Caracteristicas del acero iram 4140

Universidad de Buenos Aires
Facultad de Ingeniería
Conocimiento de Materiales I (67.13)
Trabajo Práctico Nº 7
Características del acero IRAM
4140
J. T. P.: Ing. Hernán Svoboda.
A. T. P.: Hernán Lorusso.
Alumnos:
Amoedo, Fernando Martín (80787)
Coloschi, Mariano (81861)
Court, Eugenio (80617)
Introducción
Breve descripción del proceso de obtención del acero
El hierro es un metal dúctil, que funde a 1535°C. Constituye cerca del 5% de la
corteza terrestre y se encuentra en abundancia, junto con el níquel, en el núcleo
terrestre (llamado por esta razón Nife).
Figura 1: Esquema del Alto Horno.
La siderurgia tiene por objeto la fabricación de hierro y sus aleaciones,
especialmente el acero, de destacada importancia industrial y económica.
La fabricación de éste pasa por la obtención de arrabio por reducción del mineral de
hierro en el alto horno que luego se descarbura por oxidación del carbono en un
horno convertidor. La mayoría de las veces se descarbura en un convertidor
Thomas (por soplado de aire u oxigeno)o por una fuente de calor externo (horno
Martin) obteniéndose aceros comunes, o en un horno eléctrico los aceros
especiales.
Figura 2: Esquema del convertidor Siemens-Martin.
Los minerales de hierro utilizados en la industria siderúrgica contienen al hierro en
forma de óxidos, carbonatos o silicatos; los más usados son la hematites, limonita,
pirita, siderita y magnetita.
Se reserva el nombre de acero a las aleaciones hierro – carbono de entre un
0,008% y 2,11% en peso de carbono, aunque en la práctica ésta concentración
raramente excede del 1%. Cuando el porcentaje supera al 2,11% y hasta el 6.67%
en peso de carbono la aleación recibe el nombre de fundición.
Para poder predecir la estructura de un acero, cuando se esta a una cierta
temperatura y con una dada concentración se utiliza el diagrama de hierro-carbono.
El diagrama comprende dos curvas, una de trazos llenos y otra de trazos punteados,
que delimitan ocho regiones.
Figura 3: Diagrama Fe-C.
La región séptima representa la estructura a temperatura ambiente y contiene hierro
alfa y cementita o hierro alfa y grafito por lo que se deben considerar dos diagramas
hierro-carbono: un diagrama metaestable en trazo lleno, para el primer caso y un
diagrama estable en punteado para el caso de hierro alfa y grafito. Para que el
hierro se comporte según estos diagramas los cambios de temperatura deben ser lo
suficientemente lentos. Cuando la velocidad de cambio de la temperatura es mayor,
se utilizan otros gráficos. Las curvas TTT representan a la temperatura en función
del tiempo para una determinada concentración de hierro y carbono para
velocidades de enfriamiento o calentamiento elevadas.
Figura 4: Diagrama de transformación isotérmica del acero IRAM 4140.
Estas curvas, al igual que el diagrama hierro-carbono, pueden ser modificados por
agregado de aleantes en el acero. En el caso de las curvas TTT, los aleantes
desplazan la curva hacia la derecha y hacia abajo. Dependiendo del aleante se
puede desplazar mas una zona que otra y así, mediante un enfriamiento sencillo se
puede lograr la estructura deseada.
Para identificar un acero, hay que tener en cuenta los aleantes que posee y la
cantidad de los mismos. Según IRAM, la forma de identificarlos es mediante un
código de cuatro números en el cual los primeros dos indican los aleantes (no
carbono) y el segundo par indica el porcentaje de carbono. En el caso de un acero
con mas de un 0,99% de carbono el código se extiende a cinco números en el cual
los últimos tres representan la cantidad de carbono.
Códigos de identificación de las series de aleación para aceros, según los
métodos IRAM - SAE - AISI:
10xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y bessemer ácidos.
11xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y Bessemer ácidos, azufre alto,
fósforo bajo.
12xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto, azufre alto, fósforo alto.
13xx Magnesio 1,75.
40xx Molibdeno 0.2 o 0.25.
41xx Cromo 0.5, 0.8 o 0.95 y molibdeno 0.12, 0.2 o 0.3.
