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UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA FISICAS Y FORMALES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

CURSO: Ciencia e Ingeniería de Materiales TEMA: Tratamiento Térmicos PROFESOR: Rolardi Mario Valencia Becerra GRUPO: 02 INTEGRANTES: Cueva Quispe, Samantha Eliane Gonzales Vargas, Melani Sofia Gutiérrez Cornejo, Yeimy Cecilia Ticona Corrales, Marina del Carmen

AREQUIPA-PERÚ 2020

ii DEDICATORIA Dedicamos este trabajo a Dios y a nuestros padres. A Dios porque ha estado siempre para nosotras a cada paso que damos, cuidándonos y dándonos fortaleza para continuar, a nuestros padres, quienes a lo largo de nuestra vida han velado por nuestro bienestar y educación siendo nuestro apoyo en todo momento. Depositando su entera confianza en cada reto que se nos presente.

ii

3 AGRADECIMIENTOS Este trabajo es el resultado del esfuerzo de todos los que conformamos el grupo. Por esto agradezco a nuestro Ing. Rolardi Mario Valencia Becerra, quien a lo largo de este tiempo han puesto a prueba nuestras capacidades y conocimientos. A nuestros queridos padres quienes a lo largo de toda la vida han apoyado y motivado nuestra formación académica, creyendo en todo momento y sin dudar de nuestras habilidades. Finalmente, un eterno agradecimiento a esta prestigiosa universidad la cual abrió sus puertas a jóvenes como nosotros, preparándonos para un futuro competitivo y formándonos como personas de bien.

3

iv

ÍNDICE DE GENERAL

1

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 10

2

OBJETIVOS................................................................................................................ 11

2.1 Objetivos General ............................................................................................................. 11 2.2 Objetivo Específico ........................................................................................................... 11 3

MARCO TEÓRICO ................................................................................................... 12

3.1 Tratamiento térmico ......................................................................................................... 12 3.2 Etapas del tratamiento térmico ....................................................................................... 12 3.3 Tipos de tratamientos térmicos........................................................................................ 13 3.3.1

Recocido ................................................................................................................. 13

3.3.2

Temple .................................................................................................................... 15

3.3.3

Revenido ................................................................................................................. 17

3.3.4

Diagrama TTT (TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN). ............... 17

3.3.5

Dureza ..................................................................................................................... 20

3.4 El durómetro y sus partes ................................................................................................ 23 3.4.1

Visualizador ............................................................................................................ 24

3.4.2

Bastidor ................................................................................................................... 25

3.4.3

Tornillo ................................................................................................................... 25

3.4.4

Indentador ............................................................................................................... 26

3.5 Horno eléctrico .................................................................................................................. 28 3.6 Ensayo jominy ................................................................................................................... 29

iv

v 4

MATERIALES Y EQUIPOS ..................................................................................... 30

4.1 Materiales y Herramientas............................................................................................... 30 4.1.1

Materiales: .............................................................................................................. 30

4.1.2

Herramientas: .......................................................................................................... 30

4.2 Equipos .............................................................................................................................. 33 4.2.1

Equipo de protección personal................................................................................ 33

4.2.2

Otros........................................................................................................................ 34

5

ACTIVIDADES DE LA PRÁCTICA Y PROCEDIMIENTO ............................... 35

5.1 Procedimiento: .................................................................................................................. 35 5.2 Resultados .......................................................................................................................... 37 6

ACTIVIDADES ENCARGADAS ............................................................................. 38

7

RECOMENDACIONES ............................................................................................ 40

8

CONCLUSIONES ...................................................................................................... 40

9

ANEXOS ...................................................................................................................... 41

10

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 45

v

vi INDICE DE FIGURAS Figura 1 Recocido normal .................................................................................................... 14 Figura 2 Diagrama TTT........................................................................................................ 18 Figura 3 Diagrama TTT de acero 10110 .............................................................................. 20 Figura 4 Indentador de dureza .............................................................................................. 21 Figura 5 Durómetro y sus partes........................................................................................... 23 Figura 6 Visualizador ........................................................................................................... 24 Figura 7 Ejecución del visualizador ..................................................................................... 25 Figura 8 Tipos de indentadores según el ensayo .................................................................. 26 Figura 9 Microscopio ........................................................................................................... 27 Figura 10 Horno eléctrico ..................................................................................................... 28 Figura 11 Probeta sometida a un chorro de agua para el ensayo jominy ............................. 29 Figura 12 Tenaza y paleta de metal ...................................................................................... 30 Figura 13 Lija al agua ........................................................................................................... 31 Figura 14 Pisetas................................................................................................................... 31 Figura 15 Huaype blanco...................................................................................................... 32 Figura 16 Trapo industrial .................................................................................................... 32 Figura 17 Pirómetro Laser .................................................................................................... 33 Figura 18 Campana extractora de gases ............................................................................... 34 Figura 19 Mufla de laboratorio............................................................................................. 35 Figura 20 Tratamientos Térmicos......................................................................................... 37

vi

7 GLOSARIO •

Tratamientos térmicos: son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química.

•

Velocidad crítica de temple Vc: es la mínima velocidad de enfriamiento requerida para evitar la transformación de la austenita en otros constituyentes antes de alcanzar la temperatura Ms.

•

Alfágenos: se disuelven preferentemente en la fase α (Ferrita), son por ejemplo el Cromo, el Molibdeno, el Vanadio y el Wolframio; y desplazan las isotermas hacia arriba.

•

Carburígenos: son elementos (habitualmente Alfágenos) que tienden a formar carburos. Producen una segunda zona de temperaturas de transformaciones rápidas al nivel de la transformación de la austenita en bainita. Todos los elementos de aleación, excepto el cobalto, aumentan los tiempos de transformación isoterma de la austenita.

•

Corrosión: el fenómeno consiste en una oxidación del metal. Si el óxido formado no es adherente y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de la pieza. Temple continuo de austenización completa.

•

Cementación: Calentamiento a temperatura elevada de piezas metálicas rodeadas de materias carbonosas en polvo o en pasta para conferir a los metales determinadas propiedades.

•

Cianuración: La cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada.

•

Endurecimiento: El endurecimiento se refiere a técnicas para incrementar la dureza de un material. 7

8 •

Revenido: Es un tratamiento térmico a un material con el fin de variar su dureza y cambiar su resistencia mecánica. El propósito fundamental es disminuir la gran fragilidad que tienen los aceros tras el temple.

•

Fundición: Se denomina fundición o esmelter al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas, pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

•

Templado: El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica y se enfría luego más o menos rápidamente (según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua, aceite, etc.

•

Diagrama TTT: También llamado curva S resume las posibles transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para el diseño de tratamientos térmicos como para la interpretación de las microestructuras resultantes después de los mismos. Su construcción experimental se realiza mediante un determinado número de muestras de acero que, previamente austenización, se enfrían en baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos determinados

•

Pavonado: Recubrimiento que consiste en la aplicación de una capa superficial de óxido de hierro abrillantado de color azulado, negro o café sobre una superficie metálica; es el equivalente a una capa de pintura muy dura que forma parte del mismo metal.

•

Dureza: La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la deformación permanente(plástica). La dureza de un metal se mide forzando la indentación de un penetrador en la superficie del metal.

•

Martensita revenida: Conjunto de microconstituyentes resultantes de someter a la martensita a un tratamiento térmico de revenido. Su aspecto microestructural puede variar 8

9 notablemente en función de la temperatura y del tiempo de revenido. •

Austempering: Un proceso de tratamiento térmico de metales férreos que aumentan la dureza, resistencia a la fatiga y resistencia al impacto al tiempo que reduce la distorsión de las piezas. Típicamente, la pieza se calienta lo suficientemente alta para modificar la microestructura de la fase austenítica y se enfría rápidamente para evitar la fase de perlita. Cuando se enfría hasta una temperatura ligeramente por encima de la temperatura de inicio martensítica se establece una retención isotérmica durante un tiempo especificado con el fin de lograr la microestructura deseada (bainita para el acero).

•

Tratamiento Sub-zero: Un proceso de enfriamiento secundario que expone el material ferroso a temperaturas bajo cero (típicamente -84 ° C (-120 ° F) ya sea para impartir o mejorar las condiciones o propiedades del material. Mayor resistencia, una mayor estabilidad dimensional o micro-estructural, al desgaste mejorada resistencia, y el alivio de tensiones residuales están entre los beneficios del tratamiento en frío de acero.

•

Tratamiento Criogénico: Un proceso de enfriamiento secundario que expone el material ferroso a temperaturas bajo cero (típicamente -190 ° C (-310 ° F) ya sea para impartir o mejorar las condiciones o propiedades del material. Esto se usa típicamente para eliminar la austenita retenida en piezas cementadas. Mayor fuerza, mayor estabilidad dimensional o micro-estructural, resistencia al desgaste mejorada, y el alivio de tensiones residuales están entre los beneficios del tratamiento en frío de acero.

•

Desgasificación: Un proceso de tratamiento térmico que elimina el gas del metal; procesamiento al vacío se utiliza para desgasificar titanio, cobre, y el tantalio.

•

Nitrocarburado Ferrítico: Un proceso de endurecimiento que se difunde nitrógeno y carbono en las aleaciones ferrosas en subcríticas temperaturas. La muestra resultante superficie endurecida aumento de la resistencia al desgaste, la corrosión y la fatiga. 9

10 1

INTRODUCCIÓN

En el proceso de formación de un Ingeniero Industrial, es muy importante el conocimiento de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, ya que ésta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. Los Tratamientos Térmicos son una herramienta muy utilizada para la obtención de propiedades mecánicas adecuadas necesarias en determinados procesos de producción. Este laboratorio es realizado con el fin de conocer y relacionarse con los ensayos de Tratamientos Térmicos realizados sobre piezas metálicas, y así, estar en capacidad de medir las propiedades obtenidas al realizar este proceso, tales como cambios en la dureza del material y efectos sobre el material, entre otros. De igual forma, también tiene por objetivo desarrollar habilidades para manejar los instrumentos requeridos en la práctica tales como el durómetro y el horno para el calentamiento de las piezas. Para la correcta realización de esta prueba, se recomienda que los estudiantes hayan comprendido previamente el contenido de ésta, consignado en el Protocolo.

10

11

2 2.1

OBJETIVOS

Objetivos General Conocer los principales tratamientos térmicos aplicados a los metales y aleaciones.

Discriminar entre los mismos para aplicaciones comunes.

2.2

Objetivo Específico •

Identificar el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros.

•

Predecir el comportamiento de la dureza en los aceros después de someterse a un tratamiento térmico, con base en el tipo de acero, la observación del tratamiento térmico y la consulta a fuentes confiables.

•

Realizar tratamientos de temple, normalizado y recocido a probetas de acero de carbono de iguales dimensiones y composición conocida.

•

Realizar la microestructura con la composición y dureza adquirida por las muestras después de cada tratamiento térmico.

•

Realizar estudio microestructural y ensayo de dureza a las muestras tratadas térmicamente.

11

12 3 3.1

MARCO TEÓRICO

Tratamiento térmico El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para

efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades mecánicas. El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unas propiedades específicas adecuadas para su conformación o uso final. No modifican la composición química de los materiales, pero si otros factores tales como los constituyentes estructurales y la granulometría, y como consecuencia las propiedades mecánicas. Se pueden realizar Tratamientos Térmicos sobre una parte ó la totalidad de la pieza en uno ó varios pasos de la secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado (recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más fácilmente mientras se encuentra caliente). En otros casos, se usa para aliviar los efectos del endurecimiento por deformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de manufactura para lograr resistencia y dureza. 3.2

Etapas del tratamiento térmico

El tratamiento térmico se divide en tres etapas: •

La etapa uno consta del calentamiento hasta la temperatura fijada:

Al momento en que haya una elevación de temperatura debe ser uniforme en la pieza. •

La etapa dos consta de permanencia a la temperatura fijada:

Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Se puede llegar a considerar suficiente una permanencia de al menos unos 2 minutos por milímetro de espesor.

12

13 •

La etapa tres consta del enfriamiento:

Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente inspeccionado en función del tipo de tratamiento que se realice.

3.3

Tipos de tratamientos térmicos 3.3.1 Recocido Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-

925°C) 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. La finalidad del recocido además de eliminar las tensiones internas el recocido aumenta la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material. Con el recocido de los aceros también se pretende ablandar las piezas para facilitar el maquinado y para conseguir ciertas especificaciones mecánicas. A su vez, mediante el recocido, se disminuye el tamaño del grano y se puede producir una microestructura deseada controlando la velocidad a la que se enfría el metal. El proceso del recocido consiste en tres etapas: primero se calienta el material hasta la temperatura de recocido, después se mantiene la temperatura durante un tiempo determinado. Por último, se deja enfriar el material lentamente.

13

14 3.3.1.1 Tipos de recocido •

Recocido de eliminación de tensiones Las tensiones en el material pueden eliminarse mediante un recocido calentando el metal

entre 550 y 650ºC y manteniendo la temperatura durante 30-120 minutos. Después se enfría lentamente. •

Recocido de ablandamiento Los metales de alto carbono (sobre 0,9%) son difíciles de maquinar mediante arranque de

viruta (torneado, fresado, etc) o mediante cualquier transformación en frío. Para ablandar el material puede hacerse un recocido. Se calienta la pieza entre 650 y 750ºC tras lo cual se mantiene la temperatura durante 3-4 horas antes de disminuir lentamente su temperatura. Se puede mantener una subida y bajada alternativa de la temperatura en torno a los 723ºC. •

Recocido normal Mediante el recocido normal se afina el grano de la estructura y se compensan las

irregularidades de las piezas producidas por deformaciones de la fundición.

Figura 1 Recocido normal Fuente: https://images.app.goo.gl/u45E44oH49Sho5yu8 Comentario: El procedimiento consiste en calentar a temperaturas entre 750 y 980ºC, conforme al contenido de carbono del material, tras lo que se mantiene la temperatura para después dejar enfriar lentamente al aire.

14

15 3.3.2

Temple

El Temple es un método térmico que tiene por objetivo intensificar la dureza y resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento, se refiere de alcanzar la temperatura del acero hasta una temperatura cercana a 1000 °C y posteriormente, por medio de un enfriamiento súbito (con aceites, agua o salmuera), se convierte en martensita, que es el constituyente duro característico de los Aceros templados. La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la estructura química del acero y se denomina templabilidad. En el temple, es muy importante la faceta de enfriamiento y la velocidad alta del propio, asimismo, la temperatura para el calentamiento óptimo debe ser siempre superior a la crítica para conseguir obtener de este modo la martensita. Existen varios tipos de Temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los Aceros, llamada templabilidad (capacidad a la penetración el Temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero

3.3.2.1 Factores que influyen en el temple 1. Composición del acero 2. Temperatura a la que se hay que calentar 3. Tiempo de calentamiento 4. Velocidad de enfriamiento 5. Características del medio donde se realiza el temple 6. Tamaño y geometría de la pieza

15

16 3.3.2.2 Tipos de Temple •

Temple continuo de austenización completa. Se aplica a aceros hipoeutectoides. Se calienta el material 50º C por encima de la

temperatura critica superior (AC3), y se enfría en el medio más adecuado. El principal componente estructural es la martensita.

•

Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica a aceros hipereutectoides. La temperatura de calentamiento está 50º C por encima

de AC1. La estructura resultante es mixta a base de martensita y cementita.

•

Temple martensítico o martempering. Se calienta el acero a la temperatura de austenización y se mantiene el tiempo necesario

para que se transforme toda la austenita. Se enfría en baño de sales manteniendo la temperatura constante durante un tiempo por encima de MS.

•

Temple austempering. Es similar al anterior, con la diferencia que el tiempo de enfriamiento en sales será el suficiente para que atraviese las curvas y la austenita se transforma en bainita.

•

Temple superficial. Se calienta rápida y superficialmente el material, de forma que solo una capa delgada

alcanza la temperatura de transformación austenítica, a continuación, se enfría rápidamente. El núcleo permanece inalterable y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento. 16

17 3.3.3 Revenido El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a éste. Después del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede Escuela Colombiana de Ingeniería. Laboratorio de Producción. “Julio Garavito” 8 corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad. Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos térmicos para la fabricación del acero de Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses (Siglo XII d.C.). Es posible obtener una dispersión excepcionalmente fina de Fe3C (conocida como martensita revenida) si primero se templa la austenita para producir martensita, y después se realiza el revenido. Durante el revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero

3.3.4 Diagrama TTT (TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN). Los diagramas TTT, son una herramienta que nos va a permitir estudiar los tratamientos térmicos como el temple. Para obtener el diagrama TTT primero vamos a tomar varias probetas iguales y las llevamos a temperaturas de austenización.

17

18 Al austenizar completamente, introduciremos las probetas en distintos baños a distintas temperaturas. Se mide los tiempos en función de la microestructura transformada y se observarán las estructuras a medida que transcurra el tiempo.

Figura 2 Diagrama TTT

Fuente: http://cienciaymateriales.blogspot.com/2013/04/44-para-que-seutilizan-los- diagramas.html Comentario: En la siguiente figura podemos observar el diagrama de TiempoTemperatura- Transformación, podemos analizar entonces qué graficando la temperatura en ordenada y log de tiempo en abscisas y también uniendo los puntos iniciales y finales de la transformación vamos a obtener el diagrama de TTT.

18

19 Inicialmente tendremos una estructura de 100% de Austenita, será el punto de inicio de la transformación para la primera temperatura T1 elegida. Luego de un determinado tiempo, la transformación, obtendremos una estructura de 100% de perlita gruesa. T2