Austenita

Diagrama de fase de hierro-carbono, mostrando las condiciones bajo las cuales austenita (γ) es estable en acero al carbono.

Alótropos de hierro; hierro alfa y hierro gamma

Austenita, también conocida como hierro en fase gamma (γ-Fe), es un alótropo metálico no magnético de hierro o una solución sólida de hierro con un elemento de aleación. 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 diferentes temperaturas eutectoides. El alótropo austenita lleva el nombre de Sir William Chandler Roberts-Austen (1843–1902); existe a temperatura ambiente en algunos aceros inoxidables debido a la presencia de níquel que estabiliza la austenita a temperaturas más bajas.

Alótropo de hierro

De 912 a 1394 °C (de 1674 a 2541 °F), el hierro alfa experimenta una transición de fase de cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a la configuración cúbica centrada en la cara (FCC) del hierro gamma, también llamado austenita. Este es igualmente suave 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 fabricar equipos hospitalarios y de servicio de alimentos.

Materiales

Austenitización significa calentar el hierro, el metal a base de hierro o el acero a una temperatura en la que cambia la estructura cristalina de ferrita a austenita. La estructura más abierta de la austenita es entonces capaz de absorber el carbono de los carburos de hierro del acero al carbono. Una austenización inicial incompleta puede dejar carburos sin disolver en la matriz.

Para algunos metales de hierro, metales a base de hierro y aceros, puede ocurrir la presencia de carburos durante el paso de austenización. El término comúnmente utilizado para esto es austenización en dos fases.

Atemperado

Austempering es un proceso de endurecimiento que se utiliza en metales a base de hierro para promover mejores propiedades mecánicas. El metal se calienta en la región austenita del diagrama de fases de hierro-cementita y luego se enfría en un baño de sal u otro medio de extracción de calor que se encuentra entre 300 y 375 °C (572–707 °F). El metal se recoce en este rango de temperatura hasta que la austenita se convierte en bainita o ausferrita (ferrita bainítica + austenita con alto contenido de carbono).

Al cambiar la temperatura de austenización, el proceso de austenizado puede producir microestructuras diferentes y deseadas. Una temperatura de austenización más alta puede producir un mayor contenido de carbono en la austenita, mientras que una temperatura más baja produce una distribución más uniforme de la estructura austenitada. Se ha establecido el contenido de carbono en la austenita en función del tiempo de templado.

Comportamiento en acero al carbono liso

A medida que la austenita se enfría, el carbono se difunde fuera de la austenita y forma carburo de hierro rico en carbono (cementita) y deja ferrita pobre en carbono. Dependiendo de la composición de la aleación, se puede formar una capa de ferrita y cementita, llamada perlita. Si la velocidad de enfriamiento es muy rápida, el carbono no tiene suficiente tiempo para difundirse y la aleación puede experimentar una gran distorsión reticular 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 tasa 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 encogerán más, lo que hará que esté bajo tensión y tensión térmica. A altas velocidades de enfriamiento, el material se transformará de austenita a martensita, que es mucho más dura y generará grietas con deformaciones mucho menores. El cambio de volumen (la martensita es menos densa que la austenita) también puede generar tensiones. La diferencia en las velocidades de deformación de la parte interior y exterior de la pieza puede provocar el desarrollo de grietas en la parte exterior, lo que obliga al uso de velocidades de enfriamiento más lentas para evitar esto. Al alear el acero con tungsteno, la difusión del carbono se ralentiza y la transformación a alótropo BCT se produce a temperaturas más bajas, evitando así el agrietamiento. Se dice que un material de este tipo tiene su templabilidad aumentada. El templado después del templado transformará parte de la martensita quebradiza en martensita templada. Si se templa un acero de baja templabilidad, se retendrá una cantidad significativa de austenita en la microestructura, dejando al acero con tensiones internas que hacen que el producto sea propenso a una fractura repentina.

Comportamiento en fundición

Calentar el hierro fundido blanco por encima de los 727 °C (1341 °F) provoca la formación de austenita en cristales de cementita primaria. Esta austenización del hierro blanco ocurre en la cementita primaria en el límite de la interfase con la ferrita. Cuando los granos de austenita se forman en cementita, se presentan como grupos laminares orientados a lo largo de la superficie de la capa de cristal de cementita. La austenita se forma por difusión de átomos de carbono de cementita a ferrita.

Estabilización

La adición de ciertos elementos de aleación, como el manganeso y el níquel, puede estabilizar la estructura austenítica, lo que facilita 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.

La austenita solo es estable por encima de los 910 °C (1670 °F) en forma de metal a granel. Sin embargo, los metales de transición fcc se pueden cultivar en una cúbica centrada en las caras (fcc) o en una cúbica de diamante. El crecimiento epitaxial de austenita en la cara del diamante (100) es factible debido a la coincidencia estrecha de la red y la simetría de la cara del diamante (100) es fcc. Se puede cultivar más de una monocapa de hierro γ porque el espesor crítico para la multicapa deformada es mayor que el de una monocapa. El espesor crítico determinado está en estrecho acuerdo con la predicción teórica.

Transformación austenita y punto de Curie

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 austenita. Este comportamiento se atribuye a la naturaleza paramagnética de la austenita, mientras que tanto la martensita como la ferrita son fuertemente ferromagnéticas.

Emisión termoóptica

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