1. Definición
La tensión estructural, también denominada tensión de transformación, es un tipo de tensión interna generada durante el tratamiento térmico del acero, especialmente el temple. Surge de una transformación de fase asincrónica y diferencias de volumen específicas entre microestructuras. La restricción mutua de los cambios de volumen en diferentes secciones de la pieza de trabajo la convierte en una causa principal de deformación y agrietamiento por tratamiento térmico.
2. Mecanismo de esencia y generación
Causas principales
Las diferentes fases del acero tienen un volumen específico distinto (volumen por unidad de masa):
Austenita (γ) < Ferrita (α) < Perlita < Bainita < Martensita (M)
La transformación de austenita a martensita conlleva una expansión de volumen significativa del 3% al 5%.
La superficie y el núcleo de las piezas de trabajo tienen velocidades de enfriamiento inconsistentes, lo que lleva a una transformación de fase asincrónica y una variación de volumen descoordinada, lo que eventualmente induce tensión estructural.
Proceso de enfriamiento típico
Etapa de enfriamiento temprano (por encima del punto Ms)
La superficie se enfría más rápido y alcanza primero la temperatura Ms, transformándose de austenita a martensita con expansión de volumen. El núcleo permanece austenita sin expansión. Restringida por el núcleo, la superficie soporta tensiones de compresión mientras que el núcleo soporta tensiones de tracción.
Etapa de enfriamiento tardía (por debajo del punto Ms)
El núcleo se enfría hasta el punto Ms y se transforma en martensita con expansión de volumen. La superficie se ha vuelto dura y quebradiza con una capacidad de deformación limitada. El núcleo en expansión aprieta la superficie, provocando una inversión de tensión.
Distribución de tensiones finales: tensión de tracción superficial, tensión de compresión del núcleo (opuesta a la tensión térmica).
3. Principales factores que influyen en las tensiones estructurales
Composición química
Un mayor contenido de carbono aumenta la diferencia de volumen específico de la martensita y aumenta la tensión estructural.
Los elementos de aleación como Cr, Ni y Mo reducen la temperatura de Ms, amplían la diferencia de temperatura de transformación de fase, mejoran la templabilidad e intensifican la transformación de secciones no uniformes, aumentando así la tensión estructural.
Tamaño y forma de la pieza de trabajo
El tamaño de sección más grande, el espesor desigual, las esquinas y ranuras más afiladas agravan la transformación de fase asincrónica, aumentando la tensión estructural y la concentración de tensión. Las piezas pequeñas están dominadas por la tensión estructural, mientras que las grandes están dominadas por la tensión térmica.
Parámetros del proceso
Una temperatura de enfriamiento más alta homogeneiza la composición de austenita y engrosa los granos, amplificando el efecto de volumen de la transformación de fase y el estrés. Una velocidad de enfriamiento más rápida por debajo de Ms y una mayor templabilidad amplían la diferencia de tiempo de transformación de fase y el gradiente de transformación de martensita, lo que aumenta aún más la tensión estructural.
Microestructura inicial
La perlita laminar y la estructura en bandas provocan una transformación de fase desigual y una mayor tensión. La microestructura de recocido esferoidal permite una transformación de fase uniforme y reduce la tensión estructural.
4. Resumen
La tensión estructural es un resultado inevitable de la transformación de fase asincrónica y la diferencia de volumen específica, caracterizada por la tensión superficial y la compresión del núcleo. Es el principal incentivo para apagar la deformación y el agrietamiento.
Medidas de control: reducir la velocidad de enfriamiento en la región Ms, homogeneizar la transformación de fase, realizar un templado oportuno y optimizar la estructura de la pieza de trabajo y la selección de materiales. En la producción, es necesario equilibrar la tensión estructural y la tensión térmica para conciliar el rendimiento, la deformación y los riesgos de agrietamiento.