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ESPOCH FACULTAD: MECÁNICA

ESCUELA: ING. MECÁNICA LABORATORIO DE MATERIALES

ENSAYO DE CARACTERIZACION ACERO 4340 (BRIDA) Docente: Ing. Mario Pástor

Fecha: 18 de diciembre del 2014

Nombre: Jesica Caiza Código: 6269

RESUMEN El presente ensayo se realizó siguiendo las normas ASTM E 3-95 para el procedimiento de preparación metalográfica, la norma ASTM E 407-99, para determinar las fases presentes en la microestructura de las muestras, la norma ASTM E 45-97 para determinar el tipo de inclusiones, la norma ASTM E 112-96 para determinar el tamaño de grano de las fases presentes en la microestructura y la normas ASTM E 10-01 y ASTM E 18-03 para determinar la dureza del material. En el análisis de la microestructura en la sección longitudinal se tiene inclusiones tipo B (alúminas) y tipo D (óxidos globulares), en ambos casos son del tipo 1 ½. Al realizar el análisis de la microestructura de la probeta en estado de suministro se observa la presencia de martensita fina, con una dureza de 48 RHC que es equivalente a 451 HB. Lo cual se debe a la presencia de la martensita. Cuando se realiza recocido a la misma probeta se observa las fases de ferrita en un 47.06% y perlita en un 52.94%. La ferrita presente se encuentra en el límite de grano. Tiene un porcentaje de carbono equivalente de 40.6%. El tamaño de grano es aproximadamente 6.5. La probeta presenta una dureza de aproximadamente 198 HB. El efecto del tamaño de grano se observa en su elevada dureza y tenacidad. Las durezas de las probetas varían de acuerdo al tipo de tratamiento que se realice, en este caso la probeta sufre recocido, lo que ocasiona que la dureza baje considerablemente por la eliminación de efectos residuales. Además en la probeta recocida se observa la presencia de fases de ferrita y perlita. 1. ANTECEDENTES Acero AISI 4340 Tiene la siguiente composición química:

Tipo: Acero de baja aleación níquel-cromo-molibdeno. Formas y Acabados: Barra redonda, cuadrada, hexagonal y solera laminadas o forjadas en caliente, peladas o maquinadas. Placa laminada caliente. Características: Se caracteriza por su alta templabilidad y resistencia a la fatiga. Es capaz de ofrecer buenas propiedades en piezas de grandes secciones. No presenta fragilidad de revenido. No se aconseja soldarlo; únicamente con soldadura especial. Aplicaciones: Se utiliza en la fabricación de tornillería de alta resistencia, levas de mando, discos para frenos y ejes para camiones, bridas, anillos, entre otros. 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo general

Realizar el análisis de la microestructura y dureza de la probeta (acero AISI 4340 - Brida), en estado de suministro y recocido. 2.2. Objetivos específicos -

Determinar el tipo de inclusiones presentes en la probeta (estado de suministro). Determinar el las fases presentes en la microestructura de la probeta (estado de suministro y recocido). Determinar el tamaño de grano de la microestructura. Determinar la dureza de la probeta (estado de suministro y recocido).

3. INTRODUCCIÓN 3.1. ACEROS ALEADOS Son aquellos que contienen, además del carbono e impurezas elementos aleantes como el Cr, Ni, Mo, V, W, etc. Aceros de baja aleación. Son aquellos aceros que tiene un porcentaje de elementos aleantes inferior al 2,5 %. Los aceros con elementos aleantes se los utiliza para mejorar las propiedades de los aceros al carbono, según su elemento presente pueden: -

Aumentar la templabilidad del acero. Mejor resistencia a temperaturas comunes. Mejores propiedades mecánicas a altas como a bajas temperaturas. Mejor tenacidad a cualquier dureza o resistencia mínima. Mejor resistencia a la corrosión y al desgaste. Mejores propiedades magnéticas.

Existen diversos tipos de aceros aleados entre ellos tenemos: Aceros al níquel (Serie AISI 2XXX). El níquel aumenta la tenacidad, la elasticidad y resistencia a la fatiga; los aceros al níquel son utilizados en aceros estructurales de gran resistencia, estos aceros han sido remplazados por aceros más económicos de la serie AISI 86XX. Aceros al cromo (Serie AISI 5XXX). El cromo forma carburos aumentando la dureza y la resistencia al deterioro, estos aceros se utilizan en la fabricación de resortes, tornillos y pernos para motores, ejes, etc. Aceros al níquel-cromo (Serie AISI 3XXX). Estos aceros contienen aproximadamente 21/2 partes de níquel por una parte de cromo; se utilizan para la elaboración de engranajes helicoidales, pernos para el pistón, flechas, levas. Aceros al molibdeno (Serie AISI 4XXX). El molibdeno es un fuerte formador de carburos, aumentando la templabilidad, dureza y resistencia, estos aceros se utilizan en la fabricación de resortes y muelles para autos. Aceros al tungsteno. El efecto del tungsteno en el acero es similar al efecto producido por el molibdeno con la diferencia que con este se necesita una mayor cantidad, la desventaja de este es que es muy caro, este acero se utilizan para la elaboración de herramientas. Aceros al vanadio (serie AISI 61XX). Es un elemento costoso, es un fuerte desoxidador y formador de carburos, con él se obtiene gran templabilidad por lo que se utiliza en la elaboración de pernos y cigüeñales par automóviles. 3.2. RECOCIDO

El recocido consiste en elevar la temperatura del acero a una temperatura de austenita más 50°C y enfriarlo lentamente, consiste en apagar y enfriar en el horno a puerta cerrada sin calentamiento y que obtiene el máximo ablandamiento del acero con estructura de tipo ferrito-perlítica equiaxial de tamaños groseros tanto en los granos como en las láminas. En general el recocido sirve para: eliminar los tratamientos térmicos anteriores, eliminar tensiones residuales, eliminar acritud, obtener homogenización y crecimiento del tamaño de los granos. Los constituyentes de los aceros recocidos son: Ferrita. Solución sólida intersticial de carbono en hierro alfa (bcc). La máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0.025% a 723˚C. Tiene una dureza de 90 Brinell, una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm² y un alargamiento del 35 al 40%. Perlita. Es un constituyente eutectoide formado por capas alternadas de hierro alfa y carburo de hierro CFe3, o lo que es lo mismo ferrita y cementita. Tiene una resistencia de 80 Kg/mm² y un alargamiento de 15% aproximadamente. 3.3. DUREZA La dureza es la propiedad que tienen los materiales a oponerse a la fractura; es decir: la resistencia que presentan a deformarse. De esta propiedad dependen los materiales para ser mecanizados o no. La dureza se mide mediante la aplicación de una carga sobre un identador, el cual debe ser impregnado en la probeta de modo que su huella sea visible y además que no se pueda recuperar elásticamente; el material del identador por lo general es mucho más duro que el material de la probeta a utilizar. Prueba o ensayo de dureza Rockwell: La dureza se mide directamente del instrumento (durómetro) el mismo que se basa en el principio de medición de profundidad diferencial. Este ensayo se lo realiza por lo general en materiales que tengan un porcentaje de carbono considerable y en aceros aleados. El identador depende del tipo de dureza Rockwell que se realice. Prueba o ensayo de dureza Brinell: Para este ensayo el tipo de identador es una bola de acero con diámetro D (mm). La carga aplicable es kD2 (kg) en el intervalo de tiempo de 15 a 30 segundos. Luego que la huella quede impresa sobre la superficie del material se mide el diámetro de la huella con un microscopio graduado en décimas de mm. Según la norma ASTM E 10-01.

Fig. 2 Ensayo de dureza Brinell, Norma ASTM E 10-01, p 5

Para el cálculo de la dureza Brinell se utiliza la siguiente ecuación: HB=

2P πD ( D−√ D 2 −d 2 )

Dónde:

Para la carga se debe considerar un factor k, el cual depende de las características mecánicas del material. P = kD2: carga de prueba, kg. D = diámetro del identador de bola, mm. d = diámetro de la huella de impresión, mm.

4. EXPERIMENTACIÓN Probeta: acero AISI 4340 (brida). La preparación metalográfica de la probeta tanto en estado de suministro como en recocido, se realiza de acuerdo al procedimiento de la Norma ASTM E 3-95. Probeta en estado de suministro: Las inclusiones presentes en la probeta se observan en la sección longitudinal, entonces se realiza el procedimiento de preparación metalográfica y una vez terminado, se limpia los residuos con agua para posteriormente secarlo mediante el uso de aire comprimido. Se observa en el microscopio la superficie (sin ataque) para tomar microfotografías a 100X según la norma ASTM E45-97 En la sección transversal se realiza el ataque químico con nital al 2% hasta que la superficie empiece a cambiar de coloración. Se detiene el ataque con alcohol, según la norma ASTM E 407-99, para el análisis de microestructuras; se le realiza un secado a la probeta con aire comprimido, para observar en el microscopio la microestructura y las posibles fases presentes en la probeta. Se toma microfotografías a 100X, 200X y 500X, con escala de 4.2 en la cámara de fotos. La probeta recocida se prepara de una parte de la probeta en estado de suministro, el recocido se realiza a 900°C. Una vez que se termina el procedimiento de preparación metalográfica, se realiza el ataque químico con nital al 2%, se detiene el ataque con alcohol, según la norma ASTM E 407-99. A la probeta se le realiza un secado mediante aire comprimido para observar las fases presentes en la microestructura. Se toma fotos a 100X, 200X, 500X con escala en la cámara de 4.2, para realizar la medición del tamaño de grano y determinar el porcentaje de las fases presentes en la microestructura. El ensayo de dureza realizado, Rockwell C para la probeta en estado de suministro, para la cual se coloca en el durómetro el identador tipo cono de diamante y se aplica una carga de 1471 N. Para la probeta recocida se realiza el ensayo de dureza Brinell, según la norma ASTM 10-01, con diámetro de identador de 2.5 mm y factor de carga de k=30, esto se debe a las propiedades mecánicas del material; se aplica la carga durante 15 segundos aproximadamente. Se retira la carga aplicada en la probeta, para después retirar la probeta y medir el tamaño de la huella. 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1. Análisis de inclusiones