43xx Níquel 1.83, Cromo 0.5 o 0.8 molibedno 0.25.
44xx Molibdeno 0.53.
46xx Niquel 0.85 o 1.83 molibdeno 0.2 o 0.25.
47xx Níquel 1.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.2 o 0.35.
48xx Níquel 3.5 y molibdeno 0.25.
50xx Cromo 0.4.
51xx Cromo 0.8, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.
5xxxx Carbono 1.04 y cromo 1.03 o 1.45.
61xx Cromo 0.6 o 0.95 Vanadio 0.13 o 0.15 mínimo.
86xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.2.
87xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.25.
88xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.35.
92xx Silicio 2.0.
94bxx Níquel 0.45, cromo 0.4 y molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mínimo.
En nuestro caso, acero IRAM 4140, fue obtenido mediante el procesamiento en un
horno eléctrico y luego laminado en caliente, procesos que se describen a
continuación.
Horno de arco eléctrico
El horno de arco eléctrico puede tener revestimiento ácido o básico. El revestimiento
del fondo no participa en el proceso de refinación: sirve como recipiente del metal
fundido. El casco del horno de arco eléctrico esta hecho con planchas de acero
soldadas o remachadas que forman una estructura reforzada por viguetas o piezas
moldeadas. Esta montado en balancines que permite inclinar el horno para la
colada. El horno común tiene dos puertas una para la carga opuesta al caño de
colada y otra para el trabajo situada a 90 grados entre ambas. El sistema de
electrodos mas usado es el de Heroult que consiste de tres electrodos y tres fases
con un solo transformador. El horno tiene un revestimiento de ladrillos de magnesita
que cubre todo el fondo y las paredes hasta mas arriba de la sección expuesta a la
escoria. Las paredes del horno eléctrico pueden ser de un material ácido o básico,
las que se usan en la industria nacional son ácidas ya que el mineral de hierro, que
en su mayoría proviene de Brasil, también es ácido. Por encima del nivel a que
llega la escoria, las paredes suelen ser de ladrillos de sílice o de magnesita con forro
de metal. El techo es un domo de ladrillos de sílice con tres aberturas de 50 cm para
los electrodos. Hoy en día se construyen hornos eléctricos con techo oscilante, que
permite la colocación de la carga por arriba. Los electrodos suelen ser de carbono
no cocido o de grafito, generalmente de este ultimo material.
Operación del horno
De ordinario, el horno eléctrico trabaja con chatarra, pero existen otras variantes. El
hierro de primera fusión puede ser parcialmente refinado en el hogar abierto o en el
convertidor de Bessemer y luego se carga en el horno eléctrico para su refinación
final. En otro método se toma el arrabio fundido en un cubilote, se traslada a un
convertidor y luego al horno eléctrico para su acabado. Según otra variante, el
arrabio fundido en un cubilote se carga sobre un lecho de mineral de hierro en el
horno eléctrico.
En el horno eléctrico ordinario, la chatarra, que constituye el grueso de la carga, se
extiende con las piezas mas gruesas en el fondo y las más ligeras encima.
Se agregan piedra caliza, mineral de hierro o escamas de laminación, y tal vez
aleaciones ferrosas. Aplicada la corriente y fundida la chatarra en parte, formando
charcos de metal en el fondo del horno, se añaden escamas de laminación o
mineral de hierro. La caliza y el mineral se descompone y eliminan los elementos
oxidables, carbono, manganeso, fósforo y silicio, en forma de escoria, como en el
proceso de hogar abierto. En los aceros corrientes solo es necesario ajustar las
condiciones de la escoria, de modo que el acero tenga la temperatura y la
composición deseadas. Entonces, se hace la colada. Este método se llama la
“escoria negra”.
Los aceros de aleación y el acero inoxidable requiera mayor tratamiento. Después
de fundida la chatarra y cubierta con la escoria fundida, se procede a analizar el
acero. Si la refinación ha progresado suficientemente, se inclina el horno
ligeramente para rastrillar la escoria “negra” por completo a fin de separar del acero
fundido el fósforo, la mayor parte del azufre y parte del manganeso, del silicio y del
cromo de la carga inicial. El acero fundido se cubre entonces con una mezcla de cal,
arena, coque y espato de flúor. Esta mezcla se funde y se forma una escoria
reductora “blanca”. Esta escoria “blanca” desoxida el acero tomando el oxígeno del
oxido de hierro disuelto. En algunos casos, se añaden desoxidantes, como el
siliciuro de calcio y el aluminio-silicio, para acelerar la desoxidación. También
pueden añadirse óxidos de ciertos elementos de aleación como los de cromo,
vanadio, volframio y molibdeno, óxidos que son absorbidos por el metal fundido.
