Informe De Tratamientos Termicos 1w160
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TRATAMIENTOS TERMICOS
INFORME Nº 5
INTRODUCCION El presente informe del laboratorio N°5 de Ciencias de los Materiales que lleva por título Tratamientos Térmicos fue realizado en el pabellón A1 de la Facultad de Ingeniería Mecánica, la experiencia de laboratorio estuvo dirigida y supervisada por el Ing. Luis Sanpen En este informe se presenta la experiencia del tratamiento térmico empleado en probetas de acero SAE 1035 para lo cual primero se definirá 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 el cuestionario respectivo así como las conclusiones, observaciones y recomendaciones del presente informe.
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OBJETIVOS Comprender la utilidad de los tratamientos térmicos. Dominar los diferentes procesos de tratamiento térmico. Reconocer la aplicación de los diferentes tipos de acero. Conocer los diferentes tipos de tratamientos térmicos para poder emplearlos en situaciones convenientes. Determinar las variaciones de las propiedades de los materiales frente a los tratamientos térmicos.
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INFORME Nº 5
FUNDAMENTO TEÓRICO TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO El tratamiento térmico en el material 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 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 hierro–hierro–carbono. 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 principales tratamientos térmicos son: 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, aceite, etcétera.
TEMPLADO EN AGUA
TEMPLADO EN ACEITE
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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 del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
REVENIDO
REVENIDO
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de
austenitización (800-925ºC) 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 el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
RECOCIDO
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TIPOS DE ROCOCIDO a) Recocido Supercríticos De austenización completa (recocido de regeneración): se calienta el acero a temperaturas superiores a las críticas Ac3 ó Accm para transformar el material en austenita, mayormente se utilizan para los aceros que presentan efectos de fatiga. De austenización incompleta (recocido globular de austenización incompleta): se realizan a solo temperaturas superiores a las Ac1 y Ac3-2-1 se convierte la ferrita en austenita. b) Recocido subcrítico Se calientan los materiales a temperaturas inferiores a las temperaturas críticas Ac1 ó Ac3-2-1. Este a su vez se clasifica en: recocido globular que consigue la cementita de estructura globular más perfecta; recocido de ablandamiento; recocido contra acritud se realiza para mejorar la ductilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos procesos de laminación; recocido de estabilización c) Recocido Isotérmico A diferencia de todos los anteriores se trasforma la austenita en perlita a una temperatura constante. En el recocido de segundo genero o de austenizacion completa ,se calienta el material por encima del punto crítico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto más lento sea el enfriamiento más blando será el acero, si se aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la zona critica , se aumenta la dureza , si esta velocidad sobrepasa la velocidad critica , la austenita comienza a transformarse en otros constituyentes. El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda, este punto depende de la velocidad de enfriamiento, por ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora, el proceso de transformación ocurre sobre los 700-680 grados, y a 20 grados - hora, la transformación ocurre a 680-650 grados
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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.
NORMALIZADO
Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. d) Cementación: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen
al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. e) Carburización: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal,
coque o gases de carbono. f) Cianurización: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando
así que endurezca. g) Nitrurización: Se usa para endurecer aceros de composición especial mediante
su calentamiento en amoniaco gaseoso.
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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. 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 31
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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. 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
cuya
al
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. Microestructura de la austenita: La austenita no puede atascarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. 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 temperaturas. El 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.
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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 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. 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.
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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
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 %
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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.
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.
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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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HORNOS UTILIZADOS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO Se pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera del horno. 4.1 El calentamiento por gas Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la combustión entran a la cámara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la cámara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 ºC y el control de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para tratamientos térmicos. 4.2 Calentamiento por resistencia eléctrica Es el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor generado según la ley de joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o caja, la resistencia está instalada a lo largo de las paredes interiores y por lo tanto en o con las paredes del horno. El material de la resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de 1100 ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 ºC. Para lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 ºC), de tungsteno (2500 ºC), y de grafito (2700 ºC). Para temperaturas aun mayores se utilizan los hornos de inducción (3000 ºC).
