Entender quiere decir, muy en general, poseer
representaciones y conceptos mediante los
cuales se puede captar una multitud de fenó-
menos como unitariamente coherentes. La
facultad de predecir mediante el cálculo es
muchas veces una consecuencia del entender,
del poseer los conceptos exactos, pero no
es sencillamente idéntica con el entender.
W. Heisembarg
(Diálogos sobre la física atómica)

Hemos dicho frecuentemente que el acero durante el temple desarrolla tensiones internas. Estas tensiones son consecuencia de deformaciones no uniformes producidas durante el enfriamiento.
A su vez, aquellas deformaciones provienen de diferentes gradientes térmicos producidos en distintas partes de la pieza por efectos de cambio de sección (masa), sumándose a todo esto las no menos importantes variaciones de volumen debidas a las transformaciones estructurales
Los efectos finales pueden ser de tres tipos:

a) Las tensiones pueden superar en ciertos puntos el limite de rotura del material, en cuyo caso se producen fracturas.
Este es el caso más critico pues inutiliza la pieza. Debe evitarse a priori estudiando adecuadamente el diseño de la pieza, el medio de temple, la templabilidad y composición del acero.

b) Las tensiones sobrepasan el limite fluencia pero son inferiores a las de rotura.
En este caso el resultado es una deformación que puede corregirse o no en el mecanizado final (rectificado). De no poder corregirse, produce también el descarte de la pieza. Valen las mismas consideraciones que para el caso anterior .5i se quieren prevenir.

c) Las tensiones son inferiores al limite de fluencia y pueden quedar en la pieza como tensiones elásticas residuales.
Con el revenido es factible su eliminación, tanto más completa cuanto más elevada sea la temperatura empleada.
Al nos ser eliminadas o siéndolo solo parcialmente, las tensiones residuales pueden en ciertos casos acumularse v producir por fatiga microfisuras que al propasarse inducen fallas prematuras.
De este primer enfoque general, surge la importancia que debe darse a este problema.
Debernos estudiar, pues, un poco más a fondo el proceso de formación de las tensiones con el objeto de desarrollar criterios generales en la selección que permitan reducir al mínimo los peligros que, aquéllas involucran.
El objetivo fundamental será evitar en el temple del acero la susceptibilidad a la fisuración o a la deformación importante.

DESARROLLO DE LAS TENSIONES

No obstante lo dicho, no todas las tensiones son igualmente perjudiciales pudiendo alguna de ellas, según el sentido, la ubicación y la forma en que trabaja la pieza resultar beneficiosas. Es un hecho conocido que el desarrollo de tensiones superficiales de compresión se opone a la formación de fisuras en el temple y mejoran la resistencia de la fatiga en el uso.
El problema básico será pues, llegar a determinar que tipo de tensiones se van a producir en las distintas partes de la pieza durante el enfriamiento en el temple. La solución, como se comprende se verá sumamente afectada por la complicación de la forma de la pieza.
Por ello, como en otras oportunidades, haremos un enfoque simple, tratando de comprender las variables del problema que nos ayuden luego a pensar en los casos más difíciles.
Vamos a marcar en primer término una diferencia importante:
a) cuando la sección de la pieza templa completamente
(estructura MARTENSÍTICA)
b) cuando la sección no templa completamente (el núcleo desarrolla estructuras perlíticas y / o bainíticas).

El estudio de ambos casos veremos que conduce a la formaci6n de tensiones de distinto sentido.
Los parámetros a tener en cuenta en el análisis son los siguientes:

1) Según vimos la velocidad de enfriamiento disminuye hacia el centro de la pieza, tanto más cuanto mayor es el diámetro y la templabilidad es decir que se produce un gradiente térmico.
2) El enfriamiento produce una contracción térmica, cuya velocidad estará en relación directa con la velocidad de enfriamiento. Este se traduce en una desigualdad de contracción en las distintas partes de la pieza.
3) La transformación de la austenita en perlita, bainita o rnartensita produce un aumento de volumen . Esta variación es opuesta a la contracción térmica vista en (2) y es tanto mayor cuanto más inestable es la estructura final.
4) La Plasticidad de las estructuras desciende también en el mismo orden: austenita, perlita, bainita , martensita, con aumento de la fragilidad.
A su vez la plasticidad disminuye también con el aumento en el porcentaje de carbono.

5) Las zonas de la pieza susceptibles a la fisuración son aquéllas que en el temple desarrollan tensiones de tracción.

A la luz de estas condiciones veamos qué pasa en los casos (a) y (b) definidos al comenzar este parágrafo.

