LOS FENÓMENOS DE FRAGILIZACIÓN EN ACEROS TEMPLADOS Y BONIFICADOS
La aplicación del uso final de una pieza dicta su tratamiento térmico, se sabe que el tratamiento térmico debe lograr un delicado equilibrio entre las propiedades de resistencia y ductilidad. En ninguna parte es más evidente esta delgada línea que en el proceso de revenido donde un control preciso de tiempo y temperatura son críticos para lograr producir piezas con microestructura y propiedades mecánicas óptimas. Esencialmente, es la modificación de la microestructura recién formada hacia el equilibrio. Casi todos los aceros que son sometidos a algún tipo de proceso de endurecimiento son revenidos. Un revenido es un tratamiento de calentamiento subcritico que altera la microestructura y propiedades. En general, el revenido disminuye la dureza y resistencia mientras que mejora la ductilidad y tenacidad de la martensita templada. Sin embrago esto no es siempre el caso.
¿Qué Es La Fragilización Fragilización De Revenido? En general, la fragilización es una reducción en la tenacidad del acero debido a cambios microestructurales y efectos químicos. La fragilización de revenido es un fenómeno inherente en muchos aceros, caracterizado por una importante reducción en la tenacidad. Esto ocurre en algunos aceros templados y revenidos, e incluso en hierros dúctiles con composiciones susceptibles. Este tipo de fragilización no afecta las propiedades de tracción a temperatura ambiente pero causa una reducción significativa en la resistencia al impacto y comportamiento a la fatiga. Aunque normalmente se asocia con la martensita revenida, la fragilización de revenido también puede ocurrir si la matriz es templada a condiciones completamente ferríticas.
Tipos De Fragilización De Revenido Cuando el acero es revenido, varios tipos de fragilización se deben evitar. El primer tipo, fragilización de martensita revenida (TME), es un fenómeno irreversible que ocurre en un rango aproximado entre 250-400°C (480°F-750°F) y se denomina a menudo como “fragilidad “fragilid ad azul” o “fragilidad de los 350°C (500°F)”. El segundo tipo, fragilidad de temple (TE), es un fenómeno reversible que ocurre cuando los aceros son calentados o se demoran en enfriar en un rango de temperatura de 375-575°C (705°F-1070°F). Recientemente se ha reportado acerca de la transición de dúctil a fractura intergranular en aceros con carbono del 0.5% los cuales han sido aceros martensíticos revenidos a bajas temperaturas. Bajo los esfuerzos de tracción o flexión estos aceros de alto carbono son altamente susceptibles a fractura intergranular tanto en condiciones condiciones de temple, como de revenido a bajas temperaturas, consideradas estas generalmente seguras del fenómeno de fragilización. En vista del hecho de que el revenido no es necesario para originar la microestructura susceptible a la fractura intergranular, este tipo de fenómeno de fragilización es conocido como fragilización en el temple.
¿Porque Pasa Esto? Fragilización por martensita templada y fragilización por revenido son ejemplos de fragilización intergranular. Un factor común en estas fallas es la presencia de elementos que se han segregado a los bordes de grano. La velocidad de reacción química o cinética de segregación son mostradas en la curva de comportamiento “C”, en el rango 350°C – 550°C (660°F – 1020°F). En otras palabras la segregación no ocurre de manera uniforme. Ambos tipos de fragilización en parte son relacionados a la segregación en borde de grano de elementos de impurezas (por ejemplo, arsénico, antimonio, fosforo y estaño). Por lo general indicada por un aumento de la temperatura de transición de dúctil a frágil, ambos tipos de fragilización se desarrollan después de formar martensita. La fragilidad de la martensita revenida se cree es el resultado del efecto combinado de la precipitación de cementita e impurezas en los granos de austenita primaria. La fragilidad de temple que ocurre en el rango de 375-575°C (705-1075°F) se cree es debido a la segregación de los elementos de impurezas (P, Sn, As, Sb) en los límites de grano de austenita primaria. Esto causa separación en los borde de grano, lo que da como resultado la tendencia de baja energía intergranular bajo ciertas condiciones de carga.
