INTRODUCCION INTRODUCCIO N A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
U NI VE RS ID AD D E P IU RA
FACULTAD DE INGENIERÍA
Programa Académico de Ingeniería Mecánico - Eléctrica Informe de Laboratorio Curso: Introducción a la Ciencia de los Materiales Ingeniera: Dra. Ing. Rosalba Guerrero Alumno: Hector Octavio Gomez Pingo Tema: Tratamientos Térmicos
Piura, 25 de Setiembre de 2017
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INTRODUCCION INTRODUCCIO N A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
INDICE Contenido III. IV. V. VI.
DISCUSION DE RESULTADOS CUESTIONARIO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCCION INTRODUCCIO N A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
INDICE Contenido III. IV. V. VI.
DISCUSION DE RESULTADOS CUESTIONARIO CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA
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INTRODUCCION INTRODUCCIO N A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
III. DISCUSION DE RESULTADO
1. Tomando en cuenta el tipo de aceros ensayados, averigüe qué tipo de microestructura se debería obtener después de cada tratamiento térmico t érmico realizado. Muestre la micrografía que presenta la fuente consultada. Muestre la referencia bibliográfica utilizada. utilizada. (1p) AI A I SI 10 1020 20::
RECOCIDO: Las microestructura que se obtiene consta de dos tipos de granos: mayor porcentaje de granos de ferrita proeutectoide que aparece como matriz de la microestructura (75% aproximado) y pequeño porcentaje de grano grano de perlita gruesa gruesa (25% aproximado). Ferrita proeutectoide como matriz que son las áreas claras y perlita laminar que son las áreas oscuras.
Figura 1: Foto Micrográfica del AISI 1020 RECOCIDO a 100x
Figura 2: Foto Micrografía del Acero AISI 1020 RECOCIDO a 500x
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INTRODUCCION INTRODUCCIO N A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES Bibliografía
Sídney Abner, “Introducción a la metalurgia física” (2da Edición), McGrawHill, pág. 243.
NORMALIZADO: Debido a un enfriamiento más rápido a comparación del recocido tenemos como consecuencia una producción de estructura de perlita fina y más abundante que la obtenida por el el recocido.
Figura 3: Acero AISI 1020 NORMALIZADO x500
Bibliografía
Metal Handbook 6th edition
TEMPLE EN AGUA: El constituyente obtenido es una red de ferrita blanca rodeando rodeando las grises áreas de martensita martensita tetragonal de bajo carbono con un tamaño de grano pequeño.
Figura 4: Microestructura AISI 1020 TEMPLE EN AGUA x500
Bibliografía
Sídney Abner, “Introducción a la metalurgia física” (2da Edición), McGrawHill, pág. 279 .
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TEMPLE EN ACEITE: La microestructura obtenida también es la martensita, sin embargo el tamaño de grano de esta es más grande debido a que su velocidad de enfriamiento es menor que la velocidad de temple en agua. La microestructura también es conformada por ferrita, las zonas más oscuras pertenecen a la vainita.
Figura 5: Microestructura del AISI 1020 TEMPLE EN ACEITE x100
Bibliografía
Metalografia y Tratamientos Termicos, Ing Va Larre – Estructura de los aceros
REVENIDO EN AGUA: El resultado de este tratamiento es una microestructura muestra martensita revenida, martensita sin revenir y pequeña porción de ferrita.
Figura 6: Microestructura del AISI 1020 TEMPLE EN AGUA + REVENIDO x50 Bibliografía
Handbook 6ta edition 5
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REVENIDO EN ACEITE: De por si en el temple por aceite no encontramos martensita en su totalidad, también encontraremos mayor cantidad de ferrita a comparación del revenido en agua y zonas de perlita con la diferencia de tamaño de grano con respecto al revenido en agua debido a su velocidad de enfriamiento.
Figura 7: Microestructura de AISI 1020 REVENIDO EN ACEITE x50
Bibliografía
https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm07/pfcm7_5_1.html AI SI 1040:
RECOCIDO: El tratamiento nos da como consecuencia una microestructura que muestra ferrita proeutectoide como matriz y perlita gruesa. El refinamiento del tamaño de grano se mantiene ya que ambos son aceros hipoeutectoides.
Figura 8: Microestructura del AISI 1045 RECOCIDO x100
Bibliografía
Fotos microscópicas de aceros al carbono http://www.inspt.utn.edu.ar/academica/carreras/67/TPracticos/TecnologiaI/Trab ajos.Practicos/ENSAYOS.LABORATORIO/1EnsayosMetalografia/3FOTOS. MICROSCOPICAS.ACEROS.CARBONO.pdf 6
INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
NORMALIZADO: Se obtendrán microestructuras que muestran una estructura perlitica de grano fino y una matriz de ferrita proeutectoide. La diferencia con el AISI 1020 es en la temperatura de normalización, siendo esta de menor temperatura.
Figura 9: AISI 1045 NORMALIZADO x100
Bibliografía
Sídney Abner, “Introducción a la metalurgia física” (2da Edición), McGrawHill, pág. 258
TEMPLE EN AGUA: Presencia de martensita en el interior de los granos en forma de agujas que se cortan en zigzag. La martensita constituye el total porcentaje de la microestructura.
Figura 10: Microestructura del AISI 1045 TEMPLE EN AGUA
Bibliografía
“Evaluación de la dureza y microestructura del acero 1045 templado en sustancias refrigerantes no tradicionales” - Eduardo A. Pérez Ruiz
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TEMPLE EN ACEITE: Se muestra en alta proporción martensita. Se logra obtener unos pequeños granos de perlita fina y algunos de ferrita.
Figura 11: Microestructura de AISI 1045 TEMPLE EN ACEITE x500
Figura 12: Microestructura de AISI 1045 TEMPLE EN ACEITE x1000
Bibliografía
“CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 TRATADO TÉRMICAMENTE EN EL INTERVALO INTERCRÍTICO” - Carlos Bohorquez, Estephany Sabogal, Alvaro Rodriguez, Jorge Moreno.
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REVENIDO EN AGUA: Encontramos martensita revenida y martensita sin revenir.
Figura 13: ACERO 1045 REVENIDO EN AGUA x500
Figura 14: ACERO 1045 REVENIDO EN AGUA x9000
Bibliografía
Sídney Abner, “Introducción a la metalurgia física” (2da Edición), McGrawHill, pág. 309
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REVENIDO EN ACEITE: Se obtiene martensita revenida no en totalidad, ya que se han convertido en ferrita. La mayoría de martensita se vuelve ferrita y también existe perlita.
Figura 15: ACERO 1045 REVENIDO EN ACEITE
Bibliografía
“CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 TRATADO TÉRMICAMENTE EN EL INTERVALO INTERCRÍTICO” - Carlos Bohorquez, Estephany Sabogal, Alvaro Rodriguez, Jorge Moreno.
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2. En base a las fotos de microestructura que se les ha entregado, responda si ha obtenido en sus probetas, la microestructura que, según la bibliografía y/o manuales, debió obtener. Haga un cuadro mostrando la foto de la microestructura obtenida y la foto que, según la bibliografía, debió obtener. (2p) Tabla 1: AI SI 1020 R E COCI DO
MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
c)
a)
d)
b)
El propósito del recocido es refinar el grano, obteniendo pequeños granos de ferrita proeutectoide y pequeñas áreas gruesas de perlita laminar. Como vemos en la microestructura obtenida en la imagen b) las áreas oscuras representan la pequeña porción de perlita gruesa, y las áreas amarillas son las áreas de la ferrita proeutectoide. Comparando con la imagen d) se nota que encontramos las mismas microestructuras. Observando la imagen a) y c) se nota que las áreas de ferrita proeutectoide (oscuras) predominan sobre las áreas de perlita gruesa (claras). Finalmente decimos que si hemos obtenido la microestructura esperada.
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Tabla 2: AISI 1020 NORMALIZADO MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b) Como resultado del normalizado habrá menos ferrita proeutectoide y más áreas abundantes de perlita, que en este caso será más fina en comparación a la que encontramos en el recocido, debido a que en este tratamiento térmico el incremento en la rapidez de enfriamiento es mucho mayor que en el recocido que se enfría en condiciones de equilibrio. En b) notaremos que las áreas de perlita fina han aumentado si lo comparamos con las áreas de perlita gruesa en el recocido. Lo mismo veremos en c) que tenemos más áreas de perlita fina, por lo que hemos obtenido una microestructura adecuada.
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Tabla 3: AISI 1020 TEMPLE EN AGUA MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b)
Del temple en agua obtendremos una microestructura compuesta por martensita y ferrita. En c) notamos que la martensita está rodeada por áreas de ferrita y en b) notamos que las áreas más oscuras que son martensita están rodeadas por regiones de ferrita de color amarillentas. Por lo que concluimos que nuestro resultado si es el esperado.
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Tabla 4: AISI 1020 TEMPLE EN ACEITE MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c) b)
La temperatura con que se trabajo fue de 860°C, por lo que se logró formar martensita en el momento del enfriamiento que se puede notar en la figura a) como líneas oscuras son martensita que se encuentran en menor proporción comparándolas con el temple en agua. Si observamos la figura c) notamos que la martensita que son las regiones oscuras como líneas predominan en la microestructura, por lo que si hemos alcanzado el resultado.
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Tabla 5: AISI 1020 REVENIDO EN AGUA MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c) b) En el revenido obtenemos que la martensita del temple, se vuelva martensita revenida. Sin embargo el revenido causa que cierta porción de la martensita disminuya como sus puntas y ahora parecen granos finos. Por lo que observando la figura b) notamos que ya no hay regiones puntudas y se iguala a la figura c) que tampoco posees regiones puntudas. Entonces verificamos que nuestro resultado en la microestructura es el correcto.
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
Tabla 6: AISI 1020 REVENIDO EN ACEITE MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b)
Notamos que las regiones puntudas de la martensita han desaparecido, y hemos obtenido, por otro lado martensita revenida que se encuentra en mayor proporción. En c) y en b) hemos obtenido una mayor cantidad de ferrita que en el ACERO 1020 templado en aceite. Entonces concluyendo con los resultados, vemos que hemos alcanzado los resultados. Tenemos menos regiones de martensita revenida y un grano más refinado.
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Tabla 7: AISI 1045 RECOCIDO MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b)
Como hemos visto en el recocido se obtiene perlita gruesa, que en este caso es ligeramente mayor al de ferrita proeutectoide. Observamos la figura b) y c) para darnos cuenta la presencia de perlita gruesa (zonas oscuras) son iguales. Por lo tanto concluimos que la microestructura obtenida es igual a la microestructura esperada.
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Tabla 8: AISI 1045 NORMALIZADO MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b) Por la condición de normalizado se puede calcular un valor aproximado de 62% de perlita fina (zonas oscuras) y 38% de ferrita proeutectoide (zonas amarillas). En las figuras a) y b) se cumple esta condición de mayor presencia de áreas de perlita fina. Y en la figura c) se nota que abundan las regiones de perlita fina. Por lo que el resultado es el esperado.
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Tabla 9: AISI 1045 TEMPLE EN AGUA MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b)
Como es un acero de mayor porcentaje de carbono comparado con el AISI 1020, se observará principalmente martensita. También vemos que esta martensita posee las regiones en forma de agujas más definidas que en el aceite. En la figura c) observamos que las regiones puntudas se dan a notar, entonces observamos la figura b) y nos damos cuenta que también posee las agujas de la martensita. Por lo que nuestro resultado es el esperado.
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Tabla 10: AISI 1045 TEMPLE EN ACEITE MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b)
d)
Se ha obtenido martensita (color morado) rodeado de granos de perlita fina (color amarillento) en la figura b). Si lo comparamos con la figura d) notaremos que la martensita es de color más clara que los granos de perlita fina. Entonces hay una concordancia en los resultados. Lo mismo sucede en a) que tiene un gran porcentaje de martensita, y en c) que posee una mayor región de perlita fina. Entonces hemos obtenido los resultados esperados.
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
Tabla 11: AISI 1045 REVENIDO EN AGUA MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a) c)
d)
b)
En el revenido en agua se obtiene una mayor área de martensita revenida que es de color oscuro, y martensita sin revenir de color clara. Pues así lo observamos en las figuras b) y d) que las áreas oscuras predominan sobre las áreas claras. En la figura a) vemos que casi toda la región de la microestructura es de martensita revenida. Por lo que nuestra estructura obtenida es la correcta.
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Tabla 12: AISI 1045 REVENIDO EN ACEITE MICROESTRUCTURA OBTENIDA
MICROESTRUCTURA ESPERADA
a)
c)
b) Si comparamos la imagen a) y c) observaremos que tenemos una región de perlita laminar que son las zonas más claras. Y veremos que la martensita se ha convertido en ferrita, que abunda en la microestructura. Quizás debido a la alta temperatura que se trabajó debimos encontrar solo martensita revenida. No es el resultado exacto que esperábamos.
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3. Comente y explique los resultados de los gráficos de dureza obtenidos. Estime la resistencia a la tracción de cada muestra (en las que pueda hacerlo). Ordene las probetas en orden creciente de tenacidad. Explique (2p)
Resultados obtenidos: De acuerdo al tipo de acero tratado, en nuestro laboratorio de tratamientos térmicos se ha utilizado la escala ROCKWELL C y ROCKWELL B para las muestras de AISI 1045 y AISI 1020, respectivamente. Se utilizó para el acero AISI 1045 una precarga de 150 kg por ser ROCKWELL C. Y para el AISI 1020 una precarga de 100 kg.
Los valores de las gráficas tienen sus coordenadas verticales en función de la dureza Brinell y sus coordenadas horizontales la longitud en pulgadas desde el borde de la probeta circular. 0
3/16”
3/8”
9/16”
3/4”
AISI 1020 Escala HRb HRb HRb HRb HRb HRb HRb
SUMINISTRO RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLE AGUA TEMPLE ACEITE REVENIDO AGUA REVENIDO ACEITE
AISI 1020 2 3 4 62 64 62 58* 49 43 52 50 51 73 74 76 63 62 61 64 65 64 60 65 58
1 67 41 48 74 60 65 57
5 59 41 52 80 61 64 57
Promedio 62.8 43.5 50.6 75.4 61.4 64.4 59.4
Tabla 13: DUREZAS AISI 1020
SUMINISTRO AISI 1020
114
107 105
105
95
0
3/16"
3/8"
9/16"
Grafica 1: Dureza vs Diámetro
23
3/4"
INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
RECOCIDO AISI 1020
90
87.5
82.6 81
0
3/8"
9/16"
Grafica 2: Dureza vs Diámetro
NORMALIZADO AISI 1020 186 175 163
86.7
89.2
0
3/16"
3/8"
9/16"
3/4"
Grafica 3: Dureza vs Diámetro
TEMPLE EN AGUA AISI 1020 147
137
131
131 127
0
3/16"
3/8"
9/16"
Grafica 4: Dureza vs Diámetro
24
3/4"
INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
TEMPLE EN ACEITE AISI 1020
106 105
103
103
9/16"
3/4"
101.4
0
3/16"
3/8"
Grafica 5: Dureza vs Diámetro
REVENIDO EN AGUA AISI 1020
109
109
107
0
3/16"
3/8"
107
107
9/16"
3/4"
Grafica 6: Dureza vs Diámetro
REVENIDO EN ACEITE AISI 1020 109
101.4
98.2 96.6
0
96.6
3/16"
3/8"
Grafica 7: Dureza vs Diámetro
25
9/16"
3/4"
INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
AISI 1045
Escala HRc HRc HRc HRc HRc HRc HRc
SUMINISTRO RECOCIDO* NORMALIZADO TEMPLE AGUA TEMPLE ACEITE REVENIDO AGUA REVENIDO ACEITE
1 16 7* 13 55 32 23 18
2 17 32 15 54 32 19 18
AISI 1045 3 4 18 17 11* 42 13 14 53 57 23* 27 18 20 19 18
5 17 7* 15 60 29 20 17
Promedio 17 37 14 55.8 30 20 18
Tabla 14: DUREZAS DEL AISI 1045
SUMINISTRO AISI 1045
212
208
208
208
9/16"
3/4"
203
0
3/16"
3/8"
Grafica 8: Dureza vs Diámetro
NORMALIZADO AISI 1045 199
199
191 190
0
190
3/16"
3/8"
9/16"
Grafica 9: Dureza vs Diámetro
26
3/4"
INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
TEMPLE EN AGUA AISI 1045
627 592 552
0
534
513
3/16"
3/8"
9/16"
3/4"
Grafica 10: Dureza vs Diámetro
TEMPLE EN ACEITE AISI 1045 314
300
271 262
1
2
3
4
Grafica 11: Dureza vs Diámetro
REVENIDO EN AGUA AISI 1045 240
223
223
9/16"
3/4"
216 212
0
3/16"
3/8"
Grafica 12: Dureza vs Diámetro
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
REVENIDO EN ACEITE AISI 1045
216
212
212
212
208
0
3/16"
3/8"
9/16"
3/4"
Grafica 13: Dureza vs Diámetro
Nuestras pruebas fueron realizadas en una probeta cilíndrica. Entonces si el diámetro aumenta (en este caso va de 0” a ¾”), la razón del área superficial a la masa disminuirá, así como también la rapidez de enfriamiento.
Figura 16: Curvas de enfriamiento tiempo-temperatura para diferentes posiciones en una barra de una pulgada de diámetro templada drásticamente en agua.
Esto da a comprobar que a la periferia posee mayor dureza que el núcleo, debido a que la velocidad de enfriamiento es mayor.
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
Fórmula para el cálculo de la resistencia a la tracción a partir de dureza:
Sin embargo esta ecuación solo se puede utilizar en aceros de bajo carbono y de baja aleación. AISI 1020
SUMINISTRO RECOCIDO NORMALIZADO TEMPLE AGUA TEMPLE ACEITE REVENIDO AGUA REVENIDO ACEITE
DUREZA BRINELL
ESFUERZO DE TRACCION
105.2 85.275 139.98 134.6 103.68 107.8 100.36
35.0667 28.425 46.66 44.867 34.56 35.933 33.453
Tabla 15: DUREZAS Y ESFUERZOS DE TRACCION
* Se ha considerado estos cálculos solo teniendo en cuenta que pertenece a un acero de bajo carbono por lo que se ha utilizado la formula. Sin embargo, para algún cambio en su composición química debido al acero se realizara mediante una fórmula que aún no se ha visto en clase. AISI 1045 Debido a los tratamietos térmicos o a la composición química, para el resto de acceros se podría determinar la resistencia usando unas tablas estandarizadas, por lo que no corresponden a cálculos.
Probetas ordenadas de mayor a menor tenacidad: AISI 1020 RECOCIDO AISI 1020 NORMALIZADO AISI 1045 TEMPLE EN ACEITE AISI 1020 TEMPLE EN ACEITE AISI 1045 REVENIDO EN AGUA AISI 1045 TEMPLE EN AGUA AISI 1020 TEMPLE EN AGUA
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
4. ¿Los valores de dureza obtenidos son los esperados para el tratamiento térmico efectuado en todas las probetas? Si en alguno no se ha obtenido, ¿cuál podría ser la causa? (1p)
Lo que se buscaba comparar era que la dureza en toda la pieza fuera lineal, ya que eso sería lo correctamente teórico. Sin embargo, esto no sucede así. Encontramos diferencias debido a un mal tratamiento térmico realizado, donde influyen una incorrecta relación entre la temperatura, el tiempo de permanencia y el modo de enfriamiento.
Figura 17: Horno eléctrico usado en el laboratorio de Tratamientos térmicos
Otra causa que podría dar que los valores difieran de lo teórico es la descarburización. Esta trae como consecuencia una pérdida de dureza en la superficie del metal.
Figura 18: Probeta de ensayo que muestra un fenómeno de decarburizacion
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
Otra causa podría ser también que la estabilidad del durómetro no sea la adecuada, es decir que el durómetro no este calibrado
Figura 19: Durómetro
5. En las probetas en las que haya obtenido una microestructura diferente, investigue las posibles causas.(1p)
Debido al medio usado en el temple y la temperatura del horno, el revenido en aceite del AISI 1045 no fue el correcto. Se debía obtener en el temple de aceite pura martensita, por lo consecuente hallar en el revenido martensita revenida. Lo que puede causar la variación es la velocidad de enfriamiento que hizo que algunas áreas de la martensita se convirtieran en ferrita y otras en perlita, teniendo al final como resultado una microestructura ferrita perlita.
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
IV. CUESTIONARIO
1. Para cada uno de los siguientes tratamientos térmicos de aceros, explique el objetivo (propiedades y microestructura que se busca), a qué tipo de aceros se aplica, dibuje un esquema del ciclo térmico, indicando temperatura de tratamiento y modo de enfriamiento: a) Recocido de homogenización: También llamado recocido de Difusión, donde se utiliza dicho fenómeno para obtener un material homogéneo. El objetivo de este tipo de recocido es el de reducir la heterogeneidad química provocada por la solidificación. Esta heterogeneidad es la consecuencia de la segregación cristalina y en bloque. Se usa principalmente en aceros de alto carbono. Debido a que la velocidad de difusión es una función exponencial de la temperatura, se hará el recocido de difusión a la temperatura más alta posible. La influencia de este tratamiento sobre las diferentes segregaciones depende principalmente de: - Las diferencias en concentración - Las distancias de difusión - La velocidad de difusión de los diferentes elementos El recocido de difusión se aplica por ejemplo en los lingotes de acero, durante el calentamiento como preparación al forjado y laminado, aunque también puede utilizarse para reducir simultáneamente la heterogeneidad química y mecánica de un material trabajado en caliente.
Figura 20: Ciclo térmico del recocido de homogenización
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
b) Normalizado: La normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente 100°F por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida por un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura ambiente. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que el obtenido por el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones la normalización pueda ser un tratamiento térmico final. La normalización también puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, y refinar el grano y homogenizar la microestructura para mejorar la respuesta a las operaciones de endurecimiento. El normalizado consiste de dos recristalizaciones por transformación de fase: una primera recristalización se obtiene por la transformación de la ferrita y la cementita (perlita) en austenita y la segunda recristalización por la transformación de la austenita a ferrita y perlita. Cada transformación de fase provoca una recristalización y afino de grano.
Figura 21: Ciclo térmico del normalizado
c) Temple: Es una operación que se realiza calentando a una temperatura por encima del punto de transformación Ac3 o Ac1, enfriando con tal velocidad que se produzca un considerable aumento de la dureza, superficialmente o hasta el núcleo de la pieza, lo que se debe en general a la formación de martensita. El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura .ligeramente superior a la crítica y se enfría luego más o menos rápidamente (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua, aceite, etc.
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
Figura 22: Ciclo térmico del temple
d) Revenido: En la condición martensítica sin tratamiento térmico ulterior, el acero es demasiado frágil para la mayoría de aplicaciones. La formación de martensita origina grandes tensiones residuales en el acero; por tanto, el endurecimiento casi siempre sigue de un tratamiento de revenido, el cual consiste en calentar el acero a alguna temperatura menor que la inferior critica obteniendo martensita revenida. El propósito del revenido es liberar los esfuerzos residuales y mejorar la ductilidad y tenacidad del acero. Este aumento en ductilidad generalmente se obtiene a costa de la dureza o de la resistencia.
Figura 23: Ciclo térmico del Revenido
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e) Recocido Globular o Esferoidización: Este proceso de tratamiento térmico mejora la maquinabilidad. Se utiliza en aceros hipereutectoides, aquellos que poseen un porcentaje de carbono mayor al 80%. Este proceso producirá una forma de carburo globular o esferoidal, por eso el nombre, en una matriz ferrítica. La cementita se convertirá en esferas, debido a que es la forma de mayor equilibrio en sus alredores. También se puede llamar esferoidita. La estructura esferoidizada es deseable cuando es importante una mínima dureza, una máxima ductilidad o una maquinabilidad en aceros de alto carbono.
Figura 24: Acero al 1% de carbono esferoidizado y recocido, que muestra cementita esferoidizada en una matriz de ferrita.
Figura 25: Ciclo térmico del recocido globular
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INTRODUCCION A LA CIENCIA DE LOS MATERIALES
f) Recocido Sub Critico: Este proceso es útil para eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frio, y se aumenta su ductilidad. Generalmente se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior (1000 a 12000°f). Se pueden distinguir dos clases de recocidos sub críticos: 1. Recocido de ablandamiento.- Su principal objeto es ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no se suelen obtener las menores durezas, pero en muchos casos las que se consiguen son suficientes para mecanizar perfectamente los materiales. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la crítica Ac1, sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que se obtienen en ciertos aceros de herramientas y de construcción de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado. 2. Recocido contra acritud.- Se efectúa a temperaturas de 625° a 675°, y tiene por objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenido en carbono (menos de 0,40 %) estirados en frío. Con el calentamiento a esa temperatura, se destruye a cristalización alargada de la ferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.
Figura 26: ciclo térmico del recocido sub crítico.
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g) Austempering: Anstempering o transformación isotémica de la austenita en bainita en la zona de 250°-600°, consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica y luego enfriarlo rápidamente en plomo o sales fundidas, a temperaturas comprendidas entre 250° y 600°, permaneciendo el acero en el baño a esa temperatura durante el tiempo suficiente para que se verifique la transformación completa de la austenita en otros constituyentes a temperatura constante. Un tratamiento ele esta clase, denominado «patenting», se aplica desde hace mucho tiempo para la fabricación de ciertos alambres de alta resistencia, que .se .conocen generalmente con el nombre de «cuerda, de piano». En este caso, el enfriamiento se suele hacer en baño de plomo, quedando el acero con una tenacidad y ductilidad excepcionales. La principal ventaja del austempering es la ausencia de esfuerzos internos y grietas microscópicas que se producen en los temples ordinarios martensíticos. Además, la tenacidad es mucho más elevada en las piezas tratadas con austempering, que en las piezas templadas y revenidas, a pesar de tener ambas piezas la misma dureza. Cuenta con una mayor ductilidad, también hay menos distorsión y peligro de fisuras, porque el temple utilizado no es tan drástico como en el método convencional.
Figura 27: Diagrama esquemático de transformación para austenizado.
Figura 28: Ciclo térmico del Austempering
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h) Patenting: Este tratamiento se suele utilizar en la industria de trefilería, para la fabricación de alambres de alta resistencia, unas veces como, tratamiento intermedio, para destruir el efecto del estirado y conseguir estructuras muy finas de tipo sorbítico, troostítico o bainítico muy convenientes para los trabajos de trefilería, pues tienen gran tenacidad y una excelente aptitud para el estirado, o también como operación final para que el alambre ele acero quede con una resistencia muy elevada. El patenting es especialmente interesante en el caso de aceros de alto contenido en carbono (0,50 % a 0,70 % de C), que en general son muy difíciles de estirar. Este problema no se suele presentar en cambio en los aceros de menos de 0,30 % de carbono, porque la ferrita, que es en ellos el constituyente predominante en su estructura, es muy plástica y se deforma con gran facilidad. En la microestructura de los aceros de alto contenido en carbono que han de ser estirados en frío, es muy perjudicial la presencia de cementita libre o de perlita laminar, porque ofrecen una gran resistencia a la deformación. La plasticidad del acero, depende del espesor de las láminas que componen la perlita y de su orientación con respecto al eje del alambre. Las bandas de perlita perpendiculares a la dirección del laminado, son lar, que ofrecen más resistencia al estirado, mientras que las que se encuentran paralelas a esa dirección no ejercen una influencia tan perjudicial. El proceso que se sigue en el tratamiento de estos aceros, consiste en calentarlos por encima de la temperatura crítica Ac32, hasta conseguir el estado austenítico completo y enfriarlos luego con relativa rapidez, según el espesor del alambré y los resultados que se quieran obtener al aire, en baños de sales o plomo-fundido»
Figura 29: Ciclo térmico del Patenting de color verde
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2. Defina los siguientes términos, indique las consecuencias en el acero y la posibilidad o no de revertirlo. (2p) a) Decarburacion: La descarburación superficial es una pérdida de carbono en la periferia de los aceros, que se verifica a altas temperaturas bajo la acción de determinadas mezclas gaseosas (figura 378). Este fenómeno que tiene relativamente poca importancia en los aceros de construcción de muy bajo contenido en carbono, destinados a la fabricación de chapas, perfiles, etc., tiene una influencia decisiva en los aceros de herramientas de 0,70 a 1,40 % de carbono que se emplean para la fabricación de sierras, brocas, limas, hojas y navajas de afeitar, etc. Estas herramientas deben de quedar con durezas muy elevadas, que no se pueden conseguir, cuando existen pequeñas descarburaciones superficiales. La descarburización puede prevenirse mediante una atmósfera endotérmica de gas en el horno, a fin de proteger la superficie del acero del oxígeno, del bióxido de carbono y del vapor de agua. Una atmósfera endotérmica de gas se prepara haciendo reaccionar mezclas relativamente ricas de aire y de gas hidrocarburo (por lo general, gas natural) en un generador calentado externamente en presencia de un catalizador de níquel. El gas producido consta de 40% de nitrógeno, 40% de hidrógeno y 20% de monóxido de carbono.
Figura 30: Capa descarburizada de ferrita sobre la superficie de un acero al alto carbono recocido.
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b) Sobrecalentamiento:
Sobrecalentamiento en el recocido: En estos tratamientos se producen microestructuras incorrectas conocidas como estructura duplex, quemado de primer grado, segundo y tercer grado. El sobrecalentamiento se debe a un exceso en la temperatura de austenización y un exceso en el tiempo de permanencia. Ambos efectos producen un aumento en el tamaño de grano austenítico. Este aumento se debe al crecimiento aislado de algunos granos, pero como la velocidad de enfriamiento no es igual para todos los granos, se produce una estructura intermedia conocida como estructura duplex (mezclas de granos pequeños y grano grueso). En consecuencia tiende a perder la herramienta sus propiedades mecánicas que la caracterizan. Sobrecalentamiento en el temple: Las fallas más frecuentes que se presentan en el temple es debido a un sobrecalentamiento, tiempo de permanencia y el medio de temple (velocidad de enfriamiento) a consecuencia de los factores presentados obtenemos fallas denominadas como:
Hipertemple: (temperatura de austenización o temple demasiado alta). En efecto, el exceso de temperatura durante la austenización del material origina un tamaño de grano austenltico muy grande que al templar a su vez da por resultado una martensita muy basta. Estructura muy dura y frágil. (Fotomicrografía 12) También con la temperatura excesiva se originan tensiones internas que superan a las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina, es muy frecuente que se produzcan grietas o fisuras de temple que se reconocen metalográficamente por su curso cristalino. Austenita Retenida: En los aceros de herramienta con elementos de aleación, cuando efectuamos un calentamiento por arriba de la zona de austenización producimos además de martensita gruesa, una cierta cantidad de austenita retenida. Esta se manifiesta en la presencia de un fondo blanco entre los granos gruesos y agujas de martensita, en la porción exterior de la microestructura. Como la austenita es mas blanda que la martensita se puede detectar fácilmente comparando la dureza periférica.
El sobrecalentamiento de la pieza debido a la alta temperatura de la llama: Causada por el proceso de endurecimiento por llama, que es un proceso que no cambia la composición química del acero, puede producir tanto fisuras después del templado, como excesivo crecimiento de grano en la región que está debajo de la zona endurecida. 40
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RESTAURACIÓN DE LAS FALLAS POR SOBRECALENTAMIENTO: Estructura Duplex: Para corregir la estructura duplex se aplica un tratamiento de recocido con el mayor cuidado que se pueda; primero se eleva la temperatura de austenización (800 - 815 °C) con un tiempo de permanencia de 10 a 15 minutos de acuerdo a la regla general (1 hora/pulgada cuadrada). Posteriormente se enfría en el horno lentamente hasta alcanzar la tempera tura ambiente, con este tratamiento se logra restaurar el material o bien se homogeniza el grano. Para tener una mayor eficiencia en el tratamiento se aplica al material una película de protección, empaqueta miento o atmósferas controladas para evitar una posible descarburizacion. Quemado de Primer Grado: Los materiales que sufren esta falla se regeneran con un doble tratamiento. El primer tratamiento se caracteriza porque el tiempo utilizado es relativamente grande y la temperatura elevada, pero sin llegar a la fusión de los bordes de grano. En este procedimiento se realiza a temperatura de austenización 980 - 1100°C con un tiempo de permanencia de 15 minutos, existiendo una difusión atómica que logra una homogenización química del carbono acumulado en los bordes de grano. Posteriormente se aplica un enfriamiento lento que ocasiona una estructura de grano grueso. Inmediatamente se aplica el segundo tratamiento de recocido, elevando la temperatura de autenización a 980° C con tiempo de permanencia de 10 minutos dejando enfriar lentamente hasta obtener temperatura ambiente hasta obtener una estructura de grano fino. (Fotomicrografía 23) Si no se desea un segundo recocido, se puede recurrir a un tratamiento de normalizado, porque se obtendrá la misma estructura de grano fino ya sea con el segundo recocido o bien con el de normalizado. Quemado de Segundo Grado: Para regenerar una herramienta que presente esta falla se recurre primero a un forjado para eliminar los glóbulos de óxido de carbón y a continuación se efectúa un recocido de regeneración completa. El primer método, para regenerar la falla se aplica de la siguiente manera. Para realizar el método de forjado se debe obtener temperaturas de austenización 850 - 900 °C y mantenerla durante el procedimiento. Al establecer las temperaturas se efectúa el mecanizado eliminando la oxidación y descarburizacion que presenta el material en la superficie en forma de capas delgadas. Para obtener un resultado favorable en el procedimiento, no debe excederse demasiado tiempo con la temperatura de autenización, de otra manera surgirían fallas de quemado de primer grado. Al terminar el forjado, la pieza se deja enfriar de tal manera que todas las caras de la pieza queden expuestas al medio ambiente, pero evitando que se coloquen en pisos húmedos y corrientes de aire demasiado fuertes. Lo más conveniente es enfriarlos lentamente en cenizas secas, en particular para los aceros altamente aleados.
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La segunda etapa es aplicar un recocido que genera restauración total, aplicando todas las recomendaciones para obtener un buen tratamiento, como es temperatura de austenización 800 - 815°C tiempo de permanencia 5 a 10 minutos y medios de protección contra una descarburizacion. El calentamiento debe ser uniforme y constante de tal manera que la temperatura del centro con la de la superficie sea homogéneas, para evitar tensiones internas en el material, el enfriamiento de la pieza debe ser lenta hasta alcanzar temperatura ambiente. Quemado de Tercer Grado: La restauración de una herramienta que presenta esta falla no es posible, ni aun utilizando cualquier procedimiento mecánico, es decir, que la herramienta debe rechazarse o bien a refusión.
c) Acero Quemado: Cuando un acero se ha calentado a una temperatura demasiado elevada, próxima al punto de fusión, queda muy frágil, con muy poco alargamiento y su estructura es muy grosera y brillante. Por efecto de la alta temperatura, los cristales pierden su cohesión, quedando rodeados por delgadísimas capas de óxido que hacen imposible la regeneración del acero, pues esas capas impiden que los cristales contiguos vuelvan a soldarse y a quedar con suficiente adherencia. Esto quiere decir, que así como el acero sobrecalentado se puede regenerar por calentamientos y enfriamientos adecuados, el acero quemado no tiene regeneración posible. Este fenómeno comienza aproximadamente a 1.350° para los aceros extra dulces, a 1.300° para los 0,5% de carbono y a 1200° para los de 0,90% de carbono.
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V. CONCLUSIONES
El adecuado manejo de temperatura cumple una función muy importante en cada uno de los procesos de los tratamientos térmicos. Si bien hemos trabajado a una constante temperatura para todos, no debería ser así. Existe cierta temperatura para cada tratamiento, aunque es verdad que solo es una temperatura crítica de donde se referencian las demás.
La velocidad de enfriamiento influye mucho en los procesos de tratamientos térmicos, ya que el tamaño de grano y las transformaciones de las microestructuras depende de su velocidad de enfriamiento.
La capacidad de penetración del endurecimiento depende de las dimensiones de la probeta, por lo cual se dice que los costados poseen mayor dureza que en el núcleo. Sin embargo, existen factores que impiden que esto aparezca en la realidad.
El porcentaje de carbono influye en ciertos fenómenos que aparecen durante los procesos de tratamientos térmicos como la decarburizacion. Así también influyen en la dureza y la tenacidad del material.
La microestructura sufre cambios de acuerdo al requerimiento del material, para esto se debe manejar adecuadamente la temperatura, la rapidez de enfriamiento y el tiempo.
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