Informe De Mc 112 Ultimo 2v1150
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- Pages: 40
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Curso
:
Ciencia De Los Materiales
Docente
:
Ing. Gutiérrez Javé Edmundo
Sección
:
«A»
Alumnos
:
Rímac, Diciembre del 2014
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
CONTENIDO:
1. INTRODUCCIÓN……………………………………….. 2. OBJETIVOS:…………………………………………… 3. FUNDAMENTO TEÓRICO:……………………………….. 4. CALCULOS Y RESULTADOS…………………………… 5. CONCLUSIONES:………………………………………… 6. RECOMENDACIONES:……………………………………… 7. BIBLIOGRAFÍA:……………………………………………. 8. ANEXOS:…………………………………………………….
1. INTRODUCCIÓN
CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 2
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En el presente informe de laboratorio, se ha abordado el tema referido a los tratamientos térmicos en los aceros. Para el desarrollo del ensayo, se usaron tres muestras distintas de acero, las cuales fueron sometidas a un tratamiento térmico cada una. Los tratamientos térmicos empleados fueron el Recocido, el Temple y el Revenido. En este informe se presenta la experiencia del tratamiento térmico empleado en probetas de acero SAE 1010 y SAE 1045, para lo cual primero se definirá exhaustivamente que es un tratamiento térmico luego se describirá el equipo y materiales utilizados así como el procedimiento realizado en el laboratorio que comprende, el temple, recocido y revenido. Por último se presenta las comparaciones respectivas así como las conclusiones, observaciones y recomendaciones del presente informe.
2. OBJETIVOS:
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Obtener el estudio metalográfico de la estructura de los materiales a diferente condiciones de temperatura y tiempos de enfriamiento.
Comparar las estructuras microscópicas y dureza obtenidas para los materiales tratados.
Comprender la utilidad de los tratamientos térmicos.
Dominar los diferentes procesos de tratamiento térmico.
Reconocer el tratamiento térmico de los diferentes tipos de acero.
Identificar y aprender a utilizar los equipos que son necesarios para evaluar las características físicas de los aceros en los ensayos de tratamientos térmicos.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
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TRATAMIENTOS TERMICOS: Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono, pero se trata también con éxito gran número de aleaciones no férreas; por tanto, en la descripción de cada uno de ellos se debe detallar, en general, el proceso y los fines que se persiguen. Los tratamientos térmicos se basan en que las transformaciones en el estado sólido, para que puedan realizarse completamente, necesitan el tiempo suficiente. Un enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente permitirá la total transformación de los constituyentes, obteniendo con ello una estructura y una constitución determinadas. Si calentamos de nuevo hasta temperaturas superiores a la de transformación y al enfriar otra vez no se aumenta la velocidad de transformación encontrará más dificultades para realizarse y será solo parcial (o será impedida totalmente si la velocidad es lo suficientemente rápida), obteniéndose así una constitución y una estructura distintas a las anteriores. Se comprende, por tanto, la importancia que tiene conseguir estas modificaciones para poder variar a voluntad las propiedades mecánicas que va a poseer un material a temperatura ambiente. En todo ciclo de tratamiento térmico hay que considerar tres fases: calentamiento hasta una temperatura determinada, tiempo de permanencia en ella y enfriamiento hasta la temperatura ambiente, siendo los siguientes factores los que intervienen en el resultado final: 1. Velocidad de calentamiento. 2. Temperatura alcanzada y tiempo de permanencia. CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 5
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3. Velocidad de enfriamiento y medio de enfriamiento. 4. Efecto de la masa (espesor o diámetro de las piezas). Para entender las definiciones y los procesos a seguir en los tratamientos térmicos, en necesario conocer los puntos críticos donde se producen las transformaciones.
1.
Puntos críticos: AC1
Temperatura a la cual, durante el calentamiento, se produce la transformación de toda la perlita en austenita, en los aceros hipoeutectoides, en los aceros hipereutectoides, es la temperatura a la cual comienza a formarse la austenita. Ar1 Temperatura a la cual durante el enfriamiento se completa la transformación de la austenita en perlita. Ac3
Temperatura a la cual el calentamiento, termina la transformación de la ferrita en austenita o hierro. Ar3
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Temperatura a la cual, durante el enfriamiento, se inicia la transformación de la austenita en ferrita. A3-2-1 Temperatura a la cual, en aceros con un 0,89% de carbono, se transforma bruscamente toda la perlita en austenita, o viceversa. Accm Temperatura mínima a la cual, durante el calentamiento, la cementita se disuelve completamente en la austenita, en los aceros hipereutectoides. Arcm Temperatura a la cual durante el enfriamiento, se inicia la precipitación de la cementita, en los aceros hipereutectoides. Ms Punto de la zona inferior donde se inicia la transformación de la austenita en martensita. Mf Punto en que termina la transformación martensítica. Los tratamientos térmicos permiten que el material adquiera unas características determinadas para que posteriormente, en su aplicación, puedan efectuar su trabajo en las mejores condiciones de resistencia, desgaste, dureza, etc.
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Transformaciones alotrópicas del hierro puro.
2.
CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos pueden dividirse en dos grandes grupos: Tratamientos sin cambio de composición Es decir, aquellos en cuyo tratamiento no varían los componentes. Tratamientos con cambio de composición Los que añaden nuevos elementos a sus propios componentes o cambian la proporción de los existentes. De aquí que se llamen con más propiedad Tratamientos Termoquímicos.
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3.
FASES EN TODO TRATAMIENTO TÉRMICO
En todo tratamiento térmico se distinguen tres fases: 1. Calentamiento hasta la temperatura adecuada. 2. Mantenimiento a esa temperatura hasta obtener uniformidad térmica. 3. Enfriamiento a la velocidad adecuada. De acuerdo con las variantes de estas fases se obtienen los distintos tratamientos. Explicación de cada una de estas fases: I.
Fase 1
Si en esta fase se llega a la temperatura de transformación superior, toda la estructura se convierte en austenita. Si el calentamiento se hace a distintas velocidades, la transformación empieza y termina tanta más tarde cuanto mayor sea la velocidad, aún para el mismo acero. II.
Fase 2
Esta fase tiene por objeto lograr el equilibrio entre la temperatura del centro y la periferia y con ello la homogeneización de la estructura. Deberá ser tanto más larga cuanto más rápido haya sido el calentamiento. III.
Fase 3
Es la fase decisiva en la mayoría de los tratamientos. Para lograr el constituyente deseado hay que partir de la estructura austenítica, si queremos que haya transformación. Si el enfriamiento es lento, la temperatura de transformación y los constituyentes obtenidos son los que aparecen en la figura anterior, según la composición del acero. Si el enfriamiento se hace a distintas velocidades, el comienzo y el final de transformación es distinto, y las estructuras resultantes serán distintas aún para el mismo acero CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 9
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Si esta tercera fase se hace escalonadamente, es decir, enfriando rápidamente hasta una cierta temperatura y luego se la mantiene a esa misma temperatura durante el tiempo suficiente, se comprueba que también se logra la transformación. Se dice de estas transformaciones que son a temperatura constante o isotérmica. Las transformaciones isotérmicas tienen la ventaja, sobre las logradas en el enfriamiento continuo, de que la estructura resulta muy homogénea, mientras que en el enfriamiento continuo pueden resultar varios tipos de cristales. Uniendo los puntos de principio de transformación resulta una curva característica para cada acero. A la izquierda o por encima de ella, todo está en forma de austenita. Uniendo los puntos finales de transformación se obtiene otra curva, detrás de la cual o debajo de ella toda la masa estará transformada. Estas se llaman de las "eses" por su forma característica, y al diagrama se le llama de las TTT (transformación, Tiempo, Temperatura). Las temperaturas Ms y Mf son muy importantes y representan el principio y el final de la transformación en martensita. Con estas curvas resulta fácil comprender los efectos de los tratamientos térmicos. Variando las fases se pueden variar los resultados. 2.
Tratamientos Térmicos del Acero
El tratamiento térmico en el material (en este caso el acero), es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros
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como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de Fe – Fe3C. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: a) Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua agitada, aceite agitado, etc. b) Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. c) Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 11
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el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. d) Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Para ampliar y obtener una mejor percepción de cada uno de los principales tratamientos térmicos pasaremos a mencionarlos por separado a continuación. 3.
TEMPLE
Consiste en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior Ac (entre 900950°C) y luego enfriarlo suficientemente de prisa para que se forme una estructura martensítica. Con este tratamiento: AUMENTA
DISMINUYE
Resistencia a la tracción Alargamiento Límite elástico Estricción (Cambio de área) Dureza Resiliencia También modifica las propiedades físicas (aumentando el magnetismo remanente y de la resistencia eléctrica) y las propiedades químicas (aumento de la resistencia a la acción de ciertos ácidos). 1.
FACTORES QUE INFLUYEN:
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE DEL ACERO Composición Forma y tamaño de las piezas Tamaño del grano Estado superficial Estructura Medio de enfriamiento
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Todos ellos tienen una gran importancia en el resultado final del tratamiento; por ejemplo, para las mismas condiciones de enfriamiento, la dureza de los aceros al carbono templados es mayor cuanto más alto sea su porcentaje de carbono. 2.
FLUIDOS DE TEMPLE:
El enfriamiento necesario para lograr el temple correcto se consigue por inmersión del acero, cuya temperatura se ha elevado, en un medio refrigerante adecuado, sólido, líquido o gaseoso. Los más utilizados son: Agua: Se emplea a temperaturas no superiores a 20°C y en baños refrigerados en los que se produce una circulación continua del líquido. Para disminuir la etapa del enfriamiento, se agita (el agua o la pieza) o se le añaden sales. Aceite: Los aceites para temple, de origen mineral, pueden ser convencionales (no aditivados) o especiales (aditivados). Se usan para templar aceros de alto porcentaje de carbono o bien aceros aleados. Sales o metales fundidos. Tanto los metales fundidos (mercurio, plomo, etc.) como ciertas sales (cloruros, nitratos, etc.) se emplean como medios de enfriamiento en los tratamientos isotérmicos. Gases. Las piezas se pueden enfriar mediante gases, pero este medio es solo eficaz en los aceros de auto temple. 3.
TIPOS DE TEMPLE
Según el proceso seguido y los resultados obtenidos, existen varios tipos de temple para el acero que se describen a continuación.
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1.
Temple normal o martensítico :
Es el temple ya descrito, en el cual la temperatura se eleva hasta unos 50°C por encima de la crítica y se mantiene el tiempo necesario. Sigue un enfriamiento rápido y continuo en el medio adecuado. El constituyente final es la martensita sola, si el acero es hipoeutectoide o cementita, si es hipereutectoide. 2.
Temple escalonado martensítico:
Es un tratamiento isotérmico, también llamado “Martempering”, que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización, hacerlo permanecer en ella el tiempo necesario y enfriarlo después rápidamente en un baño de sales hasta la temperatura de inicio de transformación de la austenita en martensita, en la cual se mantiene (permanencia isotérmica) hasta que toda la masa adquiere esa temperatura, A continuación se enfría al aire. Las principales ventajas de este tratamiento consisten en que elimina las tensiones producidas por la transformación y, como consecuencia, minimiza las deformaciones y grietas de temple. Se aplica a herramienta, rodamientos, engranajes, etc. 3.
Temple interrumpido
Este temple se utiliza para evitar las deformaciones y grietas de la transformación martensítica cuando esta tiene lugar con una gran velocidad de enfriamiento. El proceso que se sigue es el de enfriar rápidamente el acero antes de que llegue a la temperatura de transformación en martensita, extraer la pieza del agua e introducirla en un baño de aceite, donde se enfría con menos severidad, transformándose así en martensita. En algunas ocasiones se enfría el acero hasta 200 o 300°C y se extrae del agua para que termine el enfriamiento al aire. Sirve para templar, al agua, herramientas de formas complicadas.
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4.
Temple Escalonado Bainítico
Es un tratamiento isotérmico y se denomina también “Austempering”. El proceso es parecido al del Martempering, si bien la permanencia isotérmica se realiza a mayor temperatura, transformándose la austenita en Bainita. Su ventaja principal es la de que, como las tensiones internas propias de la transformación son muy débiles, resulta una deformación mínima y libre de las grietas microscópicas de temple. Se aplica a muelles, alambres, piezas pequeñas, etc. 5.
Tratamiento subcero
El tratamiento subcero se usa para aceros que después del temple normal en agua o aceite, conservan todavía cierta cantidad de austenita sin transformar. Con él se consigue transformar la austenita residual en martensita continuando el enfriamiento a temperaturas inferiores a 0°C. La transformación es casi completa. Utilizado para aceros rápidos, de cementación, indeformables, etc. Es muy útil para calibres de precisión, pues evita que con el tiempo se modifiquen sus medidas por efecto de la lenta transformación de la austenita residual que queda en la estructura si, como se ha dicho, se efectúa el temple en agua o aceite.
6.
Temple Superficial
Existen piezas que, por el tipo de trabajo que han de realizar, requieren, por una parte, gran tenacidad y resiliencia en el núcleo y, por otra, gran dureza y resistencia en superficial (por ejemplo, engranajes, cigüeñales, árboles de levas, etc.) Como es sabido, estas características no pueden conseguirse con el temple, pero sí con otros procedimientos, como son el endurecimiento superficial por temple localizado y otros que se estudiarán como tratamientos termoquímicos. El método del temple
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Superficial consiste en producir un calentamiento muy rápido en la superficie de la pieza, de forma que solamente una delgada capa alcance la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento muy rápido. Para este tratamiento se emplean aceros con un 0,3-0,6% de carbono, siendo su estado inicial el de recocido o normalizado. Según sea el calentamiento, se distinguen dos procedimientos:
1.
Temple Superficial a la llama:
El calentamiento superficial se consigue mediante un soplete oxiacetilénico, enfriando seguidamente con un chorro de agua sobre la superficie. Actualmente existe una gran variedad de dispositivos e instalaciones automáticas para aplicar este tratamiento de forma continua a series de piezas iguales. También se denomina flameado. 2.
Temple por inducción:
El calentamiento de la superficie se logra por medio de corrientes inducidas de alta frecuencia. Las temperaturas alcanzadas son del orden de los 1.000°C en pocos segundos y para tal fin se emplean generalmente unos dispositivos arrollados en forma de bobinas. El conjunto es un trasformador en el cual el primario lo constituye la bobina de inducción, y la pieza hace de secundario. La profundidad del temple depende de la frecuencia, la potencia y el tiempo del calentamiento. 4.
REVENIDO
Consiste en calentar el acero, después de haber sido templado a una temperatura inferior a la de austenización (800-925°C), y luego someterlo a un enfriamiento más bien rápido. Con este tratamiento se pretende conseguir algunos de los fines siguientes: Mejorar los efectos del temple. Disminuir las tensiones internas originadas en el temple. CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 16
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Modificar las características mecánicas disminuyendo dureza y resistencia a la rotura, así como aumentando tenacidad, plasticidad y estricción. Es por tanto, un tratamiento complementario del temple. Al conjunto de las operaciones de temple y revenido al que se somete un producto siderúrgico, se lo denomina bonificado. El revenido da al acero las propiedades adecuadas al fin al que se destina. Cuanto mayor sea la dureza del acero templado, o sea, cuanto mayor sea la cantidad de martensita que contenga, más alto será el nivel de las propiedades que puedan lograrse con un buen revenido, disminuyendo la dureza hasta un valor suficiente ya aumentado y a cambio, obteniendo mayor tenacidad. 5.
Fragilidad del Revenido
Existen algunos aceros en los cuales, en determinados intervalos de la temperatura de revenido, la resiliencia, en vez de aumentar, disminuye. A este fenómeno se lo conoce como fragilidad del revenido; y según la zona en que se presenta, se distinguen dos tipos: Fragilidad de revenido entre 20 y 400°C. Es debida a la formación de una delgada capa de cementita en los contornos de la pieza, que disminuye la tenacidad y aumenta la fragilidad. Se logra desplazar esta zona mediante adiciones de 0,5-2% de Si. Fragilidad de revenido entre 450 y 550°C. Se presenta en aceros que contienen pequeñas cantidades de Cr y Ni. Se puede eliminar o retrasar con la adición de Mo o modificando las condiciones de temperatura, tiempo de revenido y velocidad de enfriamiento. 6.
RECOCIDO
En los trabajos de forja, doblado, enderezado, torneado, etc., en los aceros se desarrollan tensiones internas que deben eliminarse antes de templar la pieza, pues en otro caso CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 17
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darían origen a la formación de grietas. Para eliminar estas tensiones internas se procede al recocido de las piezas, que consiste en calentarlas y enfriarlas lentamente. El recocido antes del temple se recomienda no solo para las herramientas que acaban de ser preparadas, sino también siempre que hayan de templarse las que, hallándose en uso, están siendo sometidas a choque. Cuando se rebasa la temperatura indicada para el recocido, se dice que el acero esta recalentado; si se exagera más la temperatura, el acero está quemado. El primero puede regenerarse calentándolo de nuevo en presencia de carbono; el quemado no puede regenerarse. Al calentar los aceros para su temple es preciso, si se utiliza la fragua, emplear el carbón de madera o coque. La temperatura del temple depende de la clase del acero, por lo que se debe consultar al fabricante. Para los aceros corrientes suele ser:
Hasta el rojo cereza oscuro (700°C) para aceros duros.
Hasta el rojo cereza (800°C) para aceros de dureza media.
Hasta el rojo cereza claro (900°C) para aceros dulces.
Los aceros rápidos se calientan lentamente hasta el color rojo y luego rápidamente hasta el blanco (1200°C) Para enfriarlos, el baño más empleado es el de agua a 15 o 20°C, teniendo cuidado que haya tal cantidad que su temperatura no varíe sensiblemente al templar. Para obtener temples más duros se adiciona al agua un 10% de sal de cocina (cloruro sódico) o ácido sulfúrico. Para temples suaves sirven el agua de cal o los aceites. Los aceros rápidos se enfrían en una corriente de aire, aunque también pueden emplearse sebo o aceite. No debe usarse petróleo, porque además de no dar mejor resultado, es peligroso.
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Al introducir las piezas en el baño, debe hacerse de manera que no haya una separación brusca entre la parte mojada y la seca.
1.
TIPOS DE RECOCIDO
Según el fin perseguido, se practican varios tipos de recocido, que son los siguientes: 1.
Recocido de homogeneización:
Se aplica a los aceros brutos de colada para destruir las heterogeneidades de tipo químico que se han originado durante la solidificación. También se utiliza en forjados y laminados para eliminar las heterogeneidades estructurales que perjudican los valores de tenacidad del acero. La temperatura ha de ser muy elevada, cercana al punto de fusión, y el tiempo de calentamiento, muy largo.
2.
Recocido total o de regeneración:
Este recocido regenera la estructura de grano grueso en otra de grano fino y se aplica a aceros forjados a elevadas temperaturas, piezas de acero fundido, soldaduras y piezas que han sufrido el recocido de homogeneización. La nueva estructura es más tenaz y resiliente, quedando así el acero más blando. La temperatura de calentamiento debe ser ligeramente superior a la de transformación A1 y el enfriamiento lento.
3.
Recocido globular:
Se aplica a los aceros para herramientas con un elevado porcentaje de carbono, en los cuales hay gran cantidad de carburos muy difíciles de disolver y que dificultan el
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mecanizado. Su nombre se debe a la estructura que se observa al microscopio, y en la cual los carburos adoptan forma esférica o globular. Se efectúa a temperatura ligeramente inferior a la de transformación, A1. 4.
Recocido de re cristalización o contra acritud
Se da a los aceros trabajados en frío para eliminar la acritud. Se basa en la re cristalización del acero a cierta temperatura inferior a la crítica, que permite la recuperación de la ductilidad y la maleabilidad. Consiste en un calentamiento a 500 o 700°C seguido de un enfriamiento al aire dentro del horno. 5.
Recocido de ablandamiento
Se aplica a aquellos aceros que, después de la forja o laminación, han quedado con durezas tan elevadas que casi no se pueden mecanizar. Se recomienda para ablandar aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni o Cr-Mo. La temperatura adoptada es inferior a la crítica y la duración total es pequeña. Este tratamiento se diferencia del revenido en que éste se usa solo para los aceros templados. 6.
Recocido de estabilización
Se da a las piezas que han sufrido un trabajo de forjado o laminado, u otros tratamientos, para destruir las tensiones internas que se hayan originado, y que podrían producir deformaciones en las piezas una vez acabadas. Se realiza a temperaturas no muy altas, aunque durante un tiempo muy prolongado, seguido de un enfriamiento muy lento en el propio horno. 7.
Recocido isotérmico
Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica y enfriarlo luego rápidamente hasta una temperatura ligeramente inferior a la de
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austenización, A1, manteniendo en esta el tiempo necesario para que se verifique toda la transformación de la austenita en perlita; por fin, se deja que siga enfriando al aire. La estructura obtenida depende de la temperatura de austenización. Si se aproxima a A1, se logran estructuras aptas para el torneado; si es mucho más elevada, las estructuras serán aptas para el fresado y el taladrado. Por otra parte, este recocido tiene la ventaja de que es mucho más rápido que el de enfriamiento continuo. Se aplica a piezas forjadas y a aceros para herramientas.
7.
NORMALIZADO
Tratamiento térmico que se les da a los aceros al carbono de construcción. Se utiliza también en piezas fundidas, forjadas, laminadas, mecanizadas, etc.; y, en general, siempre que se trate de eliminar las tensiones producidas por cualquier método de conformación. También tiene interés para destruir los efectos de un sobrecalentamiento o un tratamiento térmico anterior, ya que afina la estructura. Consiste en calentar el acero a una temperatura de 30 a 50°C superior a la crítica (A3) y, una vez transformado completamente, dejarlo enfriar al aire en calma. Se diferencia del recocido de regeneración y del temple en que el enfriamiento es más rápido que el primero y más lento que en segundo. Aventaja al recocido en que es más fácil de ejecutar y se requiere de menos tiempo. Su resultado depende del espesor de la pieza, pues las velocidades de enfriamiento son distintas, siendo mayores en las piezas delgadas que en las gruesas.
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EQUIPOS UTILIZADOS A. PROBETAS DE ACERO: Son de acero SAE 1040 que son puestas dentro de un horno para calentarlas y hacerles los diferentes tratamientos.
B. Horno Eléctrico Thermolyne (Tmáx: 1300°C) Es pequeño con una capacidad para las 6 probetas, posee una manija al lado derecho para levantar la tapa frontal y extraer las probetas así como un indicador electrónico que mide la temperatura interna.
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C. Depósitos con agua y aceite: Son para el enfriamiento.
Aceite
Agua
D. Equipo de protección Una careta, una pinza de fierro y guantes para temperaturas altas.
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PROCEDIMIENTO: 1.
Preparación de probetas:
Las probetas a ser usadas deben ser primero tratadas mediante el ensayo estilográfico para luego poder ver su estructura micrográfica una vez realizado los ensayos. 2.
Calentamiento:
Las probetas una vez preparadas son puestas en el horno a calentar.
3.
Temple y revenido:
Una vez llegada a una temperatura determinada se sacan tres probetas una es puesta al aire sobre un ladrillo, otra es sumergida en aceite y la tercera en agua, luego de una tiempo que se enfrían se retiran y se observan. 4.
