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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO
FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA METALURGICA
MET 3218
METALURGIA FISICA II
Docente: Dipl.- Ing. Edgar Venegas Ledo
Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo
F.N.I. – U.T.O.
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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
INDICE
CAPITULO I
INTRODUCCION
CAPITULO II
FUNDAMENTO DEL TRATAMIENTO TERMICO
CAPITULO III
TRATRAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
CAPITULO IV
ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO Y DEL TALLER
Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo
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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
CAPITULO I
APUNTES DE CATEDRA
INTRODUCCION
GENERALIDADES
Más del 90% de los materiales metálicos que se emplean, son aleaciones
ferrosas. Estas representan un enorme grupo de materiales de ingeniería con
amplio rango de microestructuras y sus correspondientes propiedades. La
mayor parte de los diseños de ingeniería que requieren del soporte estructural
de cargas o de transmisión de potencia, involucran aleaciones ferrosas.
Los diferentes materiales metálicos para un mejor aprovechamiento, en
algunas ocasiones requieren de tratamientos que puedan conferirles mejores
propiedades y adecuarlos de esa manera a los requerimientos provenientes de
todos y cada uno de los usos específicos de los mismos.
De ahí que en muchos casos estos materiales no sean empleados únicamente
en su estado metálico, sino constituyendo aleaciones; es decir, combinaciones
de varios de ellos.
Sin embargo, en algunos casos aún esto no es suficiente y por ello, tanto los
metales como sus aleaciones requieren de ciertos tratamientos a alta
temperatura. Es decir, los mismos deben ser sometidos a procedimientos
denominados tratamientos térmicos.
Para realizar un estudio sistemático de esta temática se dividirá su tratamiento
en dos campos fundamentales. Inicialmente se tocará el campo
correspondiente al hierro y sus aleaciones y luego se complementará el mismo
con el correspondiente a los principales metales no ferrosos y sus aleaciones.
EL HIERRO
Este material solidifica a 1536°C y sufre tres transformaciones durante su
enfriamiento hasta la temperatura ambiente.
Desde 1536°C hasta 1392°C, (punto crítico A4) existe en la forma cúbica de
cuerpo centrado, o hierro delta. A partir de los 1392°C hasta los 911°C posee la
estructura cúbica de cara centrada, llamada hierro gamma. A los 911°C ( punto
crítico A3) se transforma en hierro alfa, cambiando su estructura nuevamente
a la cúbica de cuerpo centrado. El hierro alfa se convierte en ferromagnético al
enfriarse por debajo de los 770°C ( punto crítico A2). La figura 1 muestra estas
transformaciones.
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Figura 1
Los puntos de transformación del hierro se simbolizan con una A (de arrêt =
detención) y una letra c ( de chauffage = calentamiento), cuando se producen
las transformaciones durante el calentamiento y una letra r ( de
refroidissement = enfriamiento) si e presentan en el enfriamiento. La figura 2
muestra curvas de temperatura – tiempo, en las que se observan los puntos de
transformación del hierro (puntos críticos). Cabe destacar que la aparición y/o
desaparición del ferromagnetismo no son más que variaciones de las
propiedades del hierro alfa.
Figura 2
Los puntos en que se producen estas transformaciones durante el enfriamiento
son algo más bajos que aquellos que ocurren en el calentamiento. La diferencia
de temperatura que los separa se denomina histéresis térmica y es tanto
mayor cuanto más grandes son las velocidades de enfriamiento.
Sin embargo, desde el punto de vista tecnológico, el hierro puro no tiene
mucha significancia, por lo que en su aplicación es necesario que el mismo se
encuentre combinado formando aleaciones. La aleación base más importante
es aquella, producto de su combinación con el carbono. De ahí la importancia
de profundizar en el estudio de este sistema.
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EL DIAGRAMA HIERRO – CARBONO
Al alearse el hierro con el carbono se desplazan las temperaturas de
solidificación y transformación a valores más bajos, tanto mayor es el
contenido de carbono. Aparecen también los puntos críticos AC1 y Ar1 que
corresponden respectivamente, a la formación de la solución sólida γ a partir
de la perlita, o a la descomposición de dicha solución γ en perlita.
En el diagrama hierro carbono, figura
3,
las líneas continuas y las
denominaciones de las estructuras se refieren al sistema metaestable, y las
líneas de trazos al estable. En las aleaciones hierro – carbono que no contiene
silicio, las transformaciones se realizan según el sistema metaestable y sólo
con grandes contenidos de Si y enfriamientos muy lentos se produce la
solidificación de las aleaciones en el sistema estable. En el sistema estable no
se encuentra el carbono en forma de compuesto o fase cementita, (Fe3C), sino
como grafito.
Figura 3
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Como quiera que el sistema metaestable tiene una mayor importancia práctica,
a continuación se enfatizará éste. Las líneas que separan entre sí los distintos
campos, son los límites de la transformación de unos constituyentes en otros.
Por encima de la línea ABC, todo se encuentra al estado líquido; por lo que esta
línea se denomina línea líquidus. Por debajo de ella comienza la solidificación,
de la fusión a lo largo de un intervalo de temperaturas. Sólo en el hierro puro y
en el caso de la composición eutéctica, (aleación Fe – C con 4.3% de carbono),
se produce la solidificación a una temperatura constante; en el caso de la
aleación eutéctica se obtiene una estructura del sólida denominada ledeburita,
en honor al metalurgista Ledebur. Esta reacción eutéctica procede a 1130°C,
temperatura por ello denominada temperatura eutéctica. Salvo las dos
excepciones mencionadas, la solidificación se produce en todas las aleaciones
a lo largo de un intervalo de temperatura.
Por debajo de la línea ABC, se producen primeramente a partir del líquido,
soluciones sólidas Fe-C (soluciones delta o gamma), mientras que al alcanzar la
línea CE solidifican también cristales de cementita, Fe3C.
A lo largo de la línea AHJEC, termina la solidificación, la estructura está
constituida debajo de la línea AE por solución sólida gamma; bajo la EC, por
solución sólida gamma, cementita secundaria y ledeburita; con mayores
contenidos de C, por cementita primaria y ledeburita. Continuando
posteriormente las transformaciones en el estado sólido.
A continuación, en la figura 4 se presentan por separado ambos sistemas; en la
parte superior es sistema metaestable hierro cementita y en la parte inferior el
sistema hierro grafito.
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Figura 4:: Diagram
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Superior: Sis
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sistema
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Figura 5: Representació
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aestable hierro
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de la ferrita es
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e
de
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l
GPQ
Q y AHN.
AUSTENITA
mma. Cúbiico de carra centrad
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p
dis
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Es el hierro gam
ón. En el diagrama
a Fe-C se encuentra
a la región
n de la
otros elementos de aleació
p
el polígono NJE
ESG. A 1130°C puede disolv
ver un
austenita pura limitada por
o de carbo
ono de 2%
%. El hierrro gamma no es ma
agnético.
máximo
CEMEN
NTITA
Es un carburo
c
de
e hierro co
on 6.67%
% de C, es
s extremad
damente dura. Cua
ando la
cementtita solidifica, directtamente del
d líquido
o, se deno
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mentita prrimaria
y cuando la pre
ecipitación
n se prod
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nita se la llama
cementtita secund
daria.
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PERLITA
Se denomina a los agregados laminares, formados por láminas alternas de
ferrita y cementita. La perlita de equilibrio tiene un contenido de carbono de
0.8%, lo que corresponde aproximadamente al 12% de cementita y al 88% de
ferrita. La perlita suele clasificarse según el espesor de sus láminas, en perlita
gruesa, perlita fina (antes denominada sorbita), y perlita finísima (antes
llamada trostita). La perlita no es una fase, sino una mezcla de fases, y se
encuentra en el diagrama de equilibrio por debajo de la línea PKS como
denominación de una forma especial de mezcla de los verdaderos
constituyentes de equilibrio ferrita y cementita.
LEDEBURITA
Se denomina así a la estructura eutéctica.
MARTENSITA
Se conoce con este nombre al producto no estable de transformación de la
austenita, que se forma cuando la velocidad de enfriamiento es tan grande que
no da tiempo a la formación de perlita. En tanto que en la formación de perlita
el carbono disuelto en la red gamma se precipita antes de que ésta se
convierta en alfa; en la formación de martensita no hay tiempo para que el
carbono salga de la red, por lo que sus átomos quedan atrapados,
sobresaturándola, originando tensiones internas elevadas. En este hecho se
basa la posibilidad de endurecer los aceros por el procedimiento de temple.
EFECTOS DE LOS ELEMENTOS ALEANTES
CARBONO
Es el elemento aleante más importante, al analizar el diagrama de equilibrio
Fe-C, se han mencionado ya los efectos que produce sobre el hierro.
SILICIO
Sirve para desoxidar el acero y para limitar la segregación de los lingotes.
Estrecha la región gamma, por lo que los aceros bajos en carbono y con más
de 2% de Si son ferríticos. Al aumentar el contenido de carbono, se hace
menos intenso el efecto del Si y la región gamma vuelve a extenderse hacia la
derecha.
El Si disminuye además el contenido de C de la perlita y desplaza la
temperatura de formación de ésta a valores más altos. Favorece la formación
de grafito, con lo que disminuyen la resistencia y la templabilidad y se produce
con frecuencia fractura negra.
Incrementa la resistencia a la tracción, el límite elástico, la dureza, la
resistencia mecánica en caliente, la resistencia al desgaste y las resistencias a
la corrosión y la formación de cascarilla ( oxidación en caliente).
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Aminora, la resilencia, la maquinabilidad, la forjabilidad, la densidad, las
conductividades eléctrica y térmica y la sensibilidad al sobrecalentamiento.
MANGANESO
En la fabricación del acero se emplea para la desoxidación y la desulfurización.
El manganeso ensancha la región gamma, por lo que los aceros que contienen
más del 12% de Mn son austeníticos. Desplaza a valores más bajos la
temperatura de formación de la perlita y aminora el contenido de C de ésta. La
presencia de Mn incrementa la solubilidad de C en la austenita y con ello
favorece la formación de carburos.
El Mn aminora las velocidades críticas de enfriamiento del acero, por lo que con
más de 3% de Mn, aún el enfriamiento en aire del tratamiento de normalizado
produce estructuras bainíticas. Si el contenido es mayor, se llega a suprimir
completamente la formación de perlita y bainita y se forma martensita en el
enfriamiento en aire.
Incrementa: la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia a la
fatiga, la resistencia al desgaste, la formación de carburos y la dilatación
térmica.
Aminora: la maquinabilidad, las conductividades térmica y eléctrica, la
sensibilidad a la fractura frágil.
NIQUEL
Es soluble en el hierro y ensancha la región gamma, por lo que los aceros con
1.5% y más del 15% de Ni son completamente austeníticos. Además el níquel
desplaza el punto de la perlita a temperaturas más bajas y contenidos de
carbono inferiores.
CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES DE HIERRO
Las aleaciones hierro – carbono, pueden ser clasificadas en función del
contenido de carbono que poseen. Para ello se las divide inicialmente en dos
grandes grupos.
Aquellas con contenidos de C entre 0.05% y 2%, se denominan aceros. En
tanto que las aleaciones con contenidos comprendidos entre el 2% y el 6.67%
de C, se denominan fundiciones.
A su vez, los aceros se clasifican en función del punto de la reacción eutectoide,
en:
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•
•
•
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Aceros hipoeutectoides: Aquellos
con
contenidos
de
carbono
menores al 0.8% de C
Aceros eutectoides: Aquellos con 0.8% de C exactamente
Aceros hipereutectoides: Aquellos con contenidos de carbono entre
0.8% y 2% de C.
Por su parte las fundiciones, se subdividen en función de la reacción eutéctica
en:
•
•
•
Fundiciones hipoeutécticas:
4.3% de C
Fundiciones eutécticas:
Fundiciones hipereutécticas:
6.67% de C
Aquellas con contenidos entre 2% y
Aquellas con 4.3% de C exactamente
Aquellas con contenidos entre 4.3% y
A su vez, los aceros, en función de la cantidad de elementos aleantes que
contengan, se pueden clasificar en:
•
•
Aceros de baja aleación
Aceros altamente aleados
Aquellos aceros que contienen más del 5% en peso total de adiciones distintas
al carbono, se denominan aceros altamente aleados. Las adiciones de estos
elementos aleantes, tienen un incremento importante en los costos, que sólo se
justifican si con ello se logra aumentar sustancialmente las propiedades tales
como resistencia estructural o una mayor resistencia a la corrosión.
ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN
La mayor parte de las aleaciones ferrosas corresponden a esta categoría. Esto
debido a su precio moderado y a la ausencia de grandes cantidades de
elementos aleantes, además de ser lo suficientemente dúctiles para moldearse
con facilidad. El producto final es resistente y durable. Sus aplicaciones van
desde la producción de cojinetes de bolas hasta las láminas de metal que
forman la carrocería de los automóviles. En la tabla siguiente se presenta un
sistema de designación de éstos.
Este es el sistema AISI ( American Iron and Steel Institute) – SAE ( Society of
Automotive Engineers). En este sistema, los dos primeros números dan un
código para designar el tipo de adiciones de aleación y los dos o tres últimos
números dan el contenido promedio de carbono en centésimas de porcentaje
de peso. La nomenclatura se da en tablas o listas que son convenientes pero
arbitrarias y por lo general son estandarizadas por organizaciones
profesionales. Esta nomenclatura tradicional tde a ser tan variada como las
mismas aleaciones. Hay un esfuerzo creciente para emplear un sistema de
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numeración unificado para la designación de las aleaciones, UNS, ( Unified
Numbering System).
Una clase interesante de aleaciones que se conoce con el nombre de aceros de
alta resistencia y baja aleación ( HSLA) ha surgido en respuesta a los
requerimientos de reducción de peso en los vehículos. Las composiciones de
muchos aceros HSLA comerciales son patentadas y se especifican por la
propiedades mecánicas en lugar de su composición.
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Sistema de designación AISI – SAE para los aceros al carbono y de baja aleación
Numerales y
dígitos
10XX
11XX
12XX
15XX
13XX
23XX
25XX
31XX
32XX
33XX
34XX
40XX
44XX
41XX
Tipo de acero y contenido
nominal de aleación
Aceros al carbono
Al carbono no aleado
Resulfurizado
Resulfurizado y refosforizado
Al carbono
Aceros al manganeso
Mn 1.75
Aceros al níquel
Ni 3.5
Ni 5.0
Aceros al níquel - cromo
Ni 1.25; Cr 0.65 y 0.80
Ni 1.75; Cr 1.07
Ni 3.50; Cr 1.50 y 1.57
Ni 3.00; Cr 0.77
Aceros al molibdeno
Mo 0.20 y 0.25
Mo 0.40 y 0.52
Aceros al cromo – molibdeno
Cr 0.50, 0.80, y 0.95; Mo 0.12
Cr 0.20, 0.25 y 0.30; Mo 0.12
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Numerales y
dígitos
43XX
43BVXX
47XX
81XX
86XX
87XX
88XX
93XX
94XX
97XX
98XX
46XX
48XX
50XX
51XX
50XXX
51XXX
52XXX
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Tipo de acero y contenido nominal de
aleación
Aceros al cromo-níquel-molibdeno
Ni 1.82; Cr 0.50 y 0.80; Mo 0.25
Ni 1.82; Cr 0.50; Mo 0.12 y 0.25; V 0.03
Ni 1.05; Cr 0.45; Mo 0.20 y 0.35
Ni 0.30; Cr 0.40; Mo 0.12
Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.20
Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.25
Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.35
Ni 3.24; Cr 1.20; Mo 0.12
Ni 0.45; Cr 0.40; Mo 0.12
Ni 0.55; Cr 0.20; Mo 0.20
Ni 1.00; Cr 0.80; Mo 0.25
Aceros al níquel – molibdeno
Ni 0.85 y 1.82; Mo 0.20 y 0.25
Ni 3.50; Mo 0.25
Aceros al cromo
Cr 0.27, 0.40, 0.50 y 0.65
Cr 0.80, 0.87, 0.92, .0.95, 1.00 y 1.05
Cr 0.50; C 1.00 min.
Cr 1.02; C 1.00 min.
Cr 1.45; C 1.00 min
Numerales y
dígitos
61XX
72XX
92XX
9XX
XXBXX
XXLXX
Tipo de acero y contenido nominal de
aleación
Aceros al cromo – vanadio
Cr 0.60, 0.80 y 0.95; V 0.10 y 0.15 min
Aceros al tungsteno – cromo
W 1.75; Cr 0.75
Aceros al silicio – manganeso
Si 1.40 y 2.00; Mn 0.65, 0.82 y 0.85;
Cr 0.00 y 0.65
Aceros de alta resistencia
y baja aleación
Varios grados SAE
Aceros al boro
B denota acero al boro
Aceros plomados
L denota acero plomado
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ACEROS DE ALTA ALEACIÓN
En los aceros, las adiciones de elementos aleantes, deben ser
cuidado y justificación, debido a que éstas son muy costosas.
hechas con
Por ejemplo, en los aceros inoxidables, se requiere adicionar otros elementos,
con el fin de prevenir el daño a ser causado por una atmósfera corrosiva. En
éstos la acción más importante se debe al cromo, que por lo general fluctúa
entre el 4 y el 10%, excepcionalmente se emplea un 30%. En la tabla siguiente
se encuentran cuatro grupos principales de estos tipos de aceros.
