Austenita- Retenida - Resumen Italiano I PDF

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UNIVESIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA Y METALURGICA

CURSO ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE MATERIALES ME-524 INFORME DE AUSTENITA RETENIDA ELABORADO POR

MEJIA QUIROZ ALEX JAMPHIER PROFESOR

ING. MANUEL CRUZ TORRES LIMA – PERÚ 2019

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AUSTENITA RETENIDA

INDICE

1. OBJETIVOS ................................................................................... 3 2. FUNDAMENTO TEORICO ......................................................... 4 3. EQUIPOS ....................................................................................... 6 4. PROCEDIMIENTO ....................................................................... 7 5. RESULTADOS .............................................................................. 7 6. CONCLUSIONES .......................................................................... 11 7. BIBLIOGRAFIA ............................................................................ 12 8. CUESTIONARO ............................................................................ 13

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I.

AUSTENITA RETENIDA

OBJETIVOS

1. Determinar metalográficamente el porcentaje de austenita presentes en esta fundición blanca.

2. Diferenciar mediante el uso del microdurómetro las fases presentes en la muestra de función blanca complementando a las imágenes metalográficas. 3. Determinar si el temple realizado a esta pieza fue de manera correcta o tuvo problemas para lograr una transformación martensítica.

4. Usar el software ImageJ para la medición delas áreas de la austenita retenida, así como para poder darle un contraste a la imagen presentada por el microscopio

5. Aprender cómo controlar la formación de la austenita retenida, así como las variables que influyen en su formación.

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II.

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FUNDAMENTO TEORICO

2.1.TEMPLE El temple consta de 3 etapas: precalentamiento, austenización y enfriamiento. 2.1.1. PRECALENTAMIENTO: Minimiza tensiones que ocurren durante el temple y que pueden traducirse en distorsiones y grietas en la pieza. Los primeros son las debidas a la expansión térmica que se produce durante el calentamiento y el segundo son debidas a la disminución de volumen por la transformación de la matriz ferrítica a una austenítica al alcanzarse la temperatura Ac 1. 2.1.2. AUSTENIZACIÓN: Transforma la matriz en una estructura austenítica y disuelve en parte los elementos de aleación que se encuentran en forma de carburos. Es un proceso dependiente de la temperatura y el tiempo y estos parámetros vendrán marcados por la composición química del acero, el tamaño de la pieza. El carbono se difunde lentamente desde la estructura BCC hacia la estructura FCC. 2.1.3. ENFRIAMIENTO: Se realiza muy rápido con el fin de conseguir la dureza pretendida en el material, el medio menos enérgico posible, pero suficientes para alcanzar una matriz martensítica con los carburos embebidos en ella. Durante esta etapa la austenita no tiene suficiente tiempo para transformarse a ferrita o perlita, resultando una distorsión de la austenita conocida como martensita.

Ilustración 1. Curvas de enfriamiento sobrepuestas sobre un diagrama hipotético T-I. para un acero eutectoide. FUENTE: Avner, S. H., & Aracama, L. L. (1979). Introducción a la metalurgia física (No. TN690. A96 1988.). México; McGraw-Hill. 4

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Las curvas de enfriamiento de la ilustración 1 controlan la estructura final del temple, podemos observar que a una velocidad de enfriamiento lento (curva 1) se obtiene una fase perlita gruesa con 15 HRC. A un enfriamiento rápido (Curva 6) se obtiene al final una estructura martensita con 64 HRC. Una curva de enfriamiento que cruce las curvas T-I formaran parcialmente la martensita generando una menor dureza en la fase final. La curva de enfriamiento 7 tangente a la nariz de la curva T-I, es conocida como rapidez critica de enfriamiento.

2.2. TEMPERATURA Ms Y Mf EN LA FORMACION DE MARTENSITA.

Ilustración 2. Relación de las temperaturas de inicio y final de la formación de la martensita en base a la cantidad de carbono. FUENTE: https://www.researchgate.net/figure/Martensite-start-temperature-M-Sand-martensite-finish-temperature-M-F-versus-carbon_fig1_286930583

La temperatura Ms (Temperatura de inicio de transformación de la martensita) y Mf (Temperatura final de transformación de la martensita) varían inversamente con la cantidad de carbono presente en el acero. Un acero de alto carbono presenta una temperatura de finalización menor a 0°C, favoreciendo a la formación de austenita retenida. La reacción martensítica en los aceros normalmente se produce de forma térmica, es decir, durante el enfriamiento en el rango de temperatura entre Ms y Mf, es decir, los primeros cristales de martensita comienzan a formarse a la temperatura de M s y, para que se forme más martensita, el acero debe enfriarse continuamente. dentro de M s - Mf.

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III.

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EQUIPOS

3.1.Microscopio marca ZEISS modelo 1025309742

3.2. Microdurómetro vickers

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IV.

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PROCEDIMIENTO

4.1. Se corta un pequeño pedazo de muestra de la chaqueta de forros de un molino a base de fundición blanca. 4.2.DATOS DEL TEMPLADO: 4.2.1.

TEMPERATURA DE AUSTENIZACION: 900°C

4.2.2.

TIEMPO DE ASUTENIZACION: 1hr 30’.

4.3.Se realiza el desbaste y su respectivo pulido en paño. 4.4.Se ataca para poder revelar las fases presentes. 4.5.Se analiza al microscopio las posibles fases presentes. 4.6.Se mide dureza en las distintas fases presentes con ayuda del microdurómetro.

V.

RESULTADOS

3 1

Ilustración 3. Imagen 500x – Superficie 1

7

2

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3 Ilustración 4. Imagen 500x – Superficie 2

1

2

3 Ilustración 5. Imagen 500X – Superficie 3

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1

2

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3

Ilustración 6. Imagen 500x – Superficie 4

2 1

3 1 Ilustración 7. Imagen 500x – Superficie 5

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En cada una de las imágenes anteriores podemos ver que hay 3 tonalidades de grises, en la que cada uno representa una fase de la fundición blanca. Se ha designado cada una con un número. Haciendo uso del software ImageJ, generamos un contraste entre las fases de la pieza. Como ejemplo usamos a la ilustración N°4 que representa la superficie N°2 en la cual se contrastan mucho mejor estos 3 colores antes descritos.

2 1

3 Ilustración 8. Imagen 500 x – Superficie N°2, se constrasta para poder señar las 3 fases presentes.

Una vez encontrado las tres diferentes fases, se midió dureza para poder identificar las fases. N°

COLOR

DUREZA (Vickers)

FASE

1 2 3

Amarillo Rojo Plomo

720 500 950

Martensita Matriz – Austenita Carburos

Tabla 1. Resultados de los ensayos de microdureza a las 3 distintas mostradas en los resultados de las metalografías

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VI.

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CONCLUSIONES

o El porcentaje de austenita retenida de la fundición blanca perteneciente a una chaqueta de molino y con ayuda del software ImageJ es de 8.478%. o El porcentaje de austenita retenida hallada tiene cierto grado de confiabilidad, debido a que a porcentajes menores de 15% se debe hacer una difracción de rayos X para obtener mejores resultados en este caso el método óptico no es tan confiable. o El porcentaje de austenita retenida es relativamente bajo, por lo tanto, el templado que se realizó a esta pieza, se hizo de manera correcta. El porcentaje de austenita que no se convirtió en martensita puede generar fracturas. o Las fundiciones blancas superan el 2% de carbono deberían tener un tratamiento criogénico para poder disminuir la formación de la austenita retenida. o Se observaron 3 diferentes fases la primera con dureza de 750 vickers que corresponde a la martensita, la segunda con 950 vickers que corresponde a los carburos y la última fue la austenita retenida con 500 vickers.

VII.

RECOMENDACIONES

o Para poder reconocer las fases, no solo es necesario mirar la imagen que muestra el microscopio óptico, sino hacer un ensayo de microdureza para que con datos conocidos de durezas podamos encontrar las fases reales, debido a que muchas veces estas se parecen cuando están en una matriz. o Se necesita tener una imagen con mayor aumento para poder diferenciar la martensita, ya que en este caso no se pude ver las agujas de la martensita. Estas imágenes se pueden confundir con las fases de ledeburita en una estructura eutéctica. 11

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o No se tiene conocimiento del método de enfriamiento, pero se recomienda un tratamiento criogénico para este material, debido a que esta austenita retenida puede generar posibles puntos de tensión en los cuales inicien futuras fracturas.

VIII. BIBLIOGRAFIA

o Avner, S. H., & Aracama, L. L. (1979). Introducción a la metalurgia física (No. TN690. A96 1988.). México; McGraw-Hill. o Heat treating of Steel, ASME Handbook, 1994. o Estructura y Propiedades de las Aleaciones – Facultad de Ingenieria – UNLP – Capitulo 8: Dureza y templabilidad de aceros o Strength, L. S. S. U. H., & Connyentional, H. S. S. OBTENCIÓN DE UN ACERO CON COMPORTAMIENTO TRIP A. o Díaz López, F. M. (2005). Eliminación de tensiones internas en aceros y estabilización de carburos mediante tratamiento criogénico.

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IX. CUESTIONARIO 9.1. ¿El contenido de carbono de los aceros influye en la generación de la austenita retenida fundamente? Si influye de manera proporcional, a mayor porcentaje de carbono la generación de austenita retenida será mayor. Esto se puede corroborar, por el hecho de que la temperatura Ms (Temperatura de inicio de la transformación de la martensita) y la Mf (Temperatura de finalización de la transformación de la martensita) disminuyen a medida que aumenta el carbono.

Ilustración 9. Efecto del carbono en las temperaturas Ms y Mf. FUENTE: https://www.researchgate.net/figure/Martensite-start-temperature-M-Sand-martensite-finish-temperature-M-F-versus-carbon_fig1_286930583

La ilustración 9 muestra los valores experimentales de esas temperaturas donde podemos observar que a porcentajes mayores que 0.5%C, se tiene que alcanzar temperaturas inferiores a 0°C, generando mayor probabilidad de que la austenita no tenga el enfriamiento rápido suficiente para transformarse en martensita. Para que se forme más martensita, el acero debe enfriarse continuamente. dentro de Ms – Mf, es decir, la cantidad de transformación es una función de la temperatura solamente hasta que la reacción cesa a la temperatura Mf. A esta temperatura, toda la austenita debería haberse transformado en martensita, pero con frecuencia, en la práctica, es posible que una pequeña proporción de la austenita no se transforme.

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9.2. Mecanismo de formación de la austenita retenida. La austenita retenida se forma durante el tratamiento térmico de los aceros conocido como temple. Como se explicó anteriormente, el temple consta de 3 pasos principales:  PRECALENTAMIENTO: Minimiza tensiones que ocurren durante el temple y que pueden traducirse en distorsiones y grietas en la pieza.  AUSTENIZACIÓN: Transforma la matriz en una estructura austenítica y disuelve en parte los elementos de aleación que se encuentran en forma de carburos. El carbono se difunde lentamente desde la estructura BCC hacia la estructura FCC.  ENFRIAMIENTO: Durante esta etapa la austenita no tiene suficiente tiempo para transformarse a ferrita o perlita, resultando una distorsión de la austenita conocida como martensita. Es en esta etapa en la cual se forma la austenita retenida. Si no se alcanza la Temperatura Mf, habrá cierto porcentaje de austenita retenida en su estructura.

Ilustración 10. Diagrama TTT de un acero eutectoide

Si el proceso de enfriamiento se detiene entre M s - M f y el acero se mantiene a una temperatura constante en este rango, la formación de martensita cesa y no se produce más transformación con el tiempo a esta temperatura. Puede llevar a una gran cantidad de austenita retenida dependiendo de la temperatura de retención del acero entre M s - M f. Por otra parte, la austenita retenida no es totalmente estable y, con el tiempo, tiende a transformarse en martensita, esto puede llegar a provocar tensiones y deformaciones en los aceros que tienen este tipo de estructuras. La austenita retenida se puede obtener por dos razones: primero, por mala precisión de parámetros de templado, cosa que ocurre casi siempre; segundo porque en materiales de alta aleación, la línea final de formación de martensita, se encuentra por debajo de temperatura ambiente, y el proceso de templado solo enfría hasta temperatura ambiente. El rango de temperatura para la formación de martensita está determinado por el contenido de carbono del material.

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9.3.

AUSTENITA RETENIDA

Determinar el porcentaje de austenita retenida metalográficamente.

