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LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TERMICOS TEMPLE DE UN ACERO CON AUSTENIZACION COMPLETA

CARDOZO GRANADOS EDISON DANILO 201320457

Ing. Msc. Mónica Isabel Melgarejo Rincón Docente de ingeniería

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA METALURGIA TUNJA 2016

TAMAÑO DE GRANO

TRANSVERSAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO 8

8

3

4 1000 X 100 X

Fuente: autor

Fuente: autor Factor de corrección Q (para Mb=1000x) N 23 ´ L= i = N L 500 /1000 M ¿ 46 (Numero de granos x mm)

Factor de corrección Q (para Mb=100x) M Q=6.64 log10 Mb 100 Q=6.64 log10 =0 100 G=6+0=6

( ) ( )

´ ) = ( 6.643856 ∙ log1 G=( 6.643856 ∙ log 10 N

El tamaño de grano que se observa en esta micrografía a 100X de acero 1040 es G=6 y el factor de corrección es cero para esta magnificación.

El tamaño de grano que se observa en esta micrografía a 1000X de acero AISI 1040 es G=11,04.

 Qué diferencias encontró entre el tamaño de grano antes y después del tratamiento térmico? Los granos varían en tamaño después del tratamiento debido a que no son del mismo tamaño, ni de la misma forma, debido a que el acero AISI 1040 templado desarrollo estructuras martenciticas.

2

 Si encontró cambios en el número de tamaño de grano después de la aplicación del tratamiento térmico, explique metalúrgicamente por qué sucedieron. Los cambios de tamaño y forma de grano, se dieron por la transformación de la perlita en austenitaa una temperatura ligeramente superior a la temperatura crítica y un enfriamiento rápido en agua para obtener una transformacionde la austenita en martencita, que se presenta en forma de agujas coexistiendo con la ferrita y un porcentaje de austenita.1

LONGITUDINAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO 11

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4

6 1000 100 X

Fuente: autor

Fuente: autor Factor de corrección Q (para Mb=100x) M Q=6.64 log10 Mb 100 Q=6.64 log10 =0 100 G=6+0=6

Factor de corrección Q (para Mb=1000x) N 92 i = N´ L = =72(Numero de g L/ M 500/1000

( ) ( )

´ ) = ( 6.643856 ∙ log G= ( 6.643856 ∙ log10 N 1

El tamaño de grano que se observa en esta micrografía a 100X de acero

El tamaño de grano que se observa en esta micrografía a 1000X de

1 GRINBERG, Dora Maria K. De. Tratamientos térmicos del acero y sus prácticas de laboratorio. MexicoLimusa-1986. 84p.

3

1040 es G=6 y el factor de corrección es cero para esta magnificación.

acero AISI 1040 es G=12,33.

 ¿Qué diferencias encontró entre las micrografías tomadas en corte trasversal a las tomadas en corte longitudinal? En las micrografías sin tratamiento no se observa mayor diferencia en el tamaño de grano entre la microestructura longitudinal y la microestructura transversal, por lo cual se puede afirmar que las fases están bien distribuidas en la muestra, mientras que en la muestra de acero AISI 1040 que se trató térmicamente,se notan más grandes los granos en sección longitudinal que en sección transversal.  Calcule en porcentaje la diferencia. El porcentaje de diferencia de grano del acero AISI 1040 sin tratamiento y del acero AISI 1040 templado conaustenizacioncompleta se da por el siguiente método: -

-

Se miden los granos de la micrografía con una regla común. La dimensión del grano de la muestra tratada la restamos a la del grano de la muestra sin tratamiento y la diferencia la dividimos en la dimensión del grano de la muestra sin tratamiento. La operación la multiplicamos por 100% para obtener el porcentaje de diferencia, así:

Diferencia ( % ) =

Tf −Ti × 100 Ti

Donde: Tf es la dimensión del tamaño de la muestra tratada térmicamente. Ti es la dimensión de la muestra sin tratamiento.

Entonces, Tf = 1,5 cm 4

Ti = 1 cm Diferencia ( % ) =

1,5 cm−1 cm ×100=50 % 1 cm

El porcentaje de diferencia es de 1.7 % con lo que deducimos que el temple conaustenizacion completa aumentoel tamaño de grano del material en un 1.7%.

