Nucleación

Nucleación: proceso mediante el cual se forman núcleos estables de una nueva fase cuando la disminución de la energía libre asociada al volumen de la nueva fase supera el aumento de energía debido a la creación de la interfase y a la distorsión elástica del retículo, permitiendo que la transformación continúe por crecimiento.

• Embrión: agregado incipiente de la nueva fase formado durante la nucleación, cuyo tamaño es menor que el radio crítico; presenta energía libre positiva, por lo que es inestable y tiende a disolverse.
• Núcleo: agregado atómico que ha alcanzado o superado el radio crítico, superando la barrera de energía de nucleación; en esta condición la energía libre del sistema disminuye con el crecimiento, volviéndolo estable y capaz de crecer espontáneamente, propagando la nueva fase.

Efecto del subenfriamiento (ΔT)

Subenfriamiento (ΔT): Un mayor subenfriamiento incrementa la fuerza impulsora de la transformación, pero reduce la difusión atómica. Como consecuencia, el radio crítico es menor y la energía de activación es menor.

Zonas preferentes de nucleación

Zonas preferentes de nucleación: se favorece la nucleación en lugares que reducen el radio crítico, como vértices, bordes de grano o el interior del grano.

Teoría de Hull y Mehl

Teoría de Hull y Mehl: modelo que explica la formación de la perlita a partir de un núcleo activo de cementita, el cual genera empobrecimiento local de carbono y promueve la formación alternada de ferrita.

Ferrita Widmanstätten

Ferrita Widmanstätten: ferrita con morfología acicular (en agujas o placas), que se forma a altos subenfriamientos. Su crecimiento es rápido y está controlado por la curvatura de la punta de la aguja, no por la difusión. Entre más cerca esté de la T0 o de la temperatura de referencia, más fácil será que se transforme.

¿Qué ocurre con el carbono?

El carbono es rechazado por su baja solubilidad en esta fase. Como ocurre a bajas temperaturas, la difusión del carbono es limitada, por lo que el carbono expulsado no puede redistribuirse homogéneamente y se acumula en las regiones adyacentes a las placas de ferrita, enriqueciendo a la austenita remanente.

¿Por qué se produce a bajas temperaturas?

Porque requiere un alto subenfriamiento. Cerca de la A1 la difusión del carbono es suficientemente rápida como para permitir la formación de ferrita equiaxial o perlita, que son microestructuras más estables. En cambio, a temperaturas más bajas la difusión es lenta, lo que impide el crecimiento isotrópico y favorece un crecimiento direccional en forma de placas, característico de la ferrita Widmanstätten.

Cómo obtenerla en metalografía

Se puede obtener mediante un enfriamiento rápido desde la región austénitica, generando un alto subenfriamiento, pero no tan severo como para formar martensita. Mediante un austempering interrumpido: austenizar, enfriar sobre la Ms, mantener hasta el inicio de la transformación bainítica y enfriar rápidamente.

Martensita

Martensita: es una fase metaestable del hierro-carbono, de estructura tetragonal centrada en el cuerpo (TCC), que se forma por una transformación sin difusión de la austenita al enfriar rápidamente el acero por debajo de la temperatura Ms.

Transformación martensítica

Transformación martensítica: ocurre mediante un mecanismo sin difusión, activado exclusivamente por la temperatura y no por el tiempo. Es:

• Adifusional: sin difusión de carbono.
• Atemporal: independiente del tiempo de permanencia.
• Controlada por esfuerzos de cizalle: la transformación implica un cambio de forma.
• Continua entre Ms y Mf: la fracción de martensita formada depende únicamente de la temperatura alcanzada, no del tiempo.

Expansión volumétrica por transformación martensítica

Expansión volumétrica: la transformación γ → M implica un aumento de volumen debido al atrapamiento del carbono en solución sólida sobresaturada. Esta expansión es una de las principales causas de tensiones internas y grietas durante el temple.

Templabilidad

Templabilidad: es la capacidad de un acero para formar martensita en profundidad, es decir, a través de la sección de la pieza. No debe confundirse con dureza: dos aceros pueden tener la misma dureza superficial pero distinta templabilidad.

Factores que afectan la templabilidad

• Contenido de carbono (%C).
• Tamaño de grano austénitico.
• Elementos aleantes (Cr, Mn, Ni, Mo, etc.).
• Homogeneidad química.
• Temperatura de austenización.

Temple

Temple: es un enfriamiento rápido posterior a un austenizado. Su objetivo es formar martensita. Se realiza usando distintos medios de temple: agua (muy severo), aceite (menos severo), salmuera (muy severa). La velocidad de enfriamiento controla qué fases se forman.

Severidad de temple

Severidad de temple: mide la capacidad de enfriamiento de un medio y cómo este afecta la microestructura y propiedades del material. En el modelo hipotético, la superficie de la barra toma instantáneamente la temperatura del refrigerante y la mantiene constante.

• H = 0,2: pobre temple en aceite (sin agitación).
• H = 0,35: buen temple en aceite (agitació n moderada).
• H = 0,5: muy buen temple en aceite (buena agitación).
• H = 0,7: fuerte temple en aceite (agitación violenta).
• H = 1,0: pobre temple en agua (sin agitación).
• H = 1,5: muy buen temple en agua (agitación moderada).
• H = 2,0: temple en salmuera (sin agitación).
• H > 2,0: temple en salmuera con agitación violenta o medio de temple muy severo; en el límite, un medio de temple ideal tendría severidad muy elevada.

