5.1. Tractaments tèrmics. Generalitats

5.1. Tractaments tèrmics. Generalitats

5.1.1. Introducció

En principi, les tècniques de conformació estudiades fins ara serveixen per donar forma al material, de manera que passem del material al component:

Figura 5.1

Ara bé, hem vist que qualsevol tècnica de conformació té, a més a més, un efecte sobre l’estructura del material. Sovint, l’estructura que resulta del procés de conformació no és adequada. És llavors quan es recorre als tractaments tèrmics, l’objectiu dels quals és modificar l’estructura sense afectar la forma del component.

Figura 5.2

Els tractaments tèrmics s’apliquen tant a productes finals com a semielaborats. Un exemple de tractament tèrmic intermedi seria la recuita de treball, que fa possible continuar deformant en fred sense que apareguin esquerdes:

Figura 5.3

Com a exemple de tractament tèrmic final podríem esmentar la recuita de

recuperació del fil de coure, amb la qual es millora la conductivitat elèctrica tot

mantenint una bona resistència mecànica:

Figura 5.4

5.1.2. Classificació dels tractaments tèrmics

Tradicionalment es classifiquen en tres grups: a) Tractaments tèrmics.

b) Tractaments termoquímics. Es modifica la composició química durant el tractament. Per exemple: nitruració i cementació de l’acer.

Material

_CONFORMACIÓ

Component

Ara classificarem de manera més precisa els tractaments tèrmics pròpiament dits, ja que constitueixen el gruix dels temes que segueixen.

a.1) Tractaments tèrmics per refredament

Aquests tractaments tèrmics s’utilitzen quan la disminució de la temperatura comporta un canvi de fase:

Figura 5.5

Els diagrames de fase ens indiquen quines són les fases d’equilibri a cada temperatura. Ara bé, no ens diuen res sobre la morfologia de les fases. Controlant la velocitat de refredament podem controlar la morfologia. Per exemple, el gruix de les làmines de la perlita augmenta quan el refredament és més lent. Els tractaments tèrmics per refredament són molt importants en els acers. Recuita total,

normalització, tremp bainític en són alguns exemples.

Quan el refredament és prou ràpid, es pot arribar a inhibir el canvi de fase. En aquest cas, el tractament tèrmic rep el nom genèric de tremp. La fase que s’obté a baixa temperatura s’anomena metaestable pel fet que, tot i no ser una fase d’equilibri, la seva transformació és molt lenta a temperatura ambient. Exemples:

tremp de l’alumini (la fase metaestable és una solució sòlida sobresaturada) i tremp de l’acer (la fase metaestable és la martensita). Normalment a un tremp segueix un

tractament tèrmic posterior.

a.2) Tractaments tèrmics per escalfament

En aquest cas, el material es manté a una temperatura prou elevada perquè l’estructura evolucioni cap a un estat més proper a l’equilibri (estat de mínima energia). El nom genèric d’aquests tractaments és el de recuita. Exemples:

• recuita d’homogeneïtzació

• recuita de relaxació de tensions • recuita de recuperació

• recuita de recristal·lització • recuita de desvitrificació

• recuita de maduració o envelliment • reveniment

• recuita d’esferoïdització de la perlita

Temperatura alta

5.1.3. Control de la temperatura durant els tractaments

tèrmics

Un tractament tèrmic simple seria definit per un cicle tèrmic com el de la figura.

Figura 5.6. Evolució de la temperatura en un tractament tèrmic simple

En principi, els forns permeten controlar de manera precisa la temperatura, per la qual cosa no representa cap problema fer-li seguir el cicle desitjat. Si les peces són primes i se n’introdueixen poques al forn, la seva temperatura seguirà bé la del forn. Els problemes vénen quan les peces són gruixudes o bé el forn està molt carregat. Normalment la calor es transmet a través de la superfície cap a l’interior per conducció, la qual cosa requereix un cert temps. L’evolució de la temperatura en una peça cilíndrica seria com en la figura:

Figura 5.7. Discrepància en l’evolució de la temperatura entre l’interior i l’exterior de la

peça

La discrepància augmenta amb els paràmetres següents:

a) velocitat d’escalfament o refredament elevada ( dT elevat) temps

T

T

T

d) calor específica elevada

Aquest efecte de la “inèrcia tèrmica” s’ha de tenir en compte si es volen fer correctament els tractaments tèrmics i és especialment crític en els tremps.

5.1.4. Tensions tèrmiques

Un efecte important dels gradients de temperatura dins de les peces és l’aparició de tensions internes. Considerem el refredament d’un cilindre.

Com que la longitud depèn de la temperatura a través del coeficient de dilatació tèrmica (α):

)

(

T

T

L

L









i aquesta és més elevada a l’eix del cilindre, ja que l’eix es refreda més lentament, resultarà que l’eix tendeix a estar més dilatat que la superfície. En conseqüència, el centre es trobarà en compressió (per la força que exerceix el material proper a la superfície) i la superfície, tensada. Si en cap punt no se supera el límit elàstic del metall (σ < σf), les

tensions desapareixeran a temperatura ambient quan tota la peça sigui freda. Si, al contrari, en algun punt del material σ > σf, el

material es deformarà plàsticament. En aquest cas, un cop la peça és freda, les tensions no desapareixen. Figura 5.8. Tensions tèrmiques originades pels gradients tèrmics durant el refredament d’un

cilindre

Com a conseqüència de les tensions internes, les peces es poden deformar i poden aparèixer esquerdes. Per tant, sempre que es pugui, s’ha de procurar minimitzar els gradients de temperatura. Com que aquests s’incrementen amb , queda clar que en els processos de tremp s’ha de vigilar especialment.

dt dT

5.1.5. Tensions residuals

Tal com hem dit, quan σ > σf en algun punt del material durant el refredament, les

tensions romandran en la peça freda. Analitzem-ho millor. Considerem la situació de la Figura 5.9, en la qual, durant el refredament, prop de l’eix se supera σf.

Figura 5.9. Tensions causades durant

el refredament. El centre de l’eix suporta un esforç de compressió que supera el límit elàstic.

El centre de la peça s’haurà deformat plàsticament per compressió. Per tant, ara, la longitud pròpia al centre serà menor, i a temperatura ambient podem afirmar que

Resultarà, doncs, que a temperatura ambient el centre es trobarà a la tracció i la perifèria a la compressió, tal com s’indica en la Figura 5.10.

Figura 5.10. Tensions residuals a Tamb resultants de les tensions tèrmiques mostrades en la Figura 5.9

Com a regla general, podem dir que les tensions residuals són de signe contrari a les tensions tèrmiques que les han generat.

0

)

(

centre

L