Endurecimiento: mejora de la resistencia del acero mediante procesos de tratamiento térmico

Definición y concepto básico

El endurecimiento es un proceso de tratamiento térmico aplicado a las aleaciones ferrosas para aumentar su dureza y resistencia mediante la transformación de la microestructura mediante operaciones controladas de calentamiento y enfriamiento. El proceso consiste en calentar el acero a una temperatura superior a su punto crítico de transformación, manteniéndolo a dicha temperatura para lograr una austenización completa o parcial, seguido de un enfriamiento rápido (temple) a una velocidad suficiente para formar martensita o bainita. Esta transformación altera radicalmente las propiedades mecánicas del material, aumentando significativamente la dureza, el límite elástico y la resistencia al desgaste.

En el contexto más amplio de la metalurgia, el temple representa uno de los procesos de tratamiento térmico más importantes que permite al acero alcanzar su notable versatilidad como material de ingeniería. Sirve como base para numerosas aplicaciones industriales que requieren alta resistencia, resistencia al desgaste y durabilidad. La capacidad de endurecer el acero mediante procesos térmicos relativamente simples ha sido fundamental para el avance tecnológico desde la Edad del Hierro, convirtiéndolo en un concepto fundamental en la ingeniería de materiales.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el endurecimiento implica una transformación de fase en estado sólido donde la austenita cúbica centrada en las caras (FCC) se transforma en martensita tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Durante el enfriamiento rápido, los átomos de carbono quedan atrapados en la red de hierro, lo que causa distorsión e impide la formación de la estructura ferrítica cúbica centrada en el cuerpo (BCC) en equilibrio. Esta distorsión de la red genera numerosas dislocaciones y tensiones internas que impiden el movimiento de las dislocaciones.

La transformación martensítica se produce mediante un mecanismo de cizallamiento sin difusión, donde los movimientos atómicos coordinados crean la nueva estructura cristalina sin necesidad de difusión a larga distancia. Esta transformación produce morfologías características en listones o placas, según el contenido de carbono. La microestructura resultante contiene una alta densidad de dislocaciones y finos cristalitos que bloquean eficazmente el movimiento de dislocaciones, aumentando así la dureza y la resistencia.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe el endurecimiento del acero es el diagrama de Transformación Tiempo-Temperatura (TTT), que representa la relación entre la temperatura, el tiempo y la evolución microestructural durante las transformaciones isotérmicas. Posteriormente, se complementó con el diagrama de Transformación por Enfriamiento Continuo (CCT), que representa mejor los procesos de temple industrial.

La comprensión del endurecimiento evolucionó significativamente desde el conocimiento empírico de la herrería hasta la teoría científica a principios del siglo XX. El trabajo pionero de Bain y Davenport en la década de 1930 estableció los primeros diagramas TTT completos, mientras que las investigaciones posteriores de Koistinen y Marburger desarrollaron modelos cuantitativos para la cinética de la transformación martensítica.

Los enfoques modernos incorporan termodinámica computacional a través de métodos CALPHAD (CÁLCULO de Diagramas de FASES) y modelado de campo de fases para predecir la evolución microestructural durante los procesos de endurecimiento con mayor precisión.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El endurecimiento se relaciona fundamentalmente con las transformaciones de la estructura cristalina, donde la austenita FCC se transforma en martensita BCT. Esta transformación crea una red altamente deformada con numerosas dislocaciones que refuerzan el material mediante mecanismos de endurecimiento por deformación. La alta densidad de dislocaciones fija eficazmente las dislocaciones existentes, lo que requiere una mayor tensión para iniciar la deformación plástica.

La eficacia del endurecimiento depende fundamentalmente del tamaño del grano y de los límites de grano de austenita previos. Los granos de austenita más finos suelen producir paquetes y bloques de martensita más finos, lo que aumenta la resistencia mediante los mecanismos de fortalecimiento de los límites de grano descritos por la relación de Hall-Petch.

