REVENIDO DE ACEROS TEMPLADOS
EDGAR STIVEN DURAN URIBE JUAN JOSE SANCHEZ ROJAS
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICO-QUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES BUCARAMANGA, 2017
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Contenido
1.OBJETIVOS ...................................................................................................................................
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2.MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................
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2.1 REVENIDO. ............................................................................................................................
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2.1.1 Tipos de revenido. ....................................................................................... 6 2.1.2 Fases del revenido. ..................................................................................... 6 2.1.3 Factores que afectan el revenido . .............................................................. 7 2.2 ACERO AISI SAE 4140. .......................................................................................................
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2.2.1 Características. ........................................................................................... 7 2.2.2 Aplicaciones. ............................................................................................... 7 2.2.3 Composición química.. ................................................................................ 7 3.DESARROLLO EXPERIMENTAL ..............................................................................................
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4.RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................................................
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4.1 PROBETA DE REFERENCIA. ............................................................................................
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4.2 REVENIDO 150°C POR 30 MINUTOS. ........................................................................... 10 4.3 REVENIDO A 300 °C POR 30 MINUTOS. ...................................................................... 11 4.4 REVENIDO A 450 °C POR 30 MINUTOS. ...................................................................... 12 4.5 REVENIDO A 600 °C POR 30 MINUTOS. ...................................................................... 13 4.6 REVENIDO A 300 °C POR 60 MINUTOS. ...................................................................... 14 4.7 REVENIDO A 300 °C POR 120 MINUTOS. .................................................................... 15 5.CUESTIONARIO. ........................................................................................................................
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6.CONCLUSIONES. ......................................................................................................................
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7.BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................
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RESUMEN En esta práctica se estudiarán el cambio de las propiedades y las microestructuras que sufre un acero templado durante el revenido, además de la forma en la que afecta la temperatura dichos cambios. Para que esto sea posible se dispuso en el laboratorio de hornos, siete probetas de un acero AISI -SAE 4140, recipientes con medios de enfriamiento para temple, materiales y equipo para realizar un estudio metalográfico a las probetas ensayadas. En el análisis de los resultados de este ensayo se logró determinar que el ablandamiento del material es proporcional a la temperatura y tiempo de residencia del acero en el horno.
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1. OBJETIVOS
Demostrar por medio de la práctica los cambios de propiedades y microestructuras que sufren los aceros templados durante el tratamiento térmico de revenido.
Estudiar los efectos de la temperatura de revenido en las características microestructurales y propiedades del acero revenido.
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2. MARCO TEÓRICO 2.1 REVENIDO. El revenido es un tratamiento térmico consistente en proporcionar un calentamiento a una pieza, después del temple, entre la temperatura ambiente y la de transformación Ac1 (aprox. 730 ºC.), según el tipo de acero a tratar, efectuándose un mantenimiento, más o menos prolongado, a esta temperatura seguido de un enfriamiento adecuado. En la figura 1 se puede observar un bonificado el cual consiste en un proceso de temple más un revenido .
Figura 1. Bonificado de un acero
Fuente: Martínez Dismery. El revenido tiene como objetivo disminuir la elevada fragilidad producida por el temple anterior, así como proporcionar a los aceros una cierta tenacidad, a la vez que se eliminan o disminuyen las tensiones producidas por el temple (el revenido se debe aplicar seguido del templado). A continuación, se presentarán algunas generalidades acerca del revenido:
La mayor tenacidad de las piezas revenidas tiene generalmente como consecuencia una cierta disminución de la dureza conseguida durante el temple.
Generalmente se puede decir que, con la temperatura ascendente de revenido, aumentan la elasticidad y alargamiento y disminuyen la resistencia y la dureza (a excepción de los aceros rápidos). 5
El efecto del revenido depende de la aleación del acero, del temple, del espesor de la pieza y del tratamiento aplicado.
El efecto del revenido es más fuerte para piezas de acero poco aleado, de dimensiones delgadas y de mayor contenido en carbono.
2.1.1 Tipos de revenido.
Baja temperatura o eliminación de tensiones: Tiene como objetivo reducir tensiones internas del material templado sin reducir la dureza. Consiste en escoger el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la dureza inicial, calentar la pieza de 200 °C a 300 °C, mantener la temperatura constante (dependiendo del espesor de la pieza), sacar la pieza del horno, enfriarla, determinar la dureza final.
Alta temperatura: Su objetivo es aumentar la tenacidad de los aceros templados. Básicamente consiste en escoger el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la d ureza inicial, calentar la pieza de 580 °C a 630 °C, mantener la temperatura constante, sacar la pieza del horno y enfriarla preferiblemente al aire, determinar la dureza final.
Estabilización: Tiene como finalidad eliminar tensiones internas de los aceros templados para obtener estabilidad dimensional. Su procedimiento consiste en seleccionar el acero adecuado, determinar la dureza inicial, calentar la pieza a 150 °C, mantener la temperatura constante (t=k 6-8 h), sacar la pieza del horno y enfriarla preferentemente al aire, determinar la dureza final.
2.1.2 Fases del revenido. El revenido se hace en tres fases, las cuales son:
Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica: El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450 °C a 600 °C, mientras que para los aceros de herramienta la temperatura de revenido es de 200 °C a 350 °C.
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Mantenimiento de la temperatura : La duración del revenido a baja temperatura es mayor que a las temperaturas más elevadas, para dar tiempo a que sea homogénea la temperatura en toda la pieza.
Enfriamiento: La velocidad de enfriamiento del revenido no tiene influencia alguna sobre el material tratado cuando las temperaturas alcanzadas no sobrepasan las que determinan la zona de fragilidad del material; en este caso se enfrían las piezas directamente en a gua. Si el revenido se efectúa a temperaturas superiores a las de fragilidad, es convenientemente enfriarlas en baño de aceite caliente a unos 150 °C y después al agua, o simplemente al aire libre.
2.1.3 Factores que afectan el revenido .En este tipo de tratamiento térmico como lo es el revenido, las variables que afectan a este proceso pueden ser controladas por el hombre. Entre dichos factores se encuentran temperatura de revenido, el tiempo de revenido, velocidad de enfriamiento y dimensiones de pieza. 2.2 ACERO AISI SAE 4140.La información del acero AISI SAE 4140 fue obtenida en la página web de Aceros Otero, distribuidora de aceros en Chile. La información está disponible en: http://www.acerosotero.cl/acero_aleado_sae_4140.html 2.2.1 Características. Acero de baja aleaci ón al Cromo Molibdeno. Se suministra con o sin tratamiento de bonificado (temple y revenido). Se utiliza en forma general en la fabricaci ón de piezas de medianas dimensiones que requieren alta resistencia mec ánica y tenacidad. Buena resistencia a la torsión y fatiga. Buena maquinabilidad y baja soldabilidad. 2.2.2 Aplicaciones. Es utilizado en piezas de medianas dimensiones que exigen elevada dureza, resistencia mec ánica y tenacidad tales como ejes, pasadores, cigüeñales, barras de torsión, engranajes de baja velocidad, tuercas y pernos sometidos a grandes esfuerzos, árboles de transmisión, émbolos, bielas y rotores. 2.2.3 Composición química. En la tabla 1 se pueden observar los rangos en porcentaje en peso de cada elemento en un acero AISI SAE 4140. Tabla 1. Composición química de el acero AISI SAE 4140
Fuente: Aceros Otero. 7
3. DESARROLLO EXPERIMENTAL
Inicio
Cortar siete probetas de acero AISI-SAE 4140
Templar las probetas de acuerdo a las especificaciones de acero menos una que será la probeta de referencia.
Revenir durante media hora, una probeta para las siguientes temperaturas 150°C, 300°C, 450°C y 600°C.
Revenir una probeta a 300°C para cada uno de los siguientes tiempos: 1 hora y 2 horas.
Realizar análisis metalógrafico
Llevar a cabo el ensayo de dureza para cada una de las probetas
Construir las curvas isotérmicas, isócronas, Hollomon y Jeffe
Analizar resultados 8
Fin
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 PROBETA DE REFERENCIA. En la figura 2 se puede observar la microestructura de la probeta de referencia del acero AISI SAE 4140 en estado de temple en la cual se puede observar la p resencia de temple producto de la transformación de fase, austenita retenida y unos puntos negros los cuales podrían ser carburos sin disolver durante la austenización, debido a que, este acero es un acero aleado y contiene elementos formadores de carb uros tales como cromo, molibdeno y manganeso (ver tabla 1).La dureza de la probeta fue de 55 HRC. Figura 2. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 templado. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 500x, c) micrografía a 1000x
Carburo sin disolver
a
b
Austenita retenida
Martensita
c
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4.2 REVENIDO 150°C POR 30 MINUTOS. En el diagrama TTT del acero 4140 se puede se puede observar que cuando se hace un revenido a 150 °C aun no se alcanza ninguna línea de transformación ( para que se transforme la austenita retenida). En la figura 3 se pude observar que hay martensita un poco disuelta y austenita retenida y carburos que no se disolvieron en el temple, probablemente haya precipitación del carburo épsilon, la dureza disminuyo en 2 puntos, 53 HRC, con respecto a la dureza de la probeta de referencia. Figura 3. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 150 °C por media hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x a
b
Austenita Retenida
Carburo c
Curva TTT AISI SAE 4340
Carburo
Martensita Revenida
Austenita retenida
150 °C
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4.3 REVENIDO A 300 °C POR 30 MINUTOS. En la figura 4-a se observan una manchas oscuras las cuales pueden asociar a la formación de la cementita, producto de las descarburación de la martensita,esta cementita parece estar nucleando alrededor de los carburos no disueltos. También se observa placas de martensita revenida más claras en comparación con la probeta de 150°C, además se nota el ablandamiento del acero disminuyendo la dureza hasta 51 HRC. Figura 4. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 300 °C por media hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x a
b
Rosetas oscuras de formación de cementita
c
Curva TTT AISI SAE 4340
Austenita retenida Martensita revenida
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4.4 REVENIDO A 450 °C POR 30 MINUTOS. En la figura 5 se observan carburos de cementita coalescidos en una matriz ferritíca y de martensita revenida; desaparece la austenita retenida, transformándose en bainita, estos cambios traen una disminución en la dureza del acero pasando de una dureza de 55 HRC del estado de referencia a 45 HRC. Figura 5. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 450 °C por media hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x a
b
Cementita
c Curva TTT AISI SAE 4340
Matriz ferritíca y martencíta revenida
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4.5 REVENIDO A 600 °C POR 30 MINUTOS. En la figura 6 se observan la formación de carburos de cementita de forma esferoidal en una matriz de ferrita y martensita revenida (zonas grises claras), la más oscura, además por el diagrama TTT del acero se puede predecir que parte de la austenita retenida transformándose en perlita. Estos cambios microestructurales disminuyeron las dureza hasta 34 HRC. Figura 6. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 600 °C por media hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x a
b
a
Cementita esferoidal
c Curva TTT AISI SAE 4340
Perlita Martensita revenida Ferrita
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4.6 REVENIDO A 300 °C POR 60 MINUTOS. En la figura 7 se observan carburos los cuales pueden ser de los elementos aleantes, en comparación con la probeta de 300°C a 30 minutos más masividad en las rosetas de formación de cementita. (encerradas en rojo) También se observa martensita revenida, ferrita y austenita retenida en la matriz. La dureza disminuye muy poco en comparación con la probeta de 30 minutos a 300°C pasando de 51HRC a 49HRC. Figura 7. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 300 °C por una hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x b
