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TEMPLABILIDAD DE ACEROS-MAT.METALICOS I

I- GUIA DEL ENSAYO JOMINY 1. OBJETO Determinación de la templabilidad de un acero, a partir de la realización del ensayo Jominy. 2. TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE 2.1. DEFINICIÓN Se define temple como el tratamiento térmico consistente en el enfriamiento continuo tras la austenización del material en un medio de enfriamiento suficientemente rápido para evitar las transformaciones perlítica y bainítica y obtener una estructura martensítica. 2.2. TEMPLABILIDAD Se define la templabilidad como la aptitud de los aceros para dejarse penetrar por el temple. Esta propiedad de los aceros tiene un significado totalmente distinto de la capacidad de temple, reflejando esta última la capacidad de un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante un temple. En consecuencia, si tuviéramos un acero al cromoníquel y un acero al carbono, detectaríamos que en el primero penetra mucho más el temple que en el segundo, y podríamos decir, por tanto, que la templabilidad de los aceros al carbono es menor que la de los aceros al cromoníquel. Por tanto, la templabilidad se refiere únicamente a la facilidad de penetración por el temple y no a las características obtenidas por él. Volviendo al ejemplo anterior, podríamos comprobar que un acero con 0,6% de carbono, al templarlo, adquiere una dureza superior a la del acero al cromoníquel, lo que equivale a decir que tiene una mayor capacidad de temple. Sin embargo, la templabilidad del acero al cromoníquel, es mucho mayor que la del acero al carbono, según vimos anteriormente. También se puede definir la templabilidad como la capacidad de penetración de la dureza a lo largo de una sección de una pieza, o capacidad de formación de martensita en la sección de una pieza cuando se enfría desde la temperatura de austenización. La templabilidad es buena cuando se obtiene un 50% de martensita después del temple, o con una dureza 50-55 HRC. En cualquier enfriamiento en un medio de temple, ya sea al agua o al aceite, existen tres etapas principales. Nada más introducir la pieza en el medio de temple, su temperatura es muy superior a la temperatura del medio y a su temperatura de ebullición así que se crea una capa de vapor que rodea la pieza y que produce una disminución en la velocidad de enfriamiento porque impide el contacto directo de la pieza con el medio. Al seguir enfriando, se rompe esta capa de vapor en algunas zonas y aumenta la velocidad puesto que ya existe contacto directo del medio con la pieza. Esta es la segunda etapa del enfriamiento. Finalmente, el medio sufre un aumento de la temperatura al estar en contacto con la pieza y vuelve a disminuir la velocidad de enfriamiento, debido al calentamiento que sufre el medio.

El enfriamiento de un material en un medio de temple depende de: a) la conductividad del medio, b) del material y c) de la interfase entre el medio y el material. Si Q es intercambio de calor de la superficie al medio y Q´ la transferencia de calor entre la superficie y el interior de la pieza de diámetro D, entonces se tiene: Donde: M: coeficiente de película. Depende del medio. Tm: temperatura del medio. Ts: temperatura de la superficie del metal. Ti: temperatura del interior de la pieza. K: conductividad del material Así, llamando H a la severidad de temple: 1

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2.3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TEMPLABILIDAD Influyen en la templabilidad principalmente los elementos aleados y el tamaño de grano. La dureza máxima depende del contenido en carbono. Los elementos que más favorecen la penetración del temple, es decir, la templabilidad, son principalmente el manganeso, el molibdeno y el cromo.

La disminución de la velocidad crítica de temple, Vc que producen los elementos aleados, se traduce en un aumento de la templabilidad. En la figura izquierda se representa el diagrama TTT de un acero al carbono. La zona templada es la A-B. En la figura derecha se representa el diagrama TTT de un acero al cromo-níquel, que está desplazado a la derecha, disminuyendo la velocidad de temple Vc y aumentando, por tanto, la zona templada de la pieza, que es A-C. Siendo la templabilidad una característica importante en la elección de los aceros, sobre todo para la fabricación de piezas grandes, se ha trabajado mucho en su determinación y valoración. La determinación de la templabilidad puede hacerse por el examen de las fracturas de probetas templadas, por medio de las curvas en U y más exactamente por el diámetro crítico ideal o por el ensayo Jominy. 2.4. DIÁMETRO CRÍTICO IDEAL Se denomina diámetro crítico ideal al diámetro máximo que puede tener una barra de acero de composición y tamaño de grano determinados, para que al templarla en un medio de capacidad de enfriamiento infinita tenga en su núcleo un 50% de martensita. El valor de este diámetro es independiente del medio de enfriamiento y de las condiciones en que se realiza. El diámetro crítico ideal valora la templabilidad expresada por un número de gran utilidad práctica, pues permite calcular, el diámetro máximo de acero templado en cualquier medio, para obtener en un núcleo un 50% o un 90% de martensita. En la figura siguiente se recoge la variación de los diámetros críticos para distintos porcentajes de martensita:

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2.5. CÁLCULO DEL DIÁMETRO CRÍTICO IDEAL El valor del diámetro crítico ideal (en pulgadas) de un acero determinado, de composición y tamaño de grano conocidos, se puede calcular con la siguiente fórmula: Diámetro = G(%C) El coeficiente G depende del tamaño de grano ASTM, según la tabla o gráfica:

Si el acero contiene elementos de aleación, se multiplica el valor anterior por los coeficientes obtenidos de dicha tabla. Diámetro critico ideal = G(%C) x coef. Aleantes. EJEMPLO: Un acero de 0.3%C con un tamaño de grano 8 ASTM tiene un diámetro crítico ideal de: G(%C): 8(0.3)= 0.17 (TABLA). Calculando, el diam. crítico ideal= 0.17” EJEMPLO: Un acero con un tamaño de grano 6 ASTM, de composición: 0.4C-0.1Mn-0.2Cr, tiene un diámetro crítico ideal de: G(%C): 6(0.4)= 0.23; Aleantes (tabla): 1.333 (Mn)x1.432 (Cr), Calculando: el diam. crítico ideal= 0.23x 1.333x1.432= 0.44”

3. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 3

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La templabilidad viene definida por la curva TTT y la penetración del temple por la interacción de esa curva con las de enfriamiento. Por tanto, si se comparan entre sí los resultados de templar una pieza de un mismo tamaño empleando igual severidad de enfriamiento, el resultado del temple dependerá exclusivamente del acero. En ello se fundamenta el ensayo Jominy. 3.1. ENSAYO JOMINY Para determinar la templabilidad y el diámetro crítico de un acero se utiliza el ensayo Jominy ((Norma UNE-EN ISO 642- Ensayo de templabilidad por templado final). un criterio usual de aceptación de un acero es si su curva Jominy está comprendida en su banda de templabilidad. El ensayo consiste en enfriar una probeta cilíndrica, de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, desde uno de los extremos con un chorro de agua, después de haber introducido la pieza en un horno a una temperatura superior a la de austenización correspondiente y durante un tiempo determinado. La curva Jominy, en la que se representan los valores de dureza (HRC- Rockwell C) frente a la distancia al extremo templado, se dibuja a partir de esos ensayos de dureza. Las curvas serán más horizontales cuanto mayor sea la templabilidad de un acero. Se obtienen asi un enfriamiento variable a lo largo de la probeta, con la consiguiente variación en la dureza del material. En la siguiente figura se compran dos aceros, uno con su curva TTT mas próxima al origen de tiempos (acero 1) que el otro (acero 2). Dado que la templabilidad es una medida cualitativa con que la dureza disminuye con la distancia al extremo templado D, el acero 1 es menos templable que el 2, al mantener este último valores elevados de dureza durante distancias relativamente mas largas.

EJEMPLO: Curva Jominy de un acero, junto con valores de velocidades de enfriamiento y resistencia y Curva de velocidades de enfriamiento de la probeta Jominy de un acero.

4. RESULTADOS 4

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La representación gráfica de los valores de dureza (HRC) respecto a la distancia (x) proporcionará un tipo de curva característica, que indicará la profundidad de temple en el material, es decir, hasta qué distancia (desde el punto de incidencia del chorro de agua) ha habido transformación martensítica. La región que haya sufrido dicha transformación presentará valores de dureza muy superiores a los de material de origen. La medida de templabilidad de un acero vendrá determinada por la forma de la curva, ya que cuanto más desplazado hacia la derecha se halle el punto de inflexión (hacia mayores valores de x) tanto más podrá penetrar el temple en el material. Esta tabla de velocidades de enfriamiento en función de la distancia de cada punto de la generatriz al extremo templado puede obtenerse gráficamente:

CURVAS JOMINY (I) Izq: Curvas de templabilidad para cinco diferentes aceros aleados que contienen 0.40 %C y diferentes cantidades de estos elementos aleantes. Una probeta es de acero al carbono (1040) y las cuatro restantes (4140, 4340, 5140 y 8640) son aceros aleados. Dcha: Correlación entre templabilidad e información del enfriamiento continuo del acero de composición

eutectoide

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EJEMPLO: Indicar en la figura anterior las dureza de los aceros 4340 y 8640 para una distancia de 2 pulgadas (50mm). Las durezas de las aleaciones 4340 y 8640 son 50 y 32 HRC. Los perfiles de dureza de la figura anterior indican la influencia de la velocidad de enfriamiento en la microestructura. En el extremo templado, donde la velocidad de temple es aproximadamente de 600 °C/s, se forma martensita 100 % en las cinco aleaciones. A velocidades de enfriamiento menores de 70 °C/s o distancias Jominy mayores de 6.4 mm, la microestructura del acero 1040 (acero al carbono) es predominantemente perlítica con restos de ferrita proeutectoide. Sin embargo, la microestructura de los cuatro aceros aleados consta fundamentalmente de una mezcla de martensita y de bainita; donde el contenido de bainita crece al disminuir la velocidad de enfriamiento. Las curvas de templabilidad también dependen del contenido en carbono, como se observa en la figura para el acero 86xx:

Curva jominy de distintos aceros (izq) y bandas de templabilidad (dcha) 4.1 BANDAS DE TEMPLABILIDAD

En la fabricación a escala industrial del acero se producen pequeñas variaciones en composición y tamaño de grano, lo que modifica los datos de templabilidad. Por este motivo, estos datos se suministran en forma de banda, donde están representados los valores máximo y mínimo para una aleación particular. Las bandas de templabilidad nos dan las curvas, máxima y mínima, de templabilidad que limitan la zona dentro de la cual se debe encontrar la curva Jominy del acero que se está estudiando. Se realizan con la composición química entre tolerancias que especifica la Norma. Se construyen dos aceros, uno con la composición máxima y otro con la mínima y se realizan los respectivos ensayos Jominy. La denominación normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H (Hardernability), para indicar que la composición y características de esta aleación son tales que su curva de templabilidad entra dentro de la banda específica. Como ejemplo, se muestran las bandas de templabilidad del acero 8640H.

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II- DETERMINACION DE LA DUREZA EN EL INTERIOR DE REDONDOS DE ACERO Durante el temple de una probeta de acero, la energía térmica se debe transportar a la superficie antes de que ésta pueda disiparse en el medio de temple. Por consiguiente, la velocidad de enfriamiento en el interior de la estructura del acero varía con la posición y depende del tamaño y de la geometría de la probeta. La severidad de temple indica la velocidad de enfriamiento, asi de los medios de temple mas usados, el agua es el mas severo, seguido por el aceite y el aire. Para un acero al carbono, el enfriamiento al aire generalmente da lugar a una estructura casi totalmente perlítica. Igualmente el grado de agitación del medio también influye en la velocidad de eliminación de calor, al igual que el tamaño y la geometría de la pieza. Calcular la dureza que se produce en puntos situados en el interior de redondos de un acero al templarlo en medios de distinta severidad puede llevarse a cabo gracias a los gráficos de Lamont. La geometría es por ello sencilla: un cilindro y se varia el tamaño y la severidad de temple. Las curvas que construyo Lamont determinan la posición del punto por la relación r/R, donde r es la distancia al centro del redondo y R el radio del mismo. Se trata de once gráficos para los valores comprendidos entre r/R=0, correspondiente al centro del redondo, y r/R=1 correspondiente a la periferia del mismo. En ordenadas representamos el diámetro del redondo y en abscisas la distancia al extremo templado de la probeta Jominy. Correspondiendo cada curva a una severidad de temple.

Ejemplos de curvas de Lamon para distintas relaciones r/R EJEMPLO A1: Determinar la velocidad de enfriamiento que se produce en un punto situado a 12 mm del centro de un redondo de acero de 80 mm de diámetro al templar en agua (severidad de temple igual a 1) Primero se calcula la relación: r/R = 12/40 = 0,3 7

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Acudiendo al grafico de Lamont de r/R=0.3 y tomando el valor de abscisas de 80mm, hasta corta a la curva de severidad de temple=1:

Vemos que le corresponde una velocidad de enfriamiento igual al del punto situado a 20 mm del extremo templado de la probeta Jominy. Finalmente para determinar cual es la velocidad de enfriamiento empleamos el grafico velocidad/distancia jominy, tomando en ordenadas 20mm (0.8”, aprox. 12/16”). Luego la velocidad de enfriamiento es 14ºC/s. Asi de su curva Jominy se obtiene la dureza, 27-48HRC para el acero I. Para 0.9”, unos 10/16”, el intervalo seria 25-43HRC si se emplea la banda de curvas jominy siguiente:

EJEMPLO A2: Determinar la velocidad de enfriamiento que se produce en un punto situado a 20 mm del centro de un redondo de acero de 80 mm de diámetro al templar en ACEITE (H=0.5). Luego r/R = 20/40 = 0,5, X=0.9” (15/16”), 32HRC si se emplea la curva Jominy de la pag 4 EJEMPLO A3 : Determinar la velocidad de enfriamiento que se produce en un punto situado a 50 mm del centro de un redondo de acero de 100 mm de diámetro al templar en ACEITE (H=0.7). Luego r/R = 50/50 = 1,0, X=0.3” (5/16”), 46HRC si se emplea la curva Jominy de la pag 4

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Así mismo las curvas de Lamont permiten determinar la severidad de temple. EJEMPLO B1: Se dispone de una aceite para temple que proporciona en un redondo de 55 mm de diametro una dureza de 40HRC a una distancia de 13.75mm del centro de un acero cuya curva jominy es conocida (pag 4) De la curva Jominy , obtenemos la distancia para el valor de dicha dureza en el acero que es de 8/16”=1/2”=12-13mm:

Calculando la relación r/R=13,75/27.5=0.5, acudimos al grafico de Lamont. Tomamos en ordenadas ½”(distancia Jominy) y en abscisas 55mm (diámetro de redondo) , hasta que se corten con la curva de severidad de temple. En este ejemplo es la curva de H=0.7, pero también se podría dar como: 0.5...