Temperaturas y fases de transformación del acero

Qué significan realmente las temperaturas de transformación

Una temperatura de transformación del acero no es un valor universal impreso junto a una designación de calidad. Es un límite o un fenómeno observado que depende de la composición, el historial térmico, el tamaño de la probeta, la velocidad de calentamiento o enfriamiento y el mecanismo mediante el cual una estructura se transforma en otra. La temperatura indicada puede describir el equilibrio, el inicio de una reacción durante el calentamiento, el inicio de una reacción durante el enfriamiento o el punto en el que una medición determinada detecta un cambio. Son valores relacionados, pero no intercambiables.

Una fase es una estructura físicamente distinta, con una disposición cristalina definida y un intervalo de composición determinado. En el acero, la austenita (γ) tiene una estructura cúbica centrada en las caras, la ferrita (α) tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y la cementita es Fe₃C ortorrómbico, según la University of Cambridge en Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). Un constituyente es una agrupación microestructural que puede contener más de una fase. La perlita, por ejemplo, es un constituyente formado por ferrita y cementita. Un producto de transformación es la estructura formada a partir de la fase matriz: la perlita, la bainita, la martensita, la ferrita proeutectoide y la cementita proeutectoide son los principales productos identificados en el tratamiento de ASM de las transformaciones de la austenita.

Temperatura (°C)

La distinción es importante porque una temperatura puede marcar la desaparición de una fase sin identificar el constituyente final. Con aproximadamente un 0,8 % en peso de carbono y a 723 °C, la austenita experimenta la reacción eutectoide γ → α + Fe₃C, según el material de Cambridge de 2002 sobre Fe–C. Esa ecuación indica los productos de equilibrio, ferrita y cementita. No significa que todo acero que contenga aproximadamente un 0,8 % en peso de carbono forme la misma estructura exactamente a 723 °C durante un ciclo real de horno.

Límites de equilibrio frente a temperaturas críticas prácticas

La notación de equilibrio describe lo que es termodinámicamente estable cuando el sistema dispone de tiempo suficiente para aproximarse al equilibrio. Ae1 es la temperatura eutectoide de equilibrio: el límite en el que la austenita y la mezcla de ferrita más cementita pueden coexistir con la composición y la presión especificadas. Ae3 es el límite superior de equilibrio de la austenita en un acero hipoeutectoide; separa la austenita del campo de austenita más ferrita. Aecm es el límite superior correspondiente para un acero hipereutectoide; separa la austenita del campo de austenita más cementita. El subíndice “e” indica equilibrio.

En el enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores de enfriamiento. Strong evidence

Las temperaturas operativas normalmente se escriben con una notación diferente. Ac1 y Ac3 se refieren a las temperaturas de transformación observadas durante el calentamiento; Ar1 y Ar3 se refieren a las observadas durante el enfriamiento. Las letras “c” y “r” indican condiciones de calentamiento y enfriamiento, no nuevas fases de equilibrio. Durante el calentamiento, la austenita puede no comenzar a formarse hasta que el material supere Ae1, porque la nucleación y la difusión requieren tiempo. Durante el enfriamiento, la ferrita, la perlita o la cementita pueden no aparecer hasta que el acero se encuentre por debajo del límite de equilibrio, porque la reacción requiere subenfriamiento. ASM International informa de que, para un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores de enfriamiento (2024). Esa diferencia es histéresis, no un error del diagrama de fases.

La composición también desplaza estos límites. El carbono modifica la estabilidad de la austenita y las temperaturas a las que pueden formarse la ferrita, la perlita, la cementita y la martensita. Los elementos de aleación desplazan los límites y alteran las velocidades de reacción; el silicio, por ejemplo, eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. La referencia del hierro puro ya depende de la temperatura: Cambridge sitúa la austenita cúbica centrada en las caras aproximadamente entre 910 y 1400 °C, y la temperatura de fusión en aproximadamente 1539 °C (2005). Por tanto, una calidad de acero no puede heredar del hierro puro una única «temperatura de austenización» fija.

Calentamiento, enfriamiento, mantenimiento isotérmico y enfriamiento continuo

El calentamiento, el enfriamiento y el mantenimiento plantean preguntas diferentes. Durante el calentamiento, la cuestión es cuándo se disuelven la ferrita y la cementita lo suficiente para que se forme austenita. El desfase térmico implica que la temperatura del horno, la temperatura superficial y la temperatura del núcleo de un componente grueso pueden diferir considerablemente. La lectura de un pirómetro puede superar Ac1 mientras el centro aún no lo ha hecho. Por tanto, el tamaño de la sección modifica la trayectoria térmica efectiva incluso cuando el programa nominal del horno es idéntico.

Durante el enfriamiento, la trayectoria de reacción determina el producto de transformación. Un enfriamiento lento produce productos reconstructivos controlados por difusión, como la ferrita proeutectoide y la perlita, lo que permite que los átomos de carbono y hierro se redistribuyan. Un enfriamiento más rápido suprime esas reacciones y puede producir bainita o martensita. Cambridge describe el crecimiento de la bainita como sin difusión con respecto a la red de hierro y termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀, donde la bainita tiene una energía libre menor que la austenita de composición idéntica. La martensita es una transformación displaciva, esencialmente sin difusión: su formación no requiere que el carbono recorra largas distancias, aunque el contenido de carbono afecta considerablemente a su temperatura de inicio.

Una transformación isotérmica mantiene la austenita a una temperatura elegida después de un enfriamiento rápido hasta dicha temperatura. Un diagrama TTT —diagrama tiempo-temperatura-transformación— muestra cuándo comienzan y terminan los productos en esas condiciones de mantenimiento. Sus curvas en C representan reacciones dependientes del tiempo, como la perlita y la bainita, mientras que la temperatura de inicio de la martensita, Ms, marca una transformación atérmica gobernada principalmente por la temperatura alcanzada y no por un tiempo de incubación. Mf es la temperatura de finalización de la martensita, aunque el enfriamiento puede detenerse por encima de Mf y dejar austenita retenida. Cambridge informa de que el carbono afecta a Ms, Mf y a la fracción de austenita retenida (2012).

Un diagrama CCT, por el contrario, registra la transformación durante un enfriamiento continuo. La velocidad de enfriamiento determina qué curvas de inicio se cruzan y cuánto tiempo permanece el acero en cada intervalo de reacción. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), de NIST, muestra que un diagrama CCT puede estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, así como las propiedades de resistencia, dureza, maquinabilidad y fatiga. Por eso, un valor CCT no sustituye a un valor Ae. Los límites de equilibrio describen la estabilidad de fase permitida; los diagramas TTT y CCT describen cuándo aparecen productos de transformación reales a lo largo de trayectorias térmicas concretas.

El marco hierro–carbono: fases, estructuras cristalinas y campos

El diagrama hierro–carbono es un mapa de equilibrio, no una tabla para consultar temperaturas. Sus campos identifican qué fases son termodinámicamente estables para una composición y una temperatura determinadas, suponiendo que haya tiempo suficiente para la difusión. El acero real suele seguir una trayectoria diferente: las velocidades de calentamiento y enfriamiento desplazan las temperaturas de transformación, los elementos de aleación alteran la estabilidad de las fases y el enfriamiento rápido puede suprimir los productos controlados por difusión. Por tanto, un mismo grado nominal puede contener ferrita, perlita, bainita, martensita, austenita retenida o mezclas de estas fases, dependiendo de su historial térmico.

El diagrama también distingue entre una fase, un constituyente microestructural y un producto de transformación. La ferrita, la austenita y la cementita son fases. La perlita es un constituyente de dos fases. La bainita y la martensita son productos de transformación cuyas estructuras y composiciones dependen de cómo se descompone la austenita.

Ferrita, austenita y cementita

La ferrita, representada convencionalmente como α en este contexto, es una solución sólida rica en hierro con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). El carbono tiene una solubilidad muy baja en la ferrita BCC porque los sitios intersticiales disponibles son pequeños y poco adecuados para el carbono. A temperaturas ordinarias, los aceros de bajo contenido de carbono suelen contener ferrita como fase continua o matriz. Su contenido de carbono relativamente bajo y su red BCC ayudan a explicar su menor dureza en comparación con la martensita.

La austenita, representada como γ, tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). La red FCC proporciona sitios intersticiales más grandes y favorables, por lo que disuelve considerablemente más carbono que la ferrita. Esta capacidad de retener carbono es fundamental para el tratamiento térmico del acero: la austenización intenta introducir el carbono en γ antes de que el enfriamiento determine si se formará perlita, bainita, martensita u otra mezcla.

En el hierro puro, el material de 2005 de la University of Cambridge, Stainless Steels: Phase Equilibria, sitúa la austenita FCC aproximadamente entre 910 y 1400 °C. Ese intervalo es específico del hierro puro, no un intervalo universal para el acero. El hierro puro funde aproximadamente a 1539 °C, mientras que el carbono y las adiciones de aleación desplazan los límites de fase y las temperaturas de transformación.

La cementita, Fe₃C, es un carburo de hierro con una estructura cristalina ortorrómbica. Es una fase compuesta que contiene aproximadamente un 6,67 % en peso de carbono, una cantidad muy superior a la que contienen en conjunto los aceros estructurales ordinarios. La cementita es dura y frágil, y su cantidad, forma, espaciamiento y continuidad afectan considerablemente al comportamiento mecánico. La fuente de Cambridge Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) identifica directamente las tres estructuras: la austenita es FCC, la ferrita es BCC y la cementita es Fe₃C ortorrómbica.

Estas denominaciones describen estructuras cristalinas, no simplemente el aspecto observado con un microscopio. Un grano de ferrita es una sola fase aunque contenga defectos o pequeñas concentraciones de solutos. Las partículas de cementita dentro de la ferrita siguen siendo una fase separada porque su composición y su estructura cristalina son diferentes.

La composición eutectoide y la reacción[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

Un ejemplo útil para organizar estos conceptos es el punto eutectoide. El material de 2002 de la University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy, proporciona aproximadamente un 0,8 % en peso de carbono y 723 °C para la reacción

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

Ambos valores son aproximados y específicos de la fuente. Los diagramas publicados pueden mostrar cifras ligeramente diferentes debido a los estados de referencia, los datos experimentales, las hipótesis sobre la aleación o la convención utilizada para definir una temperatura crítica. La notación en sí es más importante que considerar el 0,8 % en peso y los 723 °C como constantes exactas.

En la composición eutectoide, la austenita se transforma en ferrita y cementita cuando la temperatura desciende a través de la temperatura eutectoide de equilibrio. En condiciones de enfriamiento adecuadas, estas fases se disponen en placas o láminas alternas llamadas perlita. La perlita no es una tercera estructura cristalina ni una fase única. Cada lámina de ferrita es BCC; cada lámina de cementita es Fe₃C ortorrómbica. El patrón a escala de colonia es un producto de transformación o constituyente microestructural producido por el crecimiento cooperativo de dos fases.

La velocidad de enfriamiento modifica el espaciamiento y, en ocasiones, el propio producto. El enfriamiento lento permite que el carbono se difunda a mayores distancias y tiende a producir una perlita relativamente gruesa. Un enfriamiento más rápido puede producir perlita más fina, bainita o, si la difusión se impide en gran medida, martensita. ASM International incluye la perlita, la bainita, la martensita, la ferrita proeutectoide y la cementita proeutectoide entre los principales productos formados a partir de la austenita.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

Por eso, la expresión «la temperatura de transformación del acero» es incompleta. Un diagrama de equilibrio proporciona valores como Ae₁, la temperatura eutectoide de equilibrio, mientras que el calentamiento y el enfriamiento producen temperaturas Ac y Ar que pueden diferir. Critical Temperature Ranges (2024), de ASM, señala que, durante un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes al enfriamiento. Los diagramas de transformación isotérmica describen una permanencia a una temperatura seleccionada; los diagramas de transformación por enfriamiento continuo (CCT) describen un enfriamiento ininterrumpido. El estudio de NIST de 1990, Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, muestra cómo un diagrama CCT puede estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga.

El silicio ofrece otra advertencia contra los valores fijos. ASM informa de que el silicio eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. La composición modifica los campos incluso antes de que comience el ciclo del horno.

Ferrita proeutectoide y cementita proeutectoide

Los aceros con menos carbono que la composición eutectoide son aceros hipoeutectoides. Durante el enfriamiento desde la austenita, la ferrita se forma primero, antes de que la austenita restante alcance la composición eutectoide. Esta ferrita temprana se denomina ferrita proeutectoide. A la temperatura eutectoide, la austenita residual se transforma entonces en perlita. Por tanto, una estructura hipoeutectoide final suele contener ferrita proeutectoide y perlita, aunque la velocidad de enfriamiento y los elementos de aleación pueden introducir bainita o martensita.

Los aceros con más carbono que la composición eutectoide son aceros hipereutectoides. La cementita se forma primero a partir de la austenita, normalmente a lo largo de los límites de grano de la austenita previa o en otros sitios favorables. Esta es la cementita proeutectoide. La austenita restante adquiere una composición eutectoide y se transforma en perlita durante el enfriamiento posterior. La estructura resultante suele contener cementita proeutectoide y perlita.

La palabra «proeutectoide» significa «formado antes de la reacción eutectoide», no «formado antes de que exista la austenita». Ambos productos se forman a partir de la austenita durante el enfriamiento. Sus cantidades dependen de la composición y de la trayectoria a través de los campos de fase, mientras que su morfología depende de la nucleación, la difusión, el tamaño de grano y la velocidad de enfriamiento. Si el enfriamiento es suficientemente rápido, la descomposición eutectoide puede evitarse. El material de Cambridge de 2008 sobre la microestructura del acero distingue estas reacciones reconstructivas controladas por difusión de las transformaciones displacivas; la martensita puede formarse sin la difusión química de largo alcance necesaria para producir perlita. El carbono también afecta a las temperaturas de inicio y final de la martensita y a la fracción de austenita retenida, como se recoge en Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), de Cambridge.

Formación de austenita durante el calentamiento

La austenita no aparece a una temperatura universal única. Su formación depende del contenido de carbono, de las adiciones de aleación, de la velocidad de calentamiento, del tiempo de mantenimiento y de la estructura de ferrita–perlita o revenida presente antes del calentamiento. La fase en sí es hierro γ cúbico centrado en las caras; la ferrita es hierro α cúbico centrado en el cuerpo, mientras que la cementita es Fe₃C ortorrómbico, tal como se describe en Interpretación de la microestructura de los aceros (2008), de la University of Cambridge. El calentamiento modifica tanto la estructura cristalina como la distribución del carbono entre estas fases.

Los símbolos Ac1, Ac3 y Accm describen temperaturas críticas prácticas medidas u observadas durante el calentamiento. La “c” indica calentamiento, mientras que el “1” marca el inicio de la formación de austenita. Por tanto, Ac1 es la temperatura a la que se forma austenita por primera vez a partir de ferrita y perlita, o de perlita y cementita en un acero hipereutectoide. Ac3 es la temperatura a la que desaparece la última ferrita proeutectoide en un acero hipoeutectoide. Accm es el límite superior correspondiente para un acero hipereutectoide: por encima de este, la cementita ha entrado en solución y la estructura es completamente austenítica, salvo por los carburos de aleación no disueltos.

Estas temperaturas no son las mismas que Ae1, Ae3 y Aecm. La notación Ae se refiere a condiciones de equilibrio, en las que las proporciones de las fases pueden ajustarse mediante difusión a una composición y una temperatura definidas. Los valores Ac describen una trayectoria real de calentamiento, por lo que varían con la velocidad de calentamiento, el tamaño de la probeta, el estado previo y el método de medición. ASM International señala que, durante un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes al enfriamiento (Intervalos de temperaturas críticas, 2024). Por tanto, todo valor publicado de Ac1 o Ac3 debe estar vinculado a una composición del acero y a una condición de ensayo.

