Revenido: El proceso crítico de tratamiento térmico para optimizar las propiedades del acero

Definición y concepto básico

El revenido es un proceso de tratamiento térmico aplicado al acero endurecido u otras aleaciones ferrosas para lograr propiedades mecánicas específicas, reduciendo la fragilidad y manteniendo una dureza y resistencia adecuadas. Consiste en calentar el acero previamente templado o normalizado a una temperatura inferior a su temperatura crítica inferior (A1), mantenerla a esa temperatura durante un tiempo determinado y luego enfriarla a una velocidad adecuada.

Este proceso representa un paso crítico en el tratamiento térmico general del acero, permitiendo a los metalúrgicos equilibrar la dureza con la tenacidad mediante la reducción de tensiones internas y la modificación de la microestructura. El revenido transforma la estructura metaestable de martensita formada durante el temple en fases más estables, lo que resulta en un material con propiedades mecánicas optimizadas.

En el contexto más amplio de la metalurgia, el revenido ejemplifica el principio fundamental de que las propiedades de los materiales pueden modificarse mediante un procesamiento térmico controlado. Es uno de los tratamientos térmicos secundarios más importantes, permitiendo que los aceros cumplan con diversos requisitos de rendimiento en numerosas aplicaciones industriales.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el revenido implica la descomposición de la martensita, una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro con una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Durante el revenido, los átomos de carbono se difunden fuera de la red cristalina deformada de la martensita, reduciendo la deformación interna.

Este proceso de difusión conduce a la formación de precipitados de carburo y a la transformación de la estructura BCT en una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) más estable. La microestructura resultante consiste en martensita revenida (una fina dispersión de partículas de carburo en una matriz de ferrita), que presenta una tenacidad mejorada en comparación con la martensita sin revenir.

La velocidad y la magnitud de estas transformaciones dependen principalmente de la temperatura y el tiempo de templado, siguiendo una cinética controlada por difusión. Las temperaturas más altas aceleran la difusión del carbono y las transformaciones de fase, lo que resulta en efectos de ablandamiento más pronunciados.

Modelos teóricos

El parámetro Hollomon-Jaffe (HJP) representa el modelo teórico principal para describir el comportamiento del templado, expresado como:

$P = T(C + \log t)$

Donde T es la temperatura absoluta, t es el tiempo en horas y C es una constante dependiente del material (normalmente 20 para aceros). Este parámetro permite predecir condiciones de revenido equivalentes en diferentes combinaciones de tiempo-temperatura.

La comprensión histórica del revenido evolucionó desde las observaciones empíricas en la metalurgia antigua hasta las investigaciones científicas de principios del siglo XX. Se produjeron avances significativos con el desarrollo de las técnicas de difracción de rayos X y microscopía electrónica, que revelaron los cambios estructurales que se producen durante el revenido.

Los enfoques modernos incluyen modelos computacionales basados ​​en principios termodinámicos y cinéticos, lo que permite predicciones más precisas de la evolución microestructural durante ciclos complejos de tratamiento térmico.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El revenido afecta directamente la estructura cristalina del acero al promover la transición de la martensita BCT a la ferrita BCC, a la vez que facilita la precipitación de carburos. Estos cambios reducen la distorsión reticular y las tensiones internas en las dislocaciones y los límites de grano.

La microestructura resultante presenta una matriz de martensita o ferrita de bajo contenido de carbono con partículas de carburo finamente dispersas. El tamaño, la distribución y el tipo de estos carburos (p. ej., carburo épsilon, cementita) dependen de las condiciones de revenido y la composición del acero.

Este proceso ejemplifica principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como las transformaciones de fase, la cinética de difusión y las relaciones entre estructura y propiedades. La descomposición controlada de la martensita demuestra cómo se pueden manipular las fases metaestables para lograr las propiedades deseadas del material mediante la activación térmica de los procesos de difusión.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El parámetro de templado Hollomon-Jaffe proporciona un marco matemático para el templado:

$P = T(K)(C + \log t)$

Dónde:
- $P$ = parámetro de templado
- $T(K)$ = temperatura absoluta en Kelvin
- $t$ = tiempo de revenido en horas
- $C$ = constante del material (normalmente 15-20 para aceros)

Este parámetro permite el cálculo de condiciones de revenido equivalentes, posibilitando la predicción de propiedades mecánicas similares a partir de diferentes combinaciones de tiempo-temperatura.