a
Austenita retenida
c
Curva TTT AISI SAE 4340
Martensita revenida
Ferrita
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4.7 REVENIDO A 300 °C POR 120 MINUTOS. En la figura 8 se puede observar carburos de elementos aleantes y por el tiempo también se espera la esferoidización de la cementita, además se nota una matriz más clara en comparación con las otras dos probetas que se les practicó un revenido a 300°C debido a que hay más tiempo de sostenimiento permitiendo la descarburización de la martensita , formando ferrita dando lugar a una matriz mayoritariamente ferrietica, a esta temperatura es muy poco probable que ocurra una transformación de la austenita retenida a bainita por lo que se estima que no haya ocurrido. Todos estos cambios microestructurales disminuyeron la dureza del acero hasta 43 HRC. Figura 8. Microestructura de un acero AISI-SAE 4140 revenido a 300 °C por dos hora. a) micrografía a 100x, b) micrografía a 1000x, c) micrografía a 1500x. a
b
Carburos
Cementita
c Curva TTT AISI SAE 4340
Ferrita
Cementita Martensita revenida
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5. CUESTIONARIO.
¿Qué fin práctico tiene el proceso de revenido de los aceros templados? Eliminar las tensiones residuales presentes en el material por el temple, porque el material no solo adquiere dureza durante un temple, si no, que se hace más frágil. ¿Cuáles son las etapas que comprende el tratamiento térmico de revenido? a) Precipitación de carburos. b) Transformación de la austenita retenida c) Formación de la cementita. ¿Cómo la microestructura del acero se puede ver influenciada por el proceso de revenido? La microestructura presentara un transformación ya que al aumentar la temperatura y la martensita al ser una fase metaestable, esta empieza a transformarse en otras microestructuras más estable, modificando las propiedades mecánicas del material. ¿Qué propiedades se ven afectadas en el acero templado después de someterse a revenido? a) Dureza – disminuye. b) Resistencia a la tracción – Disminuye. c) Tenacidad – Aumenta. d) Ductilidad – Aumenta. ¿Cuáles son las características de un acero que ha sido revenido? Es mucho mas ductil y tenaz que uno templado, y presenta una microestructura de una cementita esferoidal en una matriz ferrítica o si el revenido no es muy prolongado habrá martensita revenida, bainita y carburos. Pero siempre habrá una disminución en la dureza. ¿Qué transformaciones se pueden apreciar después de realizar un proceso de revenido? La transformación de la martensita a martensita revenida (ferrita + cementita).
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6. CONCLUSIONES.
Se puede observar en desde la figura 2 hasta la 8 como el revenido afecta el acero modificando su microestutura y cambiando sus propiedades.
Se puede las probetas que fueron sometidas a 300°C y a diferentes tiempos de sostenimiento, que entre mayor tiempo de sostenimiento, mayor será el ablandamiento del metal.
A mayor temperatura mayor será la disminución de la dureza, por lo que, el ablandamiento es directamente proporcional a la temperatura del tratamiento y su sostenimiento, esto queda evidencia en que para tiempos iguales y diferente temperaturas de tratamiento se obtienen diferentes dureza ( el de mayor ablandamiento fue el de mayor temperatura de tratamiento)
En las probetas de 300°C se puede ver que entre mayor es el tiempo de sostenimiento, los carburos formados serán más definidos, pero esto también conlleva a la descarburización de la martensita.
Cuando la temperatura de revenido es muy baja, el tratamiento un muy poco efectivo, como se observa en la probeta sometida a 150°C
7. BIBLIOGRAFÍA
Avner, Sydney H. Introducción a la metalurgia Física. Segunda Edición, Mc
Graw Hill.
VALENCIA GIRALDO, Asdrúbal. Tecnología del tratamiento térmico de los
metales. Editorial universidad de Antioquia, Medellín 1948.
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