UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS REPORTE DE PRÁCTICA Y CUESTIONARIOS CATEDRÁTICO: DR. JULIAN HERNANDEZ TORRES
EQUIPO: ERICK YUSSEP BARRAÑÓN NIETO o IVÁN OCTAVIO GONZÁLEZ CHÁVEZ o CRISTOPHER POZOS DEL ÁNGEL o JORGE ADRIÁN REYES CALLES o GEVERE SANCHEZ LARA o
BOCA DEL RÍO, VERACRUZ. 15 DE NOVIEMBR E DEL 2011
PRACTICA No.1 TEMPLE
OBJETIVO Determinar las condiciones de temple de un acero cuyas características se desconocen.
INTRODUCCIÓN El tratamiento térmico de temple consiste en calentar el acero a una temperatura predeterminada; mantener esta temperatura hasta que el calor haya penetrado hasta el corazón de la pieza y enfriar bruscamente en el medio correspondiente según el tipo de acero. La temperatura de temple para los aceros de diferente contenido de carbono y elementos aleantes está determinada por la posición de las líneas A1 y A3. Para los aceros al carbono la temperatura de temple puede determinarse por el diagrama Hierro-Carburo de hierro. Por lo general para el acero hipoeutectoide debe ser 30-50 °C °C más alta que AC3 y para par a el hipereutectoide, hipere utectoide, 30-50 30 -50 °C °C más alto que AC1. El calentamiento de temple se realiza en hornos de acción periódica y continua, generalmente en hornos eléctricos o que funcionan a base de combustible gaseoso o líquido. Se emplean ampliamente los hornos de baño, en los cuales la pieza se calienta en sales fundidas. Es deseable que el medio de enfriamiento para el temple enfríe con rapidez en la zona de temperaturas temperat uras donde la austenita tiene ti ene poca estabilidad (600( 600-500 500 °C) y con lentitud en la zona de temperaturas de la transformación martensítica (300200 °C) para que no se s e originen esfuerzos muy elevados el evados que puedan deformar o agrietar el material. Para templar las piezas hechas de acero al carbono, con alta velocidad crítica de temple, se utiliza corrientemente el agua; aunque otro medio de enfriamiento muy común es el aceite. Los mejores resultados se obtienen templando en baños de sal, los cuales tienen muchas ventajas sobre los medios de enfriamiento ya citados.
Cuando la composición del acero se desconoce, será necesaria una experimentación para determinar el rango de temperaturas de temple. El procedimiento a seguir es templar un determinado número de muestras del acero a diferentes temperaturas y medios de temple y observar los resultados mediante pruebas de dureza o al microscopio. La temperatura y medio de temple adecuados serán los que den como resultado el mayor aumento en la dureza y en otras propiedades sin ocasionar fracturas o deformaciones.
MATERIAL Y EQUIPO
Barras de acero Mufla (horno) Recipiente para contener los medios de temple. Microdurómetro. Pinzas de sujeción. Guantes de asbesto. Agua y aceite mineral.
PROCEDIMIENTO Se utilizarán por lo menos dos probetas de acero de la misma composición de carbono, para visualizar las diferencias de templar en agua y aceite. 1. Corte, desbaste y pulido de las probetas de acero. 2. Se tomarán dos muestras o probetas iguales y se les denominarán probeta 1 y probeta 2. 3. Medir la dureza a las probetas. 4. Calentar las dos probetas en la mufla a una temperatura comprendida entre 850 y 900ºC durante 20 minutos. 5. Cuando las probetas estén listas para el temple, tomarlas con las pinzas y depositar primero la probeta 1 en el recipiente con agua y agitar en forma de "ocho" dentro del medio de temple. Hacer lo mismo con la probeta 2, sólo que se templará en aceite. 6. Pulir las probetas. 7. Medir la dureza a las dos probetas.
Cuestionario Practica 1 Temple
¿Qué es un tratamiento térmico?
El tratamiento térmico de los metales es un conjunto de ciclos de calentamiento y enfriamiento a que se someten los metales para modificar su microestructura; y por lo tanto, sus propiedades. La American Society for Metals, define como tratamiento térmico como una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicados a un metal o aleación, de forma tal, que producirá propiedades deseadas.
¿Qué es el temple y cuál es su objetivo?
Se denomina temple de un acero, al enfriamiento del mismo desde una temperatura por encima de la transformación Ac3 a una velocidad suficientemente rápida a fin de endurecerlo considerablemente. Esto implica la formación de martensita y la desaparición de la perlita.
¿Qué es un temple completo y qué es un temple incompleto?
Se denomina temple completo al temple que se realiza bruscamente, mientras que el temple incompleto es aquél en el que el cambio de temperaturas es brusco sólo en un rango de temperaturas, y posteriormente es lento.
¿Cuáles son los medios de enfriamiento que se emplean en el temple y de qué factores depende la elección de estos?
La elección del medio de temple depende del contenido de carbono y de elementos aleantes. Los medios de temple pueden ser: agua, aceite o sales. Se supone que el medio de temple ideal remueve calor de la superficie tan rápidamente como fluye éste del interior de la barra. Tal medio de temple no existe, pero la acción refrigerante puede ser calculada. La velocidad de enfriamiento se mide por el factor H, el cual indica la severidad del temple y el medio en el que se realiza: Valor H 0.20 0.35 0.50 0.70 1.00 1.50 2.00 5.00 ∞
Condiciones de Temple Pobre temple en aceite-sin agitación Buen temple en aceite-agitación moderada Muy buen temple en aceite-buena agitación Fuerte temple en aceite-agitación violenta Pobre temple en agua-sin agitación Muy buen temple en agua-agitación fuerte Temple en salmuera-sin agitación Temple en salmuera-agitación violenta Temple ideal
Para la mayoría de los propósitos en los que un acero al carbono debe ser endurecido ¿Cuál es el rango de contenido de carbono que es utilizado? ¿Por qué?
La templabilidad de un acero es influenciada fuertemente por su contenido de carbono. La templabilidad aumenta con el contenido de carbono. Debido a que el aumento en el contenido de carbono está asociado con un aumento de la templabilidad, es evidente que la formación de perlita y constituyentes proeutectoides se vuelve más difícil entre más alto sea el contenido de carbono. Esto es cierto no sólo para aceros hipoeutectoides, sino también para aquellos con composición mayor a la eutectoide.
En el templado, ¿qué determina la máxima dureza que puede obtener una pieza de acero?
La dureza de la martensita aumenta rápidamente al principio con el incremento del contenido de carbono, alcanzándose casi 60 Rockwell C al 040%C. Más allá de ese punto y a la composición eutectoide, la dureza es Rockwell C 65. Esto es por la mayor tendencia de los aceros a tener más carbono para retener austenita. Se cree que la alta dureza de la martensita se debe a las severas distorsiones reticulares producidas por su formación, ya que la cantidad de carbono presente es mayor que la que presenta la solución sólida. La máxima dureza obtenible de un acero en condición martensítica, es sólo función del contenido de carbono.
¿Por qué no debe calentarse el acero demasiado arriba de su temperatura crítica superior antes de ser enfriado?
Porque al ser enfriado, el medio de enfriamiento absorbería el calor en exceso y ya no llegaría a la temperatura Ms (inicio de formación de la martensita)
¿Qué es la velocidad crítica de enfriamiento?
Es la velocidad de enfriamiento a la cual cesa la transformación de la austenita en estructura de tipo perlita, sorbita y troostita, para dar lugar a la transformación de austenita en martensita y representa la velocidad mínima con la cual es necesario enfriar cada acero para obtener martensita, es decir, para obtener una estructura de temple.
¿Para qué se adicionan los elementos aleantes en los aceros?
