influencia del temple desde temperaturas...
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INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y EL
REVENIDO EN LA RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO AISI 1045.
Lopez Triana Miguel; Martinez Tello Yeison
Proyecto curricular en Tecnología Mecánica e Ingeniería Mecánica, Universidad
Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá D.C., Colombia
[email protected] ; [email protected]
Resumen - Este trabajo se realiza con el objetivo de recopilar información existente referente a los tratamientos térmicos, analizando así un acero 1045, aplicando el proceso de temple y revenido a este tipo de material, así analizando qué efectos puede producir el aumento de temperatura durante un tiempo determinado y su posterior enfriamiento, el cual genera cambios en su composición macroscópica y sus propiedades físicas. Este documento recopila la información necesaria para la aplicación de los dos procesos (revenido y temple) en un acero 1045, en donde se analiza que factores varían dependiendo el tratamiento realizado y que características son propias del material tratado. Palabras clave: Transformaciones de fase, fases difusionales y no difusionales, austenización, martensita, ferrita, cementita, temple, revenido, tratamiento térmico, temperaturas intercríticas, dureza, microestructura, metalografía, esfuerzo, deformación, límite de fluencia, martensita, cementita, austenita, perlita, zona elástica, zona plástica, Esfuerzo ultimo a la tensión, ductilidad, tenacidad, resiliencia. Abstract - This monograph was carried out with the aim of collecting heat treatments concerning existing information and analyzing a 1045 steel, applying quenching and tempering process this type of material and analyzing what effects can be increased temperature for a certain time and subsequent cooling, which generates macroscopic changes in composition and physical properties. This document gathers the information necessary for the application of the two
processes (quenching and tempering) steel in 1045, where it is analyzed which
factors vary the treatment done and what features are those of the treated material.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN. 5 2. OBJETIVOS. 5 2.1. Objetivo general. 5 2.2. Objetivos específicos. 5 3. MARCO TEÓRICO. 5 3.1. Transformaciones en estado sólido difusionales con cambio de fase. 5 3.2. Transformación eutectoide. 8 3.3. Transformaciones en estado sólido adifusionales. 9 3.4. Temple. 12 3.5. Revenido. 14 3.6. Temperaturas intercriticas. 15 4. Procedimiento. 15 4.1. Elaboración de las probetas. 15 4.2. Tratamiento térmico. 16 4.3. Prueba de Tensión. 16 4.4. Ensayo metalográfico. 17 4.5. Ensayos de dureza. 18 5. Resultados. 18 5.1. Ensayo de Tensión. 18 5.2. Ensayo de dureza. 21 5.3. Metalografía. 21 6. CONCLUSIONES. 23 7. BIBLIOGRAFIA. 24
INDICE DE FIGURAS Figura 1. Ejemplos de diferentes categorías de transformaciones de fase difusionales. A, B, C) Precipitación. D) Eutectoide. E, F) Ordenación. G, H) Masiva. I) Polimórfica (monofásica). 6 Figura 2. A,B) Colonia perlítica dentro de los granos austeníticos 1000X. B) Detalle de las láminas de la perlita 9000X. 8 Figura 3. Acero eutectoide parcialmente transformado. La perlita nuclea sobre el límite de grano e inclusiones. (A este tipo de estructura se le denominaba troostita, denominación en desuso). 9 Figura 4. A-B) Crecimiento de la martensita al aumentar el enfriamiento por debajo de Ms C y D) Diferentes morfologías de la martensita en aceros aleados: C) Acero de bajo C en forma de listones (lath)- D) Aleación Fe-0,3C-30Ni en forma de placas (plates). (Prof T W Clyne Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge por cortesía de DoItPoms). 10 Figura 5. Distintas formas de ver la transformación martensítica. A) Diagrama energía libre temperatura para la austenita y la martensita con una concentración fija de carbono (C0 en B). B) Diagrama energía libre–composición para las fases austenita y martensita a la temperatura Ms . C) Diagrama de fases Fe-C con la T0. 11 Figura 6. Una dislocación deslizante o el maclaje de la martensita pueden compensar la deformación pura de la red como una deformación de Bain y, por tanto, reducir la deformación de la austenita que la rodea. La transformación de cizalladura S puede reducirse por deslizamiento o maclado. 12 Figura 7. (A,B). Máquina universal de ensayos (pantalla analógica) UH-50A SHIMADZU, Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. 17 Figura 8. Mufla eléctrica LEF205P. 17 Figura 9. Microscopio Zeiss observer. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. 18 Figura 10. Durómetro Swiss Rock. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad. 18 Figura 11. Esfuerzo VS deformación acero SAE 1045 material base, Templadas (750°C durante 30 minutos), Revenidas (570°C durante 60 minutos). 19
Figura 12. Promedio de datos para dureza Probetas Templadas (750°C durante 30 minutos), Revenidas (570°C durante 60 minutos) y Material Base. Acero SAE 1045. 20 Figura 13. Estructura acero SAE 1045 a 500 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. 22 Figura 14. Estructura acero SAE 1045 templado (750°C por 30 minutos) a 200 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica. 22 Figura 15. Estructura acero SAE 1045 revenida (570°C por 60 minutos) a 200 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica. 23
1. INTRODUCCIÓN La utilización de tratamientos térmicos permite lograr las más diversas características del acero y sus aleaciones, así como de otros muchos metales. En consecuencia dichos tratamientos tienen una importancia primordial en las distintas fases de fabricación de la industria moderna. En este artículo se pretende dar una ligera información sobre dos tratamientos térmicos aplicados a un acero 1045, sus procedimientos y resultados. En esto dos procesos la configuración del material varia, haciéndolo más dúctil o más frágil, en el caso del temple el material se endurece pero puede llegar a sufrir fracturas con facilidad, en el revenido el material es más maleable, actuando de una forma plástica cuando es sometido a fuerzas externas. Con esta monografía se pretende entonces adquirir bases conceptuales para la aplicación de estos dos procesos térmicos, y como pueden variar las propiedades físicas y microscópicas de un material teniendo como referente un acero 1045, teniendo en cuenta esto poder analizar y escoger que tipo de tratamiento es mejor dependiendo el uso a darle al material en la industria. 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo general
Realizar un tratamiento térmico de temple dese temperaturas intercríticas y luego un revenido, con el propósito de determinar los cambios en las propiedades mecánicas de tensión, dureza y su cambio microestructural.
2.2. Objetivos específicos
Realizar una recopilación de antecedentes sobre los tratamientos térmicos desde temperatura intercriticas.
Comparar los resultados de las pruebas realizadas del acero 1045 tratado respecto a su estado de entrega para determinar el cambio en sus propiedades.
Aplicar el tratamiento térmico de temple y revenido a las probetas.
Realizar los ensayos de tensión, dureza y análisis metalográfico.
Hallar las temperaturas intercriticas a las que se deberá someter el acero AISI/SAE1045 y la temperatura de revenido.
3. MARCO TEÓRICO 3.1. Transformaciones en estado sólido difusionales con cambio de fase
La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido
tienen lugar por movimientos atómicos activados térmicamente. Estas
transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que
tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones
desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde
una o más fases son estables. Los tipos de transformaciones de fases que son
posibles podemos englobarlas dentro de los cinco grupos que figuran a
continuación y de los que en la figura 6 se muestran ejemplos de diagramas que
tienen cada tipo de transformación.
a. reacciones de precipitación, (A, B, C).
b. transformación eutectoide, (D).
c. reacciones de ordenación (E, F).
d. transformaciones masivas (G, H).
e. cambios polimórficos (I).
Precipitación. La reacción de precipitación supone que desde una solución sólida
de composición determinada, estable a elevada temperatura (punto rojo de la
flecha), al descender la temperatura, se cruza la línea de solvus se separa,
precipita otra fase, cambiando la composición de la fase original. Podemos
expresarla como ' + , donde ' es una solución sólida sobresaturada metaestable,
es un precipitado estable o metaestable y es una solución sólida más estable que '
con la misma estructura cristalina, pero con la composición de equilibrio que le
corresponde a la temperatura ambiente.
Figura 1. Ejemplos de diferentes categorías de transformaciones de fase
difusionales. A, B, C) Precipitación. D) Eutectoide. E, F) Ordenación. G, H) Masiva.
I) Polimórfica (monofásica).
Transformación eutectoide. La reacción eutectoide es un equilibrio trifásico en el
que una fase sólida se desdobla en otras dos fases sólidas a la temperatura
constante TE. Se puede representar por . Tanto la precipitación como
la reacción eutectoide forman fases con distinta composición de la matriz, lo que
supone difusión de largo alcance. Los otros tipos de transformaciones se pueden
producir sin cambio de composición o difusión de largo alcance.
Reacciones de ordenación. Reacción en la que una solución sólida desordenada
se transforma en la misma solución solida pero ordenada. Se puede representar
como α (desordenada) (ordenada).
Transformación masiva. En este caso la fase original se descompone en una o
más fases con la misma composición de la fase de partida, pero con diferente
estructura cristalina. La nueva fase α puede ser estable o metaestable. Podemos
escribir la transformación como .
Transformación polimórfica. se produce en sistemas de un único componente
con diferentes estructuras cristalinas que son estables en diferentes intervalos de
temperaturas. Caso del hierro que pasa de estructura cc a ccc. Todas estas
transformaciones se producen por nucleación y crecimiento controlados por la
difusión. Como ocurría en la solidificación, la nucleación será heterogénea, pero
para simplificar el razonamiento comenzaremos considerando la nucleación
homogénea.
Mecanismos de endurecimiento El endurecimiento o la resistencia de una
aleación a la deformación es el resultado del impedimento que las partículas de
precipitado presentan al deslizamiento de los planos cristalinos. El máximo
endurecimiento está asociado con un tamaño de partículas crítico. El
endurecimiento de una aleación envejecida está controlado por la interacción del
movimiento de las dislocaciones con el precipitado. Obstáculos al movimiento de
las dislocaciones en las aleaciones envejecidas son las tensiones internas
alrededor de los precipitados, muy importantes en las zonas GP, así como en el
precipitado en sí mismo. El mayor endurecimiento, es decir el mayor impedimento
al movimiento de las dislocaciones se produce cuando el espaciado entre las
partículas es igual a unos 50 espaciados atómicos o unos 10 nm. En esta etapa el
precipitado dominante son las zonas GP, pero cada zona GP individual solo tiene
un pequeño efecto en el impedimento para el movimiento de las dislocaciones y el
gran incremento en el límite elástico que provocan estas zonas se debe a su alta
fracción volumétrica.
3.2. Transformación eutectoide
La reacción perlítica en aleaciones Fe-C
Cuando la austenita que contiene 0.8%C se enfría por debajo de A1 se
sobresatura simultáneamente con respecto a la ferrita y a la cementita y se
produce la reacción eutectoide que podemos escribir como + Fe3C. Esta reacción
es similar a la reacción eutéctica. En esta reacción la microestructura que tenía la
fase matriz , antes de la reacción eutectoide (granos equiaxiales), se mantiene
después de la transformación. Podemos apreciar que las colonias perlíticas están
dentro de los limites de grano de la austenita original, figura 2 A. La transformación
da lugar a una estructura laminar o de hojas de cementita embebidas en ferrita,
llamada perlita, estando ambas en contacto con la austenita. La figura 2 B muestra
un detalle de las láminas.
Figura 2. A,B) Colonia perlítica dentro de los granos austeníticos 1000X. B)
Detalle de las láminas de la perlita 9000X.
Los nódulos de la perlita nuclean en los límites de grano de la austenita. Cuando
el subenfriamiento es bajo, nuclean pocos nódulos y se desarrollan y crecen,
como esferas o semiesferas sin interferencias de unos sobre otros. Si el
subenfriamiento es elevado la velocidad de nucleación es mucho mayor y se
produce la saturación de sitios, todos los límites se llenan rápidamente de núcleos
que crecen juntos formando capas de perlita delineando los límites de grano de la
austenita original, figura 44.
Figura 3. Acero eutectoide parcialmente transformado. La perlita nuclea sobre el
límite de grano e inclusiones. (A este tipo de estructura se le denominaba troostita,
denominación en desuso).
3.3. Transformaciones en estado sólido adifusionales
Este tipo de transformación suponen un proceso tecnológicamente muy
importante para endurecer los aceros. Templando lo suficientemente rápido,
desde el campo austenítico, para evitar que la transformación eutectoide
controlada por la difusión se produzca, el acero se transforma en martensita.
La martensita describe al producto de la transformación sin difusión. Se llama
martensita al producto de cualquier transformación en la que desde el comienzo
hasta completarse los movimientos atómicos individuales son menores de un
espaciado interatómico. Por la forma tan rápida en que cambian de posición los
átomos en esta transformación se la denomina militar, en contraposición a las
controladas por la difusión que se denominan civiles.
Cualquier material, metales, aleaciones, cerámicos y compuestos, si se les enfría
suficientemente rápido, para evitar una transformación de difusión, pueden dar
transformación martensítica. En el caso de los aceros, la velocidad de enfriamiento
es tal que todo el carbono en solución en el hierro γ ccc, permanece en solución
en la fase α del Fe. Un acero martensítico es una solución sobresaturada de
carbono en Fe α . La forma en la que se produce la transformación es compleja y
todavía no está completamente conocida.
Características de las transformaciones sin difusión La formación de martensita es
un proceso al azar y que se desarrolla como vemos a continuación. La fase
martensita (denominada α’) tiene forma de lentejas o granos (trigo), inicialmente
del tamaño del diámetro de grano, figura 56 A. La densidad de placas va
aumentando a medida que avanza el enfriamiento, figura 4 B, pero no parece ser
función del tamaño de grano de la austenita. Cuando las placas intersectan la
superficie producen una deformación elástica, o rotación de la superficie. Las
figuras 4 C-D muestran dos micrografías de dos estructuras martensíticas. La
primera de ellas corresponde a un acero aleado de bajo carbono y la segunda a
una aleación Fe-Ni.
Figura 4. A-B) Crecimiento de la martensita al aumentar el enfriamiento por
debajo de Ms C y D) Diferentes morfologías de la martensita en aceros aleados:
C) Acero de bajo C en forma de listones (lath)- D) Aleación Fe-0,3C-30Ni en forma
de placas (plates). (Prof T W Clyne Department of Materials Science and
Metallurgy, University of Cambridge por cortesía de DoItPoms).
La región transformada aparece macroscópicamente coherente con la austenita
que la rodea. La intersección de las lentejas no son una discontinuidad, las líneas
sobre la superficie pulida están desplazadas pero permanecen continuas después
de la transformación. Un grano de austenita puede llenarse por completo de
lentejas de martensita en un tiempo de aproximadamente en 107 s, lo que significa
que la interfase α ’/ alcanza la velocidad del sonido en el sólido.
La martensita no necesita activación térmica. La gran velocidad de la
transformación hace que no sea fácil estudiar su nucleación y crecimiento. La
primera placa de martensita se forma a la temperatura de comienzo de
transformación llamada Ms (martensita start). Esta temperatura está asociada a la
fuerza motriz de las transformaciones sin difusión de austenita γ en martensita α ’,
figura 4 A. En el diagrama de energía libre–composición a la temperatura Ms,
vemos también como para una determinada composición la energía libre de la
fase α ’ es menor que la de la fase γ . Por lo que la diferencia de energía libre
entre las dos fases es la fuerza motriz de la transformación, figura 4 B. El
diagrama de equilibrio, figura 4 muestra como varían las temperaturas de las
transformaciones en función del porcentaje de carbono. La temperatura Ms
disminuye al aumentar el porcentaje de C. Muestra además la composición en
carbono del acero para el que se traza el diagrama TTT de la figura 4 D.
La temperatura de final de transformación martensítica, Mf (martensita finish)
corresponde a la temperatura por debajo de la cual posteriores enfriamientos no
aumentan la cantidad de martensita. Mf puede no corresponder al 100% de la
transformación quedando austenita retenida.
Figura 5. Distintas formas de ver la transformación martensítica. A) Diagrama
energía libre temperatura para la austenita y la martensita con una concentración
fija de carbono (C0 en B). B) Diagrama energía libre–composición para las fases
austenita y martensita a la temperatura Ms . C) Diagrama de fases Fe-C con la T0
definida en A), Ms y Mf sobrepuestas. D) Ms y Mf en relación con el diagrama TTT
para la aleación C0 en C).
La formación de placas de martensita da lugar a esfuerzos de tensión y cizalladura
sobre el material lo que da lugar a mecanismos de maclado y de deslizamiento. En
la figura 58 se observan las componentes de las tensiones y las dos formas
diferenciadas de conformación de la placa por maclado o por deslizamiento. La
formación de placas por deslizamiento sólo requiere la existencia de tensiones
cortantes. La formación de placas macladas requiere además la existencia de
tensiones axiales.
Figura 6. Una dislocación deslizante o el maclaje de la martensita pueden
compensar la deformación pura de la red como una deformación de Bain y, por
tanto, reducir la deformación de la austenita que la rodea. La transformación de
cizalladura S puede reducirse por deslizamiento o maclado.
Las tensiones elásticas que introduce la transformación evitan que crezcan o
ensanchen las últimas lentejas formadas de martensita y por ello la transformación
no finaliza al cien por cien.
3.4. Temple
El temple como todos los tratamientos térmicos, es un proceso de calentamiento y
enfriamiento, realizando este último con una velocidad mínima denominada crítica
de temple. El fin que se pretende generalmente en este ciclo es transformar toda
la masa de acero con el calentamiento en austenita y después, por medio de un
enfriamiento suficientemente rápido, convertir la austenita en martensita, que es el
constituyente de los aceros templados.
En la práctica no se transforma la totalidad de la austenita formada, en martensita,
en muchos casos porque es imposible conseguir una velocidad de enfriamiento
suficientemente rápida en la totalidad de la masa de las piezas muy grandes y en
otros, por que no interesa obtener este constituyente sino Bainita, Troostita y
Sorbita.
El proceso de temple consta esencialmente de dos fases, una fase de
calentamiento y otra fase de enfriamiento.
El calentamiento hasta la temperatura máxima se debe iniciar estando el horno
está a baja temperatura y a ser posible, a la temperatura ambiente; la elevación de
temperatura debe ser uniforme en toda la pieza, esto se consigue elevando la
temperatura del horno lo más lentamente posible.
Por ejemplo para los aceros al carbono, la elevación de temperatura hasta 850°C
debe durar como mínimo un minuto por milímetro de espesor o diámetro de la
pieza; el tiempo de permanencia a la máxima temperatura, también influye en el
crecimiento del grano y, por lo tanto, debe reducirse todo lo posible, se calcula que
es suficiente una permanencia de uno o dos minutos por cada milímetro de
espesor de la pieza, para conseguir la austenización completa en el acero, las
piezas deben sumergirse en una mezcla de carbón granulado dentro de una caja
de acero herméticamente cerrada para evitar descarburación y oxidación de las
piezas.
Como norma general la velocidad de calentamiento (calentamiento a la
temperatura máxima y permanencia a dichas temperaturas), es moderada, se
requiere una hora de calentamiento por cada 2 mm, de espesor o dimensión
transversal media de la pieza.
La temperatura de calentamiento depende del contenido de carbono, para los
aceros hipoeutectoides es superior al punto crítico Ac3 del diagrama de equilibrio
Fe. En general esta temperatura la señala el proveedor y normalmente es de unos
40 o 50°C por encima del punto crítico Ac3.
El enfriamiento tiene por objeto transformar la totalidad de la austenita formada en
otro constituyente muy duro denominado martensita; aunque en alguna variedad
de temple el constituyente final deseado es la Bainita.
El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad de enfriamiento
mínima para que tenga lugar la formación de martensita, ésta se denomina
velocidad crítica de temple.
El medio más adecuado para templar un acero es el que permita una velocidad de
temple ligeramente superior a la crítica, los medios de enfriamientos más
empleados son:
Agua, Aceite animal, mineral, vegetal, Soluciones salinas.
Los factores que más influyen en el temple son el tamaño de la pieza, su
composición, su grano y el medio de enfriamiento adecuado.
El contenido de carbono del acero influye a la vez en la temperatura y en la
velocidad crítica de temple. La temperatura de temple es tanto más baja cuanto
más se aproxima el acero a la composición eutectoide. Los elementos de aleación
provocan una inercia en las transformaciones, retardando el inicio y el final de las
mismas, con aumentos del tiempo empleado.
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).
3.5. Revenido
Es el tratamiento térmico efectuado sobre un producto templado con el fin de
obtener modificaciones que le confiera las características de empleo deseadas.
El ciclo térmico se compone de las siguientes etapas:
- Calentamiento hasta una temperatura determinada pero inferior a Ac1.
- Uno o varios mantenimientos a una o varias temperaturas determinadas.
- Uno o varios enfriamientos hasta la temperatura ambiente (generalmente al aire,
agua o aceite).
El objetivo del revenido es mejorar la tenacidad de los aceros templados, a costa
de disminuir la dureza, la resistencia mecánica y su límite elástico. En el revenido
se consigue también eliminar, o por lo menos disminuir, las tensiones internas del
material producidas a consecuencia del temple.
El proceso completo de temple más revenido se conoce como bonificado, que
como su nombre lo indica, mejora o beneficia el acero, aumentando su vida.
Temperatura de revenido
Calentando por encima de 650°C, se obtiene estructura de grano grueso, al bajar
la temperatura de revenido, se van obteniendo estructuras cada vez más finas y
más duras, en términos generales la temperatura de revenido varía entre 200 y
6500C.
Duración del revenido
Para un acero dado, la permanencia a la temperatura del revenido depende de la
forma y dimensiones de la pieza, en general, para los aceros con contenido medio
de carbono se recomienda una hora, más una hora por pulgada de espesor.
3.6. Temperaturas intercriticas
Para las temperaturas comprendidas entre A1 y A3 zona conocida como: de
austenización parcial, de temperaturas inticríticas o de doble fase; derivando su
nombre por la presencia de ferrita y austenita (figura 2)(Movaheda. P, 2009) Las
temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones
(°C) = 723 − 7.08 Mn + 37.7 Si + 18.1 Cr + 44.2 Mo + 8.95 Ni + 50.1 V + 21.7
Al + 3.18 W + 297 S − 830 N − 11.5 C Si − 14.0 Mn Si − 3.10 Si Cr − 57.9 C Mo −
15.5 Mn Mo − 5.28 C Ni − 6.0 Mn Ni + 6.77 Si Ni – 0.80 Cr Ni – 27.4 C V + 30.8
Mo V − 0.84 – 3.46 – 0.46 − 28
Ecuación (1). Temperatura intercritica A1
Cuando se realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar
por encima de A3 que se calcula de acuerdo con (Gur. J, 2009):
(°C) = 912 − 203 % + 15.2[% ] + 44.7[%𝑆 ] + 104[% ] + 31.5[% ] +
13.1[%𝑊] − 30[% 𝑛] − 11[% ] − 20[% 𝑢] + 700[%𝑃] + 400[% 𝑙] + 120 % 𝑠 +
400[%𝑇 ]
Ecuación (2). Temperatura intercritica A3
4. Procedimiento
4.1. Elaboración de las probetas
1 ASM, Metals Handbook Committee, 8th. Ed. V: 2 Heat treating, cleaning and finishing, Editorial ASM international.
Para la elaboración de las probetas se apoyo en la norma ASTM E8, además se les tomo una pequeña pieza de 2*3 cm, es decir una para el proceso de temple y otra para el revenido esto se debe realizo antes de ser introducidas en el horno, dicho trozo se utilizo para el análisis metalográfico de cada uno de los procesos. 4.2. Tratamiento térmico El tratamiento térmico fue realizado en los laboratorios de mecánica de universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica en Bogotá. Se realizó el templado en el horno a 6 probetas las cuales fueron preparadas e introducidas a una mufla eléctrica (Fotografía 3) a una temperatura A3 aproximada de 750°C durante 30 minutos la cual es la temperatura austenítica para el acero
SAE 1045 con el fin de realizar un templado a las probetas que luego fueron extraídas del horno e introducidas en un recipiente con agua para lograr aumentar la dureza, después de esto realizo un revenido para 3 de las 6 probetas para así poder obtener la tenacidad, dureza y maleabilidad deseada, durante este revenido se mantienen las probetas en el horno a una temperatura A1 aproximada de 570°C durante 60 minutos y luego de este lapso de tiempo se extrajeron y se dejaron enfriar a temperatura ambiente. Con el proceso anterior se cambiaron las características iniciales del acero tales como resistencia, tenacidad, ductilidad etc. con lo cual se deben hacen las respectivas pruebas para analizar y comparar los beneficios que adquiere un acero al realizarle dicho proceso a los aceros.
[
]
⁄
Ecuación (3). Permite calcular la temperatura de revenido necesaria una vez que
las muestras se les ha aplicado el respectivo templado, esta ecuación es válida
para temperaturas entre los 390 a los 660°C.
Dónde:
𝐻ℎ: Dureza después de temple (HRC)
𝐻𝑡: Dureza requerida después del revenido (HRC) S: Grado de endurecimiento. 4.3. Prueba de Tensión. Las pruebas de tensión se realizaron en laboratorio de resistencia de materiales de la universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, en donde, se colocaron 3 probetas templadas y 3 probetas revenidas a las temperaturas ya mencionadas, así se pudo obtener los datos deseados para la elaboración de la grafica esfuerzo deformación, y poder ejecutar el análisis debido a estos dos tipos de tratamientos térmicos, frente a su tenacidad.
Figura 7. (A,B). Máquina universal de ensayos (pantalla analógica) UH-50A SHIMADZU, Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica.
Figura 8. Mufla eléctrica LEF205P.
4.4. Ensayo metalográfico. Los ensayos metalográficos se realizaron en el laboratorio de metalografía de la universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica. Desde un principio una fracción de las probetas fueron encapsuladas en baquelita con el fin de mejorar la manipulación durante la pulida de estas y también a la hora de la toma fotográfica. Después de realizado esto se procede con la pulida de las probetas con diferentes tipos de lijas comenzando desde la de grano abrasivo hasta llegar a la de grano más fino con el fin de llegar a tener un parcial brillo espejo, después se continua con la pulidora de la universidad junto con un paño para ahora si darle el brillo espejo respectivo a cada probeta de material, cuando ya se tiene el brillo espejo requerido se procede con el ataque químico el cual está compuesto por 5% de Nital y 95% de alcohol. A continuación se llevan al microscopio Zeiss Observer. D1m para observar la microestructura de cada probeta y toar fotografías a 200, 500 y 1000 aumentos.
Figura 9. Microscopio Zeiss observer. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. 4.5. Ensayos de dureza Los ensayos de dureza fueron realizados en el durómetro de la universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad tecnológica, se tomaron alrededor de seis valores con cada probeta en escala HRB, se usó un identador de 1/16” de diámetro con un a caga de 1000 Kg sobre la probeta durante 10 segundos.
Figura 10. Durómetro Swiss Rock. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica. 5. Resultados 5.1. Ensayo de Tensión obtener los datos proporcionados por la Maquina universal de ensayos (Figura 1-2), Al y promediando los resultados de todas las probetas sometidas a este
proceso para su análisis pudimos obtener las siguiente grafica, Esfuerzo vs Deformación, en las 3 probetas de temple, 3 de revenido y la de material base:
Figura 11. Esfuerzo VS deformación acero SAE 1045 material base, Templadas (750°C durante 30 minutos), Revenidas (570°C durante 60 minutos) Donde: Material base Templado Revenido Esta grafica pretende mostrar la efectividad de los tratamientos térmicos a los aceros con respecto a la carga soportada por unidad de área, ya que al modificarles la estructura se puede llegar a obtener un acero con unas características específicas para el caso en el cual se desee su aplicación y funcionamiento; De la gráfica se puede observar un incremento considerable de la absorción de energía del material base, al ser sometido a un tratamiento térmico como en este caso el temple, dicho incremento es mayor a 400 MPa, ya que el material base soporta alrededor de los 260 MPa antes de entrar en su zona plástica, y al someterlo a un temple, el material aumenta aproximadamente a unos 730 MPa, lo que indica que el material llego a soportar una esfuerzo superior, cerca del doble de la carga soportada por el material de aporte, y allí se genera la ruptura en la probeta, debido a que al someterla al temple el material pierde la capacidad de tener dicha propiedad, lo anterior se refiere concretamente a que el material pierde la capacidad de ser dúctil, si se es solamente sometido a temple únicamente. En estas tres graficas se observa que en dos de ellas "material base y revenido" presentan dos zonas conocidas como elástica y plástica, y además se presenta dos esfuerzos uno es el esfuerzo máximo y esfuerzo último a la tensión. Para el material base podemos observar que el esfuerzo ultimo de este material se encuentra aproximadamente en 600 MPa y al someter al este acero a un revenido el esfuerzo ultimo del material es superior a los 880 MPa, lo que indica un crecimiento de 280 MPa aproximadamente de absorción de fuerza por el material
0
200
400
600
800
1000
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
Esfu
erz
o M
Pa
Deformación
Graficas de esfuerzos Vs Deformación
tratado, y se observa que al igual que el temple en el revenido también aumenta la carga soportada, aunque según los resultados se observa que la zona plástica de las probetas sometidas al revenido es más corta que las del material de entrega.
𝑛
Ecuación (4). Permite calcular que porcentaje aumento el esfuerzo de fluencia del material revenido respecto al material base. Tomando los esfuerzos de fluencia de cada uno tanto material base como el
sometido a revenido, y llevándolos a la ecuación anterior, se obtiene que el
porcentaje de variación es de 0,52392632, significa que la variación es de un 52%
de incremento por parte del material tratado sobre el material de aporte.
