Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigaciones de Soldadura Tesis en Opción del título de Master Acero para Blindaje: Microestructura y Dureza en función del Tratamiento Térmico Autor: Lic. María Isabel Yacobet Benitez Tutor: Dr. Ing. Rafael Fernández Fuentes Consultante: MSC. Jorge Luis Guerra Junio de 2015 Índice Pág. Introducción...........................................................................................................1 Capítulo I: Revisión de la literatura....................................................................3 1.1 Generalidades…………………........................................................................3 1.2 Constituyentes Microestructurales resultantes del Tratamiento Térmico del Acero.......................................................................................... ………….....4 1.3 Efecto del Revenido en la Microestructura y Propiedades Mecánicas de los Aceros…………………………………………………………………….….6 1.4 Variables Asociadas con el Revenido, que afecten a la Microestructura y Propiedades Mecánicas del Acero………………………………...............8 1.5 Clasificación de los Equipos de Revenido……………..................................9 1.6 Templabilidad del Acero…………………………………...........................10 1.7 Desempeño Balístico de los Aceros para Blindaje……................................11 1.8 Clasificación, Tipos y Características fundamentales de los Aceros para Blindaje.........................................................................................................15 1.9 Efecto de los Principales Componentes de Aleación en Aceros para Blindaje........................................................................................................17 Capítulo II: Materiales y Métodos...................................................................19 Capítulo III: Análisis y Discusión de los Resultados......................................24 3.1 Comportamiento de la dureza........................................................................24 3.2 Comportamiento de la microestructura..........................................................35 3.3 Ensayo de Impacto.........................................................................................41 3.4 Bases Técnicas para la Tecnología del Tratamiento Térmico de las Planchas de Acero para Blindaje para espesor 8 mm...................................43 3.5 Prueba de Rigor Balística...............................................................................44 Conclusiones.......................................................................................................46 Recomendaciones...............................................................................................47 Referencias Bibliográficas.................................................................................48 Anexos................................................................................................................50 Resumen Se presenta un estudio sobre el comportamiento de la microestructura y la dureza del acero 30XГC y del acero 30CГM con temple y revenido bajo en muestras procedentes de diferentes lotes, con el objetivo de determinar la homogeneidad de estas variables en el espesor de cada muestra, así como la variable tiempo para el acero de medio carbono y baja aleación, empleados para blindaje. Aplicando la microscopía óptica y el ensayo de dureza Vickers, se determinó que los lotes de acero 30XГC y los del sistema 30CГM, estudiados no muestran diferencias en cuanto a la dureza y la microestructura de cada muestra, aunque sí se aprecian diferencias entre muestras. Summary The present study on the behavior of the microstructure and hardness of steel with quenching and tempering 30XГC and steel 30CГM low in samples from different batches, in order to determine the homogeneity of these variables in the thickness of each sample as well as between them. Using optical microscopy and the Vickers hardness test, it was found that batches studied 30XГC and 30CГM steel show no differences in hardness and microstructure in the thickness of each sample, although different cowered en between samples. INTRODUCCIÓN En la historia de la humanidad juega un papel de suma importancia el desarrollo de las herramientas, instrumentos, maquinarias, armas, etcétera, que a lo largo de milenios de existencia han marcado el nivel de desarrollo del hombre. Importantes cambios sociales han sido condicionados por el impulso dado a las relaciones de producción, en esto incide la introducción de materiales nuevos que adquieren importancia creciente, así como nuevos conocimientos científicos que demandan estos materiales como nunca antes en la historia humana. Desde mediados del siglo XX la producción de acero para diferentes fines se clasifica por su composición química, propiedades físicas y mecánicas, teniendo en cuenta su estructura y la calidad con que se hacen. Esto se logra a través de tratamiento térmico. Un nuevo paso de avance lo constituyó el desarrollo de aceros aleados que permitieron la construcción de nuevos equipos, aviones, armamentos, vehículos. Estos nuevos aceros avanzados y de alta resistencia, han sido desarrollados por la industria siderúrgica. Dichos tipos de aceros ofrecen un excelente equilibrio de precios, pesos y propiedades mecánicas. El mundo y en particular Cuba está atravesando por una situación económica que impone serias limitaciones financieras en la adquisición de materia prima necesaria para el desarrollo industrial. Un ejemplo lo constituye el acero en forma de chapas de diferentes espesores, requerido para fabricar componentes que satisfacen condiciones de alta resistencia mecánica y garantizan un blindaje adecuado. A la empresa Planta Mecánica de Villa Clara, el estado le asignó la construcción de determinadas piezas, equipos de alta complejidad, y de gran importancia para la defensa del país, así como para su economía, empleando planchas en existencia de aceros 30XΓC(NC 30CrMnSi) y para él del sistema C-Si-Mn-Mo, con espesor 8 mm. Para el caso del acero 30CrMnSi, por ser un acero mejorado, existe suficiente información sobre sus propiedades mecánicas luego de un temple seguido de un revenido alto; sin embargo en condiciones de temple y revenido bajo - poco usuales para este acero - la información disponible es limitada; al igual del acero medio de carbono y baja aleación de sistema C-Si-Mn-Mo. Por tal motivo, la aplicación del acero para prestaciones especiales con sistema C-Si-Mn-Mo en condiciones de temple y revenido bajo, se impone la necesidad de realizar diversos estudios encaminados a establecer cómo influye el tratamiento térmico sobre el comportamiento mecánico del referido acero. De esta manera, por solicitud de la Fabrica Planta Mecánica “Fabric Aguilar Noriega”, en el presente trabajo se realiza un estudio sobre el efecto de los tiempos de revenido. 1 Objetivo general: Evaluar el efecto del tratamiento térmico (temple y revenido bajo) sobre la microestructura y dureza de aceros mejorables de contenido medio de carbono y baja aleación al C-Si-Mn-Mo para aplicación en blindaje. Además de comparar los resultados del acero antes mencionado, analizaremos los del sistema 30CrMnSi. Objetivos parciales: Evaluar el efecto del tratamiento térmico (temple y revenido bajo) sobre la microestructura y dureza en el espesor de diferentes lotes del acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación al 30CrMnSi, para aplicación en blindaje. Evaluar qué efecto tiene el tiempo en el revenido bajo sobre la microestructura y dureza del acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación al C-Si-Mn-Mo, para aplicación en blindaje. Hipótesis: Las variables del tratamiento térmico del acero para blindaje - temperatura y tiempo – definen el estado microestructural del mismo y así establecen el comportamiento mecánico expresado por la variable dureza. Método Utilizado: Filosófico – Histórico Lógico. Buscar la historia del suceso y poder trabajarlo normal, desde el punto de vista de la concepción del trabajo. Problema Práctico: Se desconoce el efecto del tiempo del revenido para el acero aleado de medio carbono y baja aleación del sistema C-Si-Mn-Mo, como también el acero 30CrSiMn para blindaje. En estos aceros con espesor de 8 mm y 30 mm: analizaremos el comportamiento de la dureza y microestructura en función del tiempo de revenido. Novedad Científica: Se logra un mejoramiento en la microestructura, y después del revenido se determina; microdureza, resiliencia y respuesta balística en el acero con propiedades especiales. 2 Capítulo I Revisión de la literatura 1.1.Generalidades El tratamiento térmico es un conjunto de operaciones que consiste en el calentamiento, mantenimiento a la temperatura dada y enfriamiento de las piezas metálicas con el fin de cambiar la estructura y las propiedades de las aleaciones que las componen [1]. Cualquier proceso de tratamiento térmico puede ser representado gráficamente en las coordenadas de temperatura y tiempo (figura 1). Figura 1. Esquema general de tratamiento térmico. Las variaciones de las propiedades de una aleación que ocurren como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario no tendría sentido el tratamiento térmico. Para cambiar las propiedades de una aleación es necesario que se produzcan en el tratamiento térmico variaciones estables que dan lugar a las transformaciones de fases y estructurales en todas las zonas del metal. Para desarrollar una correcta tecnología del tratamiento térmico se deben controlar los factores principales del proceso como son (figura 1) [2]: El control exacto de la temperatura (Vcal.) El control del tiempo de permanencia (τp) para que se garanticen las transformaciones de fases o procesos buscados. El control de la velocidad de enfriamiento (Venf.) La velocidad de calentamiento tecnológicamente admisible determina los factores siguientes: 3 La composición química del acero, que influye en las propiedades térmico-físicas del mismo. La estructura del acero. La configuración de la pieza. La zona de temperaturas en la cual se efectúa el calentamiento. El calentamiento del acero es la operación principal de cualquier tratamiento térmico, y representa del (40 al 80) % del tiempo total de duración del mismo. Durante el calentamiento en el metal transcurren diversos procesos como las dilataciones térmicas, las transformaciones de fases y de estructura, las variaciones de las propiedades físicas y mecánicas, etc. En la práctica se suele calcular la velocidad media de calentamiento o enfriamiento. Esta es igual a la temperatura máxima de calentamiento dividida por el tiempo de calentamiento o enfriamiento [1]: Vm.cal= Tmax/τcal…… (1) Vm.enf.=Tmax/τenf……(2) Dónde: Vm. cal= velocidad máxima de calentamiento (ºC/h). Vm. enf= velocidad máxima de enfriamiento (ºC/h). Tmax= temperatura máxima de calentamiento de la aleación. Tp= temperatura de permanencia o mantenimiento. τp = tiempo de permanencia. τcal y τenf= tiempo de calentamiento y enfriamiento. 1.2. Constituyentes microestructurales resultantes del tratamiento térmico del acero En los aceros hay diferentes tipos de constituyentes, que forman la microestructura de los aceros [3, 4]: Ferrita: es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008 % de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el constituyente de los aceros más blando y dúctil. Cristaliza en la variedad alfa (α) hasta la temperatura 768 °С. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 A . Tiene una dureza de 95 HV, y una resistencia a la rotura de 28 4 kgf/mm2, llegando a un alargamiento (δ) del (35 al 40) %. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Cementita: es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67 % de C y 93.33 % de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 HV. Cristaliza formando una red cristalina compleja (ortorrómbico) de gran tamaño. Es magnética hasta los 210 ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Perlita: es un constituyente compuesto por el 86.5 % de ferrita y el 13.5 % de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y una de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 HV, con una resistencia a la rotura σв= 80 kgf/mm2 y un alargamiento δ= 15 %. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita que tienen reflejos nacarados observados en el microscopio. Esta estructura laminar se observa en la perlita cuando el enfriamiento aplicado es muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular. Austenita: es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida por inserción, de carbono en hierro gamma (Feγ). La proporción de carbono disuelto varía desde (0 - 1.76) % de carbono, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723 ºC. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma y cristaliza en la estructura FCC (centrada en las caras) con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 HV, es dúctil y tenaz con una resistencia de 100 kgf/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-níquel denominados austenítico, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. Martensita: es un constituyente típico de los aceros templados, se admite que está formado por una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una red cúbica centra en el cuerpo, tipo BCC. La martensita se presenta en forma de agujas (laminas) su aspecto es acicular formando agujas en 5 zigzag, con un ángulo de 60° ó 120° y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo 0.89 % aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 HV, y su resistencia mecánica (σ) varía de (175 a 250) kgf/mm2 y su alargamiento es del orden del (2.5 - 0.5) %. Además es magnética. Bainita: se forma este constituyente debido a la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas (250 a 550) ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita. Sorbita: es un agregado fino de cementita y ferrita, se obtiene por enfriamiento de la austenita a velocidad bastante inferior a la crítica de temple o transformación isotérmica de la austenita en la zona de baja temperatura entre (500 - 650) °C aproximadamente, es un constituyente de mayor resiliencia, σв= (88 - 140) kgf/mm², (250 - 400) HB, δ= (10 - 20) %, es constituyente de casi todos los aceros forjados y laminados. Troostita: es un agregado fino de mezcla de ferrita y cementita. Se produce por enfriamiento de la austenita a velocidad ligeramente inferior a la crítica de templeo por la transformación isotérmica de la austenita a temperatura aproximadamente entre (500 - 600) °C, según sea la composición química de los aceros. Es magnética, es constituyente nodular, oscuro, con estructura radial y aparece generalmente acompañado a la martensita y a la austenita, situándose en los contornos de los cristales. Presenta un alargamiento relativo δ= (5 – 10) %, su dureza de (400 – 500) HB y una σв = (40 – 175) kgf/mm2. La perlita, sorbita y troostita son de por si mezclas de ferrita y cementita de distinto grado de dispersión de las fases que tienen estructuras laminares. La dureza y resistencia de la mezcla son directamente proporcionales a la dispersión de las fases; cuanto más dispersa es la estructura, tanto más altas tienen la dureza y la resistencia. Efecto del revenido en la microestructura y propiedades mecánicas de los aceros La martensita obtenida en el temple tiene elevada dureza, pero lamentablemente, las tensiones alrededor de los átomos de carbono atrapados en la red cristalina del hierro, producen fragilidad en las piezas templadas. Es necesario reducir la fragilidad; para ello se les somete a un calentamiento posterior al temple, denominado Revenido [5, 6]. El revenido del acero es la operación final del tratamiento térmico que se realiza después del temple, para obtener valores específicos de las propiedades mecánicas, también para aliviar 6 tensiones y asegurar la estabilidad dimensional garantizándose un mayor equilibrio en el acero [2]. El revenido puede realizarse por calentamiento total o a determinadas zonas de las piezas, durante un tiempo suficiente, para que se desarrollen las transformaciones estructurales deseadas y garantizar las propiedades mecánicas requeridas, con un mínimo valor de las tensiones internas, en el metal. Según la literatura estudiada [6], el revenido se puede dividir en las siguientes etapas: Primera etapa del revenido: a baja temperatura (entre 80 ºC y 200 ºC). Segunda etapa del revenido: a temperatura media (entre 200 ºC y 300 ºC). Tercera etapa: a una temperatura (entre 350 ºC y 450 ºC). Cuarta etapa: a alta temperatura (más de 400 ºC y hasta 650 ºC). De acuerdo con estas etapas, durante el calentamiento de una estructura martensítica ocurren en el acero las siguientes transformaciones [2] : En la primera etapa, la martensita disminuye el grado de tetragonalidad de la red cristalina a causa de que el carbono se separa de esta en forma de carburos (ε). Como resultado del revenido a baja temperatura, la martensita templada se transforma en la revenida adquiriendo elevada resiliencia y plasticidad, de esta forma, el acero conserva alta la dureza. Prácticamente durante esta etapa no disminuye la dureza, pero sí disminuyen las tensiones internas y parte de la austenita residual. En esta etapa se someten las herramientas, cementación, etc. En la segunda etapa, la austenita residual se transforma en una mezcla formada por solución sólida sobresaturada de carbono. El carbono se precipita en un carburo de hierro ε (épsilon) y se cristaliza en el sistema hexagonal, su fórmula es Fe2.4C y es un carburo diferente a la cementita (Fe3C).Esta precipitación del carburo (ε) se realiza en los límites de los subgranos heredados de la austenita, los cuales se manifiestan en martensita revenida con 0,25 % de carbono, transformándose su red tetragonal en red cúbica. En la tercera etapa, se eliminan las tensiones residuales y la estructura de los carburos (ε) se torna cementita. La estructura es denominada bainita de revenido (mezcla de cementita y ferrita). Aparece la fragilidad del revenido de primer género. El límite elástico alcanza su valor más elevado y la estructura de los carburos se torna en cementita que se separa de la red cristalina de la disolución sólida. La formación de cementita y su coagulación (concentración de sus granos) van acompañadas de una disminución de dureza y aumento de viscosidad y plasticidad. Se puede utilizar en muelles, resortes, estampas, etc. 7 En la cuarta etapa, se obtiene la sorbita de revenido y la Troostita de revenido (mezclas de ferrita y cementita). En este caso se eliminan totalmente las tensiones internas y coagulan las partículas de cementita. Como resultado de la etapa, disminuye la dureza del acero templado, pero aumentan notablemente su resiliencia y plasticidad. En la troostita de revenido la cementita adquiere su estructura granulosa, a diferencia de la sorbita de revenido que presenta una estructura muy fina. El revenido en altas temperaturas se utilizan para las piezas que su funcionamiento experimentan grandes tensiones y resistencia al choque [7]. 1.4. Variables asociadas con el revenido, que afecten a la microestructura y propiedades mecánicas del acero Las variables asociadas con el revenido, que afecten a la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero, incluyen: La temperatura del revenido. El tiempo del revenido. La proporción de enfriamiento de la temperatura La composición del acero. Las propiedades del acero revenido son principalmente determinadas por [6]: el tamaño, la forma, la composición química y la distribución de los carburos. La distribución de los carburos en los aceros generalmente se elevan en la temperatura del revenido, la dureza disminuye que forman una contribución relativamente menor de sólidos y soluciones que endurecen la ferrita. Estos cambios en la microestructura normalmente disminuyen dureza, la fuerza tensionales y rinden fuerzas pero incrementan la ductilidad y tamaño del grano [7]. En el revenido varían las propiedades del acero según las temperaturas de enfriamiento; en algunos casos se transforman los constituyentes con procesos difusivos y ocurren transformaciones en las temperaturas no solamente al acero al carbono sino a ciertos aceros aleados. En cuanto a la difusión nos referimos a los fenómenos de penetración de los átomos de una sustancia en otra sustancia a través de los procesos térmicos relacionados con el calentamiento y enfriamiento de los cuerpos [8]. La noción de difusión no se aplica a los átomos aislados como las traslaciones macroscópicas de la sustancia, sino es el resultado de un enorme número de traslaciones pequeñas de átomos aislados. Esto es posible únicamente si uno de los componentes es soluble en el otro. Dentro de las propiedades mecánicas obtenidas después del revenido están, los índices de plasticidad (Ψ); los índices de resistencia mecánicas (σ) y los índices de elasticidad (δ). Los 8 índices de plasticidad aumentan al elevarse la temperatura de revenido entre (600-650) ºC para obtener una plasticidad máxima, al igual que los índices de elasticidad (δ). Sin embargo, la variación de estas propiedades con la elevación de temperatura de revenido no es repetida. La resiliencia (Kc) del acero varía según el ensayo ordinario de resistencia al choque en dependencia de la temperatura de revenido, la resiliencia es baja cuando la temperatura de revenido es de 400 ºC, después comienza a aumentar la temperatura lo que con lleva aumentar la resiliencia, su máximo alcanza a los 600 ºC. 1.5. Clasificación de los Equipos de Revenido El revenido puede realizarse por inmersión en el horno, el tiempo suficiente para que el mecanismo alcance el punto deseado de terminación del proceso, también es posible por calentamiento selectivo de ciertas partes de la pieza para lograr la dureza o la plasticidad en esas áreas. La mayor parte del proceso puede ser hecho en hornos de convección térmica, de sales fundidas, en baños de aceite caliente y de metal fundido. La selección del tipo de horno depende principalmente del número y tamaño de las piezas y de la temperatura deseada. La tabla 1 muestra los rangos de temperatura de estos cuatro tipos de equipos [6]. Tabla1.1.Especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido Tipo de Equipo Rango de Temperatura, ºC Horno de convección 50 - 750 Baño de sales fundidas 160 - 750 Baño de aceite caliente ≤ 250 Metal fundido ≥ 390 Condiciones de Servicio Para grandes volúmenes de pieza; comúnmente pulidas; de carga variables que hacen el control de las temperaturas más fácil. Calentamiento rápido y uniforme, para volúmenes bajos y medios de piezas, no deben utilizarse para piezas con configuraciones difícil de limpiar. Buena, si la exposición es largamente deseada es necesaria una ventilación especial como el control de la llama. Calentamiento muy rápido, es necesario dispositivos especiales, (alta densidad). Los hornos de convección térmica se utilizan para la transmisión del calor por movimiento, en realidad transmiten la energía interna térmica a largas distancias entre las cargas térmicas y el ambiente térmico que se utilice como fuente, ya sea como aislante sólido o fluido. Los fluidos 9 típicos de trabajos ingenieriles de convección son: los fluidos refrigerantes, los caloportadores, etc. Los baños de sales fundidas y metales fundidos, además del agua, el aceite y las soluciones acuosas, se emplean como medios de calentamiento del temple. Como medio de enfriamiento usamos los aceites minerales, junto con su viscosidad suele ir acompañada de una elevación del punto de ebullición y disminuye el tiempo de la fase de vapor, pero suaviza las condiciones de la fase de convección. 1.6. Templabilidad del acero. Aspecto teórico Se entiende por templabilidad la profundidad a que penetra en la pieza la zona templada [3, 6]. Es un término utilizado en describir la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita a consecuencia de un tratamiento térmico. La penetración de temple o templabilidad depende de los elementos de aleación, los que más favorecen son: Mn, Mo, Cr y otros. En los aceros aleados, especialmente en los de bajo contenido en carbono, se ha comprobado que los elementos de aleación aumentan, ligeramente [8]. La dureza que se obtiene en el temple de los aceros y la templabilidad son dos características que se confunden con mucha frecuencia pero sin embargo, conviene diferenciarlo con claridad. La penetración del temple puede crecer utilizando un agente de enfriamiento más severo, en cambio la templabilidad es intrínseca al acero, independientemente del tamaño de la pieza y de la severidad del enfriamiento. La templabilidad no debe confundirse con el valor máximo de la dureza que adquiere el acero como resultado del temple, esta depende principalmente del contenido de carbono. La templabilidad incompleta (no en todo el espesor) ocurre en el temple, la pieza se enfría más de prisa en la superficie y más despacio en su centro. A medida que disminuye la velocidad crítica de temple, aumenta la profundidad de la capa templada. Ha sido mostrado que la dureza y la templabilidad son dos cosas distintas y se ha visto que la templabilidad influye notablemente en los resultados cuando se ensayan piezas de bastantes espesores, en cambio, influyen muy poco cuando se templan perfiles delgados pues estos penetra hasta el corazón de la pieza; con aceros de diferentes aleaciones y del mismo contenido de carbono se obtienen características casi idénticas cuando se trata de pequeños diámetros y muy diferentes cuando se trata de piezas de gran espesor. Cuando se templa el acero en todo el espesor, las propiedades son homogéneas, si el temple no penetra hacia el centro, las propiedades del acero templado varían desde la superficie hasta 10 el centro, del mismo modo ocurren en una serie de probetas que se templasen con distintos velocidades de enfriamiento (agua o aceite). En las piezas templadas y revenidas, es necesario que las estructuras obtenidas sean granulares (granos) en toda la sección, es decir, que la templabilidad llegue hasta el centro de la pieza. Si la velocidad efectiva de enfriamiento de la pieza es mayor que la crítica, el acero tendrá templabilidad a corazón, es decir, en toda la sección del acero habrá estructura martensita. La caracterización de cualquier acero suele empezar por la determinación de su composición química, seguida de análisis metalográfico y óptica y de microscopia de barrido y de otro conjunto de ensayos de laboratorios: mecánicos, radiográficos térmicos, etcétera que permiten precisar su estructuras y propiedades. 1.7. Desempeño Balístico de los Aceros para Blindaje El término blindaje: Se refiere a barreras físicas de protección utilizadas en sistema de transporte o de combate para reducir o evitar el daño causado por el fuego del enemigo [9]. Los materiales para el blindaje se elevan con el temple. Las placas de prueba para artillería son inspeccionadas después de los ensayos de resiliencia para evitar el perforado balístico, haciendo un análisis de su habilidad de soportar fractura y agrietamiento, se determina por los ensayos Charpy, mediante una muesca en V transversal afectando la energía según la carga dinámica aplicada a una temperatura de 40 ºC. En todo blindaje se tiene en cuenta la energía del proyectil y su transferencia sobre los vehículos blindados. La energía del proyectil se dispersa después que ocurre la explosión sobre las planchas blindadas. Los aceros de composición blindadas, han sido producidos por el proceso de tratamiento térmico de homogeneización y tratado a niveles de dureza que van desde (50 a 60) HRc. Las planchas para blindaje de aceros homogéneos, todavía son usadas en vehículos de combate del ejército bajo las normas [10] en producciones como cascos, torres blindadas, cúpulas, etcétera [11]. El material balístico: El material balístico tiene la propiedad de resistir a la penetración del proyectil, este es un parámetro imprescindible para los materiales blindados por lo que se le atribuye la diferencia entre mover los vehículos y lanzar el proyectil. 11 Proceso de Blindaje: Las nuevas tecnologías de blindaje y los procesos de fabricación están constantemente refinados y mejorados gracias a esfuerzos diligentes que mejoran el proceso continuo. Todos los materiales están codificados, numerados y certificados por un laboratorio independiente para asegurar la integridad, el rendimiento balísticos y para ellos se realizan comprobaciones que acredita cada lote de material de blindados utilizados. En el proceso de blindaje en los vehículos se utilizan dos tipos de planchas las transparentes y las opacas. Las transparentes se refieren a los vidrios integrados por capas densas de vidrio balístico laminadas a un escudo interior de policarbonato resistente. Su campo de aplicación está destinado para las ventanas blindadas [12]. Las opacas, son de un acero para blindaje endurecido, resistente a pruebas balísticas, presenta una estructura de polietileno ligero (Escudo Espectral) cumpliendo con los estándares en la capa superior, de alta dureza, excelente resistencia al impacto, liviano e irrompible y otros estándares [13]. Una vez que el vehículo ha sido blindado, se ensamblan las planchas de estos componentes termoplásticos que conforman la estructura del vehículo para reflejar el acabado original de fábrica. El material incorporado al proceso de blindaje es elaborado con una composición química especial que garantiza la integridad balística y maximiza la dureza Brinell. Existen otros tipos de blindaje: el reactivo, de municiones, y otros. El reactivo otorga protección especial a los carros de combate contra las municiones explosivas denominadas blindaje antitanques. Se usan muros de protección y corazas para vehículos de transporte de personal [13], entre ellos tenemos las limusinas, que cuentan con una forma de blindaje hermético destinado a proteger al viajante de la metralla y ataques balísticos directos. El blindaje de municiones una clase especial de protección o de endurecimiento otorgado a los proyectiles de municiones blindadas, para neutralizar los blindajes descritos anteriormente. El Blindaje Homogéneo Laminado: El termino RHA (de las siglas en inglés Rolled Homogeneous Armour) significa Rollos de láminas para el blindaje homogéneo [14]. El blindaje homogéneo laminado (RHA) es un tipo de acero que se aplica en el blindaje de vehículos, es llamado blindaje homogéneo debido a que su estructura y composición es uniforme a través de su sección [15]. 12 Características del Blindaje: El acero para placas de blindaje debe ser fuerte, tenaz y resistente, no debe estirarse cuando es sometido a un impacto rápido y fuerte. El acero de estas características es producido a partir de bolas de acero fundido de tamaño apropiado y laminándolos en placas del grosor requerido. La laminación y forjado homogeniza la estructura granular del acero, removiendo las imperfecciones que reducirían la resistencia del acero. La laminación también prolonga el material, es decir extiende la estructura granular en el acero formando largas líneas, las que permiten que la tensión a la que es sometido el acero cuando está bajo carga sean dispersadas a través del metal y que no se concentren en un sólo punto. La superficie del acero, que comienza como una placa de blindaje homogéneo laminado [16], es endurecida por un proceso de tratamiento térmico. Desde la invención de los tanques hasta la Segunda Guerra Mundial, el blindaje incrementó su grosor para resistir el creciente tamaño y el poder de los cañones antitanques. Un tanque con suficiente Blindaje homogéneo laminado podía resistir los más grandes cañones entonces en uso. El blindaje homogéneo laminado fue usado por todos los tanques durante este período y se evaluaba su efectividad a través del grosor de la placa del blindaje. Esta medida de efectividad de penetración de blindaje ha permanecido en uso, debido a que es una forma general útil para comparar la efectividad de perforación de blindaje de diferentes armas antitanque. Existen diferentes tipos de blindaje que ni siquiera usan el acero sino los materiales cerámicos (contienen elementos metálicos y no metálicos) donde están presente los CaO, MgO, NiO, FeO y otros, que presentan propiedades elevadas de resistencia y dureza. El Blindaje Homogéneo Laminado Equivalente: El termino RHAe: (de las siglas en inglés Rolled Homogeneous Armour equivalency) significa Rollos de láminas para el blindaje homogéneo equivalente, utilizado para el propósito de pruebas y calibración de cañones antitanques. Una nueva generación de proyectiles antitanque hizo su aparición, estos no usaban un proyectil pesado, resistente y de alta velocidad para penetrar un blindaje de acero, sino que usaban una carga explosiva llamada carga hueca (es un proyectil que se proyecta sobre la placa, choca, se derrite y penetra; una vez en el vacío explota) para romper la resistencia del acero. La efectividad contra los nuevos métodos de ataque principalmente las cargas huecas y penetradoras de energía cinética, fue reemplazada por el blindaje compuesto. 13 Debido a las variaciones en la forma, calidad, material y desempeño del blindaje homogéneo laminado equivalente, la mayor parte de los vehículos blindados poseen una estructura de base formada por el blindaje homogéneo (RHA) para darle una fortaleza y resistencia general contra amenazas de todo tipo [14]. Sobre esta estructura construida se agregan los nuevos tipos de blindaje. En su uso actual, el acero laminado homogéneo para el blindaje (RHA) es producido bajo la norma militar [16] por varios fabricantes. La norma para el acero [14] es muy similar pero no idéntica a la norma para la aleación de acero de alta resistencia [15], aunque las propiedades mecánicas son muy similares a esa aleación. La elección de las aleaciones para blindajes se identifican por los siguientes factores: [9] Eficiente en el campo de tiro Deben ser ligeros Buena soldabilidad El volumen, Con relación al volumen, es un factor importante para las planchas blindadas porque si el blindaje es voluminoso y la densidad del área es baja, será difícil suministrar la posibilidad suficiente de cubrir requisitos en el espesor de los equipos, las armas de fuego, municiones, etc. Otro elemento a considerar es la plasticidad, según el comportamiento en los materiales blindados, porque estudia el comportamiento de deformaciones de los materiales dentro de los regímenes de tensión en proporciones diferentes. Dentro de las proporciones de tensiones identificadas debido a las cargas dinámicas en las estructuras metálicas, se han determinado cuatro clases: [9] La duración del impacto (cargas dinámicas) El estado de tensión del material El efecto térmico que acompaña a cada clase de tensión con relación a las temperaturas sometidas y el tiempo a que se mantiene para lograr su objetivo propuesto El efecto de la temperatura y el tiempo según los parámetros del tratamiento térmico Rendimiento Balístico: En el rendimiento balístico se verifica a través de diversos experimentos aplicados al desarrollo de blindajes metálicos desde cualquier cambio significativo de tratamiento térmico, 14 la composición de la aleación y otros parámetros que afectan las propiedades mecánicas y la correlación sobre la actuación balísticas [17]. Se conoce que los modelos reales están basados en las propiedades mecánicas, en la geometría del proyectil y del blanco (material), este último está relacionado con el proceso de fundición y los parámetros de penetración del proyectil. 