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

Definición y concepto básico

El revenido se refiere al recalentamiento controlado del acero endurecido a una temperatura inferior a su punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado, para lograr propiedades mecánicas específicas. Este proceso de tratamiento térmico reduce la dureza y la fragilidad impartidas durante el temple, a la vez que aumenta la tenacidad y la ductilidad hasta los niveles deseados. El revenido es esencial para equilibrar las propiedades mecánicas en los componentes de acero, ya que el acero completamente endurecido suele ser demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones prácticas.

En términos metalúrgicos, el revenido representa un paso crítico en la secuencia general del tratamiento térmico, que incluye la austenización, el temple y el revenido. Ocupa un lugar central en la metalurgia, ya que permite a los ingenieros ajustar con precisión las propiedades mecánicas del acero, creando materiales con combinaciones optimizadas de resistencia, dureza y tenacidad para aplicaciones específicas.

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 tetragonal centrada en el cuerpo. Durante el revenido, los átomos de carbono se difunden fuera de la red reticular distorsionada de la martensita, formando precipitados de carburo. Esta difusión reduce las tensiones internas y la distorsión reticular en la estructura de la martensita.

El proceso se desarrolla en distintas etapas a medida que aumenta la temperatura: segregación de átomos de carbono en defectos reticulares (25-100 °C), precipitación de carburos de transición (100-200 °C), transformación de la austenita retenida (200-300 °C) y formación y engrosamiento de cementita (250-700 °C). Estos cambios microestructurales modifican progresivamente las propiedades mecánicas del acero.

Modelos teóricos

El parámetro Hollomon-Jaffe (HJP) representa el modelo teórico principal utilizado para describir los efectos del templado, correlacionando el tiempo y la temperatura:

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

Donde T es la temperatura (K), t es el tiempo (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 del conocimiento empírico artesanal al conocimiento científico a principios del siglo XX. Los primeros trabajos de Bain y Davenport, en la década de 1930, establecieron las etapas fundamentales del revenido mediante estudios de difracción de rayos X.

Los enfoques modernos incluyen modelos cinéticos basados ​​en la energía de activación para la difusión del carbono y modelos cinéticos de precipitación que incorporan teorías de nucleación y crecimiento para la formación de carburo.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El revenido afecta directamente la estructura cristalina al permitir que los átomos de carbono se difundan desde la martensita sobresaturada para formar precipitados de carburo. Esto reduce la tetragonalidad de la red cristalina de la martensita, acercándose a una estructura cúbica centrada en el cuerpo.

Los límites de grano sirven como sitios preferenciales para la precipitación de carburos durante el revenido. La distribución y morfología de estos precipitados influyen significativamente en las propiedades mecánicas, y los carburos finos y uniformemente distribuidos generalmente proporcionan una tenacidad óptima.

El proceso sigue los principios fundamentales de la ciencia de los materiales: difusión, precipitación y transformación de fase. La fuerza impulsora de estas transformaciones es la reducción de la energía libre de Gibbs a medida que la estructura metaestable de la martensita se transforma hacia configuraciones más estables.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El parámetro de templado Hollomon-Jaffe se define como:

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

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

Fórmulas de cálculo relacionadas

La relación entre la dureza y el parámetro de revenido se puede expresar como:

$HRC = A - B \log(P)$

Dónde:
- $HRC$ = dureza en escala Rockwell C
- $A$ y $B$ = constantes específicas del material
- $P$ = parámetro de templado

Para estimar la resistencia a la tracción a partir de la dureza después del revenido:

$UTS (MPa) \aprox. 3,45 \veces HV$

Donde $HV$ es el número de dureza Vickers.

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas son generalmente válidas para aceros convencionales de baja aleación y al carbono con un contenido de carbono entre el 0,3 % y el 0,6 %. El parámetro de Hollomon-Jaffe pierde precisión para aceros altamente aleados, en particular aquellos que contienen elementos formadores de carburos fuertes, como el vanadio o el molibdeno.

Los modelos asumen una microestructura inicial uniforme (completamente martensítica) y una distribución homogénea de la temperatura durante el revenido. Se observan desviaciones significativas al aplicarlos a estructuras parcialmente martensíticas o al revener componentes muy grandes con gradientes térmicos.

