Departamento de Ciencia de los Materiales Semestre Primavera 2012
Informe de Materiales de Ingeniería CM4201 Informe N° 2 Laboratorio A: Ensayo Jominy Nombre alumno:
Paulo Arriagada
Grupo:
1
Fecha realización:
02 octubre 2012
Fecha entrega:
09 octubre 2012
Resumen Ejecutivo En el presente trabajo se realizará el estudio de la templabilidad de una barra de acero a partir de una gráfica de dureza v/s distancia. La gráfica se obtiene a partir de una experiencia realizada en el laboratorio docente de Ciencia e Ingeniería de Materiales, donde una barra de acero se calienta a la temperatura de austenización en un horno, y se somete a un temple en solo uno de sus extremos. Luego se obtienen los datos de dureza y distancia de medición, y se realiza el gráfico correspondiente. Después de un análisis, se puede decir que la barra de acero analizada presenta una baja templabilidad, lo que se observa a partir de la forma de la curva del grafico. Esto significa que su velocidad de templado es baja. De esta forma, es posible decir que este análisis es una buena forma de representar al material a partir de sus características de endurecimiento. Así, se puede tener una aproximación para comparar entre tipos de aceros cual es el que cumple las características deseadas (mayor o menor velocidad de temple).
Introducción El acero es un material vital en términos de construcción moderna. Su alta resistencia al esfuerzo lo hace llamativo como material de construcción, pues es capaz de resistir grandes impactos. Sin embargo, otra característica deseable en el acero, relacionada también con su capacidad de resistir deformaciones, ralladuras y/o abrasiones, es la dureza. La dureza es la propiedad de la capa superficial del material de resistir la deformación elástica y plástica, en presencia de esfuerzos de contacto, es decir, es la oposición que ejerce la superficie del material a los esfuerzos ejercidos sobre ella. Existen variadas escalas para determinar la dureza, las más usadas son: la escala de Brinell, de Rockwell y de Vickers. En este ensayo se usa la escala de Vickers, cuya unidad de medida es HV (Hardness Vickers). El valor de la dureza del acero varía dependiendo del tratamiento térmico al cual sea expuesto. Es así como con el recocido del acero (enfriamiento muy lento) se tendrá el menor valor de dureza, seguido del normalizado (enfriamiento lento a temperatura ambiente). El tratamiento por excelencia para obtener mayor dureza del acero es el templado (enfriamiento rápido), pues, debido al brusco cambio de temperatura que sufre el material, se produce una fase en el acero llamada martensita. Esta fase es la responsable de que el acero templado sea el más duro. A partir de las medidas de dureza se puede encontrar la templabilidad, la cual es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la disminución de la velocidad de enfriamiento, es decir, la capacidad de templarse a distintas velocidades de enfriamiento. Tiene estrecha relación con la capacidad de la aleación para formar martensita y con la variación de dureza desde la superficie hacia el interior del material. Hay diferentes factores que influyen en la templabilidad de un acero. Por ejemplo, los elementos aleantes desplazan las curvas de enfriamiento a la derecha, por ende hay una menor velocidad crítica de temple y se tiene templado a una velocidad más baja. Entre ellos se encuentran el Mn, Cr, C, Ni y Mo, con excepción del Co. El tamaño de grano también influye, de la misma forma anterior, ya que al aumentar el tamaño del grano las curvas de enfriamiento se desplazan también a la derecha. Con todo esto, se puede afirmar que la motivación principal de realizar este ensayo es que la información que se extrae acerca de la templabilidad se puede usar tanto para predecir la dureza de una pieza templada (conociendo la velocidad de temple), como para identificar las distintas velocidades de temple, dependiendo de las medidas de dureza en distintas zonas de una pieza de gran tamaño (que pueden haber experimentado enfriamientos desiguales).
Metodología Para obtener el diagrama de dureza-distancia del material, se realizan medidas de dureza en alguna cara de la probeta, la cual se muestra en la figura 1.
Figura 1: Barra de acero estandarizada utilizada en el ensayo.
Para este experimento, se usó una probeta hecha de acero, se puso en el interior del horno a aproximadamente 800°C, alcanzando la temperatura de autenización, por 30 minutos. Pasado ese tiempo, se retira del horno y se coloca en el aparato especialmente diseñado para el temple por conducción, que se ilustra en la figura 2. Se observa que es un aparato de forma cilíndrica, que tiene un soporte para la barra y una conexión a una tubería de agua (figura 2.a). La barra se sujeta desde el extremo superior, en la parte de arriba del aparato, en un orificio especialmente diseñado. La pieza, entonces, queda suspendida. A 12.5 centímetros más abajo desde el extremo inferior de la barra (figura 2.b) se coloca la salida de la tubería, la cual expulsa agua a presión (aproximadamente a 24°C) hacia arriba, contactando el agua fría con la superficie caliente de la barra. Este proceso se lleva a cabo por 10 minutos. Al final, se retira la barra del aparato y se sitúa, horizontalmente, en un soporte en forma de V. En esta fase se procede a medir la dureza con un durómetro Vickers portátil, desde la base de la barra (extremo inferior sometido al temple) hacia arriba, por la línea central de la barra, a intervalos regulares de aproximadamente 1,5 milímetros. Todo este montaje se observa en la figura 3.
a)
b) Figura 2: Esquema de máquina para templado.
Figura 3: Montaje horizontal (arriba) para medición de dureza con durómetro Vickers (abajo).
Resultados y discusión El gráfico 1 corresponde al diagrama dureza v/s distancia a la base templada, obtenido a partir de los datos de dureza medidos en distintas partes de la barra.
Gráfico 1: Dureza v/s Distancia 350
] 300 V H [ s r e 250 k c i V a 200 z e r u D150
100 0
1
2
3
4
5
6
7
Distancia a la base templada [cm]
El gráfico 2 muestra la corrección de la curva, para identificar cuán rápido disminuye la dureza con la distancia.
Viendo los gráficos anteriores, es posible notar que la dureza disminuye notablemente al separarse solo 0,5 centímetros de la base templada. Luego, al avanzar más, 2 centímetros
aproximadamente, la dureza se mantiene más o menos constante, hasta los 6 centímetros. Esto se debe a que la micro estructura de la barra cambia al acercarse al extremo superior. Principalmente es consecuencia de que el contacto con el agua fría de la parte inferior produjo un temple en el material. Sin embargo, al ir aumentando la distancia desde la base el calor se pierde por conducción en el interior del material y hacia el ambiente (aire) cuando ya se está completamente alejado. Como consecuencia de ello, la cristalografía de la barra cambia desde un temple hasta un normalizado. Así es como la mayor dureza se obtiene en la parte inferior, y va disminuyendo a medida que se aleja de la base. La notable disminución de dureza al principio da a entender que la probeta tiene baja templabilidad, es decir, que ese acero tiene una capacidad baja para convertirse en un acero de alta dureza en un templado. En el gráfico 1 se observa que la curva es un tanto irregular, pues contiene máximos y mínimos locales, lo cual corresponde a variaciones en torno a un cierto valor en cada sección de la barra. Esta variación puede deberse también a errores de medición, imprecisiones del durómetro o imprecisiones de la parte lisa de la barra.
Conclusiones La velocidad de templado influye notablemente en la dureza que adquiere el material. Cuando se templa el acero mediante conducción se obtienen perfiles de dureza dependiendo de la zona en que se mida. Así, la mayor dureza se obtiene en la parte inferior, donde ocurrió el templado, y a medida que se asciende la dureza disminuye, considerablemente al principio y aproximadamente constante después. A partir de los datos se obtuvo que el acero tenía baja templabilidad, lo que quiere decir que no puede forma la fase de martensita en altas concentraciones, por lo que tendrá una dureza menor en comparación con otras aleaciones. Por ello es que este ensayo es importante, pues pone a prueba realmente cuán duro es un acero, para ser utilizado adecuadamente en las construcciones. Como toda experiencia, es posible que existan errores en la ejecución y en los análisis de los datos. Entre estos errores pueden haber posibles fallas de la probeta, que el intervalo de distancia de medición no fuera constante, imprecisiones de medición del durómetro o pequeños errores de cálculo en los datos.
Bibliografía -
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