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• Lucho Payano

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA



INTRODUCCION………………………………………………………………………………..3



MARCO TEORICO……………………………………………………………………………..4



REALIZACION DEL ENSAYO MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS ...…………………………………….....………..13



PROCEDIMIENTOS……………………………………………………………………………16



RESULTADOS Y COMPARACIONES………………………………………………………..21 o

PROBETAS TESTIGOS………………………………………………………………21

o

TEMPLE……………………………………………………………………………..….22

o

REVENIDO……………………………………………………………………………..24

o

RECOCIDO…………………………………………………………………………….26

o

NORMALIZADO………………………………………………………………………..27

 OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES.…………….………………………………..31 

CONCLUSIONES………………………………………………….…………………...……….32



BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….33



ANEXOS………………………………………………………………………….…..34

CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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En el siguiente informe veremos los cambios que sufren las propiedades mecánicas de las probetas de acero, al recibir un tratamiento térmico, que consiste en una serie de pasos de calentamiento y enfriamiento con el fin de solo modificar su estructura interna y no su composición química, analizaremos estos cambios obtenidos para así usarlos de manera correcta en el momento de modificar las propiedades mecánicas delos materiales según las necesidades. En general veremos los tratamiento térmicos más usados en la industria con el fin de mejorar la propiedades mecánicas de los metales, tener en cuenta que también se puede usar en materiales como la cerámica, polímeros y otros, pero en el siguiente informe nos basaremos en modificar la propiedades de las aleaciones de hierro (ACERO SAE 1045 Y ACERO SAE 1010). Un pequeño ejemplo pero de gran aplicación seria si queremos moldear una barra de acero muy resistente para lograrlo podemos darle un tratamiento térmico para así modificar una de sus propiedades mecánicas que en este caso sería disminuir su dureza para así poder moldearlo; luego de realizar las modificaciones; mediante otro tratamiento térmico, podremos aumentar su dureza y así obtendremos el acero de acuerdo a nuestras necesidades. Como vemos este ejemplo es de mucha utilidad ya que todas las máquinas que vemos tienen piezas que están hechas de acero de diferentes formas y es gracias a los tratamientos térmicos que podemos lograrlo. Por eso, tenemos la seguridad que el tema desarrollado en el informe le será de gran utilidad.

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En un principio los únicos tratamientos que se utilizaban eran los tratamientos térmicos y se definen como procesos de calentamiento y enfriamientos a que pueden ser sometidos los metales y sus aleaciones para modificar su estructura, sin modificar su composición. Posteriormente se extiende esta denominación a otros procedimientos, como la cementación, nitruración, etc. por medio de

los cuales

además de someterlos a

calentamiento y enfriamientos, se modifica también la composición química de la capa más externa, recibiendo el nombre de tratamientos termoquímicos. El objeto de los tratamientos térmicos es mejorar las propiedades mecánicas de los metales obteniendo a veces mayor dureza y resistencia, y otras veces mayor plasticidad para aumentar su facilidad de mecanización. Existen otras operaciones que mejoran las propiedades mecánicas de los metales, que pueden clasificarse con la denominación de tratamientos, pero que por su naturaleza difieren mucho de los grupos anteriores. Se trata de los tratamientos mecánicos, con los que se obtienen la mejora de los materiales por deformación mecánica, con o sin ayuda del calor. Incluyéndose también en ésta denominación los términos de metalización y cromado duro, que mejoran la superficie de los metales sin variar su composición química másica, denominándose tratamientos superficiales. Con todo lo visto se definen los tratamientos como procesos a que pueden someterse los metales una vez elaborados, con el objeto de mejorar sus propiedades mecánicos. Estos pueden ser mecánicos, térmicos y también pueden consistir en la aportación de otro elemento a la superficie del metal. Entonces si clasificamos, los tratamientos se pueden dividir en cinco grandes grupos: CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 1. Tratamientos Térmicos: - Recocido - Temple - Revenido 2. Termoquímicos: - Cementación - Cianuración - Nitruración - Carbonitruración - Sulfunización 3. Tratamientos Mecánicos: - En caliente: Forja - En Frío: Deformación profunda y deformación superficial 4. Tratamientos termo-mecánicos: Ausforming 5. Tratamientos superficiales: Metalizado y cromado duro Aún quedan fuera de ésta clasificación algunos procesos utilizados para prevenir la oxidación y corrosión de los metales y sus aleaciones, constituyendo una mejora en sus propiedades químicas. Sin embargo solo nos centraremos en los tratamientos térmicos.

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Tratamientos térmicos. Estos son operaciones de calentamiento y enfriamientos de los metales, mediante los cuales se logran principalmente cambios de la estructura cristalina, tanto estructura micrográfica como de constitución, permaneciendo la composición química inalterada. Estos tratamientos poseen dos fases: Calentamiento y enfriamiento -

CALENTAMIENTO: Teóricamente tiene por objeto transformar toda la masa del acero en austenita, este calentamiento está regido por tres variables:

-

o

Velocidad de elevación de temperatura.

o

Temperatura límite.

o

Permanencia a temperatura límite.

ENFRIAMIENTO: Es característico de cada tratamiento térmico

Los tratamientos térmicos fundamentales son tres: Recocido, temple, revenido y normalizado

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1.- NORMALIZADO. El normalizado consiste en calentar el acero a una temperatura superior a AC3 + (50 a 70) ºC y una vez que haya pasado todo el material al estado austenítico, se deja enfriar al aire tranquilo. •

El objetivo del normalizado es devolver al acero al estado que se supone normal, después de haber sufrido tratamientos defectuosos o bien después de haber sido trabajado en caliente o en frío, por forja, laminación, etc, con el objeto de conseguir afinar su estructura y eliminar tensiones internas.

•

Se emplea casi exclusivamente para aceros al carbono de baja y mediana aleación de 0,15 a 0,50 % de Carbono.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 2.- RECOCIDO. Consiste en un calentamiento a temperaturas adecuadas y una duración determinada, seguido de un enfriamiento lento hasta temperatura ambiente. Su objetivo es destruir estados anormales de los metales y sus aleaciones, por lo que debido a que las irregularidades estructurales y constitucionales endurecen el material, al destruirlas con el recocido se ablanda los metales y sus aleaciones. Se practican tres tipos de recocido principalmente: 2.1. Recocido de regeneración: Tiene por objeto destruir la dureza anormal del material producida por enfriamientos rápidos voluntarios (temple) o involuntarios. Se realiza también a temperaturas elevadas, aunque menores que en el caso anterior, y se aplica exclusivamente a las aleaciones templables, es decir, a las que se endurecen por enfriamientos rápidos.

RECOCIDO DE REGENERACIÓN CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 2.2. Recocido

de

homogeneización:

el

cual

tiene

por

objeto

destruir

heterogeneidades químicas de la masa de un metal o aleación, producida por una solidificación defectuosa. Se realiza a temperaturas elevadas cercana a la temperatura de solidificación del metal y se aplica principalmente a aleaciones no férreas propensas a segregaciones. 2.3. Recocido de estabilización: Tiene por objeto destruir las tensiones internas producidas en la masa del metal por su mecanización o moldeos complicados. Se realiza a temperaturas comprendidas entre 100 y 200ºC, manteniendo esta temperatura un periodo de tiempo prolongado que supera normalmente las 100 horas. Se aplica a toda clase de metales y sus aleaciones. Este es en realidad un envejecimiento artificial, pues con él se consigue acelerar las deformaciones que se producirían en el transcurso del tiempo de forma espontánea, evitando de ésta forma las variaciones de cotas de las piezas una vez terminadas. 3.-TEMPLE Consiste en el calentamiento de algunas aleaciones seguido de un enfriamiento rápido para impedir la transformación normal del constituyente obtenido en el calentamiento. Existen dos clases de temple: El temple estructural o martensítico y el temple de precipitación.

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3.1. Temple estructural o martensítico: Se aplica frecuentemente a los aceros y consiste en un calentamiento hasta la zona austenítica, seguido de un enfriamiento rápido, para obtener martensita, que es una solución sólida sobresaturada en carbono de hierro alfa tetragonal. La martensita es una fase que se origina en la transformación sin difusión y tiene lugar casi instantáneamente. Esta transformación se da en otras

aleaciones no férreas,

siendo su principal característica la transformación sin difusión. El objeto del temple es aumentar la dureza y la resistencia mecánica. 3.2. Temple de precipitación: Se aplica principalmente a algunas aleaciones de Al, Mg y Cu. Estas se denominan así porque el endurecimiento se produce por la precipitación de un compuesto químico o solución sólida. Mientras que en el temple anterior el endurecimiento era instantáneo, en el temple de precipitación la aleación va

endureciéndose después del enfriamiento de forma

progresiva. Muchas veces, es necesario acelerar el endurecimiento por calentamiento. Este comportamiento distinto se debe a que el constituyente obtenido al final del enfriamiento es el mismo que se había obtenido en el calentamiento, ya que no se ha tenido tiempo para que se realice

la transformación debido a una velocidad de

enfriamiento Alta. Es después del enfriamiento cuando la aleación se va endureciendo por la precipitación progresiva del compuesto. La causa del endurecimiento por temple de precipitación estriba en que las partículas finas de precipitado constituyen obstáculos que se oponen al movimiento de dislocaciones

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 4.- REVENIDO Es un tratamiento complementario del temple y se aplica, por tanto exclusivamente a las aleaciones templadas. Existen dos clases: Revenido normal y Revenido de endurecimiento.

REVENIDO 4.1. Revenido normal: o simplemente revenido, es el que se aplica a las aleaciones tratada por temple martensítico, con el fin de mejorar la tenacidad de las piezas templadas, a costa de disminuir su dureza. La temperatura es inferior a la de temple, y cuando más se aproxima a ésta y mayor es la permanencia de tiempo a dicha temperatura mayor es la disminución de la dureza y la resistencia y mejor la tenacidad. La velocidad de enfriamiento no tiene influencia en el resultado final. CIENCIA DE MATERIALES: ENSAYO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA 4.2. Revenido de endurecimiento o maduración artificial: Se aplica a las aleaciones que han sido tratadas por temple de precipitación. Su objeto es acelerar la precipitación del compuesto químico que endurece el material, por lo que produce un efecto contrario al revenido normal, ya que en lugar de ablandar el material lo endurece. Las temperaturas de maduración artificial dependen de las aleaciones de que se trata, al igual que la permanencia a dicha temperatura. La velocidad de enfriamiento tampoco tiene influencia. 4.3. Doble revenido: A los aceros rápidos e indeformables, con un % de Cr elevado, se acostumbra a darles dos revenidos sucesivamente después del temple. Porque después del primer revenido, quedan con un elevado porcentaje de austenita residual. A algunos aceros de alta aleación se les puede dar hasta tres revenidos consecutivos por la cantidad de austenita residual que queda de los dos anteriores.

Estos son los tratamientos térmicos fundamentales, aunque existen otras variedades que se diferencian en la temperatura y velocidad de enfriamiento.

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MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS  Lijas de 180-360-600-800-1000-1200

 Pulidora

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 Probetas (Acero SAE 1010 - Acero SAE 1045)

 Microscopios

Para observación de la probeta luego del pulido.

Para la foto micrográfica de la estructura luego de todo el ensayo.

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 Horno Thermolyne

Foto frontal

Placa del horno

 Materiales de protección

Casco protector

Guantes

 Medios de enfriamiento: Aceite(izquierda) y agua(derecha)

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1. Seleccionar las probetas a trabajar, en este caso el acero SAE1010 y el acero SAE1045, y fijar dos de ellas de testigos para poder hacer las comparaciones luego de los distintos tratamientos, dos de ellas para templar en agua y aceite y dos probetas para el normalizado, recocido y revenido.

Selección de las probetas, destinándolas para cada tratamiento a realizarse.

2. Introducir todas las probetas al horno, y encenderlo para que comiencen a calentarse hasta una temperatura de 805°C. 3. Habiendo ya introducido las probetas, esperar entre aproximadamente de 30 a 45 min, para que el horno pueda llegar a la temperatura establecida.

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Momento de escoger las probetas para poder introducirlas en el horno.

Fijación de la temperatura a trabajar en el ensayo: 805°C

4. Una vez pasado ya el tiempo establecido, fijarse que el horno este a temperatura escogida, sino es así esperar un tiempo más. Una vez que la temperatura ya se haya establecido, colocarse el material de protección y preparar las herramientas que servirán para retirar las probetas. 5. Preparados y puestos los materiales de protección, se abre el horno y se procede a retirar las probetas del temple, normalizado, testigos revenidos; para que sigan el procedimiento que les corresponde, y no las del recocido, puestos que estos se enfriarán lentamente dentro del horno.

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Retirando las probetas, luego de haber esperado el tiempo establecido.

Introduciendo las probetas a los medios de enfriamiento (aceite y agua), para obtener el temple.

Retirando la probeta de la rejilla, que fue colocada en el aceite, para que se pueda retirar luego de la inmersión.

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6. Una vez ya listas las probetas, se procede al tratamiento metalográfico común, visto en el ensayo anterior, siguiendo los mismos procedimientos.

Lijado al agua de las probetas, luego del tratamiento, de la lija más gruesa a la más fina.

Pulido de la probeta, luego del lijado; con alúmina y agua.

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Ataque de la superficie trabajada, con el NITAL, para terminar de limpiar impurezas.

Foto microscópica, luego del ensayo, para poder determinar nuevas características de las probetas tratadas.

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 PROBETAS TESTIGOS PROBETA TESTIGO ACERO 1045 ACERO 1010 ACERO 1045 TEMPLADO

DUREZA 91.53 HRB 75.66 HRB 57.06 HRC

DUREZA (HRC) 11.0375 57.06

Nota: tener la cuenta que la dureza de HRB al pasar hacia HRC se interpola de la siguiente manera: HRC HRB

10 90.7

x 91.53

12 92.3

91.53 − 90.7 92.3 − 90.7 = 𝑥 − 10 12 − 10  X=11.0375

Acero SAE 1045

Superficie analizada

645.16 mm

Índice de grano

7.88

2

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 TEMPLE TRATAMIENTO TEMPLE TEMPLE TEMPLE TEMPLE

ACERO 1045 1045 1010 1010

HRC HRB

12 92.3

x 92.46

14 93.9

HRC HRB

0 81.7

x 82.1

2 83.5

FLUIDO agua aceite agua aceite

DUREZA 52.93 HRC 46.63 HRC 92.46 HRB 82.1 HRB

DUREZA (HRC) 52.93 46.63 12.2 0.44

92.46 − 92.3 93.9 − 92.3 = 𝑥 − 12 14 − 12  X=12.2

82.1 − 81.7 83.5 − 81.7 = 𝑥−0 2−0  X=0.44

Temple en aceite SAE 1045

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Temple en agua – acero SAE 1045

Temple en agua - acero SAE 1010

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Superficie analizada

645.16 mm

Índice de grano

9.49.5

2

Temple en aceite – acero SAE 1010

Superficie analizada

645.16 mm

Índice de grano

8.99

2

 REVENIDO TRATAMIENTO REVENIDO REVENIDO

ACERO 1045 1010

FLUIDO agua aceite

DUREZA 46.63 HRC 76.46 HRC

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Revenido – acero SAE 1010

Superficie analizada

645.16 mm

2

Índice de grano

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Revenido – acero SAE 1045

 RECOCIDO

HRC HRB

TRATAMIENTO

ACERO

DUREZA

DUREZA (HRC)

RECOCIDO

1045

87.66 HRB

6.467

6 87.1

x 87.66

8 89.5

87.66 − 87.1 89.5 − 87.1 = 𝑥−6 8−6  X=6.47

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Recocido – acero SAE 1045

 NORMALIZADO

HRC HRB

TRATAMIENTO

ACERO

DUREZA

DUREZA (HRC)

NORMALIZADO

1045

90.03 HRB

8.883

8 89.5

x 90.03

10 90.7

90.03 − 89.5 90.7 − 89.5 = 𝑥−8 10 − 8  X=8.883

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Normalizado – acero SAE 1045

Resumiendo datos entonces para el acero SAE 1045, se procede a realizar un gráfico de barras, para notar la veracidad de la experiencia.

TIPO DE PROBETAS TESTIGO TESTIGO TEMPLADO TEMPLE AGUA TEMPLE ACEITE REVENIDO AGUA RECOCIDO NORMALIZADO

DUREZA (HRC) 11.0375 57.06 52.93 46.63 46.63 6.467 8.883

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Acero SAE 1045 60

Dureza en HRC

50

40

30

29

20

10

0 Series1

TESTIGO 11.0375

TESTIGO TEMPLADO 57.06

TEMPLE AGUA

TEMPLE ACEITE

52.93

46.63

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REVENIDO AGUA 46.63

RECOCIDO

NORMALIZADO

6.467

8.883

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Resumiendo datos entonces para el acero SAE 1010, se procede a realizar un gráfico de barras, para notar la veracidad de la experiencia. TIPO DE PROBETAS TESTIGO TEMPLE AGUA TEMPLE ACEITE REVENIDO ACEITE

DUREZA (HRB) 75.66 92.46 82.1 76.46

Acero SAE 1010

Dureza HRB

100 80 60 40 20 0 Series1

TESTIGO 75.66

TEMPLE AGUA 92.46

TEMPLE ACEITE 82.1

REVENIDO ACEITE 76.46

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

Se observa en las fotografías que en algunas hay

formación de nuevas

estructuras en los granos. 

Se observa que los materiales al momento de lijar en algunos era más rápido y otros se demoraba, esto se debe a que su dureza había disminuido o aumentado, obviamente después de haber realizado los tratamientos respectivos.



De la gráfica del acero SAE 1045 se observa que el cumple con el modelo teórico de los tratamientos, y que para endurecer el material con el temple es mejor utilizar el medio de enfriamiento del agua, análogamente el acero SAE1010



Debido a que al aceite era aun fluido sin transparencia, se utilizó una rejilla al momento de echar la probeta sobre este, para no perder la probeta.



Para no lastimarse al retirarlas luego del calentamiento, es recomendable utilizar los materiales de protección para no dañarse, es importante recalcar que fue el ingeniero, quien retiró las probetas, por lo que en las fotografías sale sin guantes.



Se recomienda escoger una sola escala para hacer las comparaciones de los tratamientos, de esto modo se facilita el análisis.



Si se trabaja el recocido, se recomienda dejar que el enfriamiento dentro del horno sea hasta temperatura ambiente, para obtener mejores resultados, sin embargo se puede retirar cuando se encuentre a los 500°C.

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 Al analizar las fotos de las muestras podemos notar como los granos varían, ya sea en el tamaño o en la forma. Los cuales nos hacen deducir que las propiedades mecánicas de los materiales ha sido modificada, lo cual corroboramos con los resultados de las mediciones.  Se concluye que los tratamientos realizados fueron los correctos, debido a que analizando las probetas tratadas con las probetas testigo estos varían en su dureza; en algunos casos mayores o menores, y en las gráficas se muestra la comprobación del análisis.  Al convertir de una escala a otro, en las durezas; había valores que estaban fuera del rango de valores establecido, pero se utilizaron solamente con fines de comparación.  Si no hubiésemos sabido la teoría y no daban las gráficas, además nos pedían un tratamiento para aumentar la dureza respondíamos que el temple, para disminuir la dureza, sería el revenido, y para que vuelva a su estado normal se debe de realizar el normalizado.

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 Donald Askeland, “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Editorial Thomson Editores, 3era edición, 1998.  William Callister, “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Editorial Reverté S.A. FUENTES DE INTERNET  http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/bloqueiv/Tema12-tratamientos_termicos.pdf  http://www.tecnosefarad.com/wpcontent/archivos/bach_2/materiales/T3_tratamientos_termicos.pdf  http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/tratamientostermicos.pdf

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ANEXO 1

Fuente: Ingeniero Gutiérrez

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