Austenita

La austenita , también conocida como hierro de fase gamma ( γ-Fe ), es un alótropo metálico no magnético del hierro o una solución sólida de hierro con un elemento de aleación . ^{[ 1 ]} En el acero al carbono simple , la austenita existe por encima de la temperatura eutectoide crítica de 1000 K (727  °C); otras aleaciones de acero tienen temperaturas eutectoides diferentes. El alótropo de austenita recibe su nombre de Sir William Chandler Roberts-Austen (1843-1902). ^{[ 2 ]} Existe a temperatura ambiente en algunos aceros inoxidables debido a la presencia de níquel que estabiliza la austenita a temperaturas más bajas.

Entre 912 y 1394 °C (1674 y 2541 °F), el hierro alfa experimenta una transición de fase de la configuración cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a la configuración cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro gamma, también llamado austenita. Este último es igualmente blando y dúctil, pero puede disolver considerablemente más carbono (hasta un 2,03 % en masa a 1146 °C (2095 °F) ). Esta forma gamma de hierro está presente en el tipo de acero inoxidable más utilizado para la fabricación de equipos hospitalarios y de servicios de alimentación.    

La austenización consiste en calentar el hierro, el metal a base de hierro o el acero a una temperatura en la que cambia su estructura cristalina de ferrita a austenita. ^{[ 3 ]} La estructura más abierta de la austenita puede entonces absorber el carbono de los carburos de hierro en el acero al carbono. Una austenización inicial incompleta puede dejar carburos sin disolver en la matriz. ^{[ 4 ]}

En algunos metales de hierro, metales a base de hierro y aceros, puede aparecer la presencia de carburos durante la etapa de austenización. El término comúnmente utilizado para esto es austenización bifásica . ^{[ 5 ]}

El austemperado es un proceso de endurecimiento que se utiliza en metales a base de hierro para mejorar sus propiedades mecánicas. El metal se calienta hasta la región de austenita del diagrama de fases hierro- cementita y luego se enfría bruscamente en un baño de sales u otro medio de extracción de calor a temperaturas comprendidas entre 300 y 375 °C (572 y 707 °F) . El metal se recoce en este rango de temperatura hasta que la austenita se transforma en bainita o ausferrita (ferrita bainítica + austenita con alto contenido de carbono). ^{[ 6 ]}  

Al modificar la temperatura de austenización, el proceso de austemperado puede generar microestructuras diferentes y deseadas. ^{[ 7 ]} Una temperatura de austenización más alta produce un mayor contenido de carbono en la austenita, mientras que una temperatura más baja produce una distribución más uniforme de la estructura austemperada. ^{[ 7 ]} Se ha establecido el contenido de carbono en la austenita en función del tiempo de austemperado. ^{[ 8 ]}

A medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de ella y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja atrás ferrita pobre en carbono . Dependiendo de la composición de la aleación, puede formarse una capa de ferrita y cementita, llamada perlita . Si la velocidad de enfriamiento es muy rápida, el carbono no tiene tiempo suficiente para difundirse, y la aleación puede experimentar una gran distorsión de la red conocida como transformación martensítica en la que se transforma en martensita , una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La velocidad de enfriamiento determina las proporciones relativas de martensita, ferrita y cementita, y por lo tanto determina las propiedades mecánicas del acero resultante, como la dureza y la resistencia a la tracción .

Una alta velocidad de enfriamiento de secciones gruesas provocará un fuerte gradiente térmico en el material. Las capas exteriores de la pieza tratada térmicamente se enfriarán más rápido y se contraerán más, lo que provocará tensión y deformación térmica. A altas velocidades de enfriamiento, el material se transformará de austenita a martensita, que es mucho más dura y generará grietas a deformaciones mucho menores. El cambio de volumen (la martensita es menos densa que la austenita) ^{[ 9 ]} también puede generar tensiones. La diferencia en las velocidades de deformación de la parte interna y externa de la pieza puede provocar el desarrollo de grietas en la parte externa, lo que obliga a utilizar velocidades de temple más lentas para evitarlo. Al alear el acero con tungsteno , la difusión del carbono se ralentiza y la transformación al alótropo BCT se produce a temperaturas más bajas, evitando así el agrietamiento. Se dice que dicho material tiene una mayor templabilidad. El revenido posterior al temple transformará parte de la martensita frágil en martensita revenida. Si se templa un acero de baja templabilidad, se retendrá una cantidad significativa de austenita en la microestructura, lo que provocará tensiones internas en el acero que harán que el producto sea propenso a fracturarse repentinamente.

A medida que la austenita se enfría, su descomposición juega un papel crucial en la determinación de la microestructura final del acero. La cinética de esta transformación está fuertemente influenciada por la morfología de los carburos presentes en el material. La presencia de carburos gruesos, por ejemplo, puede ralentizar la velocidad de formación de austenita durante el recocido intercrítico, debido a su lenta cinética de disolución. ^{[ 10 ]} La perlita, una estructura laminar que consiste en capas alternas de ferrita y cementita, se forma a través de procesos cooperativos de nucleación y crecimiento a partir de la austenita. El espesor de estas capas tiene un impacto directo en las propiedades mecánicas del acero. ^{[ 10 ]}

La descomposición de la austenita está influenciada por la velocidad de enfriamiento, que afecta la morfología de los carburos y, por lo tanto, la estructura final del acero. Las velocidades de enfriamiento lentas permiten el desarrollo de partículas gruesas de cementita en los límites de grano, mientras que las velocidades de enfriamiento rápidas promueven la formación de colonias perlíticas finas. La temperatura de enrollado , en particular, tiene un impacto significativo en la morfología de los carburos: las temperaturas de enrollado más bajas (por debajo de la temperatura eutectoide) promueven la formación de perlita fina, mientras que las temperaturas más altas favorecen la formación de cementita gruesa. ^{[ 10 ]} Esta diferencia en la morfología de los carburos influye en la velocidad y la temperatura a la que la austenita se forma y se descompone durante los tratamientos térmicos posteriores. ^{[ 10 ]}

Calentar hierro fundido blanco (que contiene carburo de hierro, es decir, cementita, pero sin carbono no combinado) por encima de 727 °C (1341 °F) provoca la formación de austenita en cristales de cementita primaria. ^{[ 11 ]} Esta austenización del hierro blanco ocurre en la cementita primaria en el límite de interfase con la ferrita. ^{[ 11 ]} Cuando los granos de austenita se forman en la cementita, aparecen como cúmulos lamelares orientados a lo largo de la superficie de la capa cristalina de la cementita. ^{[ 11 ]} La austenita se forma por difusión de átomos de carbono de la cementita a la ferrita. ^{[ 11 ] [ 12 ]}  

La adición de ciertos elementos de aleación, como el manganeso y el níquel , puede estabilizar la estructura austenítica, facilitando el tratamiento térmico de los aceros de baja aleación . En el caso extremo del acero inoxidable austenítico , un contenido de aleación mucho mayor hace que esta estructura sea estable incluso a temperatura ambiente.

Por otro lado, elementos como el silicio , el molibdeno y el cromo tienden a desestabilizar la austenita, elevando la temperatura eutectoide.

En muchas aleaciones ferrosas magnéticas, el punto de Curie , la temperatura a la que los materiales magnéticos dejan de comportarse magnéticamente, se produce casi a la misma temperatura que la transformación austenítica. Este comportamiento se atribuye a la naturaleza paramagnética de la austenita, mientras que tanto la martensita ^{[ 14 ]} como la ferrita ^{[ 15 ] [ 16 ]} son ​​fuertemente ferromagnéticas .

Durante el tratamiento térmico , un herrero provoca cambios de fase en el sistema hierro-carbono para controlar las propiedades mecánicas del material, a menudo mediante los procesos de recocido, temple y revenido. En este contexto, el color de la luz, o " radiación de cuerpo negro ", emitida por la pieza es un indicador aproximado de la temperatura . La temperatura se suele medir observando la temperatura de color de la pieza, donde la transición de un rojo cereza intenso a un rojo anaranjado ( de 815 °C (1499 °F) a 871 °C (1600 °F) ) corresponde a la formación de austenita en aceros de carbono medio y alto. En el espectro visible, este brillo aumenta con la temperatura. Cuando es rojo cereza, el brillo está cerca de su intensidad mínima y puede no ser visible con luz ambiental. Por lo tanto, los herreros suelen austenizar el acero en condiciones de poca luz para juzgar con precisión el color del brillo.    

• Bucle gamma
• Alótropos del hierro