Transformaciones alotrópicas en estado sólido

Aleaciones que presentan transformaciones alotrópicas en estado sólido.

Todas ellas sufren cambios de fase por calentamiento y, por tanto, admiten tratamiento térmico de temple.

Que una aleación admita temple no quiere decir que este tratamiento beneficie en algo al material.

Sin embargo, este tratamiento, en numerosas aleaciones, da lugar a grandes posibilidades de cambio en las propiedades mecánicas.

Un caso particularmente interesante y, que en parte justifica la enorme utilización del material, es el de los aceros que servirá como ejemplo de tratamiento térmico en sistemas que presentan transformaciones alotrópicas.

Diagrama de equilibrio

En el diagrama de equilibrio se produceγ una transformación alotrópica αpor enfriamiento pasando de fase cúbica centrada en las caras a fase cúbica centrada en el cuerpo.

Por calentamiento, αse puede llevar un acero o γuna fundición que en equilibrio poseerá fase (además de otras) a fase; posteriormente, un enfriamiento rápidoγ hastaα temperaturas bajas no permite la transformaciónγ de fase en fase, por lo que en teoría se congelaría la fase a temperatura ambiente.

Esto es válido para cualquier sistema que presente transformaciones alotrópicas análogas y no sólo para el sistema Fe-C.

Sin embargo, en el γcaso del sistema Fe-C se produce una situación anómala: la fase es tan inestable a bajas temperaturas que, a pesar de que sus átomos no pueden moverse individualmente (difusión) para reordenarse según una red BCC, se ejercen unas tensiones mecánicas muy grandes que provocan desplazamientos de planos atómicos que tienden a una ordenación de mayor equilibrio.

Si se parte de un acero con un porcentaje en C de 0,3, al enfriar rápidamente hasta la temperatura ambiente se obtendría la estructura de casi equilibrio de austenita congelada (que se ha modificado no por difusión, sino por desplazamiento de planos atómicos), pero al no poderse mover los átomos individuales contendría 30 veces más C que el límite de solubilidad de la ferrita a temperatura ambiente (0,01% de C).

Esto da lugar a que esta nueva estructura en lugar de ser BCC esté “estirada” en forma de tetragonal contratada en el interior, cuya tetragonalidad (relación c/a) será mayor (más estirada) cuanto mayor sea el porcentaje de C templado.

Esta estructura se conoce como martensita. Es muy dura y muy frágil y estas propiedades son tanto mayor cuanto más alto es el porcentaje de C.

La martensita se puede considerar, por tanto, como ferrita sobresaturada en C y no es una estructura de equilibrio. Sin embargo,
a temperatura ambiente puede permanecer sin alcanzar el equilibrio (sin transformarse) durante un tiempo ilimitado.

La martensita, debido a que se forma a partir de una estructura FCC y mediante deslizamientos de planos atómicos, aparece metalográficamente como láminas orientadas según unos ángulos bien definidos.

Este mecanismo de temple en el se produce una transformación no difusiva no es corriente en la mayor parte de las aleaciones no férreas.

Cualquier aleación del diagrama de equilibrio Fe-cementita admite la transformación de austenita en martensita, por lo que no sólo los aceros sino también las fundiciones pueden presentar estructura martensítica.

Desde el punto de vista de la aplicación de estos fenómenos en materiales estructurales es preciso tener en cuenta que la mayor parte de las veces el aumento de dureza y resistencia del material no
más no encuentran demasiada aplicación; sin embargo, si un acero templado se calienta a temperatura por debajo de la eutectoide, loa átomos empiezan a adquirir movilidad y el C que sobresatura a la estructura precipita poco a poco en forma de partículas de cementita cuyo tamaño será tanto mayor cuanto más alta sea la temperatura de este calentamiento, quedando, como consecuencia de esto, lo que se conoce como martensita revenida que está constituida por una martensita mucho más pobre en carbono que la original y unas partículas de cementita muy finas dispersas a lo largo de toda la estructura; al perder la martensita parte del C disminuye su fragilidad y su dureza.

Utilizando este calentamiento a la temperatura adecuada y manteniéndolo el tiempo necesario es posible obtener un material
que si bien no es tan duro como el templado es más que el acero en equilibrio y un más frágil que éste.

Por tanto, partiendo de un acero de composición dada mediante el par de tratamientos térmicos, temple y revenido, se pueden conseguir distintos valores de dureza, resistencia y fragilidad.

Se ha de tener en cuenta que por este procedimiento un mayor aumento de dureza y resistencia siempre supone un aumento de la fragilidad.

Fuente: Apuntes de Ciencia de Materiales. Ingeniería Química – Universidad de Huelva

Publicado en Ciencia de materiales

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