CIENCIA DE LOS MATERIALES
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Ciencia de los materiales. Guía 5 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES Ciencia de los materiales. Guía 5 1 Tema: TRATAMIENTOS TÉRMICOS, segunda parte. Contenidos Dureza de térmico. los aceros después del tratamiento Objetivos Específico OBJETIVO GENERAL Comprobar los cambios en las propiedades de los aceros por efecto de los tratamientos térmicos. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.- Medir la dureza en aceros sometidos a tratamientos térmicos de temple, recocido y normalizado. 2.- Comparar la dureza de estado de entrega con la dureza después del tratamiento térmico. 3.- Estimar la resistencia mecánica de los aceros a partir de la dureza y cómo cambio la resistencia con la que tenía en estado de entrega. 4.- Indicar las aplicaciones típicas de estos aceros. Materiales y equipos • • Cilindros de térmicamente. Durómetro acero AISI 1020, 1045, 01, 304, 4340 tratados Introducción teórica En los materiales de ingeniería pueden ocurrir muchos tipos de transformaciones en estado sólido y pueden controlarse con los tratamientos térmicos adecuados, los que están diseñados para proporcionar una distribución óptima de dos o más fases en la microestructura. Los cambios en la naturaleza, cantidad, tamaño, distribución y orientación de las fases resultantes nos permiten obtener una gran variedad de estructuras y propiedades en los materiales. En las más comunes de estas transformaciones: -excediendo el límite de solubilidad, endurecimiento por envejecimiento, control de la reacción eutectoide y control de la reacción martensítica-, se pretende producir una microestructura final que contenga una distribución uniforme de muchas partículas finas y duras de precipitado en una matriz blanda y dúctil. Haciendo esto, es posible obstaculizar de modo efectivo el movimiento de las dislocaciones, proporcionando así un aumento sensible de la resistencia mecánica, pero manteniendo aún una ductilidad y tenacidad convenientes. Ciencia de los materiales. Guía 5 2 El control cuidadoso de las temperaturas en el tratamiento térmico, así como sus tiempos es esencial para obtener la microestructura apropiada. Los diagramas de fases sirven para seleccionar las temperaturas apropiadas, pero se necesitan datos experimentales para lograr finalmente la combinación óptima de tiempos, temperaturas y composiciones que resulte en las propiedades deseadas. Estos datos se recogen en los diagramas de enfriamiento, como los que se muestran mas adelante. Finalmente, puesto que se obtienen las propiedades deseadas a través del tratamiento térmico, debemos tener presente que la estructura y las propiedades pueden modificarse cuando el material se vuelve a utilizar a altas temperaturas. El sobreenvejecimiento, el sobrerrevenido pueden ocurrir como una ampliación natural del fenómeno que rige estas transformaciones, cuando el material es expuesto accidentalmente o de forma no prevista a altas temperaturas. Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico Al hecho de mostrar diferentes organizaciones atómicas con la misma composición química en un material se llama polimorfismo y es lo que justifica los tratamientos térmicos, el diamante y el grafito son estructuras polimórficas del carbono. La ferrita (solución sólida alfa), la austenita (solución sólida gamma) y la solución sólida delta (ferrita de alta temperatura), son estructuras polimórficas del hierro. Cuando este fenómeno es reversible se llama alotropía, que es el caso del hierro y aceros. Propiedades mecánicas de los aceros Los aceros constituyen una de las más grandes familias de materiales que existen, su base es una aleación de hierro y carbono que puede contener otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades especificas para su utilización en la industria. Los principales aleantes de los aceros son: cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre. A estos elementos químicos que forman el acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes. Los constituyentes, según su porcentaje, ofrecen características específicas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etcétera. En las tablas de tratamiento térmico proporcionadas por los proveedores de aceros se observa que para cada tipo de acero (o aleación) se recomienda un medio de enfriamiento y el procedimiento para lograr las propiedades deseadas. Cada acero contiene elementos de aleación en cierta cantidad. Por ejemplo, para aceros al carbón de baja aleación, el agua mezclada con un 10 % de sal común es apropiada para someterla a temple. Pero ¿qué sucede cuando aumenta el contenido de elementos de aleación en un material, como por ejemplo el acero AISI 4340?, pues bien, se produce un aumento en la dureza (endurecimiento) por solución sólida de la ferrita, por formación de Fe3C, y por la precipitación de otros carburos que le confieren resistencia a la corrosión; el tratamiento térmico de temple para estos Ciencia de los materiales. Guía 5 3 aceros es menos severo que para el 1040 (con igual % de carbono) para lograr la misma dureza, ya que la “nariz” de la curva del diagrama de TTT o TEC (figuras 1 y 2) está más alejada del eje 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 (superficial o interno), disminuyen las deformaciones debido al temple y quedan con excelente dureza. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo materiales con mejores propiedades para una aplicación específica. En las figuras de la 1 a la 4, se muestran diagramas de transformación para diferentes aceros. Estos son proporcionados por los mismos fabricantes de los aceros, como una ayuda a los usuarios de tales aceros a fin de obtener las propiedades deseadas. Debido a que hay una diversidad de empresas siderúrgicas que fabrican aceros, el usuario debe solicitar los diagramas apropiados a la empresa fabricante del acero, ya que los diagramas varían de una empresa a otro debido a las diferentes composiciones de los yacimientos de minerales de donde obtuvieron la materia prima para elaborar el material. Fig. 1. Diagrama de TTT (Transformación Tiempo Temperatura) de un acero AISI 1045 Ciencia de los materiales. Guía 5 4 Fig. 2. Diagrama CCT (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI 1045 Fig. 3 diagrama TEC (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI 4140 Ciencia de los materiales. Guía 5 5 Fig. 4 diagrama CCT (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI O1 Procedimiento 1.- Anotar el tipo de acero, la temperatura al cual fue sacado del horno y el medio de enfriamiento de cada muestra de acero, e identificar el tratamiento al que fue sometido. 2.- Proceda a tomar la dureza, recordando que las caras de la muestra deben estar limpias y horizontales 3.- Registre en la tabla 1 la dureza obtenida y calcule el % de cambio en la dureza tomando de referencia la dureza de entrega. 4.- Calcule la resistencia mecánica antes y después del tratamiento térmico y los usos típicos de cada acero y anótelos en la tabla 2 5.- Efectúe una investigación para estimar tipo y cantidad de fases (microestructura) antes y después del tratamiento térmico y escriba lo solicitado en la tabla 3 6.- Para el tratamiento térmico dado a la muestra indique la dureza esperada y si hay diferencias con la dureza obtenida, explique las posibles razones de tal diferencia 7.- Elabore sus conclusiones comparando durezas medidas antes y después del tratamiento, y luego comparando dureza obtenida después del tratamiento térmico con la dureza esperada según catálogos de los proveedores Tablas de datos Tabla 1: Cambio en la dureza de los aceros con tratamientos térmicos y Ciencia de los materiales. Guía 5 Tipo de acero AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI Tratamiento térmico Dureza en estado de entrega Dureza después del tratamiento % de diferencia Dureza esperada después del tratamiento(de investigación) 1020 1020 1020 1020 1020 1045 1045 1045 1045 1045 01 01 01 01 01 4340 4340 4340 4340 4340 304 304 304 304 304 Tabla 2.Características de aceros con tratamientos térmicos Tipo de acero AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI 1020 1020 1020 1020 1020 1045 1045 1045 1045 1045 01 01 01 01 01 4340 4340 4340 4340 Resistencia mecánica en estado de entrega (MPa) Tratamiento térmico Resistencia mecánica después del tratamiento 6 Usos típicos Ciencia de los materiales. Guía 5 AISI AISI AISI AISI AISI AISI 7 4340 304 304 304 304 304 Tabla 3: Microestructuras de los aceros Tipo de acero AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI AISI Constituyentes en estado de entrega (MPa) Tratamiento térmico Constituyentes después del tratamiento 1020 1020 1020 1020 1020 1045 1045 1045 1045 1045 01 01 01 01 01 4340 4340 4340 4340 4340 304 304 304 304 304 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. 5) www.steel.org/ México D. F. Limusa. Ciencia de los materiales. Guía 5 8 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 investigación, 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) 30 Mediciones efectuadas y Tablas de datos Requisito Cálculos efectuados correctamente Requisito Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) 10 Tablas de datos 1, 2 y 3 (10 % c/u). 30 Discusión y conclusiones, indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. 25 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 (al informe) - 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 % por cada día de retraso. 100 Comentarios Ciencia de los materiales. Guía 5 9 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.
