Los diagramas CCT de enfriamiento continuo o curvas CCT de los aceros son una herramienta muy valiosa para poder predecir el tipo de microestructura resultante, en función del tratamiento térmico aplicado. La velocidad de enfriamiento influirá en la aparición de perlita, bainita o martensita. De todos estos conceptos hablaremos en este artículo, donde se mostrarán ejemplos resueltos con las microestructuras que se esperan utilizando las curvas CCT. También realizaremos una comparativa con los diagramas TTT.
También tenéis un vídeo con animaciones al final del artículo y otros artículos sobre diagramas de equilibrio de solubilidad total, solubilidad parcial en estado sólido, o el diagrama hierro-carbono que pueden ser útiles. La información de este artículo se complementa con el siguiente sobre tratamientos térmicos del acero.
1. Fases y microconstituyentes principales del diagrama hierro-carbono
El diagrama hierro-carbono es un diagrama complejo, ya que cuenta con varios constituyentes diferenciados y tres transformaciones principales, lo que conduce a una alta variedad de microestructuras posibles, motivo de la riqueza en propiedades mecánicas de estas aleaciones. Aunque sea conocido como diagrama hierro-carbono, también puede ser nombrado como diagrama hierro-cementita (que puede llegar a ser incluso más certero). Esto es debido a que no suele representarse el diagrama completo hasta el 100% de carbono, ya que la zona de máximo interés se encuentra entre el 0% y el 6,67% de carbono.
El porcentaje de carbono ya permite hacer una primera distinción entre lo que conocemos como aceros, con un contenido en carbono inferior al 2,11%, y las fundiciones, entre el 2,11% y 6,67%. Aquí hay que puntualizar que este diagrama es un diagrama estable, en condiciones de equilibrio y sin presencia de terceros elementos aleantes que introduzcan variaciones.
En primer lugar, para entender el diagrama necesitamos conocer a sus constituyentes principales, comenzando por las distintas variaciones alotrópicas que presenta el hierro puro en función de la temperatura. Enfriando desde el estado líquido, el hierro puro pasa por estas tres fases:
- Ferrita, \delta (zona amarilla): es una solución sólida de carbono en hierro que únicamente aparece a altas temperaturas, por lo que su interés tecnológico es muy bajo.
- Austenita, \gamma (zona azulada): es una solución sólida de carbono en hierro con una solubilidad máxima del 2,11% a una temperatura alrededor de 1147ºC. No es estable a temperatura ambiente, ya que no existe en el diagrama por debajo de 723ºC. Se caracteriza por ser dúctil, blanda y tenaz, motivo por el que los aceros son calentados hasta esta región de temperatura cuando deben ser sometidos a procesos de deformación plástica. Además, las transformaciones de la austenita en función de los tratamientos térmicos en los aceros generan la alta diversidad de propiedades mecánicas en los mismos, siendo una fase muy importante.
- Ferrita, \alpha (zona verde): es una solución sólida de carbono en hierro, con una muy baja solubilidad, inferior al 0,02% de carbono. La máxima solubilidad se encuentra a 723ºC. Este constituyente sí aparece a temperatura ambiente, teniendo una importancia clave en las propiedades mecánicas de los aceros. Aunque es más duro que la austenita, la ferrita es la fase más blanda que es estable a temperatura ambiente.
Además de estos microconstituyentes derivados de las variaciones del hierro puro, también encontramos:
- Cementita, Fe_3C (eje vertical izquierdo): es un compuesto intermetálico muy duro y frágil, por lo que no es apropiado para procesos de deformación plástica debido a su baja capacidad de deformación. Es el límite izquierdo del diagrama hierro-carbono, lo que otorga también el nombre de diagrama hierro-cementita.
- Perlita, \alpha+Fe_3C (línea discontinua naranja en 0,8%C): la perlita es un microconstituyente formado por láminas alternas de ferrita y cementita, producto de la transformación eutéctoide a 723ºC. Combina las propiedades de la ferrita y la cementita, dando como resultado una estructura con buena resistencia mecánica.
- Ledeburita, \gamma+Fe_3C (línea discontinua violeta en 4,3%C): formado por láminas alternas de austenita y cementita, producto de la transformación eutéctica a 1147ºC a partir de la fase líquida. Presente en las fundiciones, no aparece en los aceros.
