ANALISIS DE LA EVOLUCION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 AL SER SOMETIDO A UN TRATAMIENTO ISOTERMICO

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1 ANALISIS DE LA EVOLUCION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 AL SER SOMETIDO A UN TRATAMIENTO ISOTERMICO JUAN DAVID ARDILA GARCÍA DAVID LEONARDO CORAL MARTÍNEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA BOGOTA

2 Análisis de la evolución microestructural de un acero aisi/sae 1045 al ser sometido a un tratamiento isotérmico Presentada por: Juan David Ardila García David Leonardo Coral Martínez Dirigida por: Carlos Arturo Bohórquez Ávila Universidad distrital francisco José de caldas Facultad tecnológica Bogotá

3 CONTENIDO Pág. 1- RESUMEN 4 2- LISTA DE TABLAS 5 3- LISTA DE FIGURAS 6 4- INTRODUCCIÓN 7 5- MARCO TEÓRICO Transformaciones de fase transformaciones en estado sólido difusionales transformaciones en estado sólido no difusionales DESARROLLO DEL PROYECTO Acero AISI/SAE ANÁLISIS DE RESULTADOS durezas obtenidas CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA 18 3

4 1 RESUMEN Para la realización de este proyecto se utilizaron 6 probetas de acero AISI/SAE 1045, de las cuales una se mantuvo en estado de entrega, y las restantes se sometieron a tratamientos térmicos de la siguiente manera. Todas las probetas fueron expuestas a un calentamiento inicial hasta 770 C durante 30 minutos, luego se sometieron a un enfriamiento al medio ambiente con un leve rocío de agua hasta llegar a la temperatura de 550 C aproximadamente. Una vez alcanzada esta temperatura se introdujeron las muestras a una segunda mufla calentada previamente a 550 C, de allí las probetas fueron sacadas de una en una a diferentes tiempos: 5 minutos, 15 minutos, 30 minutos, 1 hora y 2 horas. Cada muestra se dejó enfriar al ambiente. Este proceso se realizó con el fin de analizar el cambio que sufría el material en su microestructura, observando las muestras en un microscopio metalográfico, asimismo realizando pruebas de dureza a cada probeta para luego consignar los valores en una tabla comparativa teniendo en cuenta los diferentes tiempos utilizados en los tratamientos. 4

5 2 LISTA DE TABLAS Pág. 1- Composición química del acero SAE Temperaturas intercríticas para el acero SAE Microestructuras obtenidas Valores de dureza 16 5

6 3 LISTA DE FIGURAS Pág. 1- Diagrama reacción de precipitación 8 2- Imagen de preparación metalográfica Grafica temperatura vs tiempo del tratamiento térmico Imagen de elementos para realización del ataque Imagen probetas después de la prueba de dureza Grafica de los valores de dureza 16 6

7 4 INTRODUCCION El acero AISI/SAE 1045, es un acero utilizado en la industria, para la realización de piezas de múltiples formas, gracias a su fácil maquinabilidad, puesto que sus propiedades mecánicas, hacen que sea uno de los materiales preferidos por la industria del mecanizado. Los tratamientos térmicos que se le dan a un material, cambian su composición microestructural, dependiendo del tiempo de duración de los tratamientos, del enfriamiento, y de las temperaturas a las cuales se realizan los mismos. Como principal objetivo, se busca Establecer la evolución microestructural de un acero AISI/SAE 1045 al ser sometido a un tratamiento a temperaturas intercríticas y luego a un tratamiento isotérmico. El cual cuenta para su logro con los siguientes objetivos específicos: Realizar la secuencia de tiempos y temperaturas con calentamiento a 770 C y posterior enfriamiento de las muestras acero AISI/SAE 1045 hasta 550 C, luego mantener esta temperatura en intervalos de 5 minutos, 15 minutos, 30 minutos, 1 hora, 2 horas y posterior enfriamiento. Identificar constituyentes por medio de micrografías de las probetas del acero AISI/SAE Realizar pruebas de dureza a las muestras de acero AISI/SAE 1045 y generar tabla de dureza vs tiempo. De acuerdo con los objetivos, el artículo iniciara, con una breve explicación de los conceptos necesarios para la interpretación del mismo. 7

8 5 MARCO TEÓRICO TRANSFORMACIONES DE FASE Transformaciones en estado sólido difusionales La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido tienen lugar por movimientos atómicos activados térmicamente. Estas transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde una o más fases son estables. Los tipos de transformaciones de fases que son posibles se pueden clasificar en cinco grupos: Reacciones de precipitación, transformación eutectoide, Reacciones de ordenación, Transformaciones masivas, cambios poliformicos. La microestructura que se obtiene es función del tamaño de grano y de la velocidad de enfriamiento. Si la velocidad de enfriamiento es muy elevada, no se forman núcleos hasta que el subenfriamiento es muy alto. En estas condiciones, grandes zonas del límite de grano se llenan de núcleos. Por otra parte cuando el tamaño de grano es pequeño hay gran cantidad de bordes, esquinas y límites de grano que favorecen una elevada nucleación. Al contrario, cuando el tamaño de grano es grande, la nucleación está más impedida. Reacciones de precipitación Las reacciones de precipitación generalmente se producen en sistemas de aleaciones cuando una fase se transforma en una fase mixta como resultado del enfriamiento desde altas temperaturas. La reacción de estado sólido resulta en una mezcla de la fase de matriz y precipitados que nuclean. La matriz puede compartir una estructura cristalina similar a la fase inicial, pero tiene a menudo un parámetro de red diferente. Figura 1. Diagrama reacción de precipitación 8

9 Transformación eutectoide La reacción eutectoide es un equilibrio trifásico en el que una fase sólida se desdobla en otras dos fases sólidas a temperatura constante. Tanto la precipitación como la reacción eutectoide forman fases con distinta composición de la matriz, lo que supone difusión de largo alcance. Los otros tipos de transformaciones se pueden producir sin cambio de composición o difusión de largo alcance. Transformación masiva En este caso la fase original se descompone en una o más fases con la misma composición de la fase de partida, pero con diferente estructura cristalina. La nueva fase puede ser estable o metaestable. Transformación polimórfica Se produce en sistemas de un único componente con diferentes estructuras cristalinas que son estables en diferentes intervalos de temperaturas. Caso del hierro que pasa de estructura cc a ccc. Todas estas transformaciones se producen por nucleación y crecimiento controlados por la difusión. En los tratamientos térmicos como el recocido o normalizado la transformación se produce durante el enfriamiento continuo. Si este es muy lento la ferrita nuclea a bajos subenfriamientos en bordes o esquinas de grano. Como hay tiempo la difusión hace que la austenita tenga una composición homogénea. Se alcanza la temperatura eutectoide y se forma perlita. En la precipitación de la ferrita desde la austenita bajo condiciones en las que no hay fases de transición, los sitios de nucleación son los límites de grano y las superficies de las inclusiones. Bajo condiciones de equilibrio, la ferrita proeutectoide se formará en aleaciones Fe-C que contengan menos del 0,8%C. La reacción tiene lugar entre 723 y 910ºC. Comportamiento de la ferrita y la perlita en la difusión En los tratamientos térmicos como el recocido o normalizado la transformación se produce durante el enfriamiento continuo. Si este es muy lento la ferrita nuclea a bajos subenfriamientos en bordes o esquinas de grano. Como hay tiempo la difusión hace que la austenita tenga una composición homogénea. Se alcanza la temperatura eutectoide y se forma perlita. La primera etapa en la formación de la perlita es la nucleación de una de las fases ferrita o cementita en el límite de grano. La fase que nuclea depende de la estructura y composición del límite de grano. Los nódulos de la perlita nuclean en los límites de grano de la ausentita. Cuando el subenfriamiento es bajo, nuclean pocos nódulos y se desarrollan y crecen, como esferas o semiesferas sin interferencias de unos sobre otros. Si el subenfriamiento es elevado la velocidad de nucleación es mucho mayor y se produce la saturación de sitios, todos los límites se llenan rápidamente de núcleos que crecen juntos formando capas de perlita delineando los límites de grano de la ausentita original. 9

