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LABORATORIO # 6
I. TITULO:
ENSAYO JOMINY (MÉTODO DE PRUEBA POR EXTREMO
TEMPLADO)
II. OBJETIVOS:
2.1. Determinar la templabilidad o capacidad de temple
mediante la obtención de la profundidad y distribución de la
dureza en el interior de una pieza, (para un acero de
construcción SAE 1050).
2.2. Evaluar las curvas de templabilidad o curvas Jominy de
los aceros.
2.3. Determinar el diámetro critico (Dc) y el diámetro
critico ideal (Di).
III. FUNDAMENTO TEÓRICO:
El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa
de un acero de ser endurecido por transformación a
martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por
debajo de la superficie templada a la cual el acero se
endurece o la severidad del temple requerido para lograr una
cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena
templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de
la superficie y no requieren altas velocidades de
enfriamiento. La templabilidad no se refiere a la máxima
dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del
contenido de carbono.
La templabilidad de un acero se incrementa mediante la
aleación. Los elementos aleantes que tienen el mayor efecto
son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el níquel en menor
grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos
aleantes es el aumento del tiempo antes de que ocurra la
transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En
efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, permitiendo
así velocidades de enfriamiento más lentas durante el
apagado. Por tanto la trayectoria del enfriamiento es capaz
de seguir más fácilmente una ruta más lenta hacia la línea
Ms, evitando el obstáculo impuesto por la nariz de la curva
TTT.
El método más común para medir la templabilidad es el ensayo
de Jominy del extremo templado. El ensayo involucra el
calentamiento de un espécimen normal de diámetro = 1.0 pulg
(25.4 mm) y longitud = 4.0 pulg (102 mm) hasta la escala de
la austenita y después el templado de uno de sus extremos con
agua fría mientras se sostiene verticalmente, como se muestra
en la figura 1. La velocidad de enfriamiento en el espécimen
de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde
el extremo que se templa. Luego una vez fria la pieza se
hacen superficie planas paralelas y se toman medidas de
dureza cada 1/16". La dureza se encuentra en el extremo
templado donde se forma martensita y a medida que se aleja el
extremo se forman productos de transformación más blandos.
La templabilidad es indicada por la dureza del espécimen como
una función de la distancia desde el extremo templado como se
muestra en la figura 1.
Fig. 1: Prueba de punta templada
Sobre la templabilidad ejercen su influencia la velocidad de
enfriamiento, la homogeneidad de la estructura, la
temperatura del temple, el tamaño de grano austenitico asi
como la estructura inicial. Con el aumento de la velocidad de
enfriamiento la templabilidad se incrementa, si se tiene una
estructura no homogénea por ejemplo en presencia de carburos
no disueltos por completo y de inclusiones metálicos que
intervienen como centros y de inclusiones metálicas que
intervienen como centros de cristalización, la templabilidad
disminuye; la elevación de la temperatura del calentamiento
da lugar al crecimiento del grano, a la obtención de una
estructura más homogénea y al aumento de la temperatura.
La dureza de un sitio en la barra Jominy es equivalente la
dureza que se podría obtener en un punto de una pieza
templada en agua o aceite con la misma rata de enfriamiento.
3.1. USOS DE LAS CURVAS DE TEMPLABILIDAD:
Las curvas de endurecimiento obtenido por el ensayo jominy
son de gran valor practico debido a:
a. Si se conoce la velocidad de enfriamiento de un acero en
cualquier tipo de templado, la dureza puede leerse
directamente de la curva de templabilidad para ese
acero.
b. Si se puede medir la dureza en cualquier punto, la
velocidad de enfriamiento puede obtenerse de la curva de
enfriamiento para este acero.
La Fig. 2 nos muestra las curvas de endurecimiento para 5
aceros, los aceros fueron templados por la punta como se
indica en la Fig. 1.
Fig. 2: Curvas de endurecimiento para 5 aceros.
3.2. DIÁMETRO CRITICO IDEAL(Di):
La profundidad a la que se obtiene la martensita en una
barra es una función de cierto número de variables. La
barra con diámetro pequeño se endurecen por todas partes y
las que tiene diámetros más grandes se obtendrán un núcleo
más blando conteniendo perlita.
El diámetro critico es donde se a formar en su centro 50%
de martensita y 50% de perlita. Su valor depende del acero
en cuestión y del medio de temple y su importancia
descansa en el hecho de que da la medida de la habilidad
del acero o responder al tratamiento térmico del temple.
El diámetro critico es una medida de la templabilidad pero
depende también de la velocidad de enfrentamiento.
Con el propósito de eliminar esta última variable es
práctica general hacer referencia de todas las mediciones
de templabilidad a un medio de enfrentamiento hipotético
supuesto para llevar la superficie de una pieza
instantáneamente a la temperatura del baño simple y
mantenerla a esta temperatura. El diámetro correspondiente
a esta temple ideal es llamado diámetro critico ideal.
Para poder determinar el diámetro critico ideal partiendo
de que conocemos la curva jominy de un acero determinado,
podemos calcular de ella su templabilidad expresadas en
cifras jominy o en diámetro ideal.
Para ello nos bastara conocer la dureza que corresponde al
estructura deseada para el acero en cuestión.
La Fig. 3 nos expresa para cada porcentaje de martensita
deseada la dureza que según el porcentaje de carbono debe
alcanzar el acero.
Fig. 3
Fig. 4: nos expresa la curva de equivalencia entre
diámetros críticos ideales y distancia jominy.
Fig. 4
3.3. Severidad de Temple (H)
En el temple ideal se supone un medio de temple ideal que
remueve el calor hacia la superficie tan rápidamente como
fluye este del interior de la barra.
Dicho medio no existe pero su acción refrigerante puede
ser calculada y comprobada con la de los medios de temple
ordinarios. Los valores de severidad de temple para los
diversos tipos de medio de temple, y la gráfica entre Dc y
Di con H, se muestra acontinuación.
Tabla: Valores de la severidad de temple H.
Agitación del
medio
Salmuera Agua Aceite Sales Aire
Ninguna 2 0.9-1.0 0.25-0.30 0.25-0.30 0.02
Media 2-2.2 1.0-1.1 0.30-0.35 0.30-0.35
Moderada 1.2-1.3 0.35-0.40 0.35-0.40
Acentuada 1.4-1.5 0.40-0.50 0.40-0.50
Fuerte 1.6-2 0.50-0.80 0.50-0.80
Violenta 4 0.8-1.1
3.4. Influencia del Contenido de Carbono
El aumento en el contenido de carbono esta asociado con un
aumento en la templabilidad, la formación de la perlita y
constituyentes proeutectoides se vuelve más difícil entre
más alto sea el contenido de carbono en el acero.
El tamaño de grano austenitico tiene gran influencia en la
templabilidad de los aceros. La perlita se nuclea en los
limites de grano de la austencia; la formación de perlita
en el acero de grano mas grueso y en consecuencia el acero
de grano mas fino tiene mas baja templabilidad. El uso de
un tamaño de grano auténtico grueso para aumentar la
templabilidad esta acompañado por cambios indeseables en
otras propiedades tales como un aumento en la fragilidad y
pérdida de ductibilidad. A continuación se muestra una
gráfica del Di en función del %C y el tamaño de grano
austenitico.
3.5. Los Elementos Aleantes en la Templabilidad:
Los elementos aleantes aumentan la templabilidad de los
aceros; el grado depende del elemento en cuestión; el
único elemento gue hace bajar la templabilidad es el
cobalto porque este aumenta la velocidad de nucleación
como la del desarrollo de la perlita. Los aceros gue
contienen cualguier cantidad de elementos añadidos son
difíciles de soldar con éxito.
Con la ayuda de los factores multiplicadores para cada
elemento de aleación, el %C y el tamaño de grano
austénico se puede determinar el diámetro ideal para el
tipo de acero en mención.
IV. EQUIPOS A USAR:
Equipos para el ensayo Jominy.
Probeta Jominy para un acero de construcción SAE 1050.
Horno eléctrico de cámara.
Durómetro.
Elementos para el desbaste, pulido y ataque.
Microscopio metalografico.
V. PROCEDIMIENTO:
Se precalienta el horno hasta una temperatura de 900°C, luego
se coloca la probeta Jominy 1050 en el horno y se mantiene
durante una hora y media a la temperatura de 900°C, se habre
la llave de agua del dispositivo Jominy, previamente se
ajuste la columna de agua libre a una altura de 2,5”.
Luego se remueve la probeta del horno y se coloca en el
dispositivo jominy en un tiempo no mayor a 5 segundos tal
como se muestra en la Figura.
Luego se abre la llave del agua para que se enfrié la parte
baja de la probeta sin que el agua moje los lados de la
probeta, y se deja correr el agua durante 10 minutos.
Se saca la probeta Jominy 1050 del dispositivo y luego se
maquina dos superficies planas paralelas de 0.4 mm. de
profundidad para luego medir la dureza en la superficie
maquinada.
Estas medidas de dureza se realizaron cada 1/16”, luego con
estos datos se procedió a hacer el grafico de la curva de
templabilidad.
VI. RESULTADOS:
TABLA: Tabla de Resultados de dureza (Rc), de la Práctica de
Jominy a partir del extremo templado de la probeta.
Distancia al extremo
templado (1/16”)
Dureza en Rc.
1 59
2 59
3 58
4 57
5 56.5
6 55
7 54.5
8 53.3
9 51.5
10 50
11 49
12 48
13 47.2
14 46.1
15 44.9
16 44
17 44
18 43
19 43
20 43
VII. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Y RECOMENDACIONES:
7.1. DISCUSIONES:
La máxima dureza que se consigue en el temple de los
aceros es función del contenido del carbono y es la que
se obtiene precisamente en el extremo de la probeta
enfriado por el agua. La dureza obtenida en el otro
extremo corresponde aproximadamente al estado
normalizado.
La presencia de los elementos aleantes en los aceros,
permite obtener después del temple durezas elevadas
empleando bajas velocidades de enfriamiento
El ensayo Jominy es el método más ampliamente utilizado
para determinar la templabilidad de cualquier acero.
El ensayo de templabilidad (Jominy) de cualquier acero
debe llevarse a cabo en una probeta de 1 pulgada de
diámetro por 4 pulgadas de largo para obtener resultados
con mayor exactitud.
La curva Jominy del acero SAE 1050 (dureza vs distancia
al extremo templado) encontrado es muy próxima a la
curva encontrada en la bibliografía.
El diámetro del orificio en el cual encaja la probeta
calentada a la temperatura de austenización debe ser un
poco mas grande ya que la alta temperatura dilata la
probeta muestra.
7.2. RECOMENDACIONES:
Una de las recomendaciones que se debe tomar en cuenta
en el ensayo Jominy es en que al momento de sacar la
probeta del horno hay que tener bien instalado el
equipo, caso contrario la probeta se enfriará
rápidamente al aire y no se podrán obtener las durezas
esperadas y el gráfico tendría una leve variación.
El tiempo necesario para la colocación de la probeta
austenizada al equipo para el ensayo Jominy debe ser de
aproximadamente de 10 segundos para obtener los
resultados esperados.
VIII . CUESTIONARIO:
1.- Trazar las curvas de Jominy.
2. Determinar la curva Jominy de un acero Cr-Ni-Mo de
la siguiente composición:
0.40% C, 0.8% Mn, 0.25% Si, 0.50% Ni, 0.50% Cr, 0,25% Mo, su
tamaño de grano es 7.
Solución:
La siguiente tabla, determina en función de la composición y
del tamaño de grano de cada acero, su Di y la dureza que se
alcanza en la probeta Jominy a 1/16" de la base.
La determinación del diámetro critico se hace usando las
tablas de los factores multiplicadores, los cuales nos dan
los siguientes datos:
% de elementos
aleantes
Factores
multiplicadores (fi)
Mn = 0.8 f1 = 3.667
Si = 0.25 f2 = 1.175
Ni = 0.5 f3 = 1.182
Cr = 0.5 f4 = 2.080
Mo = 0.25 f5 = 1.750
% de Carbono Factores
multiplicadores (f)
0.4 (ASTM 7) 0.2130
Multiplicando todos estos factores encontramos el Di:
Di = f x f1 x f2 x f3 x f4 x f5
Di = 0.2130 x 3.667 x 1.175 x 1.182 x 2.080 x 1.750
Di = 3.95"
Para reconocer los valores de dureza en cada uno de lo puntos
de la probeta Jominy, se emplea la tabla de la relación del
contenido de carbono y la dureza máxima en la que hallamos,
que la dureza que se obtiene a 1/16" de la base de la probeta
templada con un contenido de 0.40%C, es de 56 RC.
Luego, usando la tabla de relación entre el diámetro critico
ideal y los factores de distancia, y buscando de la primera
columna el Di= 3.95”, hallaremos por interpolación entre 3.90
y 4.00 los factores que se indican a continuación y luego
dividiendo la dureza inicial que se obtiene en la base, 56 Rc
el factor correspondiente a cada punto.
Distancia a la base
templada (pulg.)
Factores Durezas (Rc.)
1/16 1.022 54.8
1/4 1.202 46.6
1/2 1.397 40.1
3/4 1.59 35.2
1 1.73 32.4
1 1/4 1.82 30.8
1 3/4 1.895 29.6
2 1.94 28.0
Con estos valores de dureza se construye la curva Jominy:
3. Determinar el Di y el Dc en función de la composición del
acero y del tamaño de grano austenitico hallado. Considerar
la severidad de temple para el agua con agitación H = 1.5.
% de elementos
aleantes
Factores
multiplicadores (fi)
Mn = 0.8 f1 = 3.667
Si = 0.25 f2 = 1.175
Ni = 0.5 f3 = 1.182
Cr = 0.5 f4 = 2.080
Mo = 0.25 f5 = 1.750
% de Carbono Factores
multiplicadores (f)
0.4 (ASTM 7) 0.2130
Multiplicando todos estos factores encontramos el Di:
Di = f x f1 x f2 x f3 x f4 x f5
Di = 0.2130 x 3.667 x 1.175 x 1.182 x 2.080 x 1.750
Di = 3.95"
con el valor de H = 1.5
De la gráfica:
Donde del grafico se obtiene:
D = 3.1"
4. Comparar y comentar las velocidades de enfriamiento
(dureza) en un diagrama TTT para el acero en mención.
Solucion:
Para este acero 4340 (del paso anterior) hemos supuesto unas
curvas de enfriamiento:
Hipotéticamente para la curva 1 con una velocidad de
enfriamiento de 815°C en 1 seg.(815°C/seg) obtendremos una
dureza de 56 Rc. Para la curva 2 con una velocidad, de
815°C en 1.25 seg.(652°C/Seg.) se obtendrá 54.5 Rc. Para la
curva 3 con un tiempo de 1.5 seg. Se tendrá una velocidad de
enfriamiento (543.3°C/seg)
IX. BIBLIOGRAFÍA:
ASDRÚBAL, Valencia. Tecnología del Tratamiento Térmico.
Ed. Universal. Colombia 2da edición. 1992
SYDNEY Avner. Introducción a la Metalúrgica Física.
FLINN Y TROJAN. Fundamentos de Metalúrgica Física.
FOTOS ADICIONALES:
