Temple: Proceso de tratamiento térmico para optimizar las propiedades del acero

Definición y concepto básico

El revenido se refiere al proceso de recalentamiento del acero endurecido a una temperatura inferior a su punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado para reducir la fragilidad y aumentar la tenacidad, manteniendo niveles de dureza aceptables. Este tratamiento térmico modifica la microestructura del acero previamente endurecido para lograr un equilibrio específico de propiedades mecánicas adaptado a los requisitos de la aplicación.

El revenido es un paso crítico en la secuencia general de tratamiento térmico de los aceros, generalmente posterior a las operaciones de temple que crean una estructura martensítica dura pero frágil. El proceso alivia las tensiones internas, precipita los carburos y modifica la microestructura para lograr una combinación óptima de resistencia, ductilidad y tenacidad.

En la ciencia metalúrgica, el revenido representa un enfoque fundamental para la ingeniería microestructural, permitiendo a los metalúrgicos controlar con precisión las propiedades de los materiales mediante la manipulación térmica. Ejemplifica el principio metalúrgico fundamental de que las propiedades mecánicas están directamente relacionadas con la microestructura, la cual puede modificarse deliberadamente mediante un procesamiento térmico controlado.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el revenido implica la descomposición de la martensita metaestable en fases más estables. Durante el revenido, los átomos de carbono se difunden fuera de la martensita sobresaturada, formando precipitados de carburo, mientras que la matriz de martensita tetragonal se transforma gradualmente hacia una estructura de ferrita más cúbica.

El proceso se desarrolla en distintas etapas: primero, precipitación de carburo épsilon (100-200 °C); segundo, transformación de la austenita retenida (200-300 °C); tercero, transición a la formación de cementita y recuperación de martensita (300-400 °C); y, finalmente, engrosamiento y recristalización de la cementita a temperaturas más altas (superiores a 400 °C). Cada etapa reduce progresivamente las tensiones internas y modifica las estructuras de dislocación.

El movimiento de dislocación se hace cada vez más posible a medida que el carbono abandona la red de martensita, lo que permite una ductilidad mejorada y al mismo tiempo mantiene una resistencia significativa a través de mecanismos de endurecimiento por precipitación y características microestructurales refinadas.

Modelos teóricos

El parámetro Hollomon-Jaffe (HJP) representa el modelo teórico principal que describe el proceso de 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 establece la relación tiempo-temperatura en el revenido.

La comprensión histórica del templado evolucionó desde el conocimiento artesanal empírico hasta la comprensión científica a través del trabajo de metalúrgicos como Bain y Davenport en la década de 1930, quienes caracterizaron por primera vez las etapas del templado utilizando técnicas de difracción de rayos X.

Los enfoques modernos incluyen modelos cinéticos basados ​​en conceptos de energía de activación, modelos de transformación controlados por difusión y termodinámica computacional utilizando métodos CALPHAD, que proporcionan predicciones más precisas de las transformaciones de fase durante el templado.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El templado modifica directamente la estructura cristalina al permitir que los átomos de carbono se difundan desde posiciones intersticiales en la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) distorsionada hacia formaciones de carburo más estables, devolviendo gradualmente la matriz hacia una estructura de ferrita cúbica centrada en el cuerpo (BCC).

Los límites de grano sirven como sitios de nucleación para la precipitación de carburos durante el revenido, y su densidad y carácter influyen en la respuesta al revenido. Los límites de grano de austenita previa, los límites de listones de martensita y los límites de paquetes influyen en la secuencia de precipitación y las propiedades mecánicas resultantes.

El proceso de templado ejemplifica el principio fundamental de la ciencia de los materiales de metaestabilidad y transformación de fase, donde un sistema se mueve hacia el equilibrio termodinámico a través de procesos controlados por difusión cuando se le proporciona suficiente energía térmica para superar las barreras de activación.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El parámetro de templado Hollomon-Jaffe es la ecuación fundamental que describe el comportamiento del templado:

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

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

Fórmulas de cálculo relacionadas

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

$HRC = HRC_0 - K \log(P)$

Dónde:
- $HRC$ = dureza resultante en escala Rockwell C
- $HRC_0$ = dureza inicial antes del revenido
- $K$ = constante dependiente del material
- $P$ = parámetro de templado

La energía de activación para el revenido se puede calcular utilizando:

$\ln(t_1/t_2) = (Q/R)[(1/T_1) - (1/T_2)]$

Dónde:
- $t_1, t_2$ = tiempos para lograr un revenido equivalente a las temperaturas $T_1$ y $T_2$
- $Q$ = energía de activación para el proceso de templado
- $R$ = constante universal de los gases
- $T_1, T_2$ = temperaturas absolutas en Kelvin

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas se aplican principalmente a aceros al carbono y de baja aleación con microestructuras iniciales predominantemente martensíticas. Su precisión disminuye en aceros altamente aleados, en particular aquellos que contienen elementos formadores de carburos fuertes, como Cr, Mo, V y W.

El parámetro Hollomon-Jaffe supone que los efectos del tiempo y la temperatura son intercambiables según la relación especificada, que se mantiene razonablemente bien dentro de los rangos de temperatura de templado típicos (150-650 °C) pero se vuelve menos precisa en temperaturas extremas.

Estos modelos suponen velocidades de calentamiento y enfriamiento uniformes, microestructuras iniciales homogéneas y ausencia de reacciones competitivas como el endurecimiento secundario, que puede alterar significativamente la respuesta al revenido en ciertos sistemas de aleación.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM A1033: Práctica estándar para la medición cuantitativa y el informe de transformaciones de fases de acero al carbono hipoeutectoides y de baja aleación: cubre los procedimientos para medir e informar las transformaciones de fase.

ASTM E18: Métodos de prueba estándar para dureza Rockwell de materiales metálicos: especifica los procedimientos de prueba de dureza comúnmente utilizados para verificar los resultados del templado.

ISO 6508: Materiales metálicos - Prueba de dureza Rockwell - Proporciona estándares internacionales para pruebas de dureza para evaluar la efectividad del revenido.

ASTM E3: Guía estándar para la preparación de muestras metalográficas: detalla la preparación de muestras para el análisis microestructural de aceros templados.

Equipos y principios de prueba

Los probadores de dureza (Rockwell, Vickers, Brinell) miden la resistencia a la indentación, proporcionando una evaluación rápida de la efectividad del revenido a través de la correlación con las propiedades mecánicas.

La microscopía óptica revela características microestructurales de la martensita templada, incluido el tamaño del carburo, la distribución y las características de la matriz, y generalmente requiere un grabado con soluciones de nital o picral para revelar estas características.

La microscopía electrónica de barrido (SEM) proporciona imágenes de mayor resolución de estructuras templadas, mientras que la microscopía electrónica de transmisión (TEM) permite la observación directa de precipitados de carburo fino y estructuras de dislocación resultantes del templado.

El equipo de difracción de rayos X (XRD) mide los cambios en la estructura cristalina, la tensión residual y puede identificar las fases de carburo formadas durante diferentes etapas de templado.

Requisitos de muestra

Las muestras metalográficas estándar requieren un seccionamiento cuidadoso para evitar alterar la microestructura mediante deformación o calentamiento, generalmente montadas en resina para facilitar su manipulación.

La preparación de la superficie implica el pulido a través de sucesivas etapas de grano (normalmente de 120 a 1200), seguido de un pulido con suspensiones de diamante o alúmina para lograr un acabado de espejo antes del grabado.

Para las pruebas mecánicas de las propiedades templadas, las muestras deben mecanizarse de acuerdo con las normas pertinentes (por ejemplo, ASTM E8 para pruebas de tracción) con especial atención a la orientación relativa a la forma original del producto.

Parámetros de prueba

La prueba de dureza debe realizarse a temperatura ambiente (20-25 °C) bajo condiciones de carga controladas especificadas por la norma pertinente (por ejemplo, carga de 150 kgf para la escala Rockwell C).

El examen metalográfico generalmente emplea reactivos de ataque como nital al 2-5% (ácido nítrico en etanol) con tiempos de exposición de 5 a 30 segundos, dependiendo de la composición del acero y la condición de revenido.

Las pruebas de impacto de aceros templados se realizan comúnmente a temperaturas específicas que van desde temperaturas criogénicas hasta temperaturas elevadas para evaluar la tenacidad en las condiciones de servicio.

Proceso de datos

Las mediciones de dureza generalmente requieren múltiples lecturas (mínimo 5) en diferentes ubicaciones para calcular un valor promedio y una desviación estándar, lo que garantiza resultados representativos.

El análisis microestructural implica mediciones cuantitativas del tamaño, espaciado y fracción de volumen del carburo utilizando software de análisis de imágenes aplicado a micrografías calibradas.

Los datos de propiedades mecánicas de pruebas de tracción o impacto generalmente se analizan estadísticamente para establecer intervalos de confianza, y los resultados se normalizan para tener en cuenta variaciones menores en las dimensiones de la muestra.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (HRC)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
AISI 1045 (Carbono medio)	20-35 HRC	Templado 400-650°C	ASTM A29
AISI 4140 (aleación Cr-Mo)	28-45 horas de duración	Templado 350-650°C	ASTM A29
AISI 52100 (Acero para cojinetes)	58-64 horas de resistencia	Templado 150-250°C	ASTM A295
Acero para herramientas H13	38-54 HRC	Templado 540-650°C	ASTM A681

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben a las temperaturas de revenido específicas, los tiempos de mantenimiento y las condiciones de austenización previas. Las temperaturas de revenido más altas generalmente producen menor dureza, pero mayor tenacidad.

Estos valores deben interpretarse como pautas en lugar de especificaciones absolutas, y las propiedades reales dependen del tamaño de la sección, el historial de procesamiento previo y los parámetros de tratamiento térmico específicos.

Existe una tendencia clara entre los tipos de acero: un mayor contenido de aleación generalmente permite retener una mayor dureza a temperaturas de revenido equivalentes debido a los efectos de endurecimiento secundario y a una cinética de engrosamiento del carburo más lenta.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros deben equilibrar los requisitos de dureza con las necesidades de tenacidad al especificar tratamientos de templado, a menudo utilizando curvas de templado (gráficos de dureza vs. temperatura) específicas para cada grado de acero.

Los factores de seguridad para componentes templados generalmente varían entre 1,5 y 3,0 dependiendo de la criticidad de la aplicación, y se aplican factores más altos cuando una fractura frágil sería catastrófica o cuando las condiciones de carga incluyen impacto o fatiga.

Las decisiones de selección de materiales con frecuencia implican comparar propiedades templadas entre múltiples grados de acero, considerando cómo la respuesta del templado afecta el perfil de propiedad final en relación con el costo, la maquinabilidad y la soldabilidad.

Áreas de aplicación clave

Los sistemas de propulsión de automóviles requieren componentes templados con precisión, como cigüeñales y bielas, donde la resistencia a la fatiga exige la combinación óptima de resistencia y tenacidad lograda mediante un templado cuidadoso.

Las herramientas de corte y matrices representan aplicaciones donde la resistencia al desgaste es primordial y requieren tratamientos de templado especializados que mantengan una alta dureza y minimicen la fragilidad mediante un endurecimiento secundario controlado.

Las aplicaciones de infraestructura, como los pernos de alta resistencia para puentes y edificios, dependen de propiedades templadas para garantizar la integridad estructural en diversas condiciones de carga y exposiciones ambientales durante décadas de servicio.

Compensaciones en el rendimiento

La dureza y la tenacidad al impacto muestran una relación inversa durante el revenido: las temperaturas de revenido más altas reducen la dureza pero aumentan la tenacidad, lo que requiere que los ingenieros identifiquen el compromiso óptimo.

La resistencia al desgaste y el rendimiento ante la fatiga a menudo presentan requisitos en competencia, ya que la mayor dureza beneficiosa para el desgaste puede introducir un comportamiento frágil perjudicial para la vida útil ante la fatiga, lo que requiere un control de templado preciso.

Los ingenieros frecuentemente equilibran las consideraciones de fabricación con el rendimiento, ya que los materiales de mayor temperatura (más blandos) ofrecen una mejor maquinabilidad pero una menor resistencia y resistencia al desgaste.

Análisis de fallos

La fragilización por temple representa un modo de falla común en el que ciertos aceros experimentan una tenacidad reducida cuando se mantienen o se enfrían lentamente a través de rangos de temperatura críticos (375-575 °C), lo que resulta en una fractura intergranular.

Este mecanismo de fragilización implica la segregación de elementos de impurezas (P, Sn, Sb, As) a los límites de grano de austenita anteriores durante la exposición a temperaturas críticas, lo que debilita la cohesión de los límites y crea trayectorias de grietas preferenciales.

Las estrategias de mitigación incluyen minimizar los elementos de impureza a través de prácticas de fabricación de acero limpias, agregar molibdeno para reducir la susceptibilidad y diseñar ciclos de tratamiento térmico para atravesar rápidamente rangos de temperatura críticos.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta directamente la respuesta de revenido: los aceros con mayor contenido de carbono conservan una mayor dureza a temperaturas de revenido equivalentes debido a una mayor fracción de volumen de carburo y al fortalecimiento de la matriz.

Los elementos formadores de carburo fuertes (Cr, Mo, V, W) retardan el revenido al estabilizar los carburos contra el engrosamiento y pueden producir picos de endurecimiento secundario a temperaturas de revenido específicas a través de la precipitación de carburos de aleación fina.

El silicio y el manganeso influyen en la cinética de templado al afectar las tasas de difusión del carbono y la estabilidad del carburo, siendo el silicio particularmente eficaz para retrasar la transformación de los carburos de transición en cementita.

Influencia microestructural

El tamaño del grano de austenita anterior afecta la respuesta al revenido a través de su influencia en los tamaños de los paquetes y bloques de martensita, y las estructuras iniciales más finas generalmente brindan combinaciones superiores de resistencia y tenacidad después del revenido.

La distribución de fases antes del revenido, en particular la cantidad de austenita retenida, afecta significativamente las propiedades finales, ya que esta austenita se transforma durante el revenido, lo que contribuye a los cambios dimensionales y las variaciones de las propiedades.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensión que pueden reducir la tenacidad en los aceros templados, y su efecto se hace más pronunciado en niveles de resistencia más altos donde la deformación plástica es limitada.

Influencia del procesamiento

La severidad del temple antes del revenido determina el contenido inicial de martensita y la densidad de dislocaciones, lo que afecta directamente la respuesta del revenido posterior y las propiedades mecánicas finales.

A menudo se emplean ciclos de revenido múltiples para aceros altamente aleados para transformar la austenita retenida y garantizar la precipitación completa de carburos de endurecimiento secundario para un desarrollo óptimo de las propiedades.

La velocidad de enfriamiento después del revenido puede ser crítica, particularmente para aceros susceptibles a la fragilización por revenido, donde el enfriamiento rápido a través de rangos de temperatura sensibles previene fenómenos de segregación perjudiciales.

Factores ambientales

La temperatura de servicio en relación con la temperatura de revenido es crucial: los componentes no deben utilizarse por encima de su temperatura de revenido, ya que esto provoca cambios microestructurales continuos y degradación de las propiedades.

La exposición al hidrógeno puede quebrar gravemente los aceros templados, y las condiciones de mayor resistencia (temperatura de revenido más baja) muestran una mayor susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno.

La exposición cíclica a temperaturas durante el servicio puede provocar efectos de templado acumulativos, reduciendo gradualmente la dureza y la resistencia e introduciendo potencialmente fragilización en composiciones susceptibles.

Métodos de mejora

Los procesos de templado escalonado que involucran múltiples etapas de temperatura pueden optimizar las secuencias de precipitación de carburo, lo que es particularmente beneficioso para aceros para herramientas que requieren alta dureza y tenacidad adecuada.

Las técnicas de modificación de superficies, como el templado por inducción, permiten la creación de gradientes de propiedades, con diferentes condiciones de templado en la superficie frente al núcleo para optimizar tanto la resistencia al desgaste como la tenacidad interna.

Los enfoques de diseño de aleaciones que incorporan elementos de microaleación (Nb, Ti, V) pueden crear precipitados finos que resisten el engrosamiento durante el revenido, manteniendo la resistencia a temperaturas de revenido más altas.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La martensita se refiere a la fase tetragonal metaestable centrada en el cuerpo que se forma durante el temple y que sirve como microestructura inicial para las operaciones de revenido.

La fragilización por revenido describe la reducción de la tenacidad que ocurre cuando ciertos aceros se exponen a rangos de temperatura específicos durante el revenido o el servicio.

El endurecimiento secundario representa el fenómeno mediante el cual ciertos aceros aleados muestran una mayor dureza a temperaturas de revenido intermedias debido a la precipitación de carburos de aleación finos.

La resistencia al temple describe la capacidad de un acero para mantener la dureza y la resistencia cuando se expone a temperaturas elevadas, una propiedad fundamental para herramientas y componentes de alta temperatura.

Normas principales

SAE J404: Composiciones químicas de aceros aleados SAE: proporciona composiciones estándar para aceros comúnmente sometidos a tratamientos de templado.

ASTM A255: Métodos de prueba estándar para determinar la templabilidad del acero: incluye métodos para evaluar cómo responden los aceros al temple y revenido.

Serie ISO 683: Aceros tratables térmicamente, aceros aleados y aceros de fácil mecanización: especifica normas internacionales para aceros diseñados para tratamiento térmico, incluido el revenido.

Tendencias de desarrollo

El modelado computacional de procesos de revenido utilizando métodos de Monte Carlo cinético y de campo de fase está avanzando en las capacidades predictivas para sistemas de aleaciones complejos y ciclos de revenido no isotérmicos.

Las tecnologías de templado de precisión que utilizan calentamiento por inducción, láser y haz de electrones permiten una modificación localizada de las propiedades y un menor consumo de energía en comparación con el templado en horno convencional.

La integración de técnicas de monitoreo in situ, incluidas las mediciones de resistividad eléctrica y emisión acústica durante las operaciones de templado, promete un control de calidad en tiempo real y un procesamiento adaptativo para obtener propiedades optimizadas.