Ejercicios de Tratamientos Termicos[1]

Facultad Ingeniería Metalúrgica y de Materiales Tratamientos Térmicos

1.- ENUNCIADO

Se conocen las curvas T.T.T continua e isotérmica del acero con denominación U.N.E. F-1230 así como la de revenido. 1º) 1º)

Calc Calcul ular ar y repres represen enta tarr las velo veloci cida dade dess crític críticas as de templ temple e perfe perfect cto o y corr correc ecto to para para la curva curva en continuo. No se admiten simplificaciones a rectas.

2°) 2°)

Se cono conoce ce de un redo redond ndo o de 320 mm de Ø de dich dicho o acero acero,, templ templad ado o en agua agua desde desde la temperatura de austenización, la tabla siguiente: Distancia de un punto del redondo en mm a la periferia 0 40 80 120 160

Velocidad de enfriamiento en ºC/seg 60 5,5 2,715 0,55 0,0425

Se pide: Dibujar la curva dureza-distancia dureza-distancia al centro del redondo (Curva en U). 3º)

Indicar el porcentaje de microestructuras correspondientes correspondientes a Ar3, Ar", Ar" y Ar"' para los puntos de la tabla del apartado anterior.

4º)

Si el el redondo fuese de un diámetro tal que las velocidades velocidades de enfriamiento en el el núcleo fueran de 60, 30 y 20 °C/seg para los medios agua, aceite y sales, respectivamente, describir los tratamientos térmicos posibles para obtener una resistencia final en el núcleo de 145 kg/mm 2<>47 Rc y una resiliencia resiliencia de al menos 8 kgm/cm 2.

5º)

Tratamientos térmicos posibles para que una pieza delgada de dicho acero quede con una dureza de 6 Rc.

6°)

Calcular aproximadamente aproximadamente la temperatura final de transformación transformación martensítica.

Ing. Jaime González Vivas

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2.- ENUNCIADO

Al observar al microscopio una probeta de un acero al carbono hipereutectoide aparece una estructura formada por granos oscuros rodeados de una retícula blanca, si el ataque se realiza con nital. Después de un calentamiento a 1000°C y posterior enfriamiento brusco en agua, la microestructura está formada por agujas que se destacan sobre un fondo blanco, al efectuar el ataque con idéntico reactivo. Se pide: 1º)

Micro Microest estruc ructur tura a inici inicial al y fina finall del del acero acero,, razon razonand ando o los los fenóme fenómeno noss ocurri ocurridos dos..

2°)

Desde Desde el el punto punto de vist vista a metalú metalúrgi rgico, co, criti criticar car el el proces proceso o efectu efectuad ado o y los resul resultad tados os conse consegui guido dos. s.

3º)

Si posteri posteriorme ormente nte al enfri enfriamie amiento nto en agua se se calenta calentara ra la probet probeta a hasta hasta los 600°C 600°C,, indicar indicar las transf transfor ormac macio iones nes que que sufrir sufriría ía la microe microestr struc uctur tura. a. Si el acero acero tuvie tuviera ra eleme elemento ntoss de aleac aleación ión carburígenos ¿Qué diferencias habría en el calentamiento a 600°C con respecto al caso de que no los hubiera?

4°)

Tratam Tratamie iento nto que deber debería ía efectua efectuarse rse para para conseg conseguir uir la mínima mínima dureza dureza del del acero al carbo carbono, no, indicando temperaturas aproximadas de tratamiento y microestructura conseguida.


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Facultad Ingeniería Metalúrgica y de Materiales Tratamientos Térmicos 3.- ENUNCIADO

Una aleación aleación Fe-C sigue sigue la siguient siguiente e ley que relacion relaciona a la solubil solubilidad idad en carbono carbono de la austenita austenita que contiene con respecto a la temperatura a la que se encuentra: θ (°C) = 575 + 190(%C A )2 Dicha aleación a temperatura ambiente tiene dos microconstituyentes monofásicos siendo la relación de ambos (en peso) de 5,0636. Si se calienta a una cierta temperatura contiene también dos microconstituyentes monofásicos, siendo ahora la relación (en peso) entre ellos de 55,7. Uno de estos es de la misma naturaleza que uno de los dos que existían a temperatura ambiente. Si se trata convenientemente la aleación se puede conseguir que la microestructura (a temperatura ambiente) esté formada por dos microconstituyentes, uno monofásico y otro bifásico, con idénticas fases y en igual proporción que la estructura descrita anteriormente (a temperatura ambiente). La relación, en peso, del microconstituyente común a ambas estructuras es de 4,76. Se pide: 1º)

Porcentaje en carbono de la aleación y temperaturas de sus puntos críticos.

2º)

Microest Microestructu ructura ra cual cualitati itativa va y cuantitati cuantitativa va en en los los tres tres casos casos descrito descritoss así así como como la solub solubili ilidad dad en C de la austenita para el caso descrito en la segunda forma en que se encuentra la aleación.

3°)

Descr Descripc ipción ión de los los trat tratami amien entos tos para para pasar pasar de una una mic microe roestr struct uctur ura a a la la otra otra..

4º)

Comproba Comprobación ción de de las las propieda propiedades des mecáni mecánicas cas de las estructura estructurass que tenemos tenemos a temperatu temperatura ra ambiente.

5º)

Tratam Tratamie iento nto que habr habría ía que que dar dar a. la la aleaci aleación ón para para obten obtener er el el mejor mejor compr compromi omiso so entr entre e sus sus características mecánicas.

4.- ENUNCIADO

Una Una prob probet eta a de acero acero al carb carbon ono o pres presen enta ta una micr microe oest stru ruct ctur ura a form formad ada a por por aguj agujas as blan blanca cass entrecruzadas sobre un fondo oscurecido, cuando atacada con nital-3 Sé observa a 100 aumentos. La relación, en peso, entre dichos microconstituyentes es de 1,5. La aleación a 740°C tiene dos fases en equilibrio, siendo la composición de una de ellas en carbono de 0,70%. La relación de ambas fases, en peso, es de 17/18. La curva temperatura-tiempo con un enfriamiento muy lento desde 780°C es la qué se representa: Se pide: 1º)

Composición en carbono de la aleación así como del eutectoide.

2º)

Definir la microestructura de equilibrio indicando las cantidades de fases y microconstituyentes. microconstituyentes.

3°)

Microe Microestr struct uctura ura del acero acero en en el estad estado o descr descrito ito en el el enunc enunciad iado o y seña señalar lar el tratam tratamie iento nto que que hay hay que efectuar para obtener la microestructura microestructura de equilibrio. equilibrio. ¿Cuáles serían las diferencias entre los dos estados con respecto a sus características mecánicas?

4º)

En la curva temperatura-tiempo temperatura-tiempo indicar las fases y equilibrios equilibrios que aparecen en cada zona

5º)

Describir la secuencia de tratamientos que permitiera obtener un eje de 25 mm de diámetro, con el


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acero dado, y que presentase la máxima resiliencia con alta resistencia al desgaste. ¿Cuál sería la microestructura en una sección transversal del eje?

5.- ENUNCIADO

La observación microscópica de la sección transversal de una barra cilíndrica de un acero, previamente preparada y atacada con nital-3, permite observar una corona exterior formada por una estructura acicular y una zona central formada por una estructura granular. Sea D el diámetro de la barra y d el diámetro de la zona central. Se consideran los siguientes supuestos al realizar una macrografía del redondo: 12.2.-

Zona Zona acic acicul ular ar oscu oscure reci cida da y zona zona cent centra rall blan blanca ca Zona Zona acic acicul ular ar blan blanca ca y zona zona cent centra rall oscu oscure reci cida da..