4.3 Hornos según su atmósfera 31
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En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro del horno que está en o con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble, por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la descarbonizacion de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas. 4.3.1 En vacío Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmósferas carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2, CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua. 4.3.2 Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico En el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se separan en del agua. El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico. La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan entre sí en un catalizador calentado exageradamente
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HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS
EQUIPOS Y MATERIALES 31
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1) Probetas de acero: Son de acero SAE 1035 primero son tratadas por el ensayo metalografico luego son puestas dentro de un horno para calentarlas y hacerles los diferentes tratamientos. Son usada 6 probetas.
2) Horno: 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.
3) Agua: Usada para el temple. 4) Aceite: Usada para el temple. 5) Microscopio: Usado para observar la superficie de las probetas luego de haber sido tratadas térmicamente.
6) Pulidora
metalográfica
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7) Durómetro Rockwell digital
8) Alcohol, solución de Nital (HNO3 2.5%) y solución de Ácido Nítrico
IMÁGENES DEL ACERO TRATADO
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NORMALIZADO
RECOCIDO
REVENIDO 150°POR 30 MIN
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REVENIDO 450° POR 30
TEMPLADO EN AGUA
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TEMPLADOXENXACEITE
PROCEDIMIENTO 31
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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. Calentamiento: Las probetas una vez preparadas son puestas en el horno a calentar. 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. Recocido: Es retirada del horno y puesta al enfriar una vez que la ausentita pareció. Revenido: Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500° luego son retiradas y observadas. 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.
CALCULOS Y RESULTADOS 31
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1) Microestructuras de las probetas tratadas térmicamente:
Temple
Normalizado
Revenido
Recocido
2) Obtención de la dureza de las probetas usadas en este experimento: Ensayo de dureza Rockwell B (HRB=100) Recocido 88.6 89.5 Normalizado 94.0 93.7
89.1 94.0
Promedio 89.0 93.9
Ensayo de dureza Rockwell C (HRC=150) Templado en agua 55.2 54.4 Templado en 49.9 48.4
55.2 50.9
Promedio 54.9 49.7
aceite Revenido(T1=150) Revenido(T2=250) Revenido(T3=350) Revenido(T4=450)
53.9 50.4 37.2 34.1
53.8 49.8 39.3 34.7
54.3 50.3 39.5 35.2
54.0 50.2 38.6 35.6
Revenido(T5=550)
33.4
33.8
33.8
33.6
Revenido(T6=650)
24.2
23.6
24.2
24.0
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700
TEMPERATURA(ºC)
600 500 400 300 200 100 0 0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
DUREZA(HRC)
GRAFICA Nº1: Variación de la dureza en función a la temperatura COMENTARIO: En esta grafica se puede apreciar la dependencia de la dureza con respecto al aumento de la temperatura, esto indica la gran variedad de aceros que se pueden obtener con someterlos a tratamientos térmicos, también nos muestra la gran cantidad de propiedades que podemos cambiar teniendo presente las aplicaciones de los materiales.
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OBSERVACIONES •
Se observa que las probetas templadas es agua presenta una mayor dureza con respecto a las demás.
•
Las probetas que fueron recocidas presentan una dureza mucho menor con respecto a las demás.
•
En el caso de los revenidos se observa que a menor temperatura y menor tiempo se obtiene una dureza mayor como es el caso del templado en agua revenido a 350° en media hora que supera a la probeta templada en agua revenida a 350° en una hora.
•
En el temple del agua y del aceite se observa que la concentración de martensita es mayor en el agua que en el aceite lo cual nos indica que el temple del agua será más duro que el temple en aceite
Temple en agua •
Temple en aceite
Entre las probetas templadas al agua se observa que a menor diagonal principal el valor de la dureza es mucho mayor debió a que se deforma menos en un área de o menor.
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CONCLUSIONES •
En la experiencia se han podido apreciar los métodos de templado, recocido y revenido en las probetas de acero y se ha visto como influyen en las propiedades mecánicas de dichas probetas.
•
En la experiencia se han podido observar las diferentes formas de variar las propiedades mecánicas de un acero hipoeutectoide al ser sometido a los diferentes tratamientos térmicos.
•
Los tratamientos térmicos son esenciales en la ciencia de los materiales porque nos permiten variar la estructura cristalina del metal a tratar, obteniendo de este modo obtenemos un material con una mayor resistencia que la matriz original mediante el normalizado, recocido, templado y revenido.