¿Cuáles Son Los Aceros Afectados? Todos los aceros son susceptibles, pero la verdadera pregunta es que los hace susceptibles y que factores afectan esa susceptibilidad. Por ejemplo, mientras que los aceros al carbón pueden contener algunos elementos de impurezas que pueden causar que el fenómeno de fragilización se produzca, la segregación de estos elementos es a menudo mayor a causa de la presencia de otros elementos aleantes en cantidades considerables. Como resultado, los aceros aleados tienen una mayor susceptibilidad que los aceros al carbón. Es importante entender que el grado de fragilización se ve afectado por el tamaño de grano de la austenita primaria y la dureza. Por lo tanto, si se trata de una acero al carbono de baja dureza y grano fino, puede no experimentar fragilización a pesar de su contenido de fosforo, mientras un acero altamente aleado como el Cr-Ni, usado en aplicaciones de alta dureza es mas susceptible al contenido de impurezas. Elementos de aleación ampliamente usados como el cromo, níquel y manganeso tienden a promover la fragilización por revenido, con un alto efecto de fragilización observado en los aceros al Cr-Ni y Cr-Mo. Pequeñas cantidades de Mo en los aceros al Cr-Ni (0.2-0.3% en solución) pueden disminuir la fragilidad de revenido causada por el fosforo. Esta puede ser disminuida manteniendo los niveles de silicio y fosforo tan bajos como sea posible, adicionando molibdeno por encima del 0.15% y evitando la fragilización por condiciones de tratamiento térmico. La susceptibilidad también depende del control de impurezas, y aquí es donde el proceso de fabricación del acero es fundamental. Por ejemplo, un acero al carbono y aceros al Cr-
Mo (estos sin Ni) donde el fosforo es el elemento fragilizador mas importante, el porcentaje puede ser controlado en el proceso de fabricación. En aceros que contienen cantidades significativas de níquel, antimonio y estaño son elementos fragilizadores más potentes. El fosforo tiene efecto, pero no es tan grande como en los aceros al carbón y aceros al Cr-Mo. Cabe señalar sin embargo que el antimonio y el estaño en los aceros al carbón pueden causar otros problemas de trabajo en caliente.
¿Cómo Se Puede Corregir? La fragilidad de la martensita revenida (TME) es irreversible y el efecto es permanente. Por el contrario, el efecto de la fragilidad de temple (TE) puede ser revertido. Esto se hace volviendo a templar por encima de la temperatura crítica de 575°C (1070°F), seguido de un enfriamiento rápido, o por re-austenizacion y enfriamiento rápido. La tenacidad al impacto puede ser restaurada. Si es necesario, este proceso puede ser repetido.
Un Ejemplo Sencillo. Los aceros aleados que son susceptibles a la fragilidad de revenido, presentaran un comportamiento como se muestra en la figura 1. A bajas temperaturas a través de 250400°C (480-750°F) es indicativo de fragilidad de martensita revenida, mientras que el rango de altas temperaturas 450-650°C (840-1200°F) presenta la fragilidad de temple.
Figura 1 Efecto de la temperatura sobre la tenacidad de impacto
Recapitulación La susceptibilidad de un acero determinado a la fragilización por temple depende de varios factores, incluido el tamaño de grano, dureza, grado del acero y control de impurezas en el proceso de fabricación. No todos los aceros y procesos son iguales. Finalmente, como tratamiento térmico se debe evitar templar a un valor de dureza determinada, sin entender las consecuencias de las acciones. Dado que no se tiene una
prueba simple de fragilidad que se pueda usar en el proceso, se deben de entender el fenómeno y preguntar las especificaciones en las cuales el tratamiento se ponen en rango de fragilización.
Daniel H. Herring
References 1. The Timken Company, Mr. Craig Darragh, Mr. John Murza and Dr. David Milam, private correspondence. 2. Reguly, A., Strohaecker, T. R., Krauss, G., and Matlock, D. K., Quench Embrittlement of Hardened 5160 Steel as a Function of Austeni-tizing Temperature, Metallurgical & Materials Transactions A, Volume 35A, 2004, pg 153. 3. Wikipedia, the free Encyclopedia 4. Krauss, G., +ASM International, 1990. 5. Key to Steel.