Recocido:
Es retirada del horno y puesta al enfriar una vez que la ausentita pareció.
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5.
Revenido:
Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500° luego son retiradas y observadas. 6.
Preparación para la observación de la estructura: Antes de pasar a ver la estructura de los materiales, previamente lijamos las probetas de acuerdo al orden de los papeles abrasivos tales como (180, 360, 600, 800, 1000 y 1200), Una vez terminado el lijado pasamos a realizar el pulido y posteriormente hacemos el ataca corrosivo con el nital.
7.
Observación de la microestructura: Terminado el paso 4 pasamos a ver la microestructura de cada metal a determinado medio de enfriamiento para luego dibujar un aproximado del grano.
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8.
Toma de fotos: Una vez que las probetas se han enfriado son llevadas al microscopio donde se analiza su estructura micrográfica como es el tamaño de grano, además se observa la presencia de la martensita en cada probeta de acuerdo al diferente tratado.
9.
Medición de dureza: Finalmente pasamos a medir la dureza, para ello utilizaremos la escala ROCKWEL (HRB Y HRC).
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CÁLCULOS Y RESULTADOS:
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CUESTIONARIO 1. ¿Qué factores influyen en la templabilidad de los aceros? El tamaño de grano de la austenita Un grano muy fino tiene mucha área de límite de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por otra parte, un grano grande de austenita no es deseable porque reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano austenítico. El contenido de carbono Un incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo C es añadir elementos de aleación.
2. ¿Cómo influye el porcentaje de carbono en las temperaturas de inicio y fin de la transformación de la martensita, en el diagrama TTT? Calentar el acero hasta que toda su masa se transforme en austenita. Según el porcentaje de carbono del acero, la temperatura a la que será necesario llegar (AC3) será más alta o más baja.
Enfriar rápidamente la muestra para asegurar que toda la austenita se ha transformado en martensita. A medida que se produce el enfriamiento, la temperatura a la que comienza la transformación de austenita a martensita se denomina temperatura inicio de martensita, Ms; y la temperatura a la cual la
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transformación termina, temperatura fin de martensita, Mf. La temperatura Ms disminuye a medida que aumenta el porcentaje en peso de carbono de la aleación tal como muestra.
En el diagrama TTT un aumento en el porcentaje de carbono, haría que la temperatura Ms disminuyera y que la curva de la “S” se desplace hacia abajo.
3. ¿Cómo influyen los elementos de aleación en los desplazamientos de las regiones de transformación de los aceros en el diagrama TTT? Aumentan la templabilidad y bajan la velocidad crítica de temple, al disminuir la velocidad crítica del temple el inicio de la trasformación va a tardar más tiempo y por tanto las curvas TTT se van a desplazar hacia la derecha.
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4. ¿Cuál
es
la
diferencia
entre
el
diagrama
TTT
o
diagrama
de
transformación a temperatura constante y el diagrama de transformación de enfriamiento continuo para los aceros?
La diferencia radica en que el diagrama TTT se encarga de medir la tasa de transformación a una temperatura constante; en cambio el diagrama CCT se encarga de medir la extensión de la transformación como una función del tiempo para una temperatura continuamente decreciente.
5. ¿Qué etapas se producen durante el revenido, qué estructura se forma al realizar un revenido por encima de 400 ºC?
Durante el proceso de revenido ocurren cambios microestructurales o etapas debidos a reacciones en estado sólido. Las reacciones más importantes son. Segregacion de atomos de C Precipitación de carburos Descomposición de la austenita retenida
Recuperación y recristalización de la matriz ferrÌtica y formación de cementita globular.
No todas estas reacciones ocurren en los diferentes materiales tratados a la misma temperatura y en simultáneamente,
el mismo esto
periodo de
determina
que
las
tiempo. Muchas de ellas suceden microestructuras resultantes sean muy
compleja.
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6. Mostrar los diagramas TTT para un acero eutectoide, un acero hipoeutectoide y un acero hipereutectoide, indicar cuales son las diferencias más importantes entre ellas. ACERO AL EUTECTOIDE
ACERO HIPOEUTECTOIDE
ACERO HIPEREUTECTOIDE
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Aparecen diferencias debido a la presencia de constituyentes proeutectoides en la microestructura donde la más fácil de elaborar es el acero eutectoide. Las diferencias más notables se pueden observar en tres zonas: 1. La de la izquierda de las curvas, donde la Austenita todavía no ha comenzado a transformarse. 2. La comprendida entre las dos curvas, donde la Austenita está en periodo de transformación. 3. La de la derecha, transformada.
donde
la
Austenita
se
encuentra completamente
CONCLUSIONES: Un tratamiento térmico permite alterar notablemente las propiedades físicas. Sin embargo un tratamiento térmico incorrectamente ejecutado supondrá siempre un perjuicio en mayor o menor grado.
Las posibilidades de los tratamientos térmicos son enormes, permitiendo que un mismo metal sea ablandado para facilitar su labra, y luego, mediante otro proceso, dotarlo de un conjunto de propiedades completamente distintas.
Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
Los tratamientos térmicos no modifican la composición química de los materiales, pero si modifican sus propiedades mecánicas.
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RECOMENDACIONES:
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que reciba un tratamiento térmico, es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro-carbono.
En el momento de introducir la muestra de acero en el horno, es recomendable no acercase mucho al horno si no se está debidamente protegido porque las temperaturas a las cuales se realiza el ensayo son elevadas.
BIBLIOGRAFÍA
Apraiz, José; Tratamiento Térmico de los Aceros
Lasheras Sánchez-Marin, José; Tecnología de los Materiales Industriales
Reed-Hill, Robert E.; Principios de Metalurgia Física
Guliaev, A.P.; Metalografía (Volumen I)
Lajtin, Yuri; Metalografía y tratamiento térmico de los metales
http://s.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Tratamientos%20t%E9rmicos%20Mat%20 y%20Pro.pdf
“Fundación ASCAMM”. Centro Tecnológico.
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ANEXOS CONSTITUYENTES DE ALEACIONES FERROSAS: 1. Cementita Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67
%C
y
93.33
%
de
hierro,
es
el
microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica. Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita en las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
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2. Perlita Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a
las
irisaciones
que
adquiere
al
iluminarla,
parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
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3. Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos
aceros
austeníticos
al
cuya
cromo-níquel estructura
es
denominados austenita
a
temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. 4. Martensita Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturasEl contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7%C. Microestructura de la martensita. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 36
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frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
5. Troostita Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
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6. Sorbita Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, figura 16; de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
7. Bainita Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita. Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
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8. Ledeburita La ledeburita no es un constituyente de los aceros. Sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones hierro-carbono cuando el porcentaje de carburo de hierro aleado es superior al 25 %, o sea, con un contenido total mayor de 1,76 % de C. La ledeburita es una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta y se emplea para designar una mezcla de componentes que pasan sin descomposición ni segregación del estado sólido al líquido. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3 % de C desde 1.130º, siendo estable hasta 723º (A1, punto crítico inferior), descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % de carbono. El contenido total de carbono de la ledeburita es el 4,3 %
9. Steadita Es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0,15 % de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente, se puede calcular el porcentaje de stedita que contiene la fundición por su contenido en fósforo. Así, por ejemplo, una fundición que contenga 0,15% de fósforo, tendrá el 15% de stedita. La steadita es muy dura y frágil. Funde a 960º. En las fundiciones grises está compuesta de un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro, y en las fundiciones blancas y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita.
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10. Grafito El grafito es una de las variedades alotrópicas en que se encuentra el carbono libre en la naturaleza, siendo la otra el diamante. Es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25. Se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises; en forma de nódulos, en las fundiciones maleables, y en forma esferoidal, en algunas fundiciones especiales. El grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que lo contienen, pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión y sirve de lubricante en el roce. Diagrama TTT (Temperatura-Tiempo-Transformación) de un acero al carbono. Por su forma también se le llama «curva de la S».
