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LAB 5 CIENCIA Y TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES Ingeniería Ciencia y Tecnología Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC) 8 pag.

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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL CIENCIA Y TECNOLOGIA DE MATERIALES (IN175) GUÍA DE LABORATORIO # 5

“TRATAMIENTOS TÉRMICOS”

2020-1

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CIENCIA Y TECNOLOGIA DE MATERIALES (IN175) GUIA DE LABORATORIO: Tratamientos Térmicos

1. OBJETIVO a) Objetivo general: -Realizar los tratamientos térmicos de recocido, templado y normalizado en aceros SAE 1020 y SAE 1045. b) Objetivos específicos: -Identificar el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros. -Evaluar los cambios de dureza en los aceros SAE 1020 y SAE 1045, después de realizado los tratamientos térmicos. -Evaluar y comparar, mediante la observación metalográfica, los cambios microestructurales producidos en los aceros tratados. 2. MARCO TEORICO 2.1. Introducción La industria utiliza diversos procesos para modificar las propiedades de los metales de acuerdo al uso final de este. Por aleación, por deformación o por tratamientos térmicos El tratamiento térmico de los aceros, consiste básicamente en tres etapas que involucran temperatura, es decir, calentamiento hasta la temperatura recomendada, mantenimiento a esa temperatura y por último el enfriamiento en el medio que convenga. Generalmente la temperatura de calentamiento es la temperatura a la cual la organización atómica del material se transforma para obtener una estructura meta-estable conocida como austenita, que tiene una estructura FCC y se presenta arriba de línea Ac3 (ver figura 1), que como bien se sabe, tiene un mayor factor de empaquetamiento (0.74) o lo que es lo mismo, es más densa que la ferrita o estructura BCC que existe en la misma aleación a baja temperatura. La segunda etapa, es decir, el tiempo de mantenimiento, es el tiempo necesario que la pieza debe permanecer en el interior del horno para que su estructura cristalina se transforme totalmente en austenita (BCC a FCC) homogénea. La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la aleación suelen modificar la temperatura y el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno. Como regla empírica se da un tiempo de permanencia de 30 minutos por cada pulgada de espesor crítico de la pieza a templar. Para el caso de piezas con formas complejas, el espesor crítico es el mayor y en base a éste se toma el tiempo de permanencia. El tercer proceso es el enfriamiento. Para efectuarlo, se debe elegir el medio a utilizar, según las propiedades deseadas, pues diferentes medios de temple proporcionan diferentes velocidades de enfriamiento y distintos grados de dureza.

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Figura 1 Diagrama hierro-carburo de hierro.

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3. MATERIAL 03 probetas de acero SAE 1045, de 20 mm de diámetro por 15mm de altura. 01 probetas de acero SAE 1020, de 10mm de diámetro por 15mm de altura 4. EQUIPOS Y HERRAMIENTAS • • • • • • • • • •

Horno de Tratamiento Térmico, Baño de aceite, recipiente para templar en agua. Durómetro. Tenazas. Desbastadora de probetas Pulidora Microscopio Metalográfico Libros con microestructuras de tratamientos térmicos Equipos de seguridad personal: caretas, guantes delantal.

5. TRANSFORMACIONES DE FASE El acero es uno de los materiales estructurales más importantes que se usan hoy día, también es un sistema de aleación muy estudiado, por la diversidad de microestructuras que se desarrollan cuando se tratan térmicamente estas aleaciones. Este sistema muestra la mayor parte de los tipos principales de transformaciones de fase. La tabla 1 resume la terminología asociada con las distintas microestructuras que se presentan con frecuencia. Los ejemplos aquí se concentrarán en aceros al carbono simple, esto es, aceros en el que el carbono es el único elemento de aleación. La figura 1 muestra una parte del diagrama de fases Fe-Fe3C (o Fe-C), en la cercana de la reacción eutectoide. Como se sabe, la reacción eutectoide es invariante, y en ella una única fase sólida se transforma al enfriarse, en dos fases sólidas distintas que tienen composiciones diferentes a las de la fase original. Escrita simbólicamente, la reacción eutectoide para el acero al carbono simple es Fe → Fe- + Fe3C. As, al enfriar la fase ˙nica Fe - (austenita), se descompone Fe- (ferrita) y Fe3C (cementita). La solubilidad del carbono en la fase  CFC es mayor que en la fase  BCC, pero menor que en la fase Fe3C. La rapidez de crecimiento y morfología de las fases  y Fe3C se controlan por la difusión del hierro y el carbono. Cuando se enfría justo debajo de la temperatura eutectoide, una aleación que contiene 0.77% de C en peso disuelto en el Fe- , que era la única fase, se transforma en una mezcla de dos fases con morfología laminar de placas alternadas de Fe-  y Fe3C. Este material laminar se llama perlita

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Figura 1. Parte del diagrama de fases Fe-Fe3C en la cercanía de la reacción eutectoide 1 Tabla 1. Terminología de las microestructuras encontradas en las aleaciones de Fe y Carbono. Nombre de la microestructura Ferrita  Autenita , ( Fe-) Ferrita , (Fe - ) Perlita P, (+Fe3C) Bainita B apariencia

Descripción Solución sólida intersticial de carbono en hierro (BCC) Solución sólida intersticial de carbono en hierro  (CFC) Solución sólida intersticial de carbono en hierro  (BCC) Eutectoide de ferrita  y cementita con microestructura laminar de Placas alternas de Fe- y cementita Eutectoide de ferrita  y cementita. La ferrita  puede tener

plumosa o de placas. Las partículas de carburo están entre regiones de ferrita . Ledeburita (Fe- + Fe3C) Eutéctico de austerita y cementita. De estructura laminar parecida con la perlita. Típicamente encontrada en fundiciones Esferoidita (cementita globular Partículas esféricas de cementita en una matriz de ferrita  Martensita Solución Sólida intersticial de carbono en estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (TCC) del hierro. Aceros hipoeutectoides Aleaciones de composición a la izquierda de la reacción Eutectoide Aceros hiperutectoides Aleaciones de composición a la derecha de la reacción eutectoide. Ferrita proeutectoide Ferrita que se forma antes de la reacción eutectoide Cementita proeutectoide Cementita que se forma antes de la cementita eutectoide

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5. PROCEDIMIENTO

5.1. El profesor guarda una probeta patrón recocida y entrega 4 probetas recocidas. Las dos primeras (SAE1045 y SAE1020) se enfrían al agua. La tercera se enfría al aceite y la cuarta al aire. Es conveniente, conocer e identificar las propiedades más importantes del material al cual se le va a realizar el tratamiento térmico, para ello, consultar el manual Bohler de aceros. 5.2. En clase, utilizando el manual del proveedor del acero y el diagrama Fe-C, se determinará la temperatura que exige el tratamiento térmico de acuerdo al material escogido, el horno de mufla se gradúa a la temperatura más un plus de 50°C. 5.3. Tomar la dureza, tres veces, a la probeta en estado recocido. Para ello, configurar el Durómetro de acuerdo con el material tratado, seleccione la escala adecuada, medir, obtener el promedio. La dureza de esta probeta será la dureza referencial. 5.4. Introducir las probetas al horno por un tiempo de 20 minutos. En esta actividad es fundamental el uso de los elementos de protección personal establecidos, pues las temperaturas de trabajo son altas. 5.5. Sacar la probeta del horno (con las pinzas) e inmediatamente sumergirla,, agitándola, en el elemento escogido para enfriarla según el tratamiento y el material que se esté trabajando. Si se utiliza aceite para enfriarla, es muy importante que se tenga cuidado con las salpicaduras de éste, se sostiene el tiempo suficiente para que la probeta se enfríe 5.6. Posteriormente la pieza se pule con una lija 320 para eliminar las partículas de óxido originadas por el tratamiento térmico. Luego se limpia. 5.7. Con la probeta debidamente lijada y limpia, se procede a medir la dureza final. 5.8. Se inicia el proceso de preparación metalográfica de acuerdo al procedimiento del laboratorio N° 3: Desbaste, Pulido y Ataque químico.

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5.9. Con la probeta atacada se realiza la observación metalográfica para identificar los microconstituyentes correspondientes a cada tratamiento. Una vez terminada la prueba, se deben colocar todos los elementos utilizados en su respectivo sitio, y se debe dejar el lugar limpio y en orden. 6. RESULTADOS DEL ENSAYO ( depende del número de probetas entregada) MATERIAL

Dureza inicial

Dureza final

Acero AISI 1020 Acero AISI 1045

Tipo de Tratamiento Térmico Recocido Recocido

Acero AISI 1020 Acero AISI 1045

Normalizado Normalizado

Acero AISI 1020 Acero AISI 1045

Temple en aceite Temple en aceite

Acero AISI 1020 Acero AISI 1045

Temple en agua Temple en agua

Microestructura observada

7. OBSERVACIONES -Observe el choque térmico al enfriar la probeta en agua. -La capa de óxido que se forma en el calentamiento. -El comportamiento de los materiales cuando se realiza el ensayo a la lima. 8. TAREA -Dibuje la microestructura observada en las probetas de cada tratamiento. -Compare las durezas obtenidas con la referencial y explique las diferencias. -Asocie las durezas a los cambios en la microestructura observada en el microscopio. -Describa minuciosamente las microestructuras (forma, tamaño, fases) observadas en el microscopio con las mostradas de los libros. 9. RUBRICA DE EVALUACION. -Ver la parte en la rúbrica del laboratorio correspondiente al informe. 8. REFERENCIAS SHACKELFORD, James F. (2010) Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Madrid : Pearson Educación.

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(620.11 SHAC/I) SMITH, William Fortune (2006) Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. México, D. F. : McGraw-Hill. (620.11 SMIT 2006) ASKELAND, Donald R. (2004) Ciencia e ingeniería de los materiales. México, D. F. : International Thomson Editores. (620.11 ASKE) Manual Bohler de aceros.

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