8 de Marzo de 2013
INFORME N° 5: TRATAMIENTO TERMICO DE REVENIDO Johan Steve Estévez --- Cód: 2090613 Universidad Industrial De Santander, Facultad De Ingenierías Fisicoquímicas Ingeniería Metalúrgica y Ciencia De Los Materiales Bucaramanga, Santander, Colombia II Periodo Académico 2012
1. INTRODUCCIÒN El revenido consiste en aplicar al acero templado o normalizado un ciclo térmico por debajo de la temperatura de transformación AC1 para obtener propiedades mecánicas específicas, o con el fin de adecuar el acero para ulteriores procesos de fabricación o maquinado. Generalmente, aunque no siempre, el revenido produce sus mejores resultados cuando se aplica al acero en condiciones mertensíticas. En este caso, el proceso comprende la segregación del carbono a los defectos de red y la precipitación de los carburos, la descomposición de la austenita retenida y la recuperación y recristalización de estructuras mertensíticas. Sin embargo, la microestructura inicial puede estar compuesta por bainita y perlita en proporciones variables, o más aún, puede contener ferrita y carburos después del temple. Además, independientemente de la composición y del método de temple, la estructura endurecida está bajo grado de tensión interna debido a los gradientes de temperatura en la sección de la pieza, a los cambios de volumen que acompañan la transformación de la austenita o a una combinación de los dos. Los esfuerzos internos pueden ser benéficos pero, a menudo, y muy particularmente en los aceros de alto carbono y alta templabilidad, pueden ser de una magnitud suficiente como para causar el agrietamiento del acero. Por consiguiente, uno de los propósitos del revenido es proporcionar proporcionar algún alivio alivio de tensiones tensiones al acero acero calentado, calentado, al menos menos hasta 120°C. 120°C. De otro lado, el revenido produce cambios microestructurales y de las propiedades que están relacionadas con la estructura existente cuando empieza el revenido y con el ciclo de temperaturas que se aplique. 1
2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general
Observar la variación de la microestructura y dureza en función de la temperatura y tiempo en el revenido del acero
2.2 Objetivos específicos Determinar la influencia del tiempo y temperatura de revenido en la dureza microestructura del acero AISI-SAE 4140.
1
Analizar el cambio de dureza y microestructura para diferentes tiempos de sostenimiento sobre 300°C (media, una y dos horas); y diferentes temperaturas de revenido con igual tiempo de permanencia (150, 450, 600 y 850°C por media hora) en el acero AISI-SAE 4140.
Valencia, tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed, Universidad de Antioquia, Medellín, 2009.
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3. EQUIPO
Siete probetas cilíndricas de acero AISI-SAE 4140 Horno eléctrico: Mufla Equipo para realización de temple Equipo de protección personal Durómetro: Escala Rockwell C. Microscopio metalográfico. Desbastadoras: lijas 80, 120, 180, 240, 320, 400 y 600. Pulidoras: Paño verde y blanco Pulimento sílice β de 15 µm y sílice de 0,1 – 0,3 µm. Reactivos químicos: Nital. Secadora industrial. Alcohol y algodón. Pinzas.
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4. PROCEDIMIENTO Partimos de 7 probetas cortados de acero AISISAE 4140
Introducimos las 7
Horno
probetas en el horno Austenización a una T de 850°C
Extraemos las probetas
Templamos en aceite
Y
proseguimos
a
recocer
6
probetas
a
diferentes
temperaturas y distinto tiempo de enfriamiento en el horno
5. Probeta 1. A una T de 300° y t= 0.5 hora6.
Probeta 2. A una T de
Probeta 3. A una T de
Probeta 4. A una T de
Probeta 5. A una T de
Probeta 6. A una T
300° y t= 1 hora
300° y t= 2 horas
150° y t= 0.5 horas
450° y t= 0.5 horas
de 600° y t= 0.5 h
Se extraen y se dejan enfriar al aire
Una probeta se utilizo
Preparar las probetas
como referencia
metalográficamente (norma
(probeta 7)
ASTM E 03-01
Observar al microscopio y analizar la microestructura
Medida de dureza escala Rockwell C (norma ASTM E 18-08B)
3
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6. DATOS Temperatura de revenido [°C]
Tiempo [h]
Dureza Promedio [HRC]
150
0,5
48,1
300
0,5
43,83
300
1
45,66
300
2
47
450
0,5
38,66
600
0,5
35,16
Referencia
0
49,33
6.1 Tabla 1. Tabla de datos obtenida en la Práctica. Durezas tomadas a las muestras recocidas a temperaturas y tiempos diferentes, escala Rockwell C
7. ANALISIS DE RESULTADOS a. Análisis metalográfico
7.1 Probeta 1 . A una T de 300°C y t= 0.5 hora: esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 300°C durante media hora. Podemos observar una microestructura con matriz martensítica de carácter fino con algunos sectores de bainita, la cual se formó a partir de la austenita retenida.