El endurecimiento ejemplifica varios principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como las transformaciones de fase, la cinética de difusión y las relaciones entre estructura y propiedad. El proceso demuestra cómo la manipulación controlada de la microestructura puede alterar drásticamente las propiedades mecánicas macroscópicas, lo que ilustra la conexión fundamental entre la disposición atómica y el rendimiento de la ingeniería.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La dureza lograda a través del endurecimiento se puede estimar utilizando la ecuación de Maynier para la dureza de la martensita:

$$HV_M = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21\log(V_r)$$

Dónde:
- $HV_M$ es la dureza Vickers de la martensita
- $C, Si, Mn, Ni, Cr$ son los porcentajes en peso de estos elementos
- $V_r$ es la velocidad de enfriamiento a 700°C en °C/h

Fórmulas de cálculo relacionadas

La fracción de volumen de martensita formada durante el enfriamiento se puede calcular utilizando la ecuación de Koistinen-Marburger:

$$f_m = 1 - \exp[-b(M_s - T)]$$

Dónde:
- $f_m$ es la fracción de volumen de martensita
- $b$ es una constante del material (normalmente 0,011 K⁻¹ para muchos aceros)
- $M_s$ es la temperatura de inicio de la martensita en Kelvin
- $T$ es la temperatura de extinción en Kelvin

La temperatura inicial de la martensita se puede estimar utilizando la ecuación lineal de Andrews:

$$M_s(°C) = 539 - 423C - 30,4Mn - 12,1Cr - 17,7Ni - 7,5Mo$$

Donde los elementos químicos representan sus porcentajes de peso en el acero.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas son generalmente válidas para aceros con bajo a medio contenido de carbono (0,1-0,6 % en peso de C) con concentraciones típicas de elementos de aleación. La ecuación de Maynier pierde precisión para aceros altamente aleados o que contienen elementos con alta capacidad de formación de carburos, como el vanadio o el tungsteno.

La ecuación de Koistinen-Marburger asume condiciones ideales de temple y pierde precisión cuando se produce una formación significativa de bainita durante el enfriamiento. Tampoco considera los mecanismos de estabilización de la austenita retenida, más allá de los simples efectos de la temperatura.

Estos modelos suponen una composición de austenita homogénea antes del temple y no tienen en cuenta la microsegregación, que puede afectar significativamente la templabilidad local en materiales fundidos o muy segregados.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

• ASTM E18: Métodos de prueba estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos
• ASTM E92: Métodos de prueba estándar para la dureza Vickers 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

Las normas ASTM E18 e ISO 6508 cubren las pruebas de macrodureza utilizando el método Rockwell, mientras que las normas ASTM E92 e ISO 6507 detallan los procedimientos para las pruebas de dureza Vickers, que son particularmente útiles para aceros endurecidos debido a su rango de medición más amplio.

Equipos y principios de prueba

Las pruebas de dureza de aceros endurecidos suelen emplear métodos basados ​​en la indentación con durómetros especializados. Los durómetros Rockwell aplican una fuerza predeterminada a través de un cono de diamante o una bola de acero endurecido, midiendo la profundidad de penetración para determinar la dureza.

Los microdurómetros Vickers y Knoop utilizan penetradores piramidales de diamante y miden las dimensiones diagonales de la impresión resultante mediante examen microscópico. Estos métodos permiten un mapeo preciso de la dureza en las características microestructurales.

La caracterización avanzada puede incluir sistemas de nanoindentación que proporcionan datos continuos de carga-desplazamiento durante la indentación, lo que permite la determinación del módulo elástico y la dureza a nanoescala.

Requisitos de muestra

Las muestras de dureza estándar requieren superficies planas y paralelas con una rugosidad superficial típicamente inferior a 0,8 μm Ra. El espesor mínimo debe ser al menos 10 veces la profundidad de la indentación para evitar efectos sobre el sustrato.

La preparación de la superficie suele implicar el esmerilado con abrasivos cada vez más finos, seguido del pulido para lograr un acabado de espejo, especialmente para pruebas de microdureza. Es necesario eliminar cualquier capa de descarburación para obtener lecturas precisas de la estructura endurecida real.

Las muestras deben estar libres de lubricantes, incrustaciones o materias extrañas, y ser representativas de las secciones críticas del componente. En el caso de componentes endurecidos por completo, las pruebas suelen realizarse en secciones transversales.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan generalmente a temperatura ambiente (23 ± 5 °C) con humedad controlada para evitar la oxidación superficial. Para aplicaciones especializadas, se pueden realizar pruebas de dureza a temperatura elevada.

Las velocidades de aplicación de la carga de indentación están estandarizadas (normalmente de 2 a 8 segundos) para garantizar la consistencia. Los tiempos de permanencia (tiempo bajo carga máxima) suelen ser de 10 a 15 segundos para las pruebas estándar.