Estas relaciones también suponen temperaturas de revenido convencionales (150-650 °C); es posible que no predigan con precisión las propiedades para procesos de revenido a muy baja o alta temperatura.

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 E92: Métodos de prueba estándar para la dureza Vickers de materiales metálicos
• ISO 6508: Materiales metálicos — Prueba de dureza Rockwell
• ISO 6507: Materiales metálicos — Prueba de dureza Vickers

Equipos y principios de prueba

Los durómetros (Rockwell, Vickers, Brinell) son el equipo principal para evaluar los efectos del revenido. Estos dispositivos miden la resistencia del material a la indentación mediante penetradores y cargas estandarizados.

Los microscopios metalográficos con capacidad de imagen digital permiten examinar microestructuras templadas. El principio implica la preparación de la muestra mediante esmerilado, pulido y grabado para revelar las características microestructurales.

La caracterización avanzada emplea microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS) para obtener imágenes de alta resolución y análisis químico de precipitados de carburo.

Requisitos de muestra

Las muestras de dureza estándar requieren superficies planas y paralelas con un espesor mínimo de 10 veces la profundidad de la indentación. El acabado superficial debe ser de 0,8 μm Ra o superior para obtener resultados precisos.

Las muestras metalográficas requieren una preparación cuidadosa que incluye seccionamiento, montaje, esmerilado (grano 120-1200), pulido (acabado de 1 μm) y grabado químico (normalmente, solución de nital al 2-5%).

Las muestras deben ser representativas del componente a evaluar, considerando las posibles variaciones en la velocidad de enfriamiento durante el temple y los gradientes térmicos durante el revenido.

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan a temperatura ambiente (23 ± 5 °C) con una humedad relativa inferior al 70 %. Para pruebas a temperaturas elevadas, se requiere un equipo especializado que mantenga una precisión de ± 3 °C.

Las pruebas de dureza emplean cargas estandarizadas (por ejemplo, 150 kgf para Rockwell C) con tiempos de permanencia específicos (10 a 15 segundos) y tasas de carga controladas.

Las pruebas de impacto para aceros templados generalmente utilizan muestras con entalladura en V Charpy estándar probadas en un rango de temperatura para determinar la temperatura de transición.

Proceso de datos

La recopilación de datos implica múltiples mediciones (normalmente entre 5 y 7) en diferentes ubicaciones para tener en cuenta la posible heterogeneidad en la estructura templada.

El análisis estadístico incluye el cálculo de valores medios, desviaciones estándar e intervalos de confianza. Los valores atípicos superiores a dos desviaciones estándar suelen investigarse y pueden excluirse con la debida justificación.

Los valores de propiedad finales se determinan a través de ecuaciones de correlación que relacionan la dureza con las propiedades de tracción, o se miden directamente a través de pruebas de tracción según ASTM E8/ISO 6892.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de valores típicos (HRC)	Condiciones de prueba	Estándar de referencia
AISI 1045 (Carbono medio)	18-25	Templado a 550-650°C	ASTM A29
AISI 4140 (Cr-Mo de baja aleación)	28-36	Templado a 450-550°C	ASTM A29
AISI 52100 (Acero para cojinetes)	58-64	Templado a 150-200°C	ASTM A295
Acero para herramientas H13	38-54	Templado a 550-650°C	ASTM A681

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben principalmente a las diferencias en la temperatura de revenido, donde temperaturas más bajas producen valores de dureza más altos. El tiempo de mantenimiento, el tamaño de la sección y el tamaño del grano austenítico previo también contribuyen a las variaciones en las propiedades.

Estos valores sirven como guía para la selección de materiales y la especificación del tratamiento térmico. Los ingenieros deben tener en cuenta que, generalmente, valores más altos de dureza corresponden a una mayor resistencia, pero una menor tenacidad.

Una tendencia notable muestra que los aceros altamente aleados retienen mejor la dureza a temperaturas de revenido elevadas debido a los efectos de endurecimiento secundario de la precipitación del carburo de aleación.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros incorporan los efectos del revenido en el diseño seleccionando las temperaturas de revenido adecuadas para lograr las propiedades mecánicas deseadas. Los componentes críticos para la seguridad suelen especificar valores de dureza mínimos y máximos para garantizar un rendimiento constante.

Los factores de seguridad suelen oscilar entre 1,5 y 2,5 para los componentes de acero templado, y se aplican factores más altos cuando las propiedades del material muestran una mayor variabilidad o cuando las consecuencias de una falla son graves.

Las decisiones de selección de materiales equilibran los requisitos de dureza con las necesidades de tenacidad, y la martensita templada ofrece combinaciones superiores en comparación con las estructuras normalizadas o recocidas para muchas aplicaciones de alto rendimiento.

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 y al desgaste deben equilibrarse con la tenacidad suficiente para evitar fallas catastróficas.

Las herramientas de corte y matrices representan otra área de aplicación crítica, donde los aceros para herramientas templados deben mantener la retención del filo y la resistencia al desgaste al tiempo que resisten el astillado y el agrietamiento bajo carga de impacto.

Los recipientes a presión y los componentes estructurales en aplicaciones de petróleo y gas dependen de aceros de aleación templados para proporcionar resistencia y tenacidad en entornos corrosivos a temperaturas y presiones elevadas.

Compensaciones en el rendimiento

La dureza y la tenacidad presentan una relación inversa en los aceros templados. Las temperaturas de revenido más altas aumentan la tenacidad, pero reducen la dureza y la resistencia al desgaste, lo que obliga a los ingenieros a determinar los puntos de equilibrio óptimos.

La resistencia a la fatiga y la ductilidad presentan otra desventaja. Las temperaturas de revenido más bajas maximizan la resistencia a la fatiga, pero reducen la ductilidad, lo cual puede ser problemático para los componentes sometidos a deformación plástica durante el ensamblaje o el servicio.

Los ingenieros equilibran estos requisitos en competencia mediante una selección cuidadosa de la composición del acero y de los parámetros de templado, empleando a veces el templado diferencial para componentes con requisitos de propiedades variables en diferentes regiones.

Análisis de fallos

La fragilización por temple representa un modo de falla común en el que ciertos aceros aleados experimentan una tenacidad reducida después de la exposición a rangos de temperatura específicos (375-575 °C) o un enfriamiento lento a través de estos rangos.

El mecanismo implica la segregación de impurezas (P, Sn, Sb, As) a los límites de grano de austenita previos, lo que crea trayectorias de grietas preferenciales. Esto resulta en una fractura intergranular con mínima deformación plástica.

Las estrategias de mitigación incluyen minimizar los elementos de impureza a través de prácticas de fabricación de acero limpias, agregar molibdeno (que contrarresta la fragilización) y evitar rangos de temperatura problemáticos durante el procesamiento y el servicio.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta directamente la templabilidad y la respuesta al revenido, y los aceros con mayor contenido de carbono conservan más dureza después del revenido a temperaturas equivalentes.

Los oligoelementos como el fósforo y el azufre pueden afectar significativamente el comportamiento del revenido al promover la fragilización del revenido cuando están presentes por encima de niveles críticos (normalmente >0,015 %).

Los enfoques de optimización incluyen equilibrar el carbono para lograr la templabilidad requerida, agregar molibdeno (0,15-0,30 %) para resistir la fragilización por revenido e incorporar vanadio (0,03-0,10 %) para promover el endurecimiento secundario durante el revenido.

Influencia microestructural

Un tamaño de grano de austenita previa más fino generalmente mejora la tenacidad después del revenido sin reducir significativamente la resistencia, lo que hace que el refinamiento del grano a través de la austenización controlada sea un enfoque de optimización valioso.

La distribución de fases antes del temple afecta la respuesta de revenido, y las estructuras totalmente martensíticas muestran un comportamiento de revenido más predecible que las microestructuras mixtas que contienen bainita o ferrita.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensión que pueden reducir la tenacidad después del revenido, particularmente en aplicaciones de alta resistencia donde la tenacidad a la fractura se convierte en el factor de diseño limitante.

Influencia del procesamiento

Los parámetros del tratamiento térmico influyen críticamente en los resultados del revenido; las temperaturas de austenitización más altas generalmente requieren temperaturas de revenido más altas para lograr una tenacidad equivalente.

El trabajo mecánico previo al tratamiento térmico afecta la respuesta al revenido mediante cambios en la densidad de dislocaciones y la estructura del grano. Los aceros trabajados en frío suelen presentar respuestas de revenido más rápidas que los materiales recocidos.

La velocidad de enfriamiento tras el revenido influye en las propiedades, especialmente en aceros aleados susceptibles a la fragilización por revenido. Generalmente, se prefiere el enfriamiento por aire al enfriamiento lento en horno para minimizar el tiempo de residencia en rangos de temperatura de fragilización.

Factores ambientales

La temperatura de servicio afecta las estructuras templadas, y una exposición prolongada por encima de 350 °C puede provocar un revenido adicional y una degradación de las propiedades en muchos aceros de ingeniería.

Los entornos de hidrógeno pueden provocar agrietamiento retardado en aceros templados de alta resistencia a través de mecanismos de fragilización por hidrógeno, particularmente cuando la dureza supera los 35 HRC.

Los efectos dependientes del tiempo incluyen el envejecimiento por deformación en aceros templados que contienen elementos intersticiales libres (C, N), lo que puede aumentar la resistencia al rendimiento y reducir la ductilidad durante el servicio a largo plazo a temperaturas moderadas.

Métodos de mejora

Los procesos de revenido en múltiples etapas, particularmente el revenido doble, mejoran la estabilidad dimensional y reducen la austenita retenida en aceros para herramientas y aceros para cojinetes al permitir una transformación completa durante el enfriamiento intermedio.

El tratamiento criogénico entre el temple y el revenido mejora la resistencia al desgaste en algunos aceros para herramientas al transformar la austenita retenida en martensita antes del revenido, lo que garantiza una distribución más uniforme del carburo.

Los enfoques de ingeniería de superficies, como el templado por inducción, permiten la creación de gradientes de propiedades, lo que permite optimizar las propiedades de la superficie (resistencia al desgaste) al tiempo que mantienen las propiedades centrales (tenacidad) en componentes como ejes y engranajes.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La fragilidad por revenido se refiere a una tenacidad al impacto reducida que resulta de ciertas condiciones o composiciones de revenido y que se manifiesta como una fractura intergranular con una deformación plástica mínima.

La resistencia al revenido describe la capacidad de un material para mantener la dureza a temperaturas de revenido elevadas, generalmente mejorada por elementos fuertes formadores de carburo como el molibdeno, el vanadio y el tungsteno.

El endurecimiento secundario representa un fenómeno en el cual ciertos aceros aleados muestran una mayor dureza cuando se templan a temperaturas elevadas (500-600 °C) debido a la precipitación de carburos de aleación finos.

Estos términos son aspectos interconectados del comportamiento del templado que deben considerarse colectivamente al diseñar procesos de tratamiento térmico para componentes críticos.

Normas principales

ASTM A255 proporciona métodos estándar para determinar la templabilidad de los aceros, incluida la respuesta de revenido a través de pruebas de temple final (Jominy) y la construcción de curvas de revenido.

SAE J406 establece requisitos de templado para aceros de grado automotriz, especificando rangos de temperatura y propiedades mecánicas resultantes para varios grados de acero utilizados en componentes de vehículos.

Las normas de la serie ISO 683 se diferencian de los enfoques ASTM/SAE al poner mayor énfasis en las bandas de templabilidad y proporcionar pautas de templado más detalladas para categorías de aplicación específicas.

Tendencias de desarrollo

La investigación actual se centra en el modelado computacional de procesos de templado utilizando métodos de Monte Carlo cinético y de campo de fase para predecir la evolución microestructural y las propiedades resultantes con mayor precisión.

Las tecnologías emergentes incluyen procesos de templado rápido mediante calentamiento por inducción o láser que logran un desarrollo de propiedad equivalente en minutos en lugar de horas, lo que reduce el consumo de energía y el tiempo de procesamiento.

Es probable que los desarrollos futuros incluyan sistemas de optimización de parámetros de templado asistidos por IA que puedan predecir ciclos de templado óptimos según la composición del acero, el historial de procesamiento previo y los perfiles de propiedades requeridos.