A partir de estos microconstituyentes se forman el resto de zonas del diagrama, dando lugar a distintas zonas bifásicas.
2. ¿Qué es la transformación eutectoide?
La transformación eutectoide (línea horizontal naranja) es posiblemente la transformación más importante del diagrama. Ocurre a 723ºC, donde la austenita, \gamma, con una concentración del 0,8% de carbono se transforma en ferrita, \alpha, del 0,02% de carbono y en cementita. Es decir, esta transformación genera el cambio de la austenita en perlita,\alpha+Fe_3C.
\gamma \left( {0.8\% C} \right) \leftrightarrow \alpha \left( {0.02\% C} \right) + F{e_3}C\left( {6,67\% C} \right)
La aleación con una cantidad del 0,8% de carbono corresponde con la composición del acero eutectoide. A partir de este, se clasifican como aceros hipoeutectoides aquellos con menor contenido de carbono (a la izquierda) y como aceros hipereutectoides aquellos con mayor cantidad de carbono (a la derecha).
Como se observa en la imagen, la microestructura resultante en condiciones de equilibrio es distinta para cada tipo de acero:
- El acero eutectoide se caracteriza por mostrar una microestructura de granos de perlita, debido a que la austenita se transforma por completo en la transformación eutectoide. Esto forma las características láminas alternas de ferrita y cementita.
- El acero hipoeutectoide se caracteriza por mostrar una matriz de ferrita, llamada ferrita proeutectoide (al formarse antes de la transformación) y granos de perlita.
- El acero hipereutectoide se caracteriza por tener una microestructura con una matriz de cementita proeutectoide (generada antes de la transformación eutectoide) rodeando los granos de perlita.
Si tenéis más interés en conocer como se forman estas microestructuras durante el enfriamiento en condiciones de equilibrio desde la fase líquida, podéis echar un vistazo a este artículo donde se explican más detalladamente.
No obstante, la obtención de la perlita de equilibrio queda sujeta a que el enfriamiento se produzca lentamente, favoreciendo los mecanismos de difusión atómica. En caso contrario, pueden aparecer otras microestructuras distintas como resultado de la transformación eutectoide.
3. Influencia de la velocidad de enfriamiento: perlita, bainita y martensita
Las microestructura anteriores de equilibrio, con la aparición de la perlita resultan de un enfriamiento lento, lo que favorece que la difusión atómica pueda completarse de manera homogénea en toda la pieza de manera natural, sin producir segregaciones.
Sin embargo, es posible alterar el equilibrio si se fuerza al material a ser enfriado más rápidamente mediante una corriente de aire, o sumergiéndolo en algún fluido, por ejemplo. En estos casos, la transformación eutectoide no se producirá generando perlita, si no que se favorecerá la aparición de otros microconstituyentes como la bainita o la martensita:
- La martensita es producto de un enfriamiento muy rápido. Los mecanismos de difusión de los átomos de carbono que contiene la austenita, que intenta transformarse en ferrita y cementita, no pueden completarse a esa velocidad de enfriamiento, quedando retenidos. Como resultado, se produce una estructura deformada que se caracteriza por presentar forma de agujas puntiagudas (las famosas agujas de martensita). Por lo tanto, la martensita es una solución sólida sobresaturada en carbono que muestra una elevada dureza y resistencia al desgaste, pero también es muy frágil.
- Si el enfriamiento se realiza con una velocidad intermedia, o manteniendo la temperatura en un valor inferior a la transofmración eutectoide (explicaremos esto en detalle a continuación) aparecerá la bainita, en cuya formación si intervienen procesos de difusión de los átomos de carbono. La bainita es una mezcla de ferrita y cementita que no presenta una estructura laminar, sino que muestra forma de plumas o placas en las que se entremezclan ambas fases, observando partículas alargadas de cementtia en una matriz de ferrita. Los aceros con una estructura baínitica son más duros y resistentes que aquellos con estructura perlítica.
Sin embargo, la definición de enfriamiento lento, moderado o rápido no es muy concisa. Es necesario caracterizar qué se entiende por rápido o lento mediante alguna herramienta que permita predecir la microestructura resultante. Para ellos se utilizan los diagramas TTT.