Las ubicaciones de prueba deben mantener requisitos de espacio mínimo entre las sangrías (normalmente de 3 a 5 veces el diámetro de la sangría) y desde los bordes de la muestra (normalmente 2,5 veces el diámetro de la sangría).

Proceso de datos

Las mediciones de dureza suelen implicar múltiples lecturas (mínimo 5) en diferentes puntos para tener en cuenta la heterogeneidad microestructural. El análisis estadístico incluye el cálculo de la media, la desviación estándar y los intervalos de confianza.

Para los componentes endurecidos por cementación, los datos transversales de dureza se grafican en función de la profundidad desde la superficie para determinar la profundidad de la cementación, generalmente definida como la profundidad donde la dureza es igual a 550 HV o 50 HRC.

La conversión entre diferentes escalas de dureza (Rockwell, Vickers, Brinell) se realiza utilizando tablas de conversión estandarizadas en ASTM E140 o ISO 18265, aunque estas conversiones tienen limitaciones inherentes en cuanto a precisión.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1018, 1020)	20-30 HRC	Aceite templado a 870°C	ASTM A370
Acero al carbono medio (1045, 1050)	50-60 HRC	Enfriado con agua a 845°C	ASTM A370
Acero para herramientas (D2, A2)	58-65 horas de resistencia	Aceite templado a partir de 1010°C	ASTM A681
Acero para cojinetes (52100)	60-67 HRC	Aceite templado a 845°C	ASTM A295

Las variaciones dentro de cada clasificación de acero se deben principalmente a las diferencias en el contenido de carbono, los elementos de aleación y el tamaño de la sección. Un mayor contenido de carbono generalmente permite una mayor dureza máxima, mientras que los elementos de aleación afectan principalmente a la templabilidad (profundidad de endurecimiento).

Estos valores representan la dureza máxima alcanzable tras un temple adecuado. La dureza real del componente puede ser menor debido a velocidades de enfriamiento insuficientes en secciones más gruesas o si se realiza un revenido posterior para mejorar la tenacidad a expensas de cierta dureza.

Una tendencia general en todos los tipos de acero muestra que la dureza máxima alcanzable aumenta con el contenido de carbono hasta aproximadamente un 0,6 %, más allá del cual el carbono adicional aumenta principalmente la fracción de volumen de carburos en lugar de aumentar aún más la dureza de la matriz.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros suelen especificar rangos de dureza en lugar de valores exactos, teniendo en cuenta la incertidumbre de la medición y la variación normal del proceso. Los factores de seguridad para aplicaciones críticas para la dureza suelen implicar la especificación de valores mínimos de dureza de 2 a 5 puntos HRC por encima del requisito real.

Las decisiones de selección de materiales suelen equilibrar los requisitos de dureza con la tenacidad, la maquinabilidad y el costo. Los aceros de temple pasante se seleccionan cuando se requieren propiedades uniformes en toda la pieza, mientras que los aceros de cementación se prefieren cuando se desea un núcleo tenaz con una superficie dura.

Los diseñadores deben tener en cuenta los cambios dimensionales durante el endurecimiento, que suelen ser de entre el 0,1 % y el 0,3 % de expansión lineal para componentes endurecidos. Las dimensiones críticas suelen ajustarse después del tratamiento térmico para adaptarlas a estos cambios.

Áreas de aplicación clave

En la industria automotriz, los aceros endurecidos son esenciales para componentes de transmisión como engranajes, ejes y rodamientos, donde se requieren altas tensiones de contacto y resistencia al desgaste. La dureza superficial suele superar los 58 HRC para estas aplicaciones, con requisitos específicos de profundidad de la carcasa según las condiciones de carga.

La industria de herramientas depende en gran medida de aceros endurecidos para herramientas de corte, matrices y moldes. Estas aplicaciones exigen una dureza extrema (60-65 HRC) combinada con la tenacidad adecuada para resistir el astillado bajo cargas de impacto.

Los componentes de infraestructura, como vías férreas y piezas de equipo pesado, utilizan aceros endurecidos para soportar cargas extremas de abrasión e impacto. Estas aplicaciones suelen emplear composiciones y procesos especializados para lograr combinaciones óptimas de dureza, tenacidad y resistencia ambiental.