La velocidad crítica de temple disminuye cuando el contenido de carbono aumenta. Los elementos de aleación cambian la posición del punto eutectoide en el diagrama hierro-carbono, pues el acero aleado eutectoide no tiene ya el mismo porcentaje de carbono y por tanto, se desplaza de derecha a izquierda; ni la misma temperatura de transformación y por tanto, se desplaza hacia arriba o hacia abajo.
Explique por qué no es deseable la oxidación en un tratamiento térmico.
El oxígeno, formando capas superficiales de óxido, recubre las superficies de las piezas y entorpece la regularidad del enfriamiento subsiguiente de éstas. El oxígeno del aire, además de producir sobre la pieza capas superficiales de óxido, puede penetrar en el interior de la estructura entre los granos cristalinos formando óxidos en los intersticios.
Explique por qué no es deseable la descarburación en un tratamiento térmico.
Otro inconveniente es la descarburación del acero sometido a tratamientos por reacción química entre el oxígeno y carbono del acero. En presencia de humos ricos en sustancias carbonosas se puede producir el fenómeno inverso, llamado carburación del acero con enriquecimiento en carbono que altera la composición química de la capa superficial y por lo tanto modifica en ella las características del material.
¿Qué ventajas proporciona el precalentamiento del acero antes de ser t emplado?
En el caso en que deban alcanzarse temperaturas muy elevadas es conveniente hacer el calentamiento en dos etapas; como por ejemplo para el calentamiento de temple de los aceros rápidos; llevando los materiales primero lentamente, a una temperatura intermedia no peligrosa en un primer horno (precalentamiento) y desde ésta, rápidamente, a la temperatura final en un segundo horno
¿Qué ventajas se obtiene al templar en baños de sal nuestras probetas?
Actualmente se utilizan mucho los baños de sales fundidas formados por proporciones variables de cloruros, nitratos, carbonatos, cianuros, etc. Que abarcan temperaturas desde 1501300°C. Estas sales no sólo se usan como medio de enfriamiento para temple sino también para calentar a una temperatura determinada un metal y también para cementar y nitrurar. Baños de sales más utilizados:
Cloruro sódico Cloruro potásico Cloruro bárico Nitrato sódico Nitrito sódico Nitrato potásico Cloruro cálcico Cianuro sódico Carbonato sódico Cianuro potásico
¿A qué se deben los cambios dimensionales ocasionados al templar aceros?
Uno de los factores que más influyen en las características finales que se obtienen al templar una pieza de acero, es el tamaño. En los perfiles delgados tanto en enfriamiento como en calentamiento, se observará muy poca diferencia de temperatura entre la periferia y el interior de las piezas pero si se trata de piezas de gran espesor o gran diámetro se comprende perfectamente que la temperatura en su interior sea inferior en el calentamiento y superior en el enfriamiento a la de su periferia ya que el calor no se transmite directamente al interior sino a través del interior de la pieza necesitando la transmisión un tiempo determinado que es el que produce el retraso con relación al proceso que se sigue. En el calentamiento, el tamaño de la pieza sólo aumenta la duración del proceso. En el enfriamiento el espesor tiene mayores consecuencias, puesto que las velocidades que se obtienen en el interior de la pieza son a veces muy inferiores a las de la periferia. Y el resultado es que en piezas muy gruesas la velocidad de enfriamiento a partir de un diámetro determinado es inferior a la crítica y el núcleo de las piezas queda sin templar.
ANEXOS
Imagen 1. Se procedió a meter la pieza al horno, primeramente a alcanzar una temperatura de 250 C y después de alcanzar esa temperatura elevarla hasta 875 C.
Imagen 2. Al alcanzar la temperatura de 875 C se esperó alrededor de 10 minutos para sacar la pieza del horno.
Imagen 3. Una vez alcanzado el tiempo necesario para sacar la pieza del horno, procedimos a extraerla.
Imagen 4. Con el cuidado y precaución necesarios se extrajo la pieza del horno para ser tratada térmicamente.
Imagen 5. Recipiente en el que se depositó la pieza para el proceso de templado.
