UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA SECCIÓN DE MATERIALES Y MANUFACTURA LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA II
Informe e !" Pr#$%&$" N' ( TEMPLABILIDAD DE LOS ACEROS
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Prof. G!or/* L0+e-
F"r&"* O*$"r&n". 12.3(4.562
Se$$&0n, Se$$&0 n, 77
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C"m+o*8 :&!m"r/*. 1;.((6.753
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RESUMEN
En la práctica se estudió la templabilidad de 4 probetas de dimensiones normalizadas, fabricadas en aceros de composición química distintas, esta propiedad denominada temp templa labil bilid idad ad se efect efectúa úa medi mediant antee el ensay ensayoo Jomi Jominy ny.. Cabe Cabe dest destac acar ar qu quee en la experiencia ya las probetas se le abía realizado el ensayo, por lo lo tanto se inicio con un puli pulido do mecán mecánic icoo post poster erio iorm rmen ente te se reali realizó zó un ataq ataque ue qu quím ímic ico, o, se midi midióó la distancia y dureza que adquiere el acero a partir del extremo templado y finalmente se efectuó el estudio de microscopía óptica! se aprecio que a medida que se fue ale"ando del extremo templado el # de martensita decreció, fomentando así la formación de otros micro constituyentes. $e determino que la templabilidad de una probeta es la facilidad con la que se transforma acero en martensita, es por ello que este t%rmino no es una medida de la dureza del acero.
INDICE
Pág.
&esumen....................................................................................................................'' '. '()&*+CC'-(.................................................................................................4 ''. *JE)'/*$.........................................................................................................0 1.2. 3eneral0 1.1. Específicos. 0 '''. 56&C* )E-&'C*............................................................................................7 '/. E8'9*$, 56)E&'6:E$ ; $$)6(C'6$...< =.2. Equipos< =.1. 5ateriales< =.=. $ustancias> /. 9&*CE+'5'E()* E?9E&'5E()6:..............................................................2@ /'. &E$:)6+*$...................................................................................................22 /''. 6(A:'$'$ +E &E$:)6+*$....................................................................... /'''. C*(C:$'*(E$........................................................................................... '?. &EBE&E(C'6$.................................................................................................. ?. 69(+'CE..
[email protected]. 6p%ndice D 6nexos.
[email protected]. 6p%ndice CD 6sinación
I. INTRODUCCIÓN
:a templabilidad está determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de las piezas templadas, un procedimiento estándar que es ampliamente utilizado para determinar esta propiedad es el ensayo Jominy. Esta propiedad es estudiada para describir la abilidad de una aleación para ser endurecida por la formación de martensita como resultado de un tratamiento t%rmico! los aceros de ba"o carbono tienen ba"a templabilidad, solo muy altas Felocidades de enfriamiento permiten que toda la austenita se transforme en martensita. :os aceros aleados tienen alta templabilidad, dica propiedad no se refiere a la dureza del acero son 1 características distintas que se confunden con frecuencia y conFiene diferenciarlas con claridad. :a dimensión de la pieza que Fa a ser templada tiene un efecto directo sobre la templabilidad del material. :a templabilidad es el factor más importante para la selección de los aceros que se Fan a usar en piezas tratadas t%rmicamente. Esta práctica tiene como ob"etiFo analizar la templabilidad de 4 probetas a estudio, estableciendo diferencias entre las mismas.
II. OBJETIVOS
2.1. Objetivo Gene!"#
Establecer diferencias en cuanto a templabilidad entre 4 probetas sometidas a ensayos Jominy.
2.2. Objetivo$ e$%e&'(i&o$#
&ealizar ensayo Jominy a 4 probetas de dimensiones normalizadas fabricadas en aceros de composiciones distintas.
3enerar curFas de templabilidad para los materiales sometidos a ensayo Jominy.
Comparar la templabilidad de los materiales en estudio a partir de las curFas eneradas y de las micro estructuras que se eneran a lo laro de las probetas Jominy.
6nalizar la aplicabilidad de los materiales a estudio para un serFicio donde se especifica un cierto índice de templabilidad.
