INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045 BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO

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1 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045 BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO ÁLVARO SEGURA PERDOMO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015

2 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045 BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO ÁLVARO SEGURA PERDOMO TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO TUTOR INGENIRO CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015

3 NOTA DE ACEPTACIÓN Tutor Jurado Jurado Bogotá D.C. Agostos, 2015

4 CONTENIDO Pag. OBJETIVOS 10 INTRODUCCIÓN.11 1 METