Temple duro: acero laminado en frío de máxima resistencia para uso industrial

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Definición y concepto básico

El revenido duro se refiere a una condición específica de la chapa o fleje de acero laminado en frío, caracterizada por un alto límite elástico, menor ductilidad y mayor dureza, resultado de una reducción en frío sustancial sin recocido posterior. Esta condición representa la máxima dureza y resistencia alcanzables mediante procesos de trabajo en frío para productos de acero laminados planos.

El acero de temple duro se sitúa en el extremo del espectro de endurecimiento por deformación en los sistemas de clasificación metalúrgica. Representa un estado del material en el que el metal ha experimentado un endurecimiento por deformación significativo, lo que resulta en una alta densidad de dislocaciones dentro de la estructura cristalina.

En el campo más amplio de la metalurgia, el temple duro forma parte de un conjunto de designaciones de temple (incluyendo blando, cuarto de duro, semiduro, completamente duro y extraduro) que describen las propiedades mecánicas de los metales trabajados en frío. Estas designaciones son cruciales para especificar las propiedades de los materiales en aplicaciones de fabricación e ingeniería donde se requieren características mecánicas precisas.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el temple duro resulta de una deformación plástica severa durante el laminado en frío, lo que crea una alta densidad de dislocaciones dentro de la red cristalina. Estas dislocaciones interactúan e impiden el movimiento mutuo, aumentando significativamente la resistencia del material a una mayor deformación.

El proceso de trabajo en frío provoca el alargamiento del grano en la dirección de laminación y un refinamiento del grano perpendicular a ella. Esta estructura anisotrópica del grano contribuye a las propiedades mecánicas direccionales. Además, la fuerte deformación crea orientaciones cristalográficas preferentes (textura) que influyen aún más en el comportamiento mecánico del material.

Modelos teóricos

El modelo teórico principal que describe el temple duro es la teoría de dislocaciones del endurecimiento por trabajo, que relaciona la resistencia mecánica con la densidad de dislocaciones a través de la relación de Taylor: $\tau = \tau_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$, donde τ es la tensión cortante, τ₀ es la resistencia reticular intrínseca, G es el módulo de corte, b es el vector de Burgers, ρ es la densidad de dislocaciones y α es una constante.

Históricamente, la comprensión del endurecimiento por trabajo evolucionó desde observaciones empíricas a principios del siglo XX hasta sofisticadas teorías basadas en dislocaciones desarrolladas por Taylor, Orowan y otros en las décadas de 1930 y 1950. Los enfoques modernos incorporan la teoría de plasticidad del gradiente de deformación para tener en cuenta los efectos del tamaño y la deformación heterogénea.

Los enfoques teóricos alternativos incluyen modelos de plasticidad cristalina que consideran los sistemas de deslizamiento y la evolución de la textura, y modelos de plasticidad continua que se centran en las relaciones macroscópicas de tensión-deformación en lugar de los mecanismos microestructurales.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El revenido duro se relaciona directamente con la estructura cristalina mediante interacciones de dislocaciones con la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) de la ferrita en aceros bajos en carbono o la red cúbica centrada en las caras (FCC) en aceros austeníticos. El proceso de trabajo en frío crea límites de grano de gran ángulo que refuerzan aún más el material mediante el endurecimiento de los límites de grano.

La microestructura del acero de temple duro suele presentar granos alargados con altas relaciones de aspecto y una importante energía de deformación almacenada. Esta microestructura deformada contiene numerosas bandas de deslizamiento, maclas de deformación y, potencialmente, martensita inducida por deformación en ciertos grados de acero.

Esta propiedad se relaciona con principios fundamentales de la ciencia de los materiales, como el endurecimiento por deformación, el reforzamiento de Hall-Petch y el desarrollo de textura. La relación entre la densidad de dislocaciones y el límite elástico ejemplifica las relaciones estructura-propiedad, fundamentales para la ciencia de los materiales.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

El grado de reducción en frío define el temple duro y se puede expresar como:

$$R = \frac{t_0 - t_f}{t_0} \veces 100\%$$

Donde $R$ es el porcentaje de reducción, $t_0$ es el espesor inicial antes del laminado en frío y $t_f$ es el espesor final después del laminado en frío. Para el temple duro, $R$ suele superar el 50%.

Fórmulas de cálculo relacionadas

El comportamiento de endurecimiento por trabajo se puede describir mediante la ecuación de Hollomon:

$$\sigma = K\varepsilon^n$$

Donde $\sigma$ es la tensión real, $\varepsilon$ es la deformación real, $K$ es el coeficiente de resistencia y $n$ es el exponente de endurecimiento por deformación. Para el acero de temple duro, $n$ tiende a cero, lo que indica una capacidad de endurecimiento por deformación restante limitada.

La relación entre dureza y resistencia a la tracción se puede aproximar mediante:

$$UTS \aprox k \veces HV$$

Donde $UTS$ es la resistencia máxima a la tracción en MPa, $HV$ es el número de dureza Vickers y $k$ es una constante dependiente del material (aproximadamente 3,3 para muchos aceros).

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas se aplican principalmente a aceros de bajo y medio carbono con un contenido de carbono inferior al 0,3 %. En el caso de aceros con alto contenido de carbono o altamente aleados, las relaciones se vuelven más complejas debido a la formación de carburos y a los múltiples mecanismos de reforzamiento.

La ecuación de Hollomon asume una deformación uniforme y es menos precisa a niveles de deformación muy altos, donde se produce estrangulamiento. Tampoco considera la sensibilidad a la velocidad de deformación ni los efectos de la temperatura.

Estos modelos asumen propiedades materiales homogéneas y pueden no predecir con precisión el comportamiento en casos con heterogeneidad microestructural significativa o cuando hay tensiones residuales.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

ASTM A109/A109M: Especificación estándar para fleje de acero al carbono (0,25 % máximo), laminado en frío. Abarca las designaciones de temple, incluido el temple duro para fleje de acero al carbono laminado en frío.

ASTM E8/E8M: Métodos de ensayo estándar para ensayos de tensión de materiales metálicos. Proporciona procedimientos para determinar las propiedades de tensión, incluyendo el límite elástico y la elongación.

ISO 6892-1: Materiales metálicos — Ensayo de tracción — Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente. Especifica el método de ensayo de tracción para determinar las propiedades mecánicas.

ASTM E18: Métodos de ensayo estándar para la dureza Rockwell de materiales metálicos. Detalla los procedimientos de ensayo de dureza comúnmente utilizados para la verificación del revenido.

Equipos y principios de prueba

Las máquinas de ensayo universales con capacidades de carga de 10 a 100 kN se utilizan habitualmente para ensayos de tracción de probetas de chapa endurecida. Estas máquinas miden la fuerza aplicada y el desplazamiento para generar curvas de tensión-deformación.

Los durómetros (Rockwell, Vickers o Brinell) miden la resistencia del material a la indentación. El ensayo de dureza Rockwell (en particular, las escalas B y C) se utiliza comúnmente para la verificación rápida de las condiciones de revenido.

Los microscopios ópticos y electrónicos permiten la caracterización microestructural para evaluar el tamaño, la forma y la orientación del grano. Técnicas avanzadas como la EBSD (Difracción de Retrodispersión de Electrones) permiten cuantificar la textura cristalográfica y las características del límite de grano.

Requisitos de muestra

Las probetas de tracción estándar cumplen con las dimensiones ASTM E8/E8M, generalmente con una longitud y un ancho de 50 mm, según el espesor del material. Para láminas delgadas, el ancho de la probeta suele ser de 12,5 mm.

La preparación de la superficie requiere la eliminación de incrustaciones, óxido u otros contaminantes que puedan afectar los resultados de la prueba. Los bordes deben estar libres de muescas o asperezas que puedan provocar una falla prematura.

Las muestras deben ser representativas del material a granel y deben estar orientadas para tener en cuenta la posible anisotropía (normalmente probada tanto en dirección transversal como de rodadura).

Parámetros de prueba

Las pruebas estándar se realizan a temperatura ambiente (23 ± 5 °C) y en condiciones atmosféricas normales. Para aplicaciones especializadas, podrían requerirse pruebas a temperaturas elevadas o criogénicas.

Las pruebas de tracción generalmente emplean velocidades de deformación de 0,001 a 0,008 por minuto durante la deformación elástica, que aumentan a 0,05 a 0,5 por minuto después del rendimiento.

Los parámetros de prueba de dureza incluyen geometrías de penetrador específicas, cargas aplicadas (normalmente 60-150 kgf para la escala Rockwell B utilizada para acero de temple duro) y tiempos de permanencia de 10 a 15 segundos.

Proceso de datos

Los datos de carga-desplazamiento de las pruebas de tracción se convierten en curvas de tensión-deformación de ingeniería, a partir de las cuales se determinan el límite elástico, la resistencia a la tracción y el alargamiento.

El análisis estadístico suele implicar el análisis de múltiples muestras (un mínimo de tres) y el cálculo de valores medios y desviaciones típicas. Para el control de calidad de la producción, se aplican métodos de control estadístico de procesos.

Para medir la dureza, se promedian múltiples lecturas (normalmente entre 5 y 10) en diferentes ubicaciones para tener en cuenta la posible heterogeneidad del material.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero Rango de valores típicos Condiciones de prueba Estándar de referencia
Acero bajo en carbono (1008-1010) Límite elástico: 550-690 MPa
Resistencia a la tracción: 580-720 MPa
Alargamiento: 2-5%
Dureza: 85-95 HRB
Temperatura ambiente, atmósfera estándar ASTM A109/A109M
Acero al carbono medio (1045) Límite elástico: 690-830 MPa
Resistencia a la tracción: 760-900 MPa
Alargamiento: 1-3%
Dureza: 95-100 HRB
Temperatura ambiente, atmósfera estándar ASTM A682/A682M
Acero HSLA Límite elástico: 700-850 MPa
Resistencia a la tracción: 750-950 MPa
Alargamiento: 3-7%
Dureza: 90-102 HRB
Temperatura ambiente, atmósfera estándar ASTM A1008/A1008M
Acero inoxidable (301) Límite elástico: 965-1280 MPa
Resistencia a la tracción: 1280-1450 MPa
Alargamiento: 2-4%
Dureza: 35-42 HRC
Temperatura ambiente, atmósfera estándar ASTM A666

Las variaciones dentro de cada clasificación se deben principalmente a diferencias en la composición química exacta, el porcentaje de reducción preciso y el historial de procesamiento previo. Incluso pequeñas diferencias en el contenido de carbono pueden afectar significativamente las propiedades mecánicas finales tras el trabajo en frío.

Estos valores deben interpretarse como directrices generales, no como especificaciones absolutas. Las propiedades reales deben verificarse mediante pruebas para aplicaciones críticas. El equilibrio entre la resistencia y la conformabilidad restante es especialmente importante al seleccionar materiales de temple duro.

Una tendencia notable entre los tipos de acero es la relación inversa entre el contenido de carbono y la ductilidad restante en condiciones de temple duro. Los aceros con alto contenido de carbono generalmente alcanzan mayor resistencia, pero presentan una reducción más drástica de la ductilidad.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros deben tener en cuenta la limitada conformabilidad del acero templado, diseñando componentes con requisitos mínimos de doblado o conformado. Cuando sea necesario el conformado, se deben especificar radios de curvatura mayores (normalmente de 4 a 6 veces el espesor del material) para evitar el agrietamiento.

Se suelen aplicar factores de seguridad de 1,5 a 2,0 al diseñar con materiales de temple duro para tener en cuenta las posibles variaciones de propiedades y la naturaleza relativamente frágil del material. Pueden requerirse factores de seguridad más altos para aplicaciones de carga dinámica.

Las decisiones de selección de materiales a menudo implican equilibrar la alta resistencia del temple duro con su menor conformabilidad y mayor recuperación elástica. En muchos casos, los diseñadores pueden optar por temples ligeramente más blandos que ofrecen mejor fabricabilidad con una resistencia solo moderadamente reducida.

Áreas de aplicación clave

La industria automotriz utiliza ampliamente el acero templado para componentes que requieren alta resistencia con mínima deformación, como soportes de refuerzo, componentes de asientos y ciertos elementos estructurales. Estas aplicaciones aprovechan el alto límite elástico del material, respetando sus limitaciones de conformabilidad.

La fabricación de electrodomésticos representa otra importante área de aplicación, donde el acero templado se utiliza para componentes estructurales internos, soportes y elementos de soporte. La planitud constante y la estabilidad dimensional de la chapa templada son particularmente valiosas en estas aplicaciones.

El acero en fleje templado se utiliza ampliamente en resortes, como ballestas, resortes de fuerza constante y anillos de retención. Su alto límite elástico y sus buenas propiedades elásticas lo hacen ideal para componentes que deben mantener su forma bajo cargas repetidas.

Compensaciones en el rendimiento

La relación entre resistencia y ductilidad representa un equilibrio fundamental en los materiales de temple duro. La alta densidad de dislocaciones que proporciona resistencia también limita considerablemente la capacidad del material para experimentar mayor deformación plástica antes de fallar.

La resistencia a la fatiga y la resistencia a la tracción presentan otra desventaja importante. Si bien los materiales de temple duro ofrecen una alta resistencia estática, pueden presentar una menor resistencia a la fatiga en comparación con los aceros normalizados o templados y revenidos de resistencia similar, debido a su incapacidad para redistribuir las tensiones localizadas.

Los ingenieros a menudo equilibran estos requisitos en competencia especificando temples intermedios para componentes que requieren operaciones de conformado moderadas o realizando operaciones de conformado antes de los tratamientos de endurecimiento final cuando sea posible.

Análisis de fallos

La fractura frágil es un modo de fallo común en materiales de temple duro, especialmente cuando se someten a cargas de impacto o en presencia de concentraciones de tensión. La ductilidad limitada impide una redistribución eficaz de la tensión, lo que provoca una rápida propagación de grietas.

El mecanismo de falla generalmente se inicia en defectos superficiales, inclusiones o concentraciones de tensión. Una vez iniciadas, las grietas se propagan rápidamente con una deformación plástica mínima debido a la limitada capacidad del material para absorber energía mediante la deformación plástica.

Para mitigar estos riesgos de falla, los diseñadores deben eliminar las esquinas afiladas, especificar filetes generosos y asegurar acabados superficiales lisos. En aplicaciones críticas, se pueden emplear ensayos no destructivos para detectar posibles puntos de inicio de grietas antes de que provoquen una falla catastrófica.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono tiene el efecto más significativo en las propiedades de temple duro, ya que niveles más altos de carbono (0,15-0,25 %) producen mayor resistencia, pero menor ductilidad. Los aceros con bajo contenido de carbono (<0,10 %) conservan una conformabilidad ligeramente mejor en temple duro.

El manganeso (normalmente entre 0,30 y 0,90 %) mejora la templabilidad y contribuye al endurecimiento por solución sólida, aumentando así la dureza máxima alcanzable. El fósforo (normalmente mantenido por debajo del 0,035 %) puede aumentar la resistencia, pero puede reducir la ductilidad y la tenacidad.

La optimización de la composición generalmente implica equilibrar los niveles de carbono y manganeso para lograr las propiedades mecánicas deseadas y, al mismo tiempo, mantener una formabilidad adecuada para aplicaciones específicas.

Influencia microestructural

Los tamaños de grano iniciales más finos resultan en una mayor resistencia tras el laminado en frío hasta el temple duro. La relación de Hall-Petch regula este efecto, donde la resistencia aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada inversa del tamaño de grano.

La distribución de fases afecta significativamente las propiedades de temple duro, y las estructuras de ferrita monofásicas (en aceros con bajo contenido de carbono) muestran un comportamiento de endurecimiento por trabajo más predecible que las estructuras de fase dual que contienen ferrita y perlita u otros componentes.

Las inclusiones no metálicas actúan como concentradores de tensiones y pueden reducir significativamente la ductilidad en materiales de temple duro. Las prácticas modernas de fabricación de acero se centran en minimizar el contenido de inclusiones mediante tecnologías de acero limpio para mejorar el rendimiento.

Influencia del procesamiento

El tratamiento de recocido final previo al laminado en frío influye significativamente en el posterior endurecimiento por acritud. El recocido completo produce un material de partida más blando que puede lograr una mayor reducción total antes de alcanzar la dureza máxima práctica.

El porcentaje de reducción en frío determina directamente el revenido final; el revenido duro suele requerir una reducción del 50-70 % con respecto al estado recocido. Reducciones mayores producen mayor resistencia, pero pueden provocar defectos superficiales o daños internos.