Imagen 6. Momento en el que se agita la pieza en forma de “ocho”
Imagen 7. En la imagen se muestra la pieza una vez que fue retirada del recipiente con agua.
Imagen 8. Imágenes en las que se muestra el momento en el que se pulió la pieza después de haber sido templada.
Imagen 9. Pieza al final del procedimiento de pulido.
CONCLUSIÓN
Debido al tratamiento del templado se logran algunos resultados como los siguientes: aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite. Entonces gracias a que adquiere una estructura martensitica el metal se vuelve o logra aumentar su dureza lo cual le da grandes ventajas en usos comerciales o para prácticas si es que son requeridos con tales condiciones. Gracias a la ejecución de esta práctica pudimos conocer la manera en que se realiza el proceso de Temple para ejecuciones futuras.
PRACTICA No. 2 REVENIDO
OBJETIVOS 1. Conocer las etapas que se siguen para efectuar un tratamiento térmico de revenido. 2. Comprobar los efectos y conocer las ventajas de practicar un revenido a los aceros, después de que fueron tratados por medio de un temple.
INTRODUCCIÓN Se sabe que el tratamiento térmico de temple confiere al acero una alta dureza y resistencia mecánica, sin embargo, otras propiedades como la tenacidad y ductilidad se ven seriamente afectadas, por lo que su aplicación dependerá principalmente de poder conseguir un aumento en la tenacidad y en la ductilidad, sin perder por ello la dureza adquirida. Este compromiso entre las propiedades antes mencionadas puede lograrse con la aplicación de un tratamiento térmico, posterior al temple, conocido como revenido que consta esencialmente de las etapas siguientes: 1. Calentamiento del acero por debajo de la temperatura de transformación. 2. Mantenimiento a ésta temperatura por un tiempo determinado. 3. Enfriamiento del metal a la velocidad más adecuada. Los efectos principales del tratamiento térmico de revenido son: a) Estabilización y afine de la microestructura. b) Eliminación de las tensiones internas del metal, ocasionadas por el temple. Esto trae como consecuencia que el acero adquiera mayor tenacidad y ductilidad viéndose poco afectadas la dureza y la resistencia mecánica. Aumentando la temperatura de revenido disminuyen la dureza, la resistencia máxima y el límite elástico hasta llegar a las propiedades que tendría el acero en estado normalizado; la ductilidad y la resistencia al impacto aumentan paulatinamente. El rango de temperaturas para efectuar este tratamiento, deberá seleccionarse de tal manera que las propiedades finales del acero sean las óptimas para una
aplicación específica. El rango recomendable para efectuar el revenido de acero al carbono es de 200 a 400 ºC, y además se debe considerar que la velocidad de enfriamiento varía las condiciones finales del acero.
MATERIAL Y EQUIPO
Probetas de acero templadas anteriormente. Mufla. Microdurómetro. Pinzas de sujeción. Guantes de asbesto. Material para pulir las probetas.
PROCEDIMIENTO 1. Se utilizan las probetas templadas en la práctica anterior. 2. Calentar las probetas de acero dentro de la mufla a una temperatura comprendida entre 200 y 400ºC durante una hora. 3. Después del tiempo señalado en el punto anterior, se apaga la mufla y se retira una de las probetas, la que se dejará enfriar al medio ambiente y la otra se dejará enfriar dentro de la mufla. 4. Pulir las probetas de acero ya enfriadas. 5. Medir la dureza de las probetas.
Cuestionario Práctica 2 Revenido
Explique las diferencias entre el revenido y el temple
El revenido es el tratamiento térmico que se realiza después del temple. El temple es un proceso de calentamiento y enfriamiento realizado este último con una velocidad mínima determinada generalmente muy rápida llamada crítica. El fin que persigue es transformar toda la masa de acero con el calentamiento en austenita y después por un enfriamiento muy rápido convertir la austenita en martensita. Mientras que el revenido es un tratamiento complementario del temple, generalmente sigue a este. Consiste en calentar el acero después de templado a una temperatura inferior a A c1 y enfriarlo después generalmente al aire aunque algunos se enfrían en agua o aceite. El objeto del revenido es mejorar la tenacidad de los aceros templados a costa de disminuir su dureza y su límite elástico. Consigue también disminuir las tensiones internas producidas por el temple.