Fórmulas de cálculo relacionadas

El parámetro de Larson-Miller, a menudo utilizado para cálculos de revenido y fluencia:

$P_{LM} = T(C + \log t) \times 10^{-3}$

Donde las variables representan las mismas cantidades que en el parámetro Hollomon-Jaffe.

La reducción de dureza durante el revenido se puede aproximar mediante:

$HRC_t = HRC_0 - K \log t \cdot \exp\left(\frac{-Q}{RT}\right)$

Dónde:
- $HRC_t$ = dureza después del revenido
- $HRC_0$ = dureza inicial
- $K$ = constante del material
- $Q$ = energía de activación
- $R$ = constante del gas
- $T$ = temperatura absoluta

Estas fórmulas ayudan a los ingenieros a predecir los cambios de dureza y diseñar ciclos de templado apropiados para aplicaciones específicas.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estos modelos son generalmente válidos para temperaturas de revenido convencionales (150-650 °C) y tiempos (0,5-24 horas) para aceros al carbono y de baja aleación. Su precisión disminuye para tiempos de revenido muy cortos (<30 minutos) o para aceros altamente aleados con secuencias complejas de formación de carburos.

El parámetro Hollomon-Jaffe asume que el revenido sigue una cinética de tipo Arrhenius con una única energía de activación, lo cual podría no ser cierto en todos los rangos de temperatura. Pueden darse múltiples etapas de revenido con diferentes energías de activación, especialmente en aceros de alta aleación.

Estos modelos también suponen una microestructura inicial uniforme y descuidan los efectos del tamaño del grano de austenita anterior, la severidad del temple y el contenido de austenita retenida, que pueden influir significativamente en la respuesta al revenido.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM A1033: Práctica estándar para la medición cuantitativa y el informe de transformaciones de fase de acero hipoeutectoides al carbono y de baja aleación
• ASTM E18: Métodos de prueba estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos
• ASTM E384: Método de prueba estándar para la dureza de materiales por microindentación
• ISO 6508: Materiales metálicos — Prueba de dureza Rockwell
• ISO 6507: Materiales metálicos — Prueba de dureza Vickers

Estas normas proporcionan procedimientos para evaluar la dureza y los cambios microestructurales resultantes de los tratamientos de templado.

Equipos y principios de prueba

Los durómetros (Rockwell, Vickers, Brinell) son el equipo principal para medir los efectos del revenido. Estos dispositivos aplican cargas controladas a indentadores de geometrías específicas, midiendo la indentación resultante para determinar la dureza del material.

La microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido (MEB) permiten la observación directa de cambios microestructurales. Estas técnicas se basan en el desarrollo de contraste mediante grabado para revelar distribuciones de fases y morfologías.

La caracterización avanzada emplea difracción de rayos X (DRX) para medir los parámetros reticulares y la tensión residual, y microscopía electrónica de transmisión (MET) para examinar precipitados de carburo fino y estructuras de dislocación.

Requisitos de muestra

Las muestras metalográficas estándar suelen tener un diámetro de 10 a 30 mm o una dimensión cuadrada, con un espesor mínimo de 5 mm. Las superficies deben rectificarse y pulirse hasta obtener un acabado espejo (normalmente de 1 μm o menos) y grabarse con reactivos adecuados (p. ej., nital al 2-5%).

Las probetas para ensayos de dureza requieren superficies planas y paralelas, libres de incrustaciones, descarburación y daños mecánicos. La rugosidad superficial no debe superar Ra 0,8 μm para garantizar la precisión de las mediciones.

Las muestras deben ser representativas del material a granel y estar libres de efectos de borde o anomalías de procesamiento que puedan influir en la respuesta de templado.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan generalmente a temperatura ambiente (20-25 °C) con humedad controlada para garantizar la reproducibilidad. Para pruebas a temperaturas elevadas, se requiere un control de temperatura de ±3 °C.

Los parámetros de prueba de dureza incluyen cargas estandarizadas (por ejemplo, 150 kgf para Rockwell C, 10 kgf para Vickers) y tiempos de permanencia (normalmente 10-15 segundos) según se especifica en las normas pertinentes.

El examen metalográfico debe incluir múltiples campos de visión con aumentos apropiados (100-1000×) para caracterizar adecuadamente la microestructura templada.

Proceso de datos

Las mediciones de dureza suelen implicar múltiples lecturas (mínimo 5) en diferentes puntos para calcular un valor promedio y una desviación estándar. Los valores atípicos superiores a ±3σ pueden descartarse según las prácticas estadísticas estándar.

El análisis microestructural a menudo emplea técnicas de metalografía cuantitativa, incluido el conteo de puntos o el software de análisis de imágenes para determinar fracciones de fase, tamaños de partículas y distribuciones.

Las evaluaciones finales de las propiedades pueden incorporar análisis de regresión para establecer correlaciones entre los parámetros de templado, las características microestructurales y las propiedades mecánicas.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (HRC)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
AISI 1045 (Carbono medio)	20-35	Templado 400-650°C, 1h	ASTM A29
AISI 4140 (aleación Cr-Mo)	28-45	Templado 350-650°C, 1h	ASTM A29
AISI 52100 (Acero para cojinetes)	58-64	Templado 150-200°C, 2h	ASTM A295
Acero para herramientas H13	38-54	Templado 550-650°C, 2h (doble temple)	ASTM A681

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben principalmente a diferencias en el tamaño del grano de austenita previo, la eficacia del temple y pequeñas variaciones en la composición. Un mayor contenido de carbono y aleación generalmente resulta en una mayor retención de dureza después del revenido a temperaturas equivalentes.

Al interpretar estos valores, los ingenieros deben considerar que la dureza se correlaciona con la resistencia, pero inversamente con la tenacidad. La condición óptima de revenido depende de los requisitos específicos de la aplicación y de los modos de fallo en cuestión.

En los diferentes tipos de acero, un mayor contenido de aleación generalmente desplaza las curvas de revenido a temperaturas más altas, lo que requiere condiciones de revenido más rigurosas para lograr una reducción de dureza equivalente. Este fenómeno, conocido como resistencia al revenido, se debe a la formación de carburo de aleación.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen incorporar efectos de revenido en el diseño, especificando tanto los rangos de dureza como los requisitos de energía de impacto. Este enfoque dual garantiza una resistencia adecuada, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad necesaria para la aplicación prevista.

Los factores de seguridad para componentes templados suelen oscilar entre 1,5 y 3,0, dependiendo de la criticidad de la aplicación. Se aplican factores más altos cuando las condiciones de carga son variables o existe la posibilidad de cargas de impacto. Estos factores compensan las posibles variaciones microestructurales y los efectos ambientales.

Las decisiones de selección de materiales suelen priorizar las características de respuesta al revenido, especialmente cuando los componentes deben mantener sus propiedades a temperaturas de servicio elevadas. La resistencia al revenido se convierte en un criterio de selección crucial para aplicaciones que implican ciclos térmicos o servicio a altas temperaturas.

Áreas de aplicación clave

En sistemas de propulsión de automóviles, los aceros martensíticos templados ofrecen un rendimiento crítico en componentes como cigüeñales y bielas, donde se requiere un equilibrio entre una alta resistencia a la fatiga y una adecuada resistencia al impacto. Las temperaturas de revenido típicas oscilan entre 550 y 650 °C para alcanzar valores de dureza de 28 a 36 HRC.

Las herramientas de corte y las matrices requieren un revenido cuidadosamente controlado para mantener la retención del filo y evitar fallos por fragilidad. Los aceros para herramientas de trabajo en caliente suelen someterse a múltiples ciclos de revenido a 500-550 °C para garantizar la estabilidad dimensional y una distribución óptima del carburo.

Los componentes estructurales en aplicaciones aeroespaciales a menudo utilizan aceros templados de ultra alta resistencia (por ejemplo, 300M, 4340) templados a temperaturas más bajas (200-300 °C) para mantener una alta resistencia y al mismo tiempo mejorar la tenacidad a la fractura en comparación con las condiciones recién templadas.

Compensaciones en el rendimiento

La dureza y la tenacidad al impacto presentan una fuerte relación inversa durante el revenido. A medida que aumenta la temperatura de revenido, la dureza disminuye, mientras que la energía de impacto suele aumentar, lo que obliga a los ingenieros a identificar el equilibrio óptimo para las condiciones de carga específicas.

La resistencia al desgaste y la maquinabilidad presentan otra desventaja crítica. Las temperaturas de revenido más altas mejoran la maquinabilidad, pero reducen la resistencia al desgaste debido al ablandamiento y al engrosamiento del carburo, aspectos especialmente importantes en aplicaciones de herramientas.

Los ingenieros a menudo equilibran estos requisitos en competencia mediante microaleaciones, ciclos de templado múltiples o enfoques de tratamiento de superficies que crean gradientes de propiedades desde la superficie hasta el núcleo.

Análisis de fallos

La fragilización por revenido representa un modo de fallo común en el que ciertos aceros experimentan una reducción de su tenacidad al ser revenidos o enfriados lentamente a través de rangos de temperatura específicos (350-550 °C). Este fenómeno se debe a la segregación de impurezas en los límites de grano de austenita previos.

El mecanismo de fragilización implica la segregación de fósforo, antimonio, estaño o arsénico en los límites de grano, lo que reduce la resistencia cohesiva. Las superficies de fractura suelen presentar una morfología intergranular en lugar de la clivaje transgranular o la coalescencia de microhuecos que se observan en aceros correctamente revenidos.

Las estrategias de mitigación incluyen evitar rangos de temperatura críticos durante el procesamiento, reducir los niveles de impurezas mediante la fusión al vacío y agregar molibdeno o tungsteno para reducir las tendencias a la segregación.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta directamente la templabilidad y la respuesta al revenido, ya que los aceros con mayor contenido de carbono conservan una mayor dureza a temperaturas de revenido equivalentes. Cada aumento del 0,1 % en el carbono suele incrementar la dureza en estado de temple en 4-5 puntos HRC.

Los elementos formadores de carburo fuertes, como el cromo, el molibdeno, el vanadio y el tungsteno, aumentan significativamente la resistencia al revenido al formar carburos de aleación estables que resisten el engrosamiento a temperaturas elevadas. Estos elementos permiten efectos de endurecimiento secundario durante el revenido a 500-550 °C.

Los oligoelementos como el fósforo y el azufre pueden afectar drásticamente la cohesión de los límites de grano durante el revenido, con concentraciones tan bajas como 0,01 % que pueden causar una fragilización grave por revenido en composiciones susceptibles.

Influencia microestructural

El tamaño del grano austenítico previo afecta la respuesta al revenido al alterar el tamaño de los paquetes y bloques de martensita. Las estructuras de grano más fino generalmente presentan una respuesta al revenido más uniforme y una tenacidad superior después de tratamientos de revenido equivalentes.

La distribución de fases, en particular la presencia de austenita retenida, influye significativamente en el comportamiento del revenido. Esta austenita puede transformarse en martensita fresca durante el enfriamiento desde las temperaturas de revenido, lo que podría aumentar la dureza, pero reducir la estabilidad dimensional.

Las inclusiones no metálicas y los defectos preexistentes pueden servir como concentradores de tensión y sitios de nucleación de carburo durante el revenido, lo que genera variaciones localizadas en las propiedades y posibles puntos de inicio de fallas prematuras.

Influencia del procesamiento

La temperatura de revenido ejerce la mayor influencia en las propiedades finales; cada aumento de 50 °C suele reducir la dureza entre 2 y 5 puntos HRC, dependiendo de la composición del acero. Los efectos del tiempo siguen una relación logarítmica, y la mayoría de los cambios se producen en las primeras 1-2 horas.

El trabajo mecánico previo afecta la respuesta al revenido mediante la densidad de dislocaciones y el estado de tensión residual. Las estructuras trabajadas en frío generalmente presentan una cinética de revenido acelerada debido a las vías de difusión mejoradas a lo largo de las dislocaciones.

Las velocidades de enfriamiento a partir de las temperaturas de revenido resultan cruciales para los aceros aleados susceptibles a la fragilización por revenido. Un enfriamiento rápido (templado en aceite o en agua) a partir de las temperaturas de revenido puede prevenir la fragilización en composiciones susceptibles.

Factores ambientales

La temperatura de servicio afecta significativamente las microestructuras revenidas, y la exposición a temperaturas superiores a 350 °C puede causar un revenido adicional y degradación de las propiedades con el tiempo. Este efecto, conocido como sobretemperatura, es especialmente importante en aplicaciones de alta temperatura.

Los entornos de hidrógeno pueden inducir el agrietamiento retardado en estructuras martensíticas templadas, especialmente con durezas superiores a 35 HRC. Este fenómeno se debe a la difusión del hidrógeno hacia las interfaces internas y los puntos de nucleación de grietas.

La exposición a temperaturas cíclicas puede provocar cambios microestructurales acumulativos no previstos por los modelos de templado isotérmico, lo que podría causar fallas prematuras en aplicaciones de ciclos térmicos.

Métodos de mejora

Los ciclos de revenido múltiples, particularmente para aceros para herramientas de alta aleación, pueden mejorar la estabilidad dimensional y la tenacidad al transformar de manera más completa la austenita retenida y promover una distribución uniforme del carburo.

El tratamiento criogénico entre el temple y el revenido puede mejorar la resistencia al desgaste y la estabilidad dimensional al transformar la austenita retenida en martensita antes del revenido, lo que garantiza una precipitación de carburo más uniforme.

Los métodos de templado de gradiente, donde diferentes regiones de un componente experimentan diferentes condiciones de templado, pueden optimizar las propiedades locales para escenarios de carga complejos, como la creación de núcleos resistentes con superficies resistentes al desgaste.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El temple se refiere al enfriamiento rápido del acero desde la temperatura de austenización para formar martensita, la estructura precursora necesaria antes del revenido. La intensidad del temple afecta directamente el contenido inicial de martensita y la respuesta al revenido posterior.

El envejecimiento de la martensita describe fenómenos de baja temperatura (25-200 °C) donde la redistribución del carbono dentro de la martensita ocurre sin precipitación significativa de carburo, lo que provoca aumentos de dureza y cambios dimensionales incluso a temperatura ambiente.

La fragilización por revenido abarca varios fenómenos de fragilización que ocurren en rangos de temperatura específicos, incluidos 350-550 °C (fragilización por revenido tradicional) y 230-370 °C (fragilización por 500 °F), cada uno con mecanismos distintos y composiciones susceptibles.

Estos fenómenos están interconectados a través de su influencia en los procesos de transformación martensítica y descomposición posterior que determinan las propiedades mecánicas finales.

Normas principales

ASTM A255 (Métodos de prueba estándar para determinar la templabilidad del acero) incluye procedimientos para evaluar la respuesta al revenido a través de la preparación y prueba de muestras estándar en múltiples condiciones de revenido.

SAE J404 (Composiciones químicas de aceros aleados SAE) especifica los rangos de composición para los grados de acero estándar, lo que influye directamente en su comportamiento de revenido y en los parámetros de revenido apropiados.

Las normas de la serie ISO 683 proporcionan requisitos detallados para los procedimientos de tratamiento térmico, incluidos los parámetros de templado para varias categorías de acero de ingeniería, con diferencias significativas en el enfoque en comparación con las normas ASTM con respecto a los rangos de temperatura y los tiempos de mantenimiento.

Tendencias de desarrollo

Los modelos computacionales avanzados que incorporan enfoques de Monte Carlo cinético y de campo de fase permiten una predicción más precisa de la evolución microestructural durante ciclos de templado complejos, lo que reduce los requisitos de pruebas empíricas.

Nuevas técnicas de caracterización, que incluyen la difracción de neutrones in situ y la tomografía de sonda atómica, están revelando secuencias de precipitación a nanoescala durante el templado, lo que proporciona información para diseñar procesos de tratamiento térmico más eficientes.

Es probable que los desarrollos futuros se centren en enfoques de templado personalizados para componentes de acero fabricados de forma aditiva, que presentan desafíos únicos debido a sus microestructuras de no equilibrio y tensiones residuales inherentes que requieren protocolos de templado especializados.