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1. FUNDAMENTO TEÓRICO
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO
El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los principales tratamientos térmicos son:
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la
TEMPLADO EN AGUA TEMPLADO EN ACEITE
tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
TIPOS DE ROCOCIDO
a) Recocido Supercríticos
REVENIDO 150
REVENIDO 450
RECOCIDO
De austenización completa (recocido de regeneración): se calienta el acero a temperaturas superiores a las críticas Ac3 ó Accm para transformar el material en austenita, mayormente se utilizan para los aceros que presentan efectos de fatiga. De austenización incompleta (recocido globular de austenización incompleta): se realizan a solo temperaturas superiores a las Ac1 y Ac3-2-1 se convierte la ferrita en austenita.
b) Recocido subcrítico
Se calientan los materiales a temperaturas inferiores a las temperaturas críticas Ac1 ó Ac3-2-1. Este a su vez se clasifica en: recocido globular que consigue la cementita de estructura globular más perfecta; recocido de ablandamiento; recocido contra acritud se realiza para mejorar la ductilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos procesos de laminación; recocido de estabilización
c) Recocido Isotérmico
A diferencia de todos los anteriores se trasforma la austenita en perlita a una temperatura constante. En el recocido de segundo género o de austenizacion completa ,se calienta el material por encima del punto crítico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto más lento sea el enfriamiento más blando será el acero, si se aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la zona critica , se aumenta la dureza , si esta velocidad sobrepasa la velocidad critica , la austenita comienza a transformarse en otros constituyentes. El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda, este punto depende de la velocidad de enfriamiento, por ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora, el proceso de transformación ocurre sobre los 700-680 grados, y a 20 grados - hora, la transformación ocurre a 680-650 grados
Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.
Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.
d) Cementación: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al
calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.
e) Carburización: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal,
coque o gases de carbono.
f) Cianurización: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así
que endurezca.
g) Nitrurización: Se usa para endurecer aceros de composición especial mediante
su calentamiento en amoniaco gaseoso.
CONSTITUYENTES DE ALEACIONES FERROSAS
1. Cementita
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67
%C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más
duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una
dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
ortorrómbica.
NORMALIZADO
Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita en las probetas atacadas con
ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o
proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos
de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras
láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de
ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización,
en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
2. Perlita
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas
alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 %
de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene
una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80
kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita
se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla,
parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el
enfriamiento lento de la austenita y por la transformación
isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de
perlita si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se
denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a
723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita,
denominándose perlita globular.
3. Austenita
Es el constituyente más denso de los aceros y está
formado por una solución sólida por inserción de carbono
en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía
de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la
temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la
temperatura ambiente pero existen algunos aceros al
cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es
austenita a temperatura ambiente.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de
300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no
es magnética.
Microestructura de la austenita: La austenita no puede atascarse con nital, se disuelve
con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente
maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.
4. Martensita
Es el constituyente de los aceros templados, está
conformado por una solución sólida sobresaturada de
carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por
enfriamiento rápido de los aceros desde su estado
austenítico a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco
carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas
varían con su contenido en carbono hasta un máximo de
0.7 %C.
Microestructura de la martensita. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc,
resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy
frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60
grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se
corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura
inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener,
enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
5. Troostita
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o
por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C,
o por revenido a 4000C.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza
de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento
del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos
1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
6. Sorbita
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por
transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la
temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es
de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.
Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma
la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, figura 16; de hecho tanto la
troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
7. Bainita
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando
la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de
estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta
por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C tiene
un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita
que contienen delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las
correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los
aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden
aparecer otros carburos simples y dobles o complejos
8. Ledeburita
La ledeburita no es un constituyente de los aceros. Sino de las fundiciones. Se encuentra
en las aleaciones hierro-carbono cuando el porcentaje de carburo de hierro aleado es
superior al 25 %, o sea, con un contenido total mayor de 1,76 % de C. La ledeburita es
una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta y se emplea para designar
una mezcla de componentes que pasan sin descomposición ni segregación del estado
sólido al líquido. Se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3 % de C desde 1.130º,
siendo estable hasta 723º (A1, punto crítico inferior), descomponiéndose a partir de esta
temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de cementita y el 48 %
de austenita de 1,76 % de carbono. El contenido total de carbono de la ledeburita es el
4,3 %
9. Steadita
Es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más de
0,15 % de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo aproximadamente,
y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este constituyente, se puede calcular
el porcentaje de stedita que contiene la fundición por su contenido en fósforo. Así, por
ejemplo, una fundición que contenga 0,15% de fósforo, tendrá el 15% de stedita. La
steadita es muy dura y frágil. Funde a 960º. En las fundiciones grises está compuesta de
un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro, y en las fundiciones blancas y atruchadas, por
un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita.
10. Grafito
El grafito es una de las variedades alotrópicas en que se encuentra el carbono libre en la
naturaleza, siendo la otra el diamante. Es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso
específico 2,25. Se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises; en forma de
nódulos, en las fundiciones maleables, y en forma esferoidal, en algunas fundiciones
especiales. El grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las
fundiciones que lo contienen, pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste y a la
corrosión y sirve de lubricante en el roce.
Diagrama TTT (Temperatura-Tiempo-Transformación) de un acero al carbono. Por su forma también se le llama «curva de la S».
HORNOS UTILIZADOS PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO
Se pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera
del horno.
El calentamiento por gas
Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la
combustión entran a la cámara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de
combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos
de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en
el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la
cámara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento
por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de
la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 ºC y el control
de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para
tratamientos térmicos.
Calentamiento por resistencia eléctrica
Es el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor
generado según la ley de joule. La disposición de la resistencia da nombre a los hornos,
que son de tipo mufla o caja, la resistencia está instalada a lo largo de las paredes
interiores y por lo tanto en contacto con las paredes del horno. El material de la
resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de
1100 ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 ºC. Para
lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 ºC), de
tungsteno (2500 ºC), y de grafito (2700 ºC). Para temperaturas aún mayores se utilizan los
hornos de inducción (3000 ºC).
Hornos según su atmósfera
En tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro
del horno que está en contacto con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter
neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble,
por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la
descarbonizacion de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a
saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas.
En vacío
Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de
aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o
mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido al
precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmósferas
carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de
hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2,
CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua.
Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmico
En el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios
convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se
separan en del agua. El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico.
La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el
exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan
entre sí en un catalizador calentado exageradamente
HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS
2.1 RELACIÓN DE MAQUINAS, EQUIPOS, INSTRUMENTOS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES USADOS CORRECTAMENTE IDENTIFICADOS.
1) Probetas de acero : Son de acero SAE 1035 primero son tratadas por el ensayo
metalografico luego son puestas dentro de un horno para calentarlas y hacerles
los diferentes tratamientos. Son usada 6 probetas.
2) Horno : Es pequeño con una capacidad para las 6 probetas, posee una manija al
lado derecho para levantar la tapa frontal y extraer las probetas así como un
indicador electrónico que mide la temperatura interna.
3) Agua : Usada para el temple.
4) Aceite : Usada para el temple.
5) Microscopio : Usado para observar la superficie de las probetas luego de haber
sido tratadas térmicamente.
6) Pulidora metalográfica
7) Durómetro Rockwell digital
8) Alcohol, solución de Nital (HNO 3 2.5%) y solución de Ácido Nítrico
2.2 DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ORDENADO Y SISTEMATICO.
1) Preparación de probetas: Las probetas a ser usadas deben ser primero
tratadas mediante el ensayo estilográfico para luego poder ver su estructura
micrográfica una vez realizado los ensayos.
2) Calentamiento: Las probetas una vez preparadas son puestas en el horno a
calentar.
3) Temple y revenido: Una vez llegada a una temperatura determinada se sacan
tres probetas una es puesta al aire sobre un ladrillo, otra es sumergida en aceite y
la tercera en agua, luego de una tiempo que se enfrían se retiran y se observan.
4) Recocido: Es retirada del horno y puesta al enfriar una vez que la ausentita
pareció.
5) Revenido: Se dejan enfriar dentro del horno a las temperaturas de 350° y 500°
luego son retiradas y observadas.
6) Toma de fotos : Una vez que las probetas se han enfriado son llevadas al
microscopio donde se analiza su estructura micrográfica como es el tamaño de
grano, además se observa la presencia de la martensita en cada probeta de
acuerdo al diferente tratado.
2.3 DATOS, CALCULOS Y TABULACIONES
3. OBSERVACIONES
Se observa que las probetas templadas es agua presenta una mayor dureza con
respecto a las demás.
Las probetas que fueron recocidas presentan una dureza mucho menor con respecto a
las demás.
En el caso de los revenidos se observa que a menor temperatura y menor tiempo se
obtiene una dureza mayor como es el caso del templado en agua revenido a 350° en
media hora que supera a la probeta templada en agua revenida a 350° en una hora.
En el temple del agua y del aceite se observa que la concentración de martensita es
mayor en el agua que en el aceite lo cual nos indica que el temple del agua será más
duro que el temple en aceite
Temple en agua Temple en aceite
Entre las probetas templadas al agua se observa que a menor diagonal principal el
valor de la dureza es mucho mayor debió a que se deforma menos en un área de
contacto menor.
4. CONCLUSIONES
En la experiencia se han podido apreciar los métodos de templado, recocido y
revenido en las probetas de acero y se ha visto cómo influyen en las propiedades
mecánicas de dichas probetas.
En la experiencia se han podido observar las diferentes formas de variar las
propiedades mecánicas de un acero hipoeutectoide al ser sometido a los diferentes
tratamientos térmicos.
Los tratamientos térmicos son esenciales en la ciencia de los materiales porque nos
permiten variar la estructura cristalina del metal a tratar, obteniendo de este modo
obtenemos un material con una mayor resistencia que la matriz original mediante el
normalizado, recocido, templado y revenido.
Los diferentes tratamientos térmicos empleados para el acero SAE1035 son:
Normalizado: nos permite pasar todo el metal al estado austenitico.
Recocido: nos permite ablandar el material para poder tratarlo mejor.
Temple: nos permite transformar todo la masa del acero es austentita seguido de
un enfriamiento lo suficientemente rápido para transformar la austentita en
martensita.
Revenido: es un tratamiento complementario al temple, consiste en calentar el
acero a una temperatura inferior a Ac1 y enfriarlo después generalmente al aire
aunque algunos también al agua y acero.
Para la industria actual los diferentes tipos de acero cumplen diferentes tipos de
funciones como es el caso del SAE1035 que es un acero alto carbono bajo la norma
SAE. Por su contenido de carbono estos aceros se utilizan para la fabricación de
piezas estructurales y algunas aplicaciones donde se requiera resistencia al desgaste.
Presenta un límite de fluencia de 270 MPa y una resistencia a la tensión de 500 MPa.
Los aceros de acuerdo a la norma SAE son más duros a medida que el porcentaje de
carbono aumenta.
5. RECOMENDACIONES
Lijar bien las parte de la sección recta de las probetas para obtener resultados más óptimos en la parte experimental al momento de proceder a observar en el microscopio.
Evitar algún tipo de accidente al momento de lijar las probetas.
Se recomienda realizar el ensayo de tratamientos térmicos con guantes y pinzas de protección para retirar las probetas del horno.
Se recomienda realizar el ensayo en un ambiente aislado para evitar el olor de las probetas al templarse.
6. BIBLIOGRAFIA
Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Smith, William F. McGraw-
Hill Interamericana.
Ciencia e ingeniería de los materiales. Askeland, Donald R. International Thomson.
.
Tecnología del acero. Lasheras Esteban, José María. José O. Ávila Monteso.
Tratamientos térmicos de los aceros. Apraiz Barreiro, José. Dossat: Patronato de
Publicaciones de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales