Informe 3: Ensayo de dureza en Acero con distintos tratamientos

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Fı́sicas y Matemáticas
Departamento de Ciencia de los Materiales
Informe 3:
Ensayo de dureza en Acero con
distintos tratamientos termicos
Ciencias de los Materiales CM3201
Alumno: Pablo J. Cabello H.
Grupo: 1
Ayudante: Maximiliano Ferrer
Fecha Realización: 16/Octubre/2012
Fecha Entrega: 17/Octubre/2012
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Índice
1. Resumen
4
2. Introducción
4
2.1. Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.1.1. Acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.1.2. Tratamientos Térmicos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.1.3. Dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2. Objetivos y Resultados Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3. Metodologı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3. Resultados
8
4. Discusión
8
5. Anexos
9
5.1. Bibliografı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
5.2. Datos Obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3
1.
Resumen
En este informe buscaremos analizar el comportamiento de las propiedades
mecánicas de una probeta de Acero SAE 1020, mas en especifico analizaremos
como se comporta la dureza de un material dado un tratamiento térmico. Luego
de un tratamiento de los datos que se obtuvieron conseguimos los siguientes
valores para las durezas obtenidas con cada tratamiento:
Promedio
2.
2.1.
Templado
160,4
Normalizado
101,6
Recocido
84,0
Introducción
Marco Teórico
Previo a la discusión de los datos que se obtuvieron en el laboratorio, se debe
tener conocimiento de algunos conceptos importantes para el análisis mismo,
estos conceptos son los siguientes:
2.1.1.
Acero
El acero es una aleación de Hierro y Carbono en el cual este ultimo se encuentra en proporciones del 0,05 % hasta concentraciones cercanas al 2 % de
carbono. Dependiendo de la temperatura y la concentración de carbono el acero
puede presentar distintas estructuras siendo las mas importantes las siguientes:
1. Ferrita: Solución solida de carbono en F eα con una baja solubilidad de
C (Su valor máximo de solubilidad es cercano a los 0,025 %), corresponde
a una de las formas de acero mas blandas con una dureza cercana a los
90[HV ].
2. Cementita: Compuesto de CF e3 que presenta una concentración de C
cercana a los 6,67 %, lo cual lo hace tener una de las durezas mas altas de
las estructuras de acero con una dureza cercana a los 1000[HV ]
3. Perlita: Esta estructura corresponde a laminas de cementita y ferrita intercaladas, y con una composición promedio cercana a los 0,8 % de C.
Aparece debido a enfriamientos lentos y su dureza depende del grosor de
las laminas de cementita, que a su vez depende de la velocidad con la que
se enfrie el acero.
4
4. Austenita: Solución solida de carbono en F ey , con una solubilidad máxima
cercana al 2 %, aparece al calentar un acero por sobre los 727◦ C, posee
una dureza cercana a los 300[HV ]
5. Martensita: Corresponde a una solución solida de C sobresaturado en F eα
que se consigue mediante enfriamiento rápido de la Austenita. Posee una
alta dureza, pero que depende de la concentración de C que posea variando
entre 500 y 1000[HV ].
2.1.2.
Tratamientos Térmicos
Los tratamientos térmicos corresponden a procesos de calentamiento y posterior enfriamiento de un material. Este proceso es capaz de alterar las propiedades
de un material dependiendo de la temperatura a la que se caliente el metal y la
velocidad con la que se enfrie posteriormente. Para este informe se consideraran
3 tratamientos térmicos, todos ellos con una temperatura de calentamiento de
850◦ C.
1. Templado: Corresponde a un tratamiento en que la velocidad de enfriamiento es muy rápida. En este caso, se enfrio la probeta sumergiéndola
en agua a temperatura ambiente, lo cual disminuyo su temperatura rápidamente. Los aceros enfriados de esta manera estan constituidos mayormente
por martensita, proveniente del enfriamiento rápido de austenita.
2. Normalizado: En este tratamiento se enfria el material a temperatura ambiente, disminuyendo la velocidad de enfriamiento respecto a la del Templado. El acero tratado de esta manera posee capas finas de perlita y una
pequea cantidad de ferrita.
3. Recocido: Corresponde al tratamiento con la velocidad de enfriamiento
mas lenta. En este se dejo la probeta enfriar al interior del horno en que
se calentó, manteniéndose temperaturas. Asumiendo que la velocidad del
proceso es suficientemente lenta, se pueden obtener las estructuras del
acero tratado con este proceso a partir del diagrama de fase del hierrocarbono, estas estructuras corresponden a ferrita y a capas gruesas de
perlita.
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2.1.3.
Dureza
La dureza cuantifica la resistencia de la superficie de un material a ser deformada debido a esfuerzos generados por otro material, que, idealmente, no sufre
deformaciones. Esta propiedad es medida con el instrumento llamado durometro,
estos instrumentos utilizan de forma genérica elementos para penetrar la superficie del material cuya dureza se quiere caracterizar. Existen distintos tipos de
durometros que utilizan distintas formulas y escalas para la caracterización,
entre ellos mencionaremos 3 tipos importantes de durometros:
1. Brinell: Este tipo de durometro utiliza una esfera de acero o carburo de
diámetro D = 10[mm] de diámetro para penetrar la superficie del material
con una carga P , variable, con esta carga la esfera puede penetrar una
cierta distancia, dejando una huella de diámetro d en el material. La escala
que es usada en este tipo de durometro, utiliza ambos parámetros (P , d)
para tabular los valores de dureza de la forma:
2P
√
Dureza =
πD(D − D2 − d2 )
2. Vickers: El durometro de vickers utiliza una punta de diamante de forma
piramidal para penetrar el material usando una carga P variable dejando
una huella cuadrada en el material cuyas diagonales de tamao d, con esto
se obtiene el valor de dureza del material en la escala del durometro de la
forma:
AP
Dureza = 2
d
Con A una constante del método.
3. Rockwell: Existen varios tipos de durometros de rockwell, que se distinguen por la punta y la carga utilizadas penetrar el material. En todos se
obtiene la dureza utilizando la profundidad t de la penetración producida
en el material a estudiar.
Prueba
A
C
D
B
F
G
2.2.
Carga utilizada
60
150
100
100
60
150
Tipo de punta
Punta
cónica de
diamante
Punta
esférica
de acero
Formula de la Dureza
Dureza = 100 − 500t
Dureza = 130 − 500t
Objetivos y Resultados Esperados
Se espera, que a partir del análisis de los datos que se obtuvieron en el laboratorio y que se realizara en este informe, poder caracterizar el comportamiento
6
de las propiedades mecánicas de un material ante los distintos tratamientos
térmicos que se le aplicaron. Mas en especifico dado la información que se recogió en el laboratorio, se buscara ver como se relaciona la dureza del acero con
su microestructura dada por el tratamiento térmico al cual fue sometido. De la
literatura se puede plantear de forma previa al análisis que la dureza se comportara de la siguiente manera, la probeta recocida tendrá la dureza mas baja
de las 3 y por su parte la probeta templada tendrá una dureza superior a las
otras.
2.3.
Metodologı́a
La metodologı́a para la obtención de los datos en el laboratorio fue la siguiente:
1. Se sometió a 2 probetas de acero SAE 1020 a temperaturas cercanas a los
850◦ C en un horno, luego de que alcanzaran esta temperatura, se retiraron,
una se sumergió en agua y la otra se dejo para que enfriara a temperatura
ambiente. Cabe notarse que además existı́a una probeta sometida a recocido que se habı́a calentado y dejado enfriando el dı́a anterior, debido al
largo tiempo de espera para su enfriamiento.
2. Mientras la probeta que se pretendı́a Normalizar se enfriaba, se pulieron
las superficies de las otras probetas, utilizando una lija circular, con tal de
disminuir el error en las mediciones asociado a elementos formados por la
reacción del carbono del acero con el oxigeno del horno u a imperfecciones
en la superficie del acero.
3. Una vez la probeta normalizada alcanzo los 77◦ C, y por temas de tiempo,
se enfrio usando agua, asumiendo que para tal temperatura ya se habı́an
formado las estructuras que se querı́an observar, y se procedió a pulirla.
4. Una vez pulidas las probetas se midió su dureza utilizando un durometro
portátil, tratando de realizar las mediciones en aquellas zonas mejor pulidas, con menos ralladuras y sin presencia de óxidos de hierro visible.
7
3.
Resultados
Tras eliminar algunos datos obtenidos, debido a que podı́an provenir (o directamente provenı́an) de fuentes de error se consiguieron los siguientes datos, se
escogieron los 5 datos mas representativos del material para calcular su dureza.
Dureza
[HV ]
Promedio
Templado
161
166
161
161
153
160,4
Normalizado
105
102
97
102
102
101,6
Recocido
85
83
85
84
83
84,0
Se pueden encontrar la totalidad de los datos en el Anexo correspondiente.
4.
Discusión
Lo primero que cabe notarse es que si bien la dureza del Acero aumento en
el templado, este aumento de dureza no es muy importante, considerando que
la martensita, compuesto que debiese resultar idealmente del templado, posee
una dureza bastante alta. Esto se debe a la baja concentración de carbono en la
probeta utilizada, que hace que al aumentar la temperatura en el horno quede
ferrita sin austenizar, la cual se mantiene luego del enfriamiento y provoca la
disminucion de la dureza. Si se revisan la totalidad de los datos que se obtuvieron en el laboratorio vemos que para el recocido y el normalizado los valores
son bastante cercanos y los errores se pueden asociar con errores aleatorios ligados a ralladuras en la superficie o presencia de oxido en la misma debido a
defectos en el pulido. Por su parte el error en las mediciones realizadas para el
templado es mucho mayor, siendo una de las posibles explicaciones para esto
el que en ciertas zonas, el acero, debido a los muchos usos que se le ha dado,
tuviera una mayor concentración de carbono, permitiendo una mayor formación
de Austenita durante el calentamiento que durante el enfriamiento se transforma en Martensita. Luego, al haber mayor martensita en algunas partes que
en otras, podrı́an generarse diferencias considerables en la dureza considerando
también el efecto de ralladuras.
8
5.
5.1.
Anexos
Bibliografı́a
1. http://zeus.dci.ubiobio.cl/ caaici/Apuntes/Materiales/apunte 06 estructura polifasica de los
metales y diagrama de fases.pdf
2. http://www.desin.com/pdf/TT-Sondas.pdf
3. http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5 anio/metalografia/5Estructuras del acero v2.pdf
4. http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos %20de %20enfriamiento.htm
templado
5.2.
Datos Obtenidos
Dureza
[HV ]
Templado
122
127
161
166
144
130
307
276
292
161
161
153
299
258
256
129
Normalizado
91
85
81
83
88
106
85
93
99
101
95
84
83
−−
−−
−−
9
Recocido
105
102
96
97
102
110
108
102
113
81
109
90
−−
−−
−−
−−