REVISIÓN DE TRANSFORMACIONES DE FASE
EN ESTADO SÓLIDO DE ACEROS EMPLEANDO
TÉCNICAS DE ANÁLISIS TÉRMICO
A REVIEW OF SOLID STATE PHASE TRANSFORMATIONS
OF STEELS USING THERMAL ANALYSIS TECHNIQUES
José Guadalupe Tobías López
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Ma, de Jesús Soria Aguilar
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Edgar Omar García Sanchez
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Francisco Raul Carrillo Pedroza
Universidad Autónoma de Coahuila, México
pág. 9306
DOI:
Revisión de Transformaciones de Fase en Estado Sólido de Aceros
Empleando Técnicas de Análisis Térmico
José Guadalupe Tobías López
1
j.tobias@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0009-0003-7058-1760
Universidad Autonoma de Coahuila
México
Ma, de Jesús Soria Aguilar
ma.soria@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-3910-7772
Universidad Autonoma de Coahuila
México
Edgar Omar García Sanchez
egs7710@gmail.com
https://orcid.org/0000-0002-1660-8622
Universidad Autonoma de Nuevo León
México
Francisco Raul Carrillo Pedroza
raul.carrillo@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-0413-0676
Universidad Autonoma de Coahuila
México
RESUMEN
Los aceros son una aleación a base de hierro con contenidos de carbono inferiores al 2% denominados
aceros al carbono, los cuales se clasifican, en bajo, medio y alto contenido de carbono. Una manera de
mejorar las propiedades mecánicas de los aceros es mediante la adición de elementos de aleación. Otra
forma es mediante la apliación de tratamientos térmicos, que consisten principalmente en someter el
material a un ciclo térmico, por un tiempo definido y un enfriamiento posterior, causando cambios en
su estructura cristalina y en su microestructura (transformaciones de fase). En estos casos, es deseable
la transformación martensítica, fase más resistente, la cual ocurre cuando el material se somete a un
enfriamiento rápido. Los análisis térmicos son una técnica utilizada para estudiar las propiedades de los
materiales en función de la temperatura, se basan en medir cómo cambian algunas propiedades físicas
o químicas de una sustancia a medida que se le aplica calor o se enfría. Durante el proceso de análisis
térmico, un material se somete a un control preciso de la temperatura, ya sea mediante el calentamiento
o el enfriamiento, y a lo largo de este proceso, se registran diversas propiedades del material, como su
masa, volumen, entalpía, entre otras, y al final, los datos obtenidos permiten entender cómo se comporta
el material en diferentes condiciones térmicas.
Palabras clave: aceros, propiedades, térmicos, microestructura
1
Autor principal.
Correspondencia: j.tobias@uadec.edu.mx
pág. 9307
A Review of Solid State Phase Transformations of steels Using Thermal
Analysis Techniques
ABSTRACT
Steels are an iron-based alloy with carbon contents less than 2% called carbon steels, which are
classified as low, medium and high carbon content. One way to improve the mechanical properties of
steels is by adding alloying elements. Another way is through the application of thermal treatments,
which mainly consist of subjecting the material to a thermal cycle for a defined time and subsequent
cooling, causing changes in its crystalline structure and microstructure (phase transformations). In these
cases, the martensitic transformation, the most resistant phase, is desirable, which occurs when the
material is subjected to rapid cooling. Thermal analyzes are a technique used to study the properties of
materials as a function of temperature. They are based on measuring how some physical or chemical
properties of a substance change as heat is applied or cooled. During the thermal analysis process, a
material is subjected to precise temperature control, either by heating or cooling, and throughout this
process, various properties of the material are recorded, such as its mass, volume, enthalpy, among
others, and in the end, the data obtained allows us to understand how the material behaves in different
thermal conditions.
Keywords: iron, propierties, thermal, microestructure
Artículo recibido 10 julio 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
pág. 9308
INTRODUCCIÓN
Las transformaciones de fase en estado sólido son fenómenos fundamentales que ocurren cuando un
material sólido cambia su estructura cristalina, composición química o propiedades físicas a medida
que se somete a cambios de temperatura, presión u otros factores externos. Estas transformaciones son
de gran importancia en diversos campos científicos e industriales debido a su efecto en las propiedades
y aplicaciones de los materiales (Merino et al., 2012).
Las transformaciones de fase sólida son cruciales para comprender y diseñar materiales con propiedades
específicas. Los científicos de materiales estudian estas transformaciones para desarrollar aleaciones
metálicas más resistentes, cerámicas avanzadas y polímeros de alto rendimiento (Mesa y Zapata, 2005).
En la metalurgia, las transformaciones de fase son esenciales para controlar la microestructura y las
propiedades de los aceros y otros metales. Esto afecta la durabilidad de estructuras como puentes y
edificios, así como la calidad de los productos manufacturados (Ochoa et al., 2012).
En la industria, las transformaciones de fase se aplican en la fabricación de materiales para diversas
tecnologías. Por ejemplo, en la industria de semiconductores, la modificación de la fase sólida mejora
la conductividad eléctrica de los materiales, lo que es esencial para dispositivos electrónicos (Ysava y
Luiggi, 2011).
Las técnicas de análisis térmico son herramientas que contribuyen en el estudio de las transformaciones
de fase en estado sólido, ya que permiten observar cómo cambian las propiedades de un material a
medida que se varía la temperatura (Bernal y Rangel, 2010).
A continuación, se describirán algunas técnicas importantes.
▪ La calorimetría diferencial de barrido (DSC Diferential Scaning Calorimetry) mide la diferencia de
calor absorbido o liberado por un material en función de la temperatura. Durante una transformación
de fase, se produce un cambio en el calor específico del material, lo que se refleja en un pico en el
gráfico DSC. Este pico proporciona información sobre la temperatura a la que ocurre la
transformación y la cantidad de energía involucrada (Henning, 2010).
▪ El análisis termogravimétrico mide la pérdida de peso de un material a medida que se incrementa
la temperatura. Es especialmente útil para estudiar transformaciones que involucran
descomposición térmica, sublimación o evaporación. Los cambios en la curva de peso frente a la
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temperatura proporcionan información sobre las temperaturas de inicio y finalización de la
transformación (Brown, 1980).
▪ La dilatometría es utilizada para medir cambios volumétricos en función del tiempo y la
temperatura. Se centra en la dilatación térmica de un material, recabando información enfocada en
diversos campos, como la metalurgia, en la fabricación de nuevos materiales y su comportamiento
para la mejora de sus propiedades (Idarraga et al., 2020).
▪ El análisis térmico con difracción de rayos X permite estudiar las transformaciones de fase cristalina
en sólidos, identificando las fases cristalinas presentes y observando cómo cambian a medida que
se varía la temperatura (Mittenmeijer et al., 2013).
▪ La microscopía térmica combina el calorímetro y el microscopio para visualizar transformaciones
de fase en una escala microscópica. Permite la observación directa de cambios en la estructura y la
morfología de las muestras a medida que se calientan o enfrían (White y Bernhard, 2010).
Estas técnicas son fundamentales en la investigación de transformaciones de fase en estado sólido,
proporcionando datos precisos sobre la temperatura, la energía involucrada y otros detalles importantes.
Las referencias mencionadas ofrecen una visión más detallada de cómo se aplican estas técnicas en la
caracterización de materiales y en la comprensión de las transformaciones de fase (Mittenmeijer et al.,
2013).
Con la finalidad de crear un mapa cientifico, se empleó el software Litmaps, para visualizar las
relaciones que se presentan en las palabras clave seleccionadas, así como las nuevas palabras que
surgen, permitiendo visualizar artículos relacionados a través de los años de los temas seleccionados.
Las Figuras 1 y 2, muestran un ejemplo de mapas de dicho software.
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Figura 1. Diagrama de transformaciones de fase en estado sólido.
Figura 2. Diagrama de transformaciones por cuatro técnicas de análisis térmicos.
Fundamentos de las transformaciones de fases
El entendimiento de las transformaciones de fase en estado sólido es esencial para comprender cómo
los materiales cambian sus propiedades, estructuras y estados físicos en respuesta a factores como la
temperatura y la presión.
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1. Las transformaciones de fase en sólidos están vinculadas a la minimización de la energía libre de
Gibbs del sistema. Cuando una fase sólida alcanza un estado en el que su energía libre es mínima,
se encuentra en equilibrio termodinámico. Las transformaciones de fase ocurren cuando una fase
existente ya no es la más estable y se forma otra fase más estable (Callister y Rethwisch, 2017).
2. Las transformaciones de fase pueden implicar cambios en la estructura cristalina del material. Por
ejemplo, en el acero, la transformación martensítica involucra la reorganización de los átomos sin
un cambio en la composición química, lo que resulta en una estructura cristalina diferente (Kittel,
1996).
3. La temperatura juega un papel crítico en las transformaciones de fase. Cada transformación tiene
una temperatura crítica asociada a ella, como el punto de fusión para la fusión o el punto de Curie
para la ferromagnetización. Además, las condiciones de equilibrio, como la presión, también
pueden influir en las transformaciones de fase (Smith, 2018).
4. Además de la termodinámica, la cinética es un aspecto importante de las transformaciones de fase.
La velocidad a la que ocurre una transformación depende de factores como la temperatura, la
concentración de defectos en la estructura y la difusión atómica (Porter y Easterling, 1992).
5. Los diagramas de fase son herramientas gráficas que representan cómo cambian las fases de un
material en función de la temperatura y la composición. Estos diagramas son fundamentales para
comprender las transformaciones de fase en sistemas complejos y se utilizan ampliamente en la
ciencia de los materiales (Hillert, 2008).
La Figura 3 muestra el diagrama hierro-carbono, también conocido como diagrama de fase o de
equilibrio hierro-carbono, El cual es una representación gráfica que muestra las diferentes fases o
estructuras que puede tener una aleación de hierro y carbono a diferentes temperaturas y composiciones
químicas (UTP, 2013).