5.2. Ensayo de dureza Para el análisis de durezas Acero 1045 (base, templado y revenido), se necesitó del durómetro
Figura 12. Promedio de datos para dureza Probetas Templadas (750°C durante 30 minutos), Revenidas (570°C durante 60 minutos) y Material Base. Acero SAE 1045. Donde: Templado (RWC) Material base (RWB) Revenido (RWB) De los datos obtenidos gracias al Durómetro Swiss Rock (Fotografía 5), se puede observar, que una de las características del acero más favorecida con un tratamiento térmico como lo es el temple, es la dureza del material, debido a que da propiedades superiores al acero base (1045), esto se debe a que la estructura
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Prueba
cristalina del acero a temperaturas superiores a A3, se encuentra dispersa uniformemente sin generar uniones y enlaces significativos (austenita), y al enfriarlo de golpe la estructura "dispersa", no se logra acomodar de otra manera y la austenita queda convertida en martensita, debido a que el cambio de temperatura fue muy drástico, provocando así, que la forma en que se encuentran los átomos sea difusa o desordenada generando espacios entre los mismos, con ello queda muy dura aunque frágil por la forma en que quedo distribuida la estructura cristalina del acero, porque en este cambio brusco de temperatura se crearon maclas e intersticios, los cuales son cavidades o espacios por los cuales se puede generar una grieta que conllevaría a una ruptura pronta del material, además se debe tener en cuenta que con el temple el material pierde la capacidad de poseer una zona plástica y/o elástica, convirtiéndolo en una forma insegura para trabajar en la industria pues no se podría pronosticar su falla en un tiempo determinado, dicha falla seria repentina y no es factible para una empresa poseer maquinas a las cuales se les deba hacer mantenimiento correctivo, pues significa pérdida de tiempo y dinero para la empresa. 5.3. Metalografía En las diferentes micrografías se logra observar que existe gran cantidad de martensita (con apariencia de láminas o agujas) y austenita retenida (partes más claras) la cual no se transforma durante el temple rápido, además de ser bastante dura y frágil. Mientras que en las micrografías del revenido se encuentra martensita revenida compuestas por fases de cementita y ferrita estable, esta martensita revenida puede ser tan dura (martensita) aunque más tenaz y dúctil. Gracias a un programa llamado ImageJ se pudo obtener el porcentaje de ferrita, martensita y cementita de las imágenes obtenidas por el microscopio metalográfico.
Figura 13. Estructura acero SAE 1045 a 500 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la universidad distrital francisco José de caldas facultad tecnológica.
En el área de la imagen se aprecia un porcentaje 32,00 % de ferrita clara y un 65,31 % de perlita negra laminar, y se puede observar además el límite de grano.
Figura 14. Estructura acero SAE 1045 templado (750°C por 30 minutos) a 200 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica. Debido a que se llevó el material una temperatura de 750°C durante 30 minutos, se aprecian algunas agujas de martensita y algunos puntos blancos que indican la presencia de ferrita, la microestructura está en una cama de martensita, esto se debe a que el acero se le llevo hasta la temperatura A3 que es la temperatura de austenización para los aceros, donde se encuentra martensita pura, y al enfriarla de golpe la estructura quedo con mayor presencia de martensita que de ferrita.
Figura 15. Estructura acero SAE 1045 revenida (570°C por 60 minutos) a 200 micras. Tomada en los laboratorios de mecánica en la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica. En el área de la imagen se aprecia un porcentaje 27,2 % de matriz ferrítica clara y un 69,4 % de partículas muy gruesas de cementita, lo cuales aumentaron su tamaño con la temperatura de revenido y al enfriamiento lento de la muestra.
6. CONCLUSIONES
Se analizó que en el proceso de templado, causa que el material tenga una alta dureza y resiliencia, la cual supera la dureza del material base, hasta el punto que supera la dureza Rockwell B a una dureza Rockwell C, lo que indica es que su estructura es mayormente martensítica.
El proceso de revenido genera una alta ductilidad en el material, por ende es muy bueno para trabajos de ejes rotatorios o material que se esté moviendo constantemente, debido a que mejora en muchas cosas las características del material base como el esfuerzo máximo y por ende la carga soportada por unidad de área.
Los materiales, en su totalidad, se deforman a una carga externa. Se sabe además que hasta cierta carga límite, el sólido recobra sus dimensiones originales cuando se le descarga, lo cual se le denomina la zona elástica, y se puede concluir que la carga soportara por el material revenido es mayor que la del material base y por ende soporta más carga antes de superar su zona elástica.
Al hacer un temple aun acero la zona elástica del material base es mucho menor, y gracias al temple aumenta considerablemente, conforme a la cantidad de carga soportada, antes de que la probeta templada encuentre su ruptura, y se concluye gracias a los datos obtenidos que mayor o igual al doble de la del material base.
Se analizó que la microestructura del acero 1045 templado posee gran cantidad de martensita la cual es la que le da al material una mayor dureza y mayor resiliencia, pero al mismo tiempo está sometido a fracturas por esfuerzos permanentes o cíclicos.
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