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Propiedades mecánicas, mecanismos de deformación y tratamientos térmicos

Tema 5:

Propiedades mecánicas,

mecanismos de deformación

y tratamientos térmicos

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Propiedades

mecánicas

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Ensayos en materiales

• Pruebas que permiten determinar alguna característica o propiedad de los materiales mediante algún proceso físico o químico.• Esa propiedad servirá para hacer la selección del material más adecuado a una aplicación concreta.• En muchos casos están normalizados. • Son esenciales para el control de calidad de los materiales industriales, tanto de las materias primas como de los productos.• Pueden ser destructivos (las probetas o piezas quedan inutilizadas) o no destructivos (no causan daño permanente y pueden realizarse sobre probetas o sobre piezas en servicio).

QUÍMICOS: composición química, corrosión, etc.FÍSICOS: propiedades físicas, defectos (END), etc.METALOGRÁFICOS: microestructura, tratamientos (térmicos, mecánicos...)MECÁNICOS: propiedades mecánicas (ED), relación esfuerzo respuesta.

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Ensayos mecánicos más comunes

• Tracción• Compresión• Flexión • Dureza• Fatiga• Impacto• Termofluencia• Desgaste• ...

Algunos usan una máquina universal de ensayos (M.U.E.)

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Ensayo de tracción

• En una M.U.E. se estira de la probeta mediante el desplazamiento a velocidad constante de un bastidor.• La célula de carga mide la fuerza o cargaaxial que soporta la probeta.

• Al final se representa la fuerza frente al desplazamiento.

Tornillossin fin

Se aplica a metales y aleaciones, polímeros y materiales compuestos.

Es un ensayo normalizado:UNE-EN 10002-1: “Materiales metálicos. Ensayo de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente” (2002).UNE-EN ISO 527-1: “Plásticos. Determinación de las propiedades en tracción. Parte 1: Principios generales” (1996).

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Probetas de tracción

Cilíndrica

Plana

Lo: longitud de calibración inicial, de sección transversal constante (valor inicial So)

Lo

Lo

So

So

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Resultado de un ensayo de tracción

Desplazamiento (mm)

Fuerza (N)

Fuerza máxima, Fm

Máxima fuerzaproporcional, Fp

Zona no lineal

Rotura

En la mayoría de los materiales (pero no en todos) la curva tiene un inicio lineal.

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Tensión convencional o ingenieril (engineering stress)

oSF

F: Fuerza o carga (N)So: Sección transversal inicial (mm2): Tensión o esfuerzo convencional,

ingenieril o nominal (N/mm2 = MPa)

Desplazamiento (mm)

Tensión (MPa)

Fm / So

Fp / So Rotura

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Resistencia a la tracción (tensile strength) y límite proporcional

Desplazamiento (mm)

Tensión (MPa)

Rm

Rp Rotura

Resistencia a la tracción:

Límite proporcional:

o

mmm S

FR

o

ppp S

FR

Por sus iniciales en inglés, m (o Rm) se denota a veces como TS o TS.

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Deformación (strain)

o

oz l

l-lε

El esfuerzo axial produce una deformación:• Aumentan las distancias longitudinales.• Disminuyen las distancias transversales.

Se mide a partir de la variación relativa de una distancia convenida (entre las marcas de la probeta, sus extremos, las mordazas, etc.).

Longitudinal:

Transversal:o

ox d

d-dε

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El límite elástico es el valor de tensión que separa las dos regiones. Es muy difícil medirlo, pero habitualmente es muy próximo al límite proporcional. Es un parámetro esencial en el diseño de estructuras.

Deformación elástica y plástica

• Región elástica: la deformación desaparece completamente cuando se retira la carga.

• Región plástica: cuando se elimina la tensión queda una deformación permanente en el material, que no recupera sus dimensiones iniciales.

Si se retira la carga aplicada durante el ensayo de tracción, una parte de la deformación se recupera.

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Límite elástico convencional

(e0.2) Re0,2: es el valor de tensión correspondiente a una deformación no proporcional = 0,002

Rm

Rp

0,002

Re0,2

Regiónplástica

Rotura

Regiónelástica

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Fluencia o cedencia

• Tiene lugar en algunos materiales alrededor de la transición entre las regiones elástica y plástica.• Se caracteriza por un rápido incremento de la deformación sin aumento apreciable (o incluso con disminución) de la carga.

El límite superior de fluencia o resistencia dúctil superior (ReH) es el valor de tensión que produce el inicio del fenómeno.

Rm

RpReH

El límite de fluencia (yield strength) también se denota por y y se suele asimilar al límite elástico.

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Ductilidad

InicialFinal

Lo, So Lu, Su

Alargamiento final o elongación porcentual tras la fractura:

o

ou

LLL100A%

o

uo

SSS100Z%

Es el grado de deformación que el material puede soportar hasta que se rompe. Se puede cuantificar por el alargamiento (%A) y la estricción (%Z) a rotura.

Estricción final:

Un material se considera frágil si es poco dúctil, normalmente si A < 5%.

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A nivel atómico

• Rango elástico: Deformación de los enlaces y aumento reversible de la distancia entre los átomos.• Rango plástico: Rotura irreversible de enlaces, creación de otros nuevos y desplazamiento de dislocaciones.

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Módulo de elasticidad o de Young

Es la pendiente de la curva () en el rango lineal:

εσE

En la práctica no se mide en un ensayo de tracción, pues el error es enorme.

• E caracteriza al material.• Proporciona información sobre su rigidez.

(Ley de Hooke)

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Módulo de Young a nivel atómicoEs una medida de la resistencia de los átomos contiguos a separarse, y por tanto está estrechamente relacionado con las fuerzas de enlace.

E es menor a alta temperatura:

0rdrdF

E

En equilibrio:

Fuer

za (F

)

Separación (r)

Enlace débil

0rdrdF

Enlace fuerte

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Módulo de Young vs. temperatura de fusión

En metales puros E es proporcional a la temperatura de fusión Tf (en Kelvin).

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Módulo de Young para varios materiales

Cerámicas

Metales

Polímeros

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Comportamiento no linealAlgunos materiales presentan una relación esfuerzo-deformación no lineal. En ellos se calcula el módulo secante o el módulo tangente.

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TenacidadCapacidad del material para absorber energía en el proceso de deformación yrotura. En un ensayo de tracción (carga aplicada lentamente) corresponde al área bajo la curva ( hasta la rotura.

Frágil Poco tenaz

Frágil Poco resistente

Muy tenaz Dúctil

Deformación

Tens

ión

Muy tenaz Poco tenaz

(La tenacidad en un proceso dinámico se mide mediante ensayos de impacto).

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ResilienciaLa resiliencia elástica es la capacidad del material para absorber energía elástica cuando es deformado y devolverla al retirar la carga.

Si la curva () es lineal:

Se cuantifica a través del módulo de resiliencia elástica, Ur: energía de deformación por unidad de volumen en la región elástica (es decir: área bajo la curva - en la zona elástica):

Criterio del 0,2%

(S.I.: J/m3)

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Tensión real y deformación real

Galga extensométrica (strain gauge), con relación conocida entre su deformación y la variación de su resistencia eléctrica

La deformación real se mide utilizando bandas (o galgas) extensométricas:

La tensión real es la fuerza en cada instante dividida por la sección transversal es ese instante (y no por la sección inicial, So).

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Curvas () convencional y real

Deformación

Tens

ión

La curva tensión real vs. deformación real no baja tras el máximo.

Rm

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Efecto de la temperaturaMuchos metales se vuelven más frágiles y resistentes al disminuir la temperatura:• Aumentan la resistencia y el límite elástico.• Disminuyen el alargamiento y la estricción.

Hierro

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Ensayos de tracción en polímerosLos comportamientos son muy variados, distinguiéndose tres tipos principales:

A

B

C

A: Frágil: rotura en régimen elástico (Rm ≈Rp). Ej.: PMMA.B: Inicio elástico, seguido de región plástica con fluencia. Ej.: nylon.C: Elastomérico: elástico con relación - no lineal y muy altas deformaciones. Ej.: caucho.

La curva () depende mucho de la velocidad a la que se realiza el ensayo.También de la temperatura:

PMMA

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Ensayos de tracción en cerámicas• Tienen valores de E muy elevados y son comparativamente muy frágiles. • El resultado de un ensayo de tracción es muy dependiente de la porosidad.• Se prefieren otros tipos de ensayos: compresión (cementos) y flexión por tres o cuatro puntos.

Al2O3

Rotura

Rotura

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Tracción

Compresión

Torsión

Cizalladura

Flexión (cerámicas)

Otros modos de deformación

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Cizalladura

Esfuerzo de cizalladura o cortante:

Tensión: = F / A0

γGτ

Deformación: = tg

Módulo de cizalla: G(shear modulus)

Relación lineal:

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Cociente de Poisson

Cociente entre las deformaciones laterales y axiales en el rango elástico:

• Si no hay cambio de volumen y las deformaciones son pequeñas: = 0.5(máximo valor de ).

• Para materiales isótropos :

xz

yz

)(12 νGE

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Relación entre tracción y dureza

Rm(MPa) = a · HBW – b

Aunque los ensayos de tracción y dureza son muy diferentes, se ha encontrado experimentalmente una correlación lineal aproximada entre Rm y HBW, que es diferente para cada material:

Esto permite estimar la resistencia a la tracción del material con una medida de la dureza, que es mucho más rápida.

Aleaciones ligeras: 3,5 < a < 4,0, b = 0Fundición gris: a = 2, b = 130Aceros al carbono: 3,2 < a < 3,6, b = 0Aceros al Cr-Ni: 4,7 < a < 5,0, 150 < b < 230

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Tabla de datos

(Temperatura ambiente)

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Tabla de datos

(Temperatura ambiente)

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Mecanismos de

deformación plástica y

endurecimiento de metales

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Deformación plástica de metales

La deformación plástica es permanente. La fuerza en tracción y la dureza son medidas de la resistencia de un

material a esta deformación. A escala microscópica: la deformación plástica se corresponde con el

movimiento neto de un gran número de átomos. Se produce la rotura y la formación de nuevos enlaces interatómicos.

La deformación plástica implica movimiento de dislocaciones.

DEFORMACIÓN EN METALES

ELÁSTICA PLÁSTICA

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Metal de calidad cristalina extremadamente alta: 105 cm-2

Metal trabajado en frío: 1011 - 1012 cm-2

Metal recocido: 106 - 108 cm-2

Influencia en el comportamiento mecánico de los materiales

Líneas de dislocaciones observadas por TEM en

una muestra de Ni

Dislocaciones en metales• Las dislocaciones son defectos de línea.• Su densidad en un material se mide como la longitud total de dislocaciones por unidad de volumen, es decir número de dislocaciones por unidad de área.

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F

F

El deslizamiento es el movimiento de una dislocación deformación plástica

Deformación por deslizamiento (slip)

Línea de la dislocación

Plano de deslizamiento

Movimiento de una dislocación de arista

Movimiento de una dislocación helicoidal

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Deformación plástica de metales monocristalinos. Sistemas de deslizamiento

En un metal cristalino las dislocaciones se mueven más fácilmente (con menor distorsión atómica y por tanto menor energía) a lo largo de ciertos planos atómicos, y dentro de éstos a lo largo de ciertas direcciones atómicas.

Sistema de deslizamiento: plano de deslizamiento + dirección de deslizamiento

Para una estructura cristalina determinada, los planos de deslizamiento son los de mayor densidad superficial de átomos, y las direcciones de deslizamiento, las de mayor densidad lineal de átomos.

• Los planos compactos constituyen planos de deslizamiento.• Las direcciones compactas constituyen direcciones de deslizamiento.

F

F

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Sistemas de deslizamiento

A

B

D

C

FE

A

B

D

C

FE>

Ejemplo: estructura FCC (CCC)

Sistema de deslizamiento: 111110

Los planos compactos son los {111} (hay 4 equivalentes), y las direcciones compactas son las (hay 3 en cada plano): 4 × 3 = 12 sistemas.

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Ejemplo: estructura HCP

Sistema de deslizamiento: 0001

a1

a2

a3

Los planos compactos son los {0001} (sin más equivalentes), y las direcciones compactas son las (hay 3 en cada plano): 1 × 3 = 3 sistemas.


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Sistemas de deslizamiento para metales con estructura fcc, bcc y hcp:

• El deslizamiento puede ocurrir según varios planos (ej.: {110}, {211} y {321} en metales bcc). Algunos sólo actúan a altas temperaturas.

• Los metales bcc y fcc tienen muchos sistemas de deslizamiento y por ello son más dúctiles que los hcp, que tienen pocos.


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Deslizamiento en monocristales

Ante un esfuerzo uniaxial un monocristal sufre tensiones de cizalladura si la dirección de deslizamiento no es ni paralela ni perpendicular a la fuerza.

F: fuerza aplicada: ángulo entre F y la normal al plano de deslizamiento: ángulo entre F y la dirección de deslizamiento = F/Ao, Ao = A cos, Fr = F cos, r = Fr/A.

Tensión de cizalladura resuelta (r):

r = cos cosLey de Schmid(distinta para cada sistema de deslizamiento)

El deslizamiento comienza en el sistema orientado más favorablemente y cuando la tensión alcanza un valor mínimo crítico (rc), propio del material.

Normal al plano

deslizamiento Dirección dedeslizamiento

Ao

A

Ao

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Deformación plástica de metales monocristalinos

Bandas de deslizamiento en un monocristal de Zn y uno de Cd, ensayados en tracción

• Al someter un monocristal a tracción, la deformación plástica se produce por el deslizamiento a lo largo de planos cristalográficos paralelos entre sí.• Estos planos no son ni paralelos ni perpendiculares a la carga aplicada.

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SEM de la superficie de una muestra policristalina de cobre pulida y luego deformada plásticamente. Se observan líneas de deslizamiento

Orientaciones cristalográficas aleatorias de numerosos granos. Las direcciones y los planos de deslizamiento varían de un grano a otro. Para cada grano, el movimiento de la dislocación ocurre según el sistema

de deslizamiento mejor orientado.

Deformación plástica de metales policristalinos

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Materiales con enlaces iónicos (frágiles): Ofrecen resistencia al deslizamiento. El movimiento de una dislocación rompe el equilibrio de cargas. Muy pocos sistemas de deslizamiento.

Materiales con enlaces covalentes (frágiles): Ofrecen resistencia al deslizamiento debido a la direccionalidad y

fortaleza del enlace. Muy pocos sistemas de deslizamiento.

Deformación plástica de cerámicas

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Deformación plástica en polímeros semicristalinos

En los polímeros no ocurre el deslizamiento debido a los enlaces covalentes. Sin embargo, sí presentan deformación plástica.

a

b c d eEsquema de los diferentes estadios en la

deformación plástica de un polímero semicristalino

F

a. Dos cadenas plegadas adyacentes en forma de lamelas y material interlaminar amorfo antes de la deformación.b. Alargamiento de las cadenas amorfas ligadas (primera etapa de deformación).c. Inclinación de las cadenas plegadas (segunda etapa). d. Separación de los segmentos de bloques cristalinos (tercera etapa). e. Orientación de los segmentos de bloques y las cadenas de unión con el eje de tracción (etapa final).

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Mecanismos de endurecimiento de metales

• La dureza y la resistencia están relacionadas con la dificultad para la deformación plástica, es decir para el movimiento de dislocaciones.

• Los mecanismos de aumento de la dureza y de la resistencia se basan en disminuir la movilidad de las dislocaciones.

Los mecanismos de endurecimiento más importantes en metales son:

• Reducción del tamaño de grano, o afino• Solución sólida• Deformación plástica en frío, o acritud (práctica 3)• Precipitación (práctica 5)• Transformación polimórfica (práctica 4)

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Los bordes de grano son barreras al movimiento de las dislocaciones, por:

• Cambio de orientación del plano de deslizamiento al pasar del grano A al B.

• Átomos desordenados en la frontera de grano resultarían en un plano de deslizamiento discontinuo en esa zona.

Endurecimiento por afino de grano

Si disminuye el tamaño de grano aumenta el nº de fronteras de grano y hay más barreras.

Límite elástico:

(ecuación de Hall-Petch)

d: tamaño medio de granoo y ky: constantes propias del material

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Campo de deformaciones

alrededor de una dislocación de arista

La deformación plástica en frío o trabajo en frío (cold work) hace aumentar mucho la densidad de dislocaciones.

Esto resulta en mayor dificultad para moverse por su interacción (sobre todo cuando son del mismo signo).

Repulsión Atracción

Endurecimiento por deformación plástica en frío

• Alrededor de las dislocaciones hay una zona de deformación de la red.• Las dislocaciones interaccionan entre sí.

Conformación por trabajo en frío: laminación, trefilado, estampado...

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Aumento de Rm y disminución de ductilidad por acritud en varios metales

Endurecimiento por deformación plástica en frío

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Endurecimiento por solución sólida

• Los metales puros suelen ser muy dúctiles.• Las impurezas sustitucionales o intersticiales deforman localmente la red y dificultan el movimiento de dislocaciones, aumentando la dureza.• Estas impurezas tienden a acumularse cerca de las dislocaciones.

Estado local de tracción. Probable ubicación de las impurezas

en la zona de compresión de la dislocación.

Impureza pequeña

Estado local de compresión. Probable ubicación de las impurezas

en la zona de tracción de la dislocación.

Impureza grande

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Cu-Ni

Endurecimiento por solución sólida

Cu-Ni Lím

ite e

lást

ico

ALEACIONES DE COBRE

Muy duro con poca cantidad de Be. Aplicaciones eléctricas

Depende de:• Soluto (tamaño, estructura electrónica...)• Concentración

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Endurecimiento por precipitaciónSe puede realizar en algunas aleaciones, por ejemplo Al-Cu:

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Endurecimiento por precipitación

(1) Tratamiento de disolución (o solubilización): se calienta a temperatura T0tal que las impurezas de Cu forman una solución sólida en la matriz de Al.

Átomo de soluto (Cu)Átomo de

solvente (Al)

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Endurecimiento por precipitación(2) Temple: se enfría rápidamente hasta T1, dando lugar a una solución sólida sobresaturada de Cu en Al (metaestable).

(3) Tratamiento de precipitación: se calienta y se mantiene a T2 < T0, suficiente para que por difusión se formen finas partículas de Cu-Al (”) coherentes con la red y dispersas en la matriz de Al (zonas de Guinier-Preston), que producen un aumento de la dureza.

Partícula de fase ”Este tratamiento tiene una duración óptima. Si es demasiado largo se produce sobreenvejecimiento:

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Endurecimiento por precipitación

Las curvas de envejecimiento (o maduración) dependen de la temperatura:

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Endurecimiento por precipitación en aleaciones de Al

El Al puro tiene Rm 100 MPa.Las aleaciones habituales de Al tienen Rm 200-400 MPa.

Aleación 7075 endurece por formación de precipitados MgZn290,1% Al5,6% Zn2,5% Mg1,6% Cu0,2% Cr

7075-T6 alcanza Rm = 500 MPa.Utilizada en aviones y otras estructuras

Boeing 777

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Cambio en la estructura cristalina del metal al enfriar o calentar.Ej.: transformación martensítica (sin difusión), no exclusiva de los aceros.

vcrítica Agujas muy duras y frágiles

Endurecimiento por transformación polimórfica

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Tratamientos

térmicos

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Tratamientos térmicosSecuencias de calentamientos y enfriamientos controlados que modifican la estructura y microestructura de los materiales, y por tanto sus propiedades.

En este tema nos limitaremos al control de las propiedades mecánicas en los metales, en los que los tratamientos térmicos modifican la composición, la estructura, los microconstituyentes o el tamaño de grano.

Tiempo

Tem

pera

tura

Principales variables: - Velocidad de calentamiento- Velocidad de enfriamiento- Temperatura- Tiempo

• Tratamientos térmicos en los que se mantiene la composición global. Ej.: sinterizado, recocido, temple, revenido, tratamientos de solución-precipitación, etc.• Tratamientos termoquímicos: se modifica la composición química. Ej.: cementación, nitruración, etc.

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Tratamientos que permiten que la piezas queden en un estado más próximo al equilibrio, al producirse difusión.

En general:• Aumentan la ductilidad (%A, %Z).• Disminuyen la resistencia y el límite elástico (Rm, Rp, dureza).

Distintos objetivos: corregir la falta de homogeneidad química, disminuir la dureza, eliminar tensiones internas, etc.

Recocidos

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Acritud

Laminaciónen frío

La deformación plástica de un metal en frío produce:• Cambio en la forma de los granos.• Aumento de la densidad de dislocaciones.• Endurecimiento y aumento de la resistencia.• Disminución de la ductilidad.

Granos equiaxiales en una pieza metálica no deformada

Textura: granos alargados en la misma pieza tras sufrir una deformación en frío

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Trabajo en frío (cold work) :% CW ≡ 100 ×(Ao-Ad)/AoAo: área inicial de la secciónAd: área de la sección deformada

Acritud

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Recocido contra acritudSe aplica después de un proceso de deformación en frío, para contrarrestar el endurecimiento (acritud), que dificulta seguir deformando.Según la temperatura se producen distintos fenómenos que dan lugar a una disminución de la dureza. En temperaturas crecientes son:

• Recuperación (o restauración): Hay movimiento de dislocaciones, pero las propiedades mecánicas apenas cambian.• Recristalización: Aparecen pequeños núcleos que se transforman en nuevos granos equiaxiales. Se recuperan la ductilidad y la resistencia.• Crecimiento de grano: Los nuevos granos, libres de deformación, aumentan su tamaño medio: los grandes crecen a expensas de los pequeños.

Ductilidad

Dureza

Tamaño de grano

Resistencia

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Tiempo y temperaturaEl recocido contra acritud se basa en la difusión, luego progresa con el tiempo.

Cu puro

Se llama temperatura de recristalización (TR) a aquella a la cual se produce el 100% de recristalización en 1 hora.

Cu puro: 120 ºC Latón (40% Zn): 475 ºC Fe: 450 ºC

28 días8 horas30 min

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Tiempo y temperatura

CW = 33% 3 s a 580 ºC 4 s a 580 ºC

8 s a 580 ºC 15 min a 580 ºC 10 min a 700 ºC

Latón

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Temperatura de recristalizaciónSe requiere una energía superficial mínima para iniciar la recristalización, por eso TR depende de muchos factores:• Grado de deformación: TR es más baja a mayor acritud y hay un valor mínimo.• Tamaño de grano: TR es más baja cuanto menor es el tamaño de grano inicial.

Fe

En metales puros está entre el 30% y el 50% de la temperatura de fusión (en K).

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Tratamientos térmicos en acerosEn aceros se realizan tratamientos térmicos para producir microestructuras diferentes y diseñar así propiedades específicas.

Bielas de automóvil forjadas, de acero templado y revenido

Tren de aterrizaje del Airbus A330, fabricado con martensita

revenidaEspada de Felipe II, en acero inoxidable templado y revenido

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Tratamientos térmicos en acerosLos diagramas de transformación por enfriamiento continuo permiten predecir los microconstituyentes que aparecen y sus propiedades.

Martensita

Austenita

Recocidototal

Normalizado

Temple

Revenido

Lent

o

250-650 ºC

T < TEutectoide Esferoidita~700 ºC15-25 h

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Tratamientos térmicos en aceros

Austenita

Perlitagruesa y

primarias

Perlitafina y

primarias

Martensita

+ Fe3C (partículas)“martensita revenida”

Nor

mal

izad

o

Austenita

Muy blanda y

dúctil

Blanda y dúctil

Dura y frágil

Dura, más dúctil y tenaz que la martensita

Nor

mal

izad

o

MICROESTRUCTURA PROPIEDADES MECÁNICAS

Revenido

Revenido

(Se evita la perlita)

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Diagrama de fases Fe-Fe3C

1539 ºC

1400 ºC

910 ºC

Aceros Fundiciones

(AUSTENITA)

(FERRITA)

0.77%

727

A3

A1

ACM

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TempleSe realiza en algunos aceros y fundiciones. Tiene (al menos) dos etapas:1. Austenización: calentamiento a una temperatura tal que el acero (todo o

parte) se convierte en austenita:- Acero hipoeutectoide: Taus > A3 (austenización completa)- Acero hipereutectoide: A1 < Taus < ACM (austenización incompleta)

2. Temple: enfriamiento muy rápido. La velocidad de enfriamiento se controla eligiendo el medio: agua, sales fundidas, aceite, nitrógeno líquido...

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MartensitaSe forma total o parcialmente martensita, que queda en forma metaestable a temperatura ambiente.

Como consecuencia:• Aumentan Rm, Rp y la dureza.• Disminuyen el alargamiento, la estricción y la tenacidad.

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0,30-0,40 % C0,50-0,80 % Mn

0,50-0,60 % C0,60-0,90 % Mn

1.0501C35F-1130

1.0535C55

F-1150

Templabilidad Jominy en aceros al carbono

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0,30-0,40 % C0,50-0,80 % Mn

1.0501C35F-1130

MALA TEMPLABILIDAD

BUENA TEMPLABILIDAD

1.722034CrMo4

F-1250

0,30-0,37 % C0,60-0,90 % Mn0,90-1,20 % Cr

0,15-0,30 % Mo

Templabilidad Jominy en aceros aleados

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El temple produce piezas con una enorme dureza pero muy frágiles y con baja tenacidad.

Revenido

La temperatura del revenido es función de las propiedades que se quiera obtener. Debe ser menor que A1, y evitar la “zona de revenidos prohibidos”.

Temple

Temple y revenido

Tras el temple se realiza el revenido (a menor T) para:• Eliminar tensiones generadas en el enfriamiento.• Aumentar la ductilidad y la tenacidad (a costa de disminuir la dureza).

Tiempo

Tem

pera

tura

A

R

T

A3

A1

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Las propiedades mecánicas finales de la pieza dependen de la temperaturay la duración del revenido.

Curvas de revenido

Revenidos prohibidos

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Temple directo vs. martempering

En el temple directo las piezas grandes se pueden agrietar por los gradientes de temperatura y por la gran deformación que conlleva la transformación martensítica.

Esto se puede evitar en parte con el martempering, o temple escalonado martensítico. El constituyente final es 100%martensita, pero hay menos tensiones.

Requiere revenido. Directo Martempering

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Temple directo vs. austempering

En el austempering se evita la formación de martensita al detener el enfriamiento a temperatura ligeramente superior a Ms y completar luego la transformación bainítica. La microestructura final es 100% bainita.

También se llama temple bainítico.

No requiere revenido posterior.

Directo

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Se realizan a alta temperatura en piezas metálicas situadas en una atmósfera que hace que, por difusión, cambie la composición química de las piezas cerca de su superficie.

Tratamientos termoquímicos

Principales tratamientos termoquímicos:• Cementación• Nitruración• Carbonitruración• Cianuración• Sulfinación

La cementación es un enriquecimiento superficial en carbono en aceros:

C Acero

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1. La pieza de partida tiene bajo contenido en C (< 0,2%).2. Se austeniza (T 900 ºC). La austenita admite mucho más C.3. A esa temperatura se introduce en un medio rico en C (sólido, líquido o

gaseoso). Por difusión aumenta el contenido de C en la superficie (0,7-1,2%).4. Se mantiene el tiempo adecuado (t horas), según el espesor de la capa

cementada buscado ( cientos de m).5. Se enfría rápidamente, produciendo un temple: la austenita se transforma en

martensita y aumenta la dureza superficial ( 50-60 HRC 500-700 HV).

Cementación

Núcleo pobre en C(dúctil y tenaz)

Superficie rica en C(dura y resistente)

Se obtienen piezas tenaces y duras.

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Piezas en el interior de un horno en el proceso de

cementación

Sección transversal de un diente de engranaje cementado

Cementación

Secciones de ejes con diferentes espesores de

la capa cementada

Se aplica habitualmente a engranajes, rodamientos, ejes, tornillos, etc.

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• Es un enriquecimiento superficial en N en aceros.• Aceros de partida con 0,2-0,6% C y con otros elementos de aleación (Al, Cr, Mo, V...).• Agente nitrurante: NH3 (se descompone y produce N).• T 500 ºC. El enfriamiento es lento y no se requiere temple.• En una capa superficial de la pieza se forman nitruros.• La capa nitrurada tiene una dureza extremadamente alta (> 1000 HV), y resistencia a la corrosión y al desgaste.

Nitruración

Ventajas frente a la cementación: • Menor deformación.• Retención de dureza hasta alta temperatura.

Desventajas frente a la cementación:• Elevado precio.• Proceso lento.• Capas duras de poco espesor.

84


Tratamiento de solución-precipitación (T6)

AA-2024 precipitados Al2CuMg(93,4% Al - 4,5% Cu - 1,5% Mg - 0,6% Mn)

2024-T6 alcanza 440 MPa.Utilizada en estructuras de aviones

AA-7075 precipitados MgZn2(90,1% Al - 5,6% Zn - 2,5% Mg - 1,6% Cu - 0,2% Cr)

7075-T6 alcanza 504 MPa.Utilizada en aviones y otras estructuras

AA-6061 precipitados Mg2Si(97,9% Al - 1,0% Mg - 0,6% Si - 0,3% Cu - 0,2% Cr)

6061-T6 alcanza 290 MPa.Utilizado en estructuras de camiones, estructuras marinas, tuberías y raíles

tema 5: propiedades mecánicas, mecanismos de deformación y ...€¦ · 11 propiedades mecánicas,...

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