612 um

816 um

Fig. 3 Inclusiones tipoD, norma ASTM E45-97, p 18

Fig. 2 Fotografía de inclusiones a 100x, fuente autor

Comparando la fotografía con la norma ASTM E 45-97, se tiene una inclusión tipo D-1 1/2; es decir el acero de ensayo tiene inclusiones de óxidos globulares

612 um

816 um

Fig. 5 Inclusiones tipo B, norma ASTM E45-97, p 8

Fig. 4 Fotografía de inclusiones a 100x, fuente autor

Comparando la fotografía con la norma ASTM E 45-97, se tiene una inclusión tipo B-1 1/2; el acero tiene inclusiones tipo alúminas.

Fig. 6 Inclusiones. Números mínimos para niveles de severidad, Norma ASTM E 45-97, p 8

La longitud de las inclusiones del tipo B es de 18.4 mm y el número de inclusiones del Tipo D es 9 5.2. Análisis de la microestructura:

Fig. 7 Regleta a 100X, a escala 3.2 fuete autor

Fig. 8 Regleta a 200X, a escala 3.2 fuete autor

Fig. 9 Regleta a 500X, a escala 3.2 fuete autor

Probeta en estado de suministro:

306 um 612 um

816 um

408 um

Fig. 10 Microestructura de acero AISI 4340 atacada con nital, 100X

Fig. 11 Microestructura de acero AISI 4340 atacada con nital, 200X, fuete autor

122.4 um

163.2 um

Fig. 13 Microestructura del AISI 4340 a 500X, [4]

Fig. 12 Microestructura de acero AISI 4340 atacada con nital, 500X, fuete autor

En la microestructura se observa que existe martensita fina, mediante comparación con la figura tomada del ASM Handbook volumen 7, No se puede determinar el tamaño de grano porque la probeta en estado de suministro tiene ha sufrido tratamientos térmicos y mecanizado para su conformación. Por tal motivo para determinar las fases presentes en la microestructura y el tamaño de grano se realiza un recocido a la probeta. Probeta recocida:

306 um 612 um

816 um Fig. 14 Microestructura de acero AISI 4340 atacada con nital, 100X

408 um Fig. 15 Microestructura de acero AISI 4340 atacada con nital, 200X, fuete autor

Análisis de las fases presentes en la microestructura: en ScopePhoto

Fig. 16 Análisis del AISI 4340 recocida y atacada con nital, 100X, fuente autor

Porcentaje de perlita:

%P=

135 ×100 255

%α=100−52.94 %α=47.06

%P=52.94 %α=

0.76−%C ×100 0.76−0.008

%C=0.76−( 0.76−0.008 ) ×

47.06 100

%C=0.406

El porcentaje de carbono equivalente es 40.6% Análisis del tamaño de grano: en AutoCAD -

Método de intersección

Fig. 17 Microestructura a 200X analizada en AutoCAD, fuente Autor

En la microestructura presentada se cuentan los números de granos tanto en las horizontales como en las verticales y se realiza el factor de corrección: Líneas horizontales L1 = 18

L3 = 20

L2 = 22

L4 = 22

¿ promedio de granos=

L1+ L2 + L3 + L4 + L5 5

¿ promedio de granos=

18+22+20+22+19 5

L5 = 19

¿ promedio de granos=20.2 E=

longitud ¿ promediode granos

Go=10−6.6439 log

E 10

G=Go −6.64 log

E=

418 20.2

Go=10−6.6439 log

20.693 10

G=7.9−6.64 log

E=20.693

Go=7.9

Mi ( Mo )

( 200 100 )

G=5.9 ≈ 6

Líneas verticales L1 = 19

L3 = 21

L2 = 20

L4 = 19

¿ promedio de granos=

L1+ L2 + L3 + L4 + L5 5

¿ promedio de granos=

19+20+21+19+18 5

L5 = 18

¿ promedio de granos=19.4 E=

longitud ¿ promediode granos

Go=10−6.6439 log

E 10

G=Go −6.64 log

E=

313.5 19.4

Go=10−6.6439 log

16.159 10

G=8.615−6.64 log

E=16.159

Go=8.615

El tamaño de grano es: G + GV Tamaño de grano= H 2 Tamaño de grano=

6+ 7 2

Tamaño de grano=6.5

G=6.6 ≈ 7

Mi ( Mo )

( 200 100 )

5.3. Análisis de dureza Probeta en estado de suministro: Dureza Rockwell: tipo C Identador: cono de diamante P = 1471 N HRC = 48 Probeta recocida: Dureza Brinell: Datos para determinar la dureza de acuerdo al tipo de material (acero): Factor de carga para materiales de baja resistencia mecánica k = 30 D = 2.5 mm d1 = 1.075 mm d2 = 1.065 mm

d=

d 1 +d 2 2

d=

1.075+0.065 2

d=1.07 mm Carga necesaria para determinar la dureza: P = k.D2 P = 30 (2.5)2 P = 187.5 kgf.

HB=

HB= Dureza Brinell de la probeta de estaño:

2P πD ( D−√ D −d 2

2

)

2 (187.5 ) π ( 2.5 ) ( 2.5−√ 2. 5 −1.07

HB=198.486

2

2

)

Dureza Brinell según el tamaño de la huella:

Fig. 18 Dureza Brinell según el diámetro de la huella, [11]

La dureza Brinell es: 198 HB Entonces la dureza de la probeta recocida es aproximadamente 198 HB 6. CONCLUSIONES -

-

El tipo de inclusiones presentes son: inclusión tipo D-1 1/2; es decir el acero de ensayo tiene inclusiones de óxidos globulares e inclusión tipo B-1 1/2; el acero tiene inclusiones tipo alúminas. La longitud de las inclusiones del tipo B es de 18.4 mm y el número de inclusiones del Tipo D es 9 En el análisis de la microestructura de la probeta en estado de suministro se observa la presencia de martensita fina, al comparar con el Metals Handbook, volumen 7. Tiene una dureza de 48 RHC que es equivalente a 451 HB. Esto se debe a la presencia de martensita fina. Mediante el recocido se presenta fases de 52.94% perlita y 47.06% ferrita, esta ferrita se encuentra en el límite de grano. Tiene un porcentaje de carbono equivalente de 40.6%. El tamaño de grano es aproximadamente 6.5, que es relativamente pequeño, por lo cual influye en su dureza y tenacidad. La probeta presenta una dureza de aproximadamente 198 HB. La dureza de la probeta recocida varía con la probeta en estado de suministro, porque al realizar este tratamiento térmico la probeta tiende a eliminar tensiones residuales, y el tamaño de grano tiende a incrementar.

7. RECOMENDACIONES -

Las presentes microfotografías presentan dos puntos opacos, los cuales son fallas de cámara, por lo cual no deben ser consideradas en los diferentes análisis de las microestructuras. Se debe considerar los factores de carga K, para cada tipo de material, puesto que de ellos depende la carga y el diámetro del identador que deben ser aplicados en la probeta. Cuando se realice el ataque químico en la probeta, se debe tener cuidado con los diferentes tipos de reactivos presentes durante el ensayo.

-

El tiempo estimado durante el ataque químico se da de acuerdo, al tipo de probeta y sus diferentes aleaciones.

8. REFERENCIAS [1] AVNER, Sidney, Introducción a la Metalurgia Física, Segunda edición, Mc Graw Hill, México, 1995, archivo pdf. - [2] Tipos de enfriamiento [ver online]

- [3] Medición de tamaño de grano [en línea] < http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/grano.htm> - [4] ASM HANDBOOK COMMITTEE, Atlas of Microestrutures of Industrial Alloys, Volumen 7, 8va Edición, Metal Park, OH EU., archivo pdf. - [5] Norma ASTM E 3–95, Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens, (según nueva designación aprobada en 1995), archivo pdf. - [6] Norma ASTM E 45–97, Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel, (Reapproved 2002), archivo pdf. - [7] Norma ASTM E 407–99, Standard Practice for Microetching Metals and Alloys, (según nueva designación aprobada en 1999), archivo pdf. - [8] Norma ASTM E 112–96. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size, (Según nueva designación aprobada en el 2003), archivo pdf. - [9] Norma ASTM E 18–03, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials, (Revisada en 2004), archivo pdf. - [10] Norma ASTM E 10–01, Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials, (Reapproved 2004), archivo pdf. -[11] SHANDONG LAIZHOU TESTING MACHINE FACTORY, Laizhou Huayin Testing Instrument Co., LTD, p 12. -