UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento Departamento de Ingeniería Mecáni Me cánica ca Ingeniería de Ejecuci Eje cución ón en Mecánic Me cánicaa
LABORATORIO LABORATORIO DE MATERIALES PARA INGENIERÍA EXPERIENCIA E055: Tratamientos térmicos
JOSÉ IGNACIO ZAMORA HUANEL
Profesor: Luis Campos Yáñez Fecha experiencia: 20 de octubre de 2017 Fecha de entrega: 03 de noviembre de 2017
SANTIAGO – CHILE 2017
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CONTENIDO ______________________________________________________________________________
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RESUMEN .................................................................................................................. 2
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OBJETIVOS ................................................................................................................ 2 2.1
OBJETIVOS GENERALES ................................................................................. 2
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 2 3 INTRODUCCIÓN ........................................................................................ ................ 2 4
TEORÍA DE LA EXPERIENCIA.................................................................................. 3
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CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS ..................... 6
6
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL ............................................................................ 6
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PRESENTACIÓN DE RESULTADOS........................................................................ 8
8
CONCLUSIÓN ............................................................................................................ 8
9 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 9 10 APÉNDICE ................................................................................................ .............. 9 10.1 DESARROLLO DE CÁLCULOS ......................................................................... 9 10.2 CURVAS Y DIAGRAMAS ................................................................................. 10
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RESUMEN En el presente informe se analizan los efectos del proceso de temple en dos tipos de aceros más empleados comercialmente en el país, aceros SAE1020 y SAE1045. Se contrastan estos resultados del temple mediante un ensayo de dureza Brinell analíticamente y mediante diagramas y curvas de enfriamiento característicos de los aceros. Finalmente se analiza cuál es la influencia del porcentaje de carbono en el aumento de dureza y resistencia luego de un temple sin el proceso de revenido.
2 2.1
OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES Familiarizar al alumno con los diferentes tratamientos térmicos aplicados a los metales y aleaciones metálicas.
2.2
OBJETIVOS ESPECÍFICOS a. Comprender el principio bajo el cual se realizan los tratamientos térmicos a los metales y sus aleaciones. b. Conocer el campo de aplicación de los tratamientos térmicos aplicados a los metales y sus aleaciones. c. Conocer la metodología para realizar los tratamientos térmicos. d. Analizar el cambio en las propiedades debido a los tratamientos térmicos.
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INTRODUCCIÓN En este informe se tratará de estudiar los efectos y aplicaciones de los tratamientos térmicos, en especial enfoque al temple y revenido, en este punto se hace la pregunta que engloba este trabajo y es ¿Qué es un tratamiento térmico?, a continuación se explicará que es. El cambio o modificación de las propiedades de un material con calentamiento y enfriamiento controlado se denomina tratamiento térmico y es un término genérico que incluye los procesos de reblandecimiento, endurecimiento y tratamiento de superficies. El endurecimiento abarca procesos como templado de martensita, templado de austenita y endurecimiento. Entre los procesos para tratamiento de
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superficie se cuentan nitruración, cianuración, carburación y endurecimiento por inducción a la flama. Estos procesos se efectúan para aumentar la resistencia y dureza, mejorar la ductilidad, cambiar el tamaño de granos y composición química, mejorar la facilidad de trabajo, liberar esfuerzos, endurecer herramientas y modificar las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales. Como todos estos procesos implican cambios o modificaciones en la estructura del material, se necesitan conocimientos de metalurgia o de físico-química para conocerlos a fondo. Por tanto, solo se describirán los aspectos sencillos de estos procesos y como experiencia el temple en aceros con bajo contenido de carbono.
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TEORÍA DE LA EXPERIENCIA El tratamiento térmico es una operación que comprende el calentamiento de una aleación a una temperatura definida, la que se mantiene por un tiempo determinado y dejándola enfriar a una velocidad adecuada que permita obtener ciertas propiedades físicas y mecánicas que respondan a un propósito definido. Estos cambios están íntimamente conectados con el diagrama de equilibrio HierroCementita (Fe – Fe3C). Los principales tipos de tratamientos térmicos son: 1. Recocido 2. Normalizado 3. Temple 4. Temple y Revenido
Recocido Es un tratamiento térmico que provoca un ablandamiento del material por un proceso de calentamiento y enfriamiento. El enfriamiento se realiza regulando el descenso de temperatura de la muestra, bien dentro del horno o colocándola en arena seca o cal apagada. El objetivo principal del recocido es obtener un material blando y fácilmente trabajable.
