INFORME DE LABORATORIO
Nombre:
Christian Fajardo Vélez
Curso/ Paralelo/Hora:
Materiales de Ingeniería/104/7:30-9:30
Número y título de experimento:
Experimento Nº 3, Diagramas TTT y CCT para los tratamientos térmicos del acero.
Profesor
Ing. José Pilataxi Sislema
Fecha de experimento:
14-18 de Julio del 2014
Fecha de presentación:
28-01 de Agosto del 2014
Nombre de compañeros de laboratorio
Carlos Jordán, Marcelo Pintado, Andrés Rodríguez, Cristhian Romero, Jean Villegas
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A) Título de la práctica Diagramas TTT y CCT para los tratamientos térmicos del acero
B) Resumen
En la práctica realizada se tuvo como objetivo principal determinar mediante metalografía realizado al acero corrugado 1010 e 1% de carbono, que medio de enfriamiento proporciona mayor dureza al material y que tipo de tratamiento interviene en cada uno de los distintos medios. Aunque todos los probetas del material fueron calentados a la misma temperatura 850°C es decir hasta una temperatura de austenizacion es el medio de enfriamiento al que fue sometido el material indica el tipo de tratamiento al que se sometió ya que a menor velocidad de enfriamiento menos martesita pura se obtiene. Así en el agua figura 5 y 6 templo el material dado a que obtuvo una estructura acicular[1] características de la martensita con una dureza promedio de 51,2 RC; en el aceite figura 3 y 4 se normalizo[2] el material es decir como su enfriamiento fue más lento que el del agua aumenta su dureza pero en su estructura se aprecia una perlita fina; en el enfriamiento con cal figura 7 y 8 el material adquirió el tratamiento de revenido perdió dureza pero su ductilidad aumento debido al crecimiento y aumento del grano[1].
C) Enfoque experimentales Condiciones de prueba
Temperatura=800°C
Tiempo=15minutos
Equipos
Horno eléctrico (mufla) Viesner Tmax=1300°C ts=5 minutos Disco de corte Pulidora Microscopio óptico Durómetro Brinell
MATERIALES
Varilla corrugada (1010) de bajo carbono. Lijas (240,320,400,600 y 1000) Porta lijas Nital 3% Pasta alumina 1
Para la práctica lo primero que se realizo fue cortar la varilla corrugada de acero 1010 es decir con 1% de carbono en trozos de 2 cm de espesor aproximadamente, luego se tomó tres probetas de la muestra y se introdujeron dentro del horno eléctrico (Mufla,Viesner con Tmax=1300°C y ts=5minutos) durante 15 minutos, posteriormente se sacaron los probetas y fueron enfriadas hasta alcanzar la temperatura ambiente en diferentes medios tales como agua, aceite y cal. Una vez que se enfriaron los probetas se procedió a realizar en cada una un tratamiento metalográfico, se procede a lijar la parte transversal de cada una de las probetas con diferentes tipos de lijas (240,320,400,600 y 1000); primero se empezó a lijar con la lija de numeración 240 hasta obtener en la probeta unas líneas en una sola dirección, luego se lijo con una lija de mayor numeración la de 320 pero perpendicular a las líneas anteriormente obtenidas y así sucesivamente se hace con el resto de lijas a esto se llama pulido grueso. Para obtener un pulido fino llevamos el probeta a la pulidora de disco, en donde con la pasta de alúmina se obtuvo una superficie lisa. Una vez obtenido el pulido fino se lleva el probeta a realizar el ensayo de dureza en el durómetro Brinell (Rockwell Type Hardness Tester) en donde se utilizó un identador de cono de diamante con una carga de 150 Kg, una vez realizado el ensayo de dureza Brinell se determinó cuál de los medios de enfriamiento a lo que fue sometido la pieza con tratamiento térmico le produce mayor dureza. Posterior al ensayo de dureza se realizó un ataque químico con nital al 3% y de ahí se procedió analizar las diferente microestructura que presenta cada una de las probetas enfriados en los diferentes medios.
