1. 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.

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

TEMPLADO EN AGUA TEMPLADO EN ACEITE

tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

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.

TIPOS DE ROCOCIDO

a) Recocido Supercríticos

REVENIDO 150

REVENIDO 450

RECOCIDO

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 género 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

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.

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.

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.

NORMALIZADO

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 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 al

cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es

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.

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.

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 %

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.

Diagrama TTT (Temperatura-Tiempo-Transformación) de un acero al carbono. Por su forma también se le llama «curva de la S».

HORNOS UTILIZADOS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO

Se pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera

del horno.

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.

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 contacto 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 aún mayores se utilizan los

hornos de inducción (3000 ºC).

Hornos según su atmósfera

En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro

del horno que está en contacto 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.

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.

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

HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS

2. REALIZACION DEL ENSAYO

2.1 RELACIÓN DE MAQUINAS, EQUIPOS, INSTRUMENTOS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES USADOS CORRECTAMENTE IDENTIFICADOS.

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

7) Durómetro Rockwell digital

8) Alcohol, solución de Nital (HNO 3 2.5%) y solución de Ácido Nítrico

NORMALIZADO

RECOCIDO

REVENIDO

REVENIDO

TEMPLADO EN AGUA

TEMPLADO X EN X ACEITE

2.2 DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ORDENADO Y SISTEMATICO.

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.

5) Revenido: Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500°

luego son retiradas y observadas.

6) 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.

2.3 DATOS, CALCULOS Y TABULACIONES

3. 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

contacto menor.

4. CONCLUSIONES

En la experiencia se han podido apreciar los métodos de templado, recocido y

revenido en las probetas de acero y se ha visto cómo 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 más duros a medida que el porcentaje de

carbono aumenta.

5. 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.

6. 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 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