Las velocidades de enfriamiento durante el laminado en caliente previo influyen en la microestructura inicial y, por lo tanto, en las propiedades finales tras el laminado en frío hasta el temple duro. Las prácticas de enfriamiento controladas ayudan a garantizar la consistencia de las propiedades.

Factores ambientales

Las temperaturas elevadas reducen significativamente la ventaja de resistencia al rendimiento de los materiales de temple duro, y se produce un ablandamiento notable por encima de los 200 °C debido a los procesos de recuperación de dislocaciones.

La fragilización por hidrógeno puede ser particularmente problemática en materiales de temple duro de alta resistencia, especialmente en entornos ácidos o catódicos. Para mitigar este riesgo, pueden ser necesarios procedimientos de recubrimiento y tratamientos de horneado adecuados.

El envejecimiento prolongado a temperatura ambiente puede provocar envejecimiento por deformación en ciertas composiciones de acero, lo que resulta en un mayor límite elástico, pero una mayor reducción de la ductilidad con el tiempo. Este efecto es más pronunciado en aceros que contienen nitrógeno o carbono libres.

Métodos de mejora

La microaleación con pequeñas cantidades de niobio, titanio o vanadio (0,01-0,10 %) puede mejorar la resistencia y mantener una mejor ductilidad a través del refinamiento del grano y los mecanismos de fortalecimiento por precipitación.

El laminado superficial (una ligera reducción de entre el 0,5 y el 2 % después del recocido completo) antes de una reducción en frío importante puede mejorar el acabado de la superficie y ayudar a lograr propiedades más uniformes en el producto final de temple duro.

Los enfoques de diseño que incorporan un ablandamiento selectivo de áreas específicas a través de un tratamiento térmico localizado pueden optimizar el rendimiento al mantener una alta resistencia en la mayoría de las regiones y al mismo tiempo mejorar la formabilidad o la resistencia a la fatiga en áreas críticas.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

El laminado de temple se refiere a una operación ligera de laminado en frío (normalmente una reducción del 0,5-2 %) realizada después del recocido para mejorar el acabado superficial, eliminar el alargamiento del límite elástico y controlar la planitud. Esto difiere de la reducción sustancial utilizada para producir un temple duro.

El exponente de endurecimiento por acritud (valor n) cuantifica la capacidad de un material para distribuir la deformación durante la deformación. Los materiales de temple duro presentan valores n muy bajos (próximos a cero), lo que indica una capacidad de endurecimiento por acritud restante mínima.

El término "revenido elástico" es un término estrechamente relacionado que a menudo se usa indistintamente con el término "revenido duro", en particular en el contexto de aceros para resortes y otras aplicaciones elásticas donde un alto límite elástico es esencial.

Normas principales

SAE J1392: Acero de alta resistencia, laminado en caliente y laminado en frío, chapa y tira, galvanizado por inmersión en caliente proporciona especificaciones para varios niveles de resistencia y condiciones de revenido, incluido el revenido duro para aplicaciones automotrices.

EN 10132: Fleje estrecho de acero laminado en frío para tratamiento térmico. Las condiciones técnicas de suministro cubren las especificaciones europeas para fleje de acero laminado en frío en diversas condiciones de revenido, incluido el revenido duro.

JIS G 4051: Aceros al carbono para uso estructural de maquinaria proporciona estándares japoneses para aceros al carbono en diversas condiciones, incluido el temple duro, con requisitos de propiedades ligeramente diferentes a los de los estándares ASTM.

Tendencias de desarrollo

El desarrollo de acero avanzado de alta resistencia (AHSS) se centra cada vez más en lograr niveles de resistencia similares al temple duro, manteniendo al mismo tiempo una mejor formabilidad a través de microestructuras multifásicas complejas en lugar del endurecimiento por trabajo únicamente.

Las tecnologías de pruebas ultrasónicas con láser sin contacto están surgiendo como métodos prometedores para la evaluación rápida y en línea de las propiedades mecánicas en materiales de temple duro sin la necesidad de realizar pruebas destructivas.

Es probable que los desarrollos futuros se centren en modelos computacionales que puedan predecir con precisión las variaciones de propiedades locales en materiales de temple duro basándose en el historial de procesamiento, lo que permitirá un control más preciso de las propiedades finales y una mejor predicción del rendimiento de los componentes.

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