FASES PRESENTES

ANTES DEL TRATAMIENTO

DESPUES DEL TRATAMIENTO

1000 X 500 X

Fuente: autor

Fuente: autor Ferritaproeutectoide 80−40 α= × 100=50 % 80−0 Perlita total 40−0 ×100=50 % φ= 80−0 Ferrita total 6.67−0.4 × 100=94 % α= 6.67−0 Cementita total

Las cantidades relativas de fases del acero AISI 1040 tratado térmicamente por temple son complejas de determinar en la práctica por métodos teóricos por esta razón se omite en este informe. Pero cabe aclarar que las fases presentes en este acero tratado son una matriz ferritica y austenita con

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β=6.0 %

un nuevo microcontituyente llamado martencita, producto del tratamiento temple con austenizacion completa enfriado en agua.

Con la micrografía anterior y la ayuda del diagrama FeC se deduce que el acero 1040 es un acero hipoeutectoide con 94% de una matriz ferritica, 6.0% de cementita y 50% de perlita.

Las fases en estos casos generalmente se hallan con un programa computarizado con el que no contamos en estos momentos.

En la microestructura la ferrita se observa de un color amarillo claro y la perlita como negro claro reproduciendo la “huella dactilar” mientras que la cementita no se identifica facilmente.

 Explique metalúrgicamente el tipo de trasformación de fase que se produjo debido a la aplicación del tratamiento térmico (utilice diagrama). Teóricamente en el temple realizado, lo mismo que en el recocido de regeneración de los aceros hipoeutectoides, toda la masa de acero debe encontrarse en estado austenitico en el momento de comenzar el enfriamiento. Si entonces se enfría el acero con rapidez, todo el material queda con gran dureza y la transformación de la austenita ocurre generalmente por debajo de 350 °C, o sea, a temperatura de mucho más baja que en el recocido. La estructura totalmente martensitica típica de los aceros bien templados, se consigue cuando aparece únicamente el punto Ar´´´, y esto ocurre cuando toda la austenita se transforma a bajas temperaturas, generalmente inferior a 350°C. La menor velocidad con la que se consigue el punto Ar´´´ se llama velocidad crítica de temple, y es la velocidad que hay que rebasar para conseguir la estructura totalmente martensitica y un temple teóricamente perfecto2.

2 APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos de los aceros. Ed Dossat, Madrid – España. 1985. 108p.

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ANALISIS DE CARBUROS

ANTES DEL TRATAMIENTO

DESPUES DEL TRATAMIENTO

500 X

1000 X

Fuente: autor

Fuente: autor

El acero AISI 1040 trabajado no presenta carburos debido a que los únicos constituyentes son ferrita y perlita, es decir, es un acero hipoeutectoide.  Todos los aceros presentan carburos? Explique. Los carburos están presentes solamente en aceros hipereutectoides y en las fundiciones de hierro. No se encuentras carburos en aceros hipoeutectoides debido a que son aceros cuyos constituyentes son ferrita y perlita. La cementita o carburo de hierro primario o proeutéctico aparece en los aceros con más de 0.8%C o en aceros recocidos formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita. También se presenta formando parte de la perlita y se llama cementitaperlitica o eutectoide.

7

Como lacementita globular se presenta en forma de pequeños glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita cuando los aceros de 0.9 a 1.4% de carbono han sufrido un recocido a temperaturas próximas a 721°C.3

3 APRAIZ BARREIIRO, José. Tratamientos de los aceros. Ed Dossat, Madrid – España. 1985. 108p.

8

DUREZAS 

El ensayo de dureza se hizo bajo la norma ASTM E 140 en un durómetro Rockwell y las lecturas tomadas se hicieron con Rockwell C según lo indica la norma para aceros resistentes o tratados térmicamente. La carga aplicada en este ensayo fue de 1471 N y el identador era punta de cónica de diamante.



La dureza del acero AISI 1040 sin tratamiento fue tomada con un durómetro Rockwell y las lecturas tomadas se hicieron con Rockwell B según lo indica la norma para aceros de bajo y medio carbono. La carga aplicada en este ensayo fue de 980,665 N y el identador era punta de bola de 1/16”.

TRANSVERSAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO

Fuente: autor DUREZAS ROCKWELL B ( ´x ) 69,5+63 + 69 + 70,5 ´x = =68 HRB 4

Fuente: autor DUREZAS ROCKWELL C ( ´x ) 51.5+54 + 57 + 55 + 54 ´x = =54.3 HRC 5

La dureza tomada en el laboratorio a la probeta de acero AISI 1040 está en relación con la dureza teórica que debiera tener el material.

Efectivamente el tratamiento de temple genero cambios mecánicos como lo es en la dureza, pues el material es más duro superficialmente. En este caso las durezas tomadas son equivalentes a las durezas teóricas para un acero AISI 1040

9

templado conaustenizacion completa.

LONGITUDINAL ANTES DEL TRATAMIENTO DESPUES DEL TRATAMIENTO

Fuente: autor DUREZAS ROCKWELL B ( ´x ) 71,5+ 72,5 + 72+ 72,5+71 ´x = =71,9 HRB 5 Las durezas en sección transversal y en sección longitudinal no varíanpor lo que puede deducirse que las cantidades de las fases están en equilibrio físicamente.

Fuente: autor DUREZAS ROCKWELL C ( ´x ) 55 + 57 + 51 + 52 + 51 +47 + 53.5 + 55 ´x : 9 Las durezas que se obtuvieron en sección longitudinal varían pocos grados de dureza con respecto a las durezas tomadas en sección transversal. En este caso las durezas después del tratamiento también fueron modificadas, así como los demás factores mecánicos de la muestra en esta sección.

 Explique metalúrgicamente y/o físicamente el cambio de durezas (si se presenta) en el acero después de la aplicación del tratamiento térmico y su influencia en las propiedades mecánicas del material. 10

Con el temple se aumentó la dureza y se mejoró la resistencia mecánica del acero, esto se debe a que el acero se lleva a una temperatura más elevada que la temperatura critica superior y luego se enfríamas o menos rápidamente, con lo que se obtiene un microconstituyente duro y frágil llamado martencita. La influencia del tratamiento térmico (temple) sobre las propiedades mecánicas en el acero AISI 1040 fue aumentar la dureza, la resistencia mecanica, tenacidad del acero y eliminar la segregación química y cristalina.4

ANALISIS DE RESULTADOS GENERALES 4http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201018.pdf (05/03/16)

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El tratamiento de temple con austenizacion completa que se realizó al acero AISI 1040 se llevó a cabo a una temperatura de 928°C, la cual está por encima de la temperatura teórica para este tratamiento que es de 840°C, este incremento de temperatura se hizo con el fin de no perder demasiada energía calórica del acero al ser sacado de la mufla para proceder a enfriarlo rápidamente en agua. Este tratamiento nos permitió analizar nuevas características mecánicas y micrográficas como los es el tamaño de grano, la cantidad de cada fase presente, el aumento de la dureza, el aumento de la resistencia mecánica y tenacidaddel acero, las cuales cambiaron por la subsecuente transformación de la austenita a temperaturas ligeramente superiores a la temperatura crítica y el enfriamiento rápido en agua con una constancia de un minuto. En las micrografías sin tratamiento no se encuentra mayor diferencia respecto al tamaño de grano mientras que en las micrografías de la muestra tratada se observa que los tamaños de grano varían, donde los granos son más grandes en sección longitudinal que en sección transversal. Para comparar los cambios de tamaño de grano de los aceros AISI 1040 sin tratamiento térmico y el tratado por temple se hizo el siguiente análisis. Entre las micrografías de la muestra sin tratamiento y de la muestra tratada térmicamente, hay una diferencia de tamaño expresada en porcentaje de la siguiente manera: Diferencia ( %) =

Tf −Ti × 100 Ti

Donde: Tf es el diametro del tamaño de la muestra tratada térmicamente. Ti es el diametro de la muestra sin tratamiento.

Los diametros se hallaron midiendo los granos de la muestra sin tratamiento térmico y de la muestra tratada mediante una regla milimétrica.

Entonces, 12

Tf = 1,5 cm Ti = 1 cm Diferencia ( % ) =

1,5 cm−1 cm ×100=50 % 1 cm

El porcentaje de diferencia es de 50 % con lo que deducimos que el temple con austenizacion completa aumento el tamaño de grano del material en un 50%. El tamaño (G) de los granos se describe en la siguiente tabla:

Tabla 1. Relación de tamaño de grano.

