¿Cuál es el propósito de templar el acero estructural al carbono?

¿Cuál es el propósito de templar el acero estructural al carbono?
El proceso de enfriamiento para el acero estructural al carbono implica calentar el acero a la temperatura de austenitización (normalmente 30-50 grados por encima de Ac3, lo que requiere una austenitización completa para el acero hipoeutectoide), mantener el acero a esta temperatura durante un período de tiempo para permitir que la microestructura se transforme completamente en austenita y luego enfriarlo rápidamente en un medio refrigerante como agua o aceite. Su objetivo principal es lograr una mejora "revolucionaria" en las propiedades mecánicas alterando la microestructura interna del acero (transformando austenita en estructuras de desequilibrio como martensita o bainita), particularmente para los requisitos de resistencia y dureza. Este proceso se puede clasificar en los siguientes cuatro objetivos centrales:
1. Mejorar significativamente la dureza del acero y la resistencia al desgaste.
La microestructura de equilibrio del acero estructural al carbono (por ejemplo, perlita + ferrita) tiene una dureza relativamente baja (por ejemplo, la dureza-laminada en caliente del acero Q235 es aproximadamente HB150-180, y la del acero 45 es aproximadamente HB170-210). Esto lo hace inadecuado para aplicaciones que requieren resistencia al desgaste y al rayado (por ejemplo, superficies resistentes al desgaste en piezas mecánicas y bordes de herramientas). Durante el enfriamiento, la austenita se enfría rápidamente (la velocidad de enfriamiento debe exceder la "velocidad de enfriamiento crítica"). Los átomos no tienen tiempo para difundirse y formar perlita en equilibrio, sino que se ven obligados a formar martensita. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en -Fe, con una distorsión reticular significativa y numerosas dislocaciones internas. Esto aumenta significativamente la dureza:
El acero estructural con medio-carbono (como el acero 45) puede alcanzar una dureza de HRC55-60 después del enfriamiento, muy superior a la del acero laminado en caliente.
El acero estructural con alto-carbono (como el acero 65) puede incluso alcanzar una dureza de HRC60-65 después del enfriamiento, acercándose al nivel del acero para herramientas ordinario.
Esta alta dureza mejora efectivamente la resistencia al desgaste de las piezas y reduce el desgaste durante el uso (por ejemplo, temple de guías de máquinas herramienta y flancos de dientes de engranajes).
2. Mejora significativamente la resistencia del acero y la resistencia a la deformación
Además de la dureza, el temple aumenta significativamente la resistencia a la tracción, el límite elástico y la resistencia a la deformación del acero estructural al carbono. La ferrita en la estructura de equilibrio tiene alta plasticidad pero baja resistencia, mientras que la perlita tiene una resistencia moderada. La martensita, sin embargo, puede lograr un aumento de resistencia del 50% al 100% debido a la distorsión de la red y al fortalecimiento de la dislocación.
Por ejemplo, el acero 45 tiene una resistencia a la tracción-laminada en caliente de aproximadamente 600 MPa. Después del templado (sin revenir), la resistencia a la tracción aumenta a más de 1000 MPa y el límite elástico aumenta de 355 MPa a más de 800 MPa.
Para las piezas que soportan cargas, resisten impactos o resisten deformaciones (como ejes, bielas y pernos), la alta resistencia después del enfriamiento garantiza que las piezas no se deformen ni se fracturen en condiciones operativas complejas, cumpliendo así con los requisitos de soporte de carga estructural-. 3. Sienta las bases para el posterior proceso de "templado", logrando una "resistencia-resistencia balance."
Aunque los aceros estructurales al carbono alcanzan una dureza y resistencia extremadamente altas después del enfriamiento, tienen desventajas importantes: alta tensión interna en la estructura de martensita, ductilidad deficiente y tenacidad extremadamente baja (propenso a fracturas frágiles, con una absorción de energía de impacto típicamente de solo 5-10J). El uso directo puede provocar fácilmente fallos debido a impactos menores o concentraciones de tensión. Por lo tanto, el temple rara vez se utiliza como "tratamiento térmico final", sino más bien como precursor del proceso de revenido. Su función principal es proporcionar una "estructura fundamental de alta-dureza y alta resistencia" para ajustes de rendimiento posteriores.
El templado posterior a diferentes temperaturas (temperamento a baja-temperatura de 150-250 grados, templado a temperatura media-de 350 a 500 grados y templado a alta temperatura de 500 a 650 grados) puede eliminar la tensión interna de la martensita y mejorar la tenacidad al tiempo que se conserva la mayor parte de la resistencia enfriada.
Por ejemplo, después del templado y revenido a alta-temperatura (templado y revenido) del acero 45, la dureza se reduce a HRC 28-32, mientras que la resistencia a la tracción permanece por encima de 800 MPa y la absorción de energía de impacto aumenta a más de 50 J. Esto logra un equilibrio ideal entre "alta resistencia y alta tenacidad", lo que la convierte en la solución integral de optimización del rendimiento más utilizada en la fabricación de maquinaria.. 4. Mejora del rendimiento local y cumplimiento de los requisitos de "fortalecimiento local"
Algunas piezas estructurales de acero al carbono no requieren una alta resistencia general (para evitar la fragilidad general) y solo requieren refuerzo de áreas de trabajo críticas (como superficies de desgaste y áreas de tensión concentrada). En estos casos, el enfriamiento puede lograr "mejoras de rendimiento local" mediante un enfoque de "calentamiento local + enfriamiento local".
Por ejemplo, los rieles guía de las máquinas herramienta requieren resistencia al desgaste superficial (alta dureza), pero la matriz del riel guía debe mantener la tenacidad (para evitar fracturas por impacto). Esto se puede lograr mediante el "enfriamiento de la superficie de calentamiento por inducción". Esto implica calentar solo la superficie del riel guía hasta su austenización y enfriarla rápidamente, formando martensita apagada (dureza HRC 50-55) en la superficie mientras se mantiene la estructura de equilibrio original de la matriz (manteniendo la tenacidad).
Por ejemplo, la cabeza o la parte roscada de un perno requiere resistencia al corte y al desgaste. El enfriamiento local puede lograr un rendimiento crítico al mismo tiempo que evita la fragilidad general y reduce el riesgo de falla de la pieza.