UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DE CUSCO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA, INFORMÁTICA Y MECÁNICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
TEMA: “TEMPERATURAS
CRITICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS”
“TRANSFORMACION ISOTERMICA DE LA AUSTENITA”
CURSO:
Tratamientos Térmicos
DOCENTE:
Ing. Juan Carlos Rivera Quispe.
ALUMNOS:
LIMACHI CATARI, Alex Nelson.
LUQUE MAMANI, Kelvin.
QUILLAHUAMAN VERGARA, Alexis.
NUÑEZ CHOCLLO, Jhon Peter
RAMOS ANAHUE, Justo Jose
HANCCO GUERRA, Rolinston Hebert
2017 -l
INDICE 1. TEMPERATURAS CRITICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS 1.1 TEMPERATURAS CRITICAS DEL HIERRO-CARBONO 1.2 ESTADOS ALOTRÓPICOS Y PUNTOS CRÍTICOS DEL HIERRO 1.3 PUNTOS CRITICOS DE LOS ACEROS 1.4 TIPOS DE HIERRO 1.5 DENOMINACION Y DEFINICION DE LOS PUNTOS CRITICOS DE LOS ACEROS 1.6 DETERMINANCION DE LOS PUNTOS CRITICOS 1.7 PROCEDIMIENTOS USADOS PARA LA DETERMINACION DE LOS PUNTOS CRITICOS 1.8 CUERVAS PARA LA DETERMINACION DE LOS PUNTOS CRITICOS 1.9 UTILIZACION DE CUERPOS NEUTROS 1.10
DILATOMETRO CON CUADRANTE INDICADOR
1.11
DILATOMETRO CHEVENARD
1.12
APARATO BROWN
1.13
APARATO SALADIN-LE CHATELIER
2. TRANSFORMACION ISOTÉRMICA DE LA AUSTENITA 2.1 LA AUSTENITA 2.2 ESTABILIDAD A TEMPERATURA AMBIENTE 2.3 TRANSFORMACION 2.4 ESTRUCTURA 2.5 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION ISOTERMICA 2.6 DIAGRAMAS TTT 3. BIBLIOGRAFIA
1. TEMPERATURAS CRÍTICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS 1.1 Temperaturas criticas del hierro - carbono Al estudiar el diagrama hierro-carbono, hemos visto que existen para cada acero ciertas temperaturas, en las que en el calentamiento y en el enfriamiento muy lento hay transformación de los constituyentes microscópicos.
1.2 Estados alotrópicos y puntos críticos del hierro Si se deja enfriar lentamente una muestra de hierro lo más puro posible, desde el estado líquido, se solidifica instantáneamente a
1 535°. Al continuar descendiendo la
temperatura, no se observa nada anormal en el proceso de enfriamiento, hasta 1.400°. Entonces se nota una disminución en la velocidad de enfriamiento debida a un desprendimiento espontáneo de calor. Luego, hacia los 89B°, se produce otro nuevo desprendimiento de calor y se aprecia otra disminución en la velocidad de enfriamiento bastante neta y pronunciada. Hacia los 750° vuelve a ocurrir otra parada en el enfriamiento, que es ya la última antes de llegar a la temperatura ambiente. Esas temperaturas en las que ocurren esos fenómenos, se llaman temperaturas o puntos críticos, y se denominan Ar2, Ar3 y Ar4, respectivamente. La parada a 1.400°, corresponde a un cambio alotrópico .del hierro, que pasa del estado de hierro delta al de hierro gamma. El punto Ar3 a 898°, señala la transformación de hierro gamma en hierro beta y el punto Ar2 a 750°, corresponde a la transformación del hierro beta en hierro alfa. Cuando el proceso es inverso .y se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta la de 1.550°, los fenómenos se presentan en forma muy parecida, pero a temperaturas un poco superiores, recibiendo ahora esos puntos críticos los nombres Ac2, Ac3 y Ac4. El AC2 se presenta hacia los 790°, el Ac3 a los 910° y el Ac4, a 1.410°, aproximadamente. Esta diferencia que existe entre las temperaturas críticas en el enfriamiento y en el calentamiento, revelan la resistencia que oponen los sistemas cristalinos a transformarse, indicando además que |as temperaturas críticas reales se hallan sin duela entre Ac3 y Ar3 y Ac2 , y Ar2. Si se pudiera realizar esos calentamientos o enfriamientos a una velocidad infinitamente lenta, los puntos críticos se hallarían a la misma temperatura en el calentamiento y en el enfriamiento. A esos puntos críticos se les ha dado los nombres de Ar y Ac, recordando el proceso que se ha seguido. (En francés enfriamiento «refroidlssement» r, y calentamiento «chauffage» c.)
1.3 Tipos de hierros: a) Hierro alfa b) Hierro gamma c) Hierro beta d) Hierro delta
1.4 Puntos críticos de los aceros Al ensayar un acero con 0.15% de C, se puede observar que el enfriamiento, el punto 3 aparece
a 850°C aproximadamente T° ligeramente inferior a la de hierro, señala el
comienzo de la separación de la ferrita proeutectoide, iniciándose por lo tanto una transformación de hierro gamma en hierro beta. Al continuar descendiendo la temperatura aparece el punto
2
a 768°C
aproximadamente que corresponde a la aparición del magnetismo del hierro, es decir, a la transformación del hierro beta al hierro alfa. Hacia los 700°C existe otro punto crítico 1, que no lo tiene el hierro y que es mas acentuado cuanto mayor sea el contenido en carbono. Corresponde precisamente a la transformación de la austenita de composición eutectoide en perlita, y la precipitación del carbono o carburo de hierro que tenía aquella y ahora queda en forma de cementita. Como el hierro puro no contiene carbono, su austenita nunca alcanza la composición eutectoide y este punto no aparece en él. El acero extra dulce de 0.15% de carbono hacia los 700°C contiene un poco de austenita de composición autectoide y en el punto 1 se marca muy ligeramente. Los aceros semiduros de 0.30 y 0.50% de C, contienen mas austenita eutectoide residual y el punto es más acentuado.
Figura 1 Curvas de enfriamiento de diversas aleaciones hierro-carbono.
1.5 Denominación y definición de los puntos críticos de los aceros TRANSFORMACIONES EN LOS ACEROS HIPOEUTECTOIDES (carbono inferior a 0.90% - calentamiento - 1) En los aceros al carbono toda la perlita se transforma bruscamente en austenita en un intervalo de temperatura (725°C- 740°C) aproximadamente quedando el acero a partir de esa temperatura constituida por austenita y ferrita libre, a medida que va aumentando la T° comienza en disolverse en la austenita. Los aceros se contraen desde 0.03% hasta 0.1% Es importante señalar que al transformarse la perlita en austenita toda la ferrita que contiene la perlita se transforma en hierro gamma a una temperatura de (725°C -740°) inferior a la que debe de alcanzarse para la formación del hierro gamma en el hierro puro a 910°C TRANSFORMACIONES EN LOS ACEROS HIPEREUTECTOIDES (carbono mayor de 0.90 % - calentamiento - 321) Transformación brusca de toda la perlita en austenita. El material se contrae por efecto de la trasformación de la perlita en austenita y el fenómeno es similar al descrito para el 1 comienza
la disolución del exceso de cementita en la austenita.
TRANSFORMACION EN EL ACERO EUTECTOIDE El punto 321 marca la transformación perlita austenita y el 321 la inversa.
1.6 Determinación de los puntos críticos En los ciclos de calentamiento o enfriamiento, al atravesar los aceros las zonas críticas, además de los cambios de estructura ya citados, ocurre otro fenómeno que sirve para determinar sus temperaturas de aparición y terminación. La existencia de esta zona crítica se tuvo gracias al fenómeno del temple. Se conoce la gran dureza que adquieren los aceros en el temple. Se sabía que si el acero se calienta por encima de cierta temperatura y luego se enfría rápidamente, se endurece y también se sabía que para que se endurezca hace falta precisamente rebasarla. Si el acero se calienta a temperatura un poco inferior a la crítica, aunque se enfrié muy rápidamente no se endurece. Cuando se trata de aceros de más del 0.90% de carbono, el aumento de dureza es muy brusco y la única temperatura crítica es la correspondiente al punto 321 .
Figura 2 Variación de la dureza en función de la temperatura de temple en dos aceros, uno, de 0,90% de carbono, y otro, de 0,20% de carbono.
En cambio cuando, se trata de aceros hipoeutectoides, en el calentamiento existen dos puntos críticos, el 1 y el 3 que se señalan claramente en los ensayos del temple a temperaturas crecientes.
1.7 Procedimientos usados para la determinación de los puntos críticos Existen muchos procedimientos y aparatos para la determinación de los puntos críticos, cuyo fundamento se basa en alguno de los siguientes fenómenos: Cambios de temperatura, absorción o desprendimiento de calor, expansión o contracción, cambio de propiedades magnéticas, absorción de cementita o ferrita, cambio de dureza y tamaño de grano después de un enfriamiento rápido, cambio en la resistencia eléctrica, cambio de plasticidad, cambio en la estructura cristalina , etc. Métodos en la determinación de puntos críticos:
Método dilatométrico.- se usan aparatos muy precisos, que miden y señalan las anormales contracciones y dilataciones que experimentan los aceros en las zonas críticas y que son diferentes a la expansión regular que experimenta el material en el calentamiento o enfriamiento de la probeta.
Método magnético.- Es aplicable a aceros de todas composiciones, se coloca la probeta en un circuito magnético se va elevando progresivamente la temperatura y vamos observando las variaciones de flujo magnético. Cuando no hay paso de flujo (material magnético, hierro gamma) es señal de que hemos atravesado la zona critica.
Método calorimétrico.- consiste en medir el calor desarrollando por las probetas. En las zonas críticas hay un desprendimiento de calor extraordinario que sirven para determinar las temperaturas en las que ocurren los fenómenos.
Método metalográficos.- se basa en el estudio de las estructuras que se obtiene al ir enfriando rápidamente varias probetas de acero a temperaturas variables.
1.8 Curvas para la determinación de los puntos críticos Para la determinación de los puntos críticos, es muy conveniente dibujar las curvas de calentamiento y enfriamiento, con su ayuda se puede estudiar más fácilmente esta clase de fenómenos. El método más elemental para esta determinación, consiste en colocar dentro de un horno un trozo de acero a ensayar y en su interior un par termoeléctrico conectado a un minivoltímetro, al calentar o enfriar, el horno se elevara o bajara la temperatura de la probeta. Luego se dibujara un gráfico señalando en ordenadas las temperaturas y en las abscisas los tiempos.
Figura 3 Curvas de enfriamiento.
Curva A correspondiente a un material que no tiene puntos críticos. Curva B correspondiente a un metal con dos puntos críticos.
1.9 Utilización de cuerpos neutros En los casos anteriores las velocidades de enfriamiento y calentamiento de la probeta estaban afectadas por la del horno (de gran inercia) y por otros agentes exteriores, que puede hacer difícil la interpretación de lo que verdaderamente sucede en los ensayos, ya que las cantidades de calor que se desprenden de las muestras son muy pequeñas comparadas con las exteriores. Por lo tanto, interesa emplear procedimientos en los que se anule la influencia de esos factores extraños. Esto se consigue empleando cuerpos neutros en forma de probetas patrón o pequeñas piezas que se introducen en el horno junto con las probetas de los aceros a estudiar. Estos cuerpos neutros no deben poseer puntos críticos para qué no influyan sobre las curvas que se obtengan y suelen ser de níquel, aceros austeníticos (cromo-níquel al manganeso, etc.).
Figura 4 Montaje para determinar curvas de enfriamiento y puntos críticos.
1.10
Dilatómetro con cuadrante indicador
La instalación dilatométrica más sencilla para la determinación de los puntos críticos está representada en la figura, consiste en un tubo de cuarzo cerrado por abajo en cuyo fondo se coloca una probeta del acero que se quiere ensayar. Sobre la cara superior de la probeta se apoya otro tubo de cuarzo, más delgado, que sirve para transmitir la dilatación del acero hasta un reloj micrométrico que mide con gran amplificación las más pequeñas dilataciones y contracciones de la probeta. Por el interior de este segundo tubo se hace pasar los hilos de un par termo-eléctrico cuya soldadura está colocada en el
interior de la pieza de acero y que nos señala la temperatura del acero en cada momento de la experiencia.
Figura 5 Dilatómetro con cuadrante indicador.
Figura 6 Dilataciones
y
contracciones
que
experimenta un acero de 1% de carbono en función de la temperatura.
1.11
Dilatómetro Chevenard
El funcionamiento de este aparato se basa también en la dilatación que experimentan los aceros cuando aumenta su temperatura y en los cambios de volumen que experimentan al atravesar las temperaturas críticas.
Figura 7 Alzado y planta del aparato
Chevenard
usado
para
determinación puntos críticos.
la de
1.12
Aparato Brown
En este aparato se utiliza también una probeta patrón y una probeta del acero que se quiere estudiar. Ambas se introducen en el horno, colocando en un orificio que cada una de ellas tiene en el centro, la soldadura de un par termo-eléctrico. Un piró-metro registrador marca sobre un gráfico una curva que señala la temperatura de la muestra de acero.
Figura 8 Esquema del aparato Brown.
Figura 9 Esquema del aparato Sladin-Le Chatelier.
1.13
Aparato Saladin-Le Chatelier
Este aparato permite determinar también los puntos críticos con gran exactitud. La curva es marcada por un punto luminoso sobre una placa o papel fotográfico. El esquema de la instalación se puede ver en la figura. En un horno se introducen la muestra de acero y una muestra patrón. En la muestra de acero se coloca la soldadura de un par termo-eléctrico, para conocer la temperatura del acero en todo momento.
2. TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA DE LA AUSTENITA 2.1 La austenita También conocida como acero gamma ( γ), es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución solida por inserción de carbono en hiero gamma. La cantidad de carbono disuelto, varia de 0.8% a 2% C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130°C. La austenita no es estable a la temperatura de ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a ambiente. La austenita está formado por cristales cúbicos centrados a las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30%, no es magnética. La formación de la austenita y el control del tamaño de grano austenítico son aspectos vitales en muchos de los tratamientos térmicos de recocido y endurecimiento. El comportamiento de la transformación de la austenita y las propiedades mecánicas de las microestructuras formadas desde la austenita están influenciadas por el tamaño de grano austenítico.
2.2 Estabilidad a temperatura de ambiente La austenita no es estable a temperaturas de ambiente excepto en aceros fuertemente aleados como algunos inoxidables. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100°C cuando la fase austenítica es estable. Finalmente, a diferencia de la ferrita, la austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura.
2.3 Transformación Dependiendo de la velocidad a la que enfriemos la austenita, podemos conseguir diferentes microestructuras como perlita (velocidad lenta con difusión de átomos), bainita (velocidad moderada con difusión de átomos), martenista (velocidad rápida sin difusión de átomos) que mencionaremos más adelante
(Reordenamiento de los átomos de hierro y carbono al enfriar la austenita ‘perlita a velocidad lenta y martensita a velocidad rápida)
el acero comienza la austenización a los 723ºc y finaliza su transformación dependiendo de su porcentaje de carbono. ya veremos a que temperatura de temple nos interesa llegar al calentar nuestro acero en función de su porcentaje de carbono. ya sea mediante una austenizacion completa o una austenizacón incompleta. la austenita no es estable a temperatura ambiente, cuando se enfría lentamente vuelve a convertirse en hierro alfa, bajando de nuevo la solubilidad del carbono en el hierro. (aunque existen aceros con contenidos de cromo (cr) y níquel (ni) que sí mantienen la estructura austenítica a temperatura ambiente).
(Empaquetamiento atómico de la austenita, microestructura de la austenita)
2.4 Estructura El hierro está dispuesto en un retículo cubico y a centros de caras, mientras que el carbono está presente como defecto intersticial. La austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 °C. Está formado por una disolución solida del carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de c del 2,11%. Es dúctil, blanda y tenaz. Esta estructura permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de carburación del acero. La solubilidad máxima es solo del 1.675. Hay que recordar que por definición los aceros contienen menos de 1.675 de carbono y pueden tener disuelto el carbono completamente a altas temperaturas.
(Estructura cristalina de la austenita. El hierro (en gris) está dispuesto en un retículo cúbico y en los centros de las caras, mientras que el carbono (en azul) está presente como defecto intersticial.)
2.5 Diagramas de transformación isotérmica Los diagramas que definen la transformación de la austenita en función del tiempo a temperatura constante se denominan diagramas de transformación isotérmica (TI).
2.6 Diagrama TTT Se denomina curva TTT (transformación temperatura-tiempo) al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una trasformación isotérmica. Los diagramas TTT son graficas que representan el % de transformación en función de la temperatura (eje vertical) y del tiempo (eje horizontal, normalmente en escala logarítmica). Un diagrama TTT resume las posibilidades y transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para el diseño de tratamientos térmicos como para la interpretación de las microestructuras resultantes después de los mismos.
A la hora de trabajar con diagramas de equilibrio, debemos de tener en cuenta que las trasformaciones se producen mediante enfriamientos o calentamientos muy lentos. Si queremos conseguir un acero con una estructura determinada que se encuentre a una temperatura mayor en estos diagramas (como la austenita), el enfriamiento se debe realizar más rápido. Por tanto, el tiempo es un factor a tener en cuenta a la hora de estudiar estas transformaciones. De este modo, en los diagramas de equilibrio tenemos tres variables que estudiar: la composición de la aleación, la temperatura, y el tiempo en el que se produce la transformación. Esto nos daría un diagrama en 3 dimensiones. Este diagrama fue llamado Diagrama TTT (temperatura-tiempo-transformación), aunque comúnmente se
le conoce como Curvas TTT. Se puede obtener un diagrama diferente por cada composición de la aleación. El diagrama TTT representa el proceso de transformación del acero a lo largo del tiempo de transformación y en función de la temperatura.
4. BIBLIOGRAFIA Berreiro, A. (1985). Tratamientos Termicos de los Aceros. Madrid: Dossat plaza de santa ana,9 Madrid. Donald R. Askeland. (1998). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. International Thompson Editores Smith, W. F. (1998). Fundamentos de la ciencia y la ingenieria . EE.UU: Mc.Graw hill. Esencia de Materiales Aplicadas a la Forja. El acero y sus Tratamientos Térmicos. Obtenido de: https://laboratoriodeforja2.wordpress.com/austenita/