Además de su capacidad para eliminar el azufre del acero, el horno eléctrico básico
tiene la propiedad de mantener el acero fundido por largo tiempo en atmósfera no
oxidante, lo que permite regular exactamente la temperatura y ajustar con cuidado la
composición.
Proceso de laminación de barras de acero
Llamamos laminación al proceso consistente en deformar plásticamente en los
metales haciéndolos pasar entre cilindros. Al deformar los metales haciéndolos
pasar entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresión,
por efecto del aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de
cizallamiento originadas por fricción entre los cilindros y el metal.
El lingote inicial se transforma en desbastes pesados (blooms) y palanquillas, por
laminación en caliente. Un desbaste pesado o bloom es el primer producto de la
laminación del lingote; suele ser de sección cuadrada o rectangular, pero el ancho
suele ser inferior al doble del espesor y el área no suele superar los 230 cm2. Con
una mayor reducción en la laminación en caliente se obtiene la palanquilla, cuya
2
sección mínima suele ser 15 cm . Los desbastes se continúan laminando en caliente
hasta obtener planchas o chapas gruesas, chapa fina, barras varillas, tubos, carriles
o perfiles estructurales.
Las barras de sección circular o hexagonal y los perfiles estructurales, como las
vigas I, ángulos, rieles, etc., se producen en gran cantidad por laminación entre
cilindros acanalados.
Para conseguir producciones elevadas es conveniente acoplar los laminadores en
serie de forma que el material pase sucesivamente entre ellos. Éste conjunto es lo
que propiamente puede llamarse un tren de laminación, y a cada laminador de los
que lo componen se le suele llamar una caja.
Un método típico para reducir una palanquilla cuadrada a una barra redonda
consiste en alternar las pasadas a través de canales de forma oval y cuadrada. Un
tren de laminación de barras se suele denominar tren de redondos o tren comercial.
La mayoría de los trenes de redondos llevan guías para introducir la palanquilla en
los canales, y repetidores para invertir la dirección de la barra y reintroducirla en el
canal del próximo paso. Los trenes de ésta clase suelen ser dúo o trío, una
instalación corriente consiste en un tren con una caja debastadora, una caja
intermedia y una caja acabadora. Suele ser frecuente instalar los trenes de
redondos unos al lado de los otros, haciendo que los cilindros de un laminador sean
accionados por conexión a los de la caja adyacente.
Características del acero IRAM 4140
Clasificación
Acero aleado al cromo molibdeno para temple, de mediana templabilidad.
Efectos de los elementos de aleación
Cromo (Cr):
El cromo es un elemento de aleación menos costoso que el níquel y forma carburos
simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)3C]. Éstos carburos tienen alta
dureza y buena resistencia al deterioro. El cromo es soluble hasta 13% en hierro
gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el
Cr tiende a entrar en solución incrementando de esta manera, la resistencia y la
tenacidad de la ferrita.
Molibdeno (Mo):
El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso, tiene una
solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un fuerte formador de carburos.
Además ejerce un fuerte efecto de templabilidad y, de manera semejante al cromo,
aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros con
molibdeno son menos susceptibles al fragilizado debido al revenido, que los demás
aceros aleados.
Los aceros al Cromo-Molibdeno (serie 41xx) son relativamente baratos y poseen
buenas características de endurecido profundo, de ductilidad y de capacidad para
soldarse.
Forma de suministro
Palanquillas y barras para forja, barras en estado laminado, estirado, pelado y/o
tratado térmicamente y en rollos.
Aplicaciones
Se ha empleado ampliamente para recipientes sujetos a presión, partes
estructurales de los aviones, ejes de automóviles, piezas forjadas y/o mecanizadas
que se usan en estado templado y revenido, como por ejemplo, bulones de alta
resistencia.
