En la ciencia de los materiales , el temple es el enfriamiento rápido de una pieza de trabajo en agua, gas, aceite, polímero, aire u otros fluidos para obtener ciertas propiedades del material . El temple, un tipo de tratamiento térmico , evita que se produzcan procesos no deseados a baja temperatura, como las transformaciones de fase . Lo hace reduciendo la ventana de tiempo durante la cual estas reacciones no deseadas son termodinámicamente favorables y cinéticamente accesibles; por ejemplo, el temple puede reducir el tamaño del grano cristalino de los materiales metálicos y plásticos, aumentando su dureza.
En metalurgia , el temple se utiliza más comúnmente para endurecer el acero induciendo una transformación de martensita , donde el acero debe enfriarse rápidamente a través de su punto eutectoide , la temperatura a la que la austenita se vuelve inestable. El enfriamiento rápido evita la formación de la estructura de cementita , en lugar de disolver a la fuerza los átomos de carbono en la red de ferrita. [1] En el acero aleado con metales como el níquel y el manganeso , la temperatura eutectoide se vuelve mucho más baja, pero las barreras cinéticas para la transformación de fase siguen siendo las mismas. Esto permite que el temple comience a una temperatura más baja, lo que hace que el proceso sea mucho más fácil. El acero de alta velocidad también tiene tungsteno agregado , que sirve para elevar las barreras cinéticas, lo que, entre otros efectos, da propiedades al material (dureza y resistencia a la abrasión) como si la pieza de trabajo se hubiera enfriado más rápidamente de lo que realmente lo ha hecho. Incluso enfriar lentamente estas aleaciones en el aire tiene la mayoría de los efectos deseados del temple; el acero de alta velocidad se debilita mucho menos por el ciclo de calor debido al corte a alta velocidad. [2]
Un enfriamiento extremadamente rápido puede evitar la formación de todas las estructuras cristalinas, dando lugar a un metal amorfo o "vidrio metálico".
El endurecimiento por temple es un proceso mecánico en el que se refuerzan y endurecen las aleaciones de acero y hierro fundido. Estos metales consisten en metales ferrosos y aleaciones. Esto se hace calentando el material a una temperatura determinada, según el material. Esto produce un material más duro mediante endurecimiento superficial o endurecimiento total que varía según la velocidad a la que se enfría el material. Luego, el material suele templarse para reducir la fragilidad que puede aumentar a partir del proceso de endurecimiento por temple. Los elementos que se pueden templar incluyen engranajes, ejes y bloques de desgaste.
Antes del endurecimiento, los aceros fundidos y el hierro tienen una estructura de grano perlítico uniforme y laminar (o en capas). Se trata de una mezcla de ferrita y cementita que se forma cuando se fabrica acero o hierro fundido y se enfría a un ritmo lento. La perlita no es un material ideal para muchas aplicaciones comunes de aleaciones de acero, ya que es bastante blanda. Al calentar la perlita más allá de su temperatura de transición eutectoide de 727 °C y luego enfriarla rápidamente, parte de la estructura cristalina del material se puede transformar en una estructura mucho más dura conocida como martensita. Los aceros con esta estructura martensítica se utilizan a menudo en aplicaciones en las que la pieza de trabajo debe ser muy resistente a la deformación, como el filo de las cuchillas. Esto es muy eficiente. [ ¿Por qué? ]
El proceso de temple es un proceso progresivo que comienza con el calentamiento de la muestra. La mayoría de los materiales se calientan a temperaturas de entre 815 y 900 °C (1499 y 1652 °F), prestando especial atención a mantener uniformes las temperaturas en toda la pieza de trabajo. Minimizar el calentamiento desigual y el sobrecalentamiento es fundamental para impartir las propiedades deseadas al material.
El segundo paso del proceso de temple es el remojo. Las piezas se pueden remojar en aire (horno de aire), en un baño de líquido o en vacío. El tiempo recomendado en baños de sal o de plomo es de hasta 6 minutos. Los tiempos de remojo pueden ser un poco más largos en el vacío. Al igual que en el paso de calentamiento, es importante que la temperatura en toda la muestra se mantenga lo más uniforme posible durante el remojo.
Una vez que la pieza de trabajo ha terminado de remojarse, pasa al paso de enfriamiento. Durante este paso, la pieza se sumerge en algún tipo de fluido de temple; diferentes fluidos de temple pueden tener un efecto significativo en las características finales de una pieza templada. El agua es uno de los medios de temple más eficientes cuando se desea la máxima dureza, pero existe una pequeña posibilidad de que pueda causar distorsión y pequeñas grietas. Cuando se puede sacrificar la dureza, a menudo se utilizan aceites minerales. Estos fluidos a base de aceite a menudo se oxidan y forman lodos durante el temple, lo que en consecuencia reduce la eficiencia del proceso. La velocidad de enfriamiento del aceite es mucho menor que la del agua. Se pueden obtener velocidades intermedias entre el agua y el aceite con un agente de temple formulado específicamente, una sustancia con una solubilidad inversa que, por lo tanto, se deposita en el objeto para reducir la velocidad de enfriamiento.
El temple también se puede lograr utilizando gases inertes, como nitrógeno y gases nobles. El nitrógeno se utiliza comúnmente a una presión mayor que la atmosférica, que puede llegar hasta los 20 bares absolutos. También se utiliza helio porque su capacidad térmica es mayor que la del nitrógeno. Alternativamente, se puede utilizar argón; sin embargo, su densidad requiere mucha más energía para moverse y su capacidad térmica es menor que las alternativas. Para minimizar la distorsión en la pieza de trabajo, las piezas de trabajo cilíndricas largas se templan verticalmente; las piezas de trabajo planas se templan en el borde; y las secciones gruesas deben entrar primero en el baño. Para evitar burbujas de vapor, el baño se agita.
A menudo, después del temple, una aleación de hierro o acero será excesivamente dura y quebradiza debido a una sobreabundancia de martensita. En estos casos, se realiza otra técnica de tratamiento térmico conocida como revenido en el material templado para aumentar la tenacidad de las aleaciones a base de hierro . El revenido se realiza generalmente después del endurecimiento , para reducir parte del exceso de dureza , y se realiza calentando el metal a una temperatura por debajo del punto crítico durante un cierto período de tiempo, y luego dejándolo enfriar en aire en calma.
El calor se elimina en tres etapas particulares:
Etapa A: Se forman burbujas de vapor sobre el metal y comienza a enfriarse.
Durante esta etapa, debido al efecto Leidenfrost , el objeto está completamente rodeado de vapor que lo aísla del resto del líquido.
Etapa B: Enfriamiento por transporte de vapor
Una vez que la temperatura haya bajado lo suficiente, la capa de vapor se desestabilizará y el líquido podrá entrar en contacto completamente con el objeto y el calor se eliminará mucho más rápidamente.
Etapa C: Refrigeración líquida
Esta etapa ocurre cuando la temperatura del objeto está por debajo del punto de ebullición del líquido.
Hay evidencia del uso de procesos de temple por parte de los herreros que se remontan a mediados de la Edad del Hierro , pero existe poca información detallada relacionada con el desarrollo de estas técnicas y los procedimientos empleados por los primeros herreros. [3] Aunque los primeros trabajadores del hierro debieron notar rápidamente que los procesos de enfriamiento podían afectar la resistencia y la fragilidad del hierro, y se puede afirmar que el tratamiento térmico del acero era conocido en el Viejo Mundo desde fines del segundo milenio a. C., [4] es difícil identificar usos deliberados del temple arqueológicamente. Además, parece que, al menos en Europa, "el temple y el revenido por separado no parecen haberse vuelto comunes hasta el siglo XV"; es útil distinguir entre el "temple completo" del acero, donde el temple es tan rápido que solo se forma martensita, y el "temple lento", donde el temple es más lento o interrumpido, lo que también permite que se forme perlita y da como resultado un producto menos frágil. [5]
Los primeros ejemplos de acero templado pueden provenir de la antigua Mesopotamia, con un ejemplo relativamente seguro de un cincel templado por temple del siglo IV a. C. de Al Mina en Turquía. [6] El libro 9, líneas 389-94 de la Odisea de Homero se cita ampliamente como una referencia escrita temprana, posiblemente la primera, al temple: [3] [7]
Así como un hombre que trabaja como herrero sumerge la enorme y estruendosa hoja de un hacha o azuela en agua fría, tratándola para templarla, pues así es como se fortalece el acero, así también el ojo del cíclope chisporroteaba alrededor del rayo de olivo.
Sin embargo, no hay duda de que el pasaje describe un endurecimiento por temple deliberado, en lugar de un simple enfriamiento. [8] Asimismo, existe la posibilidad de que el Mahabharata se refiera al temple con aceite de las puntas de flecha de hierro, pero la evidencia es problemática. [9]
Plinio el Viejo abordó el tema de los temples, distinguiendo el agua de diferentes ríos. [10] Los capítulos 18-21 del De diversis artis del siglo XII de Theophilus Presbyter mencionan el temple, recomendando entre otras cosas que 'las herramientas también reciben un temple más duro en la orina de un niño pequeño y pelirrojo que en agua ordinaria'. [3] Una de las primeras discusiones más completas sobre el temple es el primer libro impreso occidental sobre metalurgia, Von Stahel und Eysen , publicado en 1532, que es característico de los tratados técnicos de finales de la Edad Media.
El estudio científico moderno del temple comenzó a ganar impulso real a partir del siglo XVII, siendo un paso importante la discusión basada en la observación de Giambattista della Porta en su Magia Naturalis de 1558. [11]
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