Superación de Ac1, Ac3 y Accm

En un acero hipoeutectoide, como un grado estructural típico de bajo contenido de carbono, la estructura inicial suele contener ferrita y perlita. Cerca de la composición eutectoide, las colonias de perlita comienzan a transformarse en Ac1. A aproximadamente 0,8 % en peso de carbono y 723 °C, la reacción eutectoide de equilibrio es γ → α + Fe₃C, según el material Ciencia de los materiales y metalurgia (2002), de la University of Cambridge. El calentamiento invierte dicha reacción: la ferrita y la cementita presentes en la perlita se consumen para formar austenita.

La transformación no ocurre como un frente perfectamente definido. La austenita nuclea en las interfaces ferrita–cementita, en los límites de las colonias de perlita y en otros sitios de alta energía. A continuación, crece hacia la ferrita circundante. Puesto que el carbono se difunde mucho más rápidamente a través de la austenita que los elementos de aleación sustitucionales, la concentración de carbono se vuelve irregular durante la etapa inicial. La ferrita restante solo se disuelve a medida que la temperatura aumenta hacia Ac3. Por debajo de Ac3, la mezcla está constituida por austenita y ferrita proeutectoide; por encima de Ac3, la matriz es austenita.

Un acero hipereutectoide sigue una trayectoria diferente. La perlita se transforma después de Ac1, pero la cementita proeutectoide permanece alrededor de los límites de los antiguos granos de austenita o dentro de la estructura. La austenita no queda completamente establecida hasta que la temperatura supera Accm y la cementita se ha disuelto suficientemente. Por tanto, un calentamiento apenas por encima de Ac1 puede dejar austenita con una fracción considerable de cementita. Es incorrecto denominar a esa condición “completamente austenitizada”.

En el hierro puro, los datos de equilibrio de fases de Cambridge sitúan la austenita cúbica centrada en las caras entre aproximadamente 910 y 1400 °C, con una fusión cercana a 1539 °C. El acero no sigue esos límites del hierro puro: el carbono y los elementos de aleación desplazan las fronteras, y el calentamiento industrial suele producirse lejos del equilibrio. La cuestión práctica no es simplemente si un horno alcanzó una temperatura indicada en una tabla. Lo importante es si las fases requeridas tuvieron tiempo de transformarse en toda la sección.

Disolución del carbono y redistribución de carburos

El carbono debe abandonar la cementita y difundirse a través de la austenita en crecimiento. Una estructura perlítica fina suele transformarse más rápidamente que una perlita gruesa porque proporciona una mayor superficie de interfaces ferrita–cementita y distancias de difusión más cortas. La deformación en frío previa, el tamaño de grano, la segregación y un tratamiento de revenido anterior también modifican los sitios de nucleación y las velocidades de disolución.

Después de Ac1, la austenita recién formada puede contener menos carbono que el valor de equilibrio a esa temperatura, mientras que las regiones próximas a la cementita en disolución contienen más. El mantenimiento permite la redistribución del carbono. Un tiempo insuficiente puede dejar cementita sin disolver, austenita pobre en carbono o gradientes locales de composición. Una temperatura o un tiempo de mantenimiento excesivos pueden aumentar el tamaño de los antiguos granos de austenita incluso cuando la disolución ya se ha completado.

Los carburos de aleación hacen que el proceso sea más lento. Los carburos que contienen cromo, molibdeno, vanadio, niobio y titanio pueden permanecer estables muy por encima de la temperatura necesaria para disolver el Fe₃C ordinario. Su persistencia puede ser intencionada, pero significa que una “temperatura de austenización” nominal no garantiza que todas las partículas que contienen carbono hayan entrado en solución. El carbono y los átomos sustitucionales también se segregan durante la colada y el procesamiento previo, por lo que las temperaturas locales de transformación pueden diferir dentro de un mismo componente.

Efecto del silicio y de las adiciones de aleación

El silicio es un ejemplo claro de por qué la composición debe acompañar a cualquier temperatura de transformación. ASM International informa que el silicio eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. Por tanto, en los aceros aleados con silicio, la estabilidad de la cementita y la partición del carbono difieren de las del acero al carbono simple. El resultado puede ser un límite práctico de calentamiento más elevado, una disolución de carburos modificada y una mayor tendencia del carbono a permanecer distribuido entre la austenita y otros constituyentes durante el ciclo térmico.

El manganeso generalmente reduce las temperaturas críticas de transformación y aumenta la templabilidad, mientras que el níquel estabiliza la austenita, y el cromo, el molibdeno, el vanadio, el niobio y el titanio pueden formar carburos o nitruros estables. El efecto combinado no puede inferirse a partir de un único elemento considerado de forma aislada. La velocidad de calentamiento también es importante: un calentamiento rápido puede producir valores de Ac observados más elevados porque la difusión y la nucleación se retrasan con respecto a la temperatura del horno.

La austenita resultante controla la transformación posterior. Durante el enfriamiento, puede formar perlita, bainita, ferrita proeutectoide, cementita proeutectoide o martensita, dependiendo de la composición y de la trayectoria de enfriamiento. El informe de NIST Características de transformación en enfriamiento continuo del acero SAE 1141 (1990) muestra por qué se utiliza un diagrama CCT para estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. La formación de austenita es la condición inicial, no una garantía de una estructura final determinada.

Productos de enfriamiento: perlita, bainita, martensita y fases proeutectoides

La austenita no tiene un único producto inevitable de enfriamiento. El resultado depende del contenido de carbono y de elementos de aleación, del tamaño de grano de la austenita previa, de las condiciones de calentamiento, de la velocidad de enfriamiento y del tiempo de permanencia a cada temperatura. ASM International identifica la perlita, la bainita, la martensita, la ferrita proeutectoide y la cementita proeutectoide como productos principales de la transformación de la austenita. Estos nombres no describen todos el mismo tipo de entidad: la ferrita y la cementita son fases; la perlita y la bainita son productos de transformación que contienen más de una fase; y la martensita es una fase sobresaturada formada mediante un mecanismo diferente.

La conocida reacción eutectoide ilustra esta distinción. La University of Cambridge, Ciencia e Ingeniería de Materiales y Metalurgia (2002), sitúa la reacción aproximadamente en 0,8 % en peso de carbono y 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

Aquí, γ es austenita cúbica centrada en las caras, α es ferrita cúbica centrada en el cuerpo y Fe₃C es cementita ortorrómbica, tal como se describe en Interpretación de la microestructura de los aceros (2008), de Cambridge. La temperatura es una referencia de equilibrio, no un punto universal de cambio. La transformación real puede comenzar por debajo o por encima de ella, dependiendo de la trayectoria térmica y de la composición.

La perlita como producto reconstructivo controlado por difusión

La perlita se forma cuando la austenita se descompone cooperativamente en ferrita y cementita alternadas. El carbono debe redistribuirse: la ferrita solo puede disolver una pequeña cantidad de carbono, mientras que la cementita admite una cantidad mucho mayor. La red de hierro también se reconstruye, pasando de la disposición cúbica centrada en las caras de la austenita a la estructura de ferrita cúbica centrada en el cuerpo. Por tanto, se trata de una transformación reconstructiva controlada por difusión, y no de un simple cambio de forma de la red existente.

El carácter cooperativo es importante. La formación de ferrita expulsa carbono hacia la austenita cercana, aumentando la concentración local de carbono y favoreciendo la formación de cementita a su lado. A su vez, la formación de cementita genera condiciones que permiten el crecimiento de la ferrita adyacente. Las colonias resultantes contienen láminas cuya separación depende en gran medida de la temperatura de transformación. Por lo general, las temperaturas de transformación más altas producen perlita más gruesa; las temperaturas más bajas producen perlita más fina porque la distancia de difusión disponible es menor. La velocidad de enfriamiento modifica no solo la temperatura de inicio, sino también la separación, la fracción y la morfología del producto.

En los aceros hipoeutectoides, la ferrita proeutectoide se forma antes de que la austenita restante alcance la composición eutectoide. Crece preferentemente a lo largo de los límites de grano de la austenita previa y extrae carbono de la austenita no transformada, haciendo que esta se enriquezca progresivamente en carbono. En los aceros hipereutectoides, se forma en cambio cementita proeutectoide, comúnmente a lo largo de los límites de grano de la austenita, mientras que la austenita restante se vuelve menos rica en carbono con respecto a la aleación original antes de transformarse en perlita. Por tanto, la estructura final puede contener ferrita más perlita, o cementita más perlita, en lugar de perlita únicamente.

Los términos Ae1, Ae3 y Aecm describen límites de equilibrio: Ae1 es el límite eutectoide; Ae3 separa la austenita de la austenita más ferrita proeutectoide en composiciones adecuadas; y Aecm marca el límite correspondiente de la cementita. Las temperaturas críticas de calentamiento y enfriamiento no tienen por qué coincidir. ASM International, en Intervalos de temperaturas críticas (2024), afirma que, para un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores de enfriamiento. La cinética y la histéresis térmica no son errores del diagrama de fases; forman parte de la transformación.

La bainita y la condición T₀

La bainita ocupa la zona intermedia que a menudo queda oculta por los diagramas simplificados. Su crecimiento es sin difusión con respecto a la red de hierro: los átomos de hierro se desplazan de manera coordinada y displaciva, en lugar de difundirse individualmente a lo largo de grandes distancias. Sin embargo, el carbono no deja de ser relevante. La ferrita sobresaturada formada durante el cambio inicial de la red debe redistribuir el carbono, normalmente hacia la austenita o hacia un carburo, dependiendo de la composición del acero y de las condiciones de transformación. En consecuencia, la bainita no es ni perlita con una separación más fina ni martensita formada a una temperatura más alta.

Temperatura T₀Temperatura T₀ Temperatura a la que la austenita y la ferrita bainítica de composición idéntica tienen la misma energía libre; por debajo de ella, la transformación bainítica especificada está permitida termodinámicamente.

La University of Cambridge, La reacción bainítica (2024), describe el crecimiento de la bainita como un proceso sin difusión con respecto a la red de hierro y termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀. T₀ es la temperatura a la que la austenita y la ferrita bainítica de composición química idéntica tienen la misma energía libre. Por debajo de T₀, la ferrita bainítica con esa composición inalterada tiene una energía libre menor que la austenita, por lo que el paso displacivo está termodinámicamente permitido. Por encima de T₀, la transformación con la misma composición carece de esa fuerza impulsora.

Esta condición no significa que todas las aleaciones se transformen en bainita en cuanto cruzan T₀. Las barreras de nucleación, la partición del carbono, la precipitación de carburos, las adiciones de elementos de aleación, los defectos y el tiempo disponible influyen en la reacción. La estructura bainítica final puede incluir ferrita y carburos, y su aspecto depende de si la formación de carburos ocurre entre las placas de ferrita o se ve inhibida por la composición y el procesamiento. El silicio, por ejemplo, eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro; estos efectos modifican la trayectoria y el producto, en lugar de limitarse a desplazar una única temperatura fija.

Un diagrama de transformación tiempo-temperatura muestra estos límites cinéticos mediante curvas en C. Un diagrama de transformación en enfriamiento continuo proporciona una respuesta diferente porque la probeta atraviesa distintas temperaturas mientras prosigue la transformación. El NIST, en Características de la transformación en enfriamiento continuo del acero SAE 1141 (1990), señala que un diagrama CCT puede estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. Ese uso predictivo explica por qué una velocidad de enfriamiento no puede sustituirse por una única «temperatura de la bainita».

La martensita como transformación displaciva atérmica

La martensita se forma mediante un cizallamiento y un reordenamiento coordinados de la red de austenita. Es displaciva: los átomos de hierro se desplazan pequeñas distancias sin la difusión química de largo alcance necesaria para formar perlita. El carbono queda atrapado en la red transformada, lo que produce sobresaturación y distorsión. En el acero al carbono, la martensita resultante suele describirse como una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, aunque su tetragonalidad varía con el contenido de carbono y con el revenido.

La martensita comienza a formarse a la temperatura de inicio de la martensita, Ms, cuando la trayectoria de enfriamiento proporciona una fuerza impulsora suficiente para la nucleación. La transformación se denomina atérmica porque la cantidad formada depende principalmente de la temperatura alcanzada, no del tiempo de permanencia a una temperatura fija. Por tanto, Ms es una temperatura de transformación, no una garantía de que toda la austenita se haya transformado. Un enfriamiento adicional generalmente genera más martensita, pero parte de la austenita puede permanecer a temperatura ambiente.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

Mf, la temperatura de finalización de la martensita, presenta la misma limitación. Marca un intervalo extrapolado o medido de finalización de la reacción martensítica en condiciones especificadas, no una promesa absoluta de que no exista austenita retenida. El Diagrama de transformación tiempo-temperatura del acero (2012), de Cambridge, muestra específicamente que el carbono afecta a Ms, Mf y a las fracciones de austenita retenida. Los elementos de aleación y las transformaciones previas también desplazan el resultado.

Un enfriamiento rápido puede suprimir los productos reconstructivos y permitir la formación de martensita, pero «rápido» depende del grado de acero. El diagrama CCT de un acero puede mostrar perlita o bainita antes de Ms a una velocidad de enfriamiento y martensita a otra. Por tanto, la selección de fases sigue toda la historia térmica: las temperaturas de equilibrio identifican estados posibles, los diagramas TTT describen la cinética isotérmica y los diagramas CCT describen el enfriamiento continuo real. La temperatura por sí sola nunca cuenta toda la historia microestructural.

Diagramas TTT: qué pueden y qué no pueden mostrar los datos de transformación isotérmica

Un diagrama de transformación tiempo-temperatura (TTT) registra lo que sucede cuando la austenita se lleva a una temperatura seleccionada y se mantiene allí. No es una tabla universal de temperaturas de transformación fijas. Las curvas se aplican a una composición de acero determinada, a un tratamiento de austenización, a un tamaño de grano previo y a una definición experimental concreta del inicio y el final de la transformación.

Para construir el diagrama, primero se calienta una probeta lo suficiente dentro del campo de la austenita como para producir la estructura γ requerida. Después se templa rápidamente hasta una temperatura de mantenimiento elegida. El temple debe evitar la transformación durante el descenso de temperatura. A la temperatura de mantenimiento, la probeta se conserva isotérmicamente mientras se detectan los cambios de su estructura mediante dilatometría, metalografía, respuesta magnética u otra medición. El momento en que la transformación se vuelve detectable se representa como un punto de inicio; el momento en que se considera que la fracción seleccionada se ha completado se representa como un punto final. La repetición del procedimiento a muchas temperaturas produce las curvas conocidas.

El resultado permite separar los productos de transformación, las fases y las temperaturas. La austenita es una fase: hierro γ de estructura cúbica centrada en las caras que contiene carbono y elementos de aleación. La perlita y la bainita son productos de transformación que normalmente consisten en ferrita más carburo, dispuestos de maneras diferentes. La martensita también es un producto de transformación, formado a partir de la austenita mediante un cambio displacivo de la red cristalina. En la reacción eutectoide, cerca de 0,8 % en peso de carbono y 723 °C, la austenita cambia según γ → α + Fe₃C, tal como describe la Universidad de Cambridge (2002). Cambridge identifica la ferrita como cúbica centrada en el cuerpo y la cementita como Fe₃C ortorrómbica.

Lectura de las curvas en C

La temperatura se sitúa en el eje vertical y el tiempo, normalmente logarítmico, en el eje horizontal. El acero se austeniza, se enfría rápidamente hasta un punto del diagrama y después se mantiene horizontalmente. Si esa línea horizontal intersecta primero una curva de inicio de transformación a 650 °C, el tiempo transcurrido hasta dicha intersección es el período de incubación previo a la transformación detectable. El mantenimiento continuado lleva la estructura hacia la curva final correspondiente. La región entre las dos curvas representa una mezcla de austenita no transformada y producto de transformación, no una fase única con una temperatura definida con precisión.

Las curvas suelen curvarse hacia tiempos cortos a una temperatura intermedia, formando una «nariz». La transformación es más rápida cerca de esta nariz porque la fuerza impulsora es considerable, mientras que el movimiento atómico sigue siendo suficientemente rápido. A temperaturas más altas, la menor fuerza impulsora ralentiza la nucleación; a temperaturas más bajas, la difusión reducida ralentiza el proceso de crecimiento. Por tanto, la nariz indica una condición de tiempo y temperatura, no una única temperatura crítica.

Un mantenimiento horizontal por encima del intervalo pertinente puede producir perlita gruesa; un mantenimiento a menor temperatura puede producir perlita más fina o bainita, dependiendo de la composición y del diagrama. Los límites exactos varían con el carbono, el manganeso, el cromo, el molibdeno, el silicio, el tamaño de grano de la austenita previa y la práctica de austenización. El silicio, por ejemplo, eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. Además, las temperaturas críticas de calentamiento y enfriamiento no tienen por qué coincidir: ASM International (2024) informa de que, durante un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes al enfriamiento.

Una curva TTT no puede transferirse directamente a un componente que se enfría de forma continua. Un horno, un baño de aceite, una soldadura o una sección gruesa siguen una trayectoria inclinada de temperatura-tiempo, en lugar de un mantenimiento horizontal. Durante esa trayectoria, el material puede atravesar temperaturas en las que comienza la transformación, pero el tiempo disponible cambia continuamente. Un diagrama de transformación durante el enfriamiento continuo (CCT) es la herramienta adecuada para ese problema. El estudio de NIST (1990) sobre el acero SAE 1141 utiliza datos CCT para estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, así como las propiedades de resistencia, dureza, maquinabilidad y fatiga. Un diagrama TTT aún puede proporcionar orientación, pero su aplicación al enfriamiento continuo requiere una justificación, a menudo mediante curvas de enfriamiento calculadas o datos CCT determinados experimentalmente.

Regiones de transformación reconstructiva y displaciva

Las curvas en C separadas de muchos diagramas de acero reflejan mecanismos diferentes, no simplemente nombres distintos para el mismo fenómeno. Las transformaciones reconstructivas requieren que los átomos atraviesen interfaces y se reordenen mediante procesos que implican difusión. La perlita es el ejemplo estándar: la ferrita y la cementita se forman mientras el carbono se redistribuye y la red de hierro cambia de regiones austeníticas a regiones ferríticas. La ferrita proeutectoide o la cementita proeutectoide también pertenecen a esta familia controlada por difusión cuando se forman antes de la reacción eutectoide.

La bainita ocupa una región diferente. The Bainite Reaction (2024), de Cambridge, afirma que el crecimiento de la bainita es sin difusión con respecto a la red de hierro y que es termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀, donde la bainita de la misma composición tiene una energía libre menor que la austenita. Por tanto, la transformación combina un cambio displacivo en la red de hierro con procesos de redistribución o precipitación del carbono que determinan la estructura bainítica final. No debe considerarse simplemente «perlita fina».

La martensita se forma cuando la austenita se enfría con suficiente rapidez para suprimir las transformaciones reconstructivas. Su red cambia mediante un desplazamiento coordinado, prácticamente sin difusión de largo alcance durante la formación. En consecuencia, la región de la martensita se representa mediante temperaturas, en lugar de las curvas ordinarias dependientes del tiempo.

Ms, Mf y austenita retenida

Ms, la temperatura de inicio de la martensita, se alcanza cuando el enfriamiento de la austenita permite que comience a formarse martensita. La transformación es atérmica en el intervalo pertinente: la cantidad formada depende principalmente de la temperatura alcanzada, no del tiempo de mantenimiento a una temperatura fija. Mf, la temperatura final de la martensita, es la temperatura nominal a la que se completa la transformación martensítica definida.

Mf puede situarse por debajo de la temperatura ambiente. En ese caso, el enfriamiento hasta la temperatura ambiente deja una parte de la austenita sin transformar. Se trata de austenita retenida, no de una fase de equilibrio independiente seleccionada mediante una simple consulta de temperatura. Es una consecuencia de la composición y de la trayectoria de enfriamiento, y su cantidad puede cambiar durante el revenido posterior, el servicio o la deformación.

El carbono ejerce un efecto importante sobre las tres magnitudes. El material TTT de la Universidad de Cambridge (2012) muestra que el carbono afecta a Ms, Mf y a la fracción de austenita retenida: el aumento del carbono generalmente reduce Ms y Mf e incrementa la fracción de austenita que permanece después de un tratamiento de enfriamiento determinado. Los elementos de aleación y el procesamiento previo también modifican el resultado. Por tanto, una línea marcada como Ms en un diagrama pertenece a ese acero y a sus condiciones de ensayo; no puede copiarse sin más en otro tipo de acero o componente.

Diagramas CCT y la realidad de las trayectorias de enfriamiento industrial

Enfriamiento continuo a través de los intervalos de transformación

Un diagrama de transformación-tiempo-temperatura (TTT) describe lo que ocurre cuando la austenita se mantiene a una temperatura seleccionada. Esta condición resulta útil para estudiar reacciones isotérmicas, pero no representa el historial térmico habitual de un componente de acero. Las piezas forjadas salen de la matriz y pierden calor continuamente. Los productos laminados se enfrían a través de un campo de temperatura cambiante. Los aceros normalizados y recocidos atraviesan intervalos de transformación durante el enfriamiento en horno o al aire, mientras que las piezas templadas suelen cruzar esos intervalos rápidamente antes de alcanzar la temperatura de inicio de la martensita, Ms.

Por tanto, un diagrama de transformación en enfriamiento continuo (CCT) suele ser el mapa más práctico. Sus límites de inicio y final de transformación se representan frente a una temperatura que desciende continuamente. Una curva de enfriamiento trazada sobre el diagrama muestra cuándo, y durante cuánto tiempo, la austenita ocupa el intervalo de temperatura en el que puede formarse un producto determinado. La curva puede entrar en una región de inicio de formación de ferrita, continuar hacia la formación de perlita, atravesar la región de bainita y, finalmente, cruzar Ms, de modo que la austenita restante se transforme en martensita. Por consiguiente, la estructura final puede ser una mezcla, en lugar de una única fase o producto de transformación con una denominación específica.

La distinción es importante porque la ferrita, la perlita, la bainita y la martensita no se forman mediante el mismo mecanismo. La ferrita o la cementita proeutectoides pueden formarse antes de la reacción eutectoide en aceros hipoeutectoides o hipereutectoides. Cerca de la composición eutectoide, aproximadamente 0,8 % en peso de carbono y 723 °C, la austenita experimenta la transformación γ → α + Fe₃C, según el material Materials Science & Metallurgy de la University of Cambridge (2002). Aquí, α es ferrita y Fe₃C es cementita. Interpretation of the Microstructure of Steels de Cambridge (2008) identifica la austenita como cúbica centrada en las caras, la ferrita como cúbica centrada en el cuerpo y la cementita como Fe₃C ortorrómbico.

A temperaturas más bajas, puede formarse bainita mediante una transformación que es por difusión respecto de la red de hierro, aunque la redistribución del carbono sigue siendo importante para la reacción y sus productos. The Bainite Reaction de Cambridge (2024) señala que el crecimiento de la bainita es termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀, donde la bainita tiene una energía libre menor que la austenita de composición idéntica. Si el enfriamiento es suficientemente rápido, los productos controlados por difusión pueden evitarse. La red de austenita cambia entonces de forma displaciva a martensita, comenzando en Ms; la formación de martensita es atérmica, por lo que la cantidad formada depende principalmente de cuánto descienda la temperatura por debajo de Ms y no del tiempo de permanencia a una temperatura determinada.

Una curva CCT tampoco es una propiedad universal del «acero». La temperatura de austenización, el tiempo de permanencia, la estructura previa de ferrita-perlita o bainítica, el tamaño de grano, el contenido de elementos de aleación y el medio de enfriamiento afectan al resultado. El silicio, por ejemplo, eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. Incluso las temperaturas críticas medidas durante el calentamiento y el enfriamiento no tienen por qué coincidir: Critical Temperature Ranges de ASM International (2024) informa de que, durante un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C más altas que los valores correspondientes de enfriamiento.

El ejemplo del SAE 1141

El informe del National Institute of Standards and Technology Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) ofrece un ejemplo aplicado útil. El SAE 1141 es un acero de medio carbono resulfurado, designado habitualmente mediante la designación de grado SAE/AISI 1141. Su adición de azufre mejora el comportamiento de mecanizado, pero el grado sigue respondiendo a la interacción conjunta entre el contenido de carbono, el estado de la austenita, la velocidad de enfriamiento y la geometría de la sección.

En el trabajo del NIST, los datos CCT se utilizan para relacionar las trayectorias de enfriamiento de la austenita con la estructura a temperatura ambiente, en lugar de asignar una única temperatura de transformación al grado. Una trayectoria relativamente lenta puede intersectar las regiones de ferrita y perlita antes de alcanzar temperaturas más bajas. Una trayectoria más rápida puede suprimir parte o la totalidad de esas reacciones, entrar en una región de bainita o evitar la transformación por difusión hasta cruzar Ms y formar martensita. Si la curva de enfriamiento intersecta más de una región de inicio, el acero resultante puede contener ferrita proeutectoide más perlita, perlita más bainita, bainita más martensita o varios productos conjuntamente. La austenita que permanezca sin transformar cuando se detenga el enfriamiento puede persistir como austenita retenida.

Esta última fracción no es un detalle menor. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel de Cambridge (2012) identifica específicamente el carbono como un factor que afecta a Ms, al final de la transformación martensítica, Mf, y a la fracción de austenita retenida. Si el acero se enfría únicamente hasta una temperatura superior a Mf, puede permanecer cierta cantidad de austenita. Posteriormente, esta puede transformarse durante el servicio, el mecanizado o un tratamiento térmico posterior, modificando las dimensiones y las tensiones.

El estudio del SAE 1141 realizado por NIST expone directamente el aspecto práctico: un diagrama CCT de un acero puede utilizarse para estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. Esas predicciones son estimaciones y no sustituyen la comprobación del ciclo térmico y de la sección reales. Una curva de enfriamiento superficial puede pasar muy a la izquierda de los límites de transformación, mientras que el centro se enfría más lentamente y forma ferrita y perlita. Por tanto, una misma pieza puede presentar una capa superficial martensítica dura y un núcleo mixto más blando.

Templabilidad, tamaño de sección y predicción de propiedades

La templabilidad se confunde con frecuencia con la dureza. Son mediciones diferentes. La dureza describe la resistencia a la indentación o a la deformación en una condición determinada. La templabilidad describe la capacidad de un acero para formar martensita, así como la profundidad hasta la que puede hacerlo, bajo un tratamiento de austenización y una condición de enfriamiento especificados. A un acero con alta templabilidad no se le asigna un único valor universal de dureza. Su dureza sigue dependiendo del contenido de carbono, de la fracción de martensita, del revenido y de la velocidad de enfriamiento local.

El tamaño de la sección modifica esa velocidad de enfriamiento. Una barra delgada puede enfriarse con suficiente rapidez en toda su sección transversal como para evitar la formación de ferrita y perlita. En una pieza forjada gruesa, el calor almacenado en el centro ralentiza la curva de enfriamiento, permitiendo que esta entre en regiones de inicio de transformación que la superficie evita. El centro puede contener entonces bainita o perlita, mientras que la superficie contiene martensita. Este gradiente térmico también genera diferencias en el cambio de volumen y en la tensión de transformación, lo que puede contribuir a la distorsión, al agrietamiento por temple y a las tensiones residuales.

Por tanto, la interpretación de un diagrama CCT debe comenzar con el proceso real: temperatura y tiempo de austenización, contacto con el horno o la matriz, retraso en la transferencia, medio de enfriamiento, agitación, orientación de la pieza y espesor local de la sección. Los productos previstos proporcionan después una vía para estimar las propiedades. La ferrita y la perlita gruesa generalmente reducen la resistencia y la dureza, al tiempo que mejoran la maquinabilidad en comparación con la martensita sin revenir; la bainita ocupa una posición intermedia y muy dependiente de las condiciones; la martensita aumenta la dureza y la resistencia, pero puede reducir la tenacidad si no se reviene. Las mezclas y los gradientes también afectan a la fatiga, porque la dureza local, las tensiones residuales, las inclusiones y la austenita retenida modifican la iniciación y el crecimiento de las grietas. Una consulta de temperatura no puede captar esos efectos. Una trayectoria de enfriamiento sí.

Por qué las temperaturas de transformación varían entre los aceros y los procesos

Una temperatura de transformación no es un valor universal que pueda consultarse para el “acero”. Identifica una condición bajo la cual un cambio de fase particular se vuelve posible o detectable para una composición y una trayectoria térmica especificadas. El resultado también depende de si el diagrama describe el equilibrio, un mantenimiento isotérmico o un enfriamiento continuo. La perlita, la bainita, la martensita, la ferrita proeutectoide y la cementita proeutectoide son productos de transformación diferentes, no nombres intercambiables para una única temperatura.

Contenido de carbono y composición de la aleación

El carbono modifica tanto los límites de equilibrio como los productos que se forman durante el enfriamiento. En el sistema hierro-carbono, la reacción eutectoide se produce aproximadamente con un 0,8 % en peso de carbono y a 723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

La obra Materials Science & Metallurgy (2002), de la University of Cambridge, presenta esta reacción de transformación de la austenita en ferrita y cementita. La austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras, la ferrita tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo y la cementita es Fe₃C ortorrómbico, según se describe en Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), de Cambridge. La modificación del contenido de carbono desplaza la composición y la temperatura eutectoides y cambia qué fase aparece antes de la reacción eutectoide. Los aceros hipoeutectoides pueden formar ferrita proeutectoide; los aceros hipereutectoides pueden formar cementita proeutectoide.

El carbono también modifica la temperatura a la que comienza la formación de martensita, Ms, y la temperatura a la que la transformación martensítica se completa sustancialmente, Mf. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel (2012), de Cambridge, identifica específicamente el carbono como un factor que afecta a Ms, Mf y a la fracción de austenita retenida. El aumento del contenido de carbono generalmente reduce Ms y Mf. Si Mf desciende por debajo de la temperatura ambiente, puede quedar parte de la austenita sin transformar. Esta austenita retenida no demuestra que el acero no haya alcanzado una única “temperatura de temple” fija; refleja la composición y la temperatura final de enfriamiento.

El mecanismo es importante. La perlita y los productos proeutectoides requieren redistribución del carbono y están controlados por la difusión. La martensita se forma mediante un cambio displacivo rápido, que permite la transformación de la red cristalina del hierro sin la difusión de largo alcance del carbono necesaria para la formación de cementita. La bainita ocupa una posición intermedia: The Bainite Reaction (2024), de Cambridge, afirma que su crecimiento no implica difusión con respecto a la red cristalina del hierro y que es termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀, donde la bainita de la misma composición tiene una energía libre menor que la austenita.

Los elementos de aleación pueden desplazar estas relaciones, pero sus efectos no deben considerarse idénticos. El silicio proporciona un ejemplo documentado. ASM International afirma que el silicio eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. En consecuencia, los aceros que contienen silicio no pueden interpretarse mediante un diagrama hierro-carbono de acero al carbono simple sin modificaciones. Esto no justifica aplicar una única corrección a todos los elementos de aleación: cada elemento modifica la estabilidad de las fases, la difusión, la química de los carburos o una combinación de estos factores.

Histéresis durante el calentamiento y el enfriamiento

La temperatura registrada durante el calentamiento no tiene por qué ser igual a la registrada durante el enfriamiento. Durante el calentamiento, la ferrita y la cementita deben disolverse, y la austenita debe nuclearse y crecer; esto requiere activación térmica y tiempo. Durante el enfriamiento, la austenita se descompone mediante un proceso diferente de nucleación y crecimiento. Por tanto, la transformación presenta histéresis, incluso cuando el horno cambia de temperatura lentamente.

ASM International, en Critical Temperature Ranges (2024), afirma que, en condiciones de enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes durante el enfriamiento. Se trata de una afirmación cuantificada de la fuente, no de un margen universal aplicable a todos los ciclos de horno o a todas las aleaciones. Un calentamiento más rápido puede aumentar el sobrepaso aparente, porque la difusión y la nucleación se retrasan con respecto a la temperatura medida. Un temple rápido puede suprimir la perlita y la bainita durante el tiempo suficiente para que se forme martensita, mientras que un mantenimiento isotérmico puede producir una transformación a una temperatura que no correspondería al punto de inicio en un diagrama de enfriamiento continuo.

Esta distinción separa las temperaturas de equilibrio, como Ae1, Ae3 y Aecm, de las temperaturas prácticas Ac y Ar medidas durante el calentamiento y el enfriamiento. Un diagrama TTT describe la transformación durante un mantenimiento isotérmico posterior a la austenización. Un diagrama CCT sigue una temperatura que cambia continuamente. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990), de NIST, utiliza datos CCT para estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. Por tanto, una curva CCT es un mapa del proceso, no un sustituto de los datos de equilibrio de fases.

Tamaño de grano de la austenita previa, tiempo y gradientes térmicos

El tiempo de austenización modifica más aspectos de lo que sugiere la lectura del termómetro. Un mantenimiento suficientemente prolongado puede disolver los carburos, homogeneizar el carbono y permitir el crecimiento de los granos de austenita. Un tiempo insuficiente puede dejar carburos sin disolver o regiones ricas y pobres en carbono, de modo que diferentes partes del mismo componente comiencen el enfriamiento con distintas tendencias de transformación. Un tiempo excesivo suele producir granos más gruesos de austenita previa, lo que reduce el área total de límites de grano disponible para la nucleación y a menudo retrasa las transformaciones controladas por difusión.

En consecuencia, el tamaño de grano de la austenita previa altera la cinética, en lugar de crear una nueva composición de equilibrio. Los granos finos proporcionan más sitios de nucleación y pueden favorecer la formación temprana de ferrita o perlita durante el enfriamiento. Los granos gruesos pueden aumentar la templabilidad al retrasar esos productos nucleados en los límites de grano, permitiendo que una fracción mayor de la austenita alcance las condiciones de formación de bainita o martensita. El desplazamiento preciso depende del carbono, de la composición de la aleación, del estado de los límites de grano y de la velocidad de enfriamiento.

Los componentes reales rara vez siguen uniformemente el programa del horno. Una sección gruesa pierde calor por su superficie mientras su núcleo permanece caliente, lo que produce diferentes velocidades de enfriamiento a través de la sección. La uniformidad de la temperatura del horno, la disposición de la carga, el contacto con los soportes y la oxidación superficial afectan además a la historia térmica real. La superficie puede atravesar una región de perlita o bainita mientras el núcleo aún se encuentra por encima de ella; posteriormente, el núcleo puede transformarse con una velocidad de enfriamiento menor que la de la superficie. Por ello, un único tratamiento térmico nominal puede producir ferrita, perlita, bainita, martensita y austenita retenida en distintas ubicaciones. La temperatura importa, pero la trayectoria seguida a través de las temperaturas determina qué producto de transformación aparece.

Normas de lectura, designaciones de grado y terminología de las transformaciones

SAE 1141 y los límites de los diagramas específicos de cada grado

Un diagrama de transformación es un registro correspondiente a una composición y a una trayectoria térmica definida, no una tabla universal de temperaturas. Un diagrama CCT identificado como SAE 1141 se aplica a la composición química, el tratamiento de austenización, el tamaño de la probeta y el método de ensayo utilizados para elaborar dicho diagrama. No debe volver a etiquetarse como “el diagrama de los aceros al carbono” y, mucho menos, aplicarse sin las debidas precisiones a acero de baja aleación, acero inoxidable o acero para herramientas.

La distinción es importante porque los elementos de aleación modifican la estabilidad de las fases, las velocidades de difusión, la formación de carburos y la cinética de transformación. El carbono modifica el intervalo de transformación de austenita a martensita y la fracción de austenita retenida; el documento de 2012 de la University of Cambridge, Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel, identifica específicamente efectos sobre Ms, Mf y las fracciones de austenita retenida. Según Critical Temperature Ranges, publicado por ASM International en 2024, el silicio eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. El níquel, el cromo, el molibdeno y el manganeso pueden desplazar las curvas de transformación y retrasar la formación de productos de difusión. Un grado inoxidable también puede contener campos de fases de ferrita, austenita o fases intermetálicas ausentes en un diagrama de acero al carbono simple, mientras que los aceros para herramientas pueden formar carburos de aleación que modifican tanto los productos de transformación en equilibrio como los observados.

Incluso la conocida referencia basada únicamente en el hierro es específica de una composición. Stainless Steels: Phase Equilibria, de Cambridge (2005), sitúa la austenita cúbica centrada en las caras del hierro puro aproximadamente entre 910 y 1400 °C y proporciona una temperatura de fusión aproximada de 1539 °C. Estos valores no definen las temperaturas críticas de SAE 1141. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel, de NIST (1990), muestra el uso adecuado de un diagrama CCT específico de un grado: estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga bajo condiciones de enfriamiento especificadas.

Por tanto, toda temperatura citada debe ir acompañada de sus evidencias. Deben indicarse la designación del grado y la norma, la base de composición —nominal, análisis de colada o composición medida—, además de la microestructura inicial, la temperatura de austenización y el tiempo de mantenimiento, la velocidad de calentamiento o enfriamiento, la geometría de la probeta, el tipo de diagrama y el método de medición. La dilatometría, el análisis térmico diferencial, la medición de la resistencia eléctrica y la interrupción para el examen metalográfico pueden producir temperaturas aparentes de inicio y finalización diferentes.

Notación Ae, Ac, Ar, Ms, Mf y Aecm

El prefijo Ae denota una temperatura de transformación en equilibrio. Así, Ae1 es el límite eutectoide en condiciones de equilibrio, y Ae3 es el límite superior asociado con la formación de ferrita a partir de austenita en acero hipoeutectoide. Aecm identifica el límite de equilibrio entre austenita y cementita en el lado rico en carbono. El subíndice “cm” se refiere a la cementita, Fe₃C.

La composición aproximadamente eutectoide es de 0,8 % en peso de carbono. A unos 723 °C, el material de 2002 de la University of Cambridge, Materials Science & Metallurgy, proporciona la reacción γ → α + Fe₃C. Aquí, γ es austenita y α es ferrita. Esta ecuación describe las fases en equilibrio; no afirma que todo acero enfriado atravesando los 723 °C forme perlita.

El prefijo Ac se refiere a una temperatura crítica medida durante el calentamiento, mientras que Ar se refiere a una medida durante el enfriamiento. Ac1 y Ar1 pueden diferir porque la nucleación, la disolución, la difusión y el desfase térmico dependen de la velocidad y de la estructura inicial. ASM International informa de que, durante un enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes al enfriamiento. Ms es la temperatura de inicio de la martensita durante el enfriamiento, y Mf es la temperatura de finalización de la martensita. La martensita es un producto displacivo y, en gran medida, sin difusión; un enfriamiento insuficiente por debajo de Mf puede dejar austenita retenida. Los diagramas TTT suelen marcar Ms, mientras que los diagramas CCT muestran cómo el enfriamiento continuo atraviesa las regiones de perlita, bainita y martensita.

Fases, constituyentes e información microestructural

Una fase es una parte de un material física y químicamente distinta, con una estructura definida y un intervalo de composición determinado. Interpretation of the Microstructure of Steels, de Cambridge (2008), identifica la austenita como cúbica centrada en las caras, la ferrita como cúbica centrada en el cuerpo y la cementita como Fe₃C ortorrómbica. Un campo de fases en un diagrama de equilibrio predice qué fases son estables para una composición y una temperatura determinadas. No es una fotografía ni especifica el tamaño de las partículas, su separación, su morfología o la velocidad de transformación.

Un constituyente es un producto o agregado microestructural observado. La perlita es habitualmente un agregado de ferrita y cementita; la bainita contiene regiones ferríticas y configuraciones de carburos producidas por un mecanismo de transformación distinto; la martensita es ferrita transformada sobresaturada, con una morfología y un estado de carbono característicos. ASM International considera la perlita, la bainita, la martensita, la ferrita proeutectoide y la cementita proeutectoide como los principales productos de transformación de la austenita, tanto en condiciones isotérmicas como de enfriamiento continuo. The Bainite Reaction, de Cambridge (2024), afirma que el crecimiento de la bainita no implica difusión con respecto a la red de hierro y que es termodinámicamente posible por debajo de T₀, donde la bainita tiene una energía libre menor que la austenita de composición idéntica.

Por tanto, los informes deben separar los campos de fases calculados de los constituyentes medidos. Debe indicarse si la fuente es un diagrama de equilibrio Fe–C o Fe–Fe₃C, un diagrama TTT o un diagrama CCT; a continuación, debe especificarse cómo se detectó la transformación y cómo se examinó la estructura final. Una imagen de una superficie pulida y atacada, un resultado de difracción de rayos X, una curva dilatométrica y un perfil de dureza responden a preguntas diferentes. Una temperatura sin ese contexto constituye una designación incompleta.

Del diagrama a la microestructura: un flujo de trabajo de interpretación disciplinado

Un diagrama de transformación no es una tabla para consultar temperaturas. Es un mapa correspondiente a una composición especificada, una condición determinada de la probeta, un programa de calentamiento o enfriamiento y un método experimental concretos. Por tanto, la pregunta disciplinada no es «¿Qué fase se forma a 700 °C?», sino «¿Qué material está presente, qué trayectoria siguió y qué mecanismos de transformación tuvieron tiempo de operar?».

Comenzar por la composición y la trayectoria térmica prevista

Comience registrando la designación del acero y su composición química. «Acero al carbono» es una categoría demasiado amplia para realizar una predicción fiable. Un acero eutectoide al carbono simple se comporta de manera diferente al SAE 1141, y ambos difieren de los aceros aleados que contienen cromo, molibdeno, níquel, manganeso o silicio. Registre los contenidos de carbono y de elementos de aleación, la condición previa, el tamaño de grano si se conoce, el espesor de la sección, la temperatura de austenización, el tiempo de mantenimiento y las velocidades de calentamiento y enfriamiento.

La designación debe contrastarse con el análisis real de la colada cuando las decisiones dependan del resultado. Pequeñas variaciones en la composición química pueden desplazar las temperaturas de transformación y modificar las fracciones de los productos de transformación. El silicio, por ejemplo, eleva el intervalo de temperaturas de transformación, reduce la solubilidad del carbono en la austenita y tiende a disociar el carburo de hierro. Incluso importa la dirección de la excursión térmica: ASM International informa de que, en condiciones de enfriamiento lento, las temperaturas críticas de calentamiento pueden ser aproximadamente 33 °C superiores a los valores correspondientes al enfriamiento.

A continuación, clasifique el proceso térmico. Un cálculo de equilibrio supone cambios extremadamente lentos y tiempo suficiente para que las fases se aproximen a sus composiciones de equilibrio. Un tratamiento isotérmico lleva rápidamente el acero hasta una temperatura seleccionada y lo mantiene allí; esta es la condición representada por un diagrama TTT. Un tratamiento de enfriamiento continuo sigue una temperatura cambiante y se representa mediante un diagrama CCT. El enfriamiento en horno, al aire, en aceite y en agua son trayectorias continuas, no mantenimientos isotérmicos, aunque sus temperaturas finales sean similares.

El conocido diagrama Fe–C proporciona límites útiles, pero no predice todas las microestructuras industriales. En el hierro puro, la austenita cúbica centrada en las caras es estable aproximadamente entre 910 y 1400 °C, y el hierro puro funde aproximadamente a 1539 °C, según Stainless Steels: Phase Equilibria (2005), de la University of Cambridge. Estas cifras no se aplican sin modificaciones a los aceros aleados. A aproximadamente 0,8 % en peso de carbono y 723 °C, la reacción eutectoide es γ → α + Fe₃C, pero un acero real puede contener ferrita o cementita proeutectoide antes de que se forme el constituyente eutectoide.

Seguir la trayectoria mediante los datos TTT o CCT

Seleccione el diagrama que corresponda al proceso. En un diagrama TTT, ubique la condición de austenización, desplácese rápidamente hasta la temperatura de mantenimiento y, a continuación, lea los puntos de inicio y final de la transformación durante el mantenimiento. En un diagrama CCT, trace o seleccione la curva de enfriamiento real e identifique cada región que atraviesa. No transfiera directamente un tiempo de inicio TTT a un tratamiento CCT; el acero se desplaza a través de un intervalo de temperaturas mientras prosigue la transformación.

Escriba explícitamente la secuencia. Un acero hipoeutectoide puede formar primero ferrita proeutectoide a partir de la austenita, seguida de perlita. Un acero hipereutectoide puede formar cementita proeutectoide antes que perlita. Una curva de enfriamiento que evita la región de la perlita puede entrar en el intervalo de la bainita y después cruzar Ms, la temperatura de inicio de la formación de martensita. En consecuencia, la estructura final puede contener ferrita, perlita, bainita, martensita y austenita retenida en distintas proporciones.

Estos nombres describen asimismo tipos de entidades diferentes. La ferrita, la austenita y la cementita son fases: Interpretation of the Microstructure of Steels (2008), de la University of Cambridge, las identifica, respectivamente, como ferrita cúbica centrada en el cuerpo, austenita cúbica centrada en las caras y Fe₃C ortorrómbico. La perlita y la bainita son productos de transformación con disposiciones características de fases, mientras que la martensita es un producto de transformación displaciva. Una temperatura de transformación marca un límite o un acontecimiento, no un constituyente final garantizado.

El mecanismo es importante. Las transformaciones reconstructivas requieren difusión atómica y pueden producir ferrita, perlita o cementita cuando la trayectoria proporciona tiempo para la redistribución del carbono. La martensita se forma sin la difusión química de largo alcance requerida por esas reacciones. La bainita presenta una combinación diferente de cambio de red y redistribución del carbono; The Bainite Reaction (2024), de la University of Cambridge, afirma que el crecimiento de la bainita es sin difusión con respecto a la red de hierro y que es termodinámicamente posible por debajo de la temperatura T₀.

La martensita no es automáticamente el último producto. Si Ms se encuentra por debajo de la temperatura ambiente, o si el enfriamiento se detiene antes de que se agote la austenita, puede permanecer austenita retenida. El material TTT de Cambridge (2012) identifica específicamente el carbono como un factor que afecta a Ms, a la temperatura de final de la martensita Mf y a las fracciones de austenita retenida. Por tanto, «acero templado» puede significar una estructura mixta y no martensita al 100 %.

Validar las predicciones mediante microscopía y ensayos de propiedades

Considere el resultado del diagrama como una predicción. Confírmelo preparando una probeta representativa, puliéndola y atacándola químicamente con un método adecuado para el acero, y examinando la estructura mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido u otra técnica apropiada. La metalografía puede revelar la morfología de la ferrita, el espaciado de la perlita, los haces bainíticos, las regiones de martensita, las redes de carburos, la descarburación y la segregación, aunque algunos constituyentes requieren una interpretación cuidadosa, ya que el contraste producido por el ataque no es una identificación directa de una fase.

Mida la dureza en ubicaciones definidas e indique la escala, la carga y el plan de muestreo. Añada ensayos de tracción, impacto, fatiga, dimensionales o mediciones de austenita retenida cuando la aplicación lo requiera. La dureza por sí sola no puede distinguir todas las mezclas ni establecer la tenacidad.

Un diagrama CCT de un acero puede utilizarse para estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. Limited evidence

El informe de NIST Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) demuestra la finalidad práctica de los datos CCT: un diagrama de este tipo puede estimar la templabilidad y predecir la microestructura a temperatura ambiente, la resistencia, la dureza, la maquinabilidad y las propiedades de fatiga. «Predecir» sigue siendo la palabra operativa. Un conjunto de datos de un diagrama corresponde a una composición, una condición de grano, un tamaño de probeta y un procedimiento de ensayo determinados. Cuando las consecuencias de un error sean importantes, siga la trayectoria térmica, registre la secuencia prevista y compárela con la microscopía y las propiedades medidas antes de aceptar el modelo de transformación.

Referencias

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf