I. OBJETIVOS Conocer y aplicar distintos tratamientos térmicos, distinguiendo y conociendo las diferentes propiedades que estos le otorgan al acero. Aprender el manejo de instrumentos de laboratorio como el durómetro o el microscopio metalográfico. Observación y reconocimiento de las fases presentes en la microestructura del material a analizar, mediante el uso del microscopio metalográfico, dependiendo del tratamiento térmico al que haya sido sometida la pieza. Relacionar las propiedades físicas y mecánicas con la microestructura correspondiente de cada probeta y observar el cambio de dichas propiedades (esperadas según la composición química de la pieza) después de un tratamiento térmico. Comprobar y comprender que la aplicación de los distintos tratamientos térmicos implica la obtención de microestructuras mi croestructuras diferentes a las que se esperan.
II. PROCEDIMIENTO, MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO Probetas analizadas: o
o
Acero AISI 1020: templado en agua, templado en aceite, recocido, normalizada. Acero AISI 1045: templado en agua, templado en agua más revenido, templado en aceite, templado en aceite más revenido.
Materiales y Equipo o o o o o o o o
Durómetro Depósito con agua y depósito con aceite Nital (necesario para el ataque químico) Alcohol Secadora Horno para el calentamiento de las piezas Pinzas Microscopio metalográfico
Procedimiento o
Colocamos las piezas de acero AISI 1020 y acero AISI 1045 dentro del horno, el cual se ha de setear a una temperatura aproximada de 850 °C.
o
Transcurridos 45 minutos, retiramos cuidadosamente 2 de las piezas y las dejamos enfriar una a temperatura ambiente (normalizado), mientras que la otra en aceite (templado). La otra pieza se deja enfriar en el interior del horno (recocido) estando este, por supuesto, apagado.
o
o
o
Normalizado: La probeta se deja enfriar a temperatura ambiente (enfriamiento al aire). Temple: Su enfriamiento se realiza en agua o aceite, según sea lo que se busca. Este enfriamiento se lleva a cabo en los depósitos de los respectivos fluidos. Se debe tener sumo cuidado al realizar este enfriamiento, dado que debido a la alta temperatura de la probeta, es probable que se produzca burbujas del fluido producto de la diferencia de temperaturas. Revenido: El procedimiento es similar al del temple, pues la probeta (anteriormente templada) se lleva al horno hasta una tempera menor a la Ae (650°C) y luego se deja enfriar en el mismo medio que fue utilizado para templar la probeta.
III. RESULTADOS 1. Presente en una tabla los valores de dureza obtenidos en las muestras tratadas.
Tabla de valores para la dureza radial :
Acero
Tratamiento
Templado en agua
AISI 1020
Templado en agua más revenido
Templado en aceite
Escala Rockwell
Valor de dureza
Valor promedio
HRc
41 35 32
36
HRc
38.5 30 31
33.17
HRb
92 93.5 96
93.83
Templado en aceite más revenido
Normalizado
Templado en Agua
Templado en agua más revenido
Templado en aceite
AISI 1045
Templado en aceite más revenido
Normalizado
Sin Tratamiento Térmico (de suministro)
HRb
98 97.5 98
97.83
HRb
76.5 75.5 83.5
78.5
HRc
50 59.5 57
55.5
HRb
93 95 96
94.67
23.5 24.5 22
23.33
HRb
94 93 93.5
93.5
HRb
89 94 92.5
91.83
HRb
93 93 91.5
92.5
HRc
Tabla de valores para la dureza longitudinal :
Acero
Tratamiento Templado en agua
AISI 1020
Templado en agua más revenido
Templado en aceite
Templado en aceite más revenido
Normalizado
Templado en Agua
Templado en agua más revenido
AISI 1045
Templado en aceite
Templado en aceite más revenido
Normalizado
Escala Rockwell
Valor de dureza
Valor promedio
HRc
30 37 38
35
HRc
28 35 33
32
HRb
94 96 95
95
HRb
89 90.5 96
91.83
HRb
73 71 72
72
HRc
60 56 62.5
59.5
HRb
95 94 95
94.67
HRc
22 26 22.5
23.5
HRb
83 87 85
85
HRb
83 78.5 79
80.17
Sin Tratamiento Térmico (de suministro)
91.5 90 92
HRb
91.17
2. Para cada una de las muestras, construya gráficos poniendo en abcisas las distancias a lo largo del diámetro de la muestra y, en ordenadas, la dureza correspondiente.