10 Cuando el acero contiene un porcentaje de carbono diferente al eutectoide, la transformación perlítica va precedida por la formación de ferrita o cementita proeutectoide. Si el subenfriamiento es muy elevado, altas velocidades de enfriamiento, es posible que la ausentita se transforme directamente en perlita. Dureza en los procesos con difusión Como ya se sabe, la máxima dureza obtenible en cualquier acero está asociada con una estructura totalmente martensítica. Esta microestructura puede obtenerse siempre que se supriman las transformaciones controladas por difusión de la austenita mediante enfriamientos suficientemente rápidos. Existen varios factores que afectan las velocidades de enfriamiento a través del material y la respuesta de un acero dado a esas velocidades de enfriamiento. Dos factores importantes afectan la velocidad de enfriamiento o la velocidad a la cual el calor es removido de una parte de un acero dado. Uno es la capacidad del calor de difundir desde el interior hacia la superficie del acero y el otro es la capacidad del medio de temple de remover calor desde la superficie del mismo. La capacidad de un acero de transferir calor está caracterizada por su difusividad térmica. La difusividad térmica de los productos de transformación austenítica aumenta con la disminución de la temperatura. Las bajas velocidades de enfriamiento dan más tiempo para que se desarrollen las transformaciones controladas por difusión que provocan menores valores de dureza. En la práctica, es casi imposible controlar las propiedades térmicas de los aceros y la manera principal de controlar la velocidad de enfriamiento es la que se realiza mediante una selección apropiada del medio de temple. Transformaciones en estado sólido no difusionales Este tipo de transformación suponen un proceso tecnológicamente muy importante para endurecer los aceros. Templando lo suficientemente rápido, desde el campo austenítico, para evitar que la transformación eutectoide controlada por la difusión se produzca, el acero se transforma en martensita. La martensita describe al producto de la transformación sin difusión. Se llama martensita al producto de cualquier transformación en la que desde el comienzo hasta completarse los movimientos atómicos individuales son menores de un espaciado interatómico. Por la forma tan rápida en que cambian de posición los átomos en esta transformación se la denomina militar, en contraposición a las controladas por la difusión que se denominan civiles. Cualquier material, metales, aleaciones, cerámicos y compuestos, si se les enfría suficientemente rápido, para evitar una transformación de difusión, pueden dar transformación martensítica. 10

11 6 DESARROLLO DEL PROYECTO Para poder contextualizar el desarrollo del proyecto se ve la necesidad de aportar temas que brinden mayor información acerca del área de desarrollo. Los temas son los siguientes: Acero AISI/SAE1045. Propiedades Es un acero utilizado cuando la resistencia y la dureza son necesarias en condición de suministro. Este acero de medio carbono puede ser forjado con matillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción pero no es recomendado para cementación o cianurado. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria. Composición Química (Valores promedio, %) C Mn Cr P S máx máx. Tabla1. Composición química del acero AISI/SAE ( Development of High Carbon HISTORY Steel Tube with Excellent Formability KAWASAKI STEEL TECHNICAL REPORT No. 47 December 2002). Preparación metalográfica y toma de valores iniciales. Fueron preparadas metalográficamente, seis probetas del material, buscando estudiar una en estado de entrega, y las demás, a diferentes tiempos de permanencia en el tratamiento isotérmico. Ac1 C = Mn Si Cr Mo Ni V Al W S 830 N 11.5 C Si 14.0 Mn Si 3.10 Si Cr 57.9 C Mo 15.5 Mn Mo 5.28 C Ni 6.0 Mn Ni Si Ni 0.80 Cr Ni 27.4 C V Mo V 0.84 Cr Mo Ni 2 28 V 2 (1) A3 C = %C (%Ni) (%Si) + 104(%V) (%Mo) (%W) 30(%Mn) 11(%Cr) 20(%Cu) + 700(%P) + 400(%Al) (%As) + 400(%Ti) (2) 11

12 A 3 A C 723 C Tabla 2. Temperaturas intercríticas para el acero AISI/SAE 1045 Una vez obtenidos estos datos, se procede a llevar las probetas a la mufla para que estas alcancen una temperatura de 770 C. La cual está en medio de las temperaturas intercríticas del acero. Seguido de esto, se enfriaron hasta 550 C, para luego, introducirlos a una mufla previamente calentada a 550 C, que es la temperatura de intervalo perlítico para el acero Para cada probeta fue asignado un tiempo de permanencia diferente en la mufla a 550 C, buscando observar el comportamiento microestructural de cada una. Figura 2. Preparación metalográfica Temperatura A3 A1 Figura 3. Grafica temperatura vs tiempo del tratamiento térmico 12

13 Una vez que se hicieron los tratamientos térmicos, las probetas fueron preparadas metalográficamente mediante un proceso de pulido, comenzando en la lija número 80, y llegando hasta la número 2000 para garantizar la eliminación de cada una de las imperfecciones (como grietas y desniveles). Posteriormente se realizó el pulido con rubí blanco para darle el brillo adecuado y quitarle las pequeñas grietas que se pudieran presentar. Por medio de la pulidora metalográfica, se dio el correcto acabado a las probetas, y éstas fueron atacadas con ácido nítrico y alcohol, más conocido como nital. Figura 4.elementos para realización del ataque. Cuando las probetas se atacaron con el reactivo, fueron observadas en el microscopio metalográfico óptico, y posteriormente se les realizó una prueba de dureza. Figura 5. Probetas después de la prueba de dureza. 13

