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• ANTONI KEYVI MENDOZA GUTIERREZ

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CURSO: METALURGIA FÍSICA II MODULO II TEMPLABILIDAD, TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Y TERMOMECÁNICOS DE ACERO

CLASE 12 – Viernes 14 de Julio

3. METODO JOMINY O DE EXTREMO TEMPLADO: ¿Cómo poder seleccionar y comprobar que el acero que se selecciona en algún depósito es un determinado acero? y ¿Cómo evaluar su capacidad de endurecimiento o temple? Esto se puede solucionar mediante este método. El método JOMINY, es estándar y usado ampliamente para determinar la templabilidad, por su facilidad de resultados y regularidad de resultados (Norma ASTM A 255 o SAE J406a. FUNDAMENTO: Es de producir en una sola barra una gran variedad de rangos de enfriamiento conocido, luego al medir la dureza a lo largo de la barra, se conoce las durezas que se pueden obtener en diferentes rangos de enfriamiento a partir de T. MÉTODO: Se maquina una probeta de medidas 1 pul diámetro(25mm) y 4 pulg de long (100mm) (fig a). Se austeniza a una temp. y durante un tiempo determinado, se retira del horno y se monta en un aparato simple (Según fig.). El extremo inferior se templa mediante un chorro de agua (por 10 min.). De este modo la veloc. De enf. es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta. Una vez fría se desbasta dos superficies diametralmente opuestas (0.4mm). Se mide la dureza cada 1/16 Pulg (1.6mm). Luego se hace un grafico de Dureza Vs Distancia de extremo templado obteniéndose la curva Jominy de acero o curva de templabilidad. (ver fig. b)

La Figura: Correlaciona el comportamiento de transformación por enf. Continuo (TEC) del acero 8630, con los datos de extremo templado. El estudio de esta Fig. muestra que las proporciones de enfriamiento que se producen cerca del extremo templado de la barra Jominy en el punto A, exceden VEC y la microestructura es 100%M; debido a la alta dureza obtenido en este punto (56 HRC). Por el contrario la proporción de enfriamiento en el punto D (Venf < VEC), que se encuentra a 2.5 pulg. (63.5mm) del extremo templado, es bastante más bajo (~ 30HRC), lo que produce una transf. a ferrita, bainita y M.

La figura a. Muestra la dureza de la M en f(%C) y %M en la microestructura. Donde se observa que la dureza para un acero con 0.8%C (eutectoide) con 50%M es Aprox. 54 HRC. Este valor se Traslada a la curva de la Fig. b. (curva de templabilidad o curva Jominy para acero 0.8%C) y se observa que ese valor se encuentra a una distancia de Aprox. 4mm (5/32 pulg) ese punto se llama “punto de Inflexión” y la dureza en este punto es la “dureza critica”.

Con el valor de la distancia Jominy (4mm o 5/32pulg) y utilizando la grafica c (equivalencia entre D critico ideal y distancia Jominy) se observa que le corresponde un diámetro critico ideal (Di) de Aprox, 40mm (1.6 pulg). O sea es el diámetro máximo donde en el centro existe 50%M y 50%P en el acero con 0.8%C. La figura d y e. Muestra las curvas de templabilidad de diversos aceros y las durezas que se obtendrían a esas distancias

BANDAS DE TEMPLABILIDAD: En la producción industrial del acero siempre se producen pequeñas variaciones, de una colada a otra, en cuanto a la composición y tamaño de grano, lo que modifica los datos de templabilidad.. Por este motivo estos datos se suministran en forma de banda, donde están representados los valores de C.Q. máximo y mínimo para un acero determinado. Y esta es designada con una H final. Que indica que la composición y características de este acero son tales que su curva de templabilidad entra (recae) dentro de la banda especifica. La Fig. a. Muestra la banda de templabilidad para el acero 4140H; al especificar la templabilidad generalmente se designan dos puntos:

PUNTO A. Los valores Min. Y Max. De dureza a cualquier distancia deseada. La distancia escogida debe ser la que hay en el extremo templado de la barra de prueba que corresponde a la sección utilizada por el comprador. Por ejemplo en la fig. a. Las especificaciones podía ser J 50/58 = 6/16 de pulg. PUNTO B. Las distancias Min. Y Max. A las cuales se presentan cualquier valor de dureza deseado. Por ejemplo en la Fig. b. puede ser J 50 = 6/16 a 21/16. La figura b: Representa la banda de templabilidad del acero 8640.

VARIABLES QUE AFECTAN LA TEMPLABILIDAD: Se sabe que la templabilidad se expresa en Jominy o por su Di, que es f (C:Q: y tamaño de grano de la ) que contiene en el instante del temple. Un acero tiene alta templabilidad cuando la  se convierte en M sin formación de P, aun con velocidades enfriamientos lentos. Aceros de baja templabilidad se requieren elevada veloc. De enfriamiento para formar M. Afectan la templabilidad: Tamaño de grano de austenita y C.Q.

--Tamaño de grano de la austenita: Al calentar el acero hasta la temp. de austenización (100% ) a elevadas temp. y a tiempos de permanencias largos produce granos austeníticos grandes y esto es importante en las propiedades finales . - Un grano fino (ASTM 8 y 7) tiene mucha área de borde de grano, que facilita la nucleación de ferrita y perlita disminuyendo la templabilidad del acero. – Un grano grande (ASTM 4, 5), aumenta la templabilidad del acero, pero no es deseable porque aumenta la fragilidad reduciendo la ductilidad y tenacidad aumentando la tendencia al agrietamiento. --Influencia del contenido de carbono en la templabilidad: Según la fig. El incremento del %C en el acero aumenta altamente la templabilidad (Di aumenta) también muestra que la templabilidad aumenta con granos mas grandes. Sin embargo un alto %C no siempre es deseable. Por eso una alternativa para aumentar la templabilidad de un acero de %C bajo es agregar elementos de aleación. Según Fig. Para el acero 0.8%C: ASTM 8: Di = 0.28 pulg, STM 7: Di = 0.305 pulg y ASTM 6: Di = 0.33 pulg.

EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACION EN LA TEMPLABILIDAD. Como ya se dijo Di depende del %C, del tamaño de grano austenítico y de los elementos de aleación. Ninguno de los factores anteriores, se usa específicamente para aumentar la templabilidad. Esto se logra Principalmente mediante la adición de elementos de aleación al acero, a excepción del Co y Al.. Elementos como Cr, Mo, W, V Mn, etc. son formadores de carburos y son solubles en el hierro aumentan la templabilidad de los aceros. Para el calculo se deben de utilizar factores multiplicadores, pero se debe de conocer la composición química del acero. Entonces el Diámetro critico (Di) del acero aleado será: DI = Di (%C, ASTM austenita) x 1 x 2 x 3 x ………………x n. Donde:  = función del % de elemento de aleación i = 1, 2, …………, n. Son los diferentes elementos de aleación.

Ejemplo : Calcular el diámetro critico (DI) del acero AISI 4140 con C.Q: 0.4%C, 1.13%Cr, 0.20%Mo, 0.80%Mn. ASTM De las tablas de factores Multiplicadores se tiene: DI 1040 = 0.2130 ( para ASTM 7) (5.4mm) Factores multiplicadores: 1.13%Cr = 3.4408, Para 0.20%Mo = 1.60, Para 0.80 %Mn = 3.667 Entonces : DI 4140 = 0.2130 x 3.4408 x 1.6 x 3.667 = 4.30 Pulg (109.20 mm) La figura muestra el gran efecto de los elementos de aleación sobre el Diámetro critico ( D I ), donde se observa que para obtener en el centro de la Barra 50%M. Para el acero AISI 1040 se necesita una barra de diámetro 0.2130 pulg (5.4mm), mientras que para el acero AISI 4140 se necesita un Diámetro de 4.30 pulg ( 109.20 mm ).

La siguiente tabla muestra algunos valores de los factores multiplicadores para evaluar la templabilidad

Influencia del medio de temple, tamaño y geometría de la muestra: La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la velocidad de eliminación de la energía térmica, que es función de las características del medio de temple en contacto con la superficie de la muestra del tamaño y geometría de la muestra. La severidad de temple (H) indica veloc. de enf. El temple más rápido equivale al temple mas severo.. Los tres medios mas usados (agua, aceite, aire). El agua produce el temple más severo, seguido por el aceite que es mas severo que el aire.

El grado de agitación también influye en la velocidad de eliminación del calor incrementando la veloc. de enf. a través de la superficie de la pieza. El agua puede resultar muy severo para aceros aleados produciendo deformación y grietas. La veloc. de enfr. en el interior de la estructura del acero, varia con la posición y depende del tamaño y geometría de la probeta. Las Fig. (a) y (b) muestran la veloc. De temple (desde 700°C) como una función del diámetro de barras cilíndricas a cuatro posiciones radiales ( S, 3/4R, 1/2R y C). Los medios de enfriamiento son agua y aceite ligeramente agitada.

En la figura se indican las relaciones entre los ensayos Jominy en determinadas posiciones y sitios diferentes, en barras que se han templado en varios medios. Con estos datos y algunas curvas Jominy o curvas de templabilidad de los aceros. Podemos seleccionar ahora el acero apropiado para una pieza determinada. Ejemplo: Si se tiene un eje de 2 pulg de diámetro y queremos obtener por lo menos una dureza de 50 HC a ½ de pulg por debajo de la superficie. Si necesitamos utilizar un temple en aceite quieto, porque si se templa en agua se agrieta. ¿Cuál acero debe utilizar? Solución: Según la fig. C. para 1/2R y la curva 3 el rata de enf.es 20 °F/seg y corresponde a una distancia Jominy de 11/16 pulg. con este valor vamos a la curvas Jominy de la figura e. y se observa que el acero 4340 cumple la condición. (el 4140 tendría casi 50 RC).

Una utilidad de los diagramas de la veloc. De enfr. En función del diámetro de barras cilíndricas templadas con agitación suave en agua y aceite, es predecir la dureza a través de la sección de la probeta. Por ejemplo en la fig. a. compara la distribución radial de dureza para probetas cilíndricas de un acero 4140 y de un acero 1040; ambos con un diámetro de 50mm y templados en agua.. Observando estos perfiles se evidencia la alta templabilidad de acero 4140. La fig. b. representa los perfiles de dureza de cilindros 4140 de diámetros 50mm y 100mm templados en agua. Caso de estudio: Determinar el perfil de dureza para una muestra cilíndrica de 50mm de diámetro de acero 1040, que se ha templado en agua moderadamente agitada.

Solución: Utilizando la Fig. (a) se observa Para 2 pulg diámetro le corresponde una distancia Jominy (pulg): Centro (C): 3/8 3/4R: 5/16. 1/2R: 3/16. Sup. (S): 1/16. Con Estos datos y usando la curva Jominy para El acero 1040 obtenemos las respectivas Durezas HRC): Centro (C): 28. 3/4R: 30 1/2R: 39. Superficie (S): 54. Y con estos Resultados se grafica el perfil de dureza. Esto se grafica en la figura c.