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• Dave Lopez

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RESUMEN. Este informe presenta los diferentes tratamientos térmicos realizados a un acero AISI 1030, sometidas a temple en agua, recocido, normalizado, temple en aceite, temple en agua y revenido a 400 y 700ºC enfriado a temperatura ambiente. Donde se determinó las microestructuras en la sección transversal basándose en las normas ASTM E-3 para determinar fases presentes, límites de grano, durezas y sus respectivas curvas de enfriamiento representadas CCT.

1. OBJETIVO(S):

2.1.

GENERAL



Identificar la microestructura presente en cada muestra de acuerdo después de haberse aplicado el tratamiento térmico correspondiente.

2.2.

ESPECÍFÍCOS 

Visualizar el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre los aceros de bajo carbono.



Graficar las curvas de enfriamiento en el diagrama de transformación isotérmica (TTT) y en el diagrama de enfriamiento continuo (CCT).



Visualizar el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre los aceros de bajo carbono.



Determinar

cómo

influye

el

revenido

luego

del

temple

sobre

la

microestructura y dureza del acero.

2. INTRODUCCION ACERO AISI 1030 Contiene aproximadamente un 0,30% de carbono, está considerado como un acero de medio carbono usado generalmente en partes de máquinas y herramientas. Estos carbonos son requeridos por su buena característica de resistencia al desgaste

y

porque

pueden

ser

tratadas

térmicamente

mejorando

sus

características para los requerimientos en resistencia. Ofrece una ventaja grande al momento de realizarle soldaduras. El acero AISI 1030 tiene una dureza moderada, pero sin embargo puede ser mejorada por un trabajo en frío. Tiene buena maquinabilidad, buena ductilidad y es soldable.

Figura 1. Propiedades mecánicas del acero AISI 1030.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS En algunas aplicaciones, se requiere el mejoramiento o modificación de las propiedades mecánicas de los aceros como aumentar dureza, mejorar la resiliencia, ductilidad, entre otras. Se requiere que los metales estén sometidos a tratamiento térmicos para elevar la confiabilidad de los aceros. El tratamiento térmico consiste en calentar el material hasta temperatura de austenización, la cual depende del acero y del tipo de aleación que posea. Por ejemplo un 1045, su temperatura de austenización o temperatura de temple es de 840 °C. Se realiza en hornos los cuales deben tener un control exacto de temperatura, generalmente se usan pirómetros. Por ejemplo para temple debe estar un minuto por cada milímetro de espesor de la pieza. Se realizan en tres etapas: calentamiento hasta la temperatura austenítica, se mantiene a esa temperatura, finalmente se somete a un enfriamiento que será en función de la dureza requerida (la etapa de enfriamiento es la más crítica debido a que depende de la velocidad de enfriamiento el tratamiento realizado). RECOCIDO Se lo aplica con la finalidad de refinar el tamaño de grano, mejorar maquinabilidad, mejorar la ductilidad del material. En algunos casos, se lo utiliza para eliminación o minimizar esfuerzos residuales que han dejado los trabajos en frio. También se lo realiza para aliviar tensiones para minimizar deformaciones mientras se realiza el templado.

Se somete al acero a elevadas temperaturas, dejar que el enfriamiento se de en el horno. Este tratamiento térmico, se obtiene en condiciones muy cercanas al equilibrio por esta razón. Se puede aplicar el diagrama hierro-carbono. En este proceso se recomienda rodear a la pieza de hierro fundido para evitar una posible descarburización. El objeto de este tratamiento es ablandar el acero, homogenizar su estructura y composición química, aumentar su ductilidad, aumentar la dureza que la esperada aproximadamente va en el rango de 170 a 210 HB. Finalmente se debe homogenizar la temperatura en el elemento recocido. NORMALIZADO. Se retira al material del horno y se lo deja enfriar al aire es decir en condiciones normales hasta la temperatura ambiente, fuera del equilibrio. Se lo utiliza cuando la estructura del acero ha sido sometida a calentamientos a temperaturas muy elevada o porque ha sido modificada por trabajo en frio, y la estructura cristalina no es la deseada. Es aplicada principalmente en la industria para la fabricación de aceros. La dureza que se espera es mayor a la del recocido. Se lo aplica para mejorar maquinabilidad y refinar el grano. TEMPLE: Se realiza un calentamiento por encima de la línea A3 pero se realiza con un enfriamiento más rápido, parte de una estructura perlítica, después del calentamiento se consigue una estructura austeníta y después del enfriamiento se obtiene martensita la cual está sobresaturada de carbono por lo tanto tiene más dureza y su apariencia es una estructura blanca tipo aguja. REVENIDO: Se lo realiza para fijar la dureza del acero. Después del temple, el revenido sirve para conseguir muy buenas características. A nivel industrial el más utilizado es el temple más revenido pero cabe recalcar que se debe realizar el revenido inmediatamente después de realizado el templado; también se recomienda hacer dos revenidos, finalmente los elementos deben enfriarse hasta la temperatura ambiente. En aceros de bajo carbono, no es beneficioso realizar un tratamiento térmico, ya que debido a su bajo contenido de carbono, las características no mejorarán de manera

significativa, por ende la dureza (que es la característica que más se necesita modificar), no se verá mejorada mucho menos si se requiere alta resistencia.

Figura 2. Rangos te temperatura comúnmente usados para el recocido de aceros al carbono simples. DUREZA Es la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por un indentador que es otro cuerpo más duro, el cual no sufre deformaciones residuales y es de determinada forma y dimensiones. [6] Prueba o ensayo de dureza Brinell: El identador es una esfera de 10mm de diámetro y la carga de 3000kg para metales ferrosos y 500kg para metales no ferrosos, el tiempo de presión es de 10 seg. para metales ferrosos y 30 seg. para materiales no ferrosos. La huella es medida por medio de un microscopio con escala ocular. El número de dureza Brinell (HB) está dada por la fórmula:

HB 

P

D / 2D 

D2  d 2



3. EQUIPOS Y MATERIALES: Equipos

Descrpcion Grafica

Equipos

Compresor

Lijas

Portalijas

Pulidora

Alúmina

Alcohol

Microscopio Óptico

Nital 2%

Algodón

Agua Destilada

Descrpcion Grafica

Durómetro

Horno

4. PROCEDIMIENTO: Seleccionar la probeta de trabajo, para el ensayo de tratamientos térmicos Realizar cortes transversales utilizando el discotom para obtener siete probetas en total para realizar el ensayo.

5.1TRATAMIENTOS TERMICOS -Colocar las probetas dentro del horno hasta que alcance la temperatura de autenticación 850ºC durante 4 horas.

-Sacar la primera muestra para el normalizado aquí se tomó valores de temperatura en función del tiempo con ayuda de un pirómetro en intervalos de 1 min aproximadamente hasta llegar a la temperatura ambiente.

-La siguiente probeta se realizara un temple en agua a temperatura ambiente de la misma manera con la ayuda de un pirómetro verificar hasta cuando alcance su temperatura ambiente la probeta.

-La tercera probeta se realizara un temple en aceite igual de la misma forma sacar del horno y ponerla en tanque contenida de aceite y mantener hasta que este llegue a su temperatura ambiente.

-Para los revenidos es necesario templar en agua para luego poner en el horno a una temperatura de 400 y 700ºC para después dejar enfriar al ambiente.

-La última probeta se realizara un recocido lo cual esta se enfriara dentro del horno. NOTA: Una vez realizados los tratamientos térmicos es necesario realzar cortes transversales para empezar a realizar la preparación metalográfica.

Según la norma ASTM E3 es necesario seguir diferentes procedimientos para la preparación de muestras de metalografía la cual se presenta a continuación. -Selección del material a analizar. -Corte de muestras metalográficas. -Esmerilado en grueso (lijas). -Esmerilado fino. -Ataque químico.

5.1.2. DETERMINACION DE TAMAÑO DE GRANO: Para determinación de tamaño de grano se basa en la norma ASTM E-112 la cual muestra tres métodos en este caso se realizaran por el método de intersección y en la sección transversal de la muestra para suministro, recocido y normalizado -Preparar la probeta mediante ASTM E-3 esmerilados gruesos, finos. -Atacar la muestra con Nital al 2% -Colocar una ampliación a 100x -Observar la microestructura tomar las fotografías necesarias para realizar el análisis de tamaño de grano.

