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República Bolivariana de Venezuela Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vicerrectorado “Luis Caballero Mejías” Núcleo – Guarenas Laboratorio de Materiales Sección: 32

Informe Técnico de tratamientos térmicos y metalográficos

Profesor: Cesar Ávila

integrantes: Bencomo Juan. Exp. 2009 Blanco Henesis. Exp. 2012100190 Hernandez Kimberly Exp.2010

Caracas, Agosto 2016

RESUMEN El ensayo de tratamientos térmicos busca mejorar las propiedades de los aceros o ajustarlas a propiedades establecidas y la metalografía se utiliza para preparar la pieza y aplicarle el tratamiento térmico. Se escogieron 6 muestras de acero al carbono 1040 y se midieron para buscar su dureza inicial. Luego se calentaron una por una en un horno y se les aplico un tratamiento enfriado en aceite, al aire o agua y se volvieron a medir para buscar la dureza posterior al tratamiento. Después llevamos las muestras a los microscopios para poder observar su microestructura y como están compuestas para determinar el por qué el aumento o disminución de la dureza de las muestras ya que como se pudo observar fueron muy diferentes MARCO TEÓRICO Los

tratamientos

térmicos

son

operaciones

de

calentamiento

y

enfriamiento, en tiempos determinados y aplicados a un metal o aleación en estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas. Los tratamientos térmicos del acero se basan en la aplicación de las transformaciones estructurales que experimenta el acero (transformaciones alotrópicas) y de los procesos de recristalización y de difusión. Todos los procesos

básicos

en

tratamientos

térmicos

para

aceros

incluyen

la

transformación o descomposición de la austenita. Estas transformaciones en estado sólido que sufre el acero, se pueden apreciar más a través del siguiente diagrama de equilibrio:

Los tratamientos térmicos de los aceros se clasifican en cuatro grupos principales: Recocido: Tiene como finalidad ablandar el material, y eliminar tensiones para aumentar así su ductilidad. Depende casi totalmente de dos factores como lo son: la formación de austenita y la subsecuente transformación de la austenita. En general, el recocido puede dividirse en tres etapas a saber: a) Recuperación: se suministra suficiente energía térmica como para permitir a las dislocaciones que se reordenen en configuraciones de menor energía.La temperatura de recuperación se encuentra justamente por debajo del intervalo de temperaturas de recristalización, en esta temperatura se eliminan tensiones internas dentro del metal. b) Recristalización: se nuclean nuevos granos libres de deformación en la estructura de metal recuperado y comienzan a crecer formando una estructura recristalizada. c) Crecimiento de grano: En esta tercera etapa los granos grandes crecen a expensas de los granos pequeños, teniendo como objetivo lograr un tamaño de grano homogéneo y no que en realidad se desee que crezca el grano. *Los procedimientos del recocido se clasifican en: recocido completo o total y recocido en proceso.

En el recocido total, los aceros hipo y eutectoides se calientan en la región de la austenita, alrededor de 40 °C por encima del límite austenitaferrita, manteniéndolos durante el tiempo necesario a elevada temperatura y enfriándolos después lentamente hasta temperatura ambiente (habitualmente en el horno en el que fueron calentadas las piezas). Para los aceros hipereutectoides en la región bifásica austenitamascementita (Fe 3C), alrededor de 40 °C por encima de la temperatura eutectoide. La microestructura de los aceros hipoeutectoides después del recocido completo consta de ferrita proeutectoide y perlita. En el recocido en proceso, al que frecuentemente se hace referencia como una relajación de tensiones, ablanda parcialmente los aceros de bajo carbono al relajar las tensiones resultantes de los procesos de trabajo en frío. Este tratamiento, aplicado habitualmente a los aceros hipoeutectoides con menos del 0.3% C, se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la temperatura eutectoide, usualmente entre 550 y 650 °C. Normalizado: Es un tratamiento térmico en el que se calienta el acero en la región austenítica y luego se enfría en aire estático. La microestructura de secciones delgadas de aceros al carbono hipoeutectoides normalizados consta ferrita proeutectoide y perlita de estructura fina. Los objetivos para los que se realiza el proceso de normalización varían en cada caso. Entre ellos se encuentran: a) Refino de la estructura granular b) Incremento de la resistencia del acero (en comparación con el acero recocido) c) Reducir la segregación de composiciones en coladas o forjados y mantener así mayor uniformidad estructural.

Temple o templado: Es un tratamiento térmico que consiste en el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada, y que tiene como propósito obtener para cada

composición de acero, la dureza máxima. En general, esto se logra sumergiendo la pieza en agua, aceite, sal o aplicando aire comprimido. Como resultado del temple, las partes deben desarrollar una microestructura aceptablemente dura (generalmente martensita), en el estado templado, y en las áreas críticas unas propiedades mecánicas mínimas. El primer paso en el tratamiento térmico de temple, es el calentamiento del material a una temperatura a la cual se forme la austenita; en general, la temperatura de austenitización real deberá ser tal, que todos los carburos se disuelvan y de esta manera se le saque ventaja al hecho de tener al carbono en solución sólida intersticial dentro de la austenita, para poder tener el efecto de endurecimiento. Hay que cuidar que la temperatura de austenitización no sea muy elevada ya que ello implicaría un crecimiento pronunciado del grano. La estructura, dureza y resistencia resultantes del tratamiento térmico de temple, están determinadas por la velocidad de enfriamiento durante el proceso. Si la velocidad de enfriamiento es mayor que la crítica, se obtendrá una microestructura completamente martensítica, y si la velocidad es menor la microestructura formada puede ser bainita o perlita fina. La dureza en ambos casos será distinta, en el primer caso el acero endurece totalmente, mientras que en el segundo caso no endurece totalmente. Revenido: Es el proceso de calentamiento de un acero martensítico a temperaturas inferiores a la de transformación eutectoide para hacerlos más blandos y dúctiles. Primero se austeniza el acero y después se enfría a velocidad rápida para producir martensita y evitar la transformación de austenita en ferrita y cementita. Después, el acero se vuelve a calentar a una temperatura por debajo de la eutectoide para ablandar la martensita mediante su transformación en una Las fases de preparación de la probeta metalográfica son las siguientes: 1. Corte de la muestra:

Consiste en remover una muestra del material analizado, teniendo en cuenta las convenciones en tamaño y qué tan representativa es dicha porción del total a analizar.Si el corte es muy agresivo, no veremos el metal que queremos estudiar sino la estructura resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para reducir estos efectos al mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes variables: lubricación, corte a bajas revoluciones y poca presión de la probeta sobre el disco de corte. 2. Montaje de la muestra (opcional): Consiste en proporcionar una base que sostenga la muestra, lo anterior brinda facilidad de uso. Por ejemplo, en la manipulación de especímenes pequeños o cortantes. Es importante tener en cuenta que, antes de realizar el montaje se debe limpiar la muestra según su naturaleza. Por ejemplo, muestras con óxido deben ser limpiadas químicamente, por otro lado la limpieza física es adecuada y casi siempre necesaria La muestra cortada se incluye en resina para su mejor tratamiento posterior y almacenado. La inclusión se puede realizar mediante resina en frío: normalmente dos componentes, resina en polvo y un catalizador en líquido, o bien en caliente: mediante una incluidora, que, a través de una resistencia interior calienta la resina (monocomponente) hasta que se deshace. 3. Desbaste: Durante el proceso de desbaste se eliminan gran parte de las rayas producidas en el corte.Se realiza en una pulidora empleando discos abrasivos de distintos diámetros de partícula, cada vez más finos.Cada vez que se cambia de disco, es muy importante limpiar muy bien la probeta con agua abundante para eliminar los posibles restos de partículas del disco anterior, así evitamos que se produzcan rayas por partículas que hayan podido quedar del disco anterior cuando estamos trabajando con un disco de grano más fino. 4. Pulido

