Microestructuras del acero después del tratamiento térmico

Lo que registra la microestructura del acero después del tratamiento térmico

La microestructura como registro de la historia térmica

El tratamiento térmico modifica las propiedades del acero principalmente al cambiar su microestructura, no al añadir la dureza como una cualidad independiente. NPTEL establece directamente esta relación entre proceso y propiedades en su estudio de 2024 sobre el tratamiento térmico del acero. El calentamiento, el mantenimiento a temperatura y el enfriamiento modifican las fases que se forman, la cantidad de carbono que puede desplazarse y los lugares donde se concentran los elementos de aleación. Por tanto, la estructura final registra una historia térmica: el estado del acero antes del calentamiento, el tratamiento de austenización, el tiempo disponible para la difusión, la trayectoria de enfriamiento y cualquier revenido o recocido posterior.

La austenita es el estado matriz central de este registro. Durante el calentamiento, la ferrita y la cementita pueden transformarse en austenita, una fase del hierro capaz de disolver considerablemente más carbono que la ferrita. Esto no significa que cada átomo alcance instantáneamente una distribución uniforme. El carbono debe difundirse, la cementita debe disolverse en la medida necesaria y los elementos de aleación pueden ralentizar o redirigir estos procesos. A continuación, la austenita resultante puede descomponerse por más de una vía.

La historia del enfriamiento determina qué vía predomina. En el acero hipoeutectoide, el enfriamiento continuo suele producir ferrita alotriomorfa más perlita, según el University of Cambridge Phase Transformations Group en 2011. Con una trayectoria de enfriamiento diferente o una mayor templabilidad, la estructura puede evolucionar hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. Estas no son simplemente posiciones en una escala de velocidad de enfriamiento. La composición, la estructura de grano de la austenita previa, la actividad del carbono, el tamaño de la sección y los efectos de los elementos de aleación influyen en las transformaciones.

Una transformación lenta da tiempo al carbono para repartirse entre la ferrita rica en hierro y el carburo de hierro. Una trayectoria rápida puede suprimir gran parte de esa difusión y forzar una transformación displaciva hacia martensita. Las trayectorias intermedias pueden producir bainita, cuya formación combina la transformación ferrítica con la redistribución del carbono y la formación de carburos. Por tanto, el temple no explica por completo la obtención de un acero duro. Es una parte de una secuencia que determina si la austenita se convierte en martensita, bainita, perlita, ferrita o una mezcla que contiene austenita retenida.

Fases, constituyentes, morfología y distribución

Una fase es una región con una estructura cristalina y un estado químico definidos, mientras que un constituyente es una combinación estructural reconocible que puede contener más de una fase. La ferrita y la cementita son fases. La perlita es un constituyente formado por ferrita y cementita, dispuestas habitualmente como láminas alternas. La bainita también es un constituyente: ScienceDirect la describe como una estructura no laminar de ferrita–Fe3C. La martensita es una fase de hierro transformada y sobresaturada, cuyo contenido de carbono y morfología reflejan la austenita a partir de la cual se formó. La austenita retenida es la austenita que permanece después del enfriamiento en lugar de transformarse.

Los nombres por sí solos no describen la disposición visible. La ferrita puede presentarse como granos alotriomorfos a lo largo de los límites de grano de la austenita previa o como placas de Widmanstätten que se extienden hacia el interior de la austenita. La perlita puede ser gruesa, con láminas de cementita ampliamente separadas, o fina, con una separación mucho menor. ScienceDirect señala que la perlita gruesa formada a temperaturas de transformación más elevadas es relativamente blanda, mientras que la perlita más fina es más resistente. La diferencia es tanto morfológica como composicional.

La bainita también presenta más de un aspecto. La bainita superior contiene ferrita y carburo en una disposición asociada con la transformación en la parte más elevada del intervalo bainítico; la bainita inferior se forma con una distribución más fina de carburos dentro de la ferrita o estrechamente asociada a ella. ScienceDirect afirma que la bainita inferior es más dura que la bainita superior. Esta diferencia no puede deducirse únicamente de la palabra «bainita».

El tratamiento térmico también puede modificar la morfología sin sustituir todas las fases. Durante la esferoidización, según informó el University of Cambridge Phase Transformations Group en 2008, las láminas de cementita perlítica se convierten en partículas. El acero sigue conteniendo ferrita y cementita, pero la disposición de las partículas modifica la resistencia a la deformación, la respuesta al corte y la trayectoria disponible para transformaciones posteriores. La distribución es importante: un carburo situado en un límite de grano no produce el mismo efecto estructural que un carburo finamente disperso dentro de la ferrita.

Las referencias de ASM International de 2024 identifican la austenita, la ferrita, la difusión del carbono, la bainita, la cementita, la martensita, la perlita y las transformaciones de fase como los temas fundamentales necesarios para interpretar estas estructuras. Su descripción de 2024 define las microestructuras de los aceros tratados térmicamente como asociaciones de hierro, carbono y otros elementos de aleación que forman ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita. Por tanto, la descripción útil es «qué fases y constituyentes están presentes, en qué proporciones y con qué morfología y distribución».

Por qué la dureza por sí sola es una descripción incompleta

Pueden darse valores de dureza similares en aceros con diferentes combinaciones de fases y morfologías, por lo que la dureza por sí sola no puede identificar los productos de transformación. Limited evidence

La dureza comprime una estructura compleja en una única respuesta medida. Puede indicar la resistencia a la indentación, pero no identifica los productos de transformación que produjeron esa respuesta. Dos aceros pueden mostrar una dureza similar y, sin embargo, contener combinaciones diferentes de perlita fina, bainita, martensita y austenita retenida. Su tenacidad, ductilidad, estabilidad dimensional, respuesta a la fatiga y respuesta al revenido aún pueden diferir.

La martensita suele aumentar la dureza porque el carbono queda atrapado en una estructura cristalina sometida a deformación, pero el resultado depende del contenido de carbono, de los elementos de aleación, de la cantidad transformada y del revenido posterior. La martensita no revenida no presenta la misma microestructura que la martensita revenida. Un acero templado también puede contener bainita o austenita retenida si la trayectoria de transformación no fue uniforme o si la composición retrasó la transformación.

La misma cautela se aplica a las estructuras más blandas. La perlita gruesa y la cementita esferoidizada pueden producir una dureza comparable en determinadas condiciones, pero presentar formas diferentes de los carburos y distintos mecanismos de deformación. La dureza no puede revelar si la cementita es laminar, particulada, está asociada a los límites de grano o está finamente dispersa. Para reconstruir el registro se necesitan microscopía, difracción, análisis químico y conocimiento del programa de tratamiento.

La pregunta correcta después del tratamiento térmico no es simplemente «¿Qué dureza tiene el acero?». Es: ¿qué austenita existía?, ¿cómo se desplazaron el carbono y los elementos de aleación?, ¿qué transformaciones tuvieron lugar? y ¿qué disposición permanece? La dureza es una evidencia. La microestructura es la explicación.

Austenita, ferrita y cementita: los constituyentes fundamentales

[1][1] Introduction to Steel Heat Treatment. ASM International. ASM Handbook, 2024.

Las microestructuras del acero se interpretan como disposiciones de fases y constituyentes, no como puntos en una escala sencilla de duro a blando. ASM International afirma que las microestructuras de los aceros tratados térmicamente están formadas por fases generadas por asociaciones de hierro, carbono y otros elementos de aleación, entre ellas ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita (ASM International, 2024). Su tratamiento de los tratamientos térmicos del acero también sitúa la austenita, la ferrita, la difusión del carbono, la cementita, la perlita, la bainita, la martensita y las transformaciones de fase dentro del mismo marco fundamental. Este orden es importante: la estructura presente después del tratamiento depende de qué se formó a partir de la austenita, de cómo se desplazó el carbono y de qué transformaciones pudieron desarrollarse.

La austenita como fase madre de alta temperatura

La austenita es la forma del hierro con estructura cúbica centrada en las caras, capaz de disolver una cantidad de carbono considerablemente mayor que la ferrita. En el razonamiento habitual sobre los tratamientos térmicos, es la fase madre a partir de la cual se desarrollan varias estructuras posteriores. Calentar un acero adecuado hasta su intervalo austenítico no crea directamente martensita, perlita o bainita. Lo que hace es preparar una condición inicial química y estructuralmente diferente. Durante esta etapa, el carbono y los elementos de aleación pueden redistribuirse, mientras que la ferrita y la cementita existentes se disuelven en grados determinados por la composición, el tiempo, la temperatura y el estado previo.

La expresión «fase madre» describe una relación de transformación, no garantiza que todas las partes de un componente alcancen una austenita idéntica. Los carburos no disueltos, la segregación química, el tamaño de grano y la práctica de calentamiento pueden dejar diferencias locales. Por lo tanto, antes de asignar condiciones exactas de tratamiento, deben especificarse el diagrama de fases pertinente y las temperaturas de transformación correspondientes a una composición determinada. Una descripción general de la austenita no debe confundirse con una afirmación sobre la temperatura de un grado de acero concreto.

Durante el enfriamiento, la austenita puede seguir distintas trayectorias. Si el carbono se difunde y los átomos se reordenan durante un tiempo suficiente, pueden formarse ferrita y cementita, produciendo habitualmente perlita como mezcla organizada de ambas. En otras trayectorias térmicas puede desarrollarse bainita. Si se evitan las reacciones dependientes de la difusión, la red de austenita puede transformarse mediante un mecanismo displacivo en martensita, mientras que parte de la austenita puede permanecer como austenita retenida. El Phase Transformations Group de Cambridge distingue la ferrita alotriomórfica, la ferrita de Widmanstätten, la perlita, la bainita superior, la bainita inferior, la martensita y la cementita como descripciones estructurales independientes. Así pues, la austenita madre establece el campo inicial, pero la historia de enfriamiento determina qué productos aparecen y con qué morfología.

La ferrita y el papel de la solubilidad del carbono

La ferrita es una fase rica en hierro con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo. Su característica más importante para las transformaciones del acero es su baja solubilidad de equilibrio para el carbono en comparación con la austenita. Cuando la ferrita se forma a partir de la austenita, el carbono no puede permanecer disuelto uniformemente en la misma concentración. Debe difundirse alejándose de la ferrita en avance o acumularse en regiones cercanas capaces de admitir más carbono, contribuyendo a menudo a la formación de cementita.

Difusión del carbonoDifusión del carbono Movimiento de los átomos de carbono a través de sitios intersticiales de la red cristalina del hierro, que permite cambios de composición y transformaciones difusionales, como la formación de ferrita, cementita y perlita.

La difusión del carbono es el mecanismo que permite estas transformaciones difusionales. Los átomos de carbono se desplazan a través de posiciones intersticiales de la red de hierro, mientras la matriz rica en hierro cambia de estructura cristalina y de composición. Este movimiento depende de la temperatura y del tiempo, aunque las velocidades exactas y las temperaturas de transformación varían con la composición y deben obtenerse del diagrama de fases aplicable o de datos cinéticos. Los elementos de aleación pueden modificar la difusión, el movimiento de las interfaces, la estabilidad de los carburos y la templabilidad. En consecuencia, dos aceros sometidos a un programa de enfriamiento aparentemente similar pueden formar proporciones o morfologías diferentes de ferrita, perlita, bainita, martensita y austenita retenida.

La morfología de la ferrita proporciona información sobre cómo se formó. La ferrita alotriomórfica suele desarrollarse a lo largo de los límites de grano de la austenita previa, mientras que la ferrita de Widmanstätten crece en forma de placas o listones hacia el interior de los granos de austenita. En el acero hipoeutectoide enfriado de forma continua, Cambridge describe el resultado convencional como ferrita alotriomórfica más perlita. A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, o la templabilidad, la secuencia de transformación puede desplazarse hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. No se trata simplemente de versiones progresivamente más duras de la ferrita. Representan distribuciones de carbono, interfaces, disposiciones cristalinas y mecanismos de transformación diferentes.

Una matriz ferrítica también puede contener partículas, bandas o regiones creadas por la historia térmica y química precedente. Por lo tanto, la interpretación de una micrografía requiere algo más que identificar la ferrita de aspecto claro. El analista debe preguntarse dónde se formó, qué ocurrió con el carbono rechazado y si el constituyente circundante es perlita, bainita o una región que contiene carburos.

La cementita y el Fe₃C dentro de las estructuras transformadas

La cementita es el carburo de hierro Fe₃C: tres átomos de hierro asociados estequiométricamente con un átomo de carbono en una estructura de compuesto diferenciada. No es simplemente carbono disuelto en ferrita. La cementita se forma cuando el carbono del acero no puede permanecer en la matriz ferrítica de baja solubilidad y las condiciones químicas y térmicas locales permiten la precipitación o el crecimiento de carburos.[2][2] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

La perlita se describe habitualmente como un constituyente cooperativo y estratificado de ferrita y cementita. Las láminas alternas proporcionan una gran superficie interfacial entre ambas fases. La temperatura de transformación afecta al espaciamiento: ScienceDirect identifica la perlita gruesa formada a temperaturas de transformación más elevadas como relativamente blanda, mientras que la perlita más fina es más resistente. La distinción se debe a la morfología y la escala, no únicamente a la presencia de cementita.

La cementita también aparece en estructuras que no son perlíticas. ScienceDirect describe la bainita como una estructura no laminar de ferrita–Fe₃C y afirma que la bainita inferior es más dura que la bainita superior. En la bainita superior, las disposiciones de los carburos difieren de las de la bainita inferior, en la que la precipitación se produce dentro de las placas ferríticas o estrechamente asociada a ellas. El aspecto exacto depende de la composición y de las condiciones de transformación.

El tratamiento térmico puede cambiar la forma de la cementita sin modificar su identidad química. Cambridge registra que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas (University of Cambridge Phase Transformations Group, 2008). Esto reduce la geometría estratificada continua de la perlita y modifica la manera en que el carburo divide la matriz ferrítica. Por lo tanto, el recocido, el revenido y otros tratamientos pueden alterar las propiedades al modificar el tamaño, el espaciamiento y la distribución de las partículas. NPTEL afirma que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas mediante cambios en la microestructura (NPTEL, 2024). La cantidad, la continuidad y la morfología de la cementita forman parte de esta explicación; el temple por sí solo no.

Perlita: estructura lamelar y escala dependiente del enfriamiento

La perlita no es una fase única. Es una asociación bifásica de ferrita y cementita, que suele expresarse como ferrita–Fe₃C, producida cuando la austenita se descompone mediante una transformación controlada por la difusión. La ferrita es la fase de hierro cúbica centrada en el cuerpo, relativamente pobre en carbono; la cementita es la fase de carburo de hierro que incorpora el carbono rechazado por la ferrita en crecimiento. El resultado es una microestructura compuesta, no una solución sólida uniforme.

Esta distinción es importante porque un acero templado no es duro simplemente por haber experimentado un enfriamiento rápido. La dureza y la resistencia dependen de las transformaciones que hayan tenido lugar, de cuánto carbono haya podido difundirse, de los elementos de aleación presentes y de la morfología de los productos. ASM International afirma que las microestructuras de los aceros tratados térmicamente están constituidas por fases formadas mediante asociaciones de hierro, carbono y otros elementos de aleación, entre ellas ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita (2024). Por tanto, la perlita forma parte de una secuencia de productos de transformación que también incluye bainita, martensita y austenita retenida, no de una simple escala de blando a duro controlada únicamente por la severidad del temple.

Formación de láminas de ferrita y cementita

Cuando la austenita se transforma en perlita, la difusión del carbono permite que la ferrita y la cementita se formen conjuntamente. La ferrita contiene poco carbono en comparación con la austenita, por lo que el carbono debe alejarse de la ferrita que avanza y acumularse en la cementita adyacente. Ambos constituyentes crecen de manera cooperativa: las placas o capas de ferrita avanzan junto a las placas o capas de cementita, produciendo una disposición lamelar repetitiva.

Una colonia de perlita suele contener láminas con una orientación común, mientras que las distintas colonias pueden presentar orientaciones diferentes. Al microscopio, el espaciado aparente puede variar según la dirección del corte, por lo que la distancia medida no siempre corresponde al espaciado tridimensional real. Aun así, la escala de las láminas proporciona información útil sobre el historial de transformación. Las láminas muy próximas ofrecen una mayor superficie de interfase ferrita–cementita por unidad de distancia para la redistribución del carbono; las láminas más separadas indican un crecimiento en condiciones que permitieron una mayor longitud de difusión.

El enfriamiento continuo produce comúnmente ferrita alotriomórfica más perlita en el acero hipoeutectoide. Strong evidence

En el acero hipoeutectoide, la perlita normalmente no se forma de manera aislada. Durante el enfriamiento continuo, la ferrita alotriomorfa puede formarse primero a lo largo de los límites de grano de la austenita previa, seguida de perlita en la austenita restante. El University of Cambridge Phase Transformations Group describe la «ferrita alotriomorfa más perlita» como el producto común del enfriamiento continuo en el acero hipoeutectoide (2011). A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, o que aumenta la templabilidad debido a la composición, la secuencia de transformación puede desplazarse hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. Por tanto, la estructura final puede contener perlita junto a ferrita proeutectoide, en lugar de un campo completamente perlítico.

La temperatura de transformación controla la escala porque determina el equilibrio entre la nucleación, el crecimiento y la difusión del carbono. A una temperatura de transformación relativamente alta, la difusión resulta comparativamente fácil. Pueden nuclearse menos colonias de perlita, pero cada colonia puede crecer con un mayor espaciado lamelar. A una temperatura de transformación más baja, la difusión está más restringida y la fuerza impulsora de la transformación es mayor; pueden formarse muchas colonias, y sus capas de ferrita y cementita quedan más próximas entre sí. La velocidad de enfriamiento es una forma práctica de modificar la temperatura de transformación, pero no constituye una descripción completa. Los elementos de aleación pueden retrasar la transformación, modificar la actividad del carbono y alterar las temperaturas y los intervalos de tiempo en los que se forma la perlita.

Perlita gruesa y perlita fina

La perlita gruesa presenta un espaciado ferrita–cementita relativamente amplio. Se forma cuando la austenita se transforma a temperaturas más altas, en las que el carbono puede difundirse a mayores distancias durante el crecimiento. La estructura es relativamente blanda en comparación con la perlita más fina, tal como se describe en la referencia de ScienceDirect sobre el tratamiento térmico de los aceros (2024). Esta comparación es relacional, no un valor universal de dureza: la composición, el tamaño de las colonias, la estructura del grano de austenita previa, el tamaño de la sección y los tratamientos posteriores afectan al resultado medido.

La perlita fina presenta un espaciado lamelar menor. Generalmente se forma a una temperatura de transformación más baja, en la que la difusión del carbono es menos extensa y la transformación produce una disposición más fina de ferrita y cementita. ScienceDirect identifica la perlita más fina como más resistente que la perlita gruesa. La razón es morfológica. Las láminas de cementita estrechamente espaciadas interrumpen la ferrita a distancias más cortas y presentan más interfases al movimiento de las dislocaciones. Por tanto, la estructura puede resistir la deformación plástica con mayor eficacia, aunque la respuesta sigue dependiendo del contenido de carbono y de las adiciones de aleación.

«Fina» y «gruesa» describen la escala, no fases químicas distintas. Ambas estructuras contienen ferrita y cementita, y ambas pueden coexistir con otros productos en un componente real tratado térmicamente. Una curva de enfriamiento que atraviese más de un intervalo de transformación puede producir ferrita y perlita en una región, bainita en otra o martensita donde la austenita sobreviva hasta el intervalo de inicio de la martensita. NPTEL afirma que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas al cambiar la microestructura (2024). La perlita demuestra claramente este principio: modificar la trayectoria de transformación puede alterar el espaciado y la morfología sin cambiar la identidad básica de ferrita más cementita.

Cementita esferoidizada después de un tratamiento prolongado[3][3] Steel Microstructure. University of Cambridge Phase Transformations Group. Phase Transformations Group reference material, 2008.

La perlita también puede perder su forma lamelar. Durante un calentamiento prolongado por debajo del intervalo de transformación eutectoide, o durante ciclos de recocido adecuados, las láminas de cementita se fragmentan gradualmente y se convierten en partículas redondeadas dispersas en una matriz ferrítica. El University of Cambridge Phase Transformations Group afirma directamente que «la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas» (2008).

Este cambio reduce las interfases de cementita, afiladas y continuas, características de la perlita. Las partículas tienden a engrosarse con la continuación del tratamiento porque la reducción del área interfacial disminuye la energía interfacial del sistema. El tamaño y el espaciado de las partículas dependen de la perlita inicial, la temperatura, el tiempo y los elementos de aleación; un tratamiento prolongado no produce una morfología única en todos los aceros.

La cementita esferoidizada sigue siendo cementita, y la matriz circundante sigue siendo ferrita, pero la geometría ha cambiado de placas alternas a partículas dispersas. Por lo general, esta geometría facilita la deformación en comparación con la perlita lamelar, especialmente durante el conformado o el mecanizado, pero la palabra «esferoidizada» no permite deducir un único valor de dureza. La interpretación correcta requiere conocer la microestructura completa: la composición de la ferrita, la fracción volumétrica de cementita, el tamaño y el espaciado de las partículas, la perlita residual y cualquier martensita o austenita retenida que haya quedado debido a procesos anteriores.

Acero hipoeutectoide durante el enfriamiento continuo

El acero hipoeutectoide contiene menos carbono que la composición eutectoide, por lo que la austenita no se transforma en perlita de una sola vez. Durante el enfriamiento, el primer producto suele ser la ferrita, seguida de la transformación de la austenita restante en perlita o, a velocidades de enfriamiento más altas, en otros productos. Por tanto, la estructura final registra una secuencia: el carbono abandona la ferrita en crecimiento, la austenita residual se enriquece en carbono y, posteriormente, esa austenita modificada se transforma según la temperatura y el tiempo disponibles.

Esta secuencia explica por qué la dureza no puede atribuirse directamente al proceso de temple. NPTEL afirma que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas mediante cambios en la microestructura, mientras que ASM International identifica la austenita, la ferrita, la difusión del carbono, la cementita, la perlita, la bainita, la martensita y las transformaciones de fase como los temas fundamentales necesarios para interpretar el acero tratado térmicamente. La trayectoria de enfriamiento determina cuál de esos constituyentes se forma, en qué proporción y con qué morfología.

Ferrita alotriomorfa antes de la perlita

Durante el enfriamiento desde la región austenítica, el acero hipoeutectoide suele comenzar a formar ferrita alotriomorfa en los límites de grano de la austenita previa. «Alotriomorfa» describe una ferrita cuya forma externa está controlada por la austenita circundante y no por su propia forma cristalográfica. A menudo aparece como películas, capas o granos irregulares a lo largo de los antiguos límites de la austenita.

La ferrita contiene muy poco carbono en comparación con la austenita. A medida que crece, el carbono es rechazado hacia la austenita adyacente. Esta difusión es fundamental para la transformación: la formación de ferrita hace que la austenita no transformada se enriquezca progresivamente en carbono, desplazando su composición hacia la composición eutectoide. Por tanto, la ferrita no es simplemente una región de bajo contenido de carbono que aparece independientemente del resto de la estructura. Su crecimiento modifica la química de la austenita restante.

El University of Cambridge Phase Transformations Group presenta esta secuencia como la más clara y convencional para el acero hipoeutectoide enfriado de forma continua. Primero se forma ferrita alotriomorfa y, posteriormente, la austenita restante se transforma en perlita. La ferrita puede formar una red de límites casi continua cuando la transformación avanza con suficiente lentitud, aunque el aspecto exacto depende de la composición, del tamaño de grano de la austenita previa y del programa de enfriamiento.

También es importante distinguir entre la ferrita alotriomorfa y la ferrita de Widmanstätten. Las condiciones de transformación más rápidas pueden producir placas o placas laterales de ferrita que crecen hacia el interior de la austenita, en lugar de la morfología controlada por los límites asociada con la ferrita alotriomorfa. Por tanto, una micrografía que muestre ferrita no basta para identificar el historial de enfriamiento; también deben examinarse su forma y su posición.

Microestructuras de ferrita más perlita

Después de formarse la ferrita proeutectoide, la austenita restante, enriquecida en carbono, suele transformarse en perlita. La perlita es una mezcla cooperativa de ferrita y cementita, Fe₃C, dispuestas en regiones o láminas alternas. El resultado es una microestructura de ferrita más perlita: la ferrita relativamente pobre en carbono ocupa la parte proeutectoide, mientras que la perlita contiene el carbono que se concentró en la austenita residual.

No se trata de un aspecto único y fijo. La perlita formada a una temperatura de transformación relativamente alta presenta un espaciamiento ferrita–cementita mayor y ScienceDirect la describe como perlita gruesa; en comparación con la perlita más fina, es relativamente blanda. A una temperatura de transformación más baja, las distancias de difusión son menores y el espaciamiento lamelar se vuelve más fino. La perlita fina es más resistente porque sus barreras de cementita, estrechamente espaciadas, restringen con mayor eficacia el movimiento de las dislocaciones, aunque sus propiedades siguen dependiendo de la composición y la morfología completas.

La referencia de Cambridge identifica la ferrita alotriomorfa más perlita como un resultado común del enfriamiento continuo del acero hipoeutectoide. Esta afirmación describe una trayectoria, no una microestructura universal para todos los grados de acero o todas las operaciones de enfriamiento. El contenido de carbono, el manganeso y otros elementos de aleación, el tamaño de grano de la austenita, el espesor de la sección y el historial real de temperatura-tiempo afectan al inicio y al final de cada transformación.

La perlita también debe distinguirse de la cementita esferoidizada. Durante la esferoidización, el University of Cambridge Phase Transformations Group afirma que las láminas de cementita perlítica se convierten en partículas. Por tanto, una matriz de ferrita que contiene partículas redondeadas de cementita no es simplemente una versión gruesa de la perlita lamelar ordinaria; registra un tratamiento diferente y una morfología distinta de la cementita.

Efecto de un enfriamiento más rápido y templabilidad

A medida que el enfriamiento se acelera, el acero pasa menos tiempo en el intervalo de temperaturas en el que el carbono puede difundirse y en el que pueden crecer la ferrita y la perlita. La transformación todavía puede producir ferrita y perlita, pero la perlita se vuelve más fina y la fracción de ferrita en los límites puede cambiar. Con una trayectoria de enfriamiento suficientemente modificada, la austenita evita parcial o totalmente el intervalo de ferrita más perlita.

El ejemplo de enfriamiento continuo de Cambridge sitúa la perlita más fina, la bainita, la martensita y la austenita retenida a lo largo de esta progresión. La bainita se forma como una mezcla no lamelar de ferrita y Fe₃C, en lugar de las láminas alternas de la perlita. La bainita superior y la bainita inferior presentan disposiciones diferentes de ferrita y cementita; ScienceDirect identifica la bainita inferior como más dura que la bainita superior, lo que refleja su escala más fina y la distribución diferente de los carburos.