Para los siguientes valores de D y d: a.b.c.-

D = 50 mm; d - 50 mm D = 50 mm; d = 40 mm D = 50 mm; d = 49 mm

Se pide esquemáticamente: esquemáticamente: - Composición química del redondo. - Tratamiento que ha sufrido - Microestructura de cada zona. 6.- ENUNCIADO

La figura esquemática nos muestra dos fotomicrografías numeradas como 1 y 2, obtenidas a iguales aume aument ntos os,, se han han obte obteni nido do de un mism mismo o acer acero o al carb carbon ono o en dos dos dife difere rent ntes es esta estado dos. s. En las las fotomicrografías se distinguen las huellas de microdurezas Vickers realizadas en ambas probetas. El Ing. Jaime González Vivas

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ataque se ha realizado con reactivo nitroalcohólico. Se pide: 1°)

Microestructuras de ambas probetas. Estado del material en los dos casos. ¿Cómo podría pasarse del estado 1 al 2 y viceversa? Explicación.

2°)

Características mecánicas principales principales del acero en los dos estados.

3º)

Suponiendo Suponiendo que que el el fondo blanco de los esquemas de las micrografías suponga el 85% de la masa total de la probeta, calcular el tanto por ciento de carbono del acero.

4º)

Si despu después és de cal calent entar ar el acer acero o a 900°C 900°C,, se enfri enfriara ara lent lentame amente nte en en el horno horno,, ¿qué ¿qué microe microestr struct uctura ura se obtendría ahora? Representarla. Ventajas e inconvenientes de este estado con respecto al estado 1.

5º)

Diferencias entre las propiedades propiedades mecánicas obtenidas al efectuar un temple a partir del estado 1 ó del obtenido en el apartado 3º.

6º) 6º)

Dife Difere renc ncia iass y anal analog ogía íass entre entre las las propi propied edad ades es mecá mecáni nica cass de este este acero acero y uno eute eutect ctoi oide de si a ambos se les sometiera a un recocido de austenizació completa.

7.- ENUNCIADO

La sección recta de un redondo de 40 mm de diámetro de una aleación Fe-C, previamente preparada y atacada con nital-3, muestra en observación microscópica a 500 aumentos un círculo interior de 36 mm de diámetro constituido por glóbulos blancos de contorno oscurecido sobre un fondo blanco. La relación en peso de los glóbulos al fondo blanco es de 1/6. El contorno exterior del redondo está formado por una estructura acicular oscurecida sobre un fondo blanco. Se pide: 1º)

Microconstituyentes Microconstituyentes de cada zona.

2º)

Composición Composición química de la aleación. Curva de la "S", curva Jominy y curva en "U", aproximadas, aproximadas, del material. Justificación. Justificación.

3º)

Tratamiento Tratamient o que ha sufrido el redondo.

4º)

Propiedades Propiedades y aplicaciones aplicaciones que presenta.


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5°)

Microestructura de equilibrio del acero. Dibujarla indicando indicando los microconstituyentes microconstituyentes que la integran.

6°)

Tratamien Tratamiento to a efectuar efectuar para para increm incrementar entar la la dureza dureza superfi superficial cial sin sin variar variar la la microest microestructu ructura ra del del núcleo central.

7°)

¿Podría ¿Podría obtene obtenerse rse un un redondo redondo que prese presentand ntando o idéntic idéntica a microest microestructu ructura ra que que el descri descrito to tuviera tuviera mayor resistencia mecánica? Describir y justificar las operaciones.

8°)

¿Podrí ¿Podría a aumen aumentar tarse se el espe espesor sor de de capa capa dura dura sin sin alter alterar ar cuan cuantita titativ tiva a ni cual cualita itativ tivame amente nte la la microestructura del redondo? Describir el proceso.