5.1.3. DETERMINACION DE DUREZA BRINELL: Para determinación de tamaño de grano se basa en la norma ASTM E-10 la cual muestra el tipo de identador, precarga y carga necesaria para utilizar. -Preparar la probeta mediante ASTM E-3. -Colocar la muestra en el durómetro. -Colocar en la posición correcta el identador esférico de diámetro de 2.5mm. -Dar una precarga inicial 10kgf. -Seleccionar la escala de la fuerza 187.5kgf. -Aplicar esta carga durante un tiempo de 30s. -Observar la huella impregnada en el microscopio. -Colocar la huella de forma tangente en relación al segundo cuadrante. -Pasar la huella al cuarto cuadrante y quede tangencial a este mediante manillas -Medir los valores de desplazamiento de la huella. -Sacar el promedio de los valores desplazados horizontal y vertical. -Tomar el valor promedio y buscar en catálogo de dureza con diámetro de 2.5mm. -Comparar las durezas analíticas y tablas fábrica sacar el error.

5. RESULTADOS. 5.1. Presentación de microestructura. PROBETA SUMINISTRO 100X

200X

95um

500X

25um

50um

Figura 7. Microestructuras de probeta suministro ferrita y perlita en mayor cantidad atacada Nital 2%, ampliación 100x 200x 500x

PERLITA

FERRITA 50um 5.2.

Determinación del % de carbono en la probeta suministro Software

Scope Photo

Figura 9. Determinación del porcentaje de perlita en probeta de suministro a 200, Nital 2%, utilizando Software Scope Photo

%𝑃 =

(135 − 51) 𝑥100 (255 − 51)

%𝑷 = 𝟒𝟏, 𝟏𝟕% %𝛼 = 100 − %𝑃 %𝜶 = 𝟓𝟖, 𝟖𝟐% %𝑃 =

%𝐶 − 0,008 𝑥100 0,8 − 0,008 %𝑪 = 𝟎, 𝟑𝟐

5.3. Determinación de tamaño de grano. Método de intersección: Se realizó en la fotografía de la probeta recocida, porque en esta probeta se presenta ferrita y perlita.

Figura 3. Método de intersección para determinar tamaño de grano ampliación 500x. Líneas verticales N° De N° Línea

Granos

1

3

𝐸𝐻 =

2

2

3

0,5

Promedio

2,75

127,5µ𝑚 longitud µ𝑚 = = 46,36 ⁄𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜 2,75granos # promedio granos #𝐺 = 10 − 6,6434 log

46,36 10

#𝑮 =5,57≈ 𝟔 Al realizar el análisis de tamaño de grano de líneas horizontales se obtiene un tamaño de grano ASTM #6 Líneas horizontal N° De

𝐸𝑣 =

N° Línea

Granos

1

4

2

1,5

3

4

Promedio

3,16

170µ𝑚 longitud µ𝑚 = = 48,57 ⁄𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜 3,5𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜 # promedio granos #𝐺 = 10 − 6.6434 log

48,57 10

#𝑮 = 5,47≈ 𝟔 Al realizar el análisis de tamaño de grano de líneas horizontales se obtiene un tamaño de grano ASTM #6

5.4. Dureza Brinell Suministro Datos: P= 1839 N= 187,653 Kgf

D= 2,5 mm d1= 0.975 mm d2= 0.995 mm

𝒅𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

HB 

HB 

0,975 + 0,995 = 0,985 𝑚𝑚 2

P

D / 2D 

D2  d 2



2(187,653)

x2,52,5 

(2,5) 2  (0,985) 2



HB  236,10 HB  236

5.5.

Presentación de microestructura RECOCIDO

a)

b)

Fig. Microestructuras de una muestra que pertenece a un acero 1030, en estado de recocido a) a 100x, b) a 200x

Fig. Microestructura que pertenece a un acero 1018, templado en aceite a 200x. Las áreas oscuras son perlita rodeado de Bainita, las áreas claras son de Ferrita. 5.6.

Análisis de Dureza Brinell

𝐷 = 2.5 𝑚𝑚 𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 1.235 𝑚𝑚 𝑃 = 187.5 𝑘𝑔𝑓 2𝑃

𝐻𝐵 =

2

𝜋𝐷2 (1 𝐻𝐵 =

𝑑 − √1 − (𝐷) )

2(187.5𝐾𝑔) 1.235 2 ) ) 2.5

𝜋(2.5)2 (1 − √1 − ( 𝐻𝐵 = 146,3 𝐻𝐵 5.7.

Medida del tamaño de grano

Fig. Aplicación del método para la medición del tamaño de grano a 200x

LINEAS

GRANOS

1

5

2

4,5

3

4

4

4,5

4,5 Promedio

𝐸=

𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 # 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜𝑠

𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔

𝐸 10

𝐺 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔 𝐸 10 𝐸=

163,3 𝑢𝑚 = 35,47 𝑢𝑚/𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜 4,5

𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔 𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 6,35 El tamaño de grano es ASTM 6

35,478 10

5.8.