10.2 TEMPLE TOTAL (CASO A)

El caso (a) se caracteriza porque, pese al gradiente térmico, entre superficie y núcleo, la velocidad de enfriamiento es superior a la crítica en toda la sección (Fig. 25b).
Se distinguen tres etapas bien definidas:

1 ) La primera ocurre desde la temperatura de temple hasta la M, de transformación de la estructura.
En esta etapa se desarrollan tensiones debidas al gradiente térmico. La contracción de la superficie es mayor que la del núcleo; por ello este último no permite la libre contracción de aquélla. Tenemos como resultado que la superficie se tensiona a la tracción y el núcleo a la compresión.
El peligro de fisuras en la superficie es aquí muy pequeño debido a la plasticidad de la austenita.
2) La segunda etapa se produce con la transformación de la austenita en martensita en la superficie. Esta comienza a expandirse mientras que el núcleo, que no ha llegado todavía a Ms sigue contrayendo, impidiendo la libre dilatación de la superficie.
Este efecto contrario desarrolla tensiones de compresión en la superficie y de tracción en el núcleo. En este caso, las tensiones en el núcleo no suelen ser peligrosas por la misma razón vista en a1) para la superficie.

3 La tercera etapa corresponde a la transformación de la austenita en el núcleo. Ahora éste expande mientras que la superficie, que ha completado su transformación, sigue contrayendo por el enfriamiento.
El núcleo no puede expandir libremente por la acción constrictora de la superficie y desarrolla tensiones de compresión.
La superficie tampoco puede comprimirse libremente y queda sometida a importantes tensiones de tracción. La susceptibilidad a la fisuración es aquí seria pues las tensiones actúan sobre la martensita que es dura y frágil y prácticamente no admite deformación En la Fig. 63 se representan esquemáticamente las variaciones de volumen y en la tabla XXI se consigna el estado de tensiones (ver pág. siguiente).
El gráfico de los cambios de volumen se produce desfasado en las distintas partes de la pieza por efecto del gradiente térmico.

(Tensiones internas 2)
10.3 TEMPLE INCOMPLETO (CASO B)

El caso b) se caracteriza porque la velocidad de enfriamiento del núcleo es inferior a la crítica (Fig. 25a.). Ello introduce modificaciones importantes en las sucesivas etapas.

bl) La primera etapa no difiere de la del caso a).
b2) Esta etapa se diferencia del caso a) en que tanto la superficie como el núcleo se trasforman:

superficie (Ve > vc): hierro gamma pasa a Martensita (gran expansión)
núcleo (ve < ve): hierro gamma pasa a perlita (o bainita) (menor expansión)

Como consecuencia de la menor expansión del núcleo, se frena la de la superficie desarrollándose en esta última tensiones de compresión y en el núcleo, de tracción. Debido a que la expansión ocurre en ambas partes, las tensiones producidas no son importantes como para producir fisuras.

(tabla XX!!)

b3) La tercera etapa abarca el enfriamiento de la superficie y del centro con sus respectivas contracciones.

Debido al gradiente térmico, la superficie alcanza rápidamente la temperatura del medio mientras que el enfriamiento del núcleo es más lento, Esto, sumado a la baja plasticidad de la martensita hace que el núcleo no pueda contraer libremente con lo cual desarrolla mayores tensiones de tracción mientras que la superficie aumenta las tensiones de compresión.
En este caso las tensiones del núcleo pueden ser importantes y aumentar la tendencia a producir fisuras internas. Frente a esta tendencia, las estructuras perlíticas formadas en el .núcleo presentan dos cualidades opuestas. Por un. lado son más plásticas que la martensita pero tienen menor resistencia.
Resumimos el estado de tensiones en la tabla XXII.

10.4 EVALUACION DEL PROBLEMA DE LAS TENSIONES

Conocido ahora un poco mejor el problema del origen de las tensiones durante el temple, hagamos una evaluación completa para tener elementos de juicio en la selección del acero.
La experiencia demuestra que el caso (a) proporciona los mayores casos de fisuras. Ello en cierto modo queda en parte justificado por el análisis realizado.
Quiere decir que ya en el proceso de fabricación de una pieza debemos esperar un mayor descarte de producción para las que caen dentro del caso (a).
En el uso, suponiendo piezas sanas pero con tensiones residuales importantes, la tendencia a fallar es también mayor en el caso (a) que en el (b).
En el funcionamiento de la pieza las fisuras se desarrollan en la superficie y luego progresan hacia el núcleo hasta producir su fractura. Si las tensiones superficiales son de compresión, todo esfuerzo de tracción aplicado exteriormente deberá vencer primero las fuerzas residuales de compresión para actuar luego sobre la resistencia 'del material. Dicho de otra manera, para iniciar la fisura tenernos que aplicar en la superficie un esfuerzo mayor a la resistencia media del material.

Este efecto es el que se aprovecha, mencionémoslo de paso, en el tratamiento de perdigonado de las piezas. El bombardeo de partículas desarrolla en la superficie de la pieza un estado de tensiones de compresión beneficioso para la resistencia a la formación de fisuras.

Ahora bien, aparentemente parecería que un acero con alta templabilidad fuera más susceptible a la fisuración. No obstante no es causa por sí sola.

Si la sección de la pieza y el medio de temple son los adecuados a la templabilidad el comportamiento del acero respecto a las fisuras de temple será normal. Es decir que, lo perjudicial en el problema es el exceso de templabilidad; en esto queda involucrado el exceso de severidad de temple.
Otro factor importante en la sensibilización del acero a la formación de fisuras es el porcentaje de carbono. Sabemos que el carbono hace descender el punto Ms. Ello significa que el acero se trasforma a bajas temperaturas en las cuales tiene menor plasticidad para absorber las tensiones creadas por la transformación. Paralelamente el problema se agudiza pues la martensita formada con mayor porcentaje de carbono es más dura y frágil.

Los elementos de aleación también hacen disminuir el M,, pero según vimos en 3.1 (Form. 12) el efecto es aproximadamente diez o más veces menor que el del carbono en la templabilidad.

No obstante los aceros aleados son menos susceptibles a la fisuración pues por su mayor templabilidad permiten disminuir el % de carbono y con ello los problemas ya vistos. Por otra parte la mayor templabilidad requiere menor severidad de temple y con ello disminuye el gradiente térmico y paralelamente las tensiones producidas.
Sin embargo, este segundo efecto no siempre es efectivo pues parece ser que con enfriamientos lentos existe, en casos, mayor tendencia a desarrollar en la superficie tensiones de tracción. Este efecto no es generalizado y dependerá de algunas piezas en particular que deberán ser estudiadas adecuadamente.

Pese a esto podemos decir que en general el uso de menor severidad de temple contribuye a una menor distorsión y susceptibilidad a la formación de fisuras.

SELECCION DEL ACERO VS TENSIONES DE TEMPLE

Como podemos concluir, las tensiones de temple deben ser tenidas en cuenta en la selección del acero pues sino pueden producirse fallas en el proceso o uso de la pieza. El problema puede complicarse aún más en las piezas de grandes secciones, debido al gradiente térmico o en las de forma complicada pues en ellas puede haber secciones para las cuales el medio sea demasiado enérgico y otras en las cuales el temple ocurra según el caso (b).
Además, el diserto puede presentar irregularidades que ayudan a la formación o concentración de tensiones debidas
al desigual enfriamiento.
En base a todo lo visto, los puntos a tener en cuenta para la selección del acero con el fin de reducir al mínimo los efectos causados por las tensiones de temple son:

a) Seleccionar el acero cuyo % de carbono sea el mínimo que permite lograr las propiedades requeridas.
Esta regla vale también para los aceros empleados en el temple superficial
a la llama o por inducción.
b) Seleccionar el acero cuya templabilidad no exceda en mucho a la requerida por la severidad del medio elegido. En el caso de tener que elegir un acero con mayor templabilidad, deberá ajustarse la severidad correspondientemente.
c) Frente a problemas de fisuras en el temple o en el uso, atribuibles a tensiones en el enfriamiento, resulta conveniente verificar:
c1l) Composición química, en especial el contenido de manganeso
o elementos residuales que pueden modificar la templabilidad en
forma importante.

c2) La forma de la pieza para ver si los problemas se relacionan con los puntos de concentración de tensiones.

d) En los casos en que no es necesario un temple total, no pretender lograrlo 4) pues con ello sólo conseguiremos aumentar la susceptibilidad a la fisuración.
e) En los casos en que debe usarse aceros con elevado porcentaje de carbono una práctica aconsejable es revenirlos enseguida después del temple. Con el revenido se alivian las tensiones rápidamente y la martensita se transforma en constituyentes más plásticos, cuanto más elevada es la temperatura. Esto es posible pues las fisuras suelen aparecer hasta algunas horas después de realizado el temple.
f) Cuando el problema en los casos de temple completo de la sección se hace difícil de resolver, se puede intentar cambiar el proceso de fabricación usando un acero que pueda templarse superficialmente o que pueda cementarse. Estos tratamientos normalmente desarrollan tensiones superficiales de compresión.
g) Finalmente otro procedimiento muy eficaz para solucionar el problema es someter a las piezas al tratamiento de martempering
Este tratamiento consta de un doble temple : primero se templa la pieza en un baño de sales cuya temperatura es superior a la Ms y constante. Este primer temple debe evitar la transformación de la austenita.
Esta temperatura se mantiene un tiempo para que se homogeneice la de la superficie y el núcleo.
El tiempo de permanencia no puede exceder el de comienzo de transformación de la austenita: se puede determinar para cada acero mediante su curva T.T.T. (tiempo – temperatura – transformación) o curva de transformaciones isotérmicas.
A continuación se enfría el acero en el aire o en un medio de temple muy suave.
En estas condiciones la transformación de La austenita se hace casi simultáneamente en toda la sección con lo cual, prácticamente no se desarrollan tensiones.
Finalmente se hace el revenido para ajustar propiedades.
Este tratamiento se puede hacer simplemente para evitar solamente las deformaciones.