8.- ENUNCIADO

En una aleación Fe-C, sin elementos especiales, atacada con nital-3 se observan granos oscurecidos orlados por zonas blancas. Dicha aleación calentada calentada hasta una cierta temperatura y enfriada enfriada en un baño de aceite da una estructura acicular con un leve fondo blanquecino, siendo el porcentaje, en masa, de este último de un 6,86%. Si sometemos la misma aleación a una operación térmica resulta que su estructura a temperatura ambiente está formada por granos blancos, zonas aciculares y un leve fondo blanquecino, teniendo este último una masa sobre el total de la aleación del 10,115%. La misma aleación sometida a otro tratamiento térmico da lugar a una estructura formada por fondo blanco y glóbulos, así mismo blancos. Datos: Austenita retenida a temperatura t emperatura ambiente ------------------------------------------------------------------------------------------------------ = 20 (% de C que contiene dicha austenita)3 Siendo el % de C en el eutectoide del 0,9. Se despr despreci eciará ará la variac variación ión en la cantid cantidad ad de austen austenita ita reten retenida ida con la tempe temperat ratura ura y tiempo tiempo de permanencia de austenización, para un mismo porcentaje en carbono. Se pide: 1°)

Tipo de aleación.

2º)

Canti Cantida dad d de micro microcon consti stituy tuyent entes es exist existent entes es así así como como la compo composic sició ión n de cada cada uno uno de ellos ellos en en las cuatro estructuras descritas en el enunciado.

3°) 3°)

Operac Operacion iones es que que hay hay que que efectu efectuar ar para para pasar pasar de de una una estru estructu ctura ra a la la otra. otra.

4°)

¿Qué operación tendríamos que efectuar para que en una pieza de esta aleación observáramos, observáramos, en dos zonas diferentes, la segunda y cuarta microestructura?

9.- ENUNCIADO

Se dispone de un acero cuyas curvas T. T. T. y de revenido se adjunten y con él se desean construir unas piezas que tengan una resistencia mecánica de 130 kg/mm 2. Se conoce además que el 50, 90 y 95% de la transformación martensítica tiene lugar a 75, 125 y 130°C por debajo de la temperatura Ms. Ing. Jaime González Vivas

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Se pide: 1º)

Deter Determin minar ar todos todos los los tratam tratamien ientos tos térmi térmicos cos posib posibles les para para la la obten obtenció ción n de las pie piezas zas,, definie definiendo ndo en en cada uno de ellos: temperatura, tiempo y medio de enfriamiento.

2º)

Dibu Dibujar jar sobre sobre la la curva curva T. T. T. T. la la traye trayecto ctoria ria de los los dife diferen rentes tes tratam tratamie iento ntos. s.

3º)

Indicar Indicar cuál cuál es es el tratamien tratamiento to de mayor mayor garantía garantía desde desde el punto punto de vista de seguri seguridad dad y mínimo mínimo riesgo de aparición de grietas. ¿Y el de mayor riesgo?

4°)

Determinación Determinación gráfica de Mf.


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Datos: Velocidad de enfriamiento del núcleo de las piezas en Sales......... 13°C/seg Aceite........ 6°C/seg Agua.......... 30°C/seg Se consid considera erará rá solame solamente nte el caso caso de temple temple perfe perfecto cto y se supon supondrá drán n rectas rectas las las trayec trayector toria iass de enfriamiento entre cualquier temperatura temperatura y salto térmico en los tres medios. 10.- ENUNCIADO

Con un acero, cuya curva T.T.T isotérmica es la que se da en la fig. 1 y la de revenido en la fig. 2, se desea construir una pieza cilíndrica de 25 mm de diámetro y 200 mm de longitud. Una vez construida, ésta debe de quedar con una resistencia a la tracción de 162 kq/mm 2 equivalente a una dureza de 48 HRc. En el taller de tratamientos térmicos se dispone de dos hornos de sales que pueden alcanzar cualquier temperatura comprendida comprendida entre 200°C y 900°C así como de baños de temple de agua y aceite. Y admitiendo: 1º) Que las velocidades de enfriamiento en el núcleo de la pieza sean: en sales....... 5°C/seg entre 900°C y 200°C 200°C en aceite...... 6°C/seg entre 900°C y 0°C en agua........ 15°C/seg entre 900°C y 0°C 2º) Que la potencia de los hornos, 15 Kw, es constante e independiente de la temperatura, siendo el precio del Kw-h de 5 pts. 3º) Que en el horno de sales el tiempo necesario para austenizar es la tercera parte del que se requiere en un horno de mufla. Se pide: 1º)