Los aceros de herramientas requieren de adiciones con el propósito de alcanzar
suficiente dureza para aplicaciones de maquinado. Este tipo de aceros se
emplean para cortar, moldear o para dar forma a otro material
Las llamadas superaleaciones requieren adiciones para proporcionar estabilidad
en aplicaciones a alta temperatura como las paletas de las turbinas. Este
término se emplea para designar a una amplia variedad de materiales, en
especial aquellos con resistencia a alta temperatura.
La mayor parte de estas aleaciones tiene como base al hierro; sin embargo,
también existen otras en base al cobalto y al níquel. Este tipo de materiales
son altamente costosos, pero los requerimientos de la tecnología actual obligan
y garantizan su uso. Por ejemplo entre 1950 y 1980, el uso de superaleaciones
en motores de reacción se elevó del 10% al 50% en peso.
HIERROS FUNDIDOS O FUNDICIONES
Se denominan también así a las fundiciones; es decir, aleaciones hierro –
carbono con contenidos mayores al 2% de C. Por lo general, estas aleaciones
contienen también alrededor del 3% de Si para controlar la cinética de la
formación de carburo. Las fundiciones tienen puntos de fusión relativamente
bajas, no forman películas indeseables en la superficie cuando se vierten y
sufren una contracción moderada durante la solidificación y enfriamiento.
Existen cuatro variedades de hierro fundido
•
•
El hierro blanco, tiene una superficie de fractura cristalina de color
blanco. Durante el fundido se forman grandes cantidades de carburo
de hierro, Fe3C, dando lugar a un material duro quebradizo.
El hierro gris, tiene una superficie de fractura gris con una estructura
finamente faceteada. Un contenido significativo de Si ( 2 a 3% en
peso), provoca la precipitación de grafito, C, en lugar de cementita, (
Fe3C). Las hojuelas de grafito putiagudas y afiladas contribuyen a la
fragilidad característica de este tipo de material.
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•
•
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El hierro dúctil, recibe este nombre, debido al mejoramiento de sus
propiedades mecánicas. La ductilidad se incrementa en un factor de 20
y la resistencia es del doble.
El hierro maleable, primero se funde como hierro blanco y luego se
somete a un tratamiento térmico para producir precipitados nodulares
de grafito.
Nomenclatura de aleaciones para algunos aceros inoxidables comunes
Tipo
Número
UNS
C
Mn
Si
Cr
Ni
Austeníticos
201
304
310
316
347
S20100
S30400
S31000
S31600
S34700
0.15
0.08
0.25
0.08
0.08
5.5-7.5
2.00
2.00
2.00
2.00
1.00
1.00
1.50
1.00
1.00
16.018.0
18.020.0
24.026.0
16.018.0
17.019.0
3.5-5.5
8.010.5
19.022.0
10.014.0
9.013.0
Ferríticos
405
430
S40500
S43000
0.08
0.12
1.00
1.00
1.00
1.00
11.514.5
16.018.0
Martensíticos
410
501
S41000
S50100
0.15
0.10
min.
1.00
1.00
1.00
1.00
11.513.0
4.0-6.0
Endurecidos
por
precipitación
17-4 PH
17-7 PH
S17400
S17700
0.07
0.09
1.00
1.00
1.00
1.00
15.517.5
16.018.0
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Mo
Cu
Al
2.0-3.0
0.100.30
0.400.65
3.0-5.0
6.57.75
3.0-5.0
0.751.5
15
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Nomenclatura de aleaciones para algunos aceros para herramientas comunes
AISI
Nomenclatura
SAE
UNS
Aceros al molibdeno de alta velocidad
M1
M1
T11301
Aceros al tungsteno de alta velocidad
T1
T1
T12001
Aceros al cromo de trabajo en caliente
H10
T20810
Aceros al tungsteno de trabajo en caliente
H21
H21
T20821
Aceros al molibdeno de trabajo en caliente
H42
T20842
Aceros endurecidos por aire, de aleación media y
trabajo en frío
A2
A2
T30102
Aceros al alto carbono, alto cromo y de trabajo en frío
D2
D2
T30402
Aceros endurecidos por aceite y de trabajo en frío
O1
O1
T31501
Aceros resistentes a choques
S1
S1
T41901
Aceros de baja aleación para herramientas de
propósito especial
L2
T61202
Aceros de bajo carbono para moldear
P2
T51602
Aceros endurecidos por agua para herramientas
W1
W108
T72301
W109
W110
W112
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C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
W
V
0.78-0.88
0.15-0.40
0.20-0.50
3.50-4.00
0.30 máx.
8.20-9.20
1.40-2.10
1.00-1.35
0.65-0.80
0.10-0.40
0.20-0.40
3.75-4.00
0.30 máx.
17.25-18.75
0.90-1.30
0.35-0.45
0.25-0.70
0.80-1.20
3.00-3.75
0.30 máx.
0.26-0.36
0.15-0.40
0.15-0.50
3.00-3.75
0.30 máx.
0.55-0.70
0.15-0.40
3.75-4.50
0.30 máx.
4.50-5.50
0.95-1.05
1.00 máx.
0.50 máx.
4.75-5.50
0.30 máx.
0.90-1.40
0.15-0.50
1.40-1.60
0.60 máx.
0.60 máx.
11.00-13.00
0.30 máx.
0.70-1.20
1.10 máx.
0.85-1.00
1.00-1.40
0.50 máx.
0.40-0.60
0.30 máx.
0.40-0.55
0.10-0.40
0.15-1.20
1.00-1.80
0.30 máx.
0.45-1.00
0.10-0.90
0.50 máx.
0.70-1.20
0.10 máx.
0.10-0.40
0.10-0.40
0.75-1.25
0.10-0.50
0.15-0.40
0.70-1.50
0.10-0.40
0.10-0.40
0.15 máx.
0.20 máx.
0.10 máx.
F.N.I. – U.T.O.
2.00-3.00
0.50 máx.
Co
0.25-0.75
8.50-10.00
0.30-0.60
5.50-6.75
1.75-2.20
0.40-0.60
0.30 máx.
1.50-3.00
0.15-0.30
0.25 máx.
1.00 máx.
0.10-0.30
0.15 máx.
0.10 máx.
16
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Nomenclatura de aleaciones para las superaleaciones comunes
Aleación
Número
UNS
Aleación de base hierro
16-25-6
Aleaciones de base cobalto
Haynes 25
R30605
Aleaciones de base níquel
Hastelloy B
N10001
Inconel 600
N06600
Aleaciones endurecidas por precipitación
de base hierro
Incoloy 903
Aleaciones endurecidas por precipitación
de base cobalto
Ar-213
Aleaciones endurecidas por precipitación
de base níquel
Astroloy
Incoloy 901
N09901
Inconel 706
N09706
Nimonic 80 A
N07080
Rene 41
N07041
Rene 95
Udimet 500
Waspaloy
N07001
Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo
Cr
Ni
16.0
25.0
20.0
10.0
50.0
1.0 máx.
15.5
63.0
76.0
2.5 máx.
28.0
0.1 máx.
38.0
15.0
0.1
19.0
0.5 máx.
65.0
15.0
12.5
16.0
19.5
19.0
14.0
19.1
19.5
56.5
42.5
41.5
73.0
55.0
61.0
48.0
57.0
15.0
F.N.I. – U.T.O.
Co
Mo
W
Nb
Ti
Al
Fe
C
Otros
50.7
0.06
1.35 Mn
3.0
0.10
1.5 Mn
5.0
8.0
0.05
0.08
0.7
41.0
0.04
3.5
0.5 máx.
0.17
4.4
<0.3
36.2
37.5
1.5
<0.3
<0.3
4.0 máx.
2.0 máx.
0.06
0.10
0.03
0.05
0.09
0.16
0.08
0.07
6.00
1.0
11.0
8.0
19.0
13.5
15.0
3.0
1.4
4.5
5.25
6.0
10.0
3.5
4.0
4.3
3.5
3.5
3.5
2.7
1.75
2.25
3.1
2.9
3.0
3.0
0.2
1.4
1.5
3.5
3.0
1.4
6.5 Ta
2.9 ( Nb +Ta)
17
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Nomenclatura de aleaciones para algunos hierros fundidos comunes
Número
Aleación
UNS
C
Mn
Si
P
S
Ni +
Cu
Cr
Mo
2.2-2.8
0.2-0.6
1.0-1.6
0.15
0.15
1.5
1.0
0.5
3.40
min.
0.600.90
1.602.10
0.12
0.12
Hierro dúctil no aleado
3.503.80
0.301.00
2.002.80
0.08
máx.
0.02
máx.
Hierro maleable, ferrítico de
grado 32510
2.302.70
0.250.55
1.001.75
0.05
máx.
0.030.18
Hierro blanco de bajo carbono,
aleado para resistencia a la
abrasión
Hierro gris automotriz SAE
J431, para trabajo pesado, grado
SAE G2500A
F1009
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0.020.60
Mg
0.030.05
18
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
CAPITULO II
FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO TERMICO
TRANSFORMACIONES ESTRUCTURALES
Como se pudo establecer a través de los resultados encontrados por los
investigadores Weber y Rose, la representación del diagrama de estado no es
suficiente para representar las variaciones que se presentan en los procesos de
enfriamiento de los diferentes aceros, debido a que éstas sufren el efecto de la
velocidad de enfriamiento.
Este efecto se muestra en la figura 7, en la cual se observa wue la zona
especialmente de la reacción eutectoide es la que sufre serios cambios tanto
enm lo que respecta a la temperatura de reacción de la misma como en el ran
de composición en el cual se verifica la reacción.
Figura 7: Modificación del diagrama de equilibrio Fe-C por efecto de la
velocidad de enfriamiento
En la figura 8, se muestra el diagrama de Maurer, que presenta el efecto de la
velocidad de enfriamiento sobre la transformación de la austenita de un acero
al carbono. En él se puede observar con claridad la dependencia de esta
transformación con la velocidad.
Lo propio se observa en la figura9, para un acero aleado, determinándose que
no sólo aparecen las transformaciones que muestra la anterior figura, sino que
aparece una zona intermedia de transformación que los españoles denominan
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19
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
zona de las bainitas en tanto que la escuela anglosajona denota la misma como
zona intermedia.
Figura 8: Diagrama de Maurer, con la representación de temperaturas y
velocidades de transformación en un acero al carbono
Figura 9: Diagrama de velocidades y temperaturas de transformación para un
acero con 0.4%C, 1.3%Cr y 4.3%Ni.
LOS DIAGRAMAS TEMPERATURA – TIEMPO – TRANSFORMACION
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20
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
En base a estas consideraciones, se hizo imperioso el pensar en construir un
diagrama que permita visualizar la velocidad. Se llegó a establecer que para
ello se podía introducir una tercera variable, cual es el tiempo en la
representación convirtiendo ésta en una de tres dimensiones a partir de la
representación en dos dimensiones del diagrama de estado Fe-C.
Luego en base a esta consideración a los efectos prácticos se determinó
realizar cortes a este volumen formado para valores de composición
constantes, con lo que se obtenían representaciones en la que sí se
visualizaban las transformaciones en función de la velocidad de enfriamiento.
De esta manera surgieron los diagramas que hoy conocemos con el nombre de
diagramas TTT, ( Tiempo, Temperatura, Transformación); también
denominados de la S por su forma en el inicio de la transformación. La figura
10 presenta uno esquemático
Figura 10: Representación esquemática de un diagrama TTT
TIPOS DE DIAGRAMAS TTT
Existen dos tipos de diagramas, éstos corresponden a las condiciones en la que
se llevarán a cabo los procesos de tratamientos térmicos, de tal manera que
posibiliten la correcta selección de las condiciones, la interpretación correcta y
precisa del curso de las transformaciones y las condiciones en las cuales estas
transformaciones tomarán lugar.
Por tanto se construyeron diagramas TTT:
•
•
Isotérmicos, para los procesos que se efectúen a temperatura constante.
Continuos, para aquellos procesos en los cuales durente el mismo la
temperatura varía permanentemente.
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21
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
ISOTERMICO
Muestra el camino que se debe seguir para alcanzar una determinada
temperatura a la cual se desea llevar adelante la transformación,
determinándose entonces el tiempo que debe permanecer la pieza a la
misma.
Es adecuado para interpretar los procedimientos que se llevan a cabo a
temperatura constante, tales como: obtención de perlita, tratamientos
bainíticos y temples en baños calientes.
La figura 11, a manera de ejemplo nos presenta el diagrama TTT
isotérmico para un acero eutectoide.
Figura 11: Diagrama TTT isotérmico de un acero eutectoide
CONTINUO
Permite explicar los procesos del temple y las transformaciones que se
presentan. En la figura 12, se presenta el mismo para un acero
eutectoide.
Se pueden establecer diferencias importantes en el inicio y finalización a
una temperatura determinada de las transformaciones que ocurren.
En este diagrama se puede determinar la velocidad crítica de temple que
es necesaria para que se forme martensita.
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22
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Figura 12: Diagrama TTT continuo de un acero eutectoide
LA TEMPLABILIDAD Y SU ENSAYO
Muchas veces se denomina templabilidad de un acero a su tendencia a la
formación de martensita o su capacidad de endurecerse por el temple.
La dureza que se alcanza en un proceso de temple determinado depende de la
velocidad de enfriamiento y de la proporción en que se repriman las
transformaciones en las zonas perlítica y bainítica. Cuando se suprimen
totalmente se alcanza la máxima dureza.
La relación existente entre la velocidad de enfriamiento y la temperatura de
transformación fue estudiada por H. J. Wiester en 1932. En la figura 13 se
puede observar que, al aumentar la velocidad de enfriamiento, los puntos Ar3
y Ar1 se desplazan a temperaturas más bajas.
FIGURA 13: Posición de los puntos de transformación en función de la
velocidad de enfriamiento de un acero no aleado con 0.4% de C.
A menor velocidad que la crítica inferior de enfriamiento, la estructura se
transforma únicamente en perlita y al alcanzarse esa velocidad empieza a
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23
MET 3218 - METALURGIA
A FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
formars
se por primera
p
v
vez
marttensita. Al
A ir hac
ciéndose más ráp
pido el
enfriam
miento, se forma ca
ada vez más
m
marte
ensita y la
a perlita es
e cada ve
ez más
fina. Cuando
C
se
s
alcanz
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elocidad crítica
c
su
uperior de
d
enfriamiento
desaparecen las
s perlitas
s finas y finísima
as y la estructura forma
ada es
exclusiv
vamente martensita
m
a.
PENETRACIÓN DE LA DU
UREZA Y TEMPLAB
BILIDAD
etración de
d la durez
za depend
de de la templabilid
dad del material,
m
(ffunción
La pene
del con
ntenido de elemen
ntos de aleación
a
d
del
acero)), de las condicion
nes de
temple y de la se
ección tran
nsversal de
d la pieza
a templada
a.
estra las curvas
c
de penetració
ón de la dureza
d
en dos acero
os, uno
La figurra 14 mue
de baja
a templabilidad y otro de alta.
vés de la sección
s
de
e un acero
o
Figura 14: Variación de la durreza a trav
de alta
a templab
bilidad y en otro de baja.
RMINACIÓ
ÓN DE LA
A TEMPER
RATURA DE
D TEMPL
LE Y DUR
REZA MÁX
XIMA
DETER
La figurra 15 muestra el re
esultado de
d prueba
as realizad
das con un
u acero CK45
C
a
diferenttes tempe
eraturas de austeniz
zación y posterior
p
te
emple en agua.
F
Figura
15: Determin
nación de la dureza y la temp
peratura de
d temple..
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F.N
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A FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
La figura 16 muestra com
mo la penetración de
d la dure
eza para un determ
minado
acero depende
d
de
d la tem
mperatura.. Pero como adem
más depen
nde tambiién del
contenido de ca
arbono y la presen
ncia o no de elem
mentos ale
eantes y de los
ecesario tomar en cuenta
c
tam
mbién esto
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etros.
medios templanttes será ne
Figura 16
6: Curvas de penetrración de la dureza en el ace
ero C 45.
YO DE LA
A TEMPL
LABILIDA
AD DE LOS
L
ACE
EROS PARA TEMP
PLE Y
ENSAY
REVEN
NIDO
La temp
plabilidad se mide determina
d
ando la va
ariación de
e la durez
za a través de la
sección de difere
entes prob
betas temp
pladas.
El curso
o de la du
ureza no sólo
s
depen
nde de la templabilidad del acero,
a
sino
o de la
eficienc
cia del medio de tem
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o determin
nar:
•
La
a severida
ad del medio templa
ante
•
El diámetro
o crítico
•
o ideal
El diámetro
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F.N
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MET 3218 - METALURGIA
A FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Figura 17: Curvas de pe
enetración
n de la dureza en un acero co
on 0.3% de
d C
y 3% de Nii.
Figura 18:
1 Relación entre la dureza en el núclleo y el diámetro
en redondos de un ace
ero con 0..3% de C y 3% de Ni.
N
Figura 19: Durez
za de la martensita en función del conttenido de carbono.
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MET 3218 - METALURGIA
A FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Figura 20:
2 Diagra
amas para
a la determ
minación de
d los diámetros
críticos ideale
es.
Figura 21
1: Probeta
a Jominy.
Figura 22: Esque
ema de un
n dispositivo para el ensayo Jominy
J
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F.N
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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Figura 23: Curva Jominy de un acero.
Figura 25: Curvas Jominy de diferentes aceros para temple y revenido.
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APUNTES DE CATEDRA
Figura 26: Dependencia entre los diámetros críticos Dk y Di,
la distancia al extremo templado y la severidad de temple.
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APUNTES DE CATEDRA
CAPITULO III
TRATRAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
1
TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO
PREPARACION
Antes de iniciar un proceso de tratamiento térmico, es necesario tener completamente
identificado el material del cual se trata y el propósito al cual está destinado el mismo
en su futuro uso. Esto, por cuanto el tratamiento térmico, en sus características
dependerá de la composición química del acero en cuestión, así como del uso al cual
está destinado el mismo.
Por ello, es recomendable tener muy bien identificados los diferentes materiales y las
herramientas con que se trabaja, para garantizar resultados satisfactorios.
ELECCION DEL HORNO
El tipo de horno a ser empleado es función de las características de las piezas que
están siendo sometidas a tratamiento térmico. Así en el caso de barras, piezas
forjadas o brutas, por lo general se emplean hornos de mufla. En cambio, si se trata
de piezas en las que se quiere evitar la oxidación superficial (formación de
cascarilla), descarburación de la misma, el tratamiento térmico debe llevarse a cabo
de preferencia en atmósferas controladas o de lo contrario en baños de sales. Y
finalmente, de tratarse de una producción en serie, pueden emplearse hornos
continuos.
PRECACUCIONES EN EL TRATAMIENTO TERMICO
En el caso de que las piezas deban ser sometidas a tratamientos térmicos y se
desee evitar la formación de cascarilla y no se cuente con hornos de atmósfera
controlada, se puede recurrir al empleo de capas de carbón, viruta de madera o de
arena, para temperaturas menores a los 1000°C. En el caso de los aceros rápidos,
se puede recurrir a envolverlos en papel y después en barro, con lo que se evita su
descarburación.
PROCESOS DE RECOCIDO
RECOCIDO DE NORMALIZACION
El recocido de normalización, o simplemente normalización, consiste, según la
norma DIN 17014, en calentar a una temperatura un poco por encima del punto
superior de transformación Ac3 (en los aceros hipereutectoides, sólo por encima del
punto inferior Ac1) y enfriar después en una atmósfera en reposo.
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30
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
La normalización produce una regeneración de la estructura y elimina todas las
irregularidades producidas por el tratamiento térmico o por deformación.
En la figura 1 se representa el curso de la temperatura en el recocido de
normalización.
Fig. 13.- Curso de la temperatura en el recocido de
normalización
La temperatura de normalización depende esencialmente del contenido de carbono
del acero. En los aceros hipoeutectoides suele ser entre 20 y 30°C más alta que el
punto Ac3 y en los hipereutectoides por encima de Ac1.
3.2.2 PERLITIZACION
Una variedad del recocido de normalización es el recocido isotérmico para obtener
perlita, tratamiento que puede llamarse perlitización. Según la norma DIN 17014,
consiste en mantener el material, en el curso de un enfriamiento, desde una
temperatura superior a Ac3 a una temperatura comprendida dentro del intervalo de
formación de perlita, seguido de un enfriamiento posterior cualquiera, con el fin de
conseguir una transformación completa en perlita. La figura 2 muestra el curso de la
temperatura en la perlitización. Como temperatura de austenización se toma la de
normalización. La temperatura del intervalo perlítico se elige de acuerdo con el
material que se trate y su diagrama TTT isotérmico. En la figura 3 se representa el
curso de la temperatura en la perlitización de un acero con 0.32%C, 1%Si,
1.3%Mn, 1.2%Cr y 1.6%Ni. Para este acero se emplea una temperatura de
austenización de 900C y según el diagrama TTT isotérmico se toma una
temperatura de perlitización de 650C a la cual se completa la transformación en
perlita con un tiempo de mantenimiento de 90 min.
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31
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Fig. 14.(a) Estructura de sobrecalentamiento
(b) Estructura del cordón de soldadura
en un cordón de soldadura. 250X
después del normalizado. 250X
Fig. 15.- Curso de la temperatura en la perlitización
Fig. 16.- Curso de la temperatura en la perlitización
dibujada sobre el diagrama TTT isotérmico.
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32
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
3.2.3 PATENTADO
Según la norma DIN 17014, este tratamiento se aplica al alambre y a las bandas y
consiste en un calentamiento a una temperatura superior a Ac3 y un enfriamiento
relativamente rápido destinado a conseguir una estructura favorable para la
subsiguiente conformación en frío.
3.2.4 RECOCIDO DE ABLANDAMIENTO
La norma DIN 17014 describe el recocido de ablandamiento como un tratamiento
en el que el material se calienta a una temperatura muy poco inferior a Ac1 (a veces
también superior a Ac1) o bien se mantiene oscilando por encima y por debajo de
este punto y luego se le enfría lentamente, con la finalidad de producir un estado lo
más blando posible.
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33
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
CAPITULO IV
ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO Y DEL TALLER
EQUIPO DE LOS TALLERES DE TRATAMIENTOS TERMICOS
Las características de un taller de tratamientos térmicos, no son invariables. Estas deben adecuarse a
muchas variables que determinan en definitiva la estructura del taller.
De manera indicativa, el taller está en función de:
•
•
Capacidad
Naturaleza de la fábrica
o Tipo de producto que se tratará
o Cantidad del producto
o Frecuencia de tratamiento
La figura 1 muestra el plano de un taller de tratamiento térmico, en el cual se encuentran equipos
que no necesariamente deben estar presentes en todos los talleres de tratamientos térmicos. Sin
embargo, todo taller debe tener altura de 4 m por lo menos.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
14
10
11
16
12
17
13
15
18
Figura 1.- Equipos de un taller de tratamientos térmicos
1 Horno de cámara, eléctrico o calentado por gas o aceite; 2 Horno eléctrico de doble cámara; 3 Baño de sales para el
calentamiento para el temple; 4 Baño de sales para el temple bainítico; 5 Baño de cementación; 6 Horno eléctrico de
circulación de aire; 7 Baño de sales para el precalentamiento; 8 Baño para alta temperatura con electrodos de inmersión;
9 Baño caliente para aceros rápidos; 10 Horno de circulación de aire; 11 Instalación de medición y regulación de
temperatura; 12 Depósito de escurrido; 13 Baño caliente con circulación; 14 Depósito de agua con equipo de duchas
cambiable; 15 Depósitos de aceite de refrigeración; 16 Durómetros; 17 Enderezadora; 18 Instalación de lavado.
El tipo de horno a ser empleado, es función de varios factores. Entre otros, del tipo de energía
disponible en el lugar.
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34
MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Las dimensiones de los hornos, están en función del tamaño de las piezas que serán sometidas a los
tratamientos térmicos, con más frecuencia. Esto por cuanto, si existen piezas más grandes que serán
tratadas esporádicamente, éstas pueden ser encomendadas a terceros.
Un taller no solo debe estar equipado con hornos, sino también con buenas instalaciones de temple.
Por ello, se debe tomar en cuenta, al proyectar el taller:
•
•
•
•
•
•
dimensiones de los hornos
dimensiones de los baños, ( destinados tanto a los procesos de tratamiento térmico, como al
proceso de lavado posterior al tratamiento)
dimensiones de las instalaciones auxiliares, almacenes tanto de insumos y materiales, como
de producto terminado
flujo de los medios templantes, su sistema de refrigeración, limpieza, etc.
herramientas y dispositivos adecuados que se requieren para llevar adelante los tratamientos
térmicos.
Equipo de ensayo y control de calidad
La marcha del trabajo en el taller, depende de la disposici ón de los hornos y baños. Estos últimos
deben estar ubicados inmediatamente después de los primeros
Con referencia a los equipos de control y regulación, es recomendable reunirlos en un solo sitio con
el propósito de tener posibilidades de controlar todos desde un solo punto en forma continua y
permanente
Medición de la temperatura
Existen varias alternativas tecnológicas para medir la temperatura, entre las más empleadas se tienen
las se indican en la siguiente tabla:
Aparato
Termómetro de mercurio
Características
Ordinarios
Relleno con nitrógeno a 20 Kp/cm2
Relleno con nitrógeno a 100 Kp/cm2
Termómetros de mercurio y
resorte
Termómetros de dilatación Varilla o tubo de acero
de una varilla
Varilla o tubo de acero al níquel o al grafito
Termómetros de resistencia De alambre de níquel
De alambre de platino
Termopares
Cobre / constantan
Hierro / constantan
Cromo-níquel / constantan
Níquel-cromo / níquel
Platino-rodio / platino
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Intervalo de
medición
-30°C a +300°C
hasta 500°C
hasta 900°C
Hasta 600°C
Hasta 800°C
Hasta 1100°C
-200°C a 150°C
-200°C a 550°C
Hasta 400°C
Hasta 700°C
Hasta 900°C
Hasta 1100°C
Hasta 1500°C
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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
Pirómetros ópticos
APUNTES DE CATEDRA
De radiación total
A desaparición del filamento
Pirómetros de color
Pirómetros fotoeléctricos
600°C a 2000°C
600°C a 3000°C
hasta 2000°C
1000°C a 2000°C
Hornos de recocer, templar y revenir
Las dimensiones, forma y diseño de los hornos que se emplean en los diversos tratamientos
térmicos, dependen de las piezas a tratar. Sin embargo, se debe garantizar un calentamiento perfecto
y un servicio rentable, por lo que los hornos deben satisfacer las siguientes condiciones:
•
•
•
•
La temperatura necesaria ha de alcanzarse con rapidez y ser fácil de regular
La superficie de las piezas no debe ser atacada por la atmósfera del horno
La temperatura será uniforme en todo el recinto del horno
El horno debe funcionar con seguridad y economía
La norma DIN 24201, proporciona información sobre el calentamiento por resistencia eléctrica y por
combustión de los hornos industriales.
Tipos de hornos
La figura 2 muestra en forma esquemática los diferentes tipos de hornos que con mayor frecuencia
se emplean en los procesos de tratamiento térmico.
Figura2: Esquemas fundamentales y funcionamiento de hornos calentados por gas o aceite
En el horno de cámara, las llamas se extienden por debajo de la bóveda y no tocan a las piezas, con
lo que se evita la oxidación de las mismas. El horno con placa de solera, muestra un
comportamiento semejante al indicado en el anterior caso. En cambio en los hornos de mufla, ni las
llamas ni los gases de combustión tocan las piezas.
Instalaciones de temple
Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo
F.N.I. – U.T.O.
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MET 3218 - METALURGIA FISICA II
APUNTES DE CATEDRA
Son las destinadas, en el taller de tratamientos térmicos, a garantizar el enfriamiento adecuado desde
la temperatura de temple. A ellas pertenecen en primer lugar los baños de enfriamiento, que para
cumplir su misión deben disponer de una serie de equipos auxiliares; por ej. Sistemas de
refrigeración, utensilios para el manejo y movimiento de las piezas a tratar, etc.
Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo
F.N.I. – U.T.O.
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