Análisis en el SCOPHE PHOTO

%P =

135 − 55 x100 255 − 55 %P = 40

%α = 60%

%P =

%C − 0,008 x100 0,76 − 0,008

%C = 0,008 +

40 x(0,76 − 0,008) 100

%C = 0.30 Velocidad de enfriamiento: Recocido ∆T = (850 – 20) °C = 830°C ∆t = 86400 segundos. 0 T 830 0 C C   0,0096 t 86400s s

5.9.

Presentación de microestructura TEMPLE EN ACEITE

a)

b)

c) Fig. Microestructuras de una muestra que pertenece a un acero 1018, templado en aceite a) a 100x, b) a 200x c) a 500x.

Fig. Microestructura que pertenece a un acero 1018, templado en aceite a 200x. Las áreas oscuras son perlita rodeado de Bainita, las áreas claras son de Ferrita.

5.10.

Análisis de Dureza Brinell

𝐷 = 2.5 𝑚𝑚 𝑑1 = 1.0325 𝑚𝑚

𝑑2 = 1.054 𝑚𝑚

𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑟𝑖𝑜 = 1.0425 𝑚𝑚

𝑃 = 187.5 𝑘𝑔𝑓 𝐻𝐵 =

2𝑃 𝑑 2 𝜋𝐷2 (1 − √1 − (𝐷) ) 2(187.5𝐾𝑔)

𝐻𝐵 =

𝜋(2.5)2 (1 − √1 − (

1.0425 2 ) ) 2.5

𝐻𝐵 = 210𝐻𝐵

5.11.

Medida del tamaño de grano

Fig. Aplicación del método para la medición del tamaño de grano a 200x

LINEAS

GRANOS

1

9

2

6,5

3

8,5

4

8

8 Promedio

𝐸=

𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 # 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜𝑠

𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔

𝐸 10

𝐺 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔 𝐸 10 420 𝑢𝑚 = 52,5 𝑢𝑚/𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜 8 52,5 𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 10 − 6,6439 ∗ 𝑙𝑜𝑔 10 𝐸=

𝑇𝐺𝑟𝑎𝑛𝑜 = 5,21 El tamaño de grano es ASTM 5

Velocidad de enfriamiento: Temple en Aceite ∆T = (850 – 20) °C = 830°C ∆t = 160 segundos. 0 T 8300 C C   5,18 t 160s s

5.12. Presentación de microestructura NORMALIZADO

95um

50um

PERLITA

FERRITA 20um

Fig. Microestructuras de una muestra que pertenece a un acero 1030, normalizadoa) a 100x, b) a 200x c) a 500x.

5.13. Dureza Brinell Normalizado Datos: P= 1839 N= 187,653 Kgf D= 2,5 mm d1= mm d2= mm

𝒅𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 =

HB 

+ = 0, 𝑚𝑚 2

P

D / 2D 

D2  d 2



HB 

2(187,653)

x2,52,5 

(2,5) 2  (0,985) 2



HB 

HB 

Velocidad de enfriamiento: ∆T = (850 – 20) °C = 830°C ∆t = 49,4 segundos. 0 T 822 0 C C   0,159 t 49,4s s

5.14.

Presentación de microestructura TEMPLE EN AGUA

95um

50um

b)

b)

20um

c)

Fig. Microestructuras de una muestra que pertenece a un acero 1030, templado en agua a) a 100x, b) a 200x c) a 500x.

PERLITA BAINITA 20um

Fig. Microestructura que pertenece a un acero 1030, templado en agua a 500x. Las áreas oscuras son perlita rodeado de Bainita, las áreas claras son de Ferrita. 5.15.

Análisis de Dureza

𝐷 = 2.5 𝑚𝑚 𝑑 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 0.9175 𝑚𝑚 𝑃 = 187.5 𝑘𝑔𝑓 𝐻𝐵 =

2𝑃 𝑑 2 𝜋𝐷2 (1 − √1 − (𝐷) ) 2(187.5𝐾𝑔)

𝐻𝐵 =

2

𝜋(2.5)2 (1

0.9175 − √1 − ( ) ) 2.5

𝐻𝐵 = 273.7𝐻𝐵

Velocidad de enfriamiento

∆T = (850 – 21) °C = 829°C ∆t = 45 segundos.