¿Se encontró alguna diferencia entre la probeta que se enfrió al aire y la probeta que se enfrió en la mufla? ¿Por qué?
La velocidad de enfriamiento no tiene influencia teóricamente en los efectos del revenido, sin embargo conviene enfriar no muy bruscamente para evitar la aparición de tensiones internas y deformaciones en las piezas
¿Cuál es el constituyente que se obtiene después del revenido?
La modificación de las características mecánicas que se obtienen en el revenido se creía era debido a la transformación de la martensita en troostita cuando el calentamiento llegaba a las 400°C, Hoy se cree que la martensita se transforma según la temperatura en cuatro etapas: Etapa 1.- (de 100ª 250°C) Disminuye el contenido de carbono de la martensita por separación de precarburo de fierro, que cristaliza en el sistema tetragonal. La estructura de la martensita cambia de tetragonal a cúbica. Etapa 2.- (De 250 a 400°C) Sólo se presenta si en el acero templado queda austenita retenida, la cual se transforma en vainita. Si el revenido continúa a temperaturas superiores a 600°C, la vainita se transforma a cementita y ferrita. Etapa 3.- (De 250 a 600°C) A partir de los 250°C se redisuelve el precarburo de fierro, formándose una película de cementita, rodeando las agijas de martensita. A medida que sube la temperatura, se rompe la cementita. A partir de los 600°C, queda cementita globular en una matriz férritica. Etapa 4.- si los aceros son de alta aleación, a partir de los 600°C o más, precipitan los carburos complejos de aleación. Se produce una dureza secundaria.
PRACTICA No. 3 RECOCIDO OBJETIVOS 1. Efectuar un recocido total a un acero tratado anteriormente 2. Comprobar que el acero recupera sus constituyentes y propiedades originales
INTRODUCCIÓN El recocido de los aceros es un tratamiento térmico que consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura y, posterior enfriamiento lento. Como resultado del enfriamiento lento, el acero se acerca al equilibrio estructural y de fase. Por lo que, el fin del recocido es la obtención de la estructura equilibrada, la eliminación de los esfuerzos internos y, en relación con esto, el incremento de la ductilidad y tenacidad del acero necesarias para etapas posteriores en su uso. Por lo tanto, después del recocido se obtienen las estructuras indicadas en el diagrama Fe- Fe 3C: ferrita más perlita en los aceros hipoeutectoides; perlita en los aceros eutectoides y, perlita más cementita en los aceros hipereutectoides. El recocido total se aplica comúnmente a los aceros hipoeutectoides y consiste en el calentamiento a una temperatura de 30-50 ºC por arriba de la línea A3, permaneciendo a esta temperatura una cuarta parte del tiempo de calentamiento y un posterior enfriamiento lento dentro del horno hasta una temperatura de 500-400 ºC y por último enfriándose al aire.
MATERIAL Y EQUIPO
Probetas de acero tratadas anteriormente mediante el temple. Mufla Microdurómetro Pinzas de sujeción Guantes de asbesto
Elementos para desbaste y pulido
PROCEDIMIENTO 1. Colocar las probetas en el horno y calentar lentamente hasta alcanzar la temperatura de recocido (austenitización). 2. Mantener esa temperatura durante 30 minutos (dependiendo del tamaño de la pieza, el tiempo puede variar). 3. Después, enfriar lentamente a 500 ºC dentro del horno y a continuación al aire, 4. Una vez enfriadas las probetas, pulirlas. 5. Medir la dureza y comparar los valores obtenidos con los originales.
Cuestionario Práctica 3 Recocido
¿Cuál es el propósito del recocido?
