I.TITULO : TEMPLE DE LOS ACEROS 4340 Y EJE DE TRANSMISION (3215) II.OBJETIVOS : 2.1 obtener estructuras martensiticas en el acero (transformar la austenita en martensita) 2.2 conocer correctamente los mecanismos y medio de temple de acuerdo al tipo de acero. 2.3 observar la inuencia de la temperatura de temple sobre la estructura y características mecanicas de los aceros
III. FUNDAMENTO TEORICO 3.1 TEMPLE Es una operación que se realiza calentando a una temperatura por encima del punto de transformación Ac3 o Ac1, enfriando con tal velocidad que se produzca un considerable aumento de la dureza, superficialmente superficialmente o hasta el núcleo de la pieza, lo que se debe en general a la formación de martensita. En la Fig. .1 se muestra la fran!a de temperatura utilizada utilizada para la austenización en el diagrama Fe"#.
Fig. .1$ %emperaturas de austenización para el temple, indicadas en el diagrama Fe"#
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Fig. .'$ #urso de la temperatura en el temple ordinario
Fig. .3$ Aplicación del diagrama %%% al temple ordinario.
&a Fig. .' indica el curso de la temperatura en el temple ordinario. (espu)s del calentamiento, se austeniza la estructura del acero a una temperatura superior a Ac3. En el enfria" miento r*pido posterior se transforma la austenita en martensita. &a formación de martensita est* influida, adem*s por la temperatura de temple, el tiempo de mantenimiento a ella + la forma de enfriamiento. i la temperatura de temple es demasiado alta, se forma una martensita de agu!as gruesas como consecuencia de la falta de g)rmenes + lo mismo ocurre si el tiempo de mantenimiento es demasiado largo. &a velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero + en todos los casos, ha de ser superior a la velocidad cr-tica. Este enfriamiento brusco aumenta las tensiones t)rmicas + de transformación engendradas en el acero, + en las piezas de forma complicada eiste el peligro de fisuración. /nmediatamente despu)s del temple, se aplicar* un revenido a temperatura de unos '00 #, que no afecta sensiblemente a la dureza, pero alivia las tensiones de temple. A la vez el acero se hace menos sensible al enve!ecimiento, porque parte de la austenita residual se transforma en martensita + bainitas, + la martensita tetragonal, en cúbica.
El temple ordinario se aplica a piezas que estar*n en servicio sometidas a eigencias no mu+ grandes + a herramientas en las que se pretende alcanzar penetración en el temple. A pesar de su sencillez, no se aplica a piezas de formas complicadas + materiales sensibles a la distorsión + fisuración, como consecuencia d e la brusquedad del enfriamiento. En la Fig. .3 se observa el proceso de temple ordinario graficado sobre un diagrama %.%.% %.%.%..
3.2 PRECALENTAMIENTO &a conductividad t)rmica del acero es peque2a a ba!as temperaturas, por lo que el #alentamiento origina tensiones t)rmicas que aumentan el peligro d e deformación o agrietamiento de las piezas. (e all- que el precalentamiento debe realizarse lentamente. ara aceros de construcciones mec*nicas + herramientas puede ser necesario precalentar hasta 400 a 5006 # cuando la temperatura de tratamiento es inferior a 7006 #, + de 500 a 8006 # cuando es superior a 7006 #. En aceros r*pidos con menor conductividad, es
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necesario precalentar en dos etapas, primero de 300 a 900 # + luego a :90 #.
