UNIVERSIDAD DE CARABOBO. FACULTAD DE INGENIERÍA. ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA. DEPARTAMENTO DE MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN. LABORATORIO DE MATERIALES.
Práctica No:
9 y 10.
Título de la Práctica:
Tratamientos templabilidad.
Nombre y Apellidos:
Simón Barrios.
Cédula de Identidad:
23435647.
Grupo:
04.
Profesor:
Anahí Santeliz.
Preparador:
Rafael Barrios.
Observaciones:
Naguanagua, 17 de Julio del 2015.
térmicos
y
1. INTRODUCCIÓN Los tratamientos térmicos son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, e structura, cambiar la forma for ma y el e l tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes. El objetivo es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las piezas según las aplicaciones que se le va a dar; obteniendo así un aumentos en la dureza y resistencia mecánica, mejoras en su o plasticidad y maquinabilidad para facilitar su conformado. Tratamientos térmicos de enfriamiento continúo de los aceros: Los tratamientos térmicos de enfriamiento continuo no modifican la composición química del acero, pero si la constitución, estructura y estado mecánico del metal. El procedimiento general de los tratamientos térmicos es calentar las piezas por encima de la temperatura de transformación o austeización (A3, A1 o Acm) y posteriormente enfriarlos.
Normalizado: es un calentamiento calenta miento a temperatura superior a la crítica cr ítica dependiendo de la composición del acero. Posteriormente al calentamiento, se somete la pieza a un enfriamiento al aire tranquilo. Este tratamiento se emplea para volver a lo que se supone el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. La estructura del material es uniforme luego del normalizado. Recocido: Consiste en calentar el acero a la temperatura superior a la crítica. Posteriormente la pieza es enfriada lentamente dentro del horno. El objeto de este tratamiento Es ablandar el material para después mecanizarlo mejor. Temple: es someter el acero a un calentamiento a una temperatura superior a la crítica. Luego del calentamiento el procedimiento es seguido de un enfriamiento rápido. Se emplea para aumentar la dureza y resistencia mecánica de los aceros. El enfriamiento puede ser en agua, aceites, sales etc. Revenido: consiste en calentar el acero que ha sido templado a una temperatura inferior a A1, seguido de un enfriamiento a aire tranquilo. Es un tratamiento complementario del temple y tiene por objeto o bjeto mejorar la tenacidad de las piezas templadas t empladas a costa de disminuir su dureza y resistencia mecánica. También se consigue con él, eliminar las tensiones internas producidas por el temple. El efecto de los tratamientos térmicos en los aceros está relacionado con el cambio que ocurre en la microestructura. Al calentar un acero sobre su zona crítica, la estructura inicial de Ferrita, Perlita o Cementita, según el tipo de acero, se transforman en Austenita (austenización). Si el acero caliente se enfría bruscamente, es decir se templa, la austenita se transforma en un nuevo constituyente llamado Martensita. Martensita. La martensita es una solución sobre saturada de carbono, cuanto más más rápido el enfriamiento, más homogénea homogénea es la estructura estructu ra martensítica martensítica y más duro el producto. La velocidad velocidad mínima de enfriamiento a la cual la austenita se transforma íntegramente en martensita se denomina Velocidad crítica de temple. [1] Tratamientos térmicos de enfriamiento escalonado:
Martempering: es un tratamiento modificado que se usa con los aceros para minimizar la distorsión y el agrietamiento que se pueden producir durante el enfriamiento irregular del material sometido a tratamiento térmico. El proceso de martemperizado consiste en (1) austenitizado del acero, (2)
temple del mismo en aceite caliente o sal fundida a una temperatura apenas por arriba (o ligeramente por abajo) de la temperatura Ms, (3) permanencia del acero en el medio de templado hasta que la temperatura sea totalmente uniforme y suspensión de este tratamiento isotérmico antes que se inicie la transformación de austenita a bainita, y (4) enfriamiento a una velocidad moderada hasta la temperatura ambiente para evitar grandes diferencias de temperatura.
Autempering: es un tratamiento isotérmico que produce una estructura de bainita en algunos aceros al carbono simples. El proceso es un procedimiento opcional, en lugar del temple y revenido, para incrementar la tenacidad y ductilidad de algunos aceros. En el proceso de austemperizado, el acero es austenitizado primero, después se templa en un baño de sal fundida a una temperatura apenas por arriba de la temperatura Ms del acero, se mantiene en ese estado isotérmicamente para permitir que ocurra la transformación de austenita en bainita, y finalmente se enfría en contato con el aire hasta alcanzar la temperatura ambiente.
