Tema 14 Endurecimiento por transformación de fase. Tratamientos térmicos.
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- María del Rosario Domínguez Castilla
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1 Tema 14 Endurecimiento por transformación de fase. Tratamientos térmicos. Las fases en equilibrio solamente pueden darse cuando el material se enfría muy lentamente desde la fase de austenita. Cuando el enfriamiento de un acero no es lento (fuera de equlibrio) se forman fases en su microestructura que no están representadas en el diagrama hierro - carbono. Austenita Enfriamiento rápido: se forma martensita. La martensita tiene una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Es la fase más dura y frágil que puede encontrarse en un acero. Enfriamiento moderado: se forma bainita. La bainita es una perlita desfigurada. Es más resistente que la perlita. Enfriamiento lento Fases de equilibrio: ferrita, cementita, perlita 118
2 Las fases fuera de equilibrio no pueden estimarse de un diagrama hierro carbono. Se requiere de un diagrama adicional que considere el tiempo de enfriamiento del material. Controlando la cantidad de carbono que posee el acero así como el tiempo en el que se enfría desde la fase de Austenita se pueden hacer variar las fases que estarán presentes en el material. Esta versatilidad del acero de poseer varias fases diferentes hace que las propiedades de este material puedan variar en un rango muy amplio. Un tratamiento térmico es un proceso donde se calienta al metal y luego se controla la temperatura y el tiempo de enfriamiento con el propósito de obtener las fases que se deseen. Existen muchos tratamientos térmicos. Los más comunes para el acero son: 1. Austenizado. Consiste en crear austenita en la estructura del acero. La austenita se utiliza para ser transformada en otras fases en un tratamiento térmico posterior. 2. Recocido (Annealing). Consiste en enfriar muy lentamente a un acero austenizado con el propósito de generar las fases de equilibrio en el material. Los aceros recocidos tienen la menor resistencia y dureza, y la mayor ductilidad posibles. 3. Normalizado (Normalizing). El acero austenizado se somete a un enfriamiento moderado con el propósito de formar bainita o perlita muy fina. 4. Templado (Quenching). El acero austenizado se enfría rápidamente con el propósito de generar martensita en su microestructura. 5. Revenido (Tempering). La martensita es una fase demasiado frágil. Su presencia en un acero lo convierte en un material quebradizo. El revenido consiste en recalentar a un acero templado con el propósito de incrementar su ductilidad sin reducir significativamente su resistencia. Las propiedades finales del acero revenido dependen de la temperatura a la que se recalentó el metal, la cual se llama temperatura de revenido. Los tratamientos térmicos pueden bosquejarse en un diagrama de Temperatura Tiempo - Transformación. Uno de estos diagramas para un acero eutectoide se muestra a continuación: 119
3 Existe una propiedad de los aceros que se llama capacidad de endurecimiento. Se considera que un acero es endurecible cuando es posible incrementar su dureza y su resistencia por medio de un templado. Un acero es más fácil de templar si es posible formar martensita con un enfriamiento no muy rápido, de modo que no se formen grietas ni distorsiones debido al cambio brusco de temperatura. La nariz de un acero endurecible estará desplazada hacia la derecha en el diagrama TTT, permitiendo velocidades de enfriamiento moderadas para formar martensita. Los elementos de aleación que se añaden a un acero pueden desplazar la nariz del diagrama hacia la derecha o hacia la izquierda. Por esa razón, la mayoría de aceros aleados son endurecibles y pueden poseer resistencias elevadas. La forma como se enfría una pieza de acero durante un tratamiento térmico hace que la superficie del mismo se enfríe con mayor rapidez que el interior del material. Esta diferencia en las propiedades de la superficie se mide con el concepto de templabilidad. La templabilidad es la facilidad con la cual se puede formar martensita en el acero. Los aceros de bajo carbono tienen baja templabilidad, es decir, forman martensita con mucha dificultad o simplemente no pueden formar martensita. Los aceros de alto 120
4 carbono o los aceros aleados tienen alta templabilidad, lo que significa que forman martensita con mucha facilidad. La templabilidad en un acero se mide con la prueba Jominy. 121
