Austenita

El tratamiento térmico del acero suele implicar el calentamiento de una pieza en la región de la austenita (aka campo de la fase austenita) para realizar un tratamiento térmico como la normalización, el endurecimiento, la cementación, etc. Pero, ¿qué es la austenita, cómo se forma y qué rango de temperatura es el más propicio para el proceso que estamos realizando? Conozcamos más.

¿Qué es la austenita?

En 1901 Floris Osmund, uno de los primeros pioneros franceses de la metalografía, propuso nombrar la estructura cristalina de alta temperatura del acero en honor a Sir William Chandler Roberts-Austen, un metalúrgico destacado por sus investigaciones sobre las propiedades físicas de los metales y sus aleaciones.

La austenita (también conocida como hierro gamma, g-Fe) es un alótropo metálico y no magnético (un material que puede existir en más de una forma cristalina dependiendo de la temperatura) del hierro. La austenita es una solución sólida que suele combinar el hierro con varios elementos de aleación (por ejemplo, el carbono). Puede decirse que la ciencia del procesamiento del acero se basa en la comprensión del campo de fases de la austenita en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro (Fig. 1).

Como observa Krause, «la transformación controlada de la austenita en otras fases al enfriarse es responsable de una gran variedad de microestructuras y propiedades alcanzables mediante el tratamiento térmico de los aceros».

Crecimiento del grano austenítico

La formación de la austenita en las microestructuras (Fig. 2) ha sido ampliamente estudiada. En el caso de los aceros simples al carbono, la austenita puede formarse a partir de la perlita o incluso de una estructura altamente esferoidizada en un periodo de tiempo muy corto -del orden de 4 a 25 segundos y completarse después de 60 segundos-, pero en los aceros aleados el tiempo puede multiplicarse por cien o más (Fig. 3) ya que los elementos de aleación y los carburos requieren más tiempo para que se produzca la difusión.

Tamaño de grano austenítico y propiedades mecánicas

El tamaño de grano de la austenita es importante porque influye en los productos de transformación que se forman al enfriarse y, por tanto, en las propiedades relacionadas con la templabilidad y la microestructura. El tamaño de grano de la austenita se denomina comúnmente tamaño de grano de la austenita anterior, ya que la austenita retenida presente a temperatura ambiente no influye en la austenita madre. El tamaño de grano de la austenita anterior puede influir significativamente en propiedades como la tenacidad, que disminuye a medida que aumenta el tamaño de grano. Cabe señalar aquí que la revelación de esta estructura implica técnicas de grabado bastante sofisticadas (c.f., «El tamaño de grano y su influencia en las propiedades del material»).

Las pequeñas adiciones (del orden del 0,1%) de ciertos elementos de aleación (Nb, V, Ti) producen carburos, carbonitruros o nitruros; influyen en el control del tamaño de grano y en el fortalecimiento; y constituyen la base de los aceros microaleados. Las partículas de microaleación finamente dispersas retardan el crecimiento de los granos austeníticos, especialmente a temperaturas más altas (mediante el llamado «pinning» de los límites de los granos).

Temperatura de austenización – Un enfoque práctico

En términos prácticos, uno quiere trabajar a la temperatura de austenización más baja durante el menor tiempo posible para limitar el crecimiento de los granos, minimizar la influencia de la fluencia y los efectos superficiales no deseados (por ejemplo, oxidación, IGO/IGA), reducir el mantenimiento, prolongar la vida útil de los hornos de tratamiento térmico, reducir los costes de fijación de la aleación y minimizar la distorsión reduciendo el diferencial de temperatura entre la temperatura de la pieza y el medio de enfriamiento.

La elección de la temperatura de austenitización depende tanto del contenido de carbono como de la aleación: un acero de bajo carbono requiere una temperatura más alta que un acero de alto carbono. El contenido de aleación también desempeña un papel al influir en los límites del campo de austenita (c.f., «Influencia de los elementos de aleación en el campo de la fase de austenita»).

Además, los carburos de aleación a menudo requieren temperaturas más altas para disolverse y dispersarse debido a las menores tasas de difusión que el carbono. Además, la variación de la velocidad de calentamiento hasta la temperatura de austenización influye en la velocidad de transformación y disolución de los diversos constituyentes de aleación presentes (Fig. 4). En la Fig. 4, por ejemplo, la tercera curva de la derecha representa una velocidad de calentamiento de unos 3˚C (5˚F) por minuto.

El diagrama de equilibrio hierro-carbono esboza el campo de la fase austenita para hierros y aceros. A medida que aumenta el contenido de carbono, la temperatura A3 (el límite inferior del campo de la austenita) disminuye hasta que se alcanza la composición eutectoide – 725˚C (1340˚F) a 0,80% C. Para un acero con 0,40% de carbono, el campo de la fase austenita comienza a 915˚C (1500˚F). Por el contrario, el campo de la fase de austenita en el hierro puro comienza a 912˚C (1674˚F) y termina a 1394˚C (2541˚F).

Trabajo en caliente

Por último, hay que tener en cuenta que la trabajabilidad de los aceros (por ejemplo, laminación, forja) se ve potenciada en su estado austenítico, respondiendo al trabajo en caliente por deformación, recuperación, recristalización y crecimiento de grano. El tamaño de grano austenítico disminuye a medida que se reducen las temperaturas de trabajo en caliente.

Conclusión

La austenita desempeña un papel único en el tratamiento térmico del acero, y el tema requiere un conocimiento más profundo que el presentado aquí. Las referencias enumeradas contienen una gran cantidad de buena información sobre la austenita, y se anima al lector a estudiar este tema en mayor profundidad.