Si el enfriamiento impide la transformación difusional hasta alcanzar el intervalo martensítico, la austenita puede transformarse en martensita mediante un mecanismo de cizallamiento sin difusión. El carbono queda atrapado en la red distorsionada del hierro en lugar de repartirse entre la ferrita y la cementita durante el crecimiento. Cualquier cantidad de austenita que no se transforme en martensita puede permanecer como austenita retenida. Su cantidad depende de la composición y de la trayectoria de enfriamiento, no únicamente del temple.

TemplabilidadTemplabilidad Capacidad de un acero para formar productos de transformación más duros a través de una sección bajo una condición de enfriamiento especificada; se distingue de la dureza medida en un solo punto.

La templabilidad modifica hasta qué punto un acero puede seguir esta trayectoria de enfriamiento más rápido dentro de un componente real. Los elementos de aleación pueden retrasar las transformaciones de ferrita, perlita o bainita, permitiendo que se forme martensita en posiciones que se transformarían en ferrita y perlita en un acero de menor templabilidad. Por tanto, una sección gruesa puede contener estructuras diferentes desde su superficie hasta su centro, incluso cuando toda la pieza recibe el mismo tratamiento.

La conclusión práctica es directa: el acero hipoeutectoide no pasa de «blando» a «duro» mediante un único interruptor. El enfriamiento continuo puede producir ferrita alotriomorfa más perlita, perlita más fina, bainita, martensita, austenita retenida o mezclas de estos productos. La evidencia decisiva es la secuencia de transformación y la morfología resultante.

Productos de transformación de bainita superior, inferior y no lamelares

La bainita como estructura de ferrita–Fe₃C

La bainita no es una fase única y no debe tratarse como un punto en una escala simple de dureza. Es un producto de transformación compuesto principalmente por ferrita y carburo de hierro, Fe₃C, cuyas propiedades están determinadas por la disposición, el tamaño y la distribución de esos componentes. La revisión de 2024 de ScienceDirect sobre el tratamiento térmico del acero define la bainita como una “estructura no lamelar de ferrita–Fe₃C”. Esta definición separa la bainita de la perlita a nivel morfológico: ambas contienen ferrita y cementita, pero sus disposiciones de ferrita y cementita son diferentes.

La ferrita de la bainita se forma a partir de la austenita, mientras que el carbono rechazado por la ferrita en crecimiento contribuye a la formación de carburos o se redistribuye en la austenita circundante. Por tanto, la transformación implica tanto la formación de regiones ferríticas como el movimiento del carbono. Los elementos de aleación pueden modificar la actividad del carbono, la precipitación de carburos, el crecimiento de la ferrita y el intervalo de temperaturas en el que se forma la bainita. En consecuencia, la estructura final está determinada por la trayectoria de transformación, no por el hecho de que el acero haya sido templado o enfriado rápidamente.

Esta distinción coincide con la descripción de 2024 de ASM International sobre las microestructuras de los aceros tratados térmicamente como asociaciones de hierro, carbono y otros elementos de aleación que forman ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita. La austenita es la estructura matriz a partir de la cual se desarrollan varios de estos productos. El enfriamiento modifica las condiciones para la difusión del carbono y la transformación de fases; el producto resultante puede contener más de un componente si la transformación tiene lugar en un intervalo de temperaturas.

El término “no lamelar” no significa que la bainita carezca de una disposición interna repetitiva. La ferrita bainítica aparece habitualmente en forma de placas, listones o haces, mientras que los carburos se encuentran entre las unidades de ferrita o dentro de ellas, según el producto de transformación. Las interfaces y las relaciones cristalográficas entre la ferrita y la austenita previa influyen en la resistencia, la tenacidad y la propagación de grietas. Por tanto, una micrografía puede mostrar una estructura organizada sin presentar las placas regulares y alternas asociadas con la perlita.

El mecanismo de transformación también difiere de una reorganización controlada exclusivamente por la difusión a larga distancia. La ferrita se forma con un cambio de forma relacionado con la red cristalina de la austenita, y posteriormente el carbono se redistribuye mediante difusión. La precipitación de carburos depende de la concentración local de carbono y de las condiciones de transformación. Esta combinación de formación de ferrita, desplazamiento de la red cristalina, partición del carbono y precipitación de carburos explica por qué la bainita ocupa una posición diferenciada entre los productos perlíticos y martensíticos. No es simplemente perlita más fina ni martensita con otro nombre.

Bainita superior y bainita inferior

El Phase Transformations Group de la University of Cambridge distingue la “bainita superior” y la “bainita inferior” como microestructuras de acero diferentes. La distinción se refiere principalmente a la ubicación y la morfología de los carburos. En la bainita superior, la ferrita se forma habitualmente en forma de listones o placas, y la cementita aparece preferentemente entre unidades de ferrita adyacentes. Las regiones ricas en carburos delimitan partes del agregado de ferrita. En la bainita inferior, las partículas de carburo o los precipitados finos de carburo se forman dentro de las placas de ferrita, además de hacerlo en las regiones asociadas. El patrón de precipitación interna es más fino y está más estrechamente ligado a la propia ferrita.

Estas descripciones son morfológicas, pero reflejan distintos equilibrios entre la formación de ferrita y la difusión del carbono. En las condiciones asociadas con la bainita superior, el carbono puede redistribuirse lo suficiente para que el carburo se forme principalmente entre los listones de ferrita. En las condiciones de formación de bainita inferior, la ferrita se forma mientras la sobresaturación de carbono sigue siendo considerable dentro de ella, lo que permite la precipitación de carburos en el interior de las unidades ferríticas. El aspecto exacto depende de la composición del acero, la estructura de los granos de austenita previa, la historia de transformación y los efectos de los elementos de aleación.

La bainita inferior es más dura que la bainita superior, según la revisión de 2024 de ScienceDirect sobre el tratamiento térmico del acero. Esta diferencia no debe presentarse como una consecuencia misteriosa de un “mayor temple”. Las unidades de ferrita más finas, la precipitación interna de carburos y las barreras resultantes al movimiento de las dislocaciones contribuyen a la mayor dureza asociada con la bainita inferior. La bainita superior presenta una disposición diferente de los carburos y, por lo general, ofrece un equilibrio distinto entre resistencia y tenacidad. Ninguna de las dos denominaciones permite por sí sola predecir completamente las propiedades mecánicas, porque son habituales los productos mixtos y las variaciones de escala.

Un acero hipoeutectoide enfriado continuamente puede no transformarse en un único componente uniforme. El análisis de 2011 de Cambridge sobre las microestructuras mixtas señala que el enfriamiento continuo produce habitualmente ferrita alotriomorfa más perlita, mientras que un enfriamiento progresivamente más rápido o una mayor templabilidad puede producir perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. Por tanto, una sola probeta puede contener ferrita proeutectoide, perlita, bainita superior, bainita inferior, martensita o austenita retenida en distintas regiones. La secuencia de transformación es tan importante como la denominación nominal del tratamiento térmico.

Por qué la bainita no debe describirse como perlita fina

Llamar a la bainita “perlita fina” es incorrecto porque confunde la composición con la estructura. Ambos productos pueden contener ferrita y Fe₃C, pero la perlita se define por una disposición lamelar: placas alternas de ferrita y cementita producidas durante la transformación eutectoide. La bainita se define por una disposición no lamelar de ferrita y cementita. El afino de la perlita reduce el espaciamiento lamelar; no convierte esas láminas en placas de ferrita bainítica ni en distribuciones bainíticas de carburos.

La revisión de 2024 de ScienceDirect establece directamente el contraste: la perlita gruesa formada a temperaturas de transformación más elevadas es relativamente blanda, la perlita más fina es más resistente, la bainita es una estructura no lamelar de ferrita–Fe₃C y la bainita inferior es más dura que la bainita superior. Las dos primeras afirmaciones describen variaciones de escala dentro de una misma morfología. Las afirmaciones posteriores identifican una morfología diferente y luego distinguen dos formas de bainita. La dureza cambia en ambos casos, pero la razón estructural no es la misma.

La distinción también se mantiene después de tratamientos térmicos posteriores. Cambridge informó en 2008 de que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas. Este tratamiento modifica la morfología de los carburos de la perlita, pero el producto sigue siendo una estructura perlítica esferoidizada, no bainita. Por el contrario, el revenido de una estructura martensítica produce precipitación de carburos dentro de una matriz ferrítica, pero eso no convierte retroactivamente la estructura en bainita. Las denominaciones describen la historia de transformación y la morfología, no únicamente los elementos presentes.

NPTEL afirmó en 2024 que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas al cambiar la microestructura. La bainita demuestra por qué este principio es importante. Su dureza depende de si el producto es bainita superior o inferior, del tamaño de las unidades de ferrita, de la posición y la escala de los carburos, de los elementos de aleación y de cualquier presencia adyacente de martensita, perlita, ferrita o austenita retenida. El temple es solo una parte de la historia. La evidencia decisiva es la estructura que queda tras la transformación de fases y la redistribución del carbono.

Martensita y austenita retenida después del enfriamiento rápido

La martensita como producto del enfriamiento rápido

La martensita se forma cuando la austenita se enfría con suficiente rapidez para que las reacciones de difusión que producen ferrita, cementita, perlita o bainita no puedan consumirla por completo primero. Por lo tanto, el carbono permanece asociado con la red cristalina de hierro en transformación, en lugar de repartirse completamente en la cementita o difundirse hacia el exterior. El resultado es un producto de transformación sobresaturado cuya estructura y morfología dependen del contenido de carbono, los elementos de aleación, la estructura de grano de la austenita previa y la trayectoria térmica.

Esto no equivale a afirmar que el «templado crea dureza» como efecto físico directo. El templado modifica el tiempo disponible para que los átomos se desplacen y para que se formen fases competidoras. La martensita resultante puede aumentar la dureza porque su estructura con carbono opone resistencia a la deformación plástica, pero la propiedad final depende de la cantidad de martensita formada, de los demás constituyentes que permanezcan y de si el acero fue revenido posteriormente. Un componente templado puede contener martensita junto con bainita, perlita, ferrita o austenita retenida.

El University of Cambridge Phase Transformations Group sitúa la martensita dentro de una progresión de productos obtenidos a partir de acero hipoeutectoide enfriado continuamente. Con velocidades de enfriamiento relativamente bajas o una baja templabilidad, la estructura suele comenzar con ferrita alotriomorfa y perlita. Con un enfriamiento más rápido o una mayor templabilidad, los productos evolucionan hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. Esta progresión describe trayectorias de transformación competidoras, no un interruptor que convierta automáticamente cada parte de una sección en un solo constituyente.

Los elementos de aleación afectan a esta competencia al modificar la cinética de las transformaciones por difusión y alterar la templabilidad del acero. El espesor de la sección es importante por la misma razón: la superficie y el núcleo pueden seguir trayectorias de enfriamiento diferentes. Una superficie puede alcanzar una condición martensítica, mientras que el interior permanece durante un tiempo suficiente en un intervalo de formación de ferrita, perlita o bainita. Incluso dentro de un mismo grano de austenita previa, la composición local y la historia térmica pueden influir en la secuencia de transformación.

El marco de tratamiento térmico de NPTEL relaciona esta secuencia con las propiedades de ingeniería: «Los tratamientos térmicos cambian principalmente las propiedades mecánicas al cambiar la microestructura» (NPTEL, 2024). El templado se analiza como un tratamiento de endurecimiento porque favorece una estructura que contiene martensita; posteriormente, el revenido modifica dicha estructura y la distribución del carbono. Por lo tanto, la denominación del proceso es incompleta sin las fases resultantes. «Templado» identifica un tratamiento térmico, no un diagnóstico microestructural garantizado.

Austenita retenida en el acero enfriado continuamente

La austenita retenida es la fracción de austenita que permanece después del enfriamiento en lugar de transformarse en martensita u otro producto. No se trata simplemente de material no transformado que está esperando a que termine el templado. Su persistencia refleja la composición del acero, el estado de la austenita previa, la trayectoria de enfriamiento y el grado en que otras transformaciones ya han consumido o alterado la austenita.

El enriquecimiento en carbono es una vía importante para su estabilización. Cuando se forman ferrita, bainita u otros productos, el carbono puede ser rechazado hacia la austenita restante. Los elementos de aleación también pueden modificar la cinética de transformación y la estabilidad de la austenita. En consecuencia, un acero enfriado continuamente puede contener martensita formada a partir de una parte de la austenita, mientras que otra parte sobrevive como austenita retenida.

La referencia de Cambridge incluye específicamente la austenita retenida entre los posibles productos del acero hipoeutectoide enfriado más rápidamente o con mayor templabilidad. Este punto es importante porque un acero puede verse fuertemente afectado por el enfriamiento rápido sin transformarse por completo en martensita. Una micrografía puede mostrar una matriz predominantemente martensítica con pequeñas cantidades de austenita retenida, o una mezcla que contenga ferrita, bainita y martensita, donde la austenita retenida se concentra entre regiones transformadas.

La austenita retenida también hace que la palabra «dureza» sea un resumen inadecuado de la estructura. Por lo general, la austenita es más deformable que la martensita, pero su presencia no produce un único valor fijo de dureza independiente de la composición y la morfología. Puede transformarse durante una carga mecánica posterior, el enfriamiento o el revenido, modificando las dimensiones y las tensiones internas. La cantidad y la distribución son tan importantes como su denominación. Las películas delgadas situadas entre regiones bainíticas o martensíticas no producen el mismo efecto estructural que las islas de mayor tamaño.

Por lo tanto, la interpretación adecuada debe basarse en las fases. Hay que identificar qué cantidad de austenita se transformó, qué productos se formaron primero, hacia dónde se desplazó el carbono y qué constituyentes permanecen después del enfriamiento. El tratamiento de ASM International de 2024 describe las microestructuras de los aceros tratados térmicamente como asociaciones de hierro, carbono y otros elementos de aleación que forman ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita. La austenita, la difusión del carbono y las transformaciones de fase proporcionan el marco para comprender por qué aparece la austenita retenida.

Por qué el templado no garantiza un resultado monofásico

El templado es una operación de enfriamiento con una severidad y una historia térmica determinadas, no una promesa de obtener una sola fase. La trayectoria de enfriamiento necesaria depende de la composición del acero y de la geometría de la sección. Si alguna región se enfría con la suficiente lentitud como para que se forme ferrita, perlita o bainita antes de que pueda desarrollarse la martensita, esos productos permanecerán después del templado. Si una parte de la austenita no se transforma durante la trayectoria de enfriamiento disponible, también permanecerá como austenita retenida.

Por eso, un acero hipoeutectoide templado puede contener ferrita alotriomorfa más martensita, bainita más martensita o martensita más austenita retenida. En otra ubicación, especialmente hacia un núcleo enfriado más lentamente, la perlita puede coexistir con bainita y ferrita. La estructura final registra la trayectoria a través de los campos de transformación, no el nombre de la operación realizada en el horno.

La velocidad de enfriamiento por sí sola tampoco explica todos los resultados. El carbono y los elementos de aleación modifican la difusión, la estabilidad de las fases y la templabilidad. El tamaño de grano de la austenita previa, la práctica de austenización, el estado superficial y el espesor de la sección afectan a las trayectorias de transformación disponibles. Un templado puede suprimir algunas reacciones por difusión sin suprimirlas todas. La consecuencia suele ser una estructura de constituyentes mixtos.

La revisión de 2024 sobre tratamientos térmicos de aceros publicada en ScienceDirect ilustra por qué importan estas distinciones: la perlita gruesa formada a temperaturas de transformación más altas es relativamente blanda, la perlita más fina es más resistente, la bainita es una estructura no laminar de ferrita–Fe3C y la bainita inferior es más dura que la bainita superior. La martensita es solo un miembro de esta familia. La respuesta mecánica final depende de la asociación, la escala y la distribución de los productos, no de la denominación del enfriamiento por sí sola.

Por lo tanto, una descripción microestructural sólida debe indicar los constituyentes realmente presentes. «Acero templado» puede ser una historia de procesamiento útil, pero no basta como descripción de las fases. La referencia a la martensita debe ir acompañada de la posible presencia de austenita retenida y de otros productos de transformación. Esta distinción evita el error común de considerar el enfriamiento rápido como un mecanismo de endurecimiento monofásico garantizado.

Cómo los tratamientos térmicos reorganizan la microestructura

NPTEL clasifica las principales rutas de tratamiento térmico del acero según su efecto previsto: el temple y la cementación son tratamientos de endurecimiento, mientras que el revenido, el recocido y el alivio de tensiones son tratamientos de ablandamiento. Esta división resulta útil, pero «endurecimiento» y «ablandamiento» describen el resultado solo de manera indirecta. El acontecimiento decisivo es la reorganización de las fases y del carbono. NPTEL afirma en 2024 que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas al cambiar la microestructura. ASM International concreta el mismo marco: el acero tratado térmicamente contiene fases formadas por asociaciones de hierro, carbono y elementos de aleación, entre ellas ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita.

Por tanto, un tratamiento no crea la dureza como una propiedad independiente. Transforma la austenita en una mezcla seleccionada de productos de transformación, o modifica la forma, el espaciamiento y la distribución de las fases ya presentes. La velocidad de enfriamiento, el contenido de carbono, las adiciones de aleación y el tamaño de la sección determinan qué transformaciones pueden producirse antes de que el acero alcance un estado de menor temperatura.

El temple y la cementación como tratamientos de endurecimiento

El temple tiene como objetivo suprimir las transformaciones difusivas mientras la austenita se enfría. Durante un enfriamiento más lento, el carbono puede desplazarse a través de la red cristalina del hierro, lo que permite que la ferrita y la cementita se formen como perlita, o que se desarrollen ferrita bainítica y cementita. Un temple suficientemente rápido interrumpe gran parte de esa redistribución. La austenita se transforma entonces mediante un mecanismo de cizallamiento sin difusión en martensita, cuya red sobresaturada de carbono presenta una elevada deformación.

Por eso, el temple no se describe con precisión como «enfriar el acero para endurecerlo». La estructura resultante puede contener martensita, pero también puede contener austenita retenida no transformada y, cuando el enfriamiento o la templabilidad son insuficientes, bainita o perlita. Los elementos de aleación modifican la templabilidad al cambiar la cinética de transformación; no se limitan a añadir dureza de forma aislada. Un acero hipoeutectoide que se enfría de manera continua puede producir ferrita alotriomorfa más perlita, como informó en 2011 el University of Cambridge Phase Transformations Group. Con un enfriamiento más rápido o una mayor templabilidad, la secuencia se desplaza hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida.

La cementación modifica la distribución del carbono antes de la etapa final de endurecimiento. El carbono se difunde hacia la superficie de un acero de bajo contenido de carbono, creando una capa superficial enriquecida en carbono y un interior con menor contenido de carbono. El temple posterior transforma la capa hacia una martensita de alto contenido de carbono, mientras que el núcleo sigue el comportamiento de transformación permitido por su composición original y por la trayectoria de enfriamiento aplicada. La característica microestructural importante es el gradiente de carbono: la capa y el núcleo no parten de una misma composición química de la austenita, por lo que no tienen que formar productos idénticos.

La cementación es, por tanto, una preparación posibilitada por la difusión, seguida de la supresión rápida de las transformaciones. La difusión del carbono es fundamental durante el enriquecimiento, pero está limitada durante el temple. El tratamiento no equivale a templar un material uniformemente rico en carbono, y la estructura final debe examinarse a través de toda la sección, en lugar de inferirse a partir de un valor de dureza superficial.

El revenido después de una estructura endurecida

El revenido pertenece al grupo de tratamientos de ablandamiento de NPTEL porque reduce la deformación extrema y la fragilidad asociadas con la martensita recién templada. No se limita a borrar la estructura endurecida. En su lugar, el carbono se redistribuye desde la red martensítica sobresaturada, y las fases de carburo se forman o se vuelven más estables a medida que la estructura evoluciona hacia martensita revenida.

Los productos exactos dependen del contenido de carbono y de aleación del acero, así como de las condiciones de revenido, por lo que no existe una única microestructura de revenido universal. En términos generales, el tratamiento reduce la distorsión de la red, modifica la morfología y la distribución de los carburos y permite que la austenita retenida se descomponga o se transforme en algunos aceros. El resultado suele ser una matriz ferrítica que contiene carburos finamente dispersos, en lugar de la martensita sobresaturada de carbono producida directamente por el temple.

Este cambio explica por qué el revenido puede reducir la dureza del acero recién templado y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia al agrietamiento y a los daños por impacto. El contraste pertinente es el que existe entre el carbono atrapado y el carbono redistribuido. El temple deja el carbono en una disposición martensítica deformada; el revenido proporciona al carbono una vía hacia la formación de carburos y el reparto químico. Por tanto, un acero templado y revenido no es «acero templado con menor dureza», sino una asociación diferente de fases de matriz y de carburos.

La austenita retenida también es importante. Si permanece después del temple, el revenido posterior puede modificar su estabilidad, y su transformación puede afectar a la estabilidad dimensional y a la mezcla final de fases. Por consiguiente, el resultado debe interpretarse a partir de la secuencia completa: austenización, temple, austenita retenida y revenido, no a partir de la operación de revenido por sí sola.

Recocido y alivio de tensiones

El recocido utiliza la difusión y un enfriamiento controlado para llevar el acero hacia una estructura de menor energía y con una redistribución química más avanzada. En comparación con el temple, permite que el carbono tenga más oportunidades de repartirse entre la ferrita y la cementita. Según la composición y el estado previo, los productos pueden incluir ferrita con perlita gruesa, perlita más fina o partículas de cementita esferoidizada en una matriz ferrítica.

La temperatura de transformación afecta a la morfología. La revisión de 2024 sobre tratamientos térmicos del acero publicada por ScienceDirect distingue la perlita gruesa relativamente blanda, formada a temperaturas de transformación más elevadas, de la perlita fina, más resistente. También identifica la bainita como una estructura no laminar de ferrita–Fe3C y señala que la bainita inferior es más dura que la bainita superior. Estas diferencias muestran por qué «recocido» no constituye una descripción microestructural completa: el espaciamiento de la cementita, la estructura de grano de la ferrita y cualquier bainita o martensita remanente siguen siendo importantes.

La esferoidización es un cambio particularmente claro controlado por la difusión. El University of Cambridge Phase Transformations Group indicó en 2008 que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas. Las placas continuas de cementita se convierten en partículas redondeadas, lo que reduce la geometría interfacial entre la ferrita y la cementita. En consecuencia, el acero puede deformarse con mayor facilidad, pero el acontecimiento central es el engrosamiento morfológico y la redistribución, no una pérdida inexplicada de dureza.

El alivio de tensiones ocupa una posición más específica. Su objetivo principal es reducir las tensiones residuales producidas por la soldadura, el mecanizado, el conformado o el enfriamiento desigual, sin sustituir deliberadamente la constitución principal de las fases. La difusión atómica permite que se relajen las tensiones locales, mientras el tratamiento se mantiene por debajo del intervalo en el que se pretende una transformación importante. Sin embargo, si las condiciones son excesivas, pueden producirse recuperación, revenido, precipitación o transformación de fase. Por tanto, el alivio de tensiones no garantiza un efecto microestructural neutro respecto de las fases; su efecto depende del acero y de la exposición térmica.

En las tres rutas, el contraste rector es claro: el temple restringe la difusión y conserva un producto de transformación deformado, mientras que el revenido, el recocido y el alivio de tensiones proporcionan distintos grados de tiempo para la redistribución del carbono, la reorganización de los carburos, la recuperación o el engrosamiento.

Interpretación de microestructuras mixtas en metalografía

Una sección de acero sometida a tratamiento térmico rara vez contiene un constituyente perfectamente uniforme. Un acero hipoeutectoide enfriado continuamente desde la austenita puede presentar ferrita alotriomórfica en los límites de grano de la austenita previa, perlita en las regiones restantes y áreas más pequeñas de bainita o martensita donde las condiciones locales de enfriamiento fueron diferentes. La interpretación correcta comienza con el historial de transformación, no con una clasificación de dureza. NPTEL afirma que los tratamientos térmicos modifican principalmente las propiedades mecánicas al cambiar la microestructura; por tanto, la dureza es el resultado de la estructura, la composición y la morfología, no el nombre visual de una fase.

Reconocimiento conjunto de ferrita, perlita, bainita y martensita

Comience con un aumento bajo. Registre la distribución de las regiones antes de asignarles constituyentes individuales. Busque una matriz continua, decoración de los límites, colonias, paquetes, agujas, listones y partículas aisladas. A continuación, aumente la magnificación e inspeccione la estructura interna de cada región.

La ferrita suele ser el constituyente que se ataca menos intensamente en una probeta de acero al carbono preparada mediante procedimientos convencionales. La ferrita alotriomórfica se forma habitualmente primero a lo largo de los límites de grano de la austenita previa en el acero hipoeutectoide, produciendo películas de límite relativamente lisas, poligonales o irregulares. También puede presentarse como regiones equiaxiales de mayor tamaño. La ferrita de Widmanstätten tiene un aspecto diferente: crece en forma de placas o placas laterales desde los límites de grano de la austenita hacia el interior de los granos de austenita. Sin embargo, el aspecto en forma de placas por sí solo no demuestra que el constituyente sea ferrita de Widmanstätten.

La perlita se reconoce por sus colonias, que contienen ferrita y cementita alternadas. Con bajo aumento, una colonia puede aparecer como una isla oscura; con mayor aumento, pueden resolverse las láminas orientadas adecuadamente. Otras colonias pueden seguir siendo oscuras porque sus láminas están casi paralelas a la dirección de observación o porque el contraste producido por el ataque es débil. Por lo general, la perlita gruesa indica una transformación a una temperatura más alta que la perlita fina. ScienceDirect describe la perlita gruesa como relativamente blanda y la perlita fina como más resistente, pero el contraste observado también depende del pulido, el ataque químico, la orientación de la sección y la composición de la aleación.

La bainita ocupa una posición interpretativa intermedia porque su disposición de ferrita y cementita no es laminar en el sentido perlítico. La bainita superior suele presentarse como grupos de listones o placas de ferrita con cementita entre ellos, mientras que la bainita inferior contiene disposiciones más finas de carburos dentro de las placas de ferrita o cerca de ellas. La bainita inferior es más dura que la bainita superior, según la referencia de ScienceDirect sobre tratamientos térmicos de aceros. No denomine bainita a toda región oscura y acicular: la martensita sin revenir, la bainita inferior y la perlita fuertemente atacada pueden presentar aspectos similares.

La martensita suele tener forma de listones en muchos aceros de bajo y medio contenido de carbono, y forma de placas en algunos aceros de mayor contenido de carbono o aleados. Pueden observarse paquetes de listones y regiones de aspecto masivo, pero la microscopía óptica a menudo no permite establecer la distinción con seguridad. La martensita también puede estar mezclada con ferrita, bainita, carburos y austenita retenida, especialmente cuando la templabilidad, el tamaño de la sección o el enfriamiento no son uniformes. Un constituyente oscuro en un límite de grano de la austenita previa no es automáticamente martensita; la ferrita de límite y las películas de carburos pueden producir un contraste similar.

Por esta razón, el Cambridge Phase Transformations Group describe el enfriamiento continuo del acero hipoeutectoide como un proceso que suele producir ferrita alotriomórfica más perlita, con mezclas progresivamente diferentes que incluyen perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento o la templabilidad. La secuencia es un marco útil, no un sustituto del examen.

Morfología frente a identificación de fases

La morfología describe la forma y la disposición. La identificación de fases establece qué es la región. Ambas tareas se solapan, pero no son intercambiables.

Utilice la morfología para formular una hipótesis. Una película en un límite sugiere ferrita alotriomórfica; las placas paralelas sugieren ferrita de Widmanstätten; las colonias sugieren perlita; los grupos de listones sugieren bainita o martensita. A continuación, compruebe esa hipótesis mediante la química y la cristalografía. El ataque selectivo, la luz polarizada cuando sea apropiado, la microscopía electrónica de barrido, la difracción de electrones retrodispersados, la microscopía electrónica de transmisión o la difracción de rayos X pueden aportar evidencias que el aspecto óptico no puede proporcionar.

La preparación puede cambiar la respuesta aparente. Un ataque excesivo ensancha los límites y oscurece los constituyentes finos. Un pulido deficiente puede arrancar la cementita o dejar deformación que se asemeje a la martensita. La orientación de la sección puede ocultar las láminas de perlita, mientras que un corte bidimensional a través de una estructura tridimensional de listones puede hacer que la bainita parezca granular. La magnificación también es importante: una región que parece homogénea a 200× puede resolverse en ferrita y cementita a 5.000×.

Por tanto, un informe riguroso debe separar la observación de la interpretación: “colonias oscuras con láminas parcialmente resueltas” es una observación; “perlita” es una interpretación respaldada por esa observación y, cuando sea necesario, por evidencias analíticas o de mayor resolución. El tratamiento de ASM International de 2024 sitúa la austenita, la ferrita, la difusión del carbono, la bainita, la cementita, la martensita, la perlita y las transformaciones de fase dentro del mismo marco interpretativo. Esto recuerda que ninguna característica visual aislada permite establecer todo el diagnóstico.

Austenita retenida y morfología de la cementita

La austenita retenida es la austenita que permanece después del enfriamiento en lugar de transformarse por completo. En una estructura martensítica puede aparecer como películas delgadas entre los listones, islas de aspecto masivo entre los paquetes o regiones irregulares próximas a zonas enriquecidas en carbono. El contraste varía considerablemente según el reactivo de ataque y el modo de obtención de imágenes, por lo que una región clara entre listones de martensita no debe identificarse como austenita retenida basándose únicamente en su aspecto. Puede ser necesario utilizar difracción de rayos X, EBSD o métodos metalográficos cuidadosamente validados.

La cementita, Fe₃C, es igualmente importante porque su forma registra cómo se redistribuyó el carbono. En la perlita forma láminas junto con la ferrita. En la bainita aparece como partículas discretas o películas asociadas a las placas de ferrita, aunque la disposición difiere entre la bainita superior y la inferior. En el acero esferoidizado, las láminas de cementita de la perlita se han transformado en partículas redondeadas. El Cambridge Phase Transformations Group afirma explícitamente en 2008 que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas.

Por último, relacione cada constituyente observado con la trayectoria térmica: las condiciones de austenización, la difusión del carbono, la continuidad del enfriamiento, la interrupción de la transformación y cualquier revenido o recocido posterior. Una imagen mixta no es, por definición, indicio de un tratamiento fallido. Es un registro de los lugares donde las transformaciones comenzaron, se detuvieron o avanzaron a velocidades diferentes.

De la microestructura a las propiedades mecánicas

Resistencia, dureza y morfología de transformación

Las propiedades mecánicas se desarrollan a partir de la estructura producida durante la transformación, no de la palabra temple por sí sola. NPTEL afirma en 2024 que “los tratamientos térmicos modifican las propiedades mecánicas principalmente al cambiar la microestructura”. El temple modifica la trayectoria térmica desde la austenita, pero la dureza resultante depende de qué transformaciones ocurren, de cuánto se forma de cada constituyente y de cómo se disponen dichos constituyentes.

ASM International describe las microestructuras de los aceros tratados térmicamente como asociaciones de hierro, carbono y elementos de aleación que forman ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita. La austenita es la fase matriz de muchos tratamientos, mientras que la difusión del carbono y la competencia entre los mecanismos de transformación determinan los productos que la reemplazan. Un acero hipoeutectoide enfriado lenta o moderadamente puede contener ferrita alotriomorfa y perlita; una trayectoria más rápida puede producir perlita más fina, bainita, martensita o austenita retenida, según la composición y la templabilidad. El University of Cambridge Phase Transformations Group describió esta progresión para un acero hipoeutectoide enfriado de manera continua en 2011.

La morfología es tan importante como el nombre de la fase. Los granos de ferrita, las partículas de cementita, las colonias de perlita, las placas de ferrita bainítica, los paquetes de martensita y las regiones de austenita retenida no resisten la deformación ni distribuyen la tensión de la misma manera. Un acero que contiene una pequeña fracción de martensita en una matriz ferrítica no es mecánicamente equivalente a otro compuesto principalmente por martensita con ferrita aislada. Ambos pueden describirse como “acero martensítico”, pero su resistencia, dureza, ductilidad y respuesta a la fractura pueden diferir sustancialmente.

La martensita suele aumentar la dureza porque el carbono queda atrapado en una red de hierro sobresaturada y distorsionada durante la transformación sin difusión de austenita a martensita. Sin embargo, esta descripción tampoco proporciona un valor universal de dureza. El contenido de carbono, el tamaño de grano de la austenita previa, los elementos de aleación, la severidad del temple, el tamaño de la sección, el revenido y la austenita retenida afectan al resultado. El revenido modifica posteriormente la estructura martensítica al permitir la redistribución del carbono y la formación de carburos, lo que normalmente reduce la dureza tras el temple, al tiempo que mejora la estabilidad dimensional y la tenacidad.

La austenita retenida también complica una clasificación simple de la dureza. En muchos aceros endurecidos es más blanda que la martensita sin revenir, pero puede transformarse durante el servicio o el ensayo, modificando las dimensiones y la tensión local. La morfología de la cementita también es importante. La referencia de Cambridge de 2008 afirma que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas. La disposición resultante de ferrita y cementita generalmente se deforma de manera diferente de la perlita laminar, por lo que “perlita” por sí sola no es una descripción suficiente del estado mecánico.

El papel de la escala de la perlita y del tipo de bainita

La perlita está formada por ferrita y cementita que se forman conjuntamente, normalmente en forma de láminas alternas. Su resistencia se ve afectada en gran medida por la escala de la perlita, es decir, por el espaciado y la finura de dichas láminas, así como por el tamaño de las colonias de perlita. La revisión de 2024 de ScienceDirect sobre tratamientos térmicos de los aceros identifica la perlita gruesa formada a temperaturas de transformación más elevadas como relativamente blanda, y la perlita más fina como más resistente. Las láminas de cementita estrechamente espaciadas obstaculizan el movimiento de las dislocaciones con mayor eficacia que las láminas ampliamente espaciadas, mientras que las colonias finas también reducen la distancia en la que puede concentrarse la deformación.

Esto no significa que todos los aceros perlíticos finos tengan la misma resistencia. La composición química de la ferrita, el contenido de carbono, el tamaño de las colonias, la fracción de perlita y cualquier ferrita proeutectoide presente siguen siendo factores importantes. Una estructura hipoeutectoide con abundante ferrita y perlita fina puede ser menos resistente que una estructura con mayor contenido de carbono y una fracción de perlita más elevada, aunque ambas contengan “perlita fina”. La distribución es decisiva: las regiones continuas de ferrita, los constituyentes bandeados y las colonias aisladas producen diferentes trayectorias de deformación.[4][4] Steel Heat Treatment. ScienceDirect. ScienceDirect Topics, 2024.

La bainita requiere el mismo cuidado. ScienceDirect describe la bainita como una estructura no laminar de ferrita–Fe3C y afirma que la bainita inferior es más dura que la bainita superior. La bainita superior generalmente contiene ferrita formada en una disposición en forma de haces, con cementita entre las regiones de ferrita, mientras que la bainita inferior se forma en un intervalo de transformación más bajo y sitúa carburos finos dentro de las placas de ferrita o estrechamente asociados a ellas. La distribución más fina de los carburos hace que la bainita inferior sea más resistente al movimiento de las dislocaciones.

Por tanto, una denominación como “bainítica” deja sin especificar información fundamental. La distinción entre bainita superior e inferior, el tamaño y la posición de los carburos, la morfología de la ferrita, la fracción de constituyentes y la presencia de martensita o austenita retenida afectan a las propiedades medidas. Las estructuras mixtas son habituales después del enfriamiento continuo, especialmente cuando distintas partes de una sección siguen historias térmicas diferentes. Una superficie puede contener martensita, mientras que el interior contiene bainita, perlita o ferrita. En ese caso, la dureza varía con la profundidad en lugar de adoptar un único valor para todo el componente.

Por qué la composición y la templabilidad siguen siendo esenciales

La composición controla tanto los productos de transformación disponibles como las temperaturas y los tiempos a los que se forman. El carbono afecta a la estabilidad de la austenita, a la cantidad de cementita que puede desarrollarse y al potencial de dureza de la martensita. Los elementos de aleación modifican la cinética de transformación, la formación de carburos, la difusión y la templabilidad. La templabilidad no es lo mismo que la dureza: describe la capacidad de un acero para formar productos de transformación más duros a través de una sección bajo una condición de enfriamiento determinada.

El tamaño de la sección hace práctica esta distinción. Una sección pequeña puede enfriarse rápidamente en toda su extensión, mientras que una sección grande desarrolla una trayectoria de enfriamiento interior más lenta. Por tanto, la misma composición y el mismo ciclo de horno pueden producir martensita cerca de la superficie, pero perlita o bainita en el centro. El medio de temple, la agitación, el tratamiento de austenización, el tiempo de transferencia y el ciclo de revenido añaden más variación.

Por esta razón, no puede asignarse un valor universal de una propiedad a la ferrita, la perlita, la bainita, la martensita o a un tratamiento térmico determinado sin especificar la composición, el tamaño de la sección, el ciclo de tratamiento y el método de ensayo. La dureza medida mediante Vickers, Brinell o Rockwell no es intercambiable sin prestar atención a las condiciones, y un resultado de dureza no predice por completo la tenacidad, la ductilidad, el comportamiento a fatiga ni el comportamiento frente a la fractura. Una interpretación defendible comienza con la microestructura completa: fracciones de los constituyentes, morfología, escala, distribución e historia de transformación. El temple es solo un acontecimiento dentro de esa secuencia.

Una secuencia de referencia práctica para el análisis del tratamiento térmico del acero

Comenzar por la composición y el estado inicial del acero

Comience por la identidad del material, no por la dureza medida. Registre la designación del grado exactamente como se haya proporcionado, la norma aplicable y, cuando se conozcan, el estado térmico o la forma del producto. Una indicación como «AISI/SAE 1045, normalizado» transmite más información que «acero de dureza media»; una indicación como «ASTM A36» identifica una especificación, pero por sí sola no establece el historial térmico previo ni la microestructura final. El análisis químico debe incluir carbono, manganeso, silicio, cromo, molibdeno, níquel, vanadio y otras adiciones intencionadas, así como los elementos residuales cuando puedan afectar a la transformación.

El contenido de carbono determina si un acero al carbono simple es hipoeutectoide, eutectoide o hipereutectoide con respecto a la composición eutectoide. En un acero hipoeutectoide, el enfriamiento desde la austenita permite habitualmente que se forme ferrita proeutectoide antes de que la austenita restante se transforme en perlita. Esta distinción es importante: la ferrita más perlita no constituye la misma estructura que la perlita sola, aunque ambas muestras presenten valores de dureza similares.

También debe registrarse el estado inicial. Los estados de recepción, laminado en caliente, normalizado, recocido, templado y revenido, cementado y trabajado en frío presentan diferentes tamaños de grano, distribuciones de carburos, tensiones residuales e historiales de austenita previa. El acero esferoidizado es un caso especialmente importante. El University of Cambridge Phase Transformations Group declaró en 2008 que la esferoidización convierte las láminas de cementita perlítica en partículas. Los constituyentes nominales siguen siendo ferrita y cementita, pero su geometría modifica la respuesta a los calentamientos, las deformaciones y los endurecimientos posteriores.

El tamaño de grano y la segregación merecen un lugar en el registro. Una estructura de grano de austenita previa gruesa puede favorecer morfologías de transformación diferentes de las producidas por una estructura fina, mientras que el bandeado puede generar distribuciones de ferrita, perlita o martensita dependientes de la dirección. Por tanto, «ferrita» es una observación incompleta si no se describen también su ubicación y su forma.

Reconstruir la trayectoria de calentamiento y enfriamiento

A continuación, reconstruya la ruta térmica como una secuencia, en lugar de asignarle simplemente el nombre de un tratamiento. Registre la temperatura inicial, la velocidad de calentamiento cuando esté disponible, la temperatura de austenización y el tiempo de permanencia, el estado del horno o de la atmósfera, el tiempo de transferencia, el medio de temple, la agitación, las interrupciones del enfriamiento y cualquier etapa de recalentamiento o revenido. «Templado» describe una operación; no demuestra que toda la sección se haya transformado en martensita.

Pregúntese primero qué fases existían durante el calentamiento. El recocido o la normalización pueden disolver parte de la cementita y producir austenita, mientras que un tratamiento intercrítico puede dejar ferrita sin disolver. La cementación modifica el perfil de carbono, por lo que la superficie y el núcleo siguen trayectorias de transformación diferentes durante el enfriamiento. La descarburación puede producir el gradiente opuesto. Un único valor de dureza puede ocultar ambas condiciones.

A continuación, identifique la ventana de transformación probable. La difusión del carbono permite la redistribución de la ferrita y la cementita durante las transformaciones difusionales. A temperaturas de transformación más altas, la perlita generalmente presenta un espaciamiento más grueso; la síntesis de ScienceDirect de 2024 sobre el tratamiento térmico del acero describe la perlita gruesa como relativamente blanda y la perlita más fina como más resistente. La misma fuente define la bainita como una estructura no laminar de ferrita–Fe3C y afirma que la bainita inferior es más dura que la bainita superior. Se trata de distinciones morfológicas y transformacionales, no simplemente de puntos en una escala de dureza.

La velocidad de enfriamiento, el espesor de la sección, los elementos de aleación y el tamaño de grano de la austenita previa controlan qué transformaciones pueden producirse antes de que el acero alcance temperaturas más bajas. El cromo, el molibdeno, el manganeso y el níquel pueden modificar la difusión, el momento de la transformación y la templabilidad. Un enfriamiento más rápido puede suprimir la ferrita y la perlita difusionales y permitir la formación de bainita o martensita, pero el resultado puede seguir siendo mixto, porque el enfriamiento rara vez es idéntico en todo un componente. Puede persistir austenita retenida cuando la transformación es incompleta.

El Cambridge Phase Transformations Group informó en 2011 de que el enfriamiento continuo produce habitualmente ferrita alotriomorfa más perlita en el acero hipoeutectoide. Con un enfriamiento más rápido o una mayor templabilidad, la secuencia puede desplazarse hacia perlita más fina, bainita, martensita y austenita retenida. Esta secuencia constituye un marco interpretativo útil, pero no sustituye al registro térmico real ni al examen microscópico.

Informar con precisión sobre los constituyentes y la morfología

Separe el nombre del constituyente de su morfología. Informe de «ferrita alotriomorfa proeutectoide», «colonias de perlita con un espaciamiento interlaminar fino», «bainita superior», «bainita inferior», «martensita en listones», «martensita en placas», «austenita retenida» o «partículas de cementita esferoidizada» cuando las pruebas respalden esas descripciones. No agrupe todas las regiones de ataque oscuro bajo el término «perlita» ni denomine «martensita» a toda región acicular.

La ferrita puede presentarse como granos alotriomorfos a lo largo de los límites de grano de la austenita previa o como placas de Widmanstätten. La cementita puede aparecer como láminas perlíticas, partículas bainíticas, partículas esferoidizadas o carburos sin disolver. La martensita puede tener forma de listones o de placas, y su aspecto puede verse alterado por el revenido. La bainita debe identificarse por su disposición de ferrita y carburos y por el contexto de transformación, no únicamente por su forma.

Utilice métodos de microscopía adecuados para la cuestión planteada. La microscopía óptica puede revelar la distribución de los constituyentes y la estructura de las colonias de perlita; la microscopía electrónica de barrido puede resolver disposiciones más finas de los carburos; los ensayos de dureza y la difracción pueden servir de apoyo, pero no sustituir, a la identificación metalográfica. Si se sospecha la presencia de austenita retenida, indique cómo se evaluó. Evite afirmar que existe una sola fase cuando la imagen muestra una mezcla de productos de transformación.

El procedimiento reproducible es el siguiente: establecer la composición y determinar si el acero es hipoeutectoide cuando corresponda; documentar el estado inicial; reconstruir el calentamiento, la austenización, el enfriamiento, el temple y el revenido; considerar la difusión, los efectos de los elementos de aleación, el tamaño de la sección y la velocidad de enfriamiento; identificar los constituyentes resultantes; y, por último, informar sobre la morfología por separado de los nombres nominales de las fases. La descripción de ASM International de 2024 constituye la corrección adecuada del enfoque centrado primero en la dureza: las microestructuras de los aceros tratados térmicamente son asociaciones de hierro, carbono y elementos de aleación que forman ferrita, bainita, cementita, martensita y perlita. El acero después del tratamiento suele ser un historial de transformación registrado en una microestructura mixta, no una única categoría de dureza.

Referencias

1. [1]ASM International. Introduction to Steel Heat Treatment. ASM Handbook, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278662/Introduction-to-Steel-Heat-Treatment-1
2. [2]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment
3. [3]University of Cambridge Phase Transformations Group. Steel Microstructure. Phase Transformations Group reference material, 2008. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2008/Steel_Microstructure/SM.html
4. [4]ScienceDirect. Steel Heat Treatment. ScienceDirect Topics, 2024. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steel-heat-treatment