Se realiza con paños especiales, del tipo de los tapices de billar.Como abrasivo, se puede utilizar polvo de diamante o alúmina. El primero se aplica con un aceite especial, para lubricar y extender la pasta de diamante y el segundo con agua. En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se pretende es eliminar todas las rayas producidas en procesos anteriores. El pulido finaliza cuando la probeta es un espejo perfecto. 5. Ataque químico En este punto la probeta es plana y está pulida, es un espejo. El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases presentes en el metal. Cuando se completa el ataque, la muestra se lava con agua corriente, luego con alcohol y finalmente se seca con aire caliente. Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso del acero el más utilizado es el NITAL, que se prepara disolviendo ácido nítrico en etanol. Después del ataque perderá su brillo. A continuación se muestran las microestructuras que presenta el acero 1045, al realizarle tratamientos térmicos como el recocido, templado,

Normalizado Microestructuras presentes: Ferrita + Perlita fina

Recocido Microestructuras presentes: Perlita + Ferrita

Temple en agua Microestructura presente: Martensita

Temple en aceite Microestructuras presentes: Bainita + Martensita

Revenido Microestructura presente: Martensita revenida

DATOS Y RESULTADOS

Probeta

Tratamiento realizado

Temperatura de calentamiento

Medio de enfriamiento

Dureza antes del tratamiento HV

1

No Aplica

No Aplica

281

840 ºC

Aceite

285

561

840 ºC

Agua

301

890

4

Sin Tratamiento Templado En Aceite Templado En Agua Revenido

Dureza después del tratamiento HV 281

840 ºC/290

Agua/ aire

315

823/281

5 6

Normalizado Recocido

840 ºC 840 ºC

Aire Horno

287 287

214 174

2 3

ANÁLISIS DE RESULTADOS Tras los tratamientos a los que fueron sometidas las diferentes probetas de acero al carbono 1045. Se obtuvo que en la probeta templada en aceite ocurriera un amento de dureza, donde se observó martensita en 80% con bainita 20% lo cual nos indica que el material se comporta de forma dura, porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas.

La probeta templada en agua tuvo un aumento de dureza, la microestructura que se observó presento un 90% de martensita y un 10% de bainita que indica mayor dureza y ductilidad, Conociendo que la martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono y austenita. La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas (variantes). Se puede analizar que la dureza aumento más comparado con el templado en aceite. Revenido, la probeta de acero 1045 comenzó con una dureza presentando 100% martensita revenida señalando que el contenido de Carbono es muy alto. Aliviando así las tenciones internas del acero al carbono 1045. Normalizado la microestructura observada presento ferritas 60% y perlitas gruesas en vista del porcentaje de 40%, dando como resultado que el material ha pasado a ser dúctil, ósea que aporta las ferritas ductilidad y por estas razones es menos duro. El acero ha vuelto a su estado natural de dureza en otras palabras a su estado original cuando sale de las láminas. Recocido, este ensayo arrojo como resultado perlitas 10% y ferritas 90% se comprobó que la dureza bajo después de aplicar este tratamiento. Observándose en la microestructura, ferrita que tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 

Materiales:

 6 Probetas de Acero al carbono 1045. Las características obtenidas de las probetas de acero al carbono 1045 fueron las siguientes: Longitud de 55mm por 10mm de ancho por cada lado. (VEASE Anexos).  Ácido Nítrico (HNO3) con una concentración de 2%  Alúmina Buehler (Óxido de aluminio Al 2O3) con granulometría de 1 micra.

 1 Indentador punta de diamante de forma piramidal y base cuadrada.



Equipos:  Durómetro WOLPERT Modelo D-6700  Medidor de temperatura TMC-80  Horno de calentador termico  Desbastadora

Buehler

DAP-2

con

lija

de

granulometría 100-180  Desbastadora KNUTH ROTOR con lija de granulometría de 320 y 400  Desbastadora Buehler con lija de granulometría de 600  Pulidora Struers DAP-7  6 Microscopios Olympus



Herramientas:

 1 Tenaza  2 Guantes  1 Paño sin peluzas



Procedimiento de la práctica: Para realizar la práctica de tratamientos térmicos, el procedimiento a

seguir fue el siguiente: 1. Se desbasta la probeta con una lija de granulometría de 100-180.

