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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA“ACEROS, ESTRUCTURAS YTRATAMIENTOS TÉRMICOS”M.I. FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRÍGUEZM.I. ALBERTO REYES SOLÍS.CUAUTITLÁN IZCALLI. 2012
ÍNDICEPág.INTRODUCCIÓN .1CAPITULO 1CONCEPTOS DE LA METALURGIA FÍSICA1.1.- El átomo .21.2.- Teoría de Dalton .21.3.- Átomo nuclear de Rutherford .31.4.- El átomo de Bohr .41.5.- El enlace entre átomos y sus consecuencias .51.5.1.- Enlace iónico.61.5.2.- Enlace covalente .61.5.3.- enlace metálico .71.6.- Redes espaciales y sistemas cristalinos .81.7.- El efecto del calor sobre los metales .121.7.1.- Difusión .131.7.2.- Termofluencia .151.7.3.- Transformaciones de fase .171.7.3.1.- Nucleación .171.8.- Fases en sólidos. Aleaciones .231.8.1.- Solución sólida .241.8.2.- Segunda fase .261.9.- La plasticidad de los metales .271.9.1.- Deformación y esfuerzo .271.9.2.- Mecanismo de la deformación plástica .301.9.2.1.- Dislocaciones de borde .311.9.2.2.- Dislocaciones de hélice o tornillo .311.10.- La dureza del metal y endurecimiento.33CAPITULO 2TEORÍA DE LAS TRANSFORMACIONES EN EL ACERO2.1.- El hierro puro .362.1.1.- Propiedades mecánicas del hierro puro .392.1.2.- Propiedades físicas del hierro puro .392.2.- Aleaciones hierro-carbono .402.2.1.- Diagrama de equilibrio hierro-carbono .422.2.2.- Los aceros .472.2.3.- Impurezas e inclusiones .502.2.3.1.- Inclusiones endógenas .502.2.3.2.- Inclusiones exógenas .542.2.4.- Macroestructura del acero .522.2.5.- Microestructura del acero .542.3.- Transformaciones de las aleaciones Fe-C .572.3.1.- Austenitización .572.3.2.- Transformaciones de la austenita. Enfriamiento bajo condiciones de equilibrio .572.3.2.1.- Formación de la perlita .592.3.3.- Transformación de la austenita. Enfriamiento bajo condiciones fuera de equilibrio .602.3.3.1.- Influencia de la velocidad de enfriamiento sobre la posición de la línea IK .61
2.3.3.2.- Influencia de la velocidad de enfriamiento y del contenido de carbono sobre latransformación de la austenita- ferrita .622.3.3.3.- Influencia de la velocidad de enfriamiento sobre la formación de la perlita .642.3.3.4.- Martensita .652.4.- Diagramas TTT y CCT .682.4.1.- Diagramas TTT o de transformación isotérmica .682.4.1.1.- Transformación isotérmica .682.4.1.2.- Obtención de un diagrama TTT y la importancia de la forma y del mecanismode transformación .692.4.1.3.- Interpretación de los diagramas TTT .722.4.1.4.- Utilización práctica de los diagramas TTT .792.4.2.- Diagramas CCT o de transformación bajo enfriamiento continuo .822.4.2.1.- Interpretación de los diagramas CCT .822.4.2.2.- Utilización de los diagramas CCT .852.4.3.- Influencia de los elementos de aleación sobre los diagramas TTT y CCT .862.4.3.1.- Influencia sobre los diagramas TTT .862.4.3.2.- Influencia sobre los diagramas CCT .87CAPÍTULO 3TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO.3.1.- Introducción .943.2- Los recocidos .953.2.1.- Recocido completo o recocido total . 953.2.2.- Recocido de difusión o de homogeneización .983.2.3.- Recocido de ablandamiento (esferoidización) .993.2.4.- Recocido isotérmico .1013.2.5.- Recocido intermedio .1023.3.- Normalización o normalizado .1033.4.- El temple o templado .1053.4.1.- Calentamiento y temperatura de austenitización .1053.4.2.- Medios de temple .1093.4.3.- Mecanismos de enfriamiento durante el temple .1113.4.4.- La temperatura del medio de temple .1133.4.5.- Severidad de templado .1153.4.6.- Elección del medio de temple .1153.4.7.- Comparación de los medios de temple .1173.4.7.1.- Agua .1173.4.7.2.- Salmuera .1183.4.7.3.- Aceite .1183.4.8.- La templabilidad .1193.4.8.1.- La prueba Jominy .1213.4.8.2.- Índice de templabilidad .1243.5.- El revenido del acero .1253.5.1.- Variables principales .1273.6.- Tratamientos térmicos especiales .1273.6.1.- Austemplado .1273.6.2.- Martemplado .1303.6.3.- Temples interrumpidos .1313.6.3.1.- Temple interrumpido en agua y aceite .1323.6.3.2.- Temple interrumpido en agua y aire .1323.7.- Hornos utilizados para tratamientos térmicos .1333.7.1.- Hornos de atmósfera controlada .1333.7.2.- Hornos de baños de sales .134
3.7.3.- Hornos de vacío .1343.7.4- Hornos semicontinuos .1353.7.5.- Reactores criogénicos .136CAPÍTULO 4EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN4.1.- Efecto de los elementos de aleación sobre el procesamiento de los tratamientos térmicos de lasaleaciones Hierro- carbono .1374.1.1.- Efecto sobre las regiones γ y α .1374.1.2.- Temperatura y composición eutectoide .1414.1.3.- Distribución de los elementos de aleación .1454.1.4.- Carburos aleados .1474.2.- Efecto de los elementos de aleación sobre la transformación austenítica .1494.2.1.- La influencia de los aleantes sobre la interacción de la ferrita y la perlita .1524.2.2.- Efecto sobre la transformación martensítica .154BIBLIOGRAFÍA .158
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAINTRODUCCIÓNEl estudio de los aceros es importante debido a que ellos representan por mucho los materialesmetálicos más ampliamente usados, primeramente por el hecho de que pueden ser manufacturados engrandes cantidades en especificaciones muy precisas, a un costo relativamente bajo. Tambiénproporcionan un rango extenso de propiedades mecánicas, desde niveles de resistencia moderada conexcelente ductilidad y tenacidad hasta muy altas resistencias con una ductilidad adecuada. Por esto, nodebe de sorprender que los hierros y los aceros comprenden hoy en día,, sobre el 80 % en peso de lasaleaciones de uso industrial.Los aceros forman quizás el grupo más complejo de aleaciones de uso común. Por esto, al estudiarlos esútil considerar en primer término el comportamiento del hierro puro, a continuación las aleacioneshierro-carbono y posteriormente examinar una serie de conocimientos que surgen cuando se agreganelementos de aleación. El hierro puro no es un material fácil de producir, lográndose en la actualidadhierros de gran pureza (impurezas en el orden de unos cientos de partes por millón); sin embargo, elhierro de esta pureza es extremadamente bajo en resistencia mecánica motivo por el cual es necesarioalearlo a fin de elevar ésta y hacer de dichas aleaciones (los aceros) el grupo de materiales de uso tanextenso hoy en día.Considerando que el gran número de propiedades mecánicas que pueden imprimirse a losaceros, son en su gran mayoría el resultado de los tratamientos térmicos a los que pueden sujetarse estosmateriales metálicos, es necesario entender la gran importancia que tienen estos en sus procesos deconformado.Los Tratamientos Térmicos en verdad son una ciencia y además una ciencia exacta, es decir, noson procesos en los que el azar o el destino proporcionan la mejor solución. Mucha gente de la industriapiensa que los tratamientos térmicos son procesos que no necesitan el grado de Competencia o deConocimientos Teóricos que algunos otros procesos industriales requieren; sin embargo, losconocimientos teóricos en los que se basan estos, solamente los llegan a adquirir aquellos Ingenieroscuya visión va más haya de la concepción de que los tratamientos térmicos son “meras recetas” que ya setienen bien definidas a nivel industrial y que por ello no requieren de conocimientos teóricos profundos,es decir, no cabe otra solución que la de conocer el comportamiento de los metales científicamente por elconocimiento de su naturaleza íntima y de las leyes que ésta les impone, pues con ello, aunque no nos seaconocida concretamente una propiedad determinada, se conocerá la trama que liga a todos ellos y portanto, el ingeniero que posea tales conocimientos fundamentales estará en condiciones de estudiarutilitariamente las diversas aleaciones industriales y desarrollar científicamente su labor, pues elmecanismo íntimo de los diversos fenómenos metálicos le será conocido y ello le permitirá ir con pasoseguro del terreno, y generar todas las tareas que le sean exigidas dentro de su ámbito de desarrolloprofesional.Este libro ayuda a comprender porque los aceros han tomado esta posición preeminente y examina condetalle los fenómenos cuyo entendimiento permite que se logren las propiedades deseadas, con base enlos aspectos teóricos y prácticos y su conexión permitiendo un mejor conocimiento de los aceros y sustratamientos térmicosM.I. Felipe Díaz del Castillo R.-1-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍACAPÍTULO 1CONCEPTOS DE LA METALURGIA FÍSICA1.1.-EL ÁTOMOEs la unidad más pequeña posible de un elemento químico, figura 1.1. En la filosofía de laantigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia máspequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término modernopara ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “nodivisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzaron muy lentamente alo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.Figura 1.1.- Átomo1.2- TEORÍA DE DALTONJohn Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de loselementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos secombinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos,empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas deuna sustancia eran los átomos, se considera a Dalton como una de las figuras mássignificativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Dalton mostró quelos átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron queM.I. Felipe Díaz del Castillo R.-2-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAlos átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo,está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos poruna fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH oH2O, figura 1.2.Figura 1.2.- Una molécula de agua está formada por un átomo deoxígeno y dos de hidrógeno, que forman un ángulo de 105 .Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por lotanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay queconsiderar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomosse combinan de formas muy variadas para formar numerosísimos compuestos químicosdiferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son inertes; es decir, noreaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno,cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes sonelementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.1.3.- EL ÁTOMO NUCLEAR DE RUTHERFORDEl descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicosprofundizar en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En elcentro de ese espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, unadiezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo estáconcentrada en su núcleo, figura 1.3. También postuló que los electrones, de los que ya sesabía que formaban parte del átomo, viajaban en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tieneuna carga eléctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas deM.I. Felipe Díaz del Castillo R.-3-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAlos electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normaldel átomo es neutro.Figura 1.3.- Modelo atómico de Rutherford1.4.-EL ÁTOMO DE BOHRPara explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 unahipótesis conocida como teoría atómica de Bohr.Bohr supuso que los electrones estándispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo,figura 1.4. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El númerode electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrónorbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regularhasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número deelectrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segundacaben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vezmayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos”electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura del átomo, determinan elcomportamiento químico del átomo.Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capaelectrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gasesnobles más pesados (criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en ellaboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólocontienen un electrón. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos(transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos químicos.M.I. Felipe Díaz del Castillo R.-4-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAFigura 1.4.- Modelo atómico de Bohr1.5.- EL ENLACE ENTRE ÁTOMOS Y SU CONSECUENCIALa naturaleza esencialmente cristalina de los metales pocas veces se pone de manifiesto en losproductos terminados. Sin embargo, las propiedades de los cristales individuales de un metal sonlas que determinan su utilidad tecnológica e influyen de manera importante en el proceso deelaboración de piezas metálicas.El criterio ampliamente aceptado para definir un sólido metálico es:“Los átomos o moléculas de un sólido están dispuestos en unarreglo de tres dimensiones llamado estructura cristalina”Cabe mencionar que aunque todos los sólidos metálicos poseen una estructura cristalina, lagamma de diferentes propiedades prácticamente es infinita,como consecuencia de lasvariaciones del tipo de enlace atómico, de los que se pueden distinguir: Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálicoEs importante considerar que la forma de unión entre átomos juega un papel fundamental en eltipo de sólido que se obtendrá; así, se puede asociar a cada uno de los enlaces enlistados arribaun determinado tipo de material, como son: los cerámicos, los polímeros y los metales,respectivamente.M.I. Felipe Díaz del Castillo R.-5-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAEn nuestro caso estamos interesados en los metales, motivo por el cual es de gran interés elconocer como son los arreglos atómicos tridimensionales que se presentan en los metales demayor uso en ingeniería.1.5.1.- Enlace iónicoEl enlace iónico, llamado también enlace heteropolar, puede considerarse como el enlace ounión química más simple de visualizarse debido a su naturaleza casi totalmente electrostática.Este enlace se lleva a cabo entre elementos electropositivos (metales, esto es, aquellos elementosa la izquierda de la tabla periódica) y elementos electronegativos (no metales, esto es, aquelloselementos a la derecha de la tabla periódica). El NaCl y el MgO son ejemplo de sólidos en loscuales domina el enlace de tipo iónico. La formación del NaCl involucra la transferencia deelectrones de valencia desde los átomos de Na hacia los átomos de Cl . Como resultado de estatransferencia de electrones se forman cationes de una sola carga, Na y aniones Cl tambiéncon una sola carga, ambos con una configuración de gas noble, neón y argón, respectivamente.La formación de cationes y aniones hace surgir una fuerza electrostática la cual mantendráunidos a ambos iones. El producto final será la aparición de un gran número de cristalitos desal.1.5.2.-Enlace CovalenteEl enlace covalente, a diferencia del enlace iónico, se caracteriza por una compartición deelectrones (electrones de valencia) entre pares de átomos, más que una cedencia de electrones deun átomo a otro, con lo cual ambos átomos involucrados completarán (en la mayoría de loscasos) el octeto, es decir, van a adquirir una configuración de gas noble. Cabe mencionar que eneste enlace ninguno de los átomos involucrados obtiene una posesión completa de los electronesque forman la unión.El caso más simple de unión covalente tiene lugar en la formación de la molécula dehidrógeno. Cuando dos átomos de hidrógeno se combinan para formar una molécula, compartensu electrón de valencia, lo cual se puede representar de la siguiente forma:H H H: HM.I. Felipe Díaz del Castillo R.-6-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍAEsta molécula se caracteriza por una densidad electrónica alta (concentración de carganegativa) entre los núcleos (protones) debido a que los electrones compartidos pasan más tiempoen ese lugar. La compartición de electrones, característica de la unión covalente o uniónhomopolar, también se da en moléculas como: N 2 , O2 , F2 , etc., en esos casos los electronesinvolucrados son los que se localizan en los suborbitales p. Por la forma del suborbital p, lacompartición de estos electrones le confiere un carácter direccional al enlace covalente.1.5.3.- Enlace MetálicoOtro tipo de unión química, la cual está confinada a los metales, es el enlace metálico. En launión metálica ideal los electrones de valencia no se encuentran unidos a ningún par particularde átomos sino que se mueven libremente a través del metal. Las propiedades conocidas de losmetales, tales como la alta conductividad eléctrica y térmica, soportan la visión conceptual deque los electrones de valencia nunca permanecen cerca de algún átomo en particular por muchotiempo sino que ellos se mueven de una manera al azar a través de todo el metal. De esta manerase puede visualizar el arreglo ordenado de iones en un metal, como partículas que sonmantenidas juntas por un gas de electrones libres.Esta situación se presenta por el hecho de que el número de electrones de valencia esdemasiado pequeño, como para proporcionar capas completas para todos los átomos queforman el metal. Debido a la formación del gas de electrones libres, la unión metálica es nodireccional. Actuando con igual fuerza en todas direcciones. Esto nos lleva a tener en muchos delos metales, estructuras cristalinas de una alta coordinación de empaquetamiento, lo que explicalas propiedades únicas de los metales, así como su habilidad para formar aleaciones.En general, se dice que los enlaces en los que existe unión de átomo a átomo son “enlaces deprimer orden”. Por ello, los enlaces iónico, covalente y metálico pertenecen a este grupo. Porotra parte, existen enlaces de “segundo orden”, llamados “Enlaces de Van der Waals”, loscuales son debidos a una débil fuerza de atracción, resultante de la polarización eléctrica de losátomos o moléculas.M.I. Felipe Díaz del Castillo R.-7-M.I. Alberto Reyes Solís
FES-CUAUTITLÁNDEPARTAMENTO DE INGENIERÍA1.6.- REDES ESPACIALES Y SISTEMAS CRISTALINOSEl término sólido generalmente describe un estado en el que se tiene un agregado de átomos,iones o moléculas, en el cual la sustancia posee un volumen y forma definida. La habilidad queposeen los sólidos para soportar fuerzas cortantes, así como recuperar la forma original despuésde haber sufrido una pequeña deformación, los distingue de los gases y de los líquidos.La estructura de los sólidos puede variar desde cuerpos cristalinos simples a muy complejos ysólidos amorfos, de acuerdo al tipo de enlace y al arreglo geométrico de los átomos o moléculasque lo forman.Se puede decir que la característica fundamental de un sólido cristalino es la periodicidad desu estructura. Ésta periodicidad implica que un cristal representa un arreglo ordenado deátomos o grupos de átomos en una “forma” repetitiva regular. Esta forma resulta de larepetición regular infinita en el espacio de unidades estructurales idénticas o bloques deconstrucción, los cuales pueden ser muy simples o muy complejos. Los sólidos cristalinos secaracterizan entonces, por poseer un orden de largo alcance, formado por millones y millones deestas unidades estructurales, mejor conocidas como “celdas unitarias”.Con base en lo anteriormente dicho, se puede considerar una red espacial como unordenamiento infinito de puntos en el espacio arreglados de tal forma que dividen el espaciodentro de volúmenes iguales, llenando totalmente el espacio considerado.Cada punto, conocido como punto propio de la red cristalina, tiene alrededores idénticos concualquier otro punto. La celda unitaria se considera como el volumen más pequeño que posee elarreglo de la red cristalina. Cuando se apila una celda unitaria con otra cara a cara, llenantotalmente el espacio, generando de esta form
aceros, son en su gran mayoría el resultado de los tratamientos térmicos a los que pueden sujetarse estos materiales metálicos, es necesario entender la gran importancia que tienen estos en sus procesos de conformado. Los Tratamientos Térmicos en verdad son una ciencia y además una ciencia exacta, es decir, no