Suponiendo Suponiendo rectas las trayectorias de enfriamiento (en el gráfico), dibujar sobre la curva T.T.T. los tratamientos térmicos posibles para dejar la pieza con las características pedidas. Descripción de dichos tratamientos.

2º)

Costo de la energía eléctrica consumida en cada tratamiento.

3º) 3º)

Vent Ventaj ajas as e inco inconv nven enie ient ntes es de cada cada trat tratam amie ient nto. o.


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11.- ENUNCIADO

Para construir una pieza con grandes diferencias de masa entre unas zonas y otras se selecciona el acero cuya composición y curva T.T.T. se adjunta. La pieza se obtiene mediante moldeo resultando una dureza en bruto de colada de 41 HRc. Esta pieza está destinada a formar las mandíbulas de un molino triturador de vidrio y por tanto su dureza final debe ser la máxima posible. Las piezas, antes de su montaje, han de ser mecanizadas. Las velocidades de enfriamiento para esta pieza son (en el núcleo) las siguientes:


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El espesor máximo de la pieza es de 20 mm. Se pide: 1°)

Tratamiento térmico para mecanizar la pieza en las mejores condiciones. condiciones. Indicar la temperatura y tiempo del tratamiento.

2°)

Tratamiento más idóneo para alcanzar la máxima dureza que puede proporcionar proporcionar el el material con el mínimo riesgo de roturas y deformaciones. deformaciones. Duración del tratamiento.

3º)

Indicar gráficamente los tratamientos sobre la curva T. T. T.

4º) 4º)

Calc Calcul ular ar (apr (aprox oxim imad adam amen ente te)) por por méto método do gráf gráfic ico o la temp temper erat atur ura a fina finall de tran transf sfor orma maci ción ón martensítica.

5º)

Estruc Estructur turas as obten obtenida idass al final final del del tratam tratamien iento to de endure endurecim cimie iento nto..

12.- ENUNCIADO

Se desean fabricar una serie de discos de 100 mm de Ф y 25 mm de espesor. Estos deberán poseer como características principales principales 100 kg/mm 2 de resistencia a la tracción y al menos 14 kgm/cm 2 de resiliencia. El almacenista almacenista solamente puede suministrar dos tipos tipos de acero, acero, en estado normalizad normalizado, o, que tienen las siguientes características: Ing. Jaime González Vivas

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Facultad Ingeniería Metalúrgica y de Materiales Tratamientos Térmicos Acero 1,

con R=85 kg/mm 2, suministrado en barras de 10 m de longitud y 115 mm de Ф.

Acero 2,

con R=90 kg/mm2, suministrado en barras de 10 m de longitud y 100 mm de Ф.


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El taller mecánico se opone a operar sobre piezas que posean más de 80 kg/mm 2 de resistencia. La sala de tratamientos térmicos dispone de horno de mufla que alcanza los 1000°C y horno de sales cuya gama de temperaturas de trabajo está comprendida entre 200 y 700°C. Así mismo dispone de los siguientes medios de enfriamiento: agua, aceite y sales, siendo las velocidades medias de enfriamiento del núcleo correspondientes correspondientes a los tres medios: 2.600, 1.450 y 1.400°C/seg. Operando en las gráficas T.T.T. isotérmicas, aunque se realicen enfriamientos continuos, y suponiendo rectas las velocidades de enfriamiento (en el intervalo de temperaturas en el que se pueda mantener esta hipótesis) describir las secuencias de operaciones de todos los procesos posibles para obtener los discos. Datos: - El tiempo t iempo de austenización se considerará de 1 hora por pulgada de espesor y el de revenido de 2 horas, para cualquier temperatura. -100 kg/mm2 equivalen a 32 HRc y 80 kg/mm 2 a 21 HRc. 13.- ENUNCIADO

Se desean desean fabricar fabricar 10.000 10.000 ejes ejes de de 25 mm , 1086,5 1086,5 mm mm de longitud longitud y 4kg de peso que tenga tengan n una una 2, resistencia de 90 kg/mm equivalentes a 26 Rc, y que deben soportar golpes en toda su masa de al menos 8 kgm/cm2. En el almacén se dispone de dos aceros distintos de igual resistencia, 50 kg/mm 2, en forma de redondos de diám diámet etro ro:: Ace Acero ro 1: 30 mm de ; Ace Acero ro 2: 25 mm de . Se adjuntan las curvas T. T. T. y de revenido de ambos aceros.


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Para efectuar los los tratamientos tratamientos se dispone dispone de un horno de de mufla calentado por resistencias resistencias cuya cuya potencia potencia es función de la temperatura según la ley: P (kw) = t°C/20 También se dispone de un horno de sales que puede trabajar entre 200 y 550°C, cuya potencia viene dada por la expresión: P (kw) = t°C/25 Como medios de enfriamiento existen baños dé aceite y agua. Se pide: 1°)

Descr Describ ibir ir la secue secuenci ncia a de operac operacio iones nes para para obte obtener ner los los ejes ejes en cada cada uno uno de los los posib posibles les proc proceso esos, s, y estructura final alcanzada para cada caso.

2º)

¿Cuál ¿Cuál de de los los dos aceros aceros sería sería el el más más idóneo idóneo teniendo teniendo en cuenta cuenta conjuntam conjuntamente ente los aspectos aspectos técnico y económico? económico?

Datos: Capacidad del horno de mufla: 500 kg Capacidad del horno de sales: 12 kg Velocidad media de enfriam. del núcleo en aceite : 450°C/seg Ídem en agua: 1.400°C/seg Ídem en sales: 1.020°C seg Consumo de aceite de temple: 0,2 pts/kg de acero Ing. Jaime González Vivas

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Ídem de agua: despreciable Ídem de sales: 1,5 pts/kg de acero Densidad del acero: 7,5 g/cm 3 Coste de mecanizado: 15 pts/kg viruta arrancada Precio del kw-h: 3 pts Precio del acero 1: 55 pts/kg Precio del acero 2: 80 pts/kg Se supone los hornos a régimen, y rectas las velocidades de enfriamiento dibujadas en el diagrama T.T.T. El tiempo de revenido para ambos aceros, y a cualquier temperatura se tomará de 2 horas.

14.- ENUNCIADO

A un acero del 0,567% de carbono, que ha sido templado y posteriormente, durante 2 horas y a diferentes temperaturas revenido se le han tomado los siguientes valores: Temperatura de revenido (°C) 100 200 300 400 500 600 700

Dureza (HRc) 63 59 55 48 41 34 25

La fórmula de Hollomon y Jaffe, deducida para revenidos equivalentes, establece que: Dureza (HRc) = f (M) Siendo: M = T (c + log t) T = temperatura en °K t = tiempo en horas c = parámetro dependiente del porcentaje en carbono del acero (varía linealmente valiendo 19,5 para aceros con el 30% de C y 15 para los de 1,1%). Se pide: 1°)

Construir la curva dureza-M.

2º)

¿Que temperatura habría que utilizar para conseguir una dureza de 50 HRc con un revenido de 0.5 horas?

3º)

Revenido equivalente equivalente al anterior de 3 horas de duración.

4º)

¿Cuál de los dos es más aconsejable? aconsejable?


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Ejercicios de Tratamientos Termicos[1]

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