D) Análisis de resultados Observando los resultados que se pueden apreciar en la tabla 1 (ver anexo 1) claramente que el enfriamiento lento de la muestra en cal le proporciona menor dureza al material mientras que el templar en agua conlleva una mayor dureza del material. Se puede apreciar que con el enfriamiento en cal figura 8 (ver anexo 2)la microestructura del material en comparación con la muestra sin tratamiento térmico figura 2 son muy parecidas es decir no se produjo mucha deformación de la microestructura; en el aceite figura 4 en comparación con el la muestra patrón se aprecia una estructura más granular y con mayor deformación, en el agua figura 6 se pierde por completo la estructura granular que aún estaba presente en los otros dos tipos de enfriamiento su estructura se deforma de manera acicular[1]. Se sabe que el material fue llevado a una temperatura de austenizacion y de ahí fue sometido al temple e inmediatamente enfriado en diferentes medios en donde cada uno de estos produce una curva de velocidad de enfriamiento en donde a mayor tiempo de enfriamiento se favorece la aparición de nuevas fases debido a que dichas velocidades de enfriamiento atraviesan las curvas de trasformación figura 9 [2], evitando así que el material se temple. El temple consiste en llevar a la temperatura de austenizacion y enfriar trasformar en martensita que es una estructura distorsionada de mayor dureza pero frágil esto solo se consigue en el agua figura 6 en donde se obtiene de la muestra de acero hipereutectoide[1] debido a su contenido de carbono de 1% una estructura distorsionada y acicular y se ataca claramente debido a su estructura cristalina tetragonal, en el enfriamiento con aceite figura 4 debido a que su enfriamiento fue más lento que el del agua se aprecia la aparición de otras fase aparte de la martensita en la estructuras tales como perlita fina la región oscura; en el enfriamiento con cal figura 8 se presenta una estructura casi si deformación parecida a la muestra patrón en donde debido a que su enfriamiento mucho más lento que 2
el del aceite su velocidad de enfriamiento atravesó otras curvas de transformación se favorece a la aparición de perlita gruesa como la región oscura de la figura es decir el material no se templo sino que en el influyo el tratamiento térmico de revenido[1],[3] por eso presenta menor dureza que el resto. En la tabla 1 se ve que el valor promedio para el agua fue de 51,2 RC del aceite 36,4RC y de la cal 33,1 RC en comparación con el valor de la muestra sin tratamiento térmico que fue de 33,1 se ve claramente que tanto el agua como el aceite produjo temple el material es decir aumento su dureza, mientras que el enfriamiento en cal debido a que fue lento produjo el tratamiento térmico revenido al material es decir disminuyo su dureza. E) CONCLUSIONES
Se puede ver que el enfriamiento en agua figura (6) produjo mayor dureza al material 51,2 RC debido a que deformo mayor la estructura es decir dio como resultado una estructura acicular propia de la martensita, aunque con el enfriamiento en aceite figura (4) se produjo temple no dio mucha dureza 36,4 al material debido a que como produjo una velocidad de enfriamiento más lento favoreció a la aparición de perlita fina[1] es decir el material tendió más al tratamiento térmico de normalizado en donde la perlita se transforma en perlita fina, en la cal figura (8) con una dureza de 31,7 RC en comparación con la muestra sin tratamiento térmico figura (1) de dureza 33,1 RC su dureza disminuyo es decir el material obedeció al tratamiento térmico de revenido[1],[2].
F) Referencias
[1]Guía de estudio de materiales de ingeniería. Ing. Omar Serrano. [2]http://cienciaymateriales.blogspot.com/2013/04/44-para-que-se-utilizan-los-diagramas.html [3]http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/bloque-iv/Tema12tratamientos_termicos.pdf [4]http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/6 _Transformaciones_de_la_austenita_fuera_del_equilibrio_v2.pdf
G) Recordatorios para evitar problemas.
Es imprescindible usar la protección en las manos y ojos al momento de lijar la muestra. Se debe lijar la muestra hasta que no se observe ningún rayón, y todas las líneas en el área cortada sean paralelas al sentido de lijado Al momento de hacer el ataque químico este debe ser instantáneo, porque solo así los granos y la microestructura en su totalidad serán visibles. Para mayor exactitud al momento de determiner la dureza en el microdurometro Vickers no se debe pasar el dedo por la superficie pulida; sino que se limpia sutilmente con un algodon para asi evitar dañar la muestra.
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H) Adjuntos
Anexo 1
Tabla1 TABLA DE VALORES DE DUREZA BRINELL OBTENIDO EN LOS DIFERENTES MEDIOS DE ENFRIAMIENTO. Ensayo de Dureza Rockwell
Acero sin Tratamiento Termico
Agua
Aceite
Cal
Carga Aplicada
Ensayo 1
32,5RC
49,6RC
39,6RC
30,0RC
150Kg
Ensayo 2
33,0RC
52,0RC
36,2RC
32,1RC
150Kg
Ensayo 3
33,8RC
51,9RC
33,5RC
33,0RC
150Kg
Promedio
33,1RC
51,2RC
36,4RC
31,7RC
150Kg
Anexo 2.
