La austenita , también conocida como hierro en 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 la austenita recibe su 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.
Entre 912 y 1394 °C (1674 y 2541 °F), el hierro alfa sufre una transición de fase desde la configuración cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a la configuración cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro gamma, también llamado 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 del hierro está presente en el tipo de acero inoxidable más utilizado [ cita requerida ] para fabricar equipos hospitalarios y de servicio de alimentos.
La austenización consiste en calentar el hierro, el metal a base de hierro o el acero a una temperatura en la que cambia su estructura cristalina de ferrita a austenita. [3] La estructura más abierta de la austenita es entonces capaz de absorber carbono de los carburos de hierro del acero al carbono. Una austenización inicial incompleta puede dejar carburos sin disolver en la matriz. [4]
En el caso de algunos metales ferroso, metales a base de hierro y aceros, puede producirse la presencia de carburos durante la etapa de austenización. El término que se utiliza habitualmente para esto es austenización de dos fases . [5]
El austemperizado 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 hierro- cementita y luego se enfría en un baño de sal u otro medio de extracción de calor que se encuentra entre temperaturas de 300-375 °C (572-707 °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 de austenización, el proceso de austenizado puede producir microestructuras diferentes y deseadas. [7] Una temperatura de austenización 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 austenizada. [7] Se ha establecido el contenido de carbono en la austenita en función del tiempo de austenizado. [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 atrás 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 lo tanto, determina las propiedades mecánicas del acero resultante, como la dureza y la resistencia a la tracción .
Una alta tasa de enfriamiento de secciones gruesas causará un gradiente térmico pronunciado en el material. Las capas externas de la pieza tratada térmicamente se enfriarán más rápido y se encogerán más, lo que provocará que esté bajo tensión y deformación térmica. A altas tasas de enfriamiento, el material se transformará de austenita a martensita, que es mucho más dura y generará grietas a deformaciones mucho menores. 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 interna y externa de la pieza puede hacer que se desarrollen grietas en la parte externa, lo que obliga al uso de tasas de temple 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 posterior al temple transformará parte de la martensita frágil en martensita templada. Si se enfría un acero de baja templabilidad, se retendrá una cantidad significativa de austenita en la microestructura, lo que dejará al acero con tensiones internas que harán que el producto sea propenso a sufrir fracturas repentinas.
A medida que la austenita se enfría, su descomposición desempeña un papel crucial en la determinación de la microestructura final del acero. La cinética de esta transformación está muy influenciada por la morfología de los carburos presentes en el material. La presencia de carburos gruesos, por ejemplo, puede ralentizar la velocidad de formación de austenita durante el recocido intercrítico, debido a su lenta cinética de disolución. [10] La perlita, una estructura laminar que consta de capas alternas de ferrita y cementita, se forma a través de procesos de nucleación y crecimiento cooperativos a partir de la austenita. El espesor de estas capas tiene un impacto directo en las propiedades mecánicas del acero. [10]
La descomposición de la austenita está influenciada por la velocidad de enfriamiento, que afecta la morfología de los carburos y, por lo tanto, la estructura final del acero. Las velocidades de enfriamiento lentas permiten el desarrollo de partículas de cementita gruesa en los límites de grano, mientras que las velocidades de enfriamiento más rápidas promueven la formación de colonias perlíticas finas. La temperatura de bobinado, en particular, tiene un impacto significativo en la morfología del carburo: las temperaturas de bobinado más bajas (por debajo de la temperatura eutectoide) promueven la formación de perlita fina, mientras que las temperaturas más altas fomentan la formación de cementita gruesa. [10] Esta diferencia en la morfología del carburo influye en la velocidad y la temperatura a la que se forma y se descompone la austenita durante los tratamientos térmicos posteriores. [10]
El calentamiento de hierro fundido blanco (que contiene carburo de hierro, es decir, cementita, pero no carbono no combinado) por encima de 727 °C (1341 °F) provoca la formación de austenita en cristales de cementita primaria. [11] Esta austenización del hierro blanco se produce en la cementita primaria en el límite de interfase con la ferrita. [11] Cuando los granos de austenita se forman en la cementita, se presentan como cúmulos lamelares orientados a lo largo de la superficie de la capa de cristal de cementita. [11] La austenita se forma por difusión de átomos de carbono desde la cementita hacia la ferrita. [11] [12]
La adición de ciertos elementos de aleación, como el manganeso y el níquel , puede estabilizar la estructura austenítica, facilitando el tratamiento térmico de los 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 solo es estable por encima de los 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 la cara (fcc) o cúbica de diamante . [13] El crecimiento epitaxial de la austenita en la cara de diamante (100) es factible debido a la estrecha coincidencia reticular y la simetría de la cara de diamante (100) es fcc. Se puede cultivar más de una monocapa de hierro γ porque el espesor crítico para la multicapa deformada es mayor que una monocapa. [13] El espesor crítico determinado concuerda estrechamente con la predicción teórica. [13]
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 [14] como la ferrita [15] [16] 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 los 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 pieza, 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 acero con medio y alto contenido de carbono. En el espectro visible, este brillo aumenta en brillo 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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