Normalizado Difiere del recocido en que el metal es enfriado en aire tranquilo. 3
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Temple Calentamiento del acero a una temperatura dentro de la región austenítica y luego enfriado rápidamente en un medio apropiado para producir un endurecimiento mayor que el de un acero no templado.
Revenido Calentamiento de un acero previamente templado; a una temperatura apropiada seguido de un enfriamiento relativamente lento:
DIAGRAMA HIERRO-CEMENTITA La diferencia fundamental entre un hierro puro y un acero ordinario está en la cantidad de carbono que contiene este último. Los términos asociados al diagrama conjuntamente con su significado son los siguientes:
a)
Hierro δ, Hierro
Representan los tres estados alotrópicos del hierro. Cada uno tiene estructura cristalina diferente y son estables a temperaturas distintas.
b) Ferrita (F): Es una solución sólida de carbono en hierro. Es magnética, blanda y capaz sólo de disolver pequeñas cantidades de carbono. La ferrita es un constituyente común de los aceros al carbono. Cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado.
c) Cementita (cm): Es un compuesto intermetálico cuya fórmula es Fe3C (tres átomos de hierro y uno de carbono). Conocido también como carburo de hierro. Es muy duro (dureza 650 Brinell) y contiene 6,67 % de carbono.
d) Perlita (P): Es una estructura laminar de placas alternadas de cementita y ferrita. Es más blanda y más dúctil que la cementita, pero más dura y resistente que la ferrita.
e) Austenita (A): Es una solución sólida de carbono en hierro-gama. Tiene una estructura cúbica de caras centradas y es una fase blanda y dúctil. 4
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En el diagrama hierro-cementita se puede producir tres tipos diferentes de transformaciones en que intervienen tres fases: 1.- Transformaciones Peritécnicas
sol. Sólida δ + liq.
A
2.- Transformaciones Eutécticas
liq.
A + Cm.
3.- Transformaciones Eutectoide
sol. Sólida A
F + Cm.
PUNTOS CRÍTICOS Cuando un acero es calentado o enfriado se producen cambios en sus estructuras y a la temperatura en que se producen cada uno de estos cambios se le conoce como “punto crítico”. Cuando un acero bajo en carbono es enfriado lentamente, su
estructura estará formada principalmente por ferrita. Para acero de alto contenido en carbono se favorece la formación de cementita dura y menor cantidad de ferrita. Aceros con 0,8 % de carbono su estructura es 100 % perlítica. Para explicar el efecto de un rápido enfriamiento sobre la estructura de los aceros definiremos los siguientes términos:
1) Velocidad crítica de enfriamiento: Es aquella velocidad de enfriamiento de una fase austenística que da como resultado una estructura martensística. Esto se muestra en un diagrama T.T.T.(Tiempo-Temperatura-Transformación).
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2) Diagrama T.T.T. Estas curvas indican el tiempo requerido para que la austenita se transforme a una temperatura constante cualquiera. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.
3) Curvas de enfriamiento continuo: Son bastantes similares a las curvas T.T.T. pero, como su nombre lo indica, están basadas en la transformación de la austenita durante enfriamiento continuo.
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CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE EQUIPOS E INSTRUMENTOS Durómetro
Rango de operación: 30 a 187,9 [kg] de carga
Microscopio
Resolución: 0,001 [mm]
Horno industrial
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Tipo de horno: por radiación
Potencia calefacción: 6,3 [kW]
Corriente: 9,6 [A]
Voltaje: 380 [V]
Frecuencia: 50 [Hz]
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Primero se trabaja con el horno industrial donde se depositan las dos probetas de aceros SAE1020 y SAE1045 al fondo del espacio interior del horno, para poder observar los cambios en una mirilla en la puerta, y se cierra ésta última herméticamente.
Se configura la temperatura en primera instancia a 500°C con el objetivo de realizar el temple de manera que sea paulatina, este proceso dura alrededor de 30 min cando el horno alcanza a estabilizarse en esta temperatura.