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6 PROBLEMAS (1) Un acero al carbono posee una microestructura compuesta por ferrita y martensita. Para formar esta microestructura el acero se calentó hasta una temperatura mayor a 727º C y luego se templó para formar la martensita. Al hacer un análisis químico se determinó que la martensita tiene un porcentaje de carbono de 0.6%. Encuentre la temperatura aproximada desde la cual se templó el acero. (2) A continuación se muestra el diagrama de transformación isotérmica de un acero. Sobre el diagrama se ha dibujado la curva de enfriamiento a la cual fue sometido el material. Determine la microestructura final de este acero. 123
7 (3) Se tiene un acero Este acero será sometido a un tratamiento térmico de revenido. Determine el rango de temperaturas de revenido que produce en el acero una resistencia a la fluencia mayor de 1200 MPa y un porcentaje de reducción de área mínimo de 45% (4) Un acero tiene un porcentaje de carbono de 0.43%, Qué microestructura espera encontrar en el material? Detalle la cantidad de cada una de las fases presentes en este acero. (5) Para un acero 1080, encuentre la temperatura de revenido que se requiere para que el material tenga simultáneamente las siguientes propiedades mecánicas: Un esfuerzo de fluencia máximo de 900 MPa. Un porcentaje de elongación máximo de 20% 124
8 Una dureza Brinell entre 300 y 320. Deje constancia del procedimiento realizado. (6) A continuación se muestra el diagrama de transformación isotérmica de un acero El acero se somete al siguiente tratamiento térmico: a) Se austeniza a 800º C. b) Se enfría rápidamente hasta 650º C c) Se mantiene a 650º C durante 1000 segundos. d) Se enfría rápidamente hasta 450º C. e) Se mantiene a 450º C durante 100 segundos. f) Se enfría rápidamente hasta temperatura ambiente. Dibuje el tratamiento térmico sobre el diagrama y estime cual será la microestructura que se obtendrá en el acero. Recuerde que la escala del tiempo del diagrama es logarítmica. 125
9 (7) Se tiene una barra de acero Esta barra se utilizará para construir un eje que deberá operar en condiciones de fricción y desgaste severas. El diseñador del eje ha estimado que la dureza para esta aplicación debe ser de 360 HB. Partiendo de una temperatura de Austenización de 800º C, defina el tratamiento térmico que debe darse al acero para obtener la dureza deseada. Bosqueje la gráfica de temperatura contra tiempo para el tratamiento térmico que usted propone en el espacio que se muestra. Deje indicadas en el diagrama y en los lugares adecuados, las microestructuras que se forman durante y al final del tratamiento. Deje constancia de su razonamiento. Temperatura tiempo (8) Se tienen dos piezas de acero las cuales serán unidas entre sí por medio de un proceso de soldadura con arco eléctrico. No se sabe la composición química del acero a soldar, sin embargo se tiene la siguiente información: a. Es un acero al carbono. b. El material está recocido. c. Al observar la microestructura del material a soldar, se determino que contiene 56% de ferrita y 44% de perlita. Esta microestructura es la adecuada para darle a este acero la combinación de dureza y ductilidad requeridas para la aplicación deseada de la unión a fabricar. Para soldar el material, se dispone en el mercado de tres tipos diferentes de electrodo, los cuales se describen a continuación: a. Electrodo "perrito", contiene 0.15% de carbono. b. Electrodo "pajarito", contiene 0.30% de carbono. c. Electrodo "diablo", contiene 0.80% de carbono. 126
10 Recuerde que durante el proceso de soldadura, el metal del electrodo se funde y se mezcla con el metal base a soldar. Con esto en mente, responda lo siguiente: 1. Cuál de estos tres electrodos es el más adecuado para realizar la soldadura? Explique. 2. Cómo se espera que sean las propiedades mecánicas de la unión soldada comparadas con las propiedades del resto del material base, si utiliza el electrodo "perrito"? Explique. 3. Cómo se espera que sean las propiedades mecánicas de la unión soldada comparadas con las propiedades del resto del material base, si utiliza el electrodo "pajarito"? Explique. 4. Cómo se espera que sean las propiedades mecánicas de la unión soldada comparadas con las propiedades del resto del material base, si utiliza el electrodo "diablo"? Explique. 127
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