14 7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Tratamiento (tiempo de permanencia) Aumentos X500 Aumentos X1000 Sin Tratar 5 minutos 15 minutos 14

15 30 minutos 1 hora 2 horas Tabla 3. Microestructuras obtenidas 15

16 dureza en HRB Cabe resaltar que en cada una de las figuras mostradas del acero AISI/SAE 1045, hay ausencia de martensita, esto se debe a que la velocidad de enfriamiento de cada una de las probetas fue relativamente lenta (enfriamiento a temperatura ambiente). Se observa una microestructura ferritico perlitica, la ferrita se aprecia en tono claro, y las zonas oscuras son los granos de perlita. En algunas imágenes se evidencia la aparición (supliendo la aparición de martensita) de un tipo de perlita conocida como gruesa. A pesar del cambio en los tiempos de permanencia en el tratamiento térmico de cada una de las probetas, se puede notar que no hay un cambio representativo en los componentes de la microestructura, si no que se evidencia un cambio solamente en la organización de la misma. DUREZAS OBTENIDAS Tiempo de permanencia en el tratamiento Estado de entrega Valor de dureza acero AISI/SAE HRB 98.2 HRB 5 minutos 92.2 HRB HRB 5 minutos 91.4 HRB HRB 30 minutos HRB HRB 60 minutos HRB HRB 120 minutos HRB HRB TABLA DE DUREZAS TIEMPO DE PERMANENCIA EN MINUTOS DUREZA 1 DUREZA 2 Tabla 4. Valores de dureza Figura 6. Grafica de durezas 16

17 8 CONCLUSIONES Los cambios en los valores de dureza, se manifiestan en mayor proporción, cuando los tiempos de permanencia en la segunda parte del tratamiento térmico son mayores, debido a que en la primera etapa de este no se suprimieron las trasformaciones inducidas por difusión, es decir, las condiciones de enfriamiento fueron las ideales para no permitir el endurecimiento del material. Debido a esto, cuando se inicia la segunda etapa del tratamiento, los valores de dureza son similares a los iniciales. Las condiciones en la segunda etapa del tratamiento térmico fueron ideales para que el material presentara una disminución en sus valores de dureza proporcional al tiempo de permanencia en el tratamiento térmico. La evolución en la microestructura de cada una de las probetas, no se hace notoria en el cambio de sus componentes, sino en una diferente organización de los mismos. Esto se debe a que, al ser un tratamiento térmico difusional, y al ser lo suficientemente lento el tiempo de enfriamiento y al saber que la austenita tiene una composición homogénea, la ferrita nuclea a partir de la austenita, precediendo la formación de perlita, que nuclea a partir de las fases de ferrita que se crean en el límite de grano. El enfriamiento en el tratamiento térmico, no fue lo suficientemente rápido para generar la aparición de martensita en las microestructuras, debido a que esta fase es característica de tratamientos térmicos con enfriamientos a altas velocidades, en los cuales no se evidencia el proceso de difusión, contribuyendo así al no endurecimiento del material. 17

18 9 BIBLIOGRAFIA 1. TOMÉ Marincovich, Yury. Manual de procedimientos para tratamientos térmicos de la empresa industrias varias nacional (invanal). Agosto de ASM, metals Handbook volume 9 Casting, ASM, p. 3. ASM, metals Handbook Volume 9 Metallography and Microestructures. ASM International, p. 4. VALENCIA Asdrubal. Tecnología del tratamiento térmico de los Metales. Medellín. 2 ed. Universidad de Antioquia, p. 5. CALVO F.A. Metalografía práctica. Ed. Alhambra. Madrid, p MERINO Casals, Concepción. Trasformaciones en estado sólido difusionales y no difusionales. Departamento de ciencias de los materiales e ingeniería metalúrgica, Madrid, P UNLP. Estructura y Propiedades de las Aleaciones, Cap.8, Dureza y templabilidad en aceros, facultad de ingeniería, p Krielaart, G., Brakman, C., Van Der Zwaag, S. Analysis of phase transformation in Fe-C alloys using differential scanning calorimetry. Journal of Materials Science vol. 3, p