2
a.
Martensita
3
b.
bainita
2
a. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 300°C durante media hora. tomada a 1000X 3
b. probeta de acero AISI-SAE 4140. tomada a 2000X
4
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7.2. Probeta 2. A una T de 300°C y t= 1 hora: esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 300°C durante una hora. Se observa una cantidad uniforme y homogénea de martensita revenida, acompañada de algunos óxidos además de la formación del microconstituyente bainítico c.1000X, d. 2000X.
Martensita
4
5
c.
d. oxidos
bainita
7.3 Probeta 3. A una T de 300°C y t= 2 horas : esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 300°C durante dos horas. En la microestructura se observa una matriz martensítica de carácter fino con algunos sectores de bainita, la cual se formó a partir de la austenita retenida. Como es costumbre, se alcanzan a deslumbrar algunos óxidos. e.1000X, f. 2000X
6 Martensita
7
e
f
oxidos
4
c. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 300°C durante una hora. .tomada a 1000X 5 d. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 300°C durante una hora . tomada a 2000X 6 e. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 300°C durante dos hora. tomada a 1000X 7 f. probeta de acero AISI-SAE 4140 una temperatura de 300°C durante dos hora tomada a 2000X
5
TRATAMENTOS TERMICOS
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7.4 Probeta 4. A una T de 150°C y t= media hora : esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 150°C durante media hora. Podemos observar una estructura de martensita fina y la presencia de algunos óxidos. g.1000X, h. 2000X
8 g.
9 h.
oxidos
Martensita
7.5 Probeta 5. A una T de 450°C y t= media hora : esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 450°C durante media hora. Podemos observar una estructura de martensita fina y la presencia de algunos óxidos además de presencia de sectores de bainita. i.1000X, j. 2000X
oxidos
Martensita
10
11 bainita
8
g. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 150°C
durante media hora . tomada a 1000X 9 h. probeta de acero AISI-SAE 4140 revenida a una temperatura de 150°C durante dos horas tomada a 2000X 10 i. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 450°C durante media hora . tomada a 1000X 11 j. probeta de acero AISI-SAE 4140 revenida a una temperatura de 450°C durante dos horas tomada a 2000X
6
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7.6 Probeta 6. A una T de 600°C y t= media hora : esta probeta AISI-SAE 4140 fue templada inicialmente en aceite y posteriormente se le aplico una etapa de revenido a una temperatura de 600°C durante media hora. La microestructura presente después del procedimiento de revenido, observamos una matriz martensítica homogénea y libre de tensiones. Además, la presencia de óxidos metálicos característicos de estas probetas. k.1000X, l. 2000X
oxidos
Martensita
12
13
k.
l.
7.7 Probeta 7 referencia. Esta probeta de acero AISI-SAE 4140 fue tomada como referencia, solo fue templada en aceite a una temperatura ambiente y se empleara como base para determinar las propiedades que obtendrá el acero después del revenido. Se pueden observar carburos (zonas negras) a lo largo de agujas martensíticas, además de óxidos. m 1000X. n. 2000X
oxidos
Martensita
14
15
m
n
Carburos
12
K. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite y posteriormente revenido a una temperatura de 600°C durante media hora . tomada a 1000X 13 l. probeta de acero AISI-SAE 4140 revenida a una temperatura de 450°C durante dos horas tomada a 2000X 14 m. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite. Pobreta de referencia. tomada a 1000X 15 n. probeta de acero AISI-SAE 4140 templada con aceite . Pobreta de referencia. tomada a 2000X
7
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b. Análisis de durezas
7.7 Tabla 2. Valores obtenidos de dureza [HRC] para las probetas sometidas a tratamiento de revenido a una temperatura constante (300C) y diferentes tiempos de sostenimiento.
Temperatura de revenido [°C]
Tiempo [h]
Dureza Promedio [HRC]
300
0,5
43,83
300
1
45,66
300
2
47
Tabla 2. Tomas de dureza obtenidas por medio de un durómetro en una escala Rockwell C
7.8 Gráfica 1. Variación de la dureza en función del tiempo de sostenimiento a temperatura constante de un tratamiento térmico de revenido aplicado a un acero AISI-SAE 4140.
Dureza vs Diferentes tiempos de sostenimiento a temperatura constante [300°C]
48 ] C R H46 [ a z e44 r u D
42 0,5
1
2
Diferentes tiempos de sostenimiento temperatura constante [h]
Grafica 1. Variación de la dureza en función del tiempo de revenido a una temperatura de sostenimiento constante.