AISI 1020:
Templado en Agua D u r e z a
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Distancia desde el centro (mm)
Templado en Agua más Revenido D u r e z a
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
Distancia desde el centro (mm)
12
14
16
Templado en Aceite D u r e z a
99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 0
2
4
6
8
10
12
Distancia desde el centro (mm)
Templado en Aceite más Revenido D u r e z a
99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 0
2
4
6
8
Distancia desde el centro (mm)
10
12
Normalizado D u r e z a
84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 0
2
4
6
8
10
12
Distancia desde el centro (mm)
AISI 1045
Sin Tratamiento D u r e z a
93.2 93 92.8 92.6 92.4 92.2 92 91.8 91.6 91.4 0
5
10
Distancia desde el centro (mm)
15
20
Normalizado 95
D u r e z a
94 93 92 91 90 89 88 0
2
4
6
8
10
12
10
12
Distancia desde el centro (mm)
Templado en Agua 60
D u r e z a
58 56 54 52 50 48 0
2
4
6
8
Distancia desde el centro (mm)
Templado en Agua más Revenido 96.5 96
D 95.5 u 95 r 94.5 e 94 z 93.5 a 93
92.5 0
2
4
6
8
Distancia desde el centro (mm)
10
12
Templado en aceite más revenido 94.2
D u r e z a
94 93.8 93.6 93.4 93.2 93 92.8 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Distancia desde el centro (mm)
3. Describa las microestructuras observadas en cada una de las muestras después del tratamiento térmico. AISI 1045 – SIN ATAQUE: Presenta pequeños puntos negros que son debido a las inclusiones, impurezas o porosidad.
AISI 1045 – SIN TRATAMIENTO TÉRMICO: Presenta matriz ferrita más disperso de perlita. Es posible observar abundante contenido de perlita, esto quiere decir que podemos encontrar alto contenido de cementita (Fe3C) y esto se produce cuando tenemos un elevado % C, que en el caso del AISI 1045 corresponde a 0.45% que es un valor medio/alto, constituyendo un acero de medio carbono.
AISI 1045 – NORMALIZADO: Podemos observar el tamaño de grano: pequeño, y con ello, en esta probeta, menos contenido de perlita y más contenido de ferrita.
AISI 1045 – TEMPLADO EN AGUA: Es posible observar que presenta una sola fase, que corresponde a martensita. Luego, con cierta dificultad, es posible visualizar pequeñas agujas o fibras correspondientes a la estructura acicular.
AISI 1045 – TEMPLADO EN AGUA MÁS REVENIDO: Presenta martensita revenida, quiere decir que las estructuras en forma de agujas presentes con el temple único desaparecen dando paso a una estructura más suave. El aspecto de la microestructura es similar a “arena”.
AISI 1045 – TEMPLADO EN ACEITE: Debido a una mala aplicación del tratamiento térmico es posible observar unos puntos blancos. Lo que se debería poder visualizar con facilidad son las estructuras en forma de aguja.
AISI 1045 – TEMPLADO EN ACEITE MÁS REVENIDO: Presenta una estructura más suavizada que la únicamente templada en aceite, característica de la martensita revenida, sin embargo aún presenta las zonas blancas producto del mal tratamiento térmico llevado a cabo.
IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 1. Comente y explique los resultados de los gráficos de dureza obtenidos. Estime la resistencia a la tracción de cada muestra (en las que pueda hacerlo). Ordene las probetas en orden creciente de tenacidad. Explique. Al observar los gráficos de dureza, salta a la vista el hecho de que la dureza en la probeta va disminuyendo conforme nos acercamos por el interior al núcleo de la muestra. Esto concuerda con la teoría correspondiente con las velocidades de enfriamiento y las gráficas de enfriamiento (TTT), puesto que la superficie del material se enfría a una velocidad distinta que su interior (a mayor cercanía a la superficie, mayor velocidad de enfriamiento), dado que la cara externa está expuesta directamente al ambiente o entorno en el que se realiza el enfriamiento, al mismo tiempo que a medida que nos adentramos en el interior de la pieza, hay más cantidad de material que la envuelve, aislándola en mayor medida del medio de enfriamiento. Para estimar la resistencia a la tracción en cada muestra empleamos la siguiente expresión:
Acero
AISI 1045
Tratamiento térmico
Dureza
Dureza (HB)
Sin Tratamiento Térmico
92.5 HRb
195
585
Normalizado
91.83 HRb
191
573
Templado en agua
55.5 HRc
575
1725
94.67 HRb
207
621
23.33 HRc
242
726
Templado en aceite más revenido
93.5 HRb
199
597
Normalizado
78.5 HRb
143
429
Templado en agua
36 HRc
338
1014
33.17 HRc
314
942
93.83 HRb
200
600
Templado en agua más revenido Templado en aceite
AISI 1020
Templado en agua más revenido Templado en aceite
(MPa)
Templado en aceite más revenido
97.83 HRb
228
684
Probetas en orden creciente (menor tenacidad a mayor tenacidad):
Probeta de acero AISI 1020 – Normalizado. Probeta de acero AISI 1045 – Normalizado. Probeta de acero AISI 1020 – Templado en aceite. Probeta de acero AISI 1020 – Templado en agua. Probeta de acero AISI 1020 – Templado en aceite más revenido. Probeta de acero AISI 1045 – Templado en agua más revenido. Probeta de acero AISI 1045 – Templado en aceite. Probeta de acero AISI 1045 – Templado en agua. Probeta de acero AISI 1045 – Templado en aceite más revenido. Probeta de acero AISI 1045 – Templado en agua más revenido.
