CIENCIA DE LOS MATERIALES

Ciencia de los materiales. Guía 4 1
CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 4
Tema:
TRATAMIENTO
primera parte.
TÉRMICO
DE
LOS
1
ACEROS,
Contenidos
Tratamiento
química.
térmico
de
aceros
con
diferente
composición
Objetivos
Específico
Con el desarrollo del laboratorio y la investigación que efectúe, el
alumno será capaz de:
•
Identificar el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros.
•
Predecir el comportamiento de la dureza en los aceros después de
someterse a un tratamiento térmico, con base en el tipo de acero, la
observación del tratamiento térmico y la consulta a fuentes confiables.
Materiales y Equipo
Tabla 1 lista de materiales
ITEM
Cantidad
Designación
1
6
Probetas de acero AISI 1020, Ø25x13mm
2
6
Probetas de acero AISI 1045, Ø25x14 mm
3
6
Probetas de acero AISI 4340, Ø25x15 mm
4
6
Probetas de acero AISI O1, Ø25x16 mm
5
1
Depósito metálico con agua
6
1
Depósito metálico con salmuera
7
1
Depósito metálico con aceite
8
1
Horno de mufla 1000 ºC
9
3
2 tenazas cortas(alicates) y una larga
10
3
Equipo
de
protección
conteniendo
lo
guantes, delantal y mangas de carnaza.
11
2
Mascarillas para la cara, transparentes
12
1
Equipo extintor.
14
6
Pliegos de papel lija 250
siguiente:
Par
de
Ciencia de los materiales. Guía 4
2
Marco Teórico
Las empresas que distribuyen materiales para la fabricación de
elementos de máquinas, reciben estos materiales normalmente en el llamado
“estado de entrega” o “estado de suministro”, es decir, con propiedades que
hacen fácil cortarlo a la medida que lo piden los clientes. Por lo que los
materiales no necesariamente tiene las propiedades deseadas para las
diferentes aplicaciones a las que se destinan; Es frecuentemente que,
después de llevarlos a las medidas adecuadas por diversos procesos de
fabricación,
sea necesario modificarles las propiedades mecánicas,
físicas, eléctricas, etc. a fin de mejorar su desempeño cuando el elemento
esté en operación.
Propiedades como alta dureza (capacidad de un material para resistir
la abrasión o rallado de su superficie), elevada resistencia mecánica, gran
resiliencia (capacidad del elemento de máquina de absorber energía hasta su
límite de fluencia) entre otras muchas propiedades, son deseables en
ciertas aplicaciones. Existen numerosos tratamientos que se aplican a los
materiales para modificar las propiedades como las antes mencionadas, tres
muy comunes son: tratamiento térmico, endurecimiento por deformación y
tratamiento termoquímico. En esta guía de laboratorio únicamente se
abordará el tratamiento térmico de los acero, dejando los demás a la
acuciosidad del lector.
El tratamiento térmico de los aceros, consiste básicamente en tres
etapas que involucran temperatura, es decir, calentamiento hasta la
temperatura recomendada, sostenimiento a esa temperatura y por último el
enfriamiento en el medio que convenga. Generalmente la temperatura de
calentamiento es la temperatura a la cual la organización atómica del
material se transforma para obtener una estructura meta-estable conocida
como austenita, que tiene una estructura FCC y se presenta arriba de línea
Ac3 (ver figura 1), que como bien se sabe, tiene un mayor factor de
empaquetamiento (0.74) o lo que es lo mismo, es más densa que la ferrita o
estructura BCC que existe en la misma aleación a baja temperatura.
La segunda etapa, es decir, el tiempo de sostenimiento es el tiempo
necesario que la pieza debe permanecer en el interior del horno para que su
estructura cristalina se transforme totalmente en austenita (BCC → FCC)
homogénea.
