EFECTO DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS DE TEMPLE, REVENIDO Y RECOCIDO SOBRE LA TENACIDAD AL IMPACTO DE ACEROS DE BAJO Y MEDIO CARBONO BAJO LINEAMIENTOS DE LA NORMA ASTM E -23 Pérez Beltrán ** Álvaro Yesid Ávila Cala*, Mario Alberto Pérez Ingeniería Electromecánica, Electromecánica, Grupo de Investigación Investigación en Diseño y Materiales Materiales (DIMAT), Unidades tecnológicas tecnológicas de Santander, Bucaramanga, Colombia *
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- The purpose of the present project is to study the effect Abstrac Abst ract t of tempering, tempering and annealing treatments on the tenacity of low and medium carbon steel under the guidelines of the ASTM E23 standard, with the purpose of establishing the behavior of this property with the thermal variations imposed by each technique. The development of the work focused on three types of low and medium carbon steels AISI Steel SAE 1020, 1045 and 4140 where the mechanical properties of the material were initially modified in a variable temperature range using the heat t reatment furnace by applying the software Shimaden Lite, then the tenacity to the impact of steel is evaluated through the tests developed in the Charpy pendulum machine belonging to the Santander Technology Units, finally a fractographic analysis is carried out on the test samples Acero, tenacidad, impacto, tratamiento, P alabras claves claves — Acero, térmico.
tiene como objetivo primordial profundizar en los tratamientos térmicos que pueden dársele al acero, conocer sus principios fundamentales, las variables más importantes que intervienen, la influencia que tiene, las propiedades físicas, químicas y mecánicas que se modifican, las microestructuras obtenidas etc. Actualmente las grandes exigencias para la fabricación de diferentes piezas obligan a los fabricantes a mejorar las características características de los aceros para trabajo en caliente las cuales son; la resistencia al desgaste, buena tenacidad y resistencia a fisuras. Estos son algunos de los puntos a mejorar, a través de diferentes procesos térmicos, por tal motivo, el proyecto a realizar es de gran importancia en el desarrollo y mejoramiento de nuevos materiales, con el fin de estudiar, visualizar y comparar la variación de la dureza y la microestructura del material al ser sometidos a cada uno de los tratamientos térmicos, que buscan darle al material la estructura y composición necesaria para que cumpla ciertos estándares de fabricación. II. METODOLOGÍA
I.
INTRODUCCION
En el proceso de aprendizaje de un Ingeniero Electromecánico, es muy importante el conocimiento de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, ya que nos suministra las herramientas necesarias para interpretar la conducta general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. Los Tratamientos Térmicos son una herramienta muy empleada para la adquisición de propiedades mecánicas adecuadas necesarias en determinados procesos de producción. Por eso ésta investigación
Para llevar a cabo esta parte del proyecto fue necesario realizar las actividades enfocadas a la cuantificación y clasificación de materiales, elaboración de probetas, caracterización mecánica de las mismas y el respectivo análisis de los resultados y la información obtenida. A. Elaboración de probetas.
Para fabricar las probetas se adquirió el material en la compañía general de aceros, aceros, se utilizó el proceso de mecanizado mecanizado con arranque de viruta en fresa y torno CNC. Las dimensiones y características de las probetas se ciñeron a lo establecido establecido en la norma ASTM E 23 para
las probetas de impacto (Standard Test Methods for Impact Testing of Metallic Materials).
Por medio de la figura 2, se puede apreciar el desarrollo d uno de los tratamientos térmicos seleccionados, en este caso es el de temple.
B. Realización de tratamientos térmicos
Se sometieron las probetas a tratamientos térmicos de temple, temple- revenido, recocido y normalizado, en el horno de tratamientos térmicos del laboratorio de resistencia de materiales de las Unidades Tecnológicas de Santander. (Véase figura 1). Como apoyo al uso del horno, se usa el software SHIMADEN LITE, Este es un paquete computacional que permite rápida y eficientemente al usuario acceder a la configuración del controlador de cualquier equipo. Los controladores Shimaden y el software Shimaden Lite trabajan juntos para ofrecer uno de los paquetes más avanzados y fácil de usar disponibles.
Figura 1. Horno de tratamientos térmicos
Teniendo en cuenta las dimensiones de las probetas y su material se determinaron las condiciones del tratamiento térmico que se puede ver en la tabla 1. Cada uno de estos con los tres materiales objeto de estudio AISI/SAE 1020, 1045 y 4140.
Figura 2. Tratamiento térmico de temple
C. Realización de pruebas mecánicas
El desarrollo de las pruebas se establece de acuerdo a lineamientos de la norma ASTM E 23, utilizando como equipo principal la máquina de péndulo Charpy y los accesorios necesarios tales como: Software del sistema de control computarizado de ensayo de impacto JBW-300.
Tabla 1. Condiciones generales de tratamientos térmicos
Figura 3 Péndulo de Impacto tipo Charpy D. Ensayo fractografíco
El equipo fractográfico que se puede apreciar en la figura 4, este se compone de los siguientes elementos: Software Matlab Porta probetas Lupa de 150 aumentos Cable de conexión Probetas estandarizadas previamente fracturadas
• • • • •
Figura 5 Probetas utilizadas en el estudio B. Ensayo de impacto
Las muestras se ubican en el porta probetas y se analizan almacenando los resultados en archivo jpg.
Por medio de las tablas siguientes se muestran los resultados promedio obtenidos al tomar la dureza de cada acero objeto de estudio bajo las dos condiciones previamente establecidas
Tabla 2 Valores promedios de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 1020
Figura 4 Fractografo
III. ANALISIS DE RESULTADOS A.
Obtención de probetas
Por medio de la figura 5, se aprecian las probetas obtenidas para cada material objeto de estudio.
Figura 6 Relación entre la tenacidad al impacto y el tratamiento térmico realizado acero AISI/SAE 1020
Tabla 3 Valores comparativos de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 1020
Figura 8 Relación entre la tenacidad y el tratamiento térmico realizado ac ero AISI/SAE 1045
Figura 7 Porcentaje de variación para la tenacidad entre l os tratamientos realizados para el acero A ISI/SAE 1020
Por medio de las gráficas y datos anteriores se aprecia las variaciones obtenidas con respecto a la incidencia de cada tratamiento térmico en las propiedades a impacto del acero AIS/SAE 1020. Los resultados evidencian que el tratamiento de recocido favoreció en 30,6 % a la tenacidad al impacto y en 43 % a la energía de impacto. Por otro lado el templado en agua tuvo un efecto adverso, ya que presenta una disminución del 57 % en la energía de impacto y de 54 % en la tenacidad. Es decir es el mayor efecto negativo en las propiedades. El tratamiento de temple y revenido también presenta un efecto negativo pero en menor proporción al anterior, presentado porcentajes de variación que oscilan entre un 35 % en ambas propiedades. Finalmente, el normalizado muestra un efecto más tenue con respecto al material en estado de suministro, presentando porcentajes de aumento que están alrededor del 10 %. Por medio de las tablas y figuras subsecuentes, se establecen los resultados obtenidos para el acero AISI/SAE 1045. Se toma como punto de referencia el valor obtenido para el acero en estado de suministro.
Tabla 4 Valores promedios de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 1045
Tabla 5 Valores comparativos de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 1045
Figura 9 Porcentaje de variación de la tenacidad entre los tratamientos realizados para el acero A ISI/SAE 1045
Por medio de las gráficas y datos anteriores se aprecia las variaciones obtenidas con respecto a la incidencia de cada tratamiento térmico en las propiedades a impacto del acero AIS/SAE 1045. Los resultados evidencian que el tratamiento de recocido favoreció en 11 % a la tenacidad al impacto y en 28 % a la energía de impacto. Por otro lado el templado en agua tuvo un efecto adverso, ya que presenta una disminución del 75 % en la energía de impacto y de 70 % en la tenacidad. Es decir es el mayor efecto negativo en las propiedades. El tratamiento de temple y revenido también presenta un efecto negativo pero en menor proporción al anterior, presentado porcentajes de variación que oscilan entre un 55 % en ambas propiedades. Finalmente, el normalizado muestra un efecto más tenue con respecto al material en estado de suministro, presentando
porcentajes de aumento que están alrededor del 11 % y 2% respectivamente. Por medio de las tablas y figuras subsecuentes, se establecen los resultados obtenidos para el acero AISI/SAE 4140. Se toma como punto de referencia el valor obtenido para el acero en estado de suministro.
Tabla 6 Valores promedios de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 4140
Por medio de las gráficas y datos anteriores se aprecia las variaciones obtenidas con respecto a la incidencia de cada tratamiento térmico en las propiedades a impacto del acero AIS/SAE 4140. Los resultados evidencian que el tratamiento de recocido favoreció en 10 % a la tenacidad al impacto y en 11,5 % a la energía de impacto. Por otro lado el templado en agua tuvo un efecto adverso, ya que presenta una disminución del 38 % en la energía de impacto y de 39 % en la tenacidad. Es decir es el mayor efecto negativo en las propiedades. El tratamiento de temple y revenido también presenta un efecto negativo pero en menor proporción al anterior, presentado porcentajes de variación que oscilan entre un 29 % en ambas propiedades. Finalmente, el normalizado, a diferencia de los dos aceros anteriores, muestra un efecto negativo tenue con respecto al material en estado de suministro, presentando porcentajes de disminución que están alrededor del 12 %. C. Ensayo de Fractografía
Por medio de la tabla siguiente se realiza la descripción fractográfica de las probetas de acero AISI SAE 1020, 1045 y 4140 respectivamente. En el análisis fractográfico descrito, se puede observar detalles característicos de corte del material en su estado frágil y dúctil, mediante la evidencia fotográfica de una de las probetas ensayadas en los diferentes tratamientos térmicos aplicados.
Figura 10 Porcentaje de variación de la tenacidad entre los tratamientos realizados para el acero AISI/SAE 1045
Algunas de estas características particulares presentes en el intervalo de temperatura para los aceros estudiados AISI SAE 1020, 1045 y 4140, son por ejemplo; aspecto cristalino total o parcial de la superficie de corte, hendiduras múltiples, esquinas de corte filosas, rebordes sensibles al tacto, opacidad total o parcial de la superficie de corte, labios de cortadura de crecimiento angular, superficie fibrosa, entre otras.
Tabla 7 Valores comparativos de energía de impacto y tenacidad Acero AISI/SAE 4140
Figura 11 Porcentaje de variación de la tenacidad entre los tratamientos realizados para el acero AISI/SAE 4140 Tabla 8 Análisis fractográfico de probetas fracturadas
IV.
CONCLUSIONES
Con el desarrollo del proyecto se puede observar que se cumplió satisfactoriamente con los objetivos propuestos. Las relaciones estudiadas entre los tratamientos térmicos de uso común como son el temple, temple y revenido, recocido y normalizado, aplicados a los aceros AISI/SAE 1020, 1045 y 4140, con la tenacidad al impacto se constituye en un aporte relevante al estudio de estos aceros. El estudio permitió no solo verificar la energía de impacto y la tenacidad al impacto de los aceros objeto de estudio tratados térmicamente por temple, temple revenido, recocido y normalizado, sino que además se obtuvieron graficas que permiten Relaciónar estas propiedades mecánicas con la incidencia de cada tratamiento. Establecer los tratamientos térmicos por medio del uso del programa SHIMADEN LITE se constituye en una herramienta muy importante ya que potencializa el uso del horno de tratamientos térmicos como un equipo de apoyo al proceso de aprendizaje de los estudiantes del programa de electromecánica y complementa el desarrollo de estos procesos en los aceros objeto de estudio. El análisis fractografíco permite establecer correlaciones entre los valores obtenidos para la energía y tenacidad al impacto con las características propias de la falla. En general las imágenes revelan características de aspecto cristalino total o parcial de la superficie de corte, hendiduras múltiples, esquinas de corte filosas, rebordes sensibles al tacto, opacidad total o parcial de la superficie de corte, labios de cortadura de crecimiento angular, superficie fibrosa, entre otras. El desarrollo de este trabajo permite obtener una base conceptual relevante en torno a la relación de los factores que afectan el tratamiento térmico de los aceros de bajo y medio carbono con las propiedades mecánicas como la dureza y la tenacidad al impacto. Constituyéndose en un método alternativo y en un aporte interesante para el conocimiento de estos materiales de gran uso en el entorno local e industrial.
V. REFERENCIAS [1] Apraiz, José (2002). Tratamiento térmico de los aceros. 10ª. Edición editorial DOSSAT 2000, S. A. Madrid España. [2] Askeland, D, Phulé, P (2004). Ciencia e ingeniería de los materiales. Cuarta edición. Thomson, México. [3] Batista, A, Vieco, J (2010). Determinación de la tenacidad a la fractura por medio del ensayo charpy instrumentado en un acero A283 grado C envejecido en un ambiente de hidrógeno. Tesis de grado, Universidad Industrial De Santander. Bucaramanga. [4] Hallen, José (2011). Instrumentación de un péndulo para observar los Cambios de tenacidad de: un acero 4140 templado y Revenido, fragilización por hidrógeno en un acero 1018. y fragilización por radiación en un acero inoxidable 316. México. [5] Norma Técnica Colombiana. Documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. Sexta
actualización. Santafé de Bogotá D.C., Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC. 2008. 36 p. NTC 1486. [6] Shackelford, J (1992). Ciencia de materiales para Ingenieros. Ediciones Prentice Hall. Tercera edición. México. [7] Morales, R, Torres, R, Rengifo, l y Irala C (1993). Manual para la construcción de viviendas de adobe. Lima, Perú.