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Curso
:
Ciencia De Los Materiales
Docente
:
Ing. Gutiérrez Javé Edmundo
Sección
:
«A»
Alumnos
:
Rímac, Diciembre del 2014
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CONTENIDO:
1. INTRODUCCIÓN……………………………………….. 2. OBJETIVOS:…………………………………………… 3. FUNDAMENTO TEÓRICO:……………………………….. 4. CALCULOS Y RESULTADOS…………………………… 5. CONCLUSIONES:………………………………………… 6. RECOMENDACIONES:……………………………………… 7. BIBLIOGRAFÍA:……………………………………………. 8. ANEXOS:…………………………………………………….
1. INTRODUCCIÓN
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En el presente informe de laboratorio, se ha abordado el tema referido a los tratamientos térmicos en los aceros. Para el desarrollo del ensayo, se usaron tres muestras distintas de acero, las cuales fueron sometidas a un tratamiento térmico cada una. Los tratamientos térmicos empleados fueron el Recocido, el Temple y el Revenido. En este informe se presenta la experiencia del tratamiento térmico empleado en probetas de acero SAE 1010 y SAE 1045, para lo cual primero se definirá exhaustivamente que es un tratamiento térmico luego se describirá el equipo y materiales utilizados así como el procedimiento realizado en el laboratorio que comprende, el temple, recocido y revenido. Por último se presenta las comparaciones respectivas así como las conclusiones, observaciones y recomendaciones del presente informe.
2. OBJETIVOS:
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Obtener el estudio metalográfico de la estructura de los materiales a diferente condiciones de temperatura y tiempos de enfriamiento.
Comparar las estructuras microscópicas y dureza obtenidas para los materiales tratados.
Comprender la utilidad de los tratamientos térmicos.
Dominar los diferentes procesos de tratamiento térmico.
Reconocer el tratamiento térmico de los diferentes tipos de acero.
Identificar y aprender a utilizar los equipos que son necesarios para evaluar las características físicas de los aceros en los ensayos de tratamientos térmicos.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
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TRATAMIENTOS TERMICOS: Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono, pero se trata también con éxito gran número de aleaciones no férreas; por tanto, en la descripción de cada uno de ellos se debe detallar, en general, el proceso y los fines que se persiguen. Los tratamientos térmicos se basan en que las transformaciones en el estado sólido, para que puedan realizarse completamente, necesitan el tiempo suficiente. Un enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente permitirá la total transformación de los constituyentes, obteniendo con ello una estructura y una constitución determinadas. Si calentamos de nuevo hasta temperaturas superiores a la de transformación y al enfriar otra vez no se aumenta la velocidad de transformación encontrará más dificultades para realizarse y será solo parcial (o será impedida totalmente si la velocidad es lo suficientemente rápida), obteniéndose así una constitución y una estructura distintas a las anteriores. Se comprende, por tanto, la importancia que tiene conseguir estas modificaciones para poder variar a voluntad las propiedades mecánicas que va a poseer un material a temperatura ambiente. En todo ciclo de tratamiento térmico hay que considerar tres fases: calentamiento hasta una temperatura determinada, tiempo de permanencia en ella y enfriamiento hasta la temperatura ambiente, siendo los siguientes factores los que intervienen en el resultado final: 1. Velocidad de calentamiento. 2. Temperatura alcanzada y tiempo de permanencia. CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 5
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3. Velocidad de enfriamiento y medio de enfriamiento. 4. Efecto de la masa (espesor o diámetro de las piezas). Para entender las definiciones y los procesos a seguir en los tratamientos térmicos, en necesario conocer los puntos críticos donde se producen las transformaciones.
1.
Puntos críticos: AC1
Temperatura a la cual, durante el calentamiento, se produce la transformación de toda la perlita en austenita, en los aceros hipoeutectoides, en los aceros hipereutectoides, es la temperatura a la cual comienza a formarse la austenita. Ar1 Temperatura a la cual durante el enfriamiento se completa la transformación de la austenita en perlita. Ac3
Temperatura a la cual el calentamiento, termina la transformación de la ferrita en austenita o hierro. Ar3
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Temperatura a la cual, durante el enfriamiento, se inicia la transformación de la austenita en ferrita. A3-2-1 Temperatura a la cual, en aceros con un 0,89% de carbono, se transforma bruscamente toda la perlita en austenita, o viceversa. Accm Temperatura mínima a la cual, durante el calentamiento, la cementita se disuelve completamente en la austenita, en los aceros hipereutectoides. Arcm Temperatura a la cual durante el enfriamiento, se inicia la precipitación de la cementita, en los aceros hipereutectoides. Ms Punto de la zona inferior donde se inicia la transformación de la austenita en martensita. Mf Punto en que termina la transformación martensítica. Los tratamientos térmicos permiten que el material adquiera unas características determinadas para que posteriormente, en su aplicación, puedan efectuar su trabajo en las mejores condiciones de resistencia, desgaste, dureza, etc.
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Transformaciones alotrópicas del hierro puro.
2.
CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos pueden dividirse en dos grandes grupos: Tratamientos sin cambio de composición Es decir, aquellos en cuyo tratamiento no varían los componentes. Tratamientos con cambio de composición Los que añaden nuevos elementos a sus propios componentes o cambian la proporción de los existentes. De aquí que se llamen con más propiedad Tratamientos Termoquímicos.
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3.
FASES EN TODO TRATAMIENTO TÉRMICO
En todo tratamiento térmico se distinguen tres fases: 1. Calentamiento hasta la temperatura adecuada. 2. Mantenimiento a esa temperatura hasta obtener uniformidad térmica. 3. Enfriamiento a la velocidad adecuada. De acuerdo con las variantes de estas fases se obtienen los distintos tratamientos. Explicación de cada una de estas fases: I.
Fase 1
Si en esta fase se llega a la temperatura de transformación superior, toda la estructura se convierte en austenita. Si el calentamiento se hace a distintas velocidades, la transformación empieza y termina tanta más tarde cuanto mayor sea la velocidad, aún para el mismo acero. II.
Fase 2
Esta fase tiene por objeto lograr el equilibrio entre la temperatura del centro y la periferia y con ello la homogeneización de la estructura. Deberá ser tanto más larga cuanto más rápido haya sido el calentamiento. III.
Fase 3
Es la fase decisiva en la mayoría de los tratamientos. Para lograr el constituyente deseado hay que partir de la estructura austenítica, si queremos que haya transformación. Si el enfriamiento es lento, la temperatura de transformación y los constituyentes obtenidos son los que aparecen en la figura anterior, según la composición del acero. Si el enfriamiento se hace a distintas velocidades, el comienzo y el final de transformación es distinto, y las estructuras resultantes serán distintas aún para el mismo acero CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 9
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Si esta tercera fase se hace escalonadamente, es decir, enfriando rápidamente hasta una cierta temperatura y luego se la mantiene a esa misma temperatura durante el tiempo suficiente, se comprueba que también se logra la transformación. Se dice de estas transformaciones que son a temperatura constante o isotérmica. Las transformaciones isotérmicas tienen la ventaja, sobre las logradas en el enfriamiento continuo, de que la estructura resulta muy homogénea, mientras que en el enfriamiento continuo pueden resultar varios tipos de cristales. Uniendo los puntos de principio de transformación resulta una curva característica para cada acero. A la izquierda o por encima de ella, todo está en forma de austenita. Uniendo los puntos finales de transformación se obtiene otra curva, detrás de la cual o debajo de ella toda la masa estará transformada. Estas se llaman de las "eses" por su forma característica, y al diagrama se le llama de las TTT (transformación, Tiempo, Temperatura). Las temperaturas Ms y Mf son muy importantes y representan el principio y el final de la transformación en martensita. Con estas curvas resulta fácil comprender los efectos de los tratamientos térmicos. Variando las fases se pueden variar los resultados. 2.
Tratamientos Térmicos del Acero
El tratamiento térmico en el material (en este caso el acero), es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros
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como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de Fe – Fe3C. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: a) Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua agitada, aceite agitado, etc. b) Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. c) Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 11
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el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. d) Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Para ampliar y obtener una mejor percepción de cada uno de los principales tratamientos térmicos pasaremos a mencionarlos por separado a continuación. 3.
TEMPLE
Consiste en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior Ac (entre 900950°C) y luego enfriarlo suficientemente de prisa para que se forme una estructura martensítica. Con este tratamiento: AUMENTA
DISMINUYE
Resistencia a la tracción Alargamiento Límite elástico Estricción (Cambio de área) Dureza Resiliencia También modifica las propiedades físicas (aumentando el magnetismo remanente y de la resistencia eléctrica) y las propiedades químicas (aumento de la resistencia a la acción de ciertos ácidos). 1.
FACTORES QUE INFLUYEN:
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE DEL ACERO Composición Forma y tamaño de las piezas Tamaño del grano Estado superficial Estructura Medio de enfriamiento
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Todos ellos tienen una gran importancia en el resultado final del tratamiento; por ejemplo, para las mismas condiciones de enfriamiento, la dureza de los aceros al carbono templados es mayor cuanto más alto sea su porcentaje de carbono. 2.
FLUIDOS DE TEMPLE:
El enfriamiento necesario para lograr el temple correcto se consigue por inmersión del acero, cuya temperatura se ha elevado, en un medio refrigerante adecuado, sólido, líquido o gaseoso. Los más utilizados son: Agua: Se emplea a temperaturas no superiores a 20°C y en baños refrigerados en los que se produce una circulación continua del líquido. Para disminuir la etapa del enfriamiento, se agita (el agua o la pieza) o se le añaden sales. Aceite: Los aceites para temple, de origen mineral, pueden ser convencionales (no aditivados) o especiales (aditivados). Se usan para templar aceros de alto porcentaje de carbono o bien aceros aleados. Sales o metales fundidos. Tanto los metales fundidos (mercurio, plomo, etc.) como ciertas sales (cloruros, nitratos, etc.) se emplean como medios de enfriamiento en los tratamientos isotérmicos. Gases. Las piezas se pueden enfriar mediante gases, pero este medio es solo eficaz en los aceros de auto temple. 3.
TIPOS DE TEMPLE
Según el proceso seguido y los resultados obtenidos, existen varios tipos de temple para el acero que se describen a continuación.
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1.
Temple normal o martensítico :
Es el temple ya descrito, en el cual la temperatura se eleva hasta unos 50°C por encima de la crítica y se mantiene el tiempo necesario. Sigue un enfriamiento rápido y continuo en el medio adecuado. El constituyente final es la martensita sola, si el acero es hipoeutectoide o cementita, si es hipereutectoide. 2.
Temple escalonado martensítico:
Es un tratamiento isotérmico, también llamado “Martempering”, que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización, hacerlo permanecer en ella el tiempo necesario y enfriarlo después rápidamente en un baño de sales hasta la temperatura de inicio de transformación de la austenita en martensita, en la cual se mantiene (permanencia isotérmica) hasta que toda la masa adquiere esa temperatura, A continuación se enfría al aire. Las principales ventajas de este tratamiento consisten en que elimina las tensiones producidas por la transformación y, como consecuencia, minimiza las deformaciones y grietas de temple. Se aplica a herramienta, rodamientos, engranajes, etc. 3.
Temple interrumpido
Este temple se utiliza para evitar las deformaciones y grietas de la transformación martensítica cuando esta tiene lugar con una gran velocidad de enfriamiento. El proceso que se sigue es el de enfriar rápidamente el acero antes de que llegue a la temperatura de transformación en martensita, extraer la pieza del agua e introducirla en un baño de aceite, donde se enfría con menos severidad, transformándose así en martensita. En algunas ocasiones se enfría el acero hasta 200 o 300°C y se extrae del agua para que termine el enfriamiento al aire. Sirve para templar, al agua, herramientas de formas complicadas.
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4.
Temple Escalonado Bainítico
Es un tratamiento isotérmico y se denomina también “Austempering”. El proceso es parecido al del Martempering, si bien la permanencia isotérmica se realiza a mayor temperatura, transformándose la austenita en Bainita. Su ventaja principal es la de que, como las tensiones internas propias de la transformación son muy débiles, resulta una deformación mínima y libre de las grietas microscópicas de temple. Se aplica a muelles, alambres, piezas pequeñas, etc. 5.
Tratamiento subcero
El tratamiento subcero se usa para aceros que después del temple normal en agua o aceite, conservan todavía cierta cantidad de austenita sin transformar. Con él se consigue transformar la austenita residual en martensita continuando el enfriamiento a temperaturas inferiores a 0°C. La transformación es casi completa. Utilizado para aceros rápidos, de cementación, indeformables, etc. Es muy útil para calibres de precisión, pues evita que con el tiempo se modifiquen sus medidas por efecto de la lenta transformación de la austenita residual que queda en la estructura si, como se ha dicho, se efectúa el temple en agua o aceite.
6.
Temple Superficial
Existen piezas que, por el tipo de trabajo que han de realizar, requieren, por una parte, gran tenacidad y resiliencia en el núcleo y, por otra, gran dureza y resistencia en superficial (por ejemplo, engranajes, cigüeñales, árboles de levas, etc.) Como es sabido, estas características no pueden conseguirse con el temple, pero sí con otros procedimientos, como son el endurecimiento superficial por temple localizado y otros que se estudiarán como tratamientos termoquímicos. El método del temple
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Superficial consiste en producir un calentamiento muy rápido en la superficie de la pieza, de forma que solamente una delgada capa alcance la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento muy rápido. Para este tratamiento se emplean aceros con un 0,3-0,6% de carbono, siendo su estado inicial el de recocido o normalizado. Según sea el calentamiento, se distinguen dos procedimientos:
1.
Temple Superficial a la llama:
El calentamiento superficial se consigue mediante un soplete oxiacetilénico, enfriando seguidamente con un chorro de agua sobre la superficie. Actualmente existe una gran variedad de dispositivos e instalaciones automáticas para aplicar este tratamiento de forma continua a series de piezas iguales. También se denomina flameado. 2.
Temple por inducción:
El calentamiento de la superficie se logra por medio de corrientes inducidas de alta frecuencia. Las temperaturas alcanzadas son del orden de los 1.000°C en pocos segundos y para tal fin se emplean generalmente unos dispositivos arrollados en forma de bobinas. El conjunto es un trasformador en el cual el primario lo constituye la bobina de inducción, y la pieza hace de secundario. La profundidad del temple depende de la frecuencia, la potencia y el tiempo del calentamiento. 4.
REVENIDO
Consiste en calentar el acero, después de haber sido templado a una temperatura inferior a la de austenización (800-925°C), y luego someterlo a un enfriamiento más bien rápido. Con este tratamiento se pretende conseguir algunos de los fines siguientes: Mejorar los efectos del temple. Disminuir las tensiones internas originadas en el temple. CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 16
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Modificar las características mecánicas disminuyendo dureza y resistencia a la rotura, así como aumentando tenacidad, plasticidad y estricción. Es por tanto, un tratamiento complementario del temple. Al conjunto de las operaciones de temple y revenido al que se somete un producto siderúrgico, se lo denomina bonificado. El revenido da al acero las propiedades adecuadas al fin al que se destina. Cuanto mayor sea la dureza del acero templado, o sea, cuanto mayor sea la cantidad de martensita que contenga, más alto será el nivel de las propiedades que puedan lograrse con un buen revenido, disminuyendo la dureza hasta un valor suficiente ya aumentado y a cambio, obteniendo mayor tenacidad. 5.