La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen
la aleación suelen modificar la temperatura y el tiempo de permanencia de
la pieza dentro del horno. Como regla empírica se da un tiempo de
permanencia de 20 minutos por cada pulgada de espesor crítico de la pieza a
templar. Para el caso de piezas con formas complejas, el espesor crítico es
el mayor y en base a éste se toma el tiempo de permanencia
Ciencia de los materiales. Guía 4
3
Figura 1 Diagrama hierro-carburo de hierro.
El tercer proceso es el enfriamiento. Para efectuarlo, se debe elegir
el medio a utilizar, según las propiedades deseadas, pues diferentes medios
de temple proporcionan diferentes rapideces de enfriamiento y distintos
grados de dureza. Entre los medios más comunes que se puede mencionar, se
tienen los siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
Agua
Salmuera (Mezcla de agua y Cloruro de Sodio)
Salmuera con hielo
Aceite para temple (baja viscosidad VG 32 o inferior y alto punto de
“inflamación”)
Aire tranquilo (sin agitar o convección natural)
Chorro de aire a presión (convección forzada)
Enfriamiento en baño de sales a alta temperatura (Martempering y
Austempering)
Cuando se analizan las tablas de tratamiento térmico se observa que para
cada aleación se recomienda un diferente medio de enfriamiento y
procedimiento diferente para lograr obtener las propiedades deseadas, esto
es así porque cada tipo de acero contiene una composición química especifica
diferente a los otros. Por ejemplo, el agua mezclada con sal común
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proporciona una rapidez de enfriamiento (ºC/s) más elevada que otros medios
y para aceros con bajo contenido de elementos de aleación, este medio es una
buena elección.
Pero ¿qué sucede cuando aumenta el contenido de elementos de aleación como
por ejemplo, en el acero AISI 4340? pues bien, estos no sólo producen
endurecimiento por solución sólida del carbono en la ferrita o por
precipitación de carburos diferentes al Fe3C; La presencia de elementos de
aleación disminuye la velocidad crítica de temple, es decir, aleja la
“nariz” de la curva del diagrama de TTT o TEC (figura 2 y 3) del eje de
referencia vertical t ~ 0, y en consecuencia la pieza de acero tratada
térmicamente puede ser enfriado en un medio con severidad de temple mucho
menor como lo es el enfriamiento en aceite e incluso el aire, con lo cual se
reduce el riesgo de agrietamiento de tipo superficial o interno, y a su vez
lograr alta dureza.
Al enfriar una pieza de acero en un medio para temple menos severo (como el
aceite o el flujo de aire a presión), la diferencia de temperaturas entre la
superficie y el núcleo será menor que cuando se utiliza un medio más severo
y por tal motivo la variación de volumen interno – externo también lo será;
lo cual favorece y trae beneficios
dado que los esfuerzos residuales son
menores y también la deformación de la pieza.
Comparativamente, el agua salada y agitada produce las mayores rapideces de
enfriamiento, mientras que con enfriamientos dentro de la cámara de un horno
(recocido) se obtienen las menores rapideces de enfriamiento.
Como ya se mencionó, la elección del medio de enfriamiento va relacionada
con el tipo de acero, es decir, del contenido y cantidad de elementos de
aleación del acero que se está tratando.
Los tratamientos térmicos que se darán a los aceros son:
•
•
•
•
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.
Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más
elevada que la crítica superior Ac3 para que se de la transformación a
la estructura austenita (ver figura 1) y se enfría rápidamente (según
características de la pieza) en un medio como agua, aceite, o incluso
aire, según su composición.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura
de austenitización (ver fig.1) seguido de un enfriamiento lento,
generalmente dentro del horno. Con este tratamiento se logra aumentar
la ductilidad, mientras que disminuye la dureza y la resistencia
mecánica. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar
la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la
acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es
decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme
del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al
revenido. Consiste en calentar a temperatura de austenización y luego
enfriar en aire quieto.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para
disminuir la fragilidad producida por los efectos del temple,
conservando parte de la dureza y aumentando la tenacidad.
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Figura 2: temperaturas de normalizado, temple y recocido para aceros
hipoeutectoides e hipereutectoides.
Finalidad de los tratamientos térmicos
1.- ENDURECIMIENTO Ó TEMPLE DEL ACERO
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del
metal de manera uniforme hasta llegar a la temperatura correcta,
manteniéndola cierto tiempo (ver figura 2, la temperatura de endurecimiento
es la misma de recocido) y luego sacarlo rápidamente del horno y enfriarlo
con agua, salmuera, aceite o aire, según su composición. El endurecimiento
produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la
tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. Buena parte de los aceros se
pueden endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, transformándose
la perlita y la ferrita a una estructura de grano fino llamada austenita.
Cuando se enfría la austenita de manera brusca, se transforma en martensita,
estructura que es muy dura y frágil.
La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la
aleación suelen modificar el tiempo de permanencia de la pieza dentro del
horno para el temple y el normalizado. Como regla empírica se da un tiempo
de permanencia de 20 minutos por cada pulgada de espesor de la pieza. Para
el caso de piezas con formas complejas, el tiempo es mayor tanto en el
calentamiento como el tiempo de permanencia para evitar daños a la pieza.
2.- RECOCIDO
Existen
comunes
varios
tipos
de
recocido,
a
continuación
se
describen
los
mas
a) Recocido primario
Tiene como finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de
aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que
siguen a un trabajo en frío.
b)
Recocido de Regeneración
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Tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple
o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras
que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para afinar y
ordenar su estructura
Ejemplo:
Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a
tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado
inicial.
c)
Recocido de Globular
Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor
al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro
tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de
recocido está entre Acm y Ac1,3 (ver figura 1).
Ejemplo:
- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.
d)
Recocido sub-crítico
Se usa para aceros de forja o de laminación, llevándoseles a una temperatura
de recocido ligeramente inferior a Ac1. Mediante este procedimiento se
reducen las tensiones internas producidas por su moldeo y mecanización.
Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, CrMo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los
antes mencionados, su enfriamiento es lento.
3.- NORMALIZACIÓN O NORMALIZADO
Para los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento se toma de
la figura 2a y para los aceros hipereutectoides se toma de la figura 2b,
después del tiempo de permanencia en el horno, se enfría en aire tranquilo a
temperatura ambiente.
Procedimiento
1) Utilizando papel lija 250, proceda a limpiar toda oxidación sobre las
caras expuestas de las probetas a tratar térmicamente. Recuerde
identificar claramente cada una de las probetas.
2) Haciendo uso de la máquina de ensayo de dureza, proceda a medir la
dureza HB de cada una de las piezas. Este índice de dureza será
considerado como dureza en estado de entrega.
3) Una vez se ha medido la dureza de todas las probetas, prepare el horno
que deberá estar pre-calentado a 300º C, para luego introducir (con
mucho cuidado) las probetas en el horno y luego cierre la compuerta
del mismo. (pida ayuda a su instructor para la mejor ubicación de las
piezas dentro del horno)
4) Eleve la temperatura del horno, según le indique su instructor, al
llegar a la temperatura indicada espere al menos 20 minutos antes de
abrir el horno para extraer las piezas.
5) Registre en la tabla la temperatura que alcanza el horno antes de
retirar cada muestra del horno y el medio de enfriamiento.
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6) Evalúe con su instructor una estrategia para sacar las piezas del
horno y enfriarlas en un medio adecuado.
7) Deje reposar la pieza en el medio de enfriamiento seleccionado durante
varios minutos, hasta que la temperatura alcance unos 40º C y sáquela
del medio de enfriamiento.
8) Limpie los residuos de la sustancia enfriante y vuelva a lijar las
caras superior en inferior de cada pieza.
9) Rotule la pieza nuevamente con la temperatura a la que fue retirada
del horno y el medio de enfriamiento.
