En el tratamiento térmico, la temperatura crítica no es un punto único, sino una temperatura o rango específico en el que se produce un cambio fundamental en la estructura cristalina interna de una aleación ferrosa como el acero. Esta transformación, más comúnmente la formación de una estructura llamada austenita, es el paso fundamental que permite procesos como el endurecimiento, el recocido y la normalización. Sin alcanzar esta temperatura, los cambios deseados en las propiedades mecánicas son imposibles.
El concepto central a comprender es que calentar el acero por encima de su temperatura crítica disuelve sus microconstituyentes duros en una nueva solución sólida uniforme (austenita). Las propiedades finales del acero se determinan entonces enteramente por cómo se enfría desde este estado transformado.
La base: ¿Qué es la transformación?
La naturaleza "crítica" de esta temperatura radica en la forma única en que los átomos de hierro se reordenan cuando se calientan. Esta transformación de fase es toda la base para el tratamiento térmico del acero.
De la temperatura ambiente a la austenita
A temperatura ambiente, la estructura del acero es típicamente una mezcla de ferrita (hierro puro y blando) y cementita (un compuesto de carburo de hierro muy duro). Esta combinación a menudo existe como una estructura lamelar llamada perlita.
Cuando se calienta el acero más allá de su temperatura crítica inferior (Ac1), esta estructura comienza a disolverse y transformarse en una nueva estructura cristalina conocida como austenita.
El poder único de la austenita
La austenita tiene una disposición atómica diferente (cúbica centrada en las caras, o FCC) que es capaz de disolver una cantidad significativa de carbono en una solución sólida.
Piense en ello como disolver sal en agua. A temperatura ambiente (ferrita), el carbono tiene una solubilidad muy baja. Pero en el estado austenítico de alta temperatura, el carbono se disuelve por completo, creando una estructura uniforme y rica en carbono. Este es el punto de partida esencial para la mayoría de los tratamientos térmicos.
El papel decisivo del carbono
El carbono que fue "liberado" y disuelto en la austenita es el agente clave del endurecimiento.
Cuando el acero se enfría rápidamente (templado) desde su estado austenítico, los átomos de carbono quedan atrapados. Esto crea una nueva estructura cristalina muy tensa y extremadamente dura llamada martensita. Sin formar primero austenita, no se puede formar martensita.
Decodificando las temperaturas "críticas"
Encontrará varios términos para las temperaturas críticas, que dependen del contenido de carbono del acero y de si se está calentando o enfriando.
Ac1: La temperatura crítica inferior
Esta es la temperatura a la que la austenita comienza a formarse durante el calentamiento. Para todos los aceros al carbono simples, esta temperatura es constante en 727 °C (1340 °F).
Ac3: La temperatura crítica superior
Esta es la temperatura a la que la transformación a austenita se completa durante el calentamiento. Por encima de este punto, toda la estructura es 100% austenita.
A diferencia de Ac1, la temperatura Ac3 varía significativamente con el contenido de carbono. Disminuye a medida que aumenta el contenido de carbono hasta el 0,77%.
Ar1 y Ar3: Transformación al enfriar
También puede ver Ar1 y Ar3 referenciados. La "r" significa refroidissement (enfriamiento).
Estas son las temperaturas a las que la austenita se transforma de nuevo en ferrita y perlita al enfriarse. Siempre son ligeramente inferiores a sus contrapartes de calentamiento (Ac1 y Ac3) debido a un fenómeno llamado histéresis térmica.
Errores comunes y conceptos erróneos
Comprender las temperaturas críticas es esencial, pero interpretar mal su aplicación puede llevar a tratamientos fallidos.
No es un número único
El error más común es suponer que existe una única "temperatura crítica" para todo el acero. La temperatura correcta, particularmente la temperatura crítica superior (Ac3), depende totalmente de la composición química específica de la aleación, principalmente su contenido de carbono. Consulte siempre un diagrama de fases o una guía de tratamiento térmico para su grado específico de acero.
El peligro de "sobrepasar"
Calentar el acero demasiado por encima de su temperatura crítica superior (Ac3) no mejora el proceso. En cambio, hace que los granos dentro de la austenita crezcan excesivamente.
Los granos grandes dan como resultado un material más débil y más quebradizo después del temple, lo que compromete la tenacidad y la resistencia al impacto del acero.
El problema de "no alcanzar"
No alcanzar la temperatura crítica superior (Ac3) significa que la transformación a austenita está incompleta. Quedará algo de la estructura de ferrita original y más blanda.
Cuando se templa, esto conduce a una microestructura inconsistente con "puntos blandos", lo que resulta en una pieza que no cumple con sus especificaciones requeridas de dureza o resistencia.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
La temperatura objetivo para su proceso de tratamiento térmico siempre se elige en relación con estos puntos críticos para lograr un resultado específico.
- Si su enfoque principal es la máxima dureza (Endurecimiento): Caliente aproximadamente 30-50 °C (50-90 °F) por encima de la temperatura crítica superior (Ac3) para asegurar una estructura completamente austenítica antes de templar.
- Si su enfoque principal es refinar la estructura del grano (Normalización): Caliente a una temperatura similar a la del endurecimiento (por encima de Ac3) y luego enfríe el material al aire quieto para obtener una microestructura más uniforme y refinada.
- Si su enfoque principal es la máxima suavidad (Recocido completo): Caliente por encima de Ac3 y luego enfríe el material lo más lentamente posible, generalmente dejándolo dentro del horno mientras se enfría.
- Si su enfoque principal es aliviar la tensión sin alterar la dureza: Utilice una temperatura muy por debajo de la temperatura crítica inferior (Ac1). Este proceso, conocido como alivio de tensión, no implica la formación de austenita.
Dominar las propiedades del acero comienza con una comprensión fundamental de estos puntos críticos de transformación.
Tabla de resumen:
| Temperatura crítica | Símbolo | Descripción | Valor típico para el acero |
|---|---|---|---|
| Temperatura crítica inferior | Ac1 | La austenita comienza a formarse durante el calentamiento | 727°C (1340°F) |
| Temperatura crítica superior | Ac3 | La transformación de la austenita se completa durante el calentamiento | Varía con el contenido de carbono |
| Transformación al enfriar | Ar1, Ar3 | La austenita se transforma de nuevo al enfriarse | Ligeramente inferior a Ac1/Ac3 |
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