios de volumen (por ejemplo, ferrite-a-austenita es una contracción).El punto de inflexión en la curva de temperatura-versus- longitud corresponde a Ac1 y Ac3.
  • Calormetría de Escaneo Diferencial (DSC) o Análisis Termal Diferente (DTA): Estas medidas miden el calor absorbido o liberado durante los cambios de fase. Los picos indican el inicio y final de la transformación.
  • Pruebas de la sensación después de la apagación parcial:] Mediante muestras de calefacción a diversas temperaturas justo encima de Ac1 y superior a Ac3, entonces la anclaje, se puede detectar el cambio de dureza como formas martensitas de austenita.
  • Metallography:] Muestras de calefacción a diferentes temperaturas, apagado y examen de la microestructura bajo un microscopio. La presencia de ferrito o cemento no transformado indica que está por debajo de Ac3 o Acm.
  • Medición de resistencia eléctrica: La resistencia de los cambios de acero con fase. Un cambio repentino de resistencia durante el calentamiento marca la transformación.

Para entornos de producción, la dilatometría es la más común, a menudo especificada en estándares como ASTM A1033. Proporciona valores exactos de Ac1 y Ac3 para el control específico de lote.

Aplicar temperaturas críticas en el tratamiento térmico

Annealing

El acolchado tiene como objetivo suavizar el acero para el mecanizado o la formación. Para los aceros hipoeutectoide, el amasado de proceso se realiza alrededor de 20-30°C debajo de Ac1, permitiendo la recrestalación sin formar austenita. El amasamiento completo requiere calefacción por encima de Ac3 (normalmente 30-50°C) y el enfriamiento lento para producir una formación de perlas gruesas.

Conocer las temperaturas críticas garantiza que no se recaliente, lo que conduce al crecimiento del grano, o subcaliente, que deja dura perlaita en la estructura.

Normalización

La normalización implica calefacción a una temperatura de unos 50-80°C por encima de Ac3 (para hipoeutectoide) o por encima de Acm (para hipereutectoide) y luego refrigeración de aire. El objetivo es refinar el tamaño de grano y producir una estructura uniforme de fino perlado. Si la temperatura de calentamiento es demasiado baja, algunos ferritos permanecen sin resolver y la microestructura final es parche.

Quenching (Hardening)

Para endurecer el acero mediante la formación de martensita, primero debe calentarlo en la región austenita - abono Ac3 para las calificaciones hipoeutectoideas. La práctica típica es calentar alrededor de 30-60°C por encima de Ac3 para asegurar la completa disolución de la resistencia a la ferrita y los carburos. Para los aceros hipereutectoides, el endurecimiento se hace desde la región (austenita + granométrica)

Después de apagar, la temperatura de inicio de martensita (Ms) es crítica, pero no aparece en el diagrama de equilibrio. La Sra depende del contenido de carbono y aleación. El carbono superior y la mayoría de los elementos de aleación (excepto cobalto) baja Sra. Usted debe consultar un diagrama TTT o CCT para información de la tasa de enfriamiento, pero la temperatura austenitante en sí se establece leyendo el diagrama de fase de hierro-carbon.

Temporada

El templado se realiza después de apagar e implica calentamiento a una temperatura debajo de Ac1 –normalmente entre 150°C y 650°C dependiendo de la dureza y dureza deseadas. La temperatura crítica inferior establece el límite superior: nunca templado por encima de Ac1 o se arriesga a formar austenita fresca sobre la calefacción, que creará martensita sin tentación sobre el enfriamiento.

Pasos prácticos para la planificación del tratamiento de calor

Basado en todo lo discutido, aquí está un procedimiento para planificar un tratamiento térmico utilizando el diagrama de fase de hierro-carbono y las temperaturas críticas:

  1. Determinar el contenido de carbono de su acero.] Verifique la especificación de aleación (por ejemplo, 1040 tiene 0.40%C, 1095 tiene 0.95%C). Confirme con el análisis químico si es necesario.
  2. Localizar los límites de fase apropiados. Usar el diagrama de equilibrio para encontrar las temperaturas A1 y A3 (o Acm) para ese contenido de carbono. Por ejemplo, un acero 1040 tiene A1 = 727°C, A3 ♥ 790°C.
  3. ]Ajustar para elementos de aleación. Si el acero contiene √0.5% Mn, 1% Cr, etc., aplicar los factores de corrección de las hojas de datos del tratamiento térmico. Un mejor enfoque es utilizar la norma ASTM para la determinación de Ac1 y Ac3 por dilatometría si los datos de la lote no están disponibles.
  4. ]Seleccione el tipo de tratamiento térmico. Para endurecimiento, establezca la temperatura austenitizante a Ac3 + 50°C (para hipoeutectoide) o Ac1 + 50°C (para hipereutectoide). Para el aneado, utilice Ac3 + 30°C o Ac1 – 20°C dependiendo del grado.
  5. ]Determine el tiempo de retención. La práctica típica es de 1 hora por pulgada de espesor, pero ajustar para el tamaño de la sección y el precalentamiento del horno. Las temperaturas críticas sólo definen los límites térmicos; el tiempo debe ser suficiente para disolver los carburos y homogeneizar el austenito.
  6. ] Enfriamiento de plantas. El diagrama de fase no muestra cine, por lo que se hace referencia a un diagrama CCT para la aleación específica] para determinar la tasa de enfriamiento necesaria para evitar la perla o la bainita y lograr la martensita.
  7. ]Verificar resultados. Usar pruebas de dureza, metalografía o dilatometría para confirmar que se logró la microestructura diana. Si no, ajustar la temperatura o el tiempo basado en la desviación de puntos críticos esperados.

Este proceso garantiza resultados reproducibles de tratamiento térmico evitando así las dificultades comunes como la austenitización insuficiente, el ensuciamiento de granos o la distorsión parcial.

Errores comunes al usar temperaturas críticas

Se producen varios errores cuando los ingenieros confían en el diagrama de fase de hierro-carbono incorrectamente:

Ignorando la Diferencia entre el Equilibrio y las Temperaturas Prácticas

El diagrama muestra estados de equilibrio. En un horno real, las tasas de calentamiento de 10-50°C por minuto significan que el Ac1 real es hasta 30°C más alto que el equilibrio A1. Esto se conoce como supercalentamiento. Si usted establece su horno a la temperatura de equilibrio, el acero no se transformará. Siempre apuntar a Ac3 o Ac1 más un margen de seguridad (normalmente 30-50°C).

Sobrecalentamiento de aceros hipereutectoide

Calentar un acero al carbono del 1% a la región de austenita de una fase (ambos Acm) disuelve todo cementito, pero también causa el ensarcimiento de grano extremadamente alto y una temperatura muy baja de la Sra., promoviendo austenita retenida. endurecer estos aceros de la región de dos fases (austenita + cementita) es preferido.

Suponiendo que todos los aceros tengan el mismo A1

Una creencia común es que A1 es siempre 727°C. Aunque esto es cierto para el acero al carbono liso, los aceros de aleación pueden tener temperaturas A1 que van desde 700°C hasta casi 800°C. Por ejemplo, los aceros de herramientas como D2 tienen un A1 cerca de 780°C debido al cromo alto. Usar valores predeterminados conduce a una transformación incompleta durante el templado o la austensión.

Desvelar los ingredientes de carbono

Si el acero ha sido carburado o decarburado, el contenido de carbono superficial difiere del núcleo. El diagrama se aplica de manera diferente a cada profundidad. El tratamiento térmico debe tener en cuenta la composición de caso; de lo contrario, el núcleo no puede endurecerse, o el caso puede derretirse. Un acero carburante típico utiliza una temperatura de austenitización menor para el núcleo y un potencial de carbono más alto para el caso.

Consideraciones avanzadas: Diagramas de no equilibrio

El diagrama de la fase de hierro-carbono es un mapa de equilibrio, pero el tratamiento térmico es inherentemente no-equilibrio. Para los procesos de enfriamiento, usted necesita diagramas de transformación isotérmica (TTT) y diagramas de transformación continua (CCT)[FLTrium:3]

Para el apagado y el templado, también debe saber el inicio de martensito (Ms) y las temperaturas de acabado martensito (Mf). Aunque no en el diagrama de equilibrio, la Sra puede ser estimada de fórmulas como la ecuación de Andrews: reforzar (°C) = 539 - 423(%C) - 30.4(%Mn) - 17.7(%Ni) - 12.1(%Cr) - 7.5(%) contexto de fase vital.

Conclusión

Identificar las temperaturas críticas en el diagrama de fase de hierro-carbon es una habilidad que cada profesional del tratamiento térmico debe dominar. Comienza con la comprensión de los límites A1, A3, y Acm y cómo cambian con el contenido de carbono y aleación. Desde allí, aplica ajustes para las tasas de calefacción prácticas, efectos de aleación y el proceso específico de tratamiento térmico, ya sea alimentándose, endureciendo o templado.