0 T 829 0 C C   18.422 t 45s s

5.16. Presentación de microestructura TEMPLE AGUA + REVENIDO 370 C

Microestructura del acero AISI 1030 revenida a 400°C a 100X

Microestructura del acero AISI 1030 revenida a 370°C a 200X

MARTENSITA REVENIDA

MARTENSITA REVENIDA

FERRITA

⃖16,32 𝜇𝑚

Microestructura del acero AISI 1030 revenida a 370°C Fotografía tomada a 500X

5.17. Presentación de microestructura TEMPLE AGUA + REVENIDO 700 C

Martensita 122,4 Perlita

Ferrita

⃖16,32 𝜇𝑚

163,7

Temple en agua y revenido a 710 °C. Atacado con nital 2%. 500x

Diagrama de Enfriamiento Continuo (CCT)

Recocido

146HB Normalizado

xHB

Temple en agua

Temple en Aceite

274HB

210HB

Fig. Diagrama CCT Acero AISI 1030. Fuente: Pérez M. Pullas L., Influencia de la utilización de insertos de varilla corrugada sobre las soldaduras de perfil estructural, Pag.105

Fases presentes según diagrama CCT Tratamiento

Ferrita

Perlita

Normalizado

x

X

Recocido

x

X

Bainita

Temple agua

X

x

Temple aceite

X

x

Martensita

Fases presentes según microanálisis en las probetas Tratamiento

Ferrita

Perlita

Bainita

Martensita

Normalizado

x

X

Recocido

x

X

Temple agua

x

X

x

x

Temple aceite

x

X

x

Diagrama de Transformación Isotérmica (TTT)

Fig. Diagrama TTT Acero AISI 1027. Fuente: Totten G.E. HANDBOOK OF QUEENCHANTS AND QUENCHING TECHNOLOGY, Pag.12

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: Tratamiento Térmico



Dureza

Normalizado

112 HB

Recocido

146 HB

Temple agua

274 HB

Temple aceite

210 HB

Como se pudo reconocer en la muestra que se hizo temple en agua, las microestructuras presentes son perlita y bainita, lo que se pudo constatar en los Diagramas CCT, pero no se distinguió martensita, esto se puede dar por dos factores, debido a que el carbono para formar martensita no es suficiente, o también por la ausencia de elementos aleantes.



El medio de enfriamiento junto con el tamaño y forma de la pieza son los factores que deciden la velocidad de enfriamiento de las piezas de acero en los tratamientos térmicos.



El temple clásico consiste generalmente en obtener el máximun de martensita, y en consecuencia evitar toda transformación.



Los elementos aleados desplazan las curvas hacia la derecha en los diagramas CCT, ósea hacen más fácil la obtención de martensita.



Se concluye también que a mayor velocidad la dureza del material se incrementa, debido a la formación de martensita (dependiendo del material).



Siempre que existan enfriamientos sumamente rápidos, existirán tensiones térmicas en material.



Cuando se someten aceros a su temperatura de austenitización y cuando el carbono en el metal reacciona con los gases presentes en la atmósfera, existe un fenómeno conocido como decarburización, que no es otra cosa que la presencia de carbono en forma de delgadas capas en la superficie de los mismos haciendo que estos pierdan carbono.



La estructura martensítica presenta las mayores propiedades de resistencia. Al mismo tiempo es una estructura extremadamente frágil, a tal punto que exige un tratamiento térmico que la haga algo dúctil.



La necesidad de eliminar tensiones internas producidas por el temple se hace más necesario para aceros al carbono, por lo cual las temperaturas de revenido deberán ser

mayores. TRATAMIENTOS TEMPERATURA TIEMPO

VELOCIDAD DE

TERMICOS

ENFRIAMIENTO (°C/S)

(°C )

TEMPLE EN

(S) 850-20

50

16,6

RECOCIDO

850-20

86400

0,0096

NORMALIZADO

850-20

5220

0,159

TEMPLE EN

850-20

160

5,18

AGUA

ACEITE

RECOMENDACIONES: 

Se recomienda la observación inicial de la microestructura para así tener una noción de que dureza se puede realizar y no afectar al durómetro



La adecuada utilización de normas y fórmulas para la obtención correcta de valares y así no alterar la comparación con catálogos

7. BIBLIOGRAFÍA

 AISI 1030 Carbon Steel (UNS G10300) [en línea]  http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6531> [consulta 18 julio 2014]  CEPELO, Edoardo,Tecnilogía de la fundición , Segunda Edición, Editorial Gustavo Gili, Barcelona; España;pp36-55.  William F. Smith, J. H. (2012). Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S. A. DE C.V.