La templabilidad de un acero se define como la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza inducida mediante el templado a partir de la condición austenítica. La templabilidad de un acero depende principalmente de (1) su composición, (2) el tamaño del grano austenítico y (3) la estructura del acero antes de ser templado. La templabilidad no debe confundirse con la dureza de un acero, que es su resistencia a la deformación plástica, generalmente por indentación o melladura. [2] Ensayo Jominy: Un procedimiento estándar utilizado ampliamente para determinar la templabilidad es el ensayo Jominy. En este ensayo se mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición, como por ejemplo tamaño y forma de la pieza y tratamiento de temple. Una probeta cilíndrica de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud se austeniza a una temperatura y durante un tiempo determinado. Después de sacarla del homo se instala inmediatamente en un soporte especial. El extremo inferior se templa mediante un chorro de agua con una velocidad de flujo y a una temperatura especificada. De este modo, la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta. Una vez que la probeta se ha enfriado e nfriado a temperatura ambiente, a mbiente, se desbasta des basta una tira t ira de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los 50 primeros milímetros de la probeta; en los primeros 12,5 12, 5 mm las lecturas de dureza se toman toma n a intervalos de 1,6 mm y en los 37,5 mm siguientes cada 3,2 mm. Se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado. Severidad de temple: es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de enfriamiento; el temple más rápido equivale al temple más severo. De los tres medios de temple más utilizados (agua, aceite y aire) el agua es el que produce un temple más severo seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de cada medio también influye en la velocidad de eliminación del calor. Incrementando la velocidad de enfriamiento a través de la superficie de la probeta, aumenta la efectividad del temple. [3]
2. OBJETIVOS
Objetivo general. Realizar los tratamientos térmicos así como el ensayo Jominy a las diferentes probetas de laboratorio y estudiar el cambio en las propiedades de los materiales.
Objetivos específicos. Realizar los tratamientos térmicos de recocido, temple y normalizado a las probetas. Realizar el ensayo Jominy a una probeta normalizada. Observar y estudiar las características de las probetas con tratamientos térmicos. Obtener y construir las curvas de templabilidad con los datos suministrados. Estudiar el efecto de los elementos aleantes en la templabilidad. 3. LISTA DE MATEIALES Y EQUIPOS
Materiales. 4 probetas de acero para tratamientos térmicos (12 mm de diámetro). 1 probeta normalizada para el ensayo Jominy (1 pulgada de diámetro y 4 pulgadas de alto). Aceite de motor para el temple en aceite agitado. Agua para el temple en agua. Equipos. Microscopio. Marca: Union. Modelo: MC 86267. Capacidad: 100-200-400-1000x. Computadora. Marca: Genius. Cámara. Marca: Panasonic. Modelo: WV-cp230. Televisor. Marca: Toshiba. Equipo Jominy. Año 2007. Horno. Marca Thermolyne. Modelo 48000. Apreciación 0.1 °C. Guantes y careta de protección. Pinzas. Recipientes para realizar los temples.
4. PROCEDIMIENTO EXERIMENTAL
Actividad 1: Tratamientos térmicos. Calentar el horno hasta la temperatura de austenización de los aceros. Introducir todas las probetas en el horno. Dejar las muestras en el horno una hora por cada pulgada y media hora por cada pulgada adicional, si la muestra tiene un diámetro menor a una pulgada dejarla 1 minuto (mínimo) a 2 minutos (máximo) por cada milímetro. Colocarse el equipo de protección y sacar una de las probetas pequeñas. Colocar la primera probeta al aire, sobre la mesa de trabajo y observar el cambio de color de la misma. (proceso de normalizado) Sacar la segunda probeta y realizarle el temple en agua. Introducir y sostener la probeta dentro del agua sin agitarla, durante 20 segundos, prestar atención a lo que ocurre. Sacar la probeta del agua y colocarla en la mesa de trabajo.
Tomar con las pinzas la tercera probeta y realizarle el temple en aceite agitado. Introducir la pieza en el aceite mientras se sostiene con las pinzas y mover la probeta en forma circular en el aceite, y observar lo que sucede. Sacar la pieza y colocarla en la mesa de trabajo. Realizar el recocido a la última probeta, dejarla en el horno y apagarlo, y esperar a que se enfríe y sacarla del horno. Observar en el microscopio otras las muestras suministradas con tratamientos térmicos realizados previamente. Identificar la microestructura en cada muestra. Relacionar cualitativamente la dureza con la microestructura vista en cada una de las muestras
Actividad 2: Ensayo Jominy. Tomar los guantes, la careta de protección y las pinzas. Sacar la probeta Jominy del horno. Colocarla rápidamente en el soporte del equipo Jominy. Encender la bomba de agua y dejar que el chorro de agua haga contacto con la parte inferior de la probeta hasta que se enfríe. Construir las curvas de templabilidad con los datos teóricos suministrados por la profesora y la segunda curva con datos experimentales del mismo modo suministrados. Comparar las curvas de templabilidad obtenidas con la de los libros, para obtener el tipo de acero de cada material ensayado. Investigar los elementos aleantes de cada material encontrado en los libros y relacionarlos con su templabilidad. . 4. RESULTADOS OBTENIDOS Actividad 1: Tratamientos térmicos. Tabla 1. Resultados de los tratamientos térmicos.
Tratamiento térmico. Normalizado Temple en agua Temple en aceite agitado Recocido.
Observaciones. Cambio de color de la probeta comenzó inmediatamente al sacarlo del horno. Pasando por anaranjado, rojo, marrón, negro. Cambio instantáneo de color anaranjado a negro, burbujeo y desprendimiento de cáscara. Burbujeo prolongado, sonido de craqueo de la cáscara. Cambio de color más lento que en el normalizado.
Tabla 2. Datos de las probetas con tratamientos térmicos.
Número muestra.
% de carbono.
Tratamiento térmico
Observaciones
1-B
0.6
Normalizado
Microestructura de perlita y ferrita.
6-B
0.6
Recocido
Microestructura con más ferrita que perlita. Es menos dura que la primera
2-A
1
Temple en agua
Microestructura de 100 % martensita. Es la más dura.
3-B
0.6
Temple en aceite
Microestructura de martensita y Troostita. Es menos dura que la anterior.
5-B
0.6
Temple en agua y revenido a 600°C
Estructura de martensita revenida. Es menos dura que la tercera.
Ferrita
Perlita Figura 1. De izquierda a derecha: muestras 1-B y 6-B. 400x
Martensita
Troostita
Figura 2. De izquierda a derecha: muestras 2-A, 3-B y 5-B. 400x
Martensita revenida
Actividad 2: Ensayo Jominy. Tabla 3. Observaciones del ensayo Jominy.
Observaciones Ensayo Jominy
La probeta cambia de color rápidamente desde el punto de contacto con el agua, extendiéndose progresivamente hasta el otro extremo.
Tabla 4. Datos suministrados, experimentales y teóricos. Distancia Jominy (1/16 pulgadas) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Datos teóricos 50 45 38 33 39 28 26 25 24 23 22 20 20 20 20
Datos experimentales 57,4 56,5 56 55,3 55 55 54,7 54,6 53,7 53,2 53,3 53,3 52,9 51,5 51,3
70 Dureza (HRC) 60 50 40 Datos teóricos 30
Datos experimentales
20 10 Distancia Jominy
0 0
10
20
30
40 (1/16 in)
Figura 3. Curvas de d e templabilidad. Tabla 5. Comparación de curvas de templabilidad con aceros investigados.
Datos.
Concordancia en cuanto a templabilidad
Elementos aleantes
Datos experimentales
Acero SAE 4340
Molibdeno, manganeso, cromo, níquel, silicio.
Datos teóricos
Acero SAE 8640
Cromo, níquel, molibdeno, manganeso y silicio.
.Figura 4. Curvas de templabilidad de acero 8640 (izquierda) y 4340 (derecha)
Figura 5. Composición química de los aceros investigados.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
Actividad 1: Tratamientos térmicos. Al hacer el recocido se observó que el cambio de temperatura no es súbito ya que se pueden observar las variaciones del color en la probeta, también se observó que una capa de oxido quedó pegada a la probeta luego de enfriarse. En el temple con agua el cambio de temperatura fue muy veloz, se escuchó un burbujeo que se mantuvo por 5 segundos aproximadamente, también se escucharon sonidos semejantes a crujidos, esto se debe a que la capa de óxido antes mencionada se quiebra con el cambio de temperatura y se desprende del material. Lo mismo ocurrió en el temple con aceite agitado, el burbujeo duró mucho más que en el anterior debido a que el aceite no es capaz de disipar tanta energía tan rápido como el agua. Esto se notó también ya que a los 40 segundos de temple la probeta seguía caliente. La cáscara de oxido también se desprendió en el temple con aceite debido a los cambios de temperatura, pero aún quedaba un poco en la probeta luego del proceso. pro ceso. Durante el recocido ocurre dentro del horno el cambio de color de la pieza, de igual modo que en el normalizado pero más lento, comenzando por el anaranjado y pasando por rojo, marrón, negro. Éste enfriamiento ocurre tan lento que tampoco hay desprendimiento de la capa de oxido en la superficie del material. Entre las probetas 1-B y la 6-B, es la primera la más dura entre las dos, poseen el mismo porcentaje de carbono pero la primera posee más perlita en su microestructura, es decir, tiene más cementita que la 6-B, lo que hace que su dureza sea mayor. Tanto la 3-B como la 5-B son menos duras que la 2-A; en el caso de la 3-B no solo se debe a que su porcentaje de carbono es menor, sino que en su microestructura hay troostita, este constituyente es más fino y más duro que la perlita, pero menos duro que la martensita, por lo que su dureza en general es menor que si fuera completamente martensita. En el caso de la 5-B, de nuevo no es sólo por tener un menor porcentaje de carbono, sino porque a esta probeta se le aplicó un revenido, y al enfriarse se formó un constituyente llamado martensita revenida, la cual es menos dura y frágil que la martensita sin revenir. La comparación de dureza entre la 3-B y la 5-B, no puede realizarse de forma cualitativa ya que tienen diferente microestructura, por lo que debe realizarse una comparación cuantitativa (con un ensayo de dureza).
Actividad 2: Ensayo Jominy. Durante el ensayo Jominy se observó el enfriamiento de la probeta desde la zona sometida al temple hasta el extremo soportado, es importante cuidar que el chorro de agua golpee el centro de la pieza para no enfriarla enfriar la de forma incorrecta y afectar los resultados, una forma for ma de estar seguros segur os de que está en el centro es observar el aro de agua que se forma luego del choque, éste debe ser lo mas circular posible. En la curva de templabilidad construida se puede apreciar que el material de los datos experimentales es más templable que el material de los datos teóricos. Se dice esto porque a medida de que va aumentando la distancia Jominy en los datos experimentales la dureza disminuye muy poco, en cambio en los datos teóricos la dureza disminuye rápidamente con el aumento de la distancia Jominy. Se compararon los resultados anteriores con curvas de templabilidad de diferentes aceros en las bibliografías concluyendo que el material de los datos experimentales se asemeja a un acero SAE 4340 y el material de los datos teóricos a un acero SAE 8640 en sus límites mínimos de templabilidad. Ambos aceros poseen los mismos elementos aleantes como son el molibdeno, manganeso, cromo, níquel, silicio, la diferencia está en la cantidad presente de cada uno de ellos. Para el acero 8640 se trata de un caso en que tiene poco cromo, manganeso y molibdeno dentro del rango de este acero, ya que éstos elementos son los que más ayudan aumentar la templabilidad del material, lo que explicaría la disminución de esta propiedad. Por otro lado el acero 4340 tiene un alto contenido de molibdeno, uno de los aleantes que mas favorecen a la templabilidad, y aunque contiene menos manganeso que lo que está dentro del rango de lo que poseen los aceros 8640, tiene mayor contenido de cromo, lo cual ayuda al acero 4340 a que sea mas templable. 6. CONCLUSIONES
La velocidad de enfriamiento en el agua es mucho mayor que en el aceite agitado, pudo observarse porque el burbujeo del medio duró más en el aceite, aceite , se disipa menos calor por unidad de tiempo. El enfriamiento durante el normalizado es tan lento en comparación al temple que no se da el desprendimiento de la cáscara de oxido que se forma al calentar el material. La muestra 2-A es la más dura, debido a que tiene mayor porcentaje de carbono que el resto y además su estructura es 100 % martensita. Al realizar el ensayo Jominy se debe trasladar la probeta rápidamente del horno al soporte, en menos de 5 segundos para evitar el enfriamiento con el aire. Es recomendable que en el ensayo Jominy el chorro de agua impacte impacte justamente en el centro del área de la pieza para que el enfriamiento sea constante. Cada material en específico tiene una única curva de templabilidad. Los elementos aleantes juegan un papel importante a la hora de modificar la propiedad de templabilidad de los aceros. El material de los datos experimentales resultó ser más templable que el de los datos teóricos, ya que su dureza varía menos con la distancia.
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1]Militza J. Iriza Castro “Manual de Practicas del Laboratorio de Materiales”, Venezuela, Universidad de Carabobo, p. 1-4. [2] Smith William F. y Hashemi Javad (2006) “Fundamentos de la ciencia e ingenier ía ía de materiales” Editorial McGraw-Hill. p. 389-396. [3] Callister William D. “Ciencia e ingeniería de los materiales”. Editorial Reverté. Barcelona, España. p. 341-346.