Fragilidad del Revenido
Existen algunos aceros en los cuales, en determinados intervalos de la temperatura de revenido, la resiliencia, en vez de aumentar, disminuye. A este fenómeno se lo conoce como fragilidad del revenido; y según la zona en que se presenta, se distinguen dos tipos: Fragilidad de revenido entre 20 y 400°C. Es debida a la formación de una delgada capa de cementita en los contornos de la pieza, que disminuye la tenacidad y aumenta la fragilidad. Se logra desplazar esta zona mediante adiciones de 0,5-2% de Si. Fragilidad de revenido entre 450 y 550°C. Se presenta en aceros que contienen pequeñas cantidades de Cr y Ni. Se puede eliminar o retrasar con la adición de Mo o modificando las condiciones de temperatura, tiempo de revenido y velocidad de enfriamiento. 6.
RECOCIDO
En los trabajos de forja, doblado, enderezado, torneado, etc., en los aceros se desarrollan tensiones internas que deben eliminarse antes de templar la pieza, pues en otro caso CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 17
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darían origen a la formación de grietas. Para eliminar estas tensiones internas se procede al recocido de las piezas, que consiste en calentarlas y enfriarlas lentamente. El recocido antes del temple se recomienda no solo para las herramientas que acaban de ser preparadas, sino también siempre que hayan de templarse las que, hallándose en uso, están siendo sometidas a choque. Cuando se rebasa la temperatura indicada para el recocido, se dice que el acero esta recalentado; si se exagera más la temperatura, el acero está quemado. El primero puede regenerarse calentándolo de nuevo en presencia de carbono; el quemado no puede regenerarse. Al calentar los aceros para su temple es preciso, si se utiliza la fragua, emplear el carbón de madera o coque. La temperatura del temple depende de la clase del acero, por lo que se debe consultar al fabricante. Para los aceros corrientes suele ser:
Hasta el rojo cereza oscuro (700°C) para aceros duros.
Hasta el rojo cereza (800°C) para aceros de dureza media.
Hasta el rojo cereza claro (900°C) para aceros dulces.
Los aceros rápidos se calientan lentamente hasta el color rojo y luego rápidamente hasta el blanco (1200°C) Para enfriarlos, el baño más empleado es el de agua a 15 o 20°C, teniendo cuidado que haya tal cantidad que su temperatura no varíe sensiblemente al templar. Para obtener temples más duros se adiciona al agua un 10% de sal de cocina (cloruro sódico) o ácido sulfúrico. Para temples suaves sirven el agua de cal o los aceites. Los aceros rápidos se enfrían en una corriente de aire, aunque también pueden emplearse sebo o aceite. No debe usarse petróleo, porque además de no dar mejor resultado, es peligroso.
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Al introducir las piezas en el baño, debe hacerse de manera que no haya una separación brusca entre la parte mojada y la seca.
1.
TIPOS DE RECOCIDO
Según el fin perseguido, se practican varios tipos de recocido, que son los siguientes: 1.
Recocido de homogeneización:
Se aplica a los aceros brutos de colada para destruir las heterogeneidades de tipo químico que se han originado durante la solidificación. También se utiliza en forjados y laminados para eliminar las heterogeneidades estructurales que perjudican los valores de tenacidad del acero. La temperatura ha de ser muy elevada, cercana al punto de fusión, y el tiempo de calentamiento, muy largo.
2.
Recocido total o de regeneración:
Este recocido regenera la estructura de grano grueso en otra de grano fino y se aplica a aceros forjados a elevadas temperaturas, piezas de acero fundido, soldaduras y piezas que han sufrido el recocido de homogeneización. La nueva estructura es más tenaz y resiliente, quedando así el acero más blando. La temperatura de calentamiento debe ser ligeramente superior a la de transformación A1 y el enfriamiento lento.
3.
Recocido globular:
Se aplica a los aceros para herramientas con un elevado porcentaje de carbono, en los cuales hay gran cantidad de carburos muy difíciles de disolver y que dificultan el
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mecanizado. Su nombre se debe a la estructura que se observa al microscopio, y en la cual los carburos adoptan forma esférica o globular. Se efectúa a temperatura ligeramente inferior a la de transformación, A1. 4.
Recocido de re cristalización o contra acritud
Se da a los aceros trabajados en frío para eliminar la acritud. Se basa en la re cristalización del acero a cierta temperatura inferior a la crítica, que permite la recuperación de la ductilidad y la maleabilidad. Consiste en un calentamiento a 500 o 700°C seguido de un enfriamiento al aire dentro del horno. 5.
Recocido de ablandamiento
Se aplica a aquellos aceros que, después de la forja o laminación, han quedado con durezas tan elevadas que casi no se pueden mecanizar. Se recomienda para ablandar aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni o Cr-Mo. La temperatura adoptada es inferior a la crítica y la duración total es pequeña. Este tratamiento se diferencia del revenido en que éste se usa solo para los aceros templados. 6.
Recocido de estabilización
Se da a las piezas que han sufrido un trabajo de forjado o laminado, u otros tratamientos, para destruir las tensiones internas que se hayan originado, y que podrían producir deformaciones en las piezas una vez acabadas. Se realiza a temperaturas no muy altas, aunque durante un tiempo muy prolongado, seguido de un enfriamiento muy lento en el propio horno. 7.
Recocido isotérmico
Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica y enfriarlo luego rápidamente hasta una temperatura ligeramente inferior a la de
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austenización, A1, manteniendo en esta el tiempo necesario para que se verifique toda la transformación de la austenita en perlita; por fin, se deja que siga enfriando al aire. La estructura obtenida depende de la temperatura de austenización. Si se aproxima a A1, se logran estructuras aptas para el torneado; si es mucho más elevada, las estructuras serán aptas para el fresado y el taladrado. Por otra parte, este recocido tiene la ventaja de que es mucho más rápido que el de enfriamiento continuo. Se aplica a piezas forjadas y a aceros para herramientas.
7.
NORMALIZADO
Tratamiento térmico que se les da a los aceros al carbono de construcción. Se utiliza también en piezas fundidas, forjadas, laminadas, mecanizadas, etc.; y, en general, siempre que se trate de eliminar las tensiones producidas por cualquier método de conformación. También tiene interés para destruir los efectos de un sobrecalentamiento o un tratamiento térmico anterior, ya que afina la estructura. Consiste en calentar el acero a una temperatura de 30 a 50°C superior a la crítica (A3) y, una vez transformado completamente, dejarlo enfriar al aire en calma. Se diferencia del recocido de regeneración y del temple en que el enfriamiento es más rápido que el primero y más lento que en segundo. Aventaja al recocido en que es más fácil de ejecutar y se requiere de menos tiempo. Su resultado depende del espesor de la pieza, pues las velocidades de enfriamiento son distintas, siendo mayores en las piezas delgadas que en las gruesas.
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EQUIPOS UTILIZADOS A. PROBETAS DE ACERO: Son de acero SAE 1040 que son puestas dentro de un horno para calentarlas y hacerles los diferentes tratamientos.
B. Horno Eléctrico Thermolyne (Tmáx: 1300°C) Es pequeño con una capacidad para las 6 probetas, posee una manija al lado derecho para levantar la tapa frontal y extraer las probetas así como un indicador electrónico que mide la temperatura interna.
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C. Depósitos con agua y aceite: Son para el enfriamiento.
Aceite
Agua
D. Equipo de protección Una careta, una pinza de fierro y guantes para temperaturas altas.
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PROCEDIMIENTO: 1.
Preparación de probetas:
Las probetas a ser usadas deben ser primero tratadas mediante el ensayo estilográfico para luego poder ver su estructura micrográfica una vez realizado los ensayos. 2.
Calentamiento:
Las probetas una vez preparadas son puestas en el horno a calentar.
3.
Temple y revenido:
Una vez llegada a una temperatura determinada se sacan tres probetas una es puesta al aire sobre un ladrillo, otra es sumergida en aceite y la tercera en agua, luego de una tiempo que se enfrían se retiran y se observan. 4.
Recocido:
Es retirada del horno y puesta al enfriar una vez que la ausentita pareció.
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5.