Podemos observar una variación de la dureza para el mismo acero y con una misma temperatura de sostenimiento pero con variación en el tiempo de enfriamiento en el horno (0.5, 1 y 2 horas), notamos que a mayor tiempo de sostenimiento a una temperatura constante (300°C) la dureza se incrementara
7.9 Tabla 3. Valores obtenidos de dureza [HRC] para las probetas sometidas a tratamiento de revenido a un tiempo de sostenimiento constante (30 min) y diferentes temperaturas de revenido.
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TRATAMENTOS TERMICOS
Temperatura de revenido [°C]
Tiempo [h]
Dureza Promedio [HRC]
150
0,5
48,1
300
0,5
43,83
450
0,5
38,66
600
0,5
35,16
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Tabla 3. Tomas de dureza obtenidas por medio de un durómetro en una escala Rockwell C
7.10 Gráfica 2. Variación de la dureza en función de la temperatura de revenido de un tratamiento térmico aplicado a un acero AISI-SAE 4140 .
Dureza vs Diferentes temperaturas de revenido a tiempos de sostenimiento constante [Media hora]
50 ] 40 C R H [ 30 a z e 20 r u D
10 0 150
300
450
600
Diferentes temperaturas de revenido a tiempo constante [C]
Grafica 2. Variación de la dureza en función de la temperatura de revenido a un tiempo de sostenimiento constante.
Por medio de esta grafica podemos observar que para un tiempo constate y a diferentes temperaturas de revenido, la dureza es inversamente proporcional al aumento de temperatura de revenido. Este aspecto lo pudimos notar en las micrografías en las cuales notamos que a menor temperatura y a un tiempo constante la estructura martensitica era más fina y por ende el acero presentaría una mayor dureza. A mayor temperatura el acero aliviara las tensiones pero se ablandara.
c. curva de hollomon y jaffe Se debe determinar la mejor combinación entre las variables temperatura y tiempo usando la siguiente ecuación.
() ( ()) Dónde: T = temperatura [k] C = constante =16,5 t = tiempo [sg] 9
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7.11 Tabla 4. Valores obtenidos del factor H a través de la relación de Hollomon y Jaffe para
diferentes medidas de durezas de los tratamientos de revenido aplicados en la práctica . Temperatura de recocido [°C]
Tiempo [sg]
Dureza Promedio [HRC]
H
150
1800
48,1
2963,29
300
1800
43,83
5926,58
300
3600
45,66
6016,89
300
7200
47
6107,20
450
1800
38,66
8889,87
600
1800
35,16
11853,16
Tabla 4. Valores obtenidos del factor H a través de la relación de Hollomon y Jaffe para diferentes medidas de durezas
Gráfica 3. Variación de la dureza en función del factor H derivado de la ecuación de Hollomon y Jaffe.
Curva Hollomon y Jaffe para el acero 4140 60 50
] C R40 H [ a 30 z e r u20 D
10 0 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Factor H Grafica 3. Relación de Hollomon y Jaffe
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8. CONCLUSIONES
Notamos que durante el revenido, la dureza como la resistencia mecánica disminuye con el aumento de la temperatura mientras que la plasticidad aumenta. Esta es una variable de gran importancia en el revenido. El tratamiento térmico de revenido del acero se realiza después del temple para obtener valores especificados de las propiedades mecánicas, también para aliviar tensiones y asegurar la estabilidad dimensional. Las principales variables asociadas con el revenido y que afectan la microestructura y las propiedades mecánicas del acero revenido son: temperatura, el tiempo a esa temperatura y la composición, que incluye contenido de carbono, aleantes y elementos residuales. Para un tiempo constate y a diferentes temperaturas de revenido, la dureza es inversamente proporcional al aumento de temperatura de revenido. Este aspecto lo pudimos notar en las micrografías en las cuales notamos que a menor temperatura y a un tiempo constante la estructura martensitica era más fina y por ende el acero presentaría una mayor dureza. A mayor temperatura el acero aliviara las tensiones pero se ablandara. Existe una variación de la dureza para el mismo acero y con una misma temperatura de sostenimiento pero con variación en el tiempo de enfriamiento en el horno (0.5, 1 y 2 horas), notamos que a mayor tiempo de sostenimiento a una temperatura constante (300°C) la dureza se incrementara. Pudimos notar en la estructura, martensita más fina a menor temperatura de revenido, lo cual es acorde a la dureza mayor que presentaba.
9. REFERENCIAS
Valencia, tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed, Universidad de Antioquia, Medellín, 2009. D. Askeland, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, México, Internacional Thomson Editores, 1999.
CALLISTER JR, WILLIAM D.”INTRODUCCION A LA CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES “. Editorial Reverté S.A. Volumen 2. Barcelona, España. Junio 2007. APRAIZ BARREIRO, JOSÉ. “TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS”. Editorial Dossat
2000. Volumen 10. Madrid, España.1953. http://webpagues.ull.es/users/mhdezm/Transparencias/TRATAMIENTOS-TERMICOS.pdf
11