•
Los diferentes tratamientos térmicos empleados para el acero SAE1035 son: Normalizado: nos permite pasar todo el metal al estado austenitico. Recocido: nos permite ablandar el material para poder tratarlo mejor. Temple: nos permite transformar todo la masa del acero es austentita seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para transformar la austentita en martensita. Revenido: es un tratamiento complementario al temple, consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a Ac1 y enfriarlo después generalmente al aire aunque algunos también al agua y acero.
•
Para la industria actual los diferentes tipos de acero cumplen diferentes tipos de funciones como es el caso del SAE1035 que es un acero alto carbono bajo la norma SAE. Por su contenido de carbono estos aceros se utilizan para la fabricación de piezas estructurales y algunas aplicaciones donde se requiera resistencia al desgaste. Presenta un límite de fluencia de 270 MPa y una resistencia a la tensión de 500 MPa. Los aceros de acuerdo a la norma SAE son mas duros a medida que el porcentaje de carbono aumenta.
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RECOMENDACIONES • Lijar bien las parte de la sección recta de las probetas para obtener resultados más óptimos en la parte experimental al momento de proceder a observar en el microscopio. •
Evitar algún tipo de accidente al momento de lijar las probetas.
• Se recomienda realizar el ensayo de tratamientos térmicos con guantes y pinzas de protección para retirar las probetas del horno. • Se recomienda realizar el ensayo en un ambiente aislado para evitar el olor de las probetas al templarse.
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CUESTIONARIO PREGUNTA 1. Mencione dos tipos de acero que pueden templarse a) Acero SAE1010: Se usa con temple directo en agua. Es un acero tenaz, para piezas de pequeño tamaño y forma sencilla, en las cuales no sean necesarios altos valores de resistencia mecánica. b) Acero SAE1030: Se usa con temple y revenido para diversas aplicaciones como ejes, árboles y todas aquellas piezas que no estén sometidas a elevados esfuerzos mecánicos. PREGUNTA 2. Describa en forma breve los efectos del recocido y del revenido de un acero Efectos del recocido: •
Se puede entender el recocido como el calentamiento del acero por encima de las temperaturas de transformación a la fase austenítica seguida de un enfriamiento lento.
•
Este lento enfriamiento es el de obtener un equilibrio estructural y de fase en los granos del metal.
•
El objetivo principal es ablandar el acero para facilitar su mecanizado posterior.
Efectos del revenido: •
Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.
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•
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Disminuye las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
•
Modificar las características mecánicas como disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza; y aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad
PREGUNTA 3. Mencione un medio de enfriamiento que produzca (a) Un templado rápido (b) Un templado lento a) Para templar las piezas hechas en acero al carbono con alta velocidad crítica, se utiliza corrientemente el agua, la cual al enfriar la pieza en la zona de temperaturas de 550 a 600 º C, continúa enfriándose eficazmente también en la zona de transformación martensítica para que no se originen tensiones. b) El medio de enfriamiento para conseguir un templado lento es comúnmente el aire.
PREGUNTA 4. Explique el concepto de las curvas TTT. ¿Cómo se obtienen y de qué manera ayudan a comprender las diferentes transformaciones que se observan en los aceros? Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación isotérmica. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más específicamente en el de la austenita, que es inestable debajo de la temperatura crítica, se necesita saber cuanto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuanto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cual será la naturaleza del producto de esta transformación. El diagrama TTT más simple es el del acero al carbono eutectoide (SAE-1080), ya que no hay constituyentes proeutectoides en la microestructura. En cambio, cuando se trata
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térmicamente un acero hipoeutectoide, por ejemplo un SAE-1045, se debe agregar una línea adicional que señala el inicio de la transformación con la formación de ferrita proeutectoide, análogamente, en el caso de un acero hipereutectoide la línea adicional indica el inicio de la precipitación de cementita proeutectoide.
PREGUNTA 5. Recomiende el tipo de acero que debe utilizarse para cada uno de los siguientes productos, y el estado de tratamiento térmico en que deberá encontrarse para: (a) Una hoja de sierra. (b) Una lamina para fabricar partes troqueladas en carrocería. (c) La flecha media de dirección para un automóvil pequeño. (d) Vigas en doble T para construcción de edificios. (e) Un alambre para la fabricación de cables en puentes colgantes. a) Para una hoja de sierra se necesita un acero templado parcialmente en la hoja, primero en lomo y mas tarde en lomo y dientes, lo que lo dota de cierta flexibilidad pero no solventa el problema de la rotura que puede tener la sierra. Con el avance de la tecnología, estas hojas de sierra que eran de acero al carbono pasaron a ser de acero rápido o de alta velocidad, más conocido por sus siglas en ingles como el HSS. b) Para una lámina de acero que va a ser usada en partes troqueladas de carrocería se debe verificar que este acero tenga una buena tenacidad y resistencia a la corrosión. Esto se logra con un proceso de recocido para lograr también un mayor mecanizado en estas piezas. c) Para la flecha media de dirección en un automóvil pequeño se necesita conseguir que el acero usado para esta aplicación obtenga una adecuada dureza y resistencia a los ambientes corrosivos, realizando el proceso de temple y revenido
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d) Para las vigas se utilizan aceros con mayor resistencia a las tracciones y compresiones elevadas, y que tengan una relación resistencia/peso significativa en relación a otros materiales. Este acero se trata con un proceso de revenido. e) Para los alambres usados en la fabricación cables para los puentes colgantes se necesita de un acero de mayor tenacidad y elasticidad, es por eso que se realiza al acero un proceso de temple y de recocido.
Figura. Vigas de acero (izquierda); Puente colgante (derecha
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BIBLIOGRAFIA Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Smith, William F. McGraw-Hill Interamericana. Ciencia e ingeniería de los materiales. Askeland, Donald R. International Thomson. Tecnología de los materiales industriales. Lasheras Esteban, José Ma. Cedel. Metalografía. Guliáev, A. P. Mir. Metalografía y tratamiento térmico de los metales. Lajtin, Yu. M. Mir. Tecnología del acero. Lasheras Esteban, José María. José O. Ávila Monteso. Tratamientos térmicos de los aceros. Apraiz Barreiro, José. Dossat: Patronato de Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
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INFORME Nº 5
INTRODUCCION El presente informe del laboratorio N°5 de Ciencias de los Materiales que lleva por título Tratamientos Térmicos fue realizado en el pabellón A1 de la Facultad de Ingeniería Mecánica, la experiencia de laboratorio estuvo dirigida y supervisada por el Ing. Luis Sanpen En este informe se presenta la experiencia del tratamiento térmico empleado en probetas de acero SAE 1035 para lo cual primero se definirá 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 el cuestionario respectivo así como las conclusiones, observaciones y recomendaciones del presente informe.
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TRATAMIENTOS TERMICOS
INFORME Nº 5
OBJETIVOS Comprender la utilidad de los tratamientos térmicos. Dominar los diferentes procesos de tratamiento térmico. Reconocer la aplicación de los diferentes tipos de acero. Conocer los diferentes tipos de tratamientos térmicos para poder emplearlos en situaciones convenientes. Determinar las variaciones de las propiedades de los materiales frente a los tratamientos térmicos.
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TRATAMIENTOS TERMICOS
INFORME Nº 5
FUNDAMENTO TEÓRICO TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO El tratamiento térmico en el material 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 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 hierro–hierro–carbono. 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 principales tratamientos térmicos son: 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, aceite, etcétera.
TEMPLADO EN AGUA
TEMPLADO EN ACEITE
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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 del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
REVENIDO
REVENIDO
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de
austenitización (800-925ºC) 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 el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
RECOCIDO
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TIPOS DE ROCOCIDO a) Recocido Supercríticos De austenización completa (recocido de regeneración): se calienta el acero a temperaturas superiores a las críticas Ac3 ó Accm para transformar el material en austenita, mayormente se utilizan para los aceros que presentan efectos de fatiga. De austenización incompleta (recocido globular de austenización incompleta): se realizan a solo temperaturas superiores a las Ac1 y Ac3-2-1 se convierte la ferrita en austenita. b) Recocido subcrítico Se calientan los materiales a temperaturas inferiores a las temperaturas críticas Ac1 ó Ac3-2-1. Este a su vez se clasifica en: recocido globular que consigue la cementita de estructura globular más perfecta; recocido de ablandamiento; recocido contra acritud se realiza para mejorar la ductilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos procesos de laminación; recocido de estabilización c) Recocido Isotérmico A diferencia de todos los anteriores se trasforma la austenita en perlita a una temperatura constante. En el recocido de segundo genero o de austenizacion completa ,se calienta el material por encima del punto crítico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto más lento sea el enfriamiento más blando será el acero, si se aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la zona critica , se aumenta la dureza , si esta velocidad sobrepasa la velocidad critica , la austenita comienza a transformarse en otros constituyentes. El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda, este punto depende de la velocidad de enfriamiento, por ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora, el proceso de transformación ocurre sobre los 700-680 grados, y a 20 grados - hora, la transformación ocurre a 680-650 grados
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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.
NORMALIZADO
Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. d) Cementación: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen
al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. e) Carburización: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal,
coque o gases de carbono. f) Cianurización: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando
así que endurezca. g) Nitrurización: Se usa para endurecer aceros de composición especial mediante
su calentamiento en amoniaco gaseoso.
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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. 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 31
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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. 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
cuya
al
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. Microestructura de la austenita: La austenita no puede atascarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. 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 temperaturas. El 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.
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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 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. 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.
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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
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 %
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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.
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.
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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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HORNOS UTILIZADOS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO Se pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera del horno. 4.1 El calentamiento por gas Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la combustión entran a la cámara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la cámara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 ºC y el control de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para tratamientos térmicos. 4.2 Calentamiento por resistencia eléctrica Es el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor generado según la ley de joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o caja, la resistencia está instalada a lo largo de las paredes interiores y por lo tanto en o con las paredes del horno. El material de la resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de 1100 ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 ºC. Para lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 ºC), de tungsteno (2500 ºC), y de grafito (2700 ºC). Para temperaturas aun mayores se utilizan los hornos de inducción (3000 ºC).
4.3 Hornos según su atmósfera 31
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En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro del horno que está en o con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble, por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la descarbonizacion de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas. 4.3.1 En vacío Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmósferas carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2, CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua. 4.3.2 Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico En el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se separan en del agua. El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico. La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan entre sí en un catalizador calentado exageradamente
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HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS
EQUIPOS Y MATERIALES 31
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1) Probetas de acero: Son de acero SAE 1035 primero son tratadas por el ensayo metalografico luego son puestas dentro de un horno para calentarlas y hacerles los diferentes tratamientos. Son usada 6 probetas.
2) Horno: 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.
3) Agua: Usada para el temple. 4) Aceite: Usada para el temple. 5) Microscopio: Usado para observar la superficie de las probetas luego de haber sido tratadas térmicamente.
6) Pulidora
metalográfica
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7) Durómetro Rockwell digital
8) Alcohol, solución de Nital (HNO3 2.5%) y solución de Ácido Nítrico
IMÁGENES DEL ACERO TRATADO
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NORMALIZADO
RECOCIDO
REVENIDO 150°POR 30 MIN
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INFORME Nº 5
REVENIDO 450° POR 30
TEMPLADO EN AGUA
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TEMPLADOXENXACEITE
PROCEDIMIENTO 31
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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. Calentamiento: Las probetas una vez preparadas son puestas en el horno a calentar. 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. Recocido: Es retirada del horno y puesta al enfriar una vez que la ausentita pareció. Revenido: Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500° luego son retiradas y observadas. 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.
CALCULOS Y RESULTADOS 31
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1) Microestructuras de las probetas tratadas térmicamente:
Temple
Normalizado
Revenido
Recocido
2) Obtención de la dureza de las probetas usadas en este experimento: Ensayo de dureza Rockwell B (HRB=100) Recocido 88.6 89.5 Normalizado 94.0 93.7
89.1 94.0
Promedio 89.0 93.9
Ensayo de dureza Rockwell C (HRC=150) Templado en agua 55.2 54.4 Templado en 49.9 48.4
55.2 50.9
Promedio 54.9 49.7
aceite Revenido(T1=150) Revenido(T2=250) Revenido(T3=350) Revenido(T4=450)
53.9 50.4 37.2 34.1
53.8 49.8 39.3 34.7
54.3 50.3 39.5 35.2
54.0 50.2 38.6 35.6
Revenido(T5=550)
33.4
33.8
33.8
33.6
Revenido(T6=650)
24.2
23.6
24.2
24.0
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700
TEMPERATURA(ºC)
600 500 400 300 200 100 0 0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
DUREZA(HRC)
GRAFICA Nº1: Variación de la dureza en función a la temperatura COMENTARIO: En esta grafica se puede apreciar la dependencia de la dureza con respecto al aumento de la temperatura, esto indica la gran variedad de aceros que se pueden obtener con someterlos a tratamientos térmicos, también nos muestra la gran cantidad de propiedades que podemos cambiar teniendo presente las aplicaciones de los materiales.
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OBSERVACIONES •
Se observa que las probetas templadas es agua presenta una mayor dureza con respecto a las demás.
•
Las probetas que fueron recocidas presentan una dureza mucho menor con respecto a las demás.
•
En el caso de los revenidos se observa que a menor temperatura y menor tiempo se obtiene una dureza mayor como es el caso del templado en agua revenido a 350° en media hora que supera a la probeta templada en agua revenida a 350° en una hora.
•
En el temple del agua y del aceite se observa que la concentración de martensita es mayor en el agua que en el aceite lo cual nos indica que el temple del agua será más duro que el temple en aceite
Temple en agua •
Temple en aceite
Entre las probetas templadas al agua se observa que a menor diagonal principal el valor de la dureza es mucho mayor debió a que se deforma menos en un área de o menor.
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CONCLUSIONES •
En la experiencia se han podido apreciar los métodos de templado, recocido y revenido en las probetas de acero y se ha visto como influyen en las propiedades mecánicas de dichas probetas.
•
En la experiencia se han podido observar las diferentes formas de variar las propiedades mecánicas de un acero hipoeutectoide al ser sometido a los diferentes tratamientos térmicos.
•
Los tratamientos térmicos son esenciales en la ciencia de los materiales porque nos permiten variar la estructura cristalina del metal a tratar, obteniendo de este modo obtenemos un material con una mayor resistencia que la matriz original mediante el normalizado, recocido, templado y revenido.
•
Los diferentes tratamientos térmicos empleados para el acero SAE1035 son: Normalizado: nos permite pasar todo el metal al estado austenitico. Recocido: nos permite ablandar el material para poder tratarlo mejor. Temple: nos permite transformar todo la masa del acero es austentita seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para transformar la austentita en martensita. Revenido: es un tratamiento complementario al temple, consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a Ac1 y enfriarlo después generalmente al aire aunque algunos también al agua y acero.
•
Para la industria actual los diferentes tipos de acero cumplen diferentes tipos de funciones como es el caso del SAE1035 que es un acero alto carbono bajo la norma SAE. Por su contenido de carbono estos aceros se utilizan para la fabricación de piezas estructurales y algunas aplicaciones donde se requiera resistencia al desgaste. Presenta un límite de fluencia de 270 MPa y una resistencia a la tensión de 500 MPa. Los aceros de acuerdo a la norma SAE son mas duros a medida que el porcentaje de carbono aumenta.
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RECOMENDACIONES • Lijar bien las parte de la sección recta de las probetas para obtener resultados más óptimos en la parte experimental al momento de proceder a observar en el microscopio. •
Evitar algún tipo de accidente al momento de lijar las probetas.
• Se recomienda realizar el ensayo de tratamientos térmicos con guantes y pinzas de protección para retirar las probetas del horno. • Se recomienda realizar el ensayo en un ambiente aislado para evitar el olor de las probetas al templarse.
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CUESTIONARIO PREGUNTA 1. Mencione dos tipos de acero que pueden templarse a) Acero SAE1010: Se usa con temple directo en agua. Es un acero tenaz, para piezas de pequeño tamaño y forma sencilla, en las cuales no sean necesarios altos valores de resistencia mecánica. b) Acero SAE1030: Se usa con temple y revenido para diversas aplicaciones como ejes, árboles y todas aquellas piezas que no estén sometidas a elevados esfuerzos mecánicos. PREGUNTA 2. Describa en forma breve los efectos del recocido y del revenido de un acero Efectos del recocido: •
Se puede entender el recocido como el calentamiento del acero por encima de las temperaturas de transformación a la fase austenítica seguida de un enfriamiento lento.
