Temple Acero 1040 [PDF]

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LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS TEMPLE DE UN ACERO 1040 CON AUSTENIZACIÓN COMPLETA

JUAN ERNED IBAÑEZ CALEJAS CÓDIGO: 201210166

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE METALURGIA TUNJA 2016 CONTENIDO

Pág. INTRODUCCÓN

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1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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2. MICROGRAFIAS

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3. TAMAÑO DE GRANO

7-9

3.1. TRANSVERSAL

7-8

3.2. LONGITUDINAL

8-9

4. FASES PRESENTES

10-13

5. ANALISIS DE CARBUROS

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6. DUREZAS

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7. ANALISIS DE RESULTADOS GENERALES

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CONCLUSIONES

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BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCÓN 2

Los tratamientos térmicos son procesos que se dan sobre un metal ferroso o no ferroso, con el objetivo de modificar sus propiedades físicas, mecánicas y metalúrgicas a través del sometimiento a altas temperaturas y diferentes velocidades de enfriamiento. Templar una pieza de acero es lograr que su estructura sea plenamente martensítica. Para ello es necesario austenizar la pieza y enfriarla a velocidad superior a un cierto valor crítico Vc, con el fin de evitar las curvas de formación de la perlita y de la bainita. Con este tratamiento se trata de conseguir alguno de los fines siguientes: Mejorar las características mecánicas de resistencia a la tracción, límite elástico y dureza, a expensas de disminuir las de alargamiento, estricción y resiliencia. El temple confiere a los aceros muy poca resiliencia y una gran fragilidad.

1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 3

En esta práctica, solo se cortó una probeta de acero de 0.40 % de C; de ½” por 20 mm de longitud porque ya se tenía una probeta de la misma composición química pero sin someterla al tratamiento (esta para comparación). La probeta cortada se preparó según la norma ASTM E 3 (norma para preparación metalográfica de muestras). La probeta de acero a la cual se le realizo el análisis metalográfico corresponde a un acero AISI 1040, sometiéndola a un tratamiento térmico de temple con austenización completa. Esta práctica se realizó con el fin de observar cambios de microestructura o fase debido al tratamiento térmico el cual puede alterar o cambiar las propiedades mecánicas del acero. Para analizar si hubo cambio de las propiedades mecánicas en la probeta, se llevó a cabo un ensayo de dureza según normas ASTM E 18 y ASTM E 140. Una vez obtenidas la dureza y las micrografías, se realizó un análisis de los cambios en el acero 1040. Basándonos también en el diagrama de aleación hierro - carbono, con el fin de determinar las fases y la cantidad de fases, presentes en este acero. Para llevar a cabo el tratamiento; la probeta se calentó en una mufla, hasta la temperatura de 20°C por encima de Ac1durante 30 minutos. Se enfrió la probeta rápidamente en agua con sal (5% de NaCl, cloruro de sodio) agitándola para dar eficiencia al temple del acero 1040.

2. MICRGRFIAS 4

ANTES DEL TRATAMIENTO

DESPUES DEL TRATAMIENTO

MICRGRAFIA 1. 100X TR; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 2. 100X TR; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 3. 100X LONG; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 4. 100X LONG; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

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MICRGRAFIA 5. 500X TR; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 6. 500XTR; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 7. 500X LONG; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

MICRGRAFIA 8. 500X LONG; Tomada por: Juan Ibáñez y Wilmer Urango.

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3. TAMAÑO DE GRANO 3.1. TRANSVERSAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO

Número de Tamaño de Grano: 6

Número de Tamaño de Grano: 13.45 N N´ L = i L M N´ L 6.643856∗log 10 ( ¿ ) −3.228 G=¿

Con el método de comparación según la norma ASTM E 112. Los granos del acero corresponden al número 6 de la plantilla, y de acuerdo con la tabla 4 de la norma ASTM E112, el diámetro de grano promedio es de 0.0449 mm, 

Con el método de intersección según la norma ASTM E 112. Los granos del acero tienen un numero de 13.45, y de acuerdo con la tabla 4 de la norma ASTM E112, el diámetro de grano promedio es de 0.0030 mm.

¿Qué diferencias encontró entre el tamaño de grano antes y después del tratamiento térmico?

Rta//: Se encontró que el acero sin tratamiento térmico presentan granos cerrados; en donde se puede observar una zona oscura dentro de una matriz de la zona clara, pero que en el acero templado con austenización completa, se 7

observan las dos mismas zonas en forma de agujas, producto de la transformación brusca que sufrió la austenita en el enfriamiento rápido. 

Si encontró cambios en el número de tamaño de grano después de la aplicación del tratamiento térmico, explique metalúrgicamente por qué sucedieron.

Rta//: observamos que el acero tratado térmicamente; presenta una micrografía en forma de agujas, debido a la deformación que produce en su red cristalina, la inserción de los átomos de carbono; siendo este un cambio notable de estructura cristalina, el cual se produce por un enfriamiento muy rápido de la austenita, pasando de ser un bcc en el acero sin tratamiento a una red tetragonal en el acero templado. 3.2. LONGITUDINAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO

Número de Tamaño de Grano: 6

Número de Tamaño de Grano: 13.45 N N´ L = i L M N´ L 6.643856∗log 10 ( ¿ ) −3.228 G=¿

Se puede observar que al utilizar el Se utilizó el método de intersección 8

método de comparación según la norma ASTM E 112, los granos del acero corresponden al número 6 de la plantilla con diámetro de grano promedio de 0.0449mm según la tabla 4 de la misma norma; teniendo como resultado el mismo tamaño de grano que con la micrografía No. 1 de sección transversal, acero sin tratamiento.



según la norma ASTM E 112. Los granos del acero tienen un numero de, 13.45 y de acuerdo con la tabla 4 de la norma ASTM E112, el diámetro de grano promedio es de 0.0030 mm, característico de un material duro, teniendo como resultado el mismo tamaño de grano que con la micrografía No. 2 de sección transversal, acero con tratamiento.

¿Qué diferencias encontró entre las micrografías tomadas en corte trasversal a las tomadas en corte longitudinal?

Rta//: En las micrografías longitudinales se observa un alargamiento de los granos provocado por las deformaciones al cual fue sometido el acero, además se pudo observar que la probeta con el tratamiento muestra la misma deformación; solo que granos se convirtieron en agujas. 

Calcule en porcentaje la diferencia.

RTA//: Para calcular el porcentaje tomamos una micrografía de 500 X del acero sin tratamiento térmico, la imprimimos a blanco y negro pesamos toda la micrografía y recortamos las fases presentes pesando las fases negras y bancas por aparte; obteniéndose os siguientes resultados: Peso de la micrografía = 4.28 gr Peso de la perlita = 1.33 gr Peso de la ferrita = 2.95 gr

Ferrita=

2.95 gr−1.33 gr ∗100 =54.92 de a fase ferrita 2.95 gr

y perlta=( 100−54.92 ) =45.08 de a fase perltica. Para el acero templado con austenización completa no se pudo realizar el cálculo del porcentaje de fases presentes ya que las fases se observan como agujas muy pequeñas y muy unidas lo cual nos impide realizar el mismo procedimiento utilizado en el acero sin tratamiento térmico. 9

4. FASES PRESENTES ANTES DEL TRATAMIENTO

DESPUES DEL TRATAMIENTO

50 % de ferrita y 50 % de perlita aproximadamente

Contiene un máximo de 0.9 % de carbono y la morfología de las agujas puede cambiar según él % de C que para aceros de menos de 0.6 % de C presenta agujas en forma de cinta.

Se pueden observar dos fases presentes una la zona clara que corresponde a ferrita o hierro α y otra la zona oscura que corresponde a

Se puede observar que la estructura del acero cambio de una formación de zonas muy bien definidas a formar agujas la cuales son características de 10

perlita (mezcla eutectoide de finas láminas de ferrita y cementita o carburo de hierro. Como se trata de un acero 1040 o 0.4 % de carbono y de acuerdo al diagrama Fe – Fe3C las fases presentes tienen una proporción de 50 % aproximadamente cada una, ya que es la mitad de la composición del acero eutectoide. 

la formación de martensita (la cual puede ser agujas de cementita Fe3C en una matriz ferrita o hierro α con un aspecto marcado de zigzag con ángulos de 60°; esta se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.

Explique metalúrgicamente el tipo de trasformación de fase que se produjo debido a la aplicación del tratamiento térmico (utilice diagrama).

Rta//: 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 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.

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Diagrama TTT de un acero hipoeutectoide

Una descripción muy breve seria: 1. El lado izquierdo de las curvas, muestra donde la Austenita todavía no ha comenzado a transformarse. 2. La comprendida entre las dos curvas, muestra donde la Austenita está en periodo de transformación. 12

3. El lado derecho, muestra donde la Austenita se encuentra completamente transformada. La transformación de la austenita, producida por nucleación y crecimiento (con difusión), origina la formación de estructuras tipo perlitico, o de tipo bainítico, según sea el orden de temperaturas en la que la transformación tiene lugar. Cuando por un brusco enfriamiento –que evite la formación de perlita o de bainitala austenita es llevada a temperaturas más bajas que al de transformación bainítica, se produce una transformación sin difusión –a una velocidad en C que la austenita, que recibe el nombre de martensita. La transformación de austenita en martensita va siempre acompañada de aumento de volumen. La austenita tiene 4 átomos de Fe por celda elemental, y la martensita dos átomos de Fe por celda elemental. La transformación de N celdas de austenita origina la formación de 2N celdas de martensita, con lo que resulta – determinando los volúmenes correspondientes a N celdas de austenita y 2N de martensita- un incremento de volumen de 4,7%. - La velocidad de transformación de la austenita en martensita es prácticamente instantánea. - la martensita (observada al microscopio) presenta un aspecto acicular con efectos de relieve producidos por mecanismos de cizallamiento, prueba de que su formación resulta de transformaciones casi instantáneas (sin difusión) en ciertos planos cristalográficos de la malla de austenita. 

¿Todos los aceros presentan carburos? Explique.

Rta//: la presencia de carburos en los aceros es debida a un alto porcentaje de carbono (mayores a 0,89 % C, los denominados aceros hípereutectoides), o a la presencia de elementos de aleación. En este caso; solo se encuentra la presencia cementita el cual es un carburo de hierro.

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6. DUREZAS ANTES DEL TRATAMIENTO

80 HRB 84 HRB 83 HRB Promedio: 82 HRB

155 HB 163 HB 162 HB Promedio: 160 HB

155 HV 163 HV 162 HV Promedio: 160 HV

DESPUES DEL TRATAMIENTO

57 HRC 56 HRC 55 HRC Promedio: 56 HRC

593 HB 576 HB 560 HB Promedio: 576 HB

901 HV 867 HV 843 HV Promedio: 870 HV

Las durezas de la probeta de acero Las durezas de la probeta de acero sin tratamiento se realizaron en la con tratamiento se realizaron en la parte longitudinal aplicando una carga parte longitudinal aplicando una carga de 980.6 N (100 Kgf); utilizando el de 1471 N (150 Kgf); utilizando el durometro (indentador con punta de durometro (indentador con punta bola) a escala de HRB según normas piramidal) a escala de HRC según ASTM E 18 y ASTM E 140 normas ASTM E 18 y ASTM E 140 Podemos apreciar un notable cambio de escala de dureza en el acero tratado 14

térmicamente ya que al templarlo en agua con 5% de NaCl hace que el gradiente de temperatura descienda drásticamente produciendo un cambio de estructura. 

Explique metalúrgicamente y/o físicamente el cambio de durezas (si se presenta) en el acero después de la aplicación del tratamiento térmico y su influencia en las propiedades mecánicas del material.

Rta//: La dureza de la martensita puede atribuirse precisamente a la tensión que se produce en sus cristales; esta deformación de la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión el aumento de dureza que experimentan. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La proporción de carbono de la martensita no es constante sino que varía hasta un máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 Rockwell-C; su resistencia mecánica, de 175 a 250 kg/mm2, y su alargamiento de 2,5 a 0,5%. Además es magnética. Por otra parte, y puesto que la gran dureza de la martensita es debida fundamentalmente al C –no a los elementos de aleación- ello ha llevado durante casi 60 años a buscar las razones de la extraordinaria dureza de la martensita en la tetragonalidad de malla conferida por el C. El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Hay muchas variaciones del proceso básico, tales como: El enfriamiento: el cual puede ser continuo (tratamientos con enfriamiento continuo: curvas CCT) conseguido de diversas maneras: enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite, etc. o isotérmico (tratamientos isotérmicos o curvas TTT); conseguido, por ejemplo, mediante inmersión en un baño de sales fundidas o de plomo fundido. La severidad del medio de enfriamiento: el cual el la aptitud que tienen los medios de enfriamiento para absorber el calor de la superficie de la pieza. Para conocer la eficacia de los diversos medios de enfriamiento, es preciso conocer la serie de fenómenos que tienen lugar desde que se introduce la pieza en el medio 15

refrigerante, hasta que se alcanza la temperatura final, y la influencia que éstos ejercen en la velocidad de enfriamiento. En general pueden considerarse tres etapas, perfectamente definidas durante el enfriamiento.

Figura 1. Enfriamiento de la superficie del acero

Etapa A: Cuando se introduce una pieza de acero, calentada a la temperatura de austenización, en un líquido refrigerante cuya temperatura de ebullición es muy inferior a la temperatura de la pieza, al ponerse en contacto, se forma instantáneamente, en la superficie de separación de ambas, una capa de vapor que rodea al metal y lo aísla del líquido, verificándose el enfriamiento por radiación y conducción a través de la capa gaseosa (las burbujas de vapor dificultan la transmisión de calor). Etapa B: Conforme va disminuyendo la temperatura en la superficie de la pieza, disminuye también el espesor de la capa de vapor que rodea a la misma y, en ciertos puntos, el líquido en forma de gotitas llegará a ponerse en contacto con el acero. Este contacto es sólo momentáneo, puesto que la gota se vaporiza tan pronto como toca el acero, desplazándose las burbujas por gravedad y convección; se establece así una serie de contactos ininterrumpidos líquido-acero, quedan origen a una velocidad de enfriamiento mucho más elevada que en la etapa anterior, pues a pesar de ser menor el gradiente de temperaturas acero-

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liquido. La temperatura a la cual tiene lugar la transición de la etapa A, a la B es tanto más elevada cuanto mayor es la temperatura de ebullición del líquido. Etapa C: Se llega a esta etapa cuando la superficie de la pieza se ha enfriado tanto, que alcanza la temperatura de ebullición del líquido refrigerante. En esta etapa existe un contacto íntimo pieza-liquido, de forma que el calor perdido por la pieza pasa directamente al líquido a través de la inter cara, sin llegar a producir vaporización. Temperatura de temple: La temperatura de austenización previa al temple, que suele denominarse temperatura de temple no debe ser excesivamente alta: a fin de evitar sobrecalentamientos (que originarían una martensita grosera, poco tenaz) y/o "quemados".

Figura 2. Temperatura de temple.

La velocidad de enfriamiento ha de ser lo suficientemente rápida para impedir que se produzca cualquier transformación de la austenita antes de alcanzar la temperatura Ms de transformación martensítica. Existe una velocidad mínima de enfriamiento denominada velocidad crítica de temple que conduce al estado totalmente martensítico. Al modificar la estructura cristalina, el temple provoca variaciones en las propiedades mecánicas y tecnológicas del acero, algunas de ellas mejoran (dureza, y resistencia mecánica), mientras que otras, por el contrario empeoran (fragilidad, tenacidad y conductividad eléctrica). 17

7. ANALISIS DE RESULTADOS GENERALES Al aplicar un temple de austenización completa a una probeta de acero 1040 se pudo observar un cambio de estructura martensítica; siendo una estructura característica de los acero templados; y que a su vez endureció el acero, siendo este el resultado esperado. Al utilizar la norma ASTM E 112, para la terminación de tamaño de grano, se pudo apreciar de una forma mucho más clara el cambio de estructura que sufrió el acero con el tratamiento térmico. Obteniendo resultados que fueron correctos ya que se esperaba que después del tratamiento térmico el acero tuviera una contracción en el grano y que este tuviera una forma acicular o de agujas. Mediante un análisis de durezas se encontró un aumento en la escala de dureza del acero tratado térmicamente; siendo este un resultado eficaz, ya el temple es un tratamiento térmico que tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Este laboratorio se realizó con el fin de demostrar que el temple es un tratamiento térmico que mejora propiedades mecánicas y tecnológicas en los aceros, brindándoles resistencia al desgaste, a la penetración y dureza.

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CONCLUSIONES 

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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. 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. Con el tratamiento térmico adecuado se puede incrementar la tenacidad o producir materiales excepcionalmente duros; con un gran uso de estas propiedades en la industria. Los tratamientos térmicos no modifican la composición química de los materiales en este caso de los aceros, pero si modifican sus propiedades mecánicas, físicas y estructurales.

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BIBLIOGRAFIA     

AVNER, Sydney. Introducción a la metalurgia física. Ed. 2. 1988. Mónica Melgarejo. prácticas de laboratorio de tratamientos térmicos. Uptc. Facultad de ingeniería. Escuela de metalurgia. Pág. 5 – 6. http://www.v-espino.com/~tecnologia/tecnoII/RES%DAMENES/14%20tratamientos%20aceros.pdf http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase9ttteoria.pdf http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema1.TratamientosAceros.pdf (paginas consultadas el 15 de abril, 2016)

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