La formación de austenita es el "enlace fuente" en el tratamiento térmico del acero; es inherentemente una fase inestable a temperatura ambiente (generalmente se transforma en martensita, perlita u otras microestructuras mediante un cambio de fase durante el enfriamiento). Sin embargo, su calidad de formación (tamaño de grano, uniformidad, contenido de carbono/elementos de aleación y estabilidad) determina directamente la microestructura de los productos de transformación de fase subsiguientes, lo que a su vez influye fundamentalmente en las propiedades mecánicas del acero (resistencia, dureza, tenacidad, ductilidad), su procesabilidad (maquinabilidad, respuesta al tratamiento térmico) y su rendimiento en servicio (resistencia al desgaste, vida a la fatiga, estabilidad dimensional). Los impactos específicos se desglosan en las dimensiones clave a continuación:
El tamaño de grano de austenita es fundamental para la finura de las microestructuras de transformación de fase subsiguientes (por ejemplo, martensita, sorbita). La finura de la microestructura sigue directamente la relación Hall-Petch (granos finos → mayor resistencia/dureza al tiempo que mejora la tenacidad; granos gruesos → menor resistencia/dureza y deterioro significativo de la tenacidad). Los impactos específicos son los siguientes:
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Austenita de grano fino: Formada mediante alta densidad de nucleación (por ejemplo, mediante recocido de esferoidización o calentamiento a baja temperatura), se transforma en martensita acicular fina (o perlita fina en acero de bajo carbono) después del temple. La gran cantidad de límites de grano en la martensita fina dificulta eficazmente el movimiento de las dislocaciones (los límites de grano actúan como "barreras" para las dislocaciones), lo que aumenta significativamente la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza.
Ejemplo: Para el acero 45# (acero de carbono medio) sometido a "calentamiento a 850°C (50°C por encima de Ac₃) + temple en agua", los granos de austenita son finos (aproximadamente Grado 10), y la martensita templada también es fina, lo que resulta en una dureza de HRC 55–58. Si se calienta a 1000°C (sobrecalentamiento), los granos de austenita se engrosan (aproximadamente Grado 3–4), la martensita templada se vuelve gruesa y la dureza desciende a HRC 50–53.
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Austenita de grano grueso: Temperaturas de calentamiento excesivamente altas o tiempos de espera prolongados causan un engrosamiento del grano, lo que lleva a la formación de martensita lamelar gruesa después del temple. Las dislocaciones tienden a acumularse en la martensita gruesa, y el efecto de barrera de los límites de grano se debilita, lo que resulta en una menor resistencia y dureza. Además, es probable que se formen "microestructuras sobrecalentadas" (por ejemplo, estructura de Widmanstätten), lo que deteriora aún más el rendimiento.
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Austenita de grano fino: Los productos de transformación de fase subsiguientes (martensita fina, sorbita fina) tienen límites de grano que dispersan las concentraciones de tensión. La propagación de grietas requiere eludir más límites de grano (trayectoria más larga), lo que mejora significativamente la tenacidad al impacto (αk), la tenacidad a la fractura (KIC) y la ductilidad (elongación, reducción de área).
Ejemplo: Para el acero templado y revenido (por ejemplo, 40Cr) utilizado en maquinaria de construcción, si los granos de austenita se refinan a Grado 8 o más finos, la tenacidad al impacto después del temple y el revenido a alta temperatura (500–600°C) puede superar los 80 J/cm². Si los granos se engrosan a Grado 5 o más gruesos, la tenacidad al impacto puede caer por debajo de 40 J/cm², lo que aumenta el riesgo de fractura frágil a baja temperatura.
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Austenita de grano grueso: Las grietas intergranulares se forman fácilmente en la martensita gruesa, y la resistencia a la propagación de grietas es baja, lo que lleva a una fuerte disminución de la tenacidad. Particularmente en entornos de baja temperatura (por ejemplo, por debajo de -20°C), puede ocurrir una "fractura no dúctil" (fractura frágil), que es una de las principales causas de fallo de los componentes mecánicos.
La uniformidad de la austenita se refiere a la consistencia de su composición química (principalmente la concentración de carbono) y la distribución de la microestructura, determinada por la temperatura de calentamiento, el tiempo de espera y la microestructura inicial. Afecta directamente la "sincronización" de las transformaciones de fase subsiguientes, influyendo así en la estabilidad del rendimiento:
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Austenita uniforme: El carbono y los elementos de aleación se difunden completamente en la austenita, sin diferencias de concentración local. Durante el temple subsiguiente, todas las regiones forman martensita (u otras microestructuras de transformación de fase) de forma síncrona, lo que resulta en una distribución uniforme de la dureza (por ejemplo, diferencia de dureza ≤ 2 HRC en diferentes partes del mismo componente) y una fluctuación mínima de la resistencia. Esto asegura una distribución uniforme de la tensión en el componente y evita la concentración de tensión local.