•
Este lento enfriamiento es el de obtener un equilibrio estructural y de fase en los granos del metal.
•
El objetivo principal es ablandar el acero para facilitar su mecanizado posterior.
Efectos del revenido: •
Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.
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•
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Disminuye las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
•
Modificar las características mecánicas como disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza; y aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad
PREGUNTA 3. Mencione un medio de enfriamiento que produzca (a) Un templado rápido (b) Un templado lento a) Para templar las piezas hechas en acero al carbono con alta velocidad crítica, se utiliza corrientemente el agua, la cual al enfriar la pieza en la zona de temperaturas de 550 a 600 º C, continúa enfriándose eficazmente también en la zona de transformación martensítica para que no se originen tensiones. b) El medio de enfriamiento para conseguir un templado lento es comúnmente el aire.
PREGUNTA 4. Explique el concepto de las curvas TTT. ¿Cómo se obtienen y de qué manera ayudan a comprender las diferentes transformaciones que se observan en los aceros? Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación isotérmica. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más específicamente en el de la austenita, que es inestable debajo de la temperatura crítica, se necesita saber cuanto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuanto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cual será la naturaleza del producto de esta transformación. El diagrama TTT más simple es el del acero al carbono eutectoide (SAE-1080), ya que no hay constituyentes proeutectoides en la microestructura. En cambio, cuando se trata
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térmicamente un acero hipoeutectoide, por ejemplo un SAE-1045, se debe agregar una línea adicional que señala el inicio de la transformación con la formación de ferrita proeutectoide, análogamente, en el caso de un acero hipereutectoide la línea adicional indica el inicio de la precipitación de cementita proeutectoide.
PREGUNTA 5. Recomiende el tipo de acero que debe utilizarse para cada uno de los siguientes productos, y el estado de tratamiento térmico en que deberá encontrarse para: (a) Una hoja de sierra. (b) Una lamina para fabricar partes troqueladas en carrocería. (c) La flecha media de dirección para un automóvil pequeño. (d) Vigas en doble T para construcción de edificios. (e) Un alambre para la fabricación de cables en puentes colgantes. a) Para una hoja de sierra se necesita un acero templado parcialmente en la hoja, primero en lomo y mas tarde en lomo y dientes, lo que lo dota de cierta flexibilidad pero no solventa el problema de la rotura que puede tener la sierra. Con el avance de la tecnología, estas hojas de sierra que eran de acero al carbono pasaron a ser de acero rápido o de alta velocidad, más conocido por sus siglas en ingles como el HSS. b) Para una lámina de acero que va a ser usada en partes troqueladas de carrocería se debe verificar que este acero tenga una buena tenacidad y resistencia a la corrosión. Esto se logra con un proceso de recocido para lograr también un mayor mecanizado en estas piezas. c) Para la flecha media de dirección en un automóvil pequeño se necesita conseguir que el acero usado para esta aplicación obtenga una adecuada dureza y resistencia a los ambientes corrosivos, realizando el proceso de temple y revenido
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INFORME Nº 5
d) Para las vigas se utilizan aceros con mayor resistencia a las tracciones y compresiones elevadas, y que tengan una relación resistencia/peso significativa en relación a otros materiales. Este acero se trata con un proceso de revenido. e) Para los alambres usados en la fabricación cables para los puentes colgantes se necesita de un acero de mayor tenacidad y elasticidad, es por eso que se realiza al acero un proceso de temple y de recocido.
Figura. Vigas de acero (izquierda); Puente colgante (derecha
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BIBLIOGRAFIA Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Smith, William F. McGraw-Hill Interamericana. Ciencia e ingeniería de los materiales. Askeland, Donald R. International Thomson. Tecnología de los materiales industriales. Lasheras Esteban, José Ma. Cedel. Metalografía. Guliáev, A. P. Mir. Metalografía y tratamiento térmico de los metales. Lajtin, Yu. M. Mir. Tecnología del acero. Lasheras Esteban, José María. José O. Ávila Monteso. Tratamientos térmicos de los aceros. Apraiz Barreiro, José. Dossat: Patronato de Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
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