3.3 CALENTAMIENTO Y MANTENIMIENTO A LA TEMPERATURA DE TEMPLE &a temperatura de calentamiento depende del material + el medio de temple; generalmente se utiliza '0 a 30 # m*s elevada cuando se templa en aceite que en agua. El tiempo de calentamiento para la disolución de los constitu+entes + austenizar completamente, depende del tama2o + forma de la pieza + de la estructura previa. &a condición previa que transforma m*s r*pidamente en austenita, es el temple + revenido, seguido del perl-tico de normalización, las estructuras laminares vastas + por último la cementita globular. El tiempo necesario para un tratamiento comprende tres etapas$ 1< %iempo para que la superficie de la pieza alcance la temperatura del horno. '< %iempo para que la temperatura va+a progresando hacia el interior de la pieza + alcance en su centro la temperatura del horno. 3< %iempo verdadero de mantenimiento para preparar la estructura adecuada para el temple. En el esquema de la i&. .4 se muestra un dispositivo Fig. .4$ (ispositivo para determinar la velocidad de calentamiento para determinar el tiempo para lograr la uniformidad de temperatura. =na termocupla mide la temperatura del horno + otra, alo!ada en el interior de una probeta, permite seguir el calentamiento del núcleo de la pieza. &a Fig. .9 muestra el transcurso de las temperaturas marcadas por cada uno de los termopares. El tiempo de permanencia a temperatura es aquel que transcurre entre el momento en que la temperatura es uniforme en toda la pieza + la homogenización de la austenita. e podr-a determinar metalogr*ficamente, pero en la pr*ctica, se utilizan fórmulas emp-ricas + tablas o gr*ficos, de suficiente seguridad >Fig. .5<.
Fig. .9$ ?ariación de la temperatura en el nú cleo + la superficie de una pieza
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Fig. .5$ #oef. para calcular el tiempo de mantenimiento de diferentes piezas
3.4 ENFRIAMIENTO &os procesos que ocurren durante el enfriamiento se representan adecuadamente mediante las curvas caracter-sticas de temple, que grafican la v ariación de temperatura de las piezas en función del tiempo. &a Fig. .8 muestra dos curvas t-picas$ la de la izquierda reproduce la ca-da de temperatura en la superficie + la de la derecha, corresponde al núcleo. e producen tres fases, la de recubrimiento de vapor, la de ebullición + la de convección + conducción, si la temperatura de ebullición del medio de temple est* por deba!o de la temperatura de temple de la pieza, como se observa en la Fig. .:, para un redondo templado en aceite.
Fig. .:$ Fases durante el enfriamiento / de recubrimiento de vapor; // de ebullición; /// de convección
Fig. .8$ #urvas t-picas de enfriamiento del núcleo + la superficie de una pieza
3.'.1 Fa! "! #!$%&#''!*+ "! ,a-+# es la primera parte; la pieza queda rodeada por l-quido vaporizado. El enfriamiento se produce por conducción o radiación a trav)s de esta capa + resulta relativamente lento+a que los vapores conducen mal el calor, con el riesgo de que queden puntos blandos al templar las piezas. #uanto ma+or es la temperatura del l-quido de temple, ma+or es la duración de esta fase vapor. En agua pura es m*s larga que en las soluciones d e sales debido a que en )stas ha+ menos gases disueltos, + la vaporización loca l produce cristales de la sal que e!ercen efectos mec*nicos sobre la adherencia del vapor + la hacen m*s breve.
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3.4.' Fa! "! !&%'$'/ cuando la temperatura de la pieza desciende lo suficiente, el l-quido entra en viva ebullición alcanzando la superficie de la pieza. &as burbu!as son arrastradas por la conve cción hasta ser re"absorbidas por el l-quido circundante. Esta fase etrae el calor con elevada velocidad; es la de m*ima importancia en el temple + debe ser lo suficiente para producir el endurecimiento. (urante ella no ha+ peligro de agrietamientos porque se mantiene la estructura austen-tica, al menos parcialmente, hasta la temperatura m*s ba!a. &a pendiente es ma+or en el temple en agua que en aceite + por lo tanto, menor el tiempo de enfriamiento. 3.4.3Fa! "! $+,!$$'/ $+"%$$'/ cuando la pieza se enfr-a, aproimadamente a la temperatura de ebullición del l-quido, empieza la fase de convección + conducción, que continúa el enfriamiento, pero mucho m*s lentamente que en la fase de ebullición. El agua enfr-a m*s r*pidamente que el aceite, pero aqu- es una desventa!a, pues el enfriamiento demasiado r*pido puede provocar fisuras + distorsión.
3.5 MEDIOS DE TEMPLE 3.5.1 A$!'*! se emplean casi eclusivamente los aceites minerales; el calor espec-fico, punto de ebullición, calor de evaporación, conductividad t)rmica + viscosidad, !uegan un papel importante. =n aumento en la viscosidad suele ir acompa2ado de una elevación del punto de ebullición + disminu+e el tiempo de la fase vapor, pero suaviza las condiciones de la fase de convección. i la viscosidad es ecesiva, disminuir* la turbulencia que contribu+e a la etracción de calor en la fase de ebullición + empeorar*n las condiciones de temple. &os aceites de temple son l-quidos traslúcidos cu+o color puede cambiar mucho con el uso, oscureci)ndose + haci)ndose m*s espeso. Estas alteraciones se deben principalmente a fenómenos de oidación por el aire que son acelerados por el calentamiento que producen las piezas incandescentes de acero, que se introducen para templar. %ambi)n se forma lodo procedente de la cascarilla del acero templado, que puede eliminarse por filtrado + sedimentación. El grafito coloidal proveniente de hornos de atmósfera controlada, se elimina por centrifugación. Es frecuente la impurificación con trazas de agua por condensación + fugas del sistema de refrigeración. #uando el contenido de agua supera el 0,9@, se aminora el efecto refrigerante del aceite porque se prolonga la fase vapor +, si se llega a m*s del '@, puede producir fisuras. Adem*s, puede producir espumas e inflamar el aceite durante el temple. El agua puede eliminarse calentando el aceite a 1006 # o con ultracentr-fuga. Fundamentalmente se utilizan dos tipos de aceite$ para temple en fr-o, entre 30 + 506#, + para temple en caliente, entre 100 + 1306#.
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3.5.2 A%a +%$'+! a$%+a: #uando se templa en agua pura, entrando agua nueva por el fondo del depósito + saliendo la calentada por un desage de la parte superior, son frecuentes los defectos de aparición de puntos blandos, especialmente en aceros sensibles a ello. Este contratiempo debe atribuirse, en primer lugar, a los gases disueltos en el agua nueva, como el anh-drido carbónico, el o-geno + el hidrógeno, + en segundo lugar, al anh-drido carbónico procedente de la disociación de los bicarbonatos. Aún en el agua nueva en reposo, se forman burbu!itas sobre los productos que se templan. El agua corriente de ca2er-as + de los pozos est* mu+ enriquecida en gases que favorecen la formación de pel-culas de vapor. %an pronto como el agua de temple alcanza temperaturas superiores a 90 # aproimadamente, se registran oscilaciones en las durezas obtenidas. &a situación es me!or cuando se emplea para el temple agua dura vie!a de la que los constitu+entes gaseosos han sido +a epulsados en su ma+or parte, o han precipitado las sales que endurecen el agua. ara eliminar estos inconvenientes se emplean soluciones salinas en lugar de agua. e utilizan soluciones de sal común, Ba#l al 10@, o con cloruro pot*sico en lugar de sódico. %ambi)n se emplean como medios de temple, soluciones con 9 al 10@ de soda c*ustica, que ofrecen adem*s la venta!a de que separan con mucha facilidad la cascarilla. ara templar los aceros mu+ sensibles a la aparición de zonas blandas, ha dado buenos resultados una solución a temperaturas de 30 a 40 # + densidad 1,1. #ontiene 14 * de sal + :5 * de agua. &a densidad de las soluciones mantiene mediante adiciones de agua o de sal. &as piezas toman en el temple un aspecto entre gris + negro azulado.
3.5.3 Sa! !*a! %"'"+ Adem*s del agua, el aceite + las soluciones acuosas, se emplean como medios de temple las sales + los metales fundidos. &as temperaturas de los ba2os dependen del empleo + se encuentran generalmente entre los '00 + 500 #. ara temperaturas hasta 900 a 9906 #, se emplean mezclas de nitratos + nitritos alcalinos. ara m*s de 990 #, se utilizan mezclas de sales eentas de nitratos. El temple en ba2o caliente, en lugar de aceite, tiene la venta!a de que no se forman burbu!as de vapor +, por tanto, no se producen endurecimientos heterog)neos. El enfriamiento desde la temperatura de temple hasta la del ba2o se produce por convección pura. En ba2os de este tipo se pueden templar todos los aceros aleados para temple en aceite, cu+a temperatura de austenización no eceda los 7906 #. %ambi)n pueden templarse piezas de aceros no aleados, de hasta 10 mm de di*metro, directamente desde la temperatura de cementación.
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3.5.4 a! &os aceros para herramientas de alta aleación + los r*pidos, que tienen velocidad cr-tica de enfriamiento peque2a, templan incluso con un chorro de aire a presión. e emplea aire a ba!a presión, unos 100 mm de columna de agua o aire comprimido hasta 5 CgDcm'. El aire comprimido actúa con mucha intensidad pero contiene ma+or proporción de agua condensada, + las gotitas de este l-quido que inciden sobre las piezas, pueden producir agrietamiento. ara muchos aceros, basta enfriar con aire tranquilo para que se forme martensita. Aunque este tipo de enfriamiento presenta menos peligro de distorsiones, como contrapartida, produce cierta oidación superficial. En lugar de aire pueden emplearse gases protectores o inertes, por e!emplo, amon-aco craquizado o gas de ciudad quemado. =tilizando estos gases en los hornos + como medio de temple, se obtienen piezas templadas brillantes.
3. TIPO DE TEMPLE 3..1T!-! '*!##%-'"+ Es un temple realizado sucesivamente en dos medios distintos, sin que el mantenimiento en el primero de ellos sea suficiente para igualar las temperaturas. &a Fig. .1 se puede utilizar para determinar la fran!a de temperatura adecuada para austenizar. &a Fig. .11 muestra la marcha de la temperatura en el temple interrumpido. &as piezas se precalientan + se da el calentamiento final a la temperatura de temple; luego se suelen enfriar, primero en agua hasta unos 400 #, seguido de aceite hasta la temperatura ambiente. &a martensita se forma durante el enfriamiento en ac eite al descender la temperatura por deba!o del punto s. Bo se puede utilizar para tratar cualquier clase de acero, + la posibilidad de aplicación puede estimarse mediante el diagrama %.%.%. de enfriamiento continuo.
Fig. .11$ #urso de la temperatura en el temple interrumpido
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Fig. .1'$ Aplicación del diagrama %%% al temple interrumpido
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&a Fig. .1' reproduce la curva de un temple interrumpido sobre un diagrama %.%.%. uede verse cómo se impide la formación de la perlita por el enfriamiento inicial en agua, mientras que el final, en aceite, es suficiente para evitar tambi)n la transformación en bainitas. or estas razones, el temple interrumpido es adecuado para aceros en los que el comienzo de la formación de la zona bain-tica, est) desplazado hacia la derecha con respecto a la zona perl-tica, como es el caso de los aceros para temple en agua. e forma martensita tetragonal + queda austenita residual, que pu eden estabilizarse por un revenido a '00 #. &as piezas calientes no pueden transportar al ba2o caliente agua adherida en el primer enfriamiento. El temple interrumpido se emplea para piezas de formas complicadas, sensibles a la distorsión + al agrietamiento.
3..2Ma#*!-a"+ + T!-! ! &a+ $a'!*! Es un tratamiento de temple con enfriamiento en un ba2o cu+a temperatura est* por encima o un poco deba!o de s; las piezas se mantienen hasta que se iguala su temperatura, etra+)ndoselas despu)s para enfriarlas de manera conveniente hasta la temperatura ambiente. &a martensita se forma fundamentalmente durante el enfriamiento final. &a Fig. .13 muestra el curso de la temperatura durante el temple en ba2o caliente. El tratamiento se realiza desde la austenización, + las piezas se mantienen en el ba2o hasta que su temperatura se iguala en todos sus puntos, no debiendo producirse transformaciones. &as tensiones t)rmicas se alivian casi totalmente + no ap arecen tensiones por transformación hasta este momento. &a pieza continúa siendo austen-tica cuando se la etrae del ba2o >aún est* blanda + se puede enderezar<, lo que puede comprobarse por la falta de atracción de un im*n. Al continuar el enfriamiento al aire se pasa por deba!o del punto de la martensita + )sta empieza a formarse, brusca + simult*neamente en toda la pieza. or estas razones el temple en ba2o caliente origina menos tensiones + distorsiones que el ordinario. &as temperaturas de los ba2os dependen de la composición del material. En general puede indicarse para los aceros no aleados, temperaturas entre 1:0 + ''0 #; para los de media aleación, entre '90 + 300#, + para los aceros r*pidos, entre 490 + 990 #, lo que se puede deducir de su diagrama isot)rmico. &a Fig. .14 muestra la curva de un martemplado sobre el diagrama %.%.%. Es f*cil comprender que los aceros adecuados para el martemplado deben presentar una zona bain-tica mu+ retrasada, es decir, desplazada, a la derecha. #uando son de reacción r*pida, se iniciar* la formación de bainitas durante el largo mantenimiento a la temperatura del ba2o caliente. Estos aceros son inadecuados para este tipo de tratamientos
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Fig. .13$ #urso de la temperatura en el martemplado
Fig. .14$ Aplicación del diagrama %%% al martemplado
IV EQUIPOS Y MATERIALES. •
• • • • • •
orno el/ctrico tipo mua con control autom%tico de temperatura (01200#) Elementos de corte pulido mecanico reactivo nital al '* Muestras de Acero A!"! '3'0 y E4e de transmisi5n (ac. A!"! 321) 6ecipiente con a&ua a&ua 7elada y aceite Microscopio metalo&r%8co 9eica de 0 1000: otomicro&rafía. durometro
V PROCEDIMIENTO: 1.
desbastar y pulir las 3 muestras y medir su dure;a
2.
calentar las muestras (previa protecci5n para evitar descarburi;acion) a la temperatura de austeni;acion por espacio de una 7ora
3.
sacar las muestras del 7orno y a las muestras de acero al carbono templar en a&ua a&ua 7elada o salmuera a la muestra de acero aliado templar en aceite •
•
'.
a unas muestra medir su dure;a en (6#) y encapsularla pulir atacarlo
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$%&ina =
.
las muestras restantes limpiarlas y prepararlas para revenirlas
Medici5n de dure;a de los
Enfriamiento de las probetas en a&ua
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#alentar las probetas 7asta la temperatura de
Enfriamiento de las probetas en aceite
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VI RESULTADOS Y DISCUS6N DE RESULTADOS: AISI 4340(*!-! ! a$!'*!)
F'. a "e observa martensita en forma de cinta con un *# > 0.+ Ata
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AISI 4340 (*!-! ! a$!'*!)
F'. & Aumento 200 :
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A$!#+ 32157!8! "! *#a''+ (*!-! ! a$!'*!)
F'. $ A$!#+ "! &a8+ $a#&/ $%#,a -!a"+ 9a$'a a ';%'!#"a S! +&!#,a !##'*a (a! $a#a) #!*a*! a#*!'*a -#+&a&!!*! -!#'*a D%#!a: 4
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A$!#+ 32157!8! "! *#a''+ (*!-! ! a$!'*!)
F'. " Aumento 200:
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F'. ! Aumento 200:
E a 'a! !$+*#a+ % > a*+ "! a#*!'*a a ;%! ! !#'a'!*+ %! % !,!#+ D%#!a:5?
META!"!#A !!
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VII DURE@A DE LOS ACEROS:
ACEROS A!"! '3'0 E@E ?E T6A"M!"!B E@E ?E T6A"M!"!B
TRATAMIENTO T!-! ! a$!'*! T!-! ! a$!'*! T!-! ! 9'!+
DURE@A (
VII. CUESTIONARIO: ,.1. suponer la curva de enfriamiento sobre el diagrama %%% para cada acero. #omente los resultados microestructurales teoricos con los practicos 8.' defina que es rapidez critica de enfriamiento >?E< 8.3. cuales son los factores que influ+en en la rapidez critica de enfriamiento 8.4. cual es el volumen de su medio de temple 8.9. calcule el @ de austenita residual si esque lo ha+
VIII DESARROLLO
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8.'Es la velocidad l-mite en la cual ocurre la transformación de una fase hacia otra, es decir el cambio de fases.
&a #urva de enfriamiento 8, que es tangente a la nariz es la rapidez critica de enfriamiento aproimada para este acero >Eutectoide<. #ualquier rapidez de enfriamiento menor que la indicada cortara a la curva arriba de la nariz + formara algún producto de transformación m*s blando, en tanto que cualquier rapidez de enfriamiento ma+or a la ilustrada formara solo martensita. #on bases en sus rapideces cr-ticas de enfriamiento se pueden comparar diferentes aceros 7.3.
a.
El tama2o de la pieza$ cuanto m*s espesor tenga la pieza m*s ha+ que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento + de enfriamiento. b. &a composición qu-mica del acero$ en general los elementos de aleación facilitan el temple. c. &o que hace variar la ?E, por lo tanto la nariz , son el porcenta!e de carbono + los elementos aleantes d.
El tama2o del grano$ i el tama2o de grano crece, la curva %%% se mueve hacia la derecha + por lo tanto ?E disminu+e.
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e.
/nflu+e principalmente en la velocidad cr-tica del temple, tiene ma+or templabilidad el de grano grueso.
,.' C li< D
M Cp ( Tf −Ti ) δliqCm ΔT
Tf D =00 #
a&ua D 1
#p(aceite) D 2000
#p(acero'3'0) D ',0 Ti D 2 #
aceite D 0.=
#p(a&ua) D '1-+
#p(acero321) D '0
Pa#a ! 4340 ! a$!'*! C li< D
M Cp (Tf −Ti ) δliq Cm ΔT
( )( 900−25 ) ( 0.9 ) ( 2000 ) (100 −25 ) 21 470
D
D +3 cm3
Pa#a ! a$!#+ 3215 (!8! "! *#a''/) ! a$!'*! C li< D
M Cp (Tf −Ti ) δliq Cm ΔT
( )( 900−25 ) ( 0.9) ( 2000 ) ( 100 −25 ) 49 450
D
D 1'2.=2 cm3
Pa#a ! a$!#+ 3215 (!8! "! *#a''/) ! 9'!+ C li< D
M Cp (Tf −Ti ) δliq Cm ΔT
( )( 900−25 ) ( 1 ) ( 4186 ) (100−25 ) 46 450
D
D ,.+=2 cm3
8.9 no presenta austenita residual +a que el @ # 0.5 + devido a la presencia de peque2a cantidades de aislante
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I= CONCLUSIONES: e demostró que todas estas caracter-sticas microestructurales dependieron directamente de la velocidad de enfriamiento. e conoció que la dureza de la martensita es función del porcenta!e de carbono m*s no de los elementos aleantes. e comprobó que los diagramas de %%% permiten predecir la estructura que se puede obtener como resultado de un determinado enfriamiento a las probetas, lo que se verifica con la microfotograf-a. &os elementos aleantes generan que las curvas %%% se desplacen hacia la derecha.
$odemos concluir en base a los resultados
X RECOMENDACIONES:
Antes de cada tratamiento
t)rmico consultar con su diagrama %%%
espec-fico para cada acero. eleccionar el medio de temple adecuado para el tipo de acero, +a que una mala elección producir* fisuras, esto debido a un enfriamiento brusco.
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$%&ina 1=
XI Bibliografía •
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Ed. Editorial
=II ANE=OS
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