2. Apoyándose en la bibliografía, identifique la microestructura que ha obtenido en sus probetas. o
Acero AISI 1045 – NORMALIZADO Microestructura ferrito-perlítica.
o
Acero AISI 1045 – TEMPLADO EN AGUA
Microestructura martensítica (1 sola
fase). o
Acero AISI 1045 – TEMPLADO EN AGUA MÁS REVENIDO Microestructura de martensita revenida.
o
Acero AISI 1045 – TEMPLADO EN ACEITE Microestructura martensítica.
o
Acero AISI 1045 – TEMPLADO EN ACEITE MÁS REVENIDO
Microestrucutura de martensita revenida.
3. Ha obtenido en sus probetas, la microestructura que según la bibliografía y/o manuales debió obtener? Efectivamente se ha obtenido la microestructura que se esperaba, sin embargo en el caso del temple en aceite y temple más revenido en aceite la microestructura obtenida tiene la añadidura de ciertos puntos de color blanco que, como se nos explicó en el laboratorio, son el resultado de una mala aplicación del tratamiento (en este caso, el temple).
V. CUESTIONARIO 1.
Represente esquemáticamente los ciclos de calentamiento y enfriamiento, para los siguientes tratamientos térmicos en aceros: Recocido subcrítico, Recocido de austenización incompleta, cementación, temple subcrítco.
RECOCIDO SUBCRÍTICO: elimina las tensiones del material y aumenta su ductilidad.
La curva a es la correspondiente para el recocido subcrítico “
”
RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA : Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono o aleados, de más de 0,50%C, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad.
CEMENTACIÓN: Se aporta carbono a la superficie de la pieza, mediante difusión, con el objetivo de endurecer la zona externa de una pieza sin modificar su núcleo.
2.
Compare cementación y nitruración: ventajas y desventajas.
Cementación Endurecimiento de la superficie sin afectar el corazón de la pieza. Es necesario un tratamiento térmico posterior. El enfriamiento se realiza a elevadas temperaturas con lo que el acabado de la capa de carbono sobre la pieza no es 100% uniforme.
Nitruración Capas de gran dureza Muy buena resistencia a la corrosión Ausencia de deformaciones: motivado por bajas temperaturas de tratamiento, bajas velocidades de enfriamiento y porque la pieza no experimenta transformaciones en estado sólido. Esto significa que las piezas nitruradas no necesitan de un mecanismo posterior para ajustar tolerancias. Retención de la dureza a elevadas temperaturas (cercanas a la alcanzada durante el nitrurado). Esto debido a la estabilidad de los nitruros formados. Utilización de atmósferas peligrosas (potencialmente explosivas por la presencia de hidrógeno).
VI. CONCLUSIONES Se ha podido comprobar la alotropía del acero pues presenta estructuras químicas diferentes de acuerdo al tratamiento térmico al que ha sido sometido. Es necesario tener cuidado con la sobreexposición al ataque químico, pues deteriora la microestructura e imposibilita su adecuada visualización. Las piezas templadas que son sometidas al tratamiento térmico de revenido adquieren, como es de suponer, mayor tenacidad. Es necesario tener mucho cuidado al utilizar el durómetro e intentar en lo posible que la superficie de las probetas se encuentre perpendicular a la punta, para evitar que arroje valores inexactos. Así también se debe tener especial cuidado con que la superficie de las probetas se encuentre adecuadamente lijada y pulida, con l o que se asegura la perpendicularidad a la hora de realizar la medición en el durómetro. Se ha podido comprobar con los ensayos de dureza, como es que el grosor del material influye en la determinación de propiedades al realizarle tratamiento térmico a la pieza, esto pues incide sobre el parámetro de la velocidad de enfriamiento, haciendo que el enfriamiento se vuelva más lento en el interior de la probeta pues resulta más dificultoso, a causa de la cada vez mayor capa de material que envuelve al centro (de la muestra). Un gran espesor de pieza, a parte de l as dificultades técnicas que acarrea en cuanto a homogeneidad de propiedades en el material, constituye un gasto económico extra dado que requiere un mayor tiempo durante su calentamiento que una pieza de menor espesor.