Propiedades físicas
Punto crítico superior Ac3 = 793 ºC.
Punto crítico inferior Ac1 = 749 ºC.
Coeficiente de dilatación térmica en estado recocido (promedio x 10-6 ºC-1)
Entre: 0 y 100º C = 11,2
0 y 300º C = 12,4
0 y 500º C = 13,6
Propiedades tecnológicas
Maquinabilidad
En estado:
• Estirado en frío = 66%
• Laminado en caliente y recocido = 56%
Soldabilidad
Carbono equivalente máximo = 0,89%
Propiedades de templabilidad
Templabilidad: Bainítica.
Diámetro crítico ideal 99% M = 60,9 mm
Diámetro crítico ideal 50% M = 106,9 mm
Diámetro crítico real H = 0,5 (aceite)
99% M = 29 mm
50% M = 67 mm
Diámetro crítico real H = 1,0 (agua)
99% M = 39 mm
50% M = 85 mm
Composición química (colada) en % del peso
•
•
•
•
•
•
•
Carbono (C):
Manganeso (Mn):
Silicio (Si):
Azufre (S):
Fósforo (P):
Cromo (Cr):
Molibdeno (Mo):
0,38 – 0,43
0,75 – 1,00
0,20 – 0,35
0,040 máximo
0,035 máximo
0,80 – 1,10
0,15 –0,25
Tratamiento: Temperaturas (ºC)
Forja: 1000 – 1200
Normalizado: 870 – 925
Recocido: 815 – 870
Recocido de globulización: 755
Templado: 830 – 860
Enfriado en aceite
Revenido: Según características requeridas.
Características mecánicas orientativas
Tratamiento
Laminado en caliente
Normalizado
Recocido
Rp 0,2
MPa
680
670
380
Rm
Mpa
1030
1020
650
Dureza
HB
311
311
192
HRC
33
33
Alargamiento
%
15
17
25
Rp 0,2: Límite de fluencia al 0,2% de alargamiento.
Rm: Resistencia a la tracción.
Equivalencias
Los aceros que se indican satisfacen aproximadamente las características
indicadas.
•
•
•
•
•
•
SAE 4140
AISI 4140
ASTM 4140
DIN 42 CrMo
AFNOR 42 CD 4
BS 708 A 42
Material recibido
Recibimos una barra laminada de acero IRAM-IAS 4140 de 20 mm de diámetro,
fabricada por Acindar S.A.
De la misma se tomaron cuatro muestras, las dos primeras se utilizarán para
observar la estructura y medir la dureza del material original, y a las dos restantes,
se le aplicarán dos tratamientos térmicos distintos respectivamente a fin de
modificarles la estructura y alcanzar propiedades mecánicas determinadas, para su
análisis posterior.
Análisis del material original
Extracción de las muestras
Las dos muestras destinadas para el análisis de las características originales del
material fueron tomadas de forma tal que, en una de ellas, la superficie sobre la que
se realizarán las observaciones pertenece al semiplano que pasa por el eje
longitudinal de la barra, paralelo al sentido de laminación; y en la otra, a un plano
transversal, perpendicular a la deformación. De ésta manera se pueden observar
eventuales diferencias en la morfología de los granos, según el plano de corte
considerado.
Los cortes en la barra para la extracción de las muestras se realizaron con sierra de
mano y cortadora de disco con refrigeración por agua. En ésta operación se tuvo
gran cuidado en que la temperatura de la muestra no se elevara demasiado para
que no se produzcan modificaciones en la estructura original, fundamentalmente
durante el corte con disco. Para ello, los cortes se realizaron de manera lenta y sin
descuidar la refrigeración.
Inclusión en baquelita
Una vez obtenidas las muestras, se las incluyó en baquelita. Esto se hace para
facilitar la manipulación y las operaciones de desbaste y pulido. Para ello se
introducen en un molde cilíndrico las dos muestras apoyadas sobre las caras a
analizar, se cubren las muestras con el polímero granulado y se tapa el cilindro. Se
calienta el conjunto con una resistencia eléctrica y, mediante la acción de una
pequeña prensa hidráulica sobre un émbolo, se aplica una presión definida; en
éstas condiciones se produce la reacción de polimerización eficazmente, y después
de cierto tiempo, cuando la reacción se ha completado, se deja enfriar.
Desbaste y pulido
Una vez obtenida la probeta con las dos muestras incluidas, se continuó con el
desbaste.
El método consiste en pasar la superficie de observación de las muestras por varios
papeles de esmeril de grano cada vez más fino, desde un Nº 80 hasta 1200. Al
pasar de un esmeril a otro se lava la muestra para no contaminar el papel siguiente
con granos más gruesos y se gira la probeta de modo que las rayas del papel
siguiente formen en ángulo de 90º con las anteriores. De éste modo, la operación en
cada papel concluye cuando desaparecen las rayas del papel anterior.
Luego del desbaste se continuó con el pulido mecánico que se realizó con un paño
embebido en líquido abrasivo, sujeto a un disco que gira con velocidad angular
regulable. El abrasivo utilizado fue una suspensión acuosa de alúmina (Al2O3) con
partículas de 0,3 µm.
El pulido finaliza cuando se comprueba que se han eliminado todas las rayas,
mediante la observación al microscopio.
Determinación y clasificación de las inclusiones no metálicas
Se determinó el tipo, el tamaño y la distribución de las inclusiones no metálicas del
material original mediante el método microscópico, siguiendo las indicaciones de la
norma IRAM-IAS U 500-126, aplicando el método II o ASTM.
Las observaciones se realizaron sobre la superficie de la muestra paralela a la
dirección de laminación, previamente pulida y libre de picaduras, rayas y materias
extrañas. La operación de pulido se realizó con especial cuidado en evitar que las
inclusiones resulten alteradas o sean arrancadas.
Procedimiento
Se examina la superficie pulida mediante una microscopio con 100 aumentos y se
compara cada campo observado en la probeta con los campos tipo indicados en la
lámina 2 (ver apéndice II). Para cada tipo de inclusión (A, B, C y D, series finas y
gruesas) se registra el nivel de las inclusiones observadas por comparación con las
que se indican a la izquierda de la lámina 2 con los números 0,5; 1; 1,5; 2 y 2,5.
Este método asigna a las inclusiones una clasificación basada en la similitud
morfológica con las de la lámina 2, por lo tanto, la clasificación química de los tipos
de inclusiones indicada para los tipos A, B, C, y D es únicamente a título indicativo.
Inclusiones tales como boruros, nitruros, carbonitruros y fases intermetálicas no
pueden valorarse usando éste método.
Una vez identificado el tipo de inclusión se procede a ingresar el dato en la tabla, la
cual se completa con la cantidad de campos en los que se observo cada tipo de
inclusión. Es decir, cada numero en la tabla representa la cantidad de campos en
los que se encontró el tipo de inclusión correspondiente a la posición de la tabla.
Resultados
Total de campos observados: 12.
0,5
1
1,5
2
2,5
Gruesa
Fina
Gruesa
Fina
Gruesa
Fina
Gruesa
Fina
Gruesa
Fina
Tipo A
Sulfuros
Tipo B
Alúmina
Tipo C
Silicatos
0
2
3
3
1
0
0
0
0
0
0
0
2
2
4
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
Tipo D
Oxidos
globulares
0
0
0
0
0
0
3
0
3
12
Nota: Resulta importante mencionar que el agregado de manganeso (Mn) en los
aceros se debe a su mayor afinidad que el hierro para combinarse con el azufre y
formar sulfuro de manganeso, evitando de éste modo, la formación indeseable de
sulfuro de hierro que tiene un bajo punto de fusión y produce fisuras internas cuando
se lamina en caliente al acero.
Figura 5: Microfotografía tomada de la muestra martensítica, donde se observan inclusiones de
sulfuro de manganeso, a 500x.
Medición de dureza
Se realizaron mediciones de dureza sobre la superficie de la muestra según el
método Vickers a los efectos de obtener información sobre las propiedades
mecánicas del material original.
Método de ensayo Vickers
En éste ensayo, un penetrador de diamante muy pequeño y de geometría piramidal
es forzado en la superficie de la muestra. Las cargas aplicadas, mucho menores que
en las técnicas Brinell y Rockwell, están comprendidas entre 10 y 10000 g; en
nuestro caso fue de 1000 g. La marca resultante se observa al microscopio y se
miden la longitud de las diagonales; el promedio de éstas mediciones es entonces
convertido en un número de dureza indicado con las siglas HV (Hardness Vickers)
según la siguiente expresión.
136º
Impronta
d1
d2
Figura 6
d=
HV =
d1 + d2
2
1,854 P
d2
P = carga aplicada en kg.
Todas las dimensiones en mm.
Los valores de dureza están también tabulados para cada medida de impronta, lo
cual agiliza su obtención.
Esta técnica se considera ensayo de microdureza debido a la magnitud de la carga y
al tamaño del indentador. Es muy conveniente para la medida de la dureza de
pequeñas regiones seleccionadas en la superficie de la muestra incluida en
baquelita.
Resultados
Se realizaron 3 mediciones sobre cada muestra, la primera medición no la tomamos
en cuenta porque sabemos que puede ser errónea debido a que el durometro se
acomoda.
Sección longitudinal:
1)
d1 = 83.2 µm
d2 = 83.3 µm
d = 83,3 µm ⇒
HV = 267
2)
d1 = 83.1 µm
d2 = 83.2 µm
d = 83,2 µm ⇒
HV = 268
Sección transversal:
1)
d1 = 86.0 µm
d2 = 85.0 µm
d = 85,5 µm ⇒
HV = 254
2)
d1 = 84.0 µm
d2 = 83.6 µm
d = 83,4 µm ⇒
HV = 261
La dureza promedio del corte longitudinal resulta ser: HV = 257.5 ≈ 244 HB
La dureza promedio del corte transversal resulta ser: HV = 267.5
La resistencia a la tracción (longitudinal) es aproximadamente:
Rm (en MPa) = 3,45 x HB
Rm ≈ 840 MPa
Ataque químico
A los efectos de revelar la estructura metalográfica se atacó la superficie de las
muestras con Nital, por inmersión durante entre 10 y 20 segundos.
El Nital es un reactivo que se utiliza en aceros al carbono, de baja y de media
aleación. Está compuesto por ácido nítrico al 2 % en alcohol metílico o etílico.
Revela la estructura general, oscurece los bordes de grano, tanto la perlita como la
cementita aisladas aparecen blancas y diferencia la ferrita de la martensita.
Para seleccionar el ácido se consulto la Norma ASTM standards, parte I - B, 1946
Descripción de la estructura metalográfica
Se realizaron observaciones al microscopio de las probetas pulidas y atacadas.
La estructura presenta bastones de bainita superior y granos de ferrita en menor
proporción. La misma es producto de un enfriamiento al aire (normalizado) desde
una temperatura superior a la de austenización, que ocurrió posterior al laminado.
Por otra parte, no se observan diferencias significativas entre las estructuras de los
cortes longitudinal y transversal al sentido de laminación, y esto se debe a que se
produjo una recristalización total de los granos austeníticos luego de la deformación
plástica.
Figura 7: Microfotografías de la estructura observada en el corte longitudinal al sentido de laminación,
tomadas a 500x. En ellas se observan claramente los bastones bainíticos y algunos cristales de
ferrita.
Determinación del tamaño de grano austenítico original
Mediante el microscopio se puede observar que las agujas bainíticas que crecieron
a partir de un mismo grano de austenita durante enfriamiento posterior a la
laminación, tienen la misma orientación, además se ven rodeadas por granos de
ferrita primaria que nuclearon en los bordes de grano de la austenita original. Por
ésta razón, si se observa cuidadosamente la micro estructura metalográfica es
posible determinar la forma y el tamaño de los cristales austeniticos formados
durante la recristalización debido al laminado y que dieron origen a la estructura
final del acero. Mediante el método ASTM E - 19 (American Society for Testing and
Materials) se determinó el tamaño de grano austenítico. La ASTM tiene preparadas
10 cartas normalizadas con granos de diferente tamaño medio, cada una de éstas
cartas tiene asignado un número del 1 al 10, denominado índice de tamaño de
grano, donde el mayor índice tiene el menor tamaño de grano. El tamaño de grano
se asigna por comparación con el índice del tamaño de grano de la carta más
parecida a la estructura observada con un aumento determinado. De éste modo,
basta una relativamente sencilla y cómoda observación visual para asignar el
tamaño de grano.
El tamaño de grano austenítico original, determinado a 400 aumentos, resultó ser
ASTM Nº 8.
Análisis de acero tratado térmicamente
Selección de los tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos seleccionados para las muestras de acero fueron un
temple con el fin de obtener martensita y un enfriamiento isotérmico para obtener
bainita inferior. Se intenta con ésto alcanzar valores de dureza y resistencia
similares con dos estructuras distintas. La dureza establecida arbitrariamente fué de
44 HRC o 410 HB.
Se escogieron estas estructuras para poder cotejar las diferencias en tenacidad
luego de disminuir la dureza de la martensita con un revenido, hasta alcanzar
valores próximos a los de la bainita.
1º tratamiento: Temple y revenido
Para obtener la martensita, se introdujo una de las muestras del acero en un horno
a 850 °C en el cual permaneció durante 15 minutos hasta alcanzar la austenización
completa, para luego ser templada en aceite. Finalmente se la introdujo en un baño
de sales a 460 °C durante 2 horas para alcanzar la dureza final determinada.
Los criterios utilizados para determinar los tiempos de permanencia, temperaturas y
velocidades de enfriamiento fue el siguiente:
Los 850°c se escogieron porque según la curva TTT de nuestro acero el punto
critico superior se encuentra a los 793°C y, de acuerdo la teoría, hay que
incrementar esta temperatura en 27,8 ºC (50 °F) para obtener la temperatura de
austenización. En realidad la temperatura resultante es levemente inferior a los
850°c pero el horno se encontraba a esta temperatura y se aprovechó.
En cuanto a los 20 minutos de permanencia se obtienen al considerar un tiempo de
1 minuto por milímetro de espesor de la pieza, con un mínimo de 15 minutos, como
necesario para la penetración y homogeneización de la temperatura en el volumen
y alcanzar una austenización completa, evitando al mismo tiempo un excesivo
crecimiento de grano.
La temperatura del revenido se obtuvo del gráfico de Propiedades mecánicas en
función de las temperaturas de revenido para el acero IRAM 4140 (ver apéndice I),
sabiendo que el tiempo de permanencia es de dos horas y que la dureza debia ser
410 HB, según los objetivos prestablecidos.
2º tratamiento: Isotérmico para obtener bainita inferior
El criterio utilizado para llevar la muestra, de la cual se deseaba obtener bainita,
hasta los 850°C y los 20 minutos de permanencia para alcanzar la austenización,
fue el mismo que en el caso anterior.
El enfriamiento isotérmico se realizo en un baño de sales a 370 °C durante 15
minutos; éstos datos fueron extraídos del Diagrama de trasformación isotérmica (ver
apéndice I) del acero IRAM 4140 sabiendo que a los 340°C se encuentra la línea
Ms, por lo tanto se escogió una temperatura levemente superior a la cual el material
alcanza la dureza preestablecida de 44 HRC, y el tiempo mínimo de permanencia a
temperatura necesario para transformar completamente la austenita inestable en
bainita, es de 6 minutos y fue superado holgadamente.
Preparación de la probeta
Las dos muestras tratadas térmicamente fueron cortadas para permitir el análisis de
la estructura y la medición de dureza en la zona interior. Es importante aclarar que
un análisis superficial puede inducir errores debido a que la composición química de
la capa superficial sufrió modificaciones por descarburación durante el tratamiento
térmico y no es representativa de toda la muestra.
Seguidamente fueron incluidas en baquelita, y la probeta desbastada, pulida y
atacada, de la misma manera que la probeta con las muestras del material original.
Medición de dureza
Se realizaron mediciones de dureza sobre ambas muestras mediante el método
Vickers con una carga de 1000 g, descripto anteriormente, arrojando los siguientes
resultados:
Muestra Bainítica:
1)
d1 = 65 µm
d2 = 66 µm
d = 65,5 µm ⇒
HV = 432
2)
d1 = 67,5 µm
d2 = 67,5 µm
d = 67,5 µm ⇒
HV = 407
3)
d1 = 68 µm
d2 = 67 µm
d = 67,5 µm ⇒
HV = 407
La dureza promedio resulta ser: HV = 415,3
Es equivalente a: HRC = 41,7
y a: HB = 400
La resistencia a la tracción es aproximadamente:
Rm (en MPa) = 3,45 x HB
Rm ≈ 1380 MPa
Muestra Martensítica:
1)
d1 = 67,1.0 µm
d2 = 68 µm
d = 67,6 µm ⇒
HV = 406
2)
d1 = 70,0 µm
d2 = 69,0 µm
d = 69,5 µm ⇒
HV = 384
3)
d1 = 66,5 µm
d2 = 66,0 µm
d = 66,3 µm ⇒
HV = 422
La dureza promedio resulta ser: HV = 392
Es equivalente a: HRC = 39,8
y a:
HB = 370
La resistencia a la tracción es aproximadamente:
Rm ≈ 1280 MPa
Rm (en MPa) = 3,45 x HB
Descripción de la estructura
Muestra Bainítica:
La estructura de la muestra, como era esperable, está compuesta por bastones
bainíticos fundamentalmente, sin embargo pueden identificarse algunos pequeños
granos de ferrita que son resultado de las heterogeneidades tolerables en la
composición del material. La bainita, por haber nucleado y crecido a menor
temperatura (bainita inferior), es más fina que la que se puede observar en el
material original.
Figura 8: Microfotografías de la estructura observada tomadas a 812.5x. En ellas se observan
claramente los bastones bainíticos y algunos cristales de ferrita.
Muestra martensitica
En esta muestra se puede observar casi en su totalidad agujas martensíticas las
cuales no presentan una orientación uniforme. La aparición de cristales ferríticos es
prácticamente despreciable debido a que la severa velocidad de enfriamiento
definió una curva que pasa alejada del manto ferrítico en el diagrama de las curvas
TTT.
Figura 9: Microfotografías de la estructura observada tomadas a 812.5x. En ellas se observan
claramente agujas Martensiticas. Las manchas oscuras observadas en la figura de la derecha
corresponden a inclusiones no metálicas.
Conclusiones
Aprendimos que a partir de una aleación cualquiera con sus propias características y
estructura se puede obtener con la misma aleación otra estructura con diferentes
características y que a través de un tratamiento térmico la dureza de un material
cambia considerablemente, esto se manifestó al tener que cortar nuevamente la
pieza templada con la sierra de mano.
En nuestro caso, a partir de un acero 4140 con características comerciales hemos
logrado a través de dos tratamientos térmicos diferentes incrementar la dureza hasta
alcanzar un grado similar con dos estructuras distintas.
A través de la observación al microscopio pudimos notar que no es tan fácil obtener
martensita o bainita en la totalidad de la estructura sino que aparecen litigios de
ferrita. Pudimos observar en la muestra inclusiones de sulfuro de manganeso, el
manganeso viene en el material con el propósito de evitar que se forme sulfuro de
hierro que no permite la laminación en caliente, por tener un punto de fusión muy
bajo y generar fisuras durante el proceso.
De las mediciones de dureza realizadas a las muestras tratadas térmicamente, se
puede concluir que
La relación entre la dureza prevista y la dureza alcanzada fue, en cada caso:
Probeta bainítica:
41,7 HRC
44 HRC
. 100 = 94,3%
Probeta martensítica:
39,8 HRC
44 HRC
. 100 = 90,4%
La diferencia relativa entre las durezas alcanzadas mediante las dos estructuras
resultó ser:
41,7 HRC - 39,8 HRC
. 100 = 4,6%
41,7 HRC
Estos resultados son satisfactorios y están dentro de los límites esperados.
Bibliografía consultada
• Introducción a la metalurgia física
Autor: Sydney H. Avner. Editorial McGraw-Hill.
• Ciencia e ingeniería de los materiales
Autor: William D. Callister. Editorial Reverte.
• Tratamiento térmico de los Aceros
Autor: José Apraiz Barreiro.
• Tomo 1 del Metal Handbook
Editorial
• Enciclopedia practica de mecánica Quillet
Editorial Argentina Arístides Quillet S. A.
• Diccionario enciclopédico
Editorial Maveco
•
Normas ASTM.
•
Hojas de características.
Apéndice I:
Diagramas y gráficos de características del acero
IRAM 4140.
Apéndice II:
Láminas 2 de la Norma IRAM-IAS U 500-126
Imágenes tipo ASTM (método II).