La austenita , también conocida como hierro de fase gamma ( γ-Fe ), es un alótropo metálico no magnético del hierro o una solución sólida de hierro con un elemento de aleación . [1] En el acero al carbono simple , la austenita existe por encima de la temperatura eutectoide crítica de 1000 K (727 °C); otras aleaciones de acero tienen diferentes temperaturas eutectoides. El alótropo de austenita lleva el nombre de Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902). [2] Existe a temperatura ambiente en algunos aceros inoxidables debido a la presencia de níquel que estabiliza la austenita a temperaturas más bajas.
De 912 a 1394 °C (1674 a 2541 °F), el hierro alfa sufre una transición de fase de la configuración cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a la cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro gamma, también llamada austenita. Este es igualmente blando y dúctil, pero puede disolver considerablemente más carbono (hasta un 2,03% en masa a 1146 °C (2095 °F)). Esta forma gamma de hierro está presente en el tipo de acero inoxidable más utilizado [ cita necesaria ] para fabricar equipos hospitalarios y de servicios de alimentos.
Austenitización significa calentar el hierro, el metal a base de hierro o el acero a una temperatura a la que cambia la estructura cristalina de ferrita a austenita. [3] La estructura más abierta de la austenita es capaz de absorber carbono de los carburos de hierro del acero al carbono. Una austenitización inicial incompleta puede dejar carburos sin disolver en la matriz. [4]
Para algunos metales de hierro, metales a base de hierro y aceros, la presencia de carburos puede ocurrir durante el paso de austenitización. El término comúnmente utilizado para esto es austenitización en dos fases . [5]
El austempering es un proceso de endurecimiento que se utiliza en metales a base de hierro para promover mejores propiedades mecánicas. El metal se calienta en la región de austenita del diagrama de fases de hierro- cementeta y luego se enfría en un baño de sal u otro medio de extracción de calor a temperaturas entre 300 y 375 °C (572 y 707 °F). El metal se recoce en este rango de temperatura hasta que la austenita se convierte en bainita o ausferrita (ferrita bainítica + austenita con alto contenido de carbono). [6]
Al cambiar la temperatura para la austenitización, el proceso de austempering puede producir microestructuras diferentes y deseadas. [7] Una temperatura de austenitización más alta puede producir un mayor contenido de carbono en la austenita, mientras que una temperatura más baja produce una distribución más uniforme de la estructura austemplada. [7] Se ha establecido el contenido de carbono en la austenita en función del tiempo de austemplado. [8]
A medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja ferrita pobre en carbono . Dependiendo de la composición de la aleación, se puede formar una capa de ferrita y cementita, llamada perlita . Si la velocidad de enfriamiento es muy rápida, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse y la aleación puede experimentar una gran distorsión reticular conocida como transformación martensítica en la que se transforma en martensita , una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La velocidad de enfriamiento determina las proporciones relativas de martensita, ferrita y cementita y, por tanto, determina las propiedades mecánicas del acero resultante, como la dureza y la resistencia a la tracción .
Una alta velocidad de enfriamiento de secciones gruesas provocará un gradiente térmico pronunciado en el material. Las capas exteriores de la pieza tratada térmicamente se enfriarán más rápido y se encogerán más, lo que provocará que esté bajo tensión y tensión térmica. A altas velocidades de enfriamiento, el material se transformará de austenita a martensita, que es mucho más dura y generará grietas con deformaciones mucho más bajas. El cambio de volumen (la martensita es menos densa que la austenita) [9] también puede generar tensiones. La diferencia en las tasas de deformación de la parte interior y exterior de la pieza puede causar que se desarrollen grietas en la parte exterior, lo que obliga al uso de velocidades de enfriamiento más lentas para evitar esto. Al alear el acero con tungsteno , la difusión del carbono se ralentiza y la transformación al alótropo BCT se produce a temperaturas más bajas, evitando así el agrietamiento. Se dice que un material de este tipo tiene una mayor templabilidad. El templado después del enfriamiento transformará parte de la martensita quebradiza en martensita templada. Si se templa un acero de baja templabilidad, una cantidad significativa de austenita quedará retenida en la microestructura, dejando al acero con tensiones internas que dejan al producto propenso a fracturarse repentinamente.
Calentar hierro fundido blanco [ aclarar ] por encima de 727 °C (1341 °F) provoca la formación de austenita en cristales de cementita primaria. [10] Esta austenización del hierro blanco ocurre en cementita primaria en el límite de interfase con ferrita. [10] Cuando los granos de austenita se forman en la cementita, se presentan como grupos laminares orientados a lo largo de la superficie de la capa cristalina de cementita. [10] La austenita se forma por difusión de átomos de carbono de la cementita a la ferrita. [10] [11]
La adición de ciertos elementos de aleación, como manganeso y níquel , puede estabilizar la estructura austenítica, facilitando el tratamiento térmico de aceros de baja aleación . En el caso extremo del acero inoxidable austenítico , un contenido de aleación mucho mayor hace que esta estructura sea estable incluso a temperatura ambiente.
Por otro lado, elementos como el silicio , el molibdeno y el cromo tienden a desestabilizar la austenita, elevando la temperatura eutectoide.
La austenita sólo es estable por encima de 910 °C (1670 °F) en forma de metal a granel. Sin embargo, los metales de transición fcc se pueden cultivar en una cúbica centrada en las caras (fcc) o en una cúbica de diamante . [12] El crecimiento epitaxial de austenita en la cara del diamante (100) es factible debido a la estrecha coincidencia de la red y la simetría de la cara del diamante (100) es fcc. Se puede cultivar más de una monocapa de hierro γ porque el espesor crítico de la multicapa deformada es mayor que el de una monocapa. [12] El espesor crítico determinado está muy de acuerdo con la predicción teórica. [12]
En muchas aleaciones ferrosas magnéticas, el punto de Curie , la temperatura a la que los materiales magnéticos dejan de comportarse magnéticamente, se produce casi a la misma temperatura que la transformación de austenita. Este comportamiento se atribuye a la naturaleza paramagnética de la austenita, mientras que tanto la martensita [13] como la ferrita [14] [15] son fuertemente ferromagnéticas .
Durante el tratamiento térmico , un herrero provoca cambios de fase en el sistema hierro-carbono para controlar las propiedades mecánicas del material, a menudo utilizando procesos de recocido, temple y revenido. En este contexto, el color de la luz o " radiación de cuerpo negro " emitida por la pieza de trabajo es un indicador aproximado de la temperatura . La temperatura a menudo se mide observando la temperatura de color de la obra, con la transición de un rojo cereza intenso a un rojo anaranjado (815 °C (1499 °F) a 871 °C (1600 °F)) correspondiente a la formación de austenita en aceros de medio y alto carbono. En el espectro visible, este brillo aumenta a medida que aumenta la temperatura. Cuando es de color rojo cereza, el brillo está cerca de su intensidad más baja y puede no ser visible con luz ambiental. Por lo tanto, los herreros suelen austenizar el acero en condiciones de poca luz para juzgar con precisión el color del brillo.
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