Fuente: ASTM E 112 de 10 05 1996 REAPROBADA 2004 Acero AISI 1040

Acero templado -Sección transversal

Acero templado -Sección longitudinal

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En la tabla anterior se muestra la equivalencia de los tamaños de grano en relación con los milímetros y pulgadas. En la microestructura se puede notar que los granos de la muestra tratada son más grandes especialmente debido a que la microestructura está compuesta de una matriz ferrita yaustenita con un nuevo microconstituyente producto del tratamiento del tratamiento de temple con austenizacion completa enfriado en agua llamado martencita. Las cantidades de fases relativas no fueron halladas para el acero AISI 1040 tratado termicamente debido a que es muy complejo realizar este procedimiento con los métodos básicos, mientras que para el acero AISI 1040 sin tratamiento se calcularon las cantidades de fases relativas usando el diagrama Fe-C, como se muestra a continuación: Fig.1 Diagrama hierro-carbono

Fuente: diagrama hierro-carbono. http://slideplayer.es/slide/159199/

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Para hallar las cantidades relativas del acero AISI 1040 sin tratamiento usamos la regla de la palanca donde la línea azul nos denota 100% de Fe y la línea roja 100% decementita(Fe3C). 

Las cantidades relativas de cada fase para el acero AISI 1040 tratamiento son: Ferrita proeutectoide 90−40 α= × 100=56 % 90−0

sin

Perlita total 40−0 ×100=44 % φ= 90−0 Ferrita total 6.67−0.4 × 100=94 % α= 6.67−0 Cementita total β=6.0 % La dureza del material cambio con el tratamiento térmico por que la transformación de la austenita se dio por debajo de 350°C como sucede generalmente. Con la transformación de la austenita en el enfriamiento rápido, se obtuvo la martencita la cual es un microconstituyente más duro y frágil, lo que explica el aumento de dureza en el material después del tratamiento. 

Las cantidades de fases relativas para el acero tratado térmicamente por temple con austenizacion completa no se pueden hallar con ayuda del diagrama debido a que el nuevo microcontituyente (martencita) no hace parte de este, pero claramente se puede deducir en la micrografía que presenta fases de farrita, austenita y martencita como se indica en la fig 1.

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Fig 1. Fases presentes en el acero AISI 1040 después de templado Martencita

Ferrita Austenita

1000 X

Fuente : autor. Como se observa en la micrografía anterior, las áreas blancas representan a la austenita presente en el acero, las áreas amarillas señalan presencia de ferrita y las áreas negras o agujas representan la martencita obtenida por acción del tratamiento térmico. El calentamiento durante el proceso de temple por austenizacion completa se describe en la siguiente gráfica: Grafica. 1 Curva de calentamiento para temple por austenizacion completa de acero AISI 1040.

Temperatura(°C)

CALENTAMIENTO PARA TEMPLE POR AUSTENIZACION COMPLETA 928 1000 831846 900 762 800 683 604 700 523 600 444 500 365 400 284 300 204 200 128 10034 0 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (min)

Fuente: autor. 16

928

70

80

90 100

Como se muestra en la gráfica el tiempo para llegar hasta la temperatura de temple por austenizacion completa duro 58 minutos y enseguida la muestra permaneció en la mufla a la temperatura de 928°C durante 30 minutos como se denota con la línea roja para finalmente enfriar lentamente en agua por un minuto. Enseguida de este procedimiento se realizó el análisis metalográfico comparando con el acero AISI O1 sin tratamiento.

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CONCLUSIONES  Llevando a cabo el tratamiento térmico de temple con austenizacion completa, se pudieron obtener las propiedades físicas esperadas.  Con esta práctica de laboratorio se logró comprender el objetivo de un temple con austenizacion completa.  Con los resultados obtenidos, analizamos las características de un acero temple con austenizacion completa.  Se puso en práctica la interpretación del diagrama Fe-C para determinar la temperatura de temple por austenizacion completa para un acero hipoeutectoide.

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BIBLIOGRAFIA APRAIZ BARREIIRO, José. Tratamientos de los aceros. Ed Dossat, Madrid – España. 1985. GREAVES, Richard Henry. Metalografía microscópica Departamento de investigación de Woolwic, 1966. 100 p.

práctica.

Bilbao.

GRINBERG, Dora Maria K. De. Tratamientos térmicos del acero y sus prácticas de laboratorio. México. Universidad nacional autónoma de México,1986.

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