Revenido:
Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500° luego son retiradas y observadas. 6.
Preparación para la observación de la estructura: Antes de pasar a ver la estructura de los materiales, previamente lijamos las probetas de acuerdo al orden de los papeles abrasivos tales como (180, 360, 600, 800, 1000 y 1200), Una vez terminado el lijado pasamos a realizar el pulido y posteriormente hacemos el ataca corrosivo con el nital.
7.
Observación de la microestructura: Terminado el paso 4 pasamos a ver la microestructura de cada metal a determinado medio de enfriamiento para luego dibujar un aproximado del grano.
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8.
Toma de fotos: Una vez que las probetas se han enfriado son llevadas al microscopio donde se analiza su estructura micrográfica como es el tamaño de grano, además se observa la presencia de la martensita en cada probeta de acuerdo al diferente tratado.
9.
Medición de dureza: Finalmente pasamos a medir la dureza, para ello utilizaremos la escala ROCKWEL (HRB Y HRC).
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CÁLCULOS Y RESULTADOS:
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CUESTIONARIO 1. ¿Qué factores influyen en la templabilidad de los aceros? El tamaño de grano de la austenita Un grano muy fino tiene mucha área de límite de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por otra parte, un grano grande de austenita no es deseable porque reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano austenítico. El contenido de carbono Un incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo C es añadir elementos de aleación.
2. ¿Cómo influye el porcentaje de carbono en las temperaturas de inicio y fin de la transformación de la martensita, en el diagrama TTT? Calentar el acero hasta que toda su masa se transforme en austenita. Según el porcentaje de carbono del acero, la temperatura a la que será necesario llegar (AC3) será más alta o más baja.
Enfriar rápidamente la muestra para asegurar que toda la austenita se ha transformado en martensita. A medida que se produce el enfriamiento, la temperatura a la que comienza la transformación de austenita a martensita se denomina temperatura inicio de martensita, Ms; y la temperatura a la cual la
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transformación termina, temperatura fin de martensita, Mf. La temperatura Ms disminuye a medida que aumenta el porcentaje en peso de carbono de la aleación tal como muestra.
En el diagrama TTT un aumento en el porcentaje de carbono, haría que la temperatura Ms disminuyera y que la curva de la “S” se desplace hacia abajo.
3. ¿Cómo influyen los elementos de aleación en los desplazamientos de las regiones de transformación de los aceros en el diagrama TTT? Aumentan la templabilidad y bajan la velocidad crítica de temple, al disminuir la velocidad crítica del temple el inicio de la trasformación va a tardar más tiempo y por tanto las curvas TTT se van a desplazar hacia la derecha.
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4. ¿Cuál
es
la
diferencia
entre
el
diagrama
TTT
o
diagrama
de
transformación a temperatura constante y el diagrama de transformación de enfriamiento continuo para los aceros?
La diferencia radica en que el diagrama TTT se encarga de medir la tasa de transformación a una temperatura constante; en cambio el diagrama CCT se encarga de medir la extensión de la transformación como una función del tiempo para una temperatura continuamente decreciente.
5. ¿Qué etapas se producen durante el revenido, qué estructura se forma al realizar un revenido por encima de 400 ºC?
Durante el proceso de revenido ocurren cambios microestructurales o etapas debidos a reacciones en estado sólido. Las reacciones más importantes son. Segregacion de atomos de C Precipitación de carburos Descomposición de la austenita retenida
Recuperación y recristalización de la matriz ferrÌtica y formación de cementita globular.
No todas estas reacciones ocurren en los diferentes materiales tratados a la misma temperatura y en simultáneamente,
el mismo esto
periodo de
determina
que
las
tiempo. Muchas de ellas suceden microestructuras resultantes sean muy
compleja.
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6. Mostrar los diagramas TTT para un acero eutectoide, un acero hipoeutectoide y un acero hipereutectoide, indicar cuales son las diferencias más importantes entre ellas. ACERO AL EUTECTOIDE
ACERO HIPOEUTECTOIDE
ACERO HIPEREUTECTOIDE
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Aparecen diferencias debido a la presencia de constituyentes proeutectoides en la microestructura donde la más fácil de elaborar es el acero eutectoide. Las diferencias más notables se pueden observar en tres zonas: 1. La de la izquierda de las curvas, donde la Austenita todavía no ha comenzado a transformarse. 2. La comprendida entre las dos curvas, donde la Austenita está en periodo de transformación. 3. La de la derecha, transformada.
donde
la
Austenita
se
encuentra completamente
CONCLUSIONES: Un tratamiento térmico permite alterar notablemente las propiedades físicas. Sin embargo un tratamiento térmico incorrectamente ejecutado supondrá siempre un perjuicio en mayor o menor grado.
Las posibilidades de los tratamientos térmicos son enormes, permitiendo que un mismo metal sea ablandado para facilitar su labra, y luego, mediante otro proceso, dotarlo de un conjunto de propiedades completamente distintas.
Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
Los tratamientos térmicos no modifican la composición química de los materiales, pero si modifican sus propiedades mecánicas.
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RECOMENDACIONES:
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que reciba un tratamiento térmico, es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro-carbono.
En el momento de introducir la muestra de acero en el horno, es recomendable no acercase mucho al horno si no se está debidamente protegido porque las temperaturas a las cuales se realiza el ensayo son elevadas.
BIBLIOGRAFÍA
Apraiz, José; Tratamiento Térmico de los Aceros
Lasheras Sánchez-Marin, José; Tecnología de los Materiales Industriales
Reed-Hill, Robert E.; Principios de Metalurgia Física
Guliaev, A.P.; Metalografía (Volumen I)
Lajtin, Yuri; Metalografía y tratamiento térmico de los metales
http://s.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Tratamientos%20t%E9rmicos%20Mat%20 y%20Pro.pdf
“Fundación ASCAMM”. Centro Tecnológico.
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ANEXOS CONSTITUYENTES DE ALEACIONES FERROSAS: 1. Cementita Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67
%C
y
93.33
%
de
hierro,
es
el
microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorrómbica. Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita en las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
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2. Perlita Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a
las
irisaciones
que
adquiere
al
iluminarla,
parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
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3. Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos
aceros
austeníticos
al
cuya
cromo-níquel estructura
es
denominados austenita
a
temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. 4. Martensita Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturasEl contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7%C. Microestructura de la martensita. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 36
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frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
5. Troostita Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
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6. Sorbita Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, figura 16; de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
7. Bainita Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita. Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
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8. Ledeburita La ledeburita no es un constituyente de los aceros. Sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones hierro-carbono cuando el porcentaje de carburo de hierro aleado es superior al 25 %, o sea, con un contenido total mayor de 1,76 % de C. La ledeburita es una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta y se emplea para designar una mezcla de componentes que pasan sin descomposición ni segregación del estado sólido al líquido. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3 % de C desde 1.130º, siendo estable hasta 723º (A1, punto crítico inferior), descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de cementita y el 48 % de austenita de 1,76 % de carbono. El contenido total de carbono de la ledeburita es el 4,3 %
9. Steadita Es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de 0,15 % de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente, se puede calcular el porcentaje de stedita que contiene la fundición por su contenido en fósforo. Así, por ejemplo, una fundición que contenga 0,15% de fósforo, tendrá el 15% de stedita. La steadita es muy dura y frágil. Funde a 960º. En las fundiciones grises está compuesta de un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro, y en las fundiciones blancas y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita.
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10. Grafito El grafito es una de las variedades alotrópicas en que se encuentra el carbono libre en la naturaleza, siendo la otra el diamante. Es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25. Se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises; en forma de nódulos, en las fundiciones maleables, y en forma esferoidal, en algunas fundiciones especiales. El grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las fundiciones que lo contienen, pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste y a la corrosión y sirve de lubricante en el roce. Diagrama TTT (Temperatura-Tiempo-Transformación) de un acero al carbono. Por su forma también se le llama «curva de la S».
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