INFORME DE LABORATORIO IV: PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TERMICOS
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PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Kevin Guevara1, Cristian Hernández2, Keyni Téllez3, Alejandra Velandia4 Universidad Nacional de Colombia Bogotá, Colombia
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Resumen - En la práctica de laboratorio que se llevo a cabo se busco el análisis de la variación de las propiedades mecánicas que presentan los materiales tras ser sometidos a tratamientos térmicos. Por medio del presente informe se hará una descripción específica sobre el proceso y los datos tomados de la práctica anteriormente enunciada. Abstract- In the lab carried out was sought analysis variation of mechanical properties of materials present after being subjected to heat treatments. By means of this report will be a specific description of the process and the data taken from the practice previously stated Palabras clave- Tratamientos térmicos, estructuras mecánicas, recocido, templado, revenido, dureza, Resistencia al desgaste, tenacidad y maquinabilidad, patentado. I. OBJETIVOS Objetivo General: Analizar la influencia que tienen los tratamientos térmicos sobre las propiedades mecánicas de los materiales que son sometidos a dichos tratamientos. Objetivos específicos: Identificar los diferentes métodos de aplicación de los tratamientos térmicos sobre los aceros.
Estudiar el comportamiento de cambio sobre los aceros sometidos a algún tratamiento térmico Observar la variación de las propiedades mecánicas de los materiales de objeto de estudio en la práctica. II. INTRODUCCION
Los tratamientos térmicos son una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, a temperaturas y en condiciones determinadas, a las cuales se someten los aceros con el fin de obtener propiedades y características determinadas deseadas. Estas operaciones no modifican la composición química pero si los constituyentes estructurales y por ende las propiedades mecánicas. La naturaleza, la forma, el porcentaje y la distribución de los constituyentes de los metales y aleaciones conforman la microestructura del material metálico considerado. La microestructura, consecuencia de las reacciones en estado solido generadas entre las fases existentes a lo largo de los tratamientos térmicos, es responsable de las propiedades físicas, químicas y mecánicas del metal. En este laboratorio se busca analizar las relaciones entre las propiedades finalmente obtenidas y los tratamientos térmicos a los que fueron sometidas las muestras. III. BASE TEÓRICA Tratamiento térmico
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Kevin Javier Guevara Gutiérrez. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Industrial. 2 Cristian Fabián Hernández Guevara. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Industrial. 3 Keyni Yulieth Téllez Garavito. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Industrial. 4 Shirley Alejandra Velandia Cantor. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Industrial.
Se conoce como tratamiento térmico el proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones en estado sólido a temperaturas definidas, manteniéndolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus
INFORME DE LABORATORIO IV: PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TERMICOS propiedades físicas y mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada. Entre estas características están: Resistencia al desgaste, tenacidad, maquinabilidad y dureza.
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Antes de endurecer el material, la microestructura del material es una estructura de grano de perlita que es uniforme y laminar. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita formada cuando el acero o hierro fundido se fabrican y se enfría a una velocidad lenta. Después de enfriamiento rápido endurecimiento, la microestructura de la forma material en martensita como una estructura fina, grano de aguja.
Recocido
Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman los aceros sin variar la composición química de los mismos, por lo tanto las diferentes estructuras de grano pueden ser modificadas. Estas propiedades varían de acuerdo al tratamiento que se le dé al acero dependiendo de la temperatura hasta la cual se lo caliente y de cómo se enfría el mismo. Algunos de los tratamientos térmicos más usados y justamente trabajados en la práctica de laboratorio son:
Temple
Es un tratamiento térmico para el cual el acero se calienta hasta una temperatura determinada, se mantiene a esta temperatura y luego se enfría rápidamente la pieza para obtener determinadas propiedades mecánicas. Como resultado del templado, se eleva la resistencia y la dureza y se reduce la plasticidad de los aceros y aleaciones. La calidad del temple depende de la temperatura y la velocidad de calentamiento, el tiempo de exposición y enfriamiento. Los parámetros principales del temple son: la temperatura de calentamiento y la velocidad de enfriamiento. Es comúnmente utilizado para endurecer el acero mediante la introducción de martensita, en cuyo caso el acero debe ser enfriado rápidamente a través de su punto eutectoide, la temperatura a la que la austenita se vuelve inestable.
Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que recocerlo o ablandarlo. El recocido es un proceso cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales. El proceso consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto, etc. El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir. Su función es la de afinar y ablandar el grano, eliminando las tensiones y la acritud producida por la conformación del material en frío. Además, busca aumentar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material Algunas clases de recocido son: - Recocido de regeneración: Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. - Recocido globular: Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío. - Recocido contra la acritud: Se recuperan las propiedades perdidas en la deformación enfrío (acritud). - Recocido de ablandamiento: Se ablanda piezas templadas con anterioridad para su mecanización. - Recocido de estabilización: Elimina las tensiones de las piezas trabajadas en frío.
INFORME DE LABORATORIO IV: PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TERMICOS - Recocido isotérmico: Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente. - Doble recocido: Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación
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dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla al intemperie en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.
Revenido
Patentado
Tratamiento térmico que consiste en calentar el alambre hasta 950 °C, y una vez alcanzada dicha temperatura; enfriarlo bruscamente en un baño de plomo a 500 °C. Este tratamiento tiene por objeto dar al alambre una estructura dúctil que permite el trefilado. Patentado o patenting. En aceros de 0,3 a 0,85 % C para el estirado en alambres. (Se suele acompañar este tratamiento de un recocido de regeneración cuando comienza a aparecer acritud en el proceso de trefilado).
Tratamiento térmico posterior al temple, que tiene por objeto reducir el nivel de tensiones residuales, generadas principalmente por trabajos de mecanizado profundo o la aplicación de soldadura. Como consecuencias de la alteración estructural que se verifica en el acero templado se tienen la mejora de la ductilidad, la reducción de los valores de resistencia a la tracción y dureza, al tiempo que se alivian o eliminan las tensiones internas y la fragilidad.
IV. PROCEDIMIENTO
Con este tratamiento eliminamos la fragilidad y las tensiones creadas en la pieza. Siempre hay que realizarlo después del temple. Consiste en calentar las piezas a una temperatura inferior a la del temple, consiguiendo que la martensita se transforme en una estructura más estable, terminando con un enfriamiento rápido, dependiendo del tipo de material. La temperatura y el tiempo de calentamiento son los factores que más influyen en el resultado del revenido. Hay que tener muy en cuenta que el revenido es fundamental para conseguir el adecuado temple y una buena tenacidad en las piezas.
En primera medida se trabajo con resortes ya sometidos a tratamientos térmicos, y lo que se hizo fue estudiar su comportamiento de elongación. Para ello, el proceso llevado a cabo para cada uno fue:
Los materiales sobre los cuales se observaron las variaciones en sus propiedades mecánicas tras determinados tratamientos térmicos fueron resortes.
1.
Para el alargamiento de los resortes se uso una maquina de alargamiento creada por unos estudiantes con fines de practicas similares. Dicha, cuenta con un dinamómetro para medir las cargas proporcionadas sobre las muestras y un metro que medía las longitudes tomadas por el resorte tras ser sometidas a determinadas fuerzas.
Bonificado
Es un tratamiento térmico que consiste en una fase de revenido después de una de temple, ya que tras el temple se generan algunas tensiones internas que hacen al material frágil a los golpes y el revenido justamente reduce dichas tensiones. Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de
Los resortes fueron colocados entre un dinamómetro y un gancho que ejercía la fuerza para alargar el resorte.
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A este resorte tratado por medio del temple, se le realiza el mismo procedimiento anteriormente mencionado en la maquina de alargamiento. V. ANÁLISIS Y RESULTADOS
2.
Se tomaron datos de las elongaciones mostradas por el resorte al ser sometido a diferentes fuerzas determinadas. Esto, con el fin de poder crear una grafica de elongación en función de la carga o de la fuerza ejercida sobre las muestras.
De manera practica se realiza un tratamiento de temple a un resorte en estado de entrega anteriormente analizado con la maquina de alargamiento. La práctica consistió en llevar el resorte a un horno de atmósfera no controlada (MUFLA) durante 5 minutos a una temperatura de 820°C.
A partir de los datos tomados en la práctica de laboratorio se realizaron tablas y gráficas que permitan la comparación entre las características mecánicas que confiere el proceso térmico a los resortes. Además gracias al análisis micro estructural también se puede hacer una comparación en cuanto a la composición física de la estructura y cómo se relaciona ésta con el cambio de sus propiedades. A continuación se presentan los datos tomados en la práctica tabulados de forma tal, que permita la construcción de las graficas de elongación en función de la carga
RESORTE EN ESTADO DE ENTREGA PATENTADO (HV 525 - bainita)
Carga (gr) Elongación (cm) 0 29,4 500 32,6 1000 34,6 1500 37,3 2000 40,2 2500 42,5 300 45 3500 47,7
60 Elongacion (cm)
Después de transcurridos los 5 minutos se saca el resorte del horno con una pinzas de acero 1070 con el fin de enfriarlo rápidamente, para lo que se sumerge en un recipiente con agua. Con ello culmina el proceso del temple.
Elongacion en funcion de la carga (Patentado)
50 40 30 20 10 0 0
1000
2000
3000
4000
Carga o Fuerza ejercida (gr)
Como se puede observar la deformación del resorte es proporcional a la carga a la que es sometido. Por lo que se deduce a partir de la grafica construida, que se presenta únicamente deformación elástica, y además teniendo en cuenta que el resorte trabajado después de retirada la carga volvió a su estado inicial.
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RESORTE ESTADO DE ENTREGA RECOCIDO (HV 235 - perlita y ferrita)
Carga (gr) Elongación (cm) 0 29,4 500 31,6 1000 34,7 1500 80 2000 no alcanzó, se deformó plásticamente
para realizar el temple, se generaron grandes tensiones internas por lo que al realizarle la prueba a este resorte, el mismo se fracturó de manera casi que inmediata.
RESORTE ESTADO DE ENTREGA BONIFICADO (HV 620 - martensita revenida) Carga (gr) Elongación (cm) 0 27,7
Elongación (cm)
Elongación en funcion de la carga (recocido a 820°C) 100 80 60 40 20 0 0
500
1000
1500
500
28,9
1000
29,9
1500
30,9
2000
31,9
2500
32,8
3000
33,8
3500
34,7
Elongación en funcion de la carga (Templado 820°C - Revenido 300°C)
2000
Elongación (cm)
Carga o Fuerza ejercida (gr)
La grafica nos muestra dos fases en el proceso de elongación del resorte, la primera es la elástica, como se observa después de los 1000 gr de carga, el alargamiento se da rápidamente por lo que se deduce que el resorte entro en una etapa de deformación plástica, Además de ello, porque al ser sometida la muestra a este tratamiento térmico, se volvió mas dúctil.
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40 30 20 10 0 0
1000
2000
3000
4000
Carga o fuerza ejercida (gr)
RESORTE ESTADO DE ENTREGA TEMPLADO (HV 730 - martensita) Carga (gr) Elongación (cm) 0
30,3
500
33,4
1000
36,1
Elongación (cm)
Elongación en funcion de la carga (templado a 820°C) 38,0 36,0 34,0 32,0 30,0 0
500
1000
En la grafica construida a partir de los datos tomados en el laboratorio, se evidencia que el cambio de elongación es también proporcional al de carga ejercida sobre la muestra. Por lo que se concluye que solo se alcanzó una deformación elástica, y además, teniendo en cuenta que el resorte volvió a su estado original tras retirar la carga.
1500
Carga o Fuerza ejercida (gr)
Esta fue la muestra que se trato térmicamente de manera práctica en el laboratorio. Después del proceso llevado a cabo
RESORTE ESTADO DE ENTREGA BONIFICADO (HV 470 - martensita revenida) Carga (gr) Elongación (cm) 0
29,5
500
30,4
1000
31,4
1500
32,3
2000
33,3
2500
34
3000
35
3500
35,8
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Elongación (cm)
Elongación en funcion de la carga (Templado 820°C- Revenido 450°C)
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Estado de entrega (patentado) HV (dureza) 525
40 30 20 10 0 0
1000
2000
3000
4000
Carga o Fuerza ejercida (gr)
En esta grafica también se observa que la pendiente es una recta por lo que se concluye que se llego únicamente a una fase de deformación elástica. Y que el alargamiento que tuvo el resorte es directamente proporcional a la carga que le fue ejercida.