2. Se realiza a la probeta un ensayo de dureza con una carga de 30KgF y un indentador de punta de diamante de forma piramidal y base cuadrada (ensayo de dureza Vickers). 3. Se lleva al horno hasta que la probeta alcanza la temperatura de recristalización. 4. Se saca la probeta del horno y se aplican los posteriores tratamientos térmicos 5. Para el temple se enfría la probeta en aceite o agua. 6. Para el normalizado se deja enfriar la probeta en aire tranquilo 7. Para el recocido se deja enfriar la pieza en el horno. 8. Para el revenido, se templa una probeta en agua se vuelve a colocar en el horno y luego se deja enfriar en aire tranquilo. 9. Se aplica nuevamente el ensayo de dureza con una carga de 30KgF y un indentador de punta de diamante de forma piramidal y base cuadrada (ensayo de dureza Vickers).

Para realizar la práctica de metalografía, el procedimiento a seguir fue el siguiente: 1. Se le aplica a la probeta un tratamiento térmico. 2. Se realiza en la probeta un desbaste grueso con una lija de granulometría de 100-180. 3. Se realiza en la probeta un desbaste fino con una lija de granulometría de 320, luego de 400 y finalmente de 600. 4. Se pule la probeta con una pulidora que contiene un paño con una solución de alúmina, hasta que la misma tenga una superficie especular.Se ataca químicamente la probeta con ácido nítrico y

luego se le coloca alcohol para detener el ataque químico. Se coloca en el microscopio para realizar el posterior examen metalográfico.

CONCLUSIONES Al aplicar tratamientos térmicos a 5 probetas de acero al carbono 1045 y realizarles su posterior examen metalográfico, se verificó que: 

La transformación de la austenita en el equilibrio depende del método de enfriamiento utilizado al aplicar tratramientos térmicos.



El recocido ablanda al material, disminuyendo su dureza pero aumentando su ductilidad.



El normalizado, devuelve al material la microestructura que tenía antes de que fuera sometido a un proceso determinado



El revenido, alivia las tensiones, disminuyendo la dureza del templado en agua para que pueda ser más dúctil.



El temple, endurece al material, aumentando su dureza y su ductilidad.



Cada tratamiento térmico aplicado, hace que se presente en el material una microestructura característica.



El examen metalográfico, permite caracterizar la microestructura del material y el tipo de tratamiento térmico realizado.



La martensita es una microestructura que otorga endurecimiento al material.



La perlita y la ferrita son microestructuras que son blandas.



La bainita es la microestructura intermedia entre la austenita y la martensita.



Mientras más grande es el tamaño de grano, menor será la dureza del material.

RECOMENDACIONES Se recomienda entonces que para trabajar el acero de acuerdo a lo que se requiera, utilizar uno de estos tratamientos térmicos ya sea para darle dureza o tenacidad, con los análisis de los resultados que se observaron y de acuerdo a la microestructura observada en el microscopio estos materiales se alteran cuando se les aplica estos tratamientos. BIBLIOGRAFÍAS



Millán Gómez, Simón (2006). Procedimientos de Mecanizado. Madrid: Editorial Paraninfo. ISBN 84-9732-428-5.



Larbáburu Arrizabalaga, Nicolás (2004). Máquinas. Prontuario. Técnicas máquinas herramientas. Madrid: Thomson Editores. ISBN 84-283-1968-5.

ANEXOS

Diagrama hierro-carbono (acero al carbono 1045)

790º 0,45

TABLA 1: METALOGRAFÍA PROBE TA

TRATAMIEN MICROESTRUCT TO DUREZA URA REALIZADO

% FASES PRESENTES

MAGNIFICACI ÓN

1

Templado en aceite

511 HV

Bainita Martensita

70% Martensita, 30 % Bainita

2

Templado en agua

763 HV

Martensita

100%

15x40x = 600X

3

Normaliza do

198 HV

Ferrita Perlita fina

60% Ferrita, 40 % Perlita

15x40x = 600X

4

Revenido

331 HV

Martensita revenida

100%

15x40x = 600X

5

Recocido

177 HV

Ferrita Perlita

60% Ferrita, 40% Perlita

15x40x = 600X

REPRESENTACI ÓN GRÁFICA

Muestra( Acero al carbono 1040) Alúmina marca buehle Lija

Medidor de Temperatura

Horno de calentamiento

Datos del horno