Análisis de resultados
Con base al procedimiento ejecutado para los aceros tratados:
a) Elabore un cuadro comparativo (tabla 2) en el cual se especifique:
tipo de acero (según la AISI -SAE), dureza en estado de entrega o
suministro según el proveedor y dureza medida, además calcule el % de
diferencia, tomando como valor verdadero la dureza dada por el
proveedor.
b) Elabore otro cuadro (tabla 3) con Temperatura crítica de temple,
temperatura a la que se sacó del horno, medio de enfriamiento
utilizado del tratamiento térmico y tratamiento térmico experimentado.
c) Elabore un cuadro (tabla 4) en la que se indique el tipo de acero, el
tratamiento térmico experimentado y la dureza esperada.
Tabla 2: Dureza de los aceros en estado de entrega (antes del tratamiento
térmico)
Acero Dureza
Dureza medida
% de diferencia
investigada
1020
1045
4340
01
304
Tabla 3: Identificación de tratamientos térmicos
Acero
Temperatura critica
Temperatura al sacar Medio de
de temple
la muestra del horno
enfriamiento
1
1020
2
1020
3
1020
4
1020
5
1045
6
1045
7
1045
8
1045
9
4340
Tratamiento
térmico
Ciencia de los materiales. Guía 4
10
4340
11
4340
12
O1
14
01
15
01
16
01
17
304
18
304
19
304
20
304
Tabla 4: Dureza esperada después del tratamiento térmico
Acero
1
1020
2
1020
3
1020
4
1020
5
1045
6
1045
7
1045
8
1045
9
4340
10
4340
11
4340
12
O1
14
01
15
01
16
01
17
304
18
304
Tratamiento
térmico
Temperatura
recomendada, en base
a la investigación
Dureza esperada
8
Ciencia de los materiales. Guía 4
19
304
20
304
9
Tarea Complementaria
•
•
•
Investigue la finalidad y los tipos de acero a los que se les aplican
los
tratamientos
térmicos
de
Martemperado
(o
martempering)
y
Austemperado (austempering). Indique aplicaciones de piezas con esos
tratamientos.
Investigue en qué consiste el enfriamiento en baño de sales, su
finalidad y si hay empresas que realicen este tratamiento en el país.
Investigue la finalidad y los tipos de acero a los que se les aplican
los tratamientos térmicos químicos de cementado y nitruración. Indique
aplicaciones de piezas con esos tratamientos.
Bibliografía
1) Avner,
S.
(1988)
Metalurgia
Física,
México
D.F.
McGraw-Hill.
2ª
edición
2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de
materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición
3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los
materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición.
4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y
Procesos de Manufactura.
México D. F. Limusa.
5) www.steel.org/
6) www.sae.org/
7) www.astm.org/
8) www.matweb.com/
9) http://asminternational.org
Rúbricas para este laboratorio
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
institución, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de
entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos y Procedimiento abreviado
Requisito
Examen previo (individual)
Mediciones efectuadas y Tablas de datos
30
Requisito
Comentarios
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Cálculos efectuados correctamente
Requisito
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al
menos en 3 sitios confiables)
15
Tarea complementaria
15
Tablas 2, 3 y 4
15
Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados
experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos
se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los
objetivos o no y porqué.
20
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo
Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa.
5
No lleva gabacha (individual)
-
10
Cálculos erróneos
-
10
No lleva guía de laboratorio (individual)
-
10
No colabora o se comporta indebidamente (individual)
-
10
Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como
Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo: .doc o .docx, solo si
es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo
electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si
la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al
docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las
firme el docente, haciendo constar de que fue recibido.
TOTAL
10
-
10 % por
cada día
de
retraso.
100
El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el
laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se
entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada
día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la
condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no
cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 %
adicional.
El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay
violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al
infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin
posibilidad de solicitarla diferida.