RESORTE ESTADO DE ENTREGA BONIFICADO (HV 352 - martensita revenida) Carga (gr) Elongación (cm) 0 29,3 500
30,4
1000
31,3
1500
32,3
2000
33,2
2500
34
3000
34,9
3500
35,8
Elongación (cm)
Elongación en funcion de la carga (Templado 820°C - Revenido 600°C)
En estado vainítico se puede observar una estructura uniforme con una dureza promedio
Para el tratamiento de recocido podemos observar una disminución en la dureza por pérdida de carbono ya que el oxígeno penetra en el material y lo oxida formando una mayor cantidad de ferrita que perlita.
40 30 20 10
0 0
1000
2000
3000
Recocido 820 °C HV 235
4000
Caraga o Fuerza ejercida (gr)
Como se puede observar en este caso como en los dos anteriores, la deformación del resorte es proporcional a la carga a la que es sometido. Se deduce a partir de la grafica construida, que se presenta únicamente deformación elástica, teniendo en cuenta también que inmediatamente después de retirada la carga el resorte volvió a su estado original. Efecto del tratamiento térmico en las propiedades micro estructurales del resorte
Templado a 820°C HV 730
INFORME DE LABORATORIO IV: PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TERMICOS Podemos presenciar un aumento notable en la dureza del material, lo que concuerda con el análisis antes realizado sobre el rompimiento del resorte sometido a este tratamiento en la práctica de laboratorio. Además se puede notar la aparición de martencita en la estructura.
Templado a 820°C Revenido a 300°C HV 620
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Las tres ultimas imágenes, son de resortes sometidos al tratamiento térmico de bonificado, Por medio del cual, en primer lugar, en todos los casos se aumento la dureza del material por medio del temple y, en segundo lugar, por medio del revenido se consiguió eliminar las tensiones internas con lo que además se redujo también la fragilidad al impacto y por ende, se logro una mejoría bastante optima en las propiedades mecánicas y micro estructurales del material. VI. CONCLUSIONES Los tratamientos térmicos son un medio por el cual, se busca mejorar las propiedades micros estructurales y mecánicas de los materiales sometidos a dichos, en busca de las características deseadas para su funcionamiento y utilidad. Dependiendo de las cualidades o características específicas que se le quieran otorgar al material en pro de su uso en aplicaciones especificas, debe someterse al material a diferentes tratamientos térmicos.
Es recomendable siempre hacer un tratamiento de temple seguido del revenido, ya que en el primero, no solo se aumenta la dureza, sino que como consecuencia de ello también se generan tensiones internas que aumentan su fragilidad al impacto, y es justamente el segundo procedimiento el que permite eliminar dichas tensiones.
Templado a 820°C Revenido a 450°C HV 470
Los tratamientos térmicos aplicados en los resortes, generan diferentes propiedades que los vuelven adecuados para ser sometidos a cierta tensión.
Templado a 820°C Revenido a 600°C HV 352
Luego de someter los resortes a los estiramientos en el soporte, el único que se rompió fue el que se había templado y enfriado en agua esto se debe a que es el que más dureza adquiere pero al mismo tiempo se vuelve más frágil. La relación entre dureza y fragilidad es inversamente proporcional en los resortes ya que la elasticidad de un resorte disminuye cuando se somete a un tratamiento que le confiere una estructura más rígida y se vuelve propenso a la fractura. VII. REFERENCIAS SMITH, William y HASEHEMI, Javad. (2006). Fundamentos de la Ciencia de Materiales (Cuarta ed.). . México D.F: Reverté S.A.
INFORME DE LABORATORIO IV: PROPIEDADES MECANICAS TRAS TRATAMIENTOS TERMICOS R.L. BERNAU. Elementos De Metalografia y de Acero al Carbono Editorial Andres Bello. Pág. 23 DOUKOVA, SOFKA. Lombana, Edwin. “Materiales Laboratorio Guía Para Practicas”. Capitulo IV, Tratamientos térmicos, pág. 77-96. KOZLOV, YU. “Ciencia de los materiales”. Capitulo V, Fundamentos del tratamiento térmico, pág. 79-97. PERE MOLERA SOLÁ, Tratamientos Térmicos de los Metales. Editorial Prodúctica 51
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