Diámetro crítico

Diámetro crítico (D): es el diámetro máximo de una barra que, tras el temple, presenta en su centro una microestructura de 50 % martensita y 50 % perlita o bainita.

Ensayo de Jominy

Ensayo de Jominy: ensayo normalizado que permite evaluar la templabilidad de un acero mediante una única probeta normalizada; enfriamiento unidireccional; y medición de dureza a distintas distancias desde el extremo templado.

Grietas en el temple

Grietas en el temple: las grietas de temple se forman debido a la combinación de altas tensiones térmicas y tensiones de transformación generadas durante el enfriamiento rápido. Al templar, la superficie de la pieza se enfría y contrae más rápido que el núcleo, generando gradientes térmicos. Además, la transformación de austenita a martensita implica un aumento de volumen, lo que introduce tensiones internas adicionales. Cuando estas tensiones superan la resistencia mecánica del material, especialmente en aceros de baja tenacidad, se producen grietas. El riesgo aumenta con medios de temple severos, piezas de gran tamaño, cambios bruscos de sección y alto contenido de carbono.

Mitigación: Martempering

Se mitigan con Martempering: enfriado justo hasta la Ms, mantener el tiempo suficiente para que la pieza alcance una temperatura uniforme y luego enfriar para permitir la formación de martensita reduciendo la aparición de grietas.

Revenido

Revenido: tratamiento térmico aplicado posteriormente al temple, realizado a una temperatura inferior a A1, cuyo efecto principal es transformar la martensita en martensita revenida. Sus objetivos son eliminar las tensiones internas generadas durante el temple, aumentar la tenacidad del acero y reducir de forma controlada la dureza. Martensita: sin revenido: BCT, muy frágil. Revenida: BCC, más estable.

Etapas y fenómenos durante el revenido:

1. Precipitación de carburo ε (≈ 250 °C): en aceros de medio y alto carbono, la martensita es inestable y el carbono difunde fuera de la red tetragonal, formando carburos ε (Fe₂.₄C) coherentes sin crear nueva interfase. Esto empobrece en carbono la martensita, reduce su tetragonalidad y disminuye la fragilidad inicial. En aceros de bajo carbono no ocurre precipitación, solo segregación de carbono.
2. Descomposición de la austenita retenida (200–300 °C): la austenita retenida formada tras el temple comienza a descomponerse, especialmente en aceros de alto carbono. Durante esta etapa, la martensita continúa perdiendo carbono mediante la precipitación de carburo ε, lo que favorece la transformación progresiva de la austenita hacia fases más estables.
3. Precipitación de cementita (250–350 °C): aparece por primera vez la cementita (Fe₃C), inicialmente con morfología tipo Widmanstätten. El carburo ε desaparece, transformándose en cementita más estable, la cual precipita en la interfase matriz/precipitado y en bordes de maclas de la martensita de alto carbono, observándose carburos finos de tamaño nanométrico.
4. Maduración de Ostwald – Esferoidización (350–450 °C): la cementita acicular se esferoidiza mediante maduración de Ostwald: las partículas pequeñas se disuelven y crecen las más grandes, disminuyendo la superficie específica y la energía interfacial ferrita/Fe₃C.
5. Precipitación de carburos aleados y endurecimiento secundario (≥ 400 °C): en aceros aleados con elementos formadores de carburos (Cr, Mo, V, W, Nb, Ti), precipitan carburos aleados más estables que la cementita, lo que puede generar un aumento anómalo de la dureza, conocido como endurecimiento secundario (≈ 500–650 °C).

Fragilidad del revenido

Fragilidad del revenido (300–350 °C): pérdida de tenacidad que ocurre durante el revenido a bajas temperaturas, causada por la precipitación de cementita en bordes de grano, lo que genera fractura intergranular. En aceros aleados puede observarse aumento de dureza por precipitación de carburos, pero con disminución de la tenacidad.

Endurecimiento secundario: fenómeno presente en aceros aleados (especialmente aceros de herramienta y aceros rápidos) que consiste en un aumento anómalo de la dureza durante el revenido a altas temperaturas (≈ 500–600 °C). Se debe a la precipitación de carburos aleados finos y muy estables (Cr, Mo, V, W, etc.), más duros que la cementita, que bloquean el movimiento de dislocaciones.

Factores que afectan los TTT y otras teorías

Factores que afectan los TTT: mayor contenido de carbono desplaza la curva y facilita la transformación a martensita. También influyen los elementos aleantes, el tamaño de grano y la temperatura de austenización.

Teoría de Hillert

Teoría de Hillert: no existe una relación cristalográfica preferente entre ferrita y cementita; el crecimiento de la perlita no es direccional.

Ferrita en bloque o planar

Ferrita en bloque o planar: ferrita que crece de forma masiva en los bordes de grano austénitico, controlada principalmente por la difusión de carbono en la austenita.

Etiquetas: ferrita Widmanstätten, martensita, nucleación, revenido, templado