Ejemplo: El acero para rodamientos (GCr15) debe calentarse a 850–870°C con un tiempo de espera suficiente para asegurar una difusión uniforme del carbono en la austenita. Después del temple, la dureza superficial es uniforme (HRC 60–62), lo que garantiza un desgaste uniforme durante el funcionamiento del rodamiento y prolonga la vida útil.
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Austenita no uniforme: Un calentamiento insuficiente (baja temperatura, corto tiempo) o una microestructura inicial gruesa conducen a una difusión incompleta del carbono en la austenita, lo que resulta en "regiones enriquecidas en carbono" (por ejemplo, cerca de la cementita original) y "regiones empobrecidas en carbono" (por ejemplo, regiones de ferrita original). Durante el temple subsiguiente:
- Regiones enriquecidas en carbono: Forman martensita de alto carbono, que tiene una dureza extremadamente alta pero poca tenacidad;
- Regiones empobrecidas en carbono: Forman martensita o ferrita de bajo carbono, que tiene baja dureza y poca resistencia.
En última instancia, esto causa una severa desigualdad en la dureza y la resistencia del acero. Los componentes son propensos al desgaste prematuro en las regiones de baja dureza o a la formación de grietas en las regiones frágiles de alta dureza.
La austenita no uniforme causa cambios de volumen inconsistentes en todas las regiones durante la transformación de fase subsiguiente (por ejemplo, la martensita de alto carbono tiene un volumen específico mayor que la martensita de bajo carbono), generando "tensión estructural". Mientras tanto, la distribución desigual de la temperatura (si el calentamiento no es uniforme) induce "tensión térmica". La superposición de estas dos tensiones conduce a:
- Deformación del componente (por ejemplo, flexión, alabeo) y reducción de la precisión dimensional;
- Casos severos: "Grietas de temple" (por ejemplo, las grietas longitudinales se forman fácilmente en el acero para herramientas con calentamiento desigual), lo que resulta directamente en el desguace del componente.
El contenido de carbono y los elementos de aleación (por ejemplo, Cr, Ni, Mo, Mn) en la austenita determinan directamente la "composición y estructura" de los productos de transformación de fase subsiguientes, regulando así con precisión las propiedades centrales del acero (dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, etc.):
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Austenita de alto carbono (por ejemplo, acero de alto carbono con C > 0,6%): Se transforma en martensita de alto carbono después del temple (sobresaturación de alto carbono, distorsión severa de la red). Tiene una dureza extremadamente alta (HRC 60–65) y buena resistencia al desgaste, pero poca tenacidad (tenacidad al impacto < 20 J/cm²). Es adecuado para escenarios que requieren alta dureza y bajo impacto (por ejemplo, herramientas de corte, matrices, rodamientos).
Ejemplo: El acero T10 (C = 1,0%) se austeniza (780–800°C) y se templa, logrando una dureza de HRC 62–64, lo que lo hace adecuado para la fabricación de hojas de sierra de mano.
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Austenita de carbono medio (por ejemplo, acero de carbono medio con C = 0,25%–0,6%): Se transforma en martensita de carbono medio después del temple. Después del revenido (por ejemplo, revenido a alta temperatura a 500–600°C), se convierte en "sorbita", que equilibra la alta resistencia (σb = 800–1200 MPa) y la buena tenacidad (αk = 40–80 J/cm²). Este es el estado típico del acero estructural (por ejemplo, ejes, engranajes).
Ejemplo: El acero 45# se somete a temple y revenido (austenización a 840°C + temple + revenido a 550°C), logrando una resistencia de aproximadamente 900 MPa y una tenacidad al impacto de aproximadamente 60 J/cm², lo que lo hace adecuado para la fabricación de husillos de máquinas herramienta.
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Austenita de bajo carbono (por ejemplo, acero de bajo carbono con C 100 J/cm²) y buena ductilidad (elongación > 15%). Es adecuado para escenarios que requieren alta tenacidad y resistencia al impacto (por ejemplo, brazos de maquinaria de construcción, bastidores de automóviles).
Ejemplo: El acero Q355 (C ≈ 0,18%) se templa después de la austenización a baja temperatura (880–920°C) para obtener martensita de bajo carbono, lo que lo hace adecuado para la fabricación de componentes estructurales sometidos a cargas de impacto.
Los elementos de aleación optimizan las propiedades indirectamente al alterar la estabilidad de la austenita, refinar los granos o formar carburos con carbono:
- Elementos de refinado de grano (Ti, Nb, V): Forman carburos finos (por ejemplo, TiC, NbC) que evitan el crecimiento del grano de austenita, lo que resulta en austenita de grano fino. Después del temple, esto mejora la resistencia y la tenacidad del acero (por ejemplo, acero de alta resistencia microaleado Q690, que agrega Nb para refinar los granos, logrando una resistencia de más de 690 MPa al tiempo que mantiene una excelente tenacidad).
- Elementos que mejoran la tenacidad (Ni): Ni reduce la temperatura de transformación de la martensita (punto Ms), reduce la fragilidad de la martensita y refina la microestructura de la martensita, lo que permite que el acero de alto carbono mantenga una alta dureza al tiempo que mejora la tenacidad (por ejemplo, acero para matrices Cr12MoV con Ni agregado, cuya tenacidad al impacto aumenta en más del 30%).
- Elementos que mejoran la resistencia al desgaste (Cr, Mo): Cr y Mo forman carburos resistentes al desgaste (por ejemplo, Cr₇C₃, Mo₂C). Estos carburos se disuelven parcialmente durante la austenización y precipitan después del temple y el revenido, lo que mejora significativamente la resistencia al desgaste del acero (por ejemplo, acero resistente al desgaste NM450, que agrega Cr y Mo, reduciendo la pérdida por desgaste en un 50% en comparación con el acero ordinario).
La estabilidad de la austenita se refiere a su "capacidad para resistir la transformación de fase durante el enfriamiento" (es decir, la estabilidad de la austenita subenfriada, determinada por la posición de la curva C). Está influenciada principalmente por los elementos de aleación (por ejemplo, Cr, Mo, Si) y los procesos de austenización. Los impactos específicos son los siguientes:
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Austenita altamente estable: Tiende a formar austenita retenida (austenita no transformada en martensita) durante el enfriamiento. La austenita retenida se transforma lentamente en martensita a temperatura ambiente (acompañada de expansión de volumen), causando "deformación por envejecimiento" de los componentes y una menor precisión dimensional (por ejemplo, las matrices o calibradores de precisión con exceso de austenita retenida pueden experimentar un aumento dimensional del 0,1%–0,3% después de varios meses de uso).
Solución: Promover la transformación de austenita retenida en martensita mediante "tratamiento criogénico" (-80°C a -196°C), o estabilizar la austenita retenida mediante "revenido a baja temperatura" (150–200°C) para minimizar la deformación subsiguiente.
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Austenita de baja estabilidad: Se transforma fácilmente y por completo en martensita durante el enfriamiento, con un bajo contenido de austenita retenida (< 5%). Los componentes tienen buena estabilidad dimensional, lo que los hace adecuados para piezas de precisión (por ejemplo, rodamientos, engranajes).
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Austenita altamente estable (por ejemplo, acero aleado): La curva C se desplaza hacia la derecha, reduciendo la velocidad de enfriamiento crítica. Se puede utilizar el enfriamiento con aceite (en lugar del enfriamiento con agua) para lograr el endurecimiento por temple, reduciendo la deformación y el agrietamiento causados por la tensión de enfriamiento (por ejemplo, el acero 40Cr puede alcanzar HRC 50–55 mediante temple en aceite, mientras que el acero 45# requiere temple en agua).
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Austenita de baja estabilidad (por ejemplo, acero de bajo carbono, hierro puro): La curva C se desplaza hacia la izquierda, lo que resulta en una alta velocidad de enfriamiento crítica. Se requiere un enfriamiento extremadamente rápido (por ejemplo, enfriamiento con agua, enfriamiento por pulverización) para obtener martensita; de lo contrario, la perlita (baja dureza) se forma fácilmente. Por lo tanto, su adaptabilidad al proceso es pobre (por ejemplo, el acero de bajo carbono generalmente no se templa solo y requiere un tratamiento térmico químico como la carburación).
La austenita en sí misma no determina directamente las propiedades del acero a temperatura ambiente, pero "sienta las bases" para las transformaciones de fase subsiguientes (temple, revenido, normalizado, etc.) a través de sus cuatro características principales: tamaño de grano, uniformidad, composición (carbono y elementos de aleación) y estabilidad. Las propiedades de todas las microestructuras subsiguientes (por ejemplo, dureza de la martensita, resistencia-tenacidad de la sorbita) están determinadas por el estado de la austenita. Por lo tanto, en el tratamiento térmico práctico:
- Para la equilibrio resistencia-tenacidad (por ejemplo, componentes estructurales), se debe controlar la austenita de carbono medio, de grano fino y uniforme;
- Para la alta dureza y resistencia al desgaste (por ejemplo, herramientas, matrices), se debe controlar la austenita de alto carbono y de grano fino;
- Para la alta precisión dimensional (por ejemplo, piezas de precisión), se debe controlar la austenita con bajo contenido de austenita retenida.
La regulación precisa de la formación de austenita es la clave técnica central para lograr la "personalización del rendimiento a pedido" del acero.
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