Informe N°5 - Tratamientos térmicos PDF

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Summary

Objetivos:
● Determinar la diferencia de dureza entre los aceros al carbono y los aceros aleados.
● Determinar la influencia:
o Del porcentaje de carbono
o Los elementos aleantes
o La temperatura de calentamiento
o El medio de enfriamiento en el proceso de templad...

Description

QUINTO INFORME DE LABORATORIO LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

APELLIDOS Y NOMBRES:

PROFESOR: Sampén Alquízar, Luis Alberto CURSO-SECCIÓN: Ciencia de los Materiales - MC112 - B INSTITUCIÓN: Universidad Nacional de Ingeniería FECHA DE REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO: 27-06-2018 FECHA DE PRESENTACIÓN: 30-06-2018

2018-I

Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I

ÍNDICE 1. OBJETIVOS

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2. FUNDAMENTO TEÓRICO

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3. PARTE EXPERIMENTAL

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3.1. EQUIPOS Y MUESTRAS

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3.2. PROCEDIMIENTO

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4. CUADRO DE RESULTADOS

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5. OBSERVACIONES

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6. CONCLUSIONES

7

7. TEST DE COMPROBACIÓN

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8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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1. OBJETIVOS [1]: ●

Determinar la diferencia de dureza entre los aceros al carbono y los aceros aleados.

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I ●

Determinar la influencia: Del porcentaje de carbono o Los elementos aleantes o La temperatura de calentamiento o El medio de enfriamiento en el proceso de templado. - Establecer criterios de aplicación del procedimiento de templado. - Comprobar la dureza superficial de los aceros templados a diferentes condiciones. o

2. FUNDAMENTO TEÓRICO [4] [5] [6] [7]: La manera más versátil, drástica y práctica para modificar las propiedades físicas, químicas y mecánicas de los metales y aleaciones radican en un conjunto de operaciones que tiene por objeto alcanzar distintas temperaturas en procesos de calentamiento y de enfriamiento a diferentes velocidades. Estas operaciones, realizadas sobre los metales, reciben el nombre de tratamientos térmicos de los metales. 

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El tratamiento térmico de los metales es síntesis vendría a ser un conjunto de ciclos de calentamiento y enfriamiento a que se someten los metales para modificar su microestructura y por lo tanto sus propiedades. Metals Handbook, colección de libros sobre metalurgia editada por American Society for Metals de Metals Park, Ohio, EE.UU., define los tratamientos térmicos como una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicadas a un metal o aleación en una forma tal que producirá propiedades deseadas. Estas modificaciones de las propiedades amplían, día a día, las posibilidades de aplicación de los metales. Los avances conseguidos en el ámbito de los tratamientos térmicos son cada día más notables: la aparición de nuevos y sofisticados sistemas de calentamiento y de enfriamiento, el control cada vez más preciso y fiable de la atmósfera imperante en los hornos de tratamientos térmicos y el continuo progreso en el indagar en el conocimiento de la naturaleza de los metales y de las aleaciones hacen posible esta realidad. Los fundamentos de los tratamientos térmicos radican en Ias condiciones de equilibrio estable y metaestable, condiciones ubicadas en la microestructura y en los diagramas de equilibrio termodinámico de los metales y de Ias aleaciones. [...El hierro es el metal más utilizado por el hombre en los últimos 3000 años largos de su existencia, este material por ser uno de los más trabajados, el tener propiedades únicas respecto a otros metales y el conformar parte del acero gracias a la unión con el carbono y a modificar sus propiedades (de estas aleaciones) por tratamientos térmicos, se trabajará como referencia de las descripciones de conceptos que se detallarán a continuación...]

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CURVAS TRANSFORMACIÓN-TEMPERATURA-TIEMPO

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I A partir de una serie de curvas de relación isotérmicas determinadas a un cierto número de temperaturas se puede obtener importante información, como es la representación de la gráfica adjunta relativa a un acero al carbono de tipo eutectoide. Estos tipos de diagramas cinéticos son del máximo interés tecnológico, pues representa las posibilidades de los distintos tipos de aceros de experimentar tratamientos de ablandamiento y endurecimiento.

Figura 1. Temperatura-tiempo (TTT) para un acero al carbono (0.8%) eutectoide.

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ETAPAS DE UN TRATAMIENTO TÉRMICO

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I Cada proceso de tratamiento térmico consiste de los siguientes pasos individuales: 1. Calentamiento Eleva la temperatura de una pieza 2. Precalentamiento Calentamiento seguido de un mantenimiento a una o más temperaturas (precalentamiento de múltiples etapas) por debajo de la temperatura máxima seleccionada. El objetivo del precalentamiento es reducir las tensiones de fisuras ocasionadas por tensiones térmicas. 3. Calentamiento superficial Consiste en un calentamiento hasta que la zona superficial de la pieza obtiene una temperatura específica.

Figura 2. Muestra de elementos metálicos en la etapa de calentamiento a fondo, en donde las temperaturas alcanzadas tanto en la zona de periferia como en el núcleo es la misma.

4. Calentamiento a Fondo Calentamiento Superficial + igualación de Ia temperatura. 5. Mantenimiento Consiste en mantener una cierta temperatura sobre toda la sección. 6. Enfriamiento Consiste en disminuir la temperatura de una pieza. Todo enfriamiento que sucede más rápidamente que aquel que se presenta al aire quieto, es denominado temple. El tiempo de exposición antiguamente llamado tiempo de inmersión, en caso del temple en baño de sales), p.ej. el periodo de tiempo transcurrido entre la introducción de la pieza en el horno y su retiro, comprende el tiempo de calentamiento a fondo y el tiempo de mantenimiento. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos (tomado como referencia base al acero) son los que se describen a continuación:  Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, entre otros fluidos  Revenido: El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I  Recocido: Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material,  Normalizado: Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono.

Figura 3. Tratamientos térmicos para el acero

3. PARTE EXPERIMENTAL:

3.1. EQUIPOS Y MUESTRAS: EQUIPOS Horno eléctrico

MUESTRAS Acero AISI 1010

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I Durómetro Mitutoyo Banco de Metalografía

Acero AISI 1045 Acero AISI D6 (DIN X210)

3.2. PROCEDIMIENTO: a. Preparadas las probetas a las dimensiones requeridas, lijar la cara de aquellas que se ensayarán en el durómetro. b. Medir la dureza de las probetas a temperatura ambiente y anotar los resultados en la tabla correspondiente. c. Encender el horno y llevarlo a las temperaturas de 600, 830, 860 y 960 °C. d. Hacer el revenido a las temperaturas de 260, 360 y 460° C e. Colocar adecuadamente las probetas en el horno y esperar aproximadamente de 15 a 25 minutos para uniformizar la temperatura de las probetas. f. Extraer las probetas una por una, enfriándolas en el medio correspondiente. g. Una vez frías las probetas, limpiar una cara de la probeta y medir la dureza en el durómetro, anotar estos valores en la tabla correspondiente. h. Realizar la limpieza correspondiente. 4. CUADRO DE RESULTADOS: Temperatura °C Sin tratamiento 600 830 830 830 830 860 860 860 860 960 960 960 960 Temperatura de revenido °C 260 360 460

Dureza Brinell (HB) AISI 1010

AISI 1045

AISI D6

Medio de enfriamiento

138.4

228.8

233.7

-

142.6

206.0 197.9 185.4 318.2 532.2

192.5

Agua Horno Aire Aceite Agua Horno Aire Aceite Agua Horno Aire Aceite Agua Medio de enfriamiento

234.6

120.4 120.0 144.0 260.4 541.2 504.0 478.6 552.7 Dureza Brinell (HB) AISI 1045 450.2 450.2 317.4

AISI D6 552.7 497.6 488.9

Aire Aire Aire

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I 5. OBSERVACIONES:  

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 

En el durómetro se midieron los valores de dureza Rockwell B y C, sin embargo, para poder hacer la respectiva comparación y el análisis de los resultados se optó por convertir todos los valores a dureza Brinell. Al momento de la medición en el durómetro, se debe ser muy cuidadoso con el lijado de la probeta y la posición en la que se coloca; ya que al no ser ambas caras paralelas o al presentar diminutas fisuras en su superficie, se produjeron grandes desviaciones en algunas de las mediciones. A las mismas temperaturas menores de 860°C, no existe mucha diferencia entre las durezas de los aceros al carbono y los aleados, el 1045 se mantiene como el de mayor dureza debido a su mayor porcentaje de carbono. Por otro lado, son los aceros aleados los únicos que podían someterse a temperaturas mayores a 900 °C, obteniendo valores muy superiores de dureza. Al utilizar el agua como medio de enfriamiento, se obtuvieron mayores durezas en cada una de las pruebas. Con la realización del revenido en los aceros AISI 1045 y AISI D6 se establecieron altos valores de dureza, no se utilizó un medio de enfriamiento líquido como en las pruebas anteriores, que de esta manera obtenían los menores valores de dureza

6. CONCLUSIONES:  

  

En el registro de las durezas previo tratamiento térmico aplicado a un material es fundamental saber el tiempo que se le debe dar a cada probeta inmerso en el horno a fin de evitar cambios no deseados en las estructuras y durezas no predispuestas. Además del tiempo de tratamiento, la composición química es otro factor variable para determinar la temperatura a la cual serán tratados los materiales, para definirla debe basarse en diagramas de cambios de fases (como el de hierrocarbono sea el caso del acero). Las velocidades de enfriamiento para cada tratamiento térmico son diferentes, siendo el tiempo para el tratamiento de temple el más corto en comparación a los de normalizado y recocido. Los materiales sometidos a los tratamientos térmicos no modifican su composición química, sí sus propiedades mecánicas y/o estructurales. Para obtener mayores valores de dureza en aceros aleados, deben ser sometidos a temperaturas mayores a 900°C, en el caso de los aceros al carbono, alcanzan sus valores máximos de dureza alrededor de los 800°C

7. TEST DE COMPROBACIÓN [8] [9]: a. ¿Cuáles son las etapas de un tratamiento térmico? Las fases o etapas son: Calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I b. ¿Cuál medio de enfriamiento permite que el material adquiera mayor dureza? El medio más sinérgico, aquel medio en el cual se pueda extraer más rápidamente el calor que se le ha suministrado al material y para que la austenita se transforme en martensita. La sinergia es la actitud que tiene el medio de enfriamiento para extraer el calor. Depende del tipo de acero que se está enfriando. Por ejemplo, si es un temple de un acero aleado normalmente es aceite, y si es un acero al carbono normalmente es agua. c. ¿Qué aspectos influyen en la mayor dureza a obtener por un tratamiento térmico? Depende básicamente de cómo está constituido y como es su composición química, el tamaño de grano, el tamaño de las piezas y el medio de enfriamiento. d. ¿Cuándo se dice que un material es adecuado para ser templado? Cuando tiene la suficiente cantidad de carbono para formar martensita. Si es un acero aleado tiene que ver cuál de esos aleantes pueden formar estructuras martensíticas. Los de medio y alto carbono pueden ser templados, los de bajo carbono (menos de 0,25%C) solamente se endurecen por deformación plástica en frio. e. ¿Qué temperatura es la más adecuada para realizar el tratamiento térmico de un acero? Normalmente la temperatura depende del tipo de material y depende también si es de austenización completa o de austenización incompleta. La variante de temperatura se define de acuerdo con la composición del acero, esto es para saber si es hipoeutectoide, eutectoide o hiper-eutectoide; y se toma como referencia las curvas AC3, ACM y AC123. Por lo tanto, se concluye que la temperatura más adecuada es aquella que genere una trasformación de la masa del acero en austenita. f. De los aceros ensayados, ¿cual obtuvo la mayor dureza y en qué medio de enfriamiento? El acero para trabajo en frío AISI D6 – DINX210Cr12 sin tratamiento puede alcanzar una dureza máxima de 250 HB según sus especificaciones [3], sin embargo, a 960° y usando el agua como medio de enfriamiento logramos obtener un valor de dureza de 552.7 HB, el mayor de la tabla, el mismo valor se obtuvo con el mismo acero, esta vez realizando el revenido a 260° y dejando que sea el aire el que lo enfríe. Según las especificaciones en [3], son precisamente las temperaturas entre 950 y 970 °C las adecuadas para el templado. 8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: [1] Departamento de Ciencias e Ingeniería. Laboratorio de Ciencia de Materiales I. Laboratorio de tratamientos térmicos. 2018.

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Facultad de Ingeniería Mecánica 2018-I [2] Trelleborg Sealing Solutions. Conversor de dureza. https://www.tss.trelleborg.com/es/es/service/ desing_support/hardness_convertor/hardness_converter.html#conversion-342452606 (Consultado el 29 de junio) [3] Mecalux Logismarket. Metapol S.A. Acero para trabajo en frío (WNr 1.2436 – AISI D6 – DIN X210CrVV12). https://www.logismarket.com.ar/metapol/acero-para-trabajo-en-frio-3/15326111451515651944-p.html (Consultado el 29 de junio) [4] Robert L. Mott. Resistencia de Materiales. Propiedades de diseño de materiales. México:

Editorial Nancy Kesterson, 2009. 5ta edición. Biblioteca Virtual Pearson

[5] Donald R. Askeland. Ciencia e ingeniería de los materiales. Materiales de Ingeniería. Aleaciones ferrosas. México: Editorial International Thomson, 1998. 3era edición. [6] Voestalpine ONE STEP AHEAD (BÖHLER). Empresa. Tratamientos térmicos

http://www.bohlerperu.com/images/article/tratamiento_termico.pdf/ (Visitado el 26-06-2018) [7] Pere Molera Solá. Tratamientos térmicos de los metales. Hierro y acero. Fundamentos.

España: Editorial Boixareu, 1991.

[8] Jhon E. Nelly. Metalurgia y materiales industriales. Ed. Limusa. 2001 [9] José M. Lasheras. Materiales industriales. 1981.

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