Los metales son cristales. Se deforman creando dislocaciones (defectos en la estructura cristalina) y empujándolos dentro de los granos del metal. Cuanto más deformas el metal, más dislocaciones creas. Eventualmente comienzan a interferir entre sí (amontonándose) y se vuelven más difíciles de mover, razón por la cual los metales “se endurecen”.
Excepto en los casos más raros (palas de turbina de chorro y obleas de silicio para semiconductores), una pieza de metal tiene muchos “granos”, cada uno de los cuales es un cristal pequeño y único. Cada grano tiene una orientación ligeramente diferente en comparación con sus vecinos, por lo que donde se encuentran dos granos (el límite del grano) las dislocaciones no pueden moverse de un grano a otro. Cuanto más pequeños son los granos, más cortas se pueden mover las dislocaciones de distancia antes de que comiencen a acumularse. Por lo tanto, los metales de grano fino son más duros que los metales de grano grande.
Si calienta el metal moderadamente caliente, las dislocaciones se repararán solas, reduciendo el estrés interno y suavizando el metal nuevamente. Eso es un “recocido de alivio de estrés”. Si calienta el metal a temperaturas más altas y los granos se han deformado mucho, se “recristalizarán” completamente, formando un nuevo cristal sin defectos. Cuando esto sucede, puede extenderse a los granos vecinos en el metal; los granos se fusionan y se hacen más grandes, y así el acero se vuelve más blando de lo que era antes de calentarlo. Mientras más tiempo sostengas el metal a alta temperatura, más grandes crecerán los cristales (hasta cierto punto). Este es un “recocido completo” o “recocido de recristalización”.
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El carbono es lo que convierte el hierro en acero; El carbono agrega fuerza. Pero si calienta un acero en una atmósfera oxidante, puede reducir la cantidad de carbono en el acero (“descarburación”) y hacerlo más blando. Si coloca el acero en una atmósfera rica en carbono, por otro lado, puede agregar carbono, carburarlo y hacerlo más difícil. El acero templado o endurecido es acero que se ha cementado de esta manera.
El hierro tiene más de una estructura cristalina, y la estructura estable depende de la temperatura y de la cantidad de hierro (y otros elementos de aleación) que contiene el acero. Al hierro puro le gusta estar en una estructura cúbica centrada en el cuerpo a temperatura ambiente, pero en una estructura cúbica centrada en la cara a altas temperaturas. Calentar el hierro por encima de la temperatura de transición de fase obliga a todos los granos a recristalizarse, lo que les permite aumentar su tamaño (acero más blando). A medida que se enfría a través de esa temperatura de transición, los granos tienen que volver a cambiar; pero si se enfría bastante rápido, no tienen tiempo para crecer, por lo que un grano grande de la fase de alta temperatura (austenita) se convierte en muchos granos más pequeños de la fase de baja temperatura (ferrita). Eso se llama refinamiento de grano, y hace que el acero sea un poco más duro.
Si el hierro tiene suficiente carbono, y lo enfría extremadamente rápido al apagarlo en agua o aceite, la transición no puede suceder lo suficientemente rápido. En lugar de cambiar de austenita cúbica centrada en la cara a ferrita cúbica centrada en el cuerpo, el acero tiene que conformarse con una “martensita” tetragonal centrada en el cuerpo y de fase menos estable. Esto es extremadamente difícil, pero también frágil. Es por eso que cosas como las espadas se apagaron para producir un filo duro. Pero una espada de martensita pura se rompería como el cristal porque es muy frágil. Para volver a endurecer el acero (capaz de deformarse), lo vuelve a calentar a una temperatura mucho más baja y lo mantiene durante un tiempo, lo que permite que la martensita vuelva a la ferrita. El acero mantiene la mayor parte de su dureza anterior y se vuelve mucho más flexible y resistente. Este paso se llama “templado”, y cuando las personas hablan de “acero templado”, en realidad quieren decir “acero templado y revenido”.
Y hay un proceso más, llamado “endurecimiento por precipitación”. Agrega varios elementos de aleación al acero y lo calienta para que se disuelvan en el hierro, luego se enfría rápidamente. A la temperatura más baja, los cristales de hierro no tienen tanto espacio para los elementos de aleación, por lo que quieren separarse y precipitarse (como lo hace una solución de azúcar a medida que hierve cada vez más agua hasta que los cristales de azúcar comienzan a formarse). ) Estas partículas precipitadas interfieren con las dislocaciones, por lo que hacen que el metal sea más duro. A veces hay que calentar el acero a unos cientos de grados para permitir que se formen precipitados; otras aleaciones (especialmente aluminio y titanio) pueden endurecerse por precipitación a temperatura ambiente. Así que esto también se llama “endurecimiento por envejecimiento”, porque puede suceder cuando el metal se asienta. Puede revertir este endurecimiento volviendo a calentar el metal para disolver los precipitados nuevamente. Eso se llama “recocido de soluciones”.
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