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Llegada a esta temperatura se configura el horno esta vez a 900°C para ya alcanzar la temperatura de temple y entrar en la zona austenítica, aquí las probetas se tornan de un color naranjo/amarillo y demora aproximadamente 30 min además de 10 min para que el proceso se termine cuando alcance esta temperatura
Cuando el horno ya cumplió los 10 min con la temperatura máxima de temple se abre y con equipo especial (guantes, pinzas, casco protector de radiación y vestimenta protectora) se procese a retirar las probetas con las pinzas y sumergir los aceros en agua agitando hasta que la probeta alcance temperatura ambiente.
Estas dos probetas además de las dos sin templar se someten a ensayos de dureza en el durómetro y luego se miden las marcas en el microscopio.
Ilustración 6-1.- Proceso de temple y montaje
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PRESENTACIÓN DE RESULTADOS A continuación se presentan los resultados de la experiencia de dureza realizado a probetas sin previo temple y a probetas luego del de temple. En la tabla 7-1, para cada acero ensayado se muestran los diámetros del ensayo y las durezas correspondientes para cada etapa. En la tabla 7-2 se presentan los porcentajes en aumento de dureza para cada acero y un contraste entre los dos aceros. Acero SAE1020
Acero SAE1045
1,16
1,09
0,9
0,73
167,29
190,88
284,85
438,23
d sin templar [mm] d con temple [mm] HB sin templado HB con temple
Tabla 7-1.- Resultados de dureza Brinell en cada acero
Porcentaje de comparación
% SAE1020
% SAE1045
%SAE1020/SAE1045
70%
130%
54%
Tabla 7-2.- Porcentajes de comparación en el aumento de dureza
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CONCLUSIÓN En este informe se presentaron los efectos del temple primeramente en un ensayo de dureza e inmediatamente s e pudo observar el cambio en aumento de este mismo en las probetas de ambos aceros, o sea que el proceso de templado tiene como consecuencia un efecto de mayor resistencia en los aceros y se pudo comprobar sólo con la huella del punzón en la superficie de la probeta. Al realizar los cálculos asociados a los de dureza como tal, para el acero SAE1020 se observó un aumento del 70% en la dureza con templado y un 130% de aumento para el SAE1045, por lo que podemos concluir que mientras mayor s ea el porcentaje de carbono en el acero el templado tendrá un mayor efecto en la dureza implicando una mayor resistencia obteniendo así un 54% de contraste en que se obtuvo mayor dureza en el SAE1045. Con estas conclusiones se da cuenta que el porcentaje de carbono tiene una influencia importante en las propiedades mecánicas y en el endurecimiento luego de un procesos de temple, sin embargo estos procesos se realizan con mucha precaución ya que con mayor resistencia mayor será la fragilidad del material, es por eso que aceros con mayor porcentaje de carbono si bien tendrán mayor
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resistencia pero las solicitaciones luego de este procesos quedan limitados con las propiedades finales que presente siendo éstas menores en resistencias y esfuerzos.
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BIBLIOGRAFÍA Colombia (2017). ANÁLISIS COMPARATIVO DE PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO 1020 Y 1045. [En línea] Es.slideshare.net. Disponible en: https://es.slideshare.net/yormanzambrano/anlisis-comparativo-de-propiedadesmecnicas-del-acero-1020-y-1045-55679304 [Visitado el 1 Nov. 2017].
10 APÉNDICE 10.1 DESARROLLO DE CÁLCULOS Dureza Brinell Primeramente se definen los parámetro de trabajo para la experiencia, los cuales,
para un acero se selecciona un = 30 , y para el diámetro de la bolita dentro del rango D: [2,5 – 5 – 10] se toma el valor = 2,5 como parámetros. Por lo que se calcula la carga necesaria respetando las variables anteriores con la siguiente expresión:
= ∗ = 30∗ 2,5 = , Finalmente aplicando la siguiente ecuación obtenemos la dureza
= [ −2 √ − ] =
2∗187,5 ∗ 2,5 ∗ 2,5 −2,5 − 1,16 = ,
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10.2 CURVAS Y DIAGRAMAS
Ilustración 10-1.- Diagrama TTT para aceros
Ilustración 10-2.- Diagrama hierro – carbono
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Ilustración 10-3.- Curva de enfriami ento ara el acero y en cada tratamiento
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