Imagen Patrón Acero sin Tratamiento
Figura Nº 1: Imagen patrón a 400X
Figura Nº 2: Imagen patrón a 500X
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Enfriamiento en Aceite
Figura
Nº
3:
Imagen
a
400X
Figura Nº 4: Imagen a 500X
Enfriamiento en Agua
Figura Nº 5: Imagen a 400X
Figura Nº 6: Imagen a 500X
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Enfriamiento en Cal
Figura Nº 7: Imagen a 400X
Figura Nº 8: Imagen a 500X
Figura N°9 Diagrama TTT
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Anexo 3
Preguntas 1. Describir detalladamente la práctica realizada (tiempos, temperaturas, medios de enfriamiento, etc.) Condiciones de prueba
Temperatura=800°C
Tiempo=15minutos
Equipos
Horno eléctrico (mufla) Viesner Tmax=1300°C ts=5 minutos Disco de corte Pulidora Microscopio óptico Durómetro Brinell
MATERIALES
Varilla corrugada (1010) de bajo carbono. Lijas (240,320,400,600 y 1000) Porta lijas Nital 3% Pasta alumina
Para la práctica lo primero que se realizo fue cortar la varilla corrugada de acero 1010 es decir con 1% de carbono en trozos de 2 cm de espesor aproximadamente, luego se tomó tres probetas de la muestra y se introdujeron dentro del horno eléctrico (Mufla,Viesner con Tmax=1300°C y ts=5minutos) durante 15 minutos, posteriormente se sacaron los probetas y fueron enfriadas hasta alcanzar la temperatura ambiente en diferentes medios tales como agua, aceite y cal. Una vez que se enfriaron los probetas se procedió a realizar en cada una un tratamiento metalográfico, se procede a lijar la parte transversal de cada una de las probetas con diferentes tipos de lijas 7
(240,320,400,600 y 1000); primero se empezó a lijar con la lija de numeración 240 hasta obtener en la probeta unas líneas en una sola dirección, luego se lijo con una lija de mayor numeración la de 320 pero perpendicular a las líneas anteriormente obtenidas y así sucesivamente se hace con el resto de lijas a esto se llama pulido grueso. Para obtener un pulido fino llevamos el probeta a la pulidora de disco, en donde con la pasta de alúmina se obtuvo una superficie lisa. Una vez obtenido el pulido fino se lleva el probeta a realizar el ensayo de dureza en el durómetro Brinell (Rockwell Type Hardness Tester) en donde se utilizó un identador de cono de diamante con una carga de 150 Kg, una vez realizado el ensayo de dureza Brinell se determinó cuál de los medios de enfriamiento a lo que fue sometido la pieza con tratamiento térmico le produce mayor dureza. Posterior al ensayo de dureza se realizó un ataque químico con nital al 3% y de ahí se procedió analizar las diferente microestructura que presenta cada una de las probetas enfriados en los diferentes medios.
2. Describir las fases encontradas en las metalograf{ias de las muestras correspondientes a los diferentes medios de enfriamiento utilizados. Agua: Martensita estructura acicular Aceite: Perlita fina Cal: Perlita gruesa 3. Usando el diagrama CCT correspondiente al tipo de acero utilizado en la práctica, trazar las curvas de enfriamiento sugeridas para los tratamientos térmicos realizados, basándose en las fases encontradas en las metalografías obtenidas.
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4. Describir las diferentes curvas y regiones encontradas en los diagramas TTT.
5. Describir y comparar los siguientes tipos de tratamientos térmicos: Temple: Capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante el tratamiento Térmico (750ºC) y posterior enfriamiento rápido. Revenido: Tratamiento Térmico a bajas temperaturas (≈300ºC) que elimina tensiones, dureza y aumenta la tenacidad en aceros templado. Se descompone la martensita Recocido: A elevada temperatura durante un periodo de tiempo, y luego enfriado lentamente. Se lleva a cabo para eliminar tensiones incrementar la plasticidad, ductilidad y la tenacidad. Normalizado: El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. 6. Describir el comportamiento mecánico de aleaciones de Fe-C de acuerdo al contenido de: Ferrita: Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más 9
blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza 2 de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm , llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.
La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C) Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C) Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
Cementita: Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:
Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos. Componente de la perlita laminar. Componente de los glóbulos en perlita laminar. Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25 % de C)
Perlita: Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 2 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular. 10
Bainita: Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita. Martensita: Es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los aceros. 7. Describa como y bajo qué condiciones (temperaturas) ocurren las siguientes transformaciones de fase: Transformación de Austenita a perlita
Una aleación de 0,8 % de C, es decir de composición eutectoide. En esta aleación, durante el enfriamiento, a 723° C, se producirá la transformación de la austenita en perlita, por el mecanismo de nucleación y crecimiento. Transformación de Austenita a bainita
Cuando una aleación Fe-C, tal como una hipoeutectoide, se enfría desde el campo austenítico en condiciones de equilibrio o cercano a él, se cumple el diagrama de fases obteniéndose una estructura ferrítico-perlítica. En cambio, si el enfriamiento es relativamente rápido, o mejor aún, si éste procede rápidamente hasta unos 250-350º C y luego se mantiene dicha temperatura durante un período de tiempo adecuado, no se produce la transformación de equilibrio, sino la denominada transformación bainítica Transformación de Austenita a martensita
En un acero eutectoide se produce martensita cuando el enfriamiento es tan rápido que se evita que la nariz perlitica de la curva de transformación, dicha transformación se realiza por debajo de los 220°C.
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