1.8. Clasificación, tipos y características fundamentales de los aceros para blindaje En la industria de los aceros es posible nombrar un mismo material basándose en diversos tipos de nomenclatura según su utilización, incluso según el país o la región donde sea empleado y distribuido estos aceros [18]. Se clasifican en: aceros aleados de alta resistencia, aceros especiales de alta resistencia y aceros de baja aleación. Entre los aceros aleados de alta resistencia más usados en la industria tenemos los: HY [19] denominados aceros templados y revenidos, con la designación siguientes HY- 80 y HY- 100, similares al marcaje ASTM. En la tabla 2, describimos las equivalencias y la composición de los elementos según la norma [20]. Tabla 1.2. Nombre comercial del acero aleado Comercial Militar UNS Otras HY 80* MIL-S-21952 J 42016 ST 2770 MIL-S-16216 HY100 MIL-S-16216 J 42240 ST 2770 HY180 - - FMS-1111** - MIL-S-12560*** - - - MIL-S-46100*** - - Dónde: HY: son aceros aleados de alta resistencia utilizados para la elaboración de blindajes que caracterizan sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. MIL: su designación comercial es usada en la construcción para barcos, aviones, vehículos y otros en la industria militar aplicada en estados unidos. En estas normas MIL la 15 resiliencia es de Kc = 13J /cm3 para una temperatura de 4.4 °С, las normas inglesas especifican una resiliencia de entre (25 - 70) lb.pie para una temperatura de 40 °С y una resistencia a la fluencia de σF =1000 MPa para espesores menores de 40 mm y de (700 1000) MPa para espesores mayores. J: significa aceros aleados fundidos (pasaron por fundición) para poder elaborar los aceros en forma de barras y planchas según el tipo de utilización y su ventaja radica en que se puede elaborar en frío. UNS: sistema numérico de referencia internacional. *El número que acompaña al HY significa la resistencia última a la fluencia multiplicada por mil (psi). **Valores máximos de los aceros aleados especiales. ***Aceros de alta dureza usados para blindaje. Hoy en día se utilizan aceros especiales muy resistentes con poco espesor para los materiales blindados. Aunque la designación MIL es de gran importancia pues es utilizada en la industria militar en Estados Unidos. Los aceros de baja aleación, se caracterizan por el porcentaje muy bajo en sus elementos entre los que se destacan están el Cr, Ni, y Mo. El porcentaje influye y determina las propiedades, además del comportamiento del material frente a diversos procesos que pueden ser metalúrgicos, mecánicos y de tratamiento térmico. Propiedades de los aceros aleados especiales: La norma HY 180 es muy similar a las mencionadas anteriormente y son destinadas casi a la misma aplicación [9]. El acero HY 80: es templado y revenido con un esfuerzo a la fluencia mínima σF = 552 MPa, fue introducido por primera vez en los cascos submarinos. El acero HY 100, presenta un esfuerzo de fluencia mínimo de 690 MPa, hoy en día son los aceros básicos de fabricación para casco submarinos y debemos tener en cuenta la combinación de los elementos de aleación que contribuye a balancear su alta resistencia y buena tenacidad. Los aceros que se registran con esta norma HY 130 (HY 140) garantizan una fluencia de 900 MPa cuando se utiliza en estructura soldadas. Como la variación en la composición química es mínima no se especificarán las propiedades de los aceros individualmente sino en forma general. 16 Los aceros HY 80, HY 100 (según la taba 1.2) son similares para las normas MIL – J - 42015 y MIL - J- 42240. Estos aceros están destinados básicamente al servicio de transporte militar o civil. Los aceros para blindaje tienen propiedades importantes, entre ellas la alta dureza superficial, la alta resiliencia y resistencia a impacto. Es necesario conocer que las placas para blindaje requieren un uso óptimo en el ensamble junto con otros materiales diseñados específicamente para la industria de seguridad y otros componentes. 1.9.Efecto de los Principales Componentes de Aleación en Aceros para Blindaje [21] A continuación presentaremos los principales componentes de aleación y su influencia en los materiales blindados [22]: Carbono: es un elemento fundamental para determina la aptitud para la soldadura de los aceros con características ferríticas ya sea aumentando el poder de temple dando lugar a la formación de carburos bajo la acción de los tratamientos térmicos. A partir de ciertas proporciones de este elemento es preciso tomar precauciones especiales para que no sea perjudicial [16, 23]. Manganeso: favorece el temple del acero, es preciso limitar su contenido excepto en los casos especiales en que se busque obtener dureza o resistencia al desgaste, el manganeso actúa como desoxidante enérgico y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxígeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentra en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión. Silicio: es un reductor energético del acero al igual que el manganeso. Su contenido aumenta la tendencia al agrietamiento durante la soldadura y varía según el tipo de acero, el modo de elaboración y las concentraciones de carbono y de manganeso han de limitarse en los aceros de construcciones (0,15 - 0,30) % de carbono. Mejora ligeramente la templabilidad y la resistencia de los aceros a disminuir la tenacidad y en ciertos casos mejora también su resistencia a la oxidación. Níquel: favorece el temple como hacen también el carbono y el manganeso; en pequeña cantidad el níquel mejora la capacidad de deformación de la soldadura, afina el grano e 17 interviene favorablemente en la temperatura de transición de fragilidad del acero. Una de las ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. Cromo: suele estar unido a otros elementos como el níquel y el molibdeno, y en los aceros aleados de construcción aumentando su templabilidad del acero. Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose equitativamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30 % hasta el 30 %, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc. Molibdeno: aumenta el poder de temple del acero y minimiza la fragilidad por temple, su contenido suele estar limitado del 0,25 % a 0,35 % en los aceros con bastante carbono. Este elemento en pequeñas cantidades confiere a los aceros una mayor resistencia en caliente y la propiedad de resistir a la fluencia lenta, por esto es adecuada como elemento de adición en los aceros especiales ligeramente aleados. El molibdeno aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio. El molibdeno se disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a forma carburos. Es un potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a retardar el ablandamiento de los aceros, durante el revenido. Vanadio: aumenta rápidamente el poder del temple del acero, pero su contenido debe ser muy limitado, rara vez excede del 0,1 % a 0,2 %. Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiene una gran tendencia a formar carburos. Aluminio: es un poderoso reductor en concentraciones pequeñísimas. Calmando el acero con aluminio se reduce el efecto del nitrógeno en el endurecimiento por formación de nitruros de aluminio. Cobre: es un acero de construcción mayor, tienen gran resistencia a la corrosión por el agua. 18 Los aceros blindados son de gran demanda en el mercado debido a la utilización de sus propiedades: alta dureza, tenacidad, y resistencia elevada para mantener así una estructura compacta; tanque y naves pueden ser equipados con fuertes blindajes, pues su maniobrabilidad relativa es de por si reducida con respecto a un jeep, camión o aeronave de transporte militar, que requiere de mayor movimiento y necesita ser menos pesados. 19 Capítulo II Materiales y Métodos 2.1. Descripción de la estrategia experimental La estrategia experimental desarrollada en el trabajo se distingue por estar conformada de dos partes. En una primera parte [24] se evalúa el comportamiento de la microestructura y la dureza en la sección transversal de planchas de acero 30CrMnSi, tomadas de diferentes lotes, con el propósito de inferir la estabilidad en cuanto a templabilidad. En la segunda parte se evalúa el efecto del tiempo de revenido sobre la microestructura y la dureza de un acero del cual no se tiene conocimiento de su clasificación y se considera diferente al acero 30CrMnSi, desde el punto de vista de su respuesta al tratamiento térmico. En la primera parte del trabajo se utilizaron planchas de 6 lotes de acero 30CrMnSi con espesor de 30 mm, cortadas a dimensiones de (100 x 100 x 30) mm. La composición química nominal y las propiedades mecánicas en estado de entrega del referido acero, según la norma [25], se muestran en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente. Las muestras fueron tratadas térmicamente con temple en aceite con calentamiento a 920 ºC durante 45 min y un revenido a 200 ºC durante 60 min (1h), de acuerdo con el régimen que aparece en la figura 2.1. Tabla 2.1: Composición química nominal del acero 30XГC, según la norma [25] C Mn Si Cr Ni P S Cu 0.28-0.35 0.80-1.10 0.90-1.20 0.80-1.10 ≤ 0.30 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.3 Tabla 2.2: Propiedades mecánicas en estado de entrega del acero 30XГC (temple a 880 °С en aceite con revenido a 540 °С en agua o aceite), según la norma [11] Tensión de Tensión de Elongación fluencia rotura KCU (σF) Mpa (σB) MPa J/cm3 HB 8 11 44 229 Estricción Sección de Relativa la probeta % (Ψ) % (mm) 10 45 25 Dureza relativa (δ) 20 Figura 2.1. Régimen de tratamiento térmico aplicado a las muestras. De las muestras tratadas térmicamente, con corte mediante electro-erosión, se obtuvieron probetas de aproximadamente (25 x 25 x 30) mm, de acuerdo a como se muestra en la figura 2.2. Figura 2.2. Plancha indicando la región de la cual se realizó el corte a las muestras. Para la medición de dureza se empleó un durómetro Vickers con carga de 10 kgf (HV10), aplicada durante 10 s. Se realizaron 5 mediciones en el centro de la muestra (línea roja de la figura 2.3), 5 mediciones a una distancia correspondiente a la mitad entre el centro y la superficie hacia la derecha y la izquierda (líneas amarillas de la figura 2.3) y 5 mediciones a una distancia correspondiente a ¾ entre el centro y la superficie hacia la derecha y la izquierda (líneas azules de la figura 2.3). Los resultados fueron procesados estadísticamente utilizando el software EXCEL para determinar la media y el intervalo de confianza, así como el análisis de varianza. Figura 2.3. Posiciones en la cuales se realizaron las mediciones de dureza. 21 Para la segunda etapa se utilizaron planchas de acero aleado de bajo carbono con un sistema C-Si-Mn-Mo de baja aleación de espesor 8 mm, es un acero para prestaciones especiales, cortadas en guillotina con dimensiones de (8 x 15 x 60) mm y otro lote con dimensiones de (100 x 100 x 8) mm. La composición química del acero seleccionado se estableció a través del Informe de Ensayos Químicos para el acero el sistema C-Si-Mn-Mo de baja aleación para PL 8mm de espesor, se muestra en la tabla 2.3. Tabla 2.3. Composición Química del Acero utilizado en la investigación Media C Si Mn P S Cu Al Cr Mo Ni V Ti Nb Co W Pb 0.3 14 1.2 61 1.4 31 0.0 15 0.0 04 0.0 26 0.0 27 <0.0 01 0.1 55 <0.0 01 <0.0 01 0.0 05 0.0 02 0.0 37 0.0 11 <0.0 01 Desviación estándar C Si Mn P S Cu Al Cr Mo Ni V Ti Nb Co asd 0.008 0.006 0.008 0.02 0.001 0.002 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.002 rsd 2.40 0.50 0.57 10.63 28.14 6.34 1.74 0.01 1.20 0.01 5.72 6.56 4.15 Las muestras de acero aleado con sistema C-Si-Mn-Mo de baja aleación fueron tratadas térmicamente a una temperatura de temple de 970 °С y con un enfriamiento en aceite [7], posteriormente se le aplican al acero especial el régimen de tratamiento de revenido a 260 ºС durante 4 horas, se realiza un enfriamiento al aire con relación a los tiempos de permanencia. En general suele recomendarse que las piezas permanezcan a la temperatura de revenido de 30 min a 4 h en este tipo de acero. De las muestras tratadas térmicamente, se rectificaron sus caras después de cortadas y por normas establecidas [5] luego se fresan estas probetas con entallas para comprobar resiliencia, dureza y microestructura, con posterioridad al fresado alcanzan las siguientes dimensiones: 7,5 mm x10 mm x 55 mm (figura 2.4). 22 Figura 2.4. Plancha indicando las probetas después del revenido. Las probetas para el analisis metalograficos fueron desbastadas con papel esmerily se ataca con reactivos químicos para saber con exactitud la estructura interna del acero, se observan en el microscopio. El pulido mécanico final se obtiene sobre un paño de fieltro con la aplicación de pasta de diamante tamaño de grano 2 µm (micras). En la máquina pulidora horizontal eléctrica se sitúan lijas abrasivas de agua para desbatar las probetas con tamaños de granos abrasivos muy finos entre 100, 120, 180 y los granos gruesos para el desbaste que oscile de 240, 320, 400, 600 y 800, luego se realizó el ataque por inmersión en nital (ácido nitrico) al 4 % en alcohol durante 10 s. La observación de la microestructura y la toma de macrofotografías se realizaron con ayuda de un microscopio optico marca Neophot 32, para determinar la estructura del objetivo ( 50X), con una graduación en el cambiador para las fotos 800X , acoplada una cámara digital en la adquisición de la imagen. Los análisis metalográficos se realizan para determinar la microdureza, su preparación se determina con muestras para la micrografía, realizándose en una pulidora metalográfica según la norma [5, 26]. En la medición de dureza se empleó un durómetro Vickers con carga 10 kgf (HV10), en un tiempo 10 s. Se realizaron 10 mediciones y los resultados fueron procesados estadísticamente utilizando el software EXCEL que determina la media y el intervalo de confianza, así como el análisis de varianzaen el acero con propiedades especiales . Ver Anexo (Tabla3). 23 Capítulo III Análisis y Discusión de los Resultados 3.1. Comportamiento de la dureza, aplicado en el acero 30CrMnSi En la primera parte se evalúa el comportamiento de la microestructura, su dureza en la sección transversal del acero 30CrMnSi, tomadas en diferentes lotes, con el propósito de concluirla estabilidad en cuanto a templabilidad. Se muestra por medio de tablas, indicando los análisis de la varianza por modelos, la distribución y probabilidad. Los resultados de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra para el acero 30CrMnSi, aparecen en la tabla 3.1 (centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la superficie hacia ambos lados, respectivamente). Tabla 3.1. Valores de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra (centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la superficie hacia ambos lados, respectivamente) 6 Muestras 1 2 3 4 5 409 297 317 437 351 339 1/2 D 394 302 309 442 333 360 405 319 312 409 357 348 336 437 312 322 464 317 348 397 330 322 433 322 297 309 319 330 339 322 1/2 I 302 312 319 314 314 322 319 306 319 289 306 348 312 268 325 304 319 348 330 327 319 317 342 327 317 325 299 309 325 342 309 312 317 309 336 357 3/4 D 312 312 322 281 342 339 322 314 319 314 351 376 322 302 319 325 360 370 437 464 450 425 304 360 442 459 446 433 304 370 3/4 I 409 446 425 433 312 373 464 446 429 442 314 348 433 425 478 405 339 312 425 325 297 413 330 360 425 317 297 446 345 354 Centro 442 312 317 421 333 339 433 325 317 442 342 339 460 319 314 433 351 348 24 A partir de los resultados de la dureza medida en diferentes posiciones de cada muestra, se evalúa la homogeneidad de la dureza en el espesor. Una evaluación preliminar se obtiene graficando estos resultados, tal como aparece en la figura 3.1. Figura 3.1. Valores de la media de la dureza y el intervalo de confianza según las posiciones analizadas para cada una de las muestras. Para definir posibles diferencias entre las medias de la dureza según la posición observadas en la figura 3.1, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación: dureza por 25 posición, estableciendo la hipótesis nula (Ho), estos datos aportan igualdad de la media de la dureza en las diferentes posiciones, como hipótesis alternativa toman al menos un valor medio de la dureza en una posición diferente de la media del resto de las posiciones. Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en las tablas 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 y 3.7, respectivamente. Tabla 3.2. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 1 Origen de las Suma de Grados de Promedio de Fisher Probabilidad variaciones cuadrados libertad los cuadrados (F) (P) Entre grupos 6034,64 4 1508,66 1,7606 0,1764 17138 20 856,9 23172,64 24 Dentro de los grupos Total Valor crítico para F 2,8660 Dónde: F: distribución para la hipótesis nula. Grados de libertad: suma de valores individuales con respecto a la media (n-1). Probabilidad: es un valor comprendido entre 0 y 1, describe la frecuencia de acontecimientos mediante la realización de experimentos. Suma de Cuadrados: es la desviación típica o estándar (EE). Tabla 3.3. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 2 Origen de las Suma de Grados de variaciones cuadrados libertad Promedio de los cuadrados F Probabilidad Valor crítico para F 1,1764 0,3510 2,8660 Entre grupos 872 4 218 Dentro de los grupos 3706 20 185,3 Total 4578 24 26 Tabla 3.4. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 3 Origen de las variaciones Suma de cuadrados Grados de libertad Promedio de los cuadrados F Probabilidad Valor crítico para F Entre grupos 314,24 4 78,56 0,7013 0,6001 2,8660 2240,4 20 112,02 2554,64 24 Dentro de los grupos Total Tabla 3.5. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 4 Origen de las variaciones Suma de cuadrados Grados de Promedio de libertad los cuadrados Entre grupos 1578,96 4 394,74 Dentro de los grupos 5794,4 20 289,72 Total 7373,36 24 F Probabilidad Valor crítico para F 1,3624 0,2822 2,8660 Tabla 3.6. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 5 Origen de las variaciones Suma de cuadrados Grados de libertad Promedio de los cuadrados F Probabilida d Valor crítico para F Entre grupos 2827,44 4 706,86 3,462 6 0,0263 2,8660 Dentro de los grupos 4082,8 20 204,14 Total 6910,24 24 Tabla 3.7. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 6 Origen de las variaciones Suma de cuadrados Grados de libertad Promedio de los cuadrados F Probabilidad Valor crítico para F Entre grupos 1566 4 391,5 1,5837 0,2173 2,8660 Dentro de los grupos 4944 20 247,2 Total 6510 24 27 De acuerdo con estos resultados, se aprecia en todos los casos que la probabilidad (P) es mayor a 0,01 aceptándose la hipótesis nula, concluyendo un nivel de significación estadística para el valor del nivel de confianza α = 99,9 %. La dureza en cada una de las muestras no es afectada por la posición en que se mide la misma, esta variable se comporta de manera homogénea en todo el espesor, aportando igualdad para todos los casos. Al resultar homogénea la dureza en el espesor de cada muestra se procede a determinar el valor medio de la misma (hipótesis alternativa) a partir de las 25 mediciones efectuadas en las diferentes posiciones. Los resultados de la medida de la dureza de cada muestra, el intervalo de confianza α = 95 % y el margen de error relativo se muestran en la tabla 3.8. Tabla 3.8. Resumen de los descriptivos estadísticos para cada muestra MUESTRAS ESTADÍSTICOS Media Desviación Típica(σ) Intervalo de Confianza con 95 % de significación estadística 1 5 6 412,8 313,4 312,12 437,84 331,52 347,4 31,07 13,81 10,31 17,52 16,968 16,46 12,82 5,70 4,25 7,23 7,00 6,79 3,10 1,81 1,36 1,65 2,11 1,95 Margen de Error Relativo (%) 2 3 4 Es de destacar que el margen de error relativo en la estimación de confianza para la media de la población, de manera general, resulta adecuado pues se encuentra aproximadamente entre 1,5 % y 3,0 %. En la figura 3.2 se muestra un gráfico representando el conjunto de resultados de dureza en cada una de las muestras. En él se aprecian ciertas diferencias de comportamiento en la dureza entre diferentes muestras, destacándose visualmente tres pares de muestras con valores de dureza próximos: par conformado por las muestras 1 y 4, par conformado por las muestras 2 y 3, par conformado por las muestras 5 y 6. 28 Figura 3.2. Gráfico de la media de la dureza e intervalo de confianza (para un 95 % de significación estadística) de cada muestra. Para evaluar las posibles diferencias de la dureza entre las diferentes muestras, se aplica el análisis de varianza, aportando información sobre la variable de clasificación observada: dureza por muestra. Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en la tabla 3.9. Tabla 3.9. Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza entre muestras Origen de las variaciones Suma de cuadrados Grados de libertad Promedio de los cuadrados F Probabilidad Entre grupos Dentro de los grupos 357134,5 5 71426,9 201,28 <0.0001 51098,88 144 354,8533 Total 408233,4 149 Valor crítico para F 2,27704 En estos resultados apreciamos que la probabilidad es menor que 0.001, rechazando la hipótesis nula, concluyendo con un nivel de significación estadística del 99.9 %, esto motiva que se aplique el análisis de comparación media entre los grupos, para establecer entre cuáles muestras existe la diferencia apreciada. Los resultados del referido análisis para cada par de muestra se brindan en la tabla 3.10. 29 De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla 3.10, se aprecian los siguientes resultados estadísticos, las medias de la dureza de muestreo por pares (1 y 4), (2 y 3) y (5 y 6) de la figura 3.2 respectivamente son homogéneos. Tabla 3.10. Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza entre pares de muestras Pares de Muestras Comparadas Parámetros Estadísticos 1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-3 2-4 2-5 2-6 3-4 3-5 3-6 4-5 4-6 5-6 Varianza agrupada 578 535 636 626 618 148 248 239 231 206 197 188 297 289 279 Grados de libertad 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 9,3 0,3 Distribución(t) 14,6 15,3 -3,4 11,4 -27,8 -4,1 -7,9 -30,9 -4,8 -9,0 21,7 18,8 -3,3 Probabilidad(P) 10-19 10-20 10-3 10-15 10-12 0,356 10-31 10-5 10-10 10-33 10--6 10-12 10-27 10-24 10-3 Valor crítico de 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01 t 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 Nota: La probabilidad nos describe la frecuencia de acontecimiento, mediante la realización de experimento aleatorio, obteniendo distintos resultados en condiciones idénticas, su valor comprendido esta entre 0 y 1. Se asume una diferencia hipotética de las medias igual a cero. 30 Comportamiento de la Dureza para el acero C-Si-Mn-Mo En la segunda parte se evalúa el efecto del tiempo de revenido sobre la microestructura y la dureza de un acero del cual no se tiene conocimiento de su clasificación y se considera diferente al acero 30CrMnSi desde el punto de vista de su respuesta al tratamiento térmico. El acero con medio de carbono y baja aleación para prestaciones especiales con sistema C-SiMn-Mo, se analizaron las probetas desde la 1.0 hasta la 12.3, detallando sus resultados por medio de la tabla 3.2, con sus tiempos de revenidos. Tabla 3.2. Resultados de los Experimentos Probeta s No Permanenci a a la temperatura de Revenido min (h) 1,0 1,2 1,3 30 (1/2) 2,0 2,2 2,3 60 (1) 3,0 3,2 3,3 90(1 1/2) 4,0 4,2 4,3 120 (2) 5,0 5,2 5,3 150 (2 1/2) 6,0 6,2 6,3 165 (2 3/4) 7,0 7,2 7,3 180 (3) 8,0 8,2 8,3 195 (3 1/4) 9,0 9,2 9,3 210 (3 1/2) 10,0 10,2 10,3 11,0 11,2 11,3 12,0 12,2 12,3 225 (3 3/4) 240 (4) 255 (4 1/4) Durómetro HB Resiliencia Kc (J/cm3) Durómetro (HV10) N/mm 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 44 4 42 9 42 9 46 1 42 9 46 1 46 1 46 1 44 4 44 4 46 1 42 9 44 4 42 9 46 1 46 1 41 5 46 1 46 1 44 4 44 4 44 4 42 9 46 1 41 5 47 7 42 9 44 4 44 4 46 1 44 4 44 4 44 4 44 4 42 9 42 9 41, 2 41, 2 34, 3 42, 2 38, 3 33, 3 34, 3 38, 3 44, 1 39, 2 39, 3 44, 1 35, 3 42, 2 41, 2 45, 1 37, 3 36, 3 37, 3 41, 2 45, 1 42, 2 37, 3 48, 1 37, 2 45, 1 37, 3 37, 3 44, 1 33, 3 38, 2 40, 2 42, 1 37, 3 37, 3 47, 1 35 7 41 3 42 9 45 0 42 5 45 9 39 4 36 6 44 2 36 6 34 2 38 7 36 3 38 7 40 5 39 0 40 5 43 7 38 3 36 0 46 8 42 5 40 1 39 4 45 0 45 5 39 4 38 0 42 1 41 7 41 3 36 3 44 2 41 3 40 5 37 3 40 9 49 8 40 9 33 6 43 3 41 3 42 5 37 6 42 1 43 3 38 7 41 3 47 8 39 0 44 2 43 3 48 8 40 5 46 8 38 0 45 9 43 3 39 4 41 3 41 3 40 5 41 7 43 3 46 4 38 3 41 3 33 6 40 5 43 7 39 0 42 9 40 5 49 3 42 5 38 0 44 2 35 7 38 3 36 6 42 1 41 7 39 7 45 9 38 0 46 4 40 9 38 7 40 9 44 6 42 9 34 8 41 3 38 7 42 9 43 7 39 7 50 3 39 7 42 5 42 1 42 1 42 1 35 4 45 9 40 5 39 7 45 9 41 3 44 2 38 3 38 7 39 7 43 7 45 5 34 8 39 4 42 9 38 3 40 9 Los resultados obtenidos en microdureza con relación a sus tiempos, aparecen en la tabla 3.3. La desviación de los valores en microdureza se aprecia un ligero aumento, después de las tres horas y media (210 min); durante el tiempo anterior solo se producen oscilaciones de máximos y mínimos, lo que nos permite pensar, que las propiedades mecánicas del material estarían alcanzando su valor límite, después de pasado este tiempo. 31 Tabla 3.3. Comportamiento de la microdureza con el tiempo de revenido Tiempo de Probetas No Revenido min (h) 1,0 1,2 1,3 30 (1/2) Microdureza (HV10) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 357 363 450 409 478 413 405 380 397 Desviac Media 413 + 28.02 406.50 2,0 2,2 2,3 60 (1) 413 387 455 498 390 405 493 464 503 442 + 31.15 445.00 3,0 3,2 3,3 90 (1 1/2) 429 405 394 409 442 417 425 409 397 383 + 13.15 411.00 4,0 4,2 4,3 120 (2) 450 390 380 336 433 433 380 387 425 387 + 25.67 400.10 5,0 5,2 5,3 150 (2 1/2) 425 405 421 433 488 464 442 409 421 397 + 22.73 430.50 6,0 6,2 6,3 165 (2 3/4) 459 437 417 413 405 383 357 446 421 437 + 28.63 417.50 7,0 7,2 7,3 180 (3) 394 383 413 425 468 413 383 429 421 455 + 19.21 418.40 8,0 8,2 8,3 195 (3 1/4) 366 360 363 376 380 336 366 348 354 348 + 10.58 359.70 9,0 9,2 9,3 210 (3 1/2) 442 468 442 421 459 405 421 413 459 394 + 19.56 432.40 10,0 10,2 10,3 225 (3 3/4) 366 425 413 433 433 437 417 387 405 429 + 19.34 414.50 11,0 11,2 11,3 240 (4) 342 401 405 387 394 390 397 429 397 383 + 25.02 392.50 12,0 12,2 12,3 255 (4 1/4) 387 394 373 413 413 429 459 437 459 409 + 23.16 417.30 El comportamiento mecánico del acero 30XГC (según la norma GOST) con relación a valores para el acero con sistema C-Si-Mn-Mo, su temple aplicado a 970 °С en aceite y con revenido a 260 °С al aire en plancha de 8 mm, aparecen en la tabla 3.4. Tabla 3.4. Propiedades mecánicas del acero [11, 27] Propiedades Mecánicas Acero C-Si-Mo-Mn σF σB Kc 3 δ Sección de la (MPa) (MPa) (J/cm ) (% ) Pieza (mm) 8 10 41 - 45 10 8 Dónde: σF: Tensión de fluencia (limite elástico) σB: Tensión de rotura (tensión efectiva ultima antes del momento de rotura ) Kc: Resiliencia δ: Elongación (incremento de la longitud) 32 Los resultados de los valores de dureza con sus tiempos de revenido aparecen en cada muestra en el acero con prestaciones especiales (tabla3.5). Tabla 3.5. Valores de dureza según las estimaciones para el intervalo de confianza al 95 % de significación estadística Tiempo de Muestras revenido min (h) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 30 (1/2) 60 (1) 90 (1 1/2) 120 (2) 150 (2 1/2) 165 (2 3/4) 180 (3) 195 (3 1/4) 210 (3 1/2) 225 (3 3/4) 240 (4) 255 (4 1/4) Intervalo de confianza al 95 % Media Error típico 406,500 445,000 411,000 400,100 430,500 417,500 418,400 359,700 432,400 414,500 392,500 417,300 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 9,130 Límite inferior Límite superior 388,403 426,903 392,903 382,003 412,403 399,403 400,303 341,603 414,303 396,403 374,403 399,203 424,597 463,097 429,097 418,197 448,597 435,597 436,497 377,797 450,497 432,597 410,597 435,397 A partir de los resultados de la dureza medida en cada muestra, se evalúa la variable del tiempo de revenido para el acero en prestaciones especiales. En las probetas comprendidas desde 1,0 hasta 12,3 podemos estimar los valores de dureza según la tabla 3.5. La media de las poblaciones (probetas) para el cálculo de dureza se realizó por estimaciones estadísticos, según las variables tiempo y dureza. Una evaluación preliminar se obtiene graficando estos resultados, tal como aparece en la figura 3.3. 33 Figura 3.3. Valores de la media de la dureza y el intervalo de confianza según las posiciones analizadas para cada una de las muestras. Los resultados obtenidos en microdureza con relación a sus tiempos aparecen en la figura 3.3. Se muestra un gráfico con el conjunto de resultados de dureza para cada una de las muestras; se aprecian ciertas diferencias en su comportamiento, destacándose visualmente los pares de muestras con valores en dureza próximos: (3, 6, 7, 10, 12) y los pares conformado con valores (1, 4, 11) y (5 y 9). La muestra 2 con tiempos de (1), alcanza mayor valor en dureza 445 HV, y la muestra 8 con tiempos de (3 1/4), alcanza menor valor en dureza 360 HV. Para definir las posibles diferencias entre las medias de la dureza según la posición observadas en la figura 3.3, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación: dureza por tiempo. Los tiempos de revenido para las probetas 3, 6, 7, 10 y 12; arrojaron para sus tiempos valores similares de dureza media 411 HV (1 1/2), 417 HV (2 3/4), 418 HV (3), 414 HV(3 3/4), 417 HV (4 1/4); y para los valores próximos se establecen sus tiempos en el revenidosegún la muestra 5 (2 1/2) con valor de dureza media 430 HV y la muestra 9 (3 1/2) con valor de dureza media 432 HV, y las muestras 1, 4, 11; sus valores de dureza media 406 HV (1/2), 400 HV (2), 392 HV (4); realmente los valores de dureza siguen siendo próximos, 34 considerando el valor homogéneo con relación a su dureza no afectando nuestra variable tiempo. La figura 3.4 muestra el comportamiento de la microdureza promedio con el tiempo de permanencia a la temperatura de revenido. Promedio 50 40 30 Promedio 20 Lineal (Promedio) 10 0 0 100 200 300 Figura 3.4. Comportamiento de la microdureza con relación al tiempo. El resultado de la dureza final así como sus propiedades después del temple y revenido pueden ser variadas, para estos aceros de medio carbono y baja aleación. La magnitud microdureza como se aprecia en la figura 3.4 manifiesta una tendencia ligera a aumentar, después de los 200 min (3 1/2), durante el tiempo anterior solo se producen oscilaciones de máximos y mínimos, lo que nos permite pensar, que las propiedades mecánicas del material estarían alcanzando su valor límite, después de pasado este tiempo. La línea de tendencia, es ligeramente ascendente, nos indica como varia los puntos en el gráfico en cuanto a la dureza según los tiempos escalonados aplicados en el revenido. 3.2. Comportamiento de la microestructura, aplicado en el acero 30CrSiMn Teniendo en cuenta la composición química nominal del acero 30CrSiMn (Tabla 2.1) se puede plantear que el mismo pertenecen a los aceros que durante el temple sufren del denominado autorevenido [28]. Como resultado del revenido a baja temperatura en el acero a 200 °С, se obtiene una microestructura de martensita parcialmente revenida, adquiriendo elevada resiliencia y plasticidad, conservando su alta dureza; posteriormente con el revenido bajo se reduce el grado de tetragonalidad en la red cristalina de martensita; por descomposición de la martensita 35 con la formación de finos carburos ε y la disminución del contenido de carbono, permite su paso posteriormente a una red cúbica centrada en el cuerpo (BCC); en la referida transformación obtenemos una microestructura que conserva el carácter acicular característico de la martensita (figuras 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 y 3.10). Estas transformaciones asociadas con el temple y el revenido bajo, desde el punto de vista de la microscopía óptica, se manifiestan de manera especial; en este sentido, a medida que evoluciona la descomposición de la martensita con la formación de carburos ε se aprecia un oscurecimiento en la microestructura [28]. Precisamente este efecto de oscurecimiento en la microestructura se valora en las figuras 3.7, 3.8, 3.9 y 3.10 con respecto a las figuras 3.5 y 3.6. Como resultado de esta observación se puede concluir que las muestras 2, 3, 5 y 6 han sufrido una descomposición de la martensita en estadio (etapa) ligeramente más avanzado con respecto a las muestras 1 y 4 (figuras 3.5 y 3.6). Este resultado de la microestructura está en correspondencia con el comportamiento de la dureza, apreciando en las muestras 1 y 4 valores de dureza similares y mayores que las demás muestras; lo que desde el punto de vista de la microestructura se refleja en menor oscurecimiento en las primeras. En el caso de los pares de muestras (2 y 3) y (5 y 6) con valores de dureza menores que el par (1 y 4) pero próximos entre sí, se tiene un oscurecimiento de la microestructura muy similar. Figura 3.5. Microestructura de la muestra 4, mostrando un carácter acicular. 36 Figura 3.6. Microestructura de la muestra 1, mostrando un carácter acicular. Figura 3.7. Microestructura de la muestra 6, mostrando un carácter acicular. Figura 3.8. Microestructura de la muestra 5, mostrando un carácter acicular. 37 Figura 3.9. Microestructura de la muestra 3, mostrando un carácter acicular. Figura 3.10. Microestructura de la muestra 2, mostrando un carácter acicular. Comportamiento de la microestructura para el acero de sistema C-Si-Mn-Mo Para los experimentos de microestructura en aceros con prestaciones especiales, se seleccionaron probetas desde la No.1 hasta la 12,3 y se analizaron su estructura con formación martensita revenida, como resultado de la referida transformación se obtiene una microestructura que conserva el carácter laminar característico de la martensita (figuras 3.11, 3.12, 3.13, 3.14). De estas, las representativas para su análisis fueron seleccionadas las probetas No1, 5, 6, 12, con sus tiempos de revenido. Los cristales de martensita son laminas observadas en el plano de la metalografía con formas de agujas, por esto, para describir la microestructura de la martensita, es aceptable el término de agujas situadas paralelamente o que cortan formando ángulos determinados de 60° y 120°. A consecuencia del revenido bajo, se obtiene una estructura de martensita parcialmente revenida vista en la microestructura óptica; el revenido en este acero se aplica para aliviar tensiones internas, el acero se hace menos frágil, conserva alta dureza y buena resistencia al 38 desgaste y en su estructura percibimos un ligero oscurecimiento de las agujas de la martensita, al igual que el acero 30CrMnSi, apreciando un oscurecimiento de la microestructura. Precisamente este efecto de oscurecimiento de la microestructura es el que se valora en las figuras 3.11, 3.12, 3.13 y 3.14 con respecto a las figuras 3.5 y 3.6 del acero 30CrSiMn. Este resultado de la microestructura está en correspondencia con el comportamiento de la dureza, en el que se aprecia que las muestras 6 y 12, con 417 HV (2 3/4) y 417 HV (4 1/4); tienen diferentes valores de dureza con respecto a las muestras 1 y 5, con valor en dureza de 406 HV (1/2) y 430 HV (2 1/2) y con relación a las demás muestras. En la probeta 1 se caracteriza una estructura martensita (figura 3.11), analizadas en el microscopio electrónico con un aumento de 50X. El tiempo del revenido aplicado en la primera horneada para esta muestra fue de 30 min (1/2), estimando su macrodureza de 444 HB, con una resiliencia Kc (35 - 37) J/cm3 comprobado por las normas MIL la fiabilidad del material o la resistencia a la rotura, debido al grado de plasticidad de la probeta ensayada. En la probeta 5 como se observa en la figura 3.12, su estructura es de martensita con cristales en formas de láminas con cantidades de austenita residual en formas de campos claros entre las agujas de martensita. La cantidad de austenita residual que muestra la probeta, depende de la posición del punto martensitico a la temperatura de 260 °С con tiempos de 150 min (2 1/2), presenta una macrodureza (415 – 429) HB. Como podemos apreciar en la figura 3.13 de la probeta 6 con tiempos de (2 3/4), se aprecian en su estructura martensita con cantidades de austenita residual que muestra la probeta. El tiempo del revenido aplicado en la sexta horneada se elevó la macrodureza a 461 HB, con una resiliencia media de 33.3 J/cm3y una microdureza de 417 HV. En la figura 3.14 de la probeta 12 con tiempos (4 1/4); se observan estructura martensita revenida con cristales también en formas de láminas, estimando su macrodureza en 429 HB y con una resiliencia mayor de Kc de 44 J/cm3 y una microdureza de 417 HV. 39 Figura 3.11. Microestructura martensita de la probeta 1. Figura 3.12. Microestructura martensita de la probeta5. Figura 3.13. Microestructura martensita de la probeta 6. 40 Figura 3.14. Microestructura martensita de la probeta 12. Con relación al análisis realizado en el acero 30CrMnSi, se estudió el comportamiento homogéneo de su dureza por medio del cálculo estadístico en su espesor, apreciando una microestructura martensita al igual que el acero con prestaciones especiales C-Si-Mn-Mo, en la cual le procede una composición de martensita revenida, con un revenido para analizar su dureza por medio del cálculo estadísticos con relación a sus tiempos, apreciando una diferencia microestructural fundamentalmente en lo referente al oscurecimiento de la estructura martensita. Estas características del acero 30CrMnSi se comportan parecido al referido acero con prestaciones especiales de baja aleación según los regímenes de tratamiento térmicos para obtener aceros blindados, utilizados para la conformación y protección en el campo de la industria militar. Los revenidos a temperaturas (150 – 260) °C aproximadamente, se clasifican como bajos muy recomendables para el acero con sistema CSi-Mn-Mo, de baja aleación ya que eliminan las tensiones que tienen los aceros templados y aumentan la tenacidad sin disminuir la dureza del acero. Los tiempos de revenido aplicados a los aceros especiales, para observar las diferencias significativas en la dureza macro (HB) y micro (HV), se hace efectiva los tiempos con el aumento de dureza y ligeramente sube la resiliencia. La resiliencia en el acero es alta, su energía se hace más fuerte en absorber la energía de impacto del proyectil, garantizando la fiabilidad del material. 3.Ensayo de Impacto En el ensayo podemos determinar las mediciones con el fin de apreciar cuan correctos son los regímenes de tratamiento térmico empleado para valorar su resiliencia y se utilizan para evaluar la fragilidad de un material bajo un golpe súbito o intenso. El ensayo de impacto tiene 41 como función principal determinar los valores dinámicos del material después de realizados el tratamiento térmico de temple y revenido. Las probetas se prepararon a través de la norma de especificación del acero analizado por los métodos Standard y Definiciones [29]. Para determinar la resiliencia (Kc) se utilizan para su procedimiento el ensayo de Impacto o el Péndulo Charpy, elaborando las probetas con entallas tipo V. La probeta con entalla V se fija en dos soportes de la máquina de ensayo de impacto, de tal modo que la arista percutora del péndulo incida en la parte posterior de la entalla descargando toda la energía cinética que trae el mismo y valorar como se absorbe la misma por la probeta. Se comienza elevando el péndulo, dejándolo caer libre para lograr la carga de 30 kgm/cm2 desde las probetas No.1 hasta la probeta 12,3. El cálculo se simplifica por tablas especiales en las que está indicada la magnitud del trabajo de choque para cada ángulo de las entallas. Por consiguiente, el trabajo de propagación de la grieta caracteriza la fiabilidad del material. El valor de resiliencia para el acero investigado oscila de (38 - 44) J/cm3 y en ocasiones hasta 48 J/cm3 según la tabla 3.2. El efecto que tiene la temperatura de revenido y su velocidad de enfriamiento después del revenido en los ensayos de impacto se valoran la resiliencia del acero, ocurre por varios factores. La razón para que esto suceda enunciaremos los factores siguientes [1, 2, 6]: • Por la descomposición irregular de la martensita en martensita revenida por los límites de los granos de austenita, lo que surge una diferencia brusca entre la resistencia en los límites del grano y en su interior. Esto ocasiona que las capas menos resistentes, cerca de los límites de granos actúen como concentradores de tensiones conduciendo a la rotura por fragilidad. • Por la aparición de una red o película de cementita que envuelve las agujas de martensita. Esto ocurre en los inicios de la tercera etapa del revenido (transformación sin difusión de Feɣ de red cúbica centrada en las caras (FCC), al enfriarse →Feα cambia a red cristalina centrada en el cuerpo (BCC) frecuentemente saturada con carbono (cementita). La fragilidad es máxima cuando es mayor la continuidad de esa red de cementita. La red desaparece a temperaturas más elevadas al producirse la coalescencia de la cementita, con lo que la red tiende a desaparecer, la dureza disminuye y aumenta la tenacidad. • Por la presencia de fósforo en el acero, lo que produce la fusión y separación intergranular. • Por el endurecimiento por dispersión o derramamiento, al retirar los primeros carburos durante el revenido. 42 3.4. Bases Técnicas Generales para la Tecnología del Tratamiento Térmico de las Planchas de Acero para Blindaje para espesor 8 mm A continuación describimos las bases técnicas para la tecnología del tratamiento térmico del blindaje [30]: 1. Limpieza de las planchas 2. Caracterizar el material y composición química 3. Corte de las planchas y un testigo o patrón de 100 mm x 100 mm 4. Las tolerancias en los cortes + 3.0 mm 5. Temple: 5.1-Verificar la temperatura del aceite 5.2-Introducir la carga, con el horno a una temperatura de 970 °C 5.3- Establecer la temperatura y el tiempo de permanencia 5.4- La velocidad de traslado de las planchas hacia al baño no puede ser mayor de 20 s. Para evitar la pérdida de calor y por tanto de la temperatura de temple 5.5- Sacar cesto con planchas del baño y dejar escurrir 5.6- Tomar testigo y hacerle prueba de dureza la que debe estar entre (44 – 46) HRc 5.7- Dejar en reposo 6. Revenido: 6.1- Dar el revenido antes de las 24 h posteriores al temple 6.2- Colocar las cestas dentro del horno a 260 °C 6.3- Temperatura de mantenimiento de 4 h 6.4- Enfriamiento al aire 6.5- Comprobar dureza del testigo (388 - 444) HB 7. Limpieza de las planchas 8. Realización de las pruebas con tiro de combate: 8.1- Distancia (25 – 30) m 8.2- Ángulo 90° 8.3- Cantidad de disparos para las planchas de diferentes dimensiones: 3 disparos para planchas grandes 2 disparos para planchas medianas 1 disparos para planchas pequeñas 8.4-La prueba se realiza con un fusil AK- 47 contra blindaje. 43 3.5. Prueba de rigor balística Para la realización de las Pruebas de Rigor Balísticas con tiro de combate se realiza con un Fusil "AK - 47″, es un fusil de asalto usado en todas las guerras y se aplica sus pruebas contra el blindaje de planchas 8 mm, a una distancia de (25 – 30) m, con un ángulo de 90° y una cadencia de fuego automático de 600 disparo por min . El fusil ″AK - 47" es un fusil de asalto, de origen Ruso, usados en todas las guerras, de munición Ø 7,62 mm x 39 mm de largo. El sistema de disparo se recarga por minuto y accionada por gas, con cerrojo rotativo. El alcance del fusil "AK - 47″ es de 400 m (aproximadamente 4 cuadras) y tiene una velocidad máxima del proyectil de 715 m/seg . En las figuras 3.15 y 3.16, aparecen las fotos de prueba balistas de planchas blindadas. El parámetro de control ″RESISTE" si el proyectil no atraviesa la plancha y al menos es retenido en su interior. Figura 3.15. Pruebas Balísticas en Planchas de Aceros Blindadas. Figura 3.16. Pruebas Balísticas en Planchas de Acero para Blindaje. 44 Los resultados balísticos se caracteriza por el parámetro de control resiste, si el proyectil “Pasa” atraviesa el proyectil dentro de la pieza, se descarta la pieza por parámetros establecidos por calidad y “No Pasa” apreciando sobre la plancha un abollado pequeño, producto del disparo efectuado por el proyectil sobre el material. 45 CONCLUSIONES 1. En cada lote de acero acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación del acero 30CrMnSi, para aplicación en blindaje estudiado se aprecia un comportamiento homogéneo de la microestructura en el espesor, la cual consiste de martensita revenida con carácter acicular; en correspondencia con el comportamiento de la microestructura se aprecia un comportamiento homogéneo de la dureza en el espesor. 2. Los lotes de acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación del acero 30CrMnSi, para aplicación en blindaje, designados por la numeración 4 y 1 presentan valores de dureza estadísticamente iguales (438 ± 7 HV y 413 ± 13 HV), así como los lotes 2 y 3 presentan valores de dureza (313 ± 6 HV y 312 ± 4 HV) y los lotes 5 y 6 ( 332 ± 7 HV y 347 ± 7 HV ); valores de dureza próximos entre sí, requeridos en condiciones de blindaje y responden a los lotes 4 y 1. 3. Entre muestras se aprecia una diferencia microestructural básicamente en lo concerniente al oscurecimiento de la microestructura presente, lo cual es reflejo de la descomposición de la martensita con formación de precipitados tipo ε. 4. En cada probeta estudiada se aprecia un comportamiento homogéneo de la microestructura del acero con sistema C-Si-Mn-Mo, de baja aleación para blindaje, obteniendo una estructura de martensita parcialmente revenida y en su estructura apreciamos un ligero oscurecimiento de las agujas. 5. Entre muestras se aprecia una diferencia microestructurales básicamente en lo concerniente al oscurecimiento de los microconstituyente presentes y en su estructura los cristales tienen formas de láminas con cantidades considerables de austenita residual en formas de campos claros entre las agujas de martensita. 6. Al variar los tiempos en el revenido con rangos de 60 min (1) alcanza mayor valor en dureza (445 HV) y para los tiempos de 195 min (3 1/4), podemos contar con información que el valor es menor en dureza (360 HV), con relación al resto de los tiempos aplicados. 7. El tiempo óptimo de revenido, para alcanzar propiedades mecánicas elevadas en el acero estudiado, es de cuatro horas. 8. Las variaciones en los parámetros de Dureza y Resiliencia están sujetos a la estructura y la zona donde se realizan las huellas, pues al ejecutarlas sobre una zona donde esté el grano martensítico tiende a elevarse, pudiendo tener alguna austenita residual, que provoca un ligero descenso, pero por técnicas de microscopía óptica no es posible determinar su presencia. 46 RECOMENDACIONES Aplicar técnicas avanzadas de microscopía electrónica para identificar las fases presentes en cada muestra. Evaluar otras variantes de régimen de tratamiento térmico, que permitan el ahorro del tiempo de temple y revenido, ahorro de energía, aumento de la productividad y otras. 47 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Zùev, V., Tratamiento Tèrmico de Metales. 1988 Editorial MIR pág 253. 2. Caballero Stevens, N., Manual de Práctica Tecnologica de Tratamiento Térmico. Vol. I. 2010.pág 149. 3. Apraiz Barrero, J., Tratamiento Tèrmico de los Aceros. ed.V 1966.pág. 300. 4. Diagrama de las aleaciones Fe - C. Formas Alotrópicas del Fe. 2012; Available from: http.//www.uam.es/docencia/labfmat/labfmat/prácticas/práctica4/fases... 5. Lajtin, Y., Metalografía y Tratamiento Térmico de los Metales, ed. MIR. 1973: Moscú. 6. Guliaev, A.P., Metalografia y Tratamiento Térmico. Vol. I. 1983 pág. 335. 7. William D.Callister, J., Ciencia e Ingeniería de los metales. S.A Barcelona, Argentina, Caracas,etc. 1998. 8. Metalurgia Física. Selección y Diseño. 2009. 9. Blindaje. 2013; Available from: http.//es.wikipedia.org./wiki/ blindaje. 10. América, U.S., MIL - A - 11356 Armor,Steel, Cast,Homogeneous, Combat Vehicle Type (1/4 to 8 inch), in Acero de Alta Resistencia 1987. pág. 58. 11. Rusia, GOST 4543/71, in Alloyed Costruction Steel Specifications 1971,ed MIR. pág. 184. 12. Ámerica, U.S. Clasificación para el Blindaje en Puertas y Ventanas según UNE -1522. 1998; Available from: <<http.//es.wikipedia.org/w/index.php? title -Blindaje&oldid625404>>. 13. States, U., CEN - 1063, in Tipos de Niveles de Blindaje. 14. States, U., MIL- A- 46177C, in Armor, Steel Plate and Sheet, Wourght, Homogeneous (1/8 to lees than 1/4 inch y hick. espesor de 1 - 8mm) acero HRA 1998. 15. Rusia, SAE 4340, in Acero de alta resistencia para la Industria Automóvilistica 2009, Society uf Automotive Engineers. 16. States,U., MIL - UN - 12560, in Aceros Homogéneos Blindados. RHA. Norma SAE- 4340. 2009. 17. States, U., MIL - A - 46100D y MIL - A - 46100C, in Armor, Steel Plate, Wrought, Highs Hardness. Consultado 3/07/2010. 48 18. Handbook. II ed. Vol. I - II. 1969. 19. América, U.S., Aceros de Placas para Blindaje., 1998. 20. Handbook. 2da ed, A.E.p.m. Blindados (HY). Vol. I. 1969. 21. Manual de la UNS para composición química. Armor Plate, Ship . Plate, Aireeaft Plate, 2005, Timken Latrobe Steel. 22. Ámerica, U.S., Armor Plate ,Ship Plate, Aircraft Plate. Alloy Steel Cast., in Manual de la UNS para propiedades y composición química. 2005, Timken Latrobe Steel / 2005 23. América, U.S., ASTM- A6 / A6 M, in Standar Specification for General Requeriments for Rolled Structural Steel Bais, Shapes and Short Piling 2009, MIL - DTL - 12560J. pág. 46. 24. Pairol, G., Nelson, Dureza y microestructura del acero 30XГC con temple y revenido bajo., 2013, Universidad Central Martha Abreus .Las Villas. pág. 44. 25. Rusia, Selección de los Aceros, in Regímenes de tratamiento térmicos de aceros aleados para cementar.Tabla 2.1.5. 1980, ed. MIR- GOST. pág. 1- 23. 26. Rusia, GOST 4543 / 48, in Llave de los Aceros 1996, MIR. pág. 184. 27. Zhuraulioy - Nikolaeva, Z., Manual del Acero para la Construccion de Maquinaria. 1985. pág. 500. 28. Schrader A, R.A., Metalographia. Structure o Steels, ed. M. De Ferri. Vol. II. 1996. 29. States, U., Manual de ASTM A- 370 - 05., in Standard Test Methods and Definiotions for Mechanical Testing of Steel Products 2005, American Society for Testing and Materiales. pág. 18- 47. 30. MINFAR- CID. DCM. TRANS., Bases Técnicas Generales para la Tecnología del Tratamiento Térmico de las Planchas de Aceros para Blindajes., in Norma Ramal Militar ,para espesores de 4, 6, 8, 10, 12, 20, 30 .2007, Cuba. pág. 12. 49 ANEXOS Tabla No1. Valores Típicos de Dureza de diferentes tipos de Aceros al Carbono y Aleados 50 51 Tabla 2. Regímenes de Tratamiento Térmicos, según la norma GOST Tabla 2.1.5 Regímenes de tratamiento térmicos de aceros aleados para cementar PROPIEDADES MECÁNICAS Medio Templ de Temp. R. Dureza e. ACER enfria Reveni m Rec.y UTILIZACIÓN O do δ Norm. mient ºC HB HRc kgf/ (%) ºC o mm 2 40X 825860 45X 820850 Aceite Aceite 200300 300400 400500 500600 600650 200220 500580 580650 Para cigüeñales de la industria automovilística y de tractores, ruedas dentadas de máquinas herramientas que soportan grandes cargas, en estas se precalienta a (830 - 850) ºC preliminarmente al temple. También se usan en ruedas de cadenas. 54-52 52-45 45-36 36-30 30-27 280- 55-52 302 32-29 100 230- 29-21 85 280 Aceite 200220 610 ≥302 ≥302 ≥270 ≥260 32 27 26 110 95 95 11 - - 100 9 40XHM A 830850 30XM 30XMA 35XHM A 860890 Aceite 460 560 650 30XH3 A 810840 Aceite 530 ≥292 Aceite 225250 480520 540580 600640 640680 120 337390 140 50-46 285100 315 235110 265 8021190 235 7080 30XC A 890910 8 9 53-48 165 32 110 9 12 - IDEM Para ruedas dentadas de alta resistencia, en este caso se someten a temple por alta frecuencia. Ruedas dentadas y otras piezas de alta resistencia. En este caso se cianuran a (830850) ºC, se fabrican también ejes conductores Generalmente se usa en estado mejorado para piezas grandes como ejes, ruedas dentadas, bielas y manivelas hasta 120 mm de diámetro. Se emplea como sustituto del 30XM y 30XMA en ejes , chasis y otras piezas de muy alta responsabilidad 52 Tabla 3. Resultados del análisis de varianza para establecer la variable dependiente de la dureza entre pares de muestras MUES MUESTRAS TRAS (I) (N) 1,0 2,0 3,0 Diferencia de Medias (1- N) Error Típico 2 3 4 -38,500 -4,500 6,400 12,912 12,912 12,912 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 -24,000 -11,000 -11,900 46,800* -25,900 -8,000 14,000 -10,800 38,500 34,000 44,900* 14,500 27,500 26,600 85,300* 12,600 30,500 52,500* 27,700 4,500 -34,000 10,900 -19,500 -6,500 -7,400 51,300* -21,400 -3,500 18,500 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 Intervalo de confianza al 95 % de significación Probabilidad estadística (P) Límite Límite inferior superior ,234 -83,260 6,260 1,000 -49,260 40,260 1,000 -38,360 51,160 1,000 1,000 1,000 ,029 1,000 1,000 1,000 1,000 ,234 ,640 ,048 1,000 1,000 1,000 ,000 1,000 1,000 ,006 1,000 1,000 ,640 1,000 1,000 1,000 1,000 ,008 1,000 1,000 1,000 -68,760 -55,760 -56,660 2,040 -70,660 -52,760 -30,760 -55,560 -6,260 -10,760 ,140 -30,260 -17,260 -18,160 40,540 -32,160 -14,260 7,740 -17,060 -40,260 -78,760 -33,860 -64,260 -51,260 -52,160 6,540 -66,160 -48,260 -26,260 20,760 33,760 32,860 91,560 18,860 36,760 58,760 33,960 83,260 78,760 89,660 59,260 72,260 71,360 130,060 57,360 75,260 97,260 72,460 49,260 10,760 55,660 25,260 38,260 37,360 96,060 23,360 41,260 63,260 53 4,0 5,0 6,0 7 12 1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 8 -6,300 -6,400 -44,900* -10,900 -30,400 -17,400 -18,300 40,400 -32,300 -14,400 7,600 -17,200 24,000 -14,500 19,500 30,400 13,000 12,100 70,800* -1,900 16,000 38,000 13,200 11,000 -27,500 6,500 17,400 -13,000 -,900 57,800* -14,900 3,000 25,000 ,200 11,900 -26,600 7,400 18,300 -12,100 ,900 58,700* 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 1,000 1,000 ,048 1,000 1,000 1,000 1,000 ,149 ,915 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 ,000 1,000 1,000 ,263 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 ,001 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 ,001 -51,060 -51,160 -89,660 -55,660 -75,160 -62,160 -63,060 -4,360 -77,060 -59,160 -37,160 -61,960 -20,760 -59,260 -25,260 -14,360 -31,760 -32,660 26,040 -46,660 -28,760 -6,760 -31,560 -33,760 -72,260 -38,260 -27,360 -57,760 -45,660 13,040 -59,660 -41,760 -19,760 -44,560 -32,860 -71,360 -37,360 -26,460 -56,860 -43,860 13,940 38,460 38,360 -,140 33,860 14,360 27,360 26,460 85,160 12,460 30,360 52,360 27,560 68,760 30,260 64,260 75,160 57,760 56,860 115,560 42,860 60,760 82,760 57,960 55,760 17,260 51,260 62,160 31,760 43,860 102,560 29,860 47,760 69,760 44,960 56,660 18,160 52,160 63,060 32,660 45,660 103,460 54 8,0 9,0 10,0 11,0 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 1 2 3 4 -14,000 3,900 25,900 1,100 -46,800* -85,300* -51,300* -40,400 -70,800* -57,800* -58,700* -72,700* -54,800* -32,800 -57,600* 25,900 -12,600 21,400 32,300 1,900 14,900 14,000 72,700* 17,900 39,900 15,100 8,000 -30,500 3,500 14,400 -16,000 -3,000 -3,900 54,800* -17,900 22,000 -2,800 -14,000 -52,500* -18,500 -7,600 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 1,000 1,000 1,000 1,000 ,029 ,000 ,008 ,149 ,000 ,001 ,001 ,000 ,003 ,825 ,001 1,000 1,000 1,000 ,915 1,000 1,000 1,000 ,000 1,000 ,168 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 ,003 1,000 1,000 1,000 1,000 ,006 1,000 1,000 -58,760 -40,860 -18,860 -43,660 -91,560 -130,060 -96,060 -85,160 -115,560 -102,560 -103,460 -117,460 -99,560 -77,560 -102,360 -18,860 -57,360 -23,360 -12,460 -42,860 -29,860 -30,760 27,940 -26,860 -4,860 -29,660 -36,760 -75,260 -41,260 -30,360 -60,760 -47,760 -48,660 10,040 -62,660 -22,760 -47,560 -58,760 -97,260 -63,260 -52,360 30,760 48,660 70,660 45,860 -2,040 -40,540 -6,540 4,360 -26,040 -13,040 -13,940 -27,940 -10,040 11,960 -12,840 70,660 32,160 66,160 77,060 46,660 59,660 58,760 117,460 62,660 84,660 59,860 52,760 14,260 48,260 59,160 28,760 41,760 40,860 99,560 26,860 66,760 41,960 30,760 -7,740 26,260 37,160 55 12,0 5 6 7 8 9 10 12 1 2 3 4 -38,000 -25,000 -25,900 32,800 -39,900 -22,000 -24,800 10,800 -27,700 6,300 17,200 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 ,263 1,000 1,000 ,825 ,168 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 -82,760 -69,760 -70,660 -11,960 -84,660 -66,760 -69,560 -33,960 -72,460 -38,460 -27,560 6,760 19,760 18,860 77,560 4,860 22,760 19,960 55,560 17,060 51,060 61,960 5 6 7 8 9 10 11 -13,200 -,200 -1,100 57,600* -15,100 2,800 24,800 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 12,912 1,000 1,000 1,000 ,001 1,000 1,000 1,000 -57,960 -44,960 -45,860 12,840 -59,860 -41,960 -19,960 31,560 44,560 43,660 102,360 29,660 47,560 69,560 56