III. M)RCO TEÓRICO
:a templabilidad de un acero es una propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza alcanzada al producirse un enfriamiento desde la zona austentinica. :a templabilidad del ierro aumenta si se aGaden aleantes, con los que a mas carbono mas templabilidad, sin embaro tambi%n aumenta el Folumen, con lo que el enfriamiento de la pieza no es omo%neo, y enfría antes en el exterior que en el núcleo, el cual no se podrá dilatar al enfriarse por la compresión e"ercida por la pieza ya enfriada, creándose unas tensiones de compresión en el interior y de tracción en la superficie que pueden llear a romperla, con lo que ay que ba"ar el contenido en carbono, pero a su Fez la templabilidad ba"a, con lo que se crea una contradicción. :a templabilidad depende de la composición química del acero! todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la Felocidad de enfriamiento. )emplabilidad no es dureza, que sinifica resistencia a la penetración, aunque se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta. :a adición de elementos aleantes o el enrosamiento del rano austenitico incrementa la templabilidad de un acero. Cualquier acero que tiene una Felocidad crítica de enfriamiento ba"a se endurecerá más profundamente que uno que tiene una Felocidad de enfriamiento alta de templado. :a dimensión de la pieza que Fa ser templada tiene un efecto directo sobre la templabilidad del material. $e considera que el temple de un acero es aceptable cuando la microestructura esta formada por lo menos con un 0@# de martensita, pero para conseuir las me"ores características mecánicas en el producto final el porcenta"e de martensita debe de estar entre el 0@ y el >@ #. $i se realiza un temple mal, nos podemos encontrar con
defectos en la pieza como una dureza insuficiente para nuestros propósitos, que se ayan formados puntos blandos, piezas con muca frailidad, descarburación, rietas etc. :a dureza escasa y la formación de puntos blandos se explican por la falta de calentamiento, por no aber alcanzado la temperatura necesaria, o por no aber permanecido el suficiente tiempo en ella, la frailidad excesiFa es por un temple a temperaturas altas, etc. por lo cual ay que extremar los cuidados a la ora de iniciar un proceso de temple, y realizarlo correctamente, ya que son mucos los factores que pueden daGar las piezas, y que no sean Falidas para nuestros propósitos. $e sabe que una pieza de acero enfriada en un medio cualquiera tendrá una Felocidad de enfriamiento que depende de Farios factores y una Fez que estos son determinados, se debe buscar aluna manera de comparar y predecir lo que irá a suceder cuando se realice tal enfriamiento. 9ara esto es necesario que primeramente se entienda lo que es la templabilidad. Existen mucos ensayos para determinar la templabilidad, pero el más utilizado es el ensayo Jominy, cuyos resultados se expresan como una curFa de dureza frente a la distancia desde el extremo templado, la cual se le conoce como curFas de templabilidad. +el estudio de estas curFas se puede obserFar que la máxima dureza que se consiue en el temple del acero es función del contenido en carbono. El ensayo Jominy es un procedimiento estándar para determinar la templabilidad. $e trata de emplear una probeta estandarizada del acero estudiado. :a probeta utilizada para el ensayo es cilíndrica, de un diámetro de 10 mm, y una lonitud de 2@@ mm. 9rimero se calienta a la temperatura de austenización, enfriándola posteriormente mediante un corro de aua con una Felocidad de flu"o y a una temperatura especificada, el cual sólo enfría su cara inferior. na Fez terminado el enfriamiento se rectifican dos eneratrices opuestas de la probeta una profundidad mínima de @,4 mm a lo laro de toda su lonitud,
determinándose despu%s su dureza &ocHIell c. :as medidas de dureza se realizan cada 2,7 mm, durante la primera pulada 10,4 mmK. 9osteriormente se determina la dureza cada 0 mm. :os resultados obtenidos se reistran en un ráfico estándar, donde se relacionan la dureza obtenida, con la distancia al extremo templado
IV. E*UIPOS+ M)TERI),ES - SUST)NCI)S .1. E*UIPOS
+isco 3iratorio de 9ulido
5arcaD ueler )ipoD &96 6pD @.10 @.2L &pmD 2L10M224@
5icroscopio 5etaloráfico
+urómetro &ocHIell. 5arca Nilson. 5odelo =J&
$ecador el%ctrico 22@/
Oorno 4>@@ Burrace arnstead )ermolyne 6pD 2PC
.2. M)TERI),ES
risol
9apel 6bsorbente
6lodón
4 9robetas de 6cero
Capsula o contenedor
Escuadra 10 cmK 6pr Q @.2mmK
./. SUST)NCI)S
6ua
9olFos de 6lúmina de 2 R y @.=R
6lcool 6bsoluto
(ital al 1#
V. PROCEDIMIENTO O METODO,OG0)
$e repulió las probetas.
na Fez lista las probetas para el ataque, se procedió a escoer el reactiFo el cual fue nital al 1#.
El nital se colocó en una capsula.
$e su"etó las probetas y lueo fue puesta en contacto el área transFersal pulida con el reactiFo.
$e colocó en contacto con un papel absorbente.
$e sumerió las muestras en aua y alcool para cortar el efecto del ataque.
:as probetas se seco con el secador el%ctrico.
$e marcaron puntos cada Fez más ale"ados del extremo templado con un instrumento de medición
$e determinó la dureza &ocHIell C de cada uno de los puntos de las probetas estudiadas.
$e realizó en el microscopio metaloráfico el estudio de los micro constituyentes presentes en cada uno de los puntos, cada Fez más distantes del extremo templado en las probetas.
$e estimó los porcenta"es de fases presentes en cada uno de los puntos dispuestos anteriormente.
$e elaboró la tabla y raficas con los resultados obtenidos.
VI. RESU,T)DOS
Probeta 1 Ø
ØJ
RC
-4
3
50
-8 6 48 1 10 4! 0 16 4 40 30 4 60 50 36 80 !0 34 90 85 31
Ferrita
Perlita
Probeta 2
Bainita Bainita Superior Inferior
15
M
Austenita Retenida
ØJ
90
10
3 6 10
45
16
43
30
4
80
15
5
!0
5
30
10
55
0
!0
10
5
10
RC
Pr
Bainita Bainita M Superior Inferior
Austenita Retenida
ØJ
RC
Ferrita
Perlita
48
3
13
30
50
46
6
5
10
16
1
80
0
30
-4
45
50
-6
85
15
-! 10
90
10
90
10
Ferrita
Perlita
5
50 36
45
85
10
!0
3
15
40
45
!0
85
31
0
!0
10
85
VII. )N,ISIS DE ,OS RESU,T)DOS En !" %"=!" 9.1 se establecen las fases obtenidas despu%s de un ensayo Jominy. En la +ro=e%" n' 1 se puede apreciar que la martensita iba disminuyendo considerablemente a medida que se ale"aba del extremo templado, esto se debe a la Felocidad de enfriamiento desde la temperatura de austenización, por lo tanto, la Felocidad de enfriamiento a medida que se ale"a del extremo templado es mas lenta y por consiuiente Fa formando
otros micro constituyentes y la martensita Fa
disminuyendo su Falor asta desaparecer. Esta probeta presento mayor dureza a una distancia Jominy de =mm, debido a que en dico punto se encontraba un contenido muy alto de martensita, esta acero es de muy buena templabilidad, se pudo percibir como la dureza penetro.
En !" +ro=e%" n' 7 , se pudo notar que es el acero de me"or templabilidad en comparación con las otras probetas, tiene más contenido de carbono y elementos aleantes.
En !" +ro=e%" n' 5, no se obserFo ninún contenido de martensita en ninún punto, la nariz estuFo muy peada al e"e, solo se noto la presencia de ferrita, perlita y ainita superior. :as dureza son ba"as debido a que no ay martensita y fueron disminuyendo a medida que se ale"aban de la zona templada. :a probeta presento Fariaciones de dureza. En !" +ro=e%" n' 3 al iual que la = no se obserFo presencia de martensita solo ferrita y perlita, la ferrita estuFo sometida a sobre calentamiento, cabe destacar que con la Felocidad de enfriamiento mas lenta se forma mas ferrita.
F"r&"*8 O*$"r&n"
En la )abla 7.2 se muestran las micro estructuras de aceros templados con anterioridad por ensayo Jominy. :a probeta N' 1 muestra un alto contenido de martensita desde el punto de extremo templado, punto donde su dureza es máxima! la misma Fa disminuyendo a medida que se acerca al punto opuesto del extremo templado. :a Felocidad de enfriamiento es más lenta a medida que se Fa ale"ando del punto de extremo templado y en consecuencia la martensita Fa desapareciendo continuamente mientras otros microSconstituyentes se Fan formando. Como se puede obserFar en la tabla, esta fue la probeta que presentó mayor dureza entre las 4 al inicio del estudio metalorafico, es decir tenia una alta cantidad de martensita y se puede considerar que posee una buena templabilidad. 9ara la probeta N' 7 el comportamiento de la templabilidad es muy similar al de la probeta anterior, sin embaro la presencia de martensita continua en la probeta 1, lo cual la de"a con una me"or templabilidad, además de poseer más cantidad de carbono y elementos aleantes. En la probeta N' 5 y 3 se obserFa una proresiFa disminución de la dureza a medida que se ale"a del punto de templado, no obstante no ay rastro de martensita ba"o el microscopio, solo perlita, ferrita y bainita superior en alunos casos. +ebido a que no ay martensita la dureza presentada desde el inicio asta el fin de la probeta es muy pequeGa, sin embaro existe dureza por la presencia de la perlita que es la fase más dura presente en las muestras. 6 medida que se ale"a del punto de templado la Felocidad de enfriamiento es menor y la perlita disminuye paulatinamente. 6l final el resultado obtenido es una estructura casi ferrifica con muy ba"a dureza. )apia, &andy
En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos durante la práctica. 6 las cuatro probetas seleccionadas que abían sido preFiamente templadas por ensayo Jominy se les realizaron ensayos de dureza y se obserFo su microestructura, para de esa forma estimar las fases por eFaluación Fisual. En la probeta N' 1 / N' 7 la dureza disminuye en forma proresiFa desde el extremo el cual fue incidido por el corro asta el extremo opuesto, así mismo relacionados con los microconstituyentes presentes, en este caso, martensita. El cambio de dureza Fa disminuyendo de acuerdo a Farias mezclas presentes como ferrita, bainita superior, bainita inferior, austenita reFenida
y martensita!
disminuyendo considerablemente la cantidad de martensita y la rapidez de enfriamiento. En la probeta N ' 5 / N ' 3, tambi%n se nota que la dureza disminuye proresiFamente desde el extremo templado asta el extremo opuesto. Esto se debe a que la Felocidad de enfriamiento en el extremo templado es muco mayor que la Felocidad en el otro extremo debido al medio de temple al que fue expuesto. Estos resultados son los esperados por las fases conseuidas 9erlita y BerritaK en los puntos de las probetas que fueron analizados microscópicamente. El contenido de perlita disminuye a medida que se Fa analizando cada punto a partir del extremo templado acia el extremo así como el porcenta"e de ferrita Fa en aumento, y como es sabido, la perlita es la fase más dura presente en la muestra, y mientras más alto sea su contenido mayor será la dureza del acero. Cabe destacar que en las probetas no se obserFó martensita a pesar del temple al que fue sometida como era de esperarse ya que esta es la fase característica despu%s de aplicar este tratamiento, la ausencia de ella en la probeta pudo ser por el porcenta"e de carbono de la pieza que era muy ba"o. Nilmarys Campos
VIII. CONC,USIONES
:a templabilidad es una propiedad. :a dureza que se obtiene depende del contenido de carbono. :a templabilidad depende de las características de transformación del material es decir del diarama de enfriamiento continuo y por ende de la composición y el tamaGo de rano. :os elementos de aleación aumentan la templabilidad, retardando la transformación en las reiones de perlita y de bainita, permitiendo así la formación de martensita a rapideces de enfriamiento menores Es importante la especificación de la templabilidad en un acero ya que el comprador tendrá las propiedades mecánicas deseadas. :a Felocidad de enfriamiento es menor a medida que aumenta la distancia desde el extremo templado asta el punto en estudio. 6l aumentar la distancia, la Felocidad de enfriamiento es más lenta y el carbono dispone de más tiempo para su difusión y formación de perlita. :as curFas de templabilidad resumen en un rafico el comportamiento de una pieza respecto al temple.
24
I. RE3ERENCI)S 4.1. 35ente I6%e$!#
6Fner, $i. >In%ro<$$&0n " !" me%"!
<<.
6praiz, J. >Tr"%"m&en%o* %rm&$o* e !o* "$ero*. Editorial +ossat. 6Go 2>L<.
/alencia, 6. >Me%"!
. )P7NDICES 18.1. )%9n:i&e B# )ne;o$
3ig5! 18.1.1.Pobet! :e En$!
18.2. )%9n:i&e C# )$ign!&i=n
18.2.1 >De(in! :iá6eto &iti&o i:e!" < $evei:!: :e" 6e:io e(ige!nte. D&"me%ro $r&%&$o &e"! D&, es el diámetro expresado en puladas del mayor redondo de ese acero, en el cual se consiue una estructura microscópica con 0@# de martensita, despu%s de ser enfriadolas desde la temperatura de temple en un medio de enfriamiento teórico, cuya capacidad de absorción de calor fuese infinita.
Se)er&" e! me&o Refr&?er"n%e, es aquella que reula la Felocidad de enfriamiento de la superficie que a su Fez rie el enfriamiento del cuerpo, el cual seún siempre es mas lenta. 9ara un Falor alto de O el enfriamiento de la superficie será rápido y para OTU este enfriamiento será instantáneo, es decir que la superficie del acero adquirirá la temperatura del medio en forma instantánea. Esta seFeridad no se consiue con ninún medio de enfriamiento! solo constituye un Falor ideal lorable con un medio ideal.
18.2.2> Dete6ine e" DI :e" $ig5iente !&eo )# 8.?C - 8.@? MN A)STM>.
+'T 2.1$'K V=.2=5(K +'T=.L07
18.2./> En "! g!(i&! $e 65e$t! e" &o6%ot!6iento :e "! te6%"!bi"i:!: :e v!io$ !&eo$. A E*%"=!e-$" !o* )"!ore* e
A$ero*
024@ 004@ 424@ 404@ 4=4@
D
B S& !" r"+&e- e enfr&"m&en%o e
C C<#! e !o* o* "$ero* +re*en%" m"/or %em+!"=&!&"J &D El acero 6'$' 4=4@ C&S('S5*K presenta mayor templabilidad que el acero 424@ C&S5*K ! debido a la presencia de mas elementos aleantes lo cual influye muco en la templabilidad de los aceros.
D C<#! *er&" !" )e!o$&" e enfr&"m&en%o +"r" e! +
Felocidad en sus puntos omóloos y en el mismo medio.
18.2.> Me:i!nte :i!g!6!$ :e TTT e$t!b"e!&! :i(een&i!$ ente "o$ !&eo$ e$t5:i!:o$ en "! %á&ti&!. PROBETA 1
PROBETA 7 1.Excelente
PROBETA 5
1.uena
templabilidad tiene 1. a"a templabilidad. 1.
templabilidad
mas contenido de
templabilidad ,ferrita
carbono
sometida
y
elementos aleantes
PROBETA 3 a"a a
sobrecalentamiento.
que los otros = aceros.
7.:a presencia de 7. :a martensita fue 7.los
7.los
martensita en dico disminuyendo
microconstituyentes
acero
fue medida
que
a microconstituyentes se 8ue
se
formaron que aparecieron en
disminuyendo asta ale"aba del extremo fueron ferrita,perlita este acero fue ferrita y desaparecer medida
que
a templado pero no y bainita superior se desapareció.
ale"aba de la zona templada.
perlita.
5. (ariz ale"ada del 5. (ariz ale"ada del 5.(ariz peada al e"e.
5.(ariz muy peada al
e"e.
e"e.
e"e.
3.)ransformacion
3.transformacion
3.)ransformacion con 3.)ransformacion con
sin difusin
sin difusión.
difusión.
(.:a
dureza
no (. :a dureza no (.
Fariaciones
Faria en cantidades Faria en cantidades dureza tan distante
difusión. de (.Fariaciones
de
dureza
tan distante
18.2.> E$ ig5!" "! ve"o&i:!: :e en(i!6iento %!! "!$ %obet!$ ! 5n! DJ#8 66F J5$ti(i5e $5 e$%5e$t!.
&D :a Felocidad de enfriamiento en un mismo punto es la misma para las 4 probetas! debido a que esta no depende de la composición química de los aceros! si no del medio de enfriamiento, la sección de la pieza y si tienen el mismo diámetro depende de la distancia a la superficie , pero en este caso están a la misma distancia.