4. ¿Qué son los diagramas CCT de enfriamiento continuo?
Los diagramas CCT de enfriamiento continuo en los aceros son una herramienta básica para predecir qué microestructura se obtendrá en función de la velocidad de enfriamiento del material. Estos diagramas son aplicables en casos de enfriamiento continuo, es decir, donde la pieza pierde temperatura constantemente (no utilizar para tratamientos isotérmicos a temperatura constante). Obviamente, esto dependerá del tipo de acero estudiado, ya sea eutectoide, hipoeutectoide o hipereutectoide.
A partir del diagrama es posible optimizar la velocidad de enfriamiento de una pieza, desde una temperatura superior a la temperatura de transformación eutectoide, para acabar obteniendo perlita, bainita, martensita, o una mezcla de ambas.
Expliquemos las distintas partes de un diagrama CCT a partir del ejemplo de un diagrama para un acero eutectoide. El eje x marca el tiempo en una escala logarítmica, mientras que el eje y indica la temperatura. Podemos identificar en primer lugar la temperatura crítica A1 de transformación eutectoide. A esta temperatura se iniciará la conversión de la austenita en las distintas microestructuras en función del a velocidad del enfriamiento.
Cada microestructura resultante viene indicada en el diagrama en distintas zonas, identificando las curvas de inicio y final de transformación:
- Perlita: zona verde del diagrama, limitada por las curvas Ps de inicio de transformación perlítica y Pf o final de transformación perlítica.
- Martensita: zona naranja del diagrama, limitada por las curvas Ms de inicio de transformación martensítica y Mf o final de transformación martensítica.
El diagrama CCT para un acero hipoeutectoide muestra una forma algo distinta. Adicionalmente a la temperatura A1, aparece la temperatura de transformación de equilibrio de austenita a ferrita A3. Esta temperatura es superior a A1. Además, identificamos dos zonas nuevas:
- Bainita: zona azul del diagrama, limitada por las curvas Bs de inicio de transformación bainítica y Bf o final de transformación bainítica.
- Ferrita: zona amarilla del diagrama, limitada entre las curvas Fs de inicio de transformación ferrítica y Ps de inicio de transformación perlítica.
En el caso de un diagrama CCT para un acero hipereutectoide, la forma es similar al de un acero hipoeuctectoide, pero con cementita en lugar de ferrita y la temperatura Acm de transformación de austenita en cementita, en lugar de A3.
5. Aplicación de los diagramas CCT de enfriamiento continuo
Los diagramas CCT son aplicables cuando queremos analizar tratamientos térmicos de enfriamiento continuo desde temperaturas superiores a la temperatura de transformación eutectoide. La velocidad de enfriamiento marcará la microestructura resultante.
Para utilizar el diagrama, es necesario representar la curva de enfriamiento , que vendrá asociada a una velocidad de enfriamiento constante. Las curvas de enfriamiento serán siempre curvas descendentes hasta la temperatura ambiente. Por ejemplo, en la figura siguiente se muestran dos velocidades de enfriamiento para un acero eutectoide:
- La curva 1 (roja) representa un tratamiento de recocido, con una velocidad de enfriamiento de 2ºC/s. Es decir, es un enfriamiento muy lento. Esta curva corta la curva de inicio de transformación de austenita en perlita (Ps), por lo que la austenita empieza a convertirse en perlita. Toda la austenita se transforma cuando se corta la curva de final de transformación en perlita (Pf). A partir de este momento, ya no queda austenita disponible, por lo que no existen más transformaciones aunque se entre en la zona de la martensita. El resultado es una microestructura de perlita.
- La curva 2 (azul) representa un tratamiento de temple, con una velocidad de enfriamiento muy grande (180ºC/s). En este caso, la curva de enfriamiento corta directamente la curva de inicio de transformación martensítica (Ms), por lo que la austenita comienza a convertirse en martensita. Esta conversión finaliza cuando se corta la curva de final de transformación en martensita (Mf), generando una microestructura de 100% martensita.
Sin embargo, también es posible obtener microestructuras mezcla de diversos microconstituyentes. Si nos fijamos en la figura siguiente, la curva de enfriamiento representada corta inicialmente la curva de inicio de transformación en perlita (Ps), pero no corta la curva de final de transformación (Pf). Esto indica que, inicialmente, la austenita empieza a transformarse en perlita. Sin embargo, no toda la austenita es transformada, quedando una parte disponible para producir nuevos cambios.
Cuando la curva de enfriamiento corta la curva de inicio de transformación en martensita (Ms), la austenita que quedaba comienza a transformarse en martensita. Este proceso finaliza cuando se corta la curva de final de transformación en martensita (Mf). El resultado es una microestructura con perlita y martensita.
De esta manera, es posible identificar tres zonas en función de dos curvas de enfriamiento críticas:
- C1: curva de enfriamiento correspondiente a la velocidad de enfriamiento mínima para solo obtener martensita.
- C2: curva de enfriamiento correspondiente a la velocidad de enfriamiento máxima para solo obtener perlita.
Obviamente, un buen diagrama debe contar con múltiples curvas, detallando la velocidad de enfriamiento de cada una. Siempre estarán ordenadas de mayor tasa de enfriamiento (enfriamiento más rápido) a menor de izquierda a derecha. De este modo, el usuario tiene información suficiente a la hora de realizar el tratamiento y predecir la microestructura.
Por último, veamos dos casos para un acero hipoeutectoide, que servirán para ejemplificar la aparición de otras microestructuras:
- La curva 1 (roja) corta inicialmente la línea de inicio de transformación en bainita (Bs), por lo que la austenita empieza a convertirse en este constituyente. Sin embargo, no se cruza la línea de final de transformación en bainita, por lo que no toda la austenita se ha transformado. En su lugar, la curva de enfriamiento corta la línea de inicio de transformación en martenista (Ms). En este momento la austenita restante empieza a transformarse en martensita, quedando toda la austenita convertida en este constituyente al reducirse la temperatura. El resultado es una microestructura mezcla de bainita y martensita.
- La curva 2 (violeta) representa un tratamiento totalmente contrario, al ser mucho más lento. Inicialmente, la curva de enfriamiento corta la línea de inicio de transformación en ferrita (Fs). La austenita empieza a convertirse en ferrita, sin llegar a transformarse toda la austenita. Al cruzar la línea de inicio de transformación en perlita (Ps), la austenita restante inicia su cambio a perlita, que se completará al cruza la línea de final de transformación en perlita (Pf). Aunque posteriormente se cruzasen más regiones del diagrama, ya no queda austenita disponible, siendo la micorestructura final una mezcla de ferrita proeutectoide y pelita.
6. Influencia del tamaño de la pieza en la velocidad de enfriamiento
Como hemos visto, la velocidad de enfriamiento es el factor principal en el control de la microestructura cuando se aplican tratamientos térmicos de enfriamiento continuo.
Sin embargo, en función del tamaño de la pieza, las velocidades de enfriamiento de los distintos puntos serán distintas. La periferia siempre va a enfriarse más rápidamente que el núcleo, debido a que está expuesta al entorno. En el caso de piezas pequeñas, la diferencia de enfriamiento será baja, conduciendo a la misma microestructura en la periferia y en el interior. No obstante, si la pieza es muy grande, es posible obtener microestructuras muy distintas.
7. Diferencias entre los diagramas CCT y los diagramas TTT
Los diagramas CCT de enfriamiento continuo y los diagramas TTT (temperatura-Tiempo-Transformación) tienen en común que se utilizan para predecir la microestructura resultante en un acero a partir de un tratamiento térmico. Ambos representan en el eje x el tiempo en una escala logarítmica, siendo el eje y la temperatura.
Sin embargo, se utilizan en dos casos muy distintos:
- Aplicación de los diagramas CCT: son útiles para representar condiciones de enfriamiento continuo, por ello las curvas de enfriamiento son siempre descendientes a una velocidad de enfriamiento constante. Ejemplo de esto es un temple o un normalizado.
- Aplicación de los diagramas TTT: sirven para representar tratamientos térmicos a una temperatura fija durante un tiempo (tratamientos isotérmicos), correlacionando la microestructura obtenida según el tiempo que permanezca el material a cada temperatura.
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre los diagramas CCT os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!