Destruir estados anormales de los metales y aleaciones. Y como las anormalidades constitucionales y estructurales en general endurecen el material, al destruirlas con el recocido, se consigue ablandar los metales. Por tanto, su objetivo es ablandar los metales y aleaciones para poder trabajarlos mejor.
¿Qué relación hay entre el recocido y la resistencia a la corrosión?
El recocido de solubilización nos dará una adecuada resistencia a la corrosión.
Explicar las diferentes variantes que existen del tratamiento térmico de recocido.
Recocidos Supercríticos:
De autenticación completa: Recocido de Regeneración De autenticación Incompleta: Recocido globular de austenización incompleta
Recocidos Subcríticos:
Globular Ablandamiento Contra Acritud De estabilización
PRACTICA No.4 NORMALIZADO OBJETIVO Comprobar que en el acero tratado se obtiene perlita fina, con mayor dureza que en el recocido.
INTRODUCCIÓN El normalizado es una variedad de recocido en el cual se enfría el material en aire tranquilo, con lo que se consigue un enfriamiento algo más rápido que en el recocido ordinario. El recocido y el normalizado son por lo regular, las operaciones iniciales del tratamiento térmico, tienen por objeto subsanar algunos defectos de procesos anteriores (colada, forjado, etc.). Sin embargo, suele ser con mucha frecuencia el tratamiento térmico final. La designación de la normalización es distinta en dependencia de la composición del acero. Para los aceros con bajo contenido de carbono, la normalización se emplea en lugar del recocido. Para los aceros con 0.3% de carbono aproximadamente, la normalización se emplea en lugar del temple y del revenido a alta temperatura.
EQUIPO Y MATERIAL
Probeta de acero tratada anteriormente. Mufla. Microdurómetro. Pinzas de sujeción. Guantes de asbesto. Elementos para desbaste y pulido.
PROCEDIMIENTO Tomar una probeta tratada anteriormente y normalizarla. 1. Colocar la probeta en el horno y calentar lentamente hasta alcanzar la temperatura de normalizado. 2. Mantener esa temperatura durante unos 30 minutos. 3. Después enfriar la probeta al aire. 4. Una vez enfriadas las probetas al aire, pulirlas. 5. Realizar la medición de la dureza y anotar los resultados obtenidos. 6. Comparar los resultados del normalizado y del recocido.
Cuestionario Práctica 4 Normalizado
¿Qué es el normalizado y qué tipo de estructura produce?
El normalizado es en realidad una variedad del recocido que se aplica exclusivamente a los aceros. Es un calentamiento de las piezas de acero a una temperatura de 25 a 50°C por encima de la crítica de transformación Ac3, en los aceros hipereutectoides, con más de 0.86%C seguido por un mantenimiento a temperatura de duración adecuada y por un enfriamiento en aire. Busca obtener una estructura homogénea, un afinado del grano cristalino, la eliminación de las irregularidades estructurales provocadas por anteriores tratamientos mecánicos en caliente y la eliminación de las tensiones internas. La estructura que normalmente se obtiene con la normalización está constituida por perlita, no en forma de láminas grandes, como el caso del recocido, sino muy fina y con granos más regulares.
¿Qué diferencia existe entre el normalizado y el recocido?
El normalizado es en realidad una variedad del recocido que se aplica exclusivamente a los aceros. Se diferencia el normalizado del recocido y del temple en que el enfriamiento es mucho más lento en el recocido (dentro del horno) y mucho más rápido en el temple (en agua)
¿Qué ventajas ofrece el enfriamiento al aire?
El enfriamiento en aire permite una velocidad de enfriamiento intermedia entre el recocido y el temple.
¿Por qué se dice que tanto el normalizado como el recocido son tratamientos térmicos iniciales y, sin embargo, muchas ocasiones se utilizan como tratamiento térmico final?
Porque son los encargados de aliviar las tenciones residuales de otros tratamientos.
Bibliografía
1.- Introducción a la Metalurgia Física Sydney Avner 2.- Tratamientos térmicos de los metales Pere Molera Solá