Se consideró área total a toda la imagen debido a que no se dio la escala como dato. 1.1.Superficie N°1 – 1ER METODO (Se usó la opción Threshold del Software ImageJ) MARTENSITA (ROJO)

CARBUROS E INLCUSIONES (AZUL)

AREA TOTAL = 1280 x 960 pixels FASE Martensita Carburos/inclusiones Austenita retenida

COLOR Rojo Azul -------15

AREA (pixels) 463503 667361 97936

AREA (%) 37.72 54.31 7.97

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1.2.Superficie N°2 – 2DO METODO (Se usó la opción Color Threshold del software ImageJ) MARTENSITA (ROJO)

CARBUROS E INLCUSIONES (NEGRO)

Carburos Martensita

AREA TOTAL = 1280 x 960 pixels FASE Martensita Carburos/inclusiones Austenita retenida

COLOR Rojo Negro --------

16

AREA (pixels) 634393 500415 93992

AREA (%) 51.627 40.724 7.649

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AUSTENITA RETENIDA

Usaremos el 2DO METODO para el análisis de las siguientes imágenes. 1.3.Superficie N°3 – 2DO METODO (Se usó la opción Color Threshold del software ImageJ)) MARTENSITA (ROJO)

CARBUROS E INLCUSIONES (NEGRO)

Martensita Carburos

AREA TOTAL = 1280 x 960 pixels FASE

COLOR

AREA (pixels)

AREA (%)

Martensita Carburos/inclusiones Austenita retenida

Rojo Negro --------

660208 453001 115591

53.728 36.865 9.407

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AUSTENITA RETENIDA

1.4.Superficie N°4 – 2DO METODO (Se usó la opción Color Threshold del software ImageJ)) MARTENSITA (ROJO)

CARBUROS E INLCUSIONES (NEGRO)

Martensita Carburos

AREA TOTAL = 1280 x 960 pixels FASE Martensita Carburos/inclusiones Austenita retenida

COLOR Rojo Negro --------

18

AREA (pixels) 426714 674432 127654

AREA (%) 34.726 54.886 10.388

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AUSTENITA RETENIDA

1.5.Superficie N°5 – 2DO METODO (Se usó la opción Color Threshold del software ImageJ)) MARTENSITA (ROJO)

CARBUROS E INLCUSIONES (NEGRO)

Martensita Carburos

AREA TOTAL = 1280 x 960 pixels FASE Martensita Carburos/inclusiones Austenita retenida

COLOR Rojo Negro --------

AREA (pixels) 487609 655716 85475

AUSTENITA PROMEDIO: 8.474% 19

AREA (%) 39.681 53.362 6.956

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9.4.

AUSTENITA RETENIDA

Procedimientos o técnicas de control de la austenita

Cuando se templa un acero, a medida que se baja la temperatura, la austenita se va transformando en martensita, una fase del acero más dura y resistente. La bajada de temperatura habitualmente se detiene al llegar a temperatura ambiente. En estos casos el tratamiento criogénico permitiría continuar con la transformación y disminuir el porcentaje de austenita retenida, transformándola en martensita. En el país de México se realiza la disminución de la formación de la austenita retenida mediante el enfriamiento en un recipiente con nitrógeno líquido que alcanza una temperatura de -196°C. El tratamiento criogénico es requerido para efectuar un cambio molecular completo en la mayoría de aceros, la austenita retenida (normalmente inestable a temperatura ambiente o superior) en el acero después del tratamiento térmico se transforma en martensita (una estructura de grano más refinada que es más uniforme, más durable, más fuerte y dimensionalmente más estable que la austenita). El tratamiento criogénico continúa la transformación de austenita retenida en martensita. Un estudio dirigido por el Instituto Politécnico de Jassy, Rumania mostró que el tratamiento criogénico de un acero al carbono de 0.83% C, redujo el porcentaje de austenita retenida de 42.6% a 0.9% cuando se comparó con una pieza sin tratamiento criogénico.

9.5.

Técnicas de medición de la austenita retenida



Método óptico: Conocido como método metalográfico, es esacto cuando la cantidad de austenita es alta. Cuando el contenido de austenita retenida es menor a un 15%, esto debido a problemas relacionados con las técnicas metalográficas utilizadas para revelar la microestructura y con problemas de resolución de los microscopios ópticos que comúnmente se utilizan. El método óptico puede complementar otras técnicas como: resistividad eléctrica, permeabilidad magnética, dilatometría y análisis térmico



Difracción de Rayos X. Esencialmente esta técnica puede describirse como un medio absoluto e independiente de cualquier calibración extema, que puede ser utilizada para la medición de contenidos de austenita retenida tan bajos como 5% con una precisión adecuada.

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