Compensaciones en el rendimiento

La dureza y la tenacidad suelen presentar una relación inversa en los aceros endurecidos. A medida que aumenta la dureza, la resistencia al impacto y la tenacidad a la fractura suelen disminuir, lo que requiere un equilibrio cuidadoso para aplicaciones que impliquen cargas de impacto o choque.

La maquinabilidad disminuye significativamente al aumentar la dureza. Los componentes que requieren un mecanizado intensivo suelen mecanizarse en estado recocido y luego templarse, o bien, se templan a niveles de dureza intermedios que permiten operaciones de mecanizado limitadas.

Los diseñadores deben equilibrar la resistencia al desgaste con el rendimiento a la fatiga. Si bien una dureza mayor generalmente mejora la resistencia al desgaste, una dureza excesiva puede reducir la resistencia a la fatiga debido a una mayor sensibilidad a las entallas y una menor capacidad para redistribuir las tensiones.

Análisis de fallos

El agrietamiento por temple representa un modo de fallo común en componentes endurecidos, que se produce cuando las tensiones térmicas o de transformación superan la resistencia a la fractura del material durante el temple. Estas grietas suelen seguir los límites de grano de austenita previos y suelen originarse en esquinas agudas o transiciones de sección.

Una profundidad de endurecimiento insuficiente puede provocar fallos por fatiga subsuperficial, especialmente en aplicaciones de contacto rodante. El mecanismo de fallo se produce por la formación de grietas debajo de la capa endurecida, donde las tensiones de corte son máximas, pero la resistencia del material es menor.

Estos riesgos se pueden mitigar mediante una adecuada selección del acero, un diseño de componentes con transiciones de sección graduales, procesos de temple controlados y un revenido posterior al temple para aliviar las tensiones residuales y mantener una dureza adecuada.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono es el principal determinante de la dureza máxima alcanzable; aproximadamente un 0,6 % de carbono permite alcanzar valores de dureza de hasta 65 HRC. Un mayor contenido de carbono aumenta la resistencia al desgaste gracias a una mayor fracción de volumen de carburo, pero puede reducir la tenacidad.

El cromo, el molibdeno y el manganeso mejoran significativamente la templabilidad al retardar la formación de perlita y bainita durante el enfriamiento, lo que permite la formación de martensita a velocidades de enfriamiento más lentas. Esto facilita el endurecimiento en secciones más grandes o con temples menos severos.

Los oligoelementos como el boro (30-90 ppm) aumentan drásticamente la templabilidad con un efecto mínimo en otras propiedades, mientras que el fósforo y el azufre generalmente reducen la templabilidad y pueden promover el agrietamiento por temple a través de la segregación en los límites de grano.

Influencia microestructural

El tamaño del grano de austenita previo afecta significativamente la respuesta al endurecimiento. Los granos de austenita más finos producen paquetes de martensita más finos, lo que mejora la tenacidad y mantiene la dureza. Sin embargo, los granos excesivamente finos pueden reducir la templabilidad al aumentar el área total del límite de grano, lo que facilita la nucleación de productos de transformación no martensíticos.

La distribución de fases antes del temple afecta las propiedades finales. Una distribución uniforme del carburo en la microestructura inicial promueve una distribución uniforme del carbono en la austenita, lo que resulta en una dureza más consistente después del temple.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensiones durante el temple y pueden iniciar grietas por temple. También crean puntos blandos locales en la microestructura endurecida, convirtiéndose potencialmente en puntos de inicio de fallas en condiciones de servicio.

Influencia del procesamiento

La temperatura y el tiempo de austenización controlan la cantidad de carbono disuelto en la austenita. Temperaturas más altas incrementan el carbono disuelto, pero promueven el crecimiento del grano de austenita, mientras que tiempos más largos garantizan la homogeneización, pero pueden causar descarburación en atmósferas desprotegidas.

La selección del temple afecta drásticamente las velocidades de enfriamiento y los perfiles de dureza resultantes. El agua proporciona el enfriamiento más rápido, pero presenta el mayor riesgo de distorsión, mientras que el aceite ofrece velocidades de enfriamiento moderadas con menor distorsión. Los temples poliméricos y los baños de sales proporcionan velocidades de enfriamiento intermedias con un mejor control.

La uniformidad de la velocidad de enfriamiento es fundamental para minimizar el riesgo de distorsión y agrietamiento. La agitación, la correcta orientación de las piezas y el diseño adecuado de los accesorios contribuyen a lograr un enfriamiento uniforme durante el proceso de temple.

Factores ambientales

La temperatura de funcionamiento afecta significativamente el rendimiento del acero endurecido. La dureza comienza a disminuir notablemente por encima de los 150 °C debido al revenido, y se produce un ablandamiento considerable por encima de los 400 °C a medida que la martensita se descompone en ferrita y carburos.

Los entornos corrosivos pueden acelerar las fallas mediante mecanismos de fragilización por hidrógeno, especialmente en aceros de alta dureza (superiores a 50 HRC). Este efecto se acentúa en condiciones de carga estática.

El ablandamiento dependiente del tiempo puede ocurrir incluso a temperaturas moderadas mediante procesos de envejecimiento térmico. Esto es especialmente relevante en aplicaciones de herramientas donde se produce un calentamiento cíclico durante el funcionamiento.

Métodos de mejora

La carburación o carbonitruración controladas antes del endurecimiento permiten crear gradientes optimizados de carbono/nitrógeno que mejoran la dureza superficial, manteniendo al mismo tiempo la tenacidad del núcleo. Estos procesos son especialmente valiosos para componentes sometidos a fatiga por contacto y desgaste.

Los procesos de doble o triple revenido pueden mejorar significativamente la tenacidad, manteniendo niveles de dureza aceptables. Este método es especialmente eficaz para aceros con alto contenido de carbono y de alta aleación, donde es necesario gestionar la transformación de la austenita retenida.

El tratamiento criogénico posterior al temple puede mejorar la estabilidad de la dureza al transformar la austenita retenida en martensita. Este proceso se aplica comúnmente en herramientas de precisión y rodamientos donde la estabilidad dimensional es crucial.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La templabilidad se refiere a la capacidad de un acero para formar martensita a profundidades específicas al enfriarse en condiciones dadas. A diferencia de la dureza (que mide la resistencia a la indentación), la templabilidad describe la profundidad a la que se puede endurecer un acero y se evalúa típicamente mediante la prueba de temple final de Jominy.

El revenido es un tratamiento térmico de postendurecimiento realizado a temperaturas de entre 150 y 650 °C que reduce la dureza y mejora la tenacidad. Este proceso alivia las tensiones internas, descompone la martensita en estructuras más estables y precipita carburos finos.

El temple superficial abarca procesos como la carburación, la nitruración y el temple por inducción, que crean una capa superficial dura sobre un núcleo tenaz. Estos procesos se distinguen del temple total por el desarrollo intencionado de gradientes de propiedades desde la superficie hasta el núcleo.

Normas principales

La norma ASTM A255 "Métodos de prueba estándar para determinar la templabilidad del acero" detalla el procedimiento de prueba de temple final de Jominy, que se ha convertido en el estándar internacional para cuantificar la templabilidad del acero a través de pruebas de dureza en muestras estandarizadas.

SAE J406 "Métodos para determinar la templabilidad de los aceros" proporciona procedimientos específicos de la industria para aplicaciones automotrices, incluidos métodos alternativos para evaluar la templabilidad en entornos de producción.

La norma ISO 642 "Acero: prueba de templabilidad por temple final (prueba Jominy)" difiere ligeramente de la norma ASTM A255 en las dimensiones de la muestra y las condiciones de enfriamiento, lo que crea variaciones menores en la templabilidad informada entre estas normas.

Tendencias de desarrollo

El modelado computacional avanzado mediante análisis de elementos finitos, junto con la cinética de transformación de fase, permite una predicción más precisa de las distribuciones de dureza en geometrías complejas. Estos modelos consideran las tasas de enfriamiento local, la plasticidad inducida por la transformación y el desarrollo de tensiones residuales.

Están surgiendo tecnologías de temple de precisión que utilizan presión de gas controlada, campos magnéticos o agitación ultrasónica para proporcionar un enfriamiento más uniforme con menor distorsión. Estas tecnologías ofrecen ventajas específicas para componentes de formas complejas con espesores de sección variables.

La integración de la monitorización in situ durante los procesos de endurecimiento está avanzando gracias a tecnologías como la detección de emisiones acústicas y la medición dimensional en tiempo real. Estos enfoques prometen transformar el endurecimiento, pasando de ser un proceso basado principalmente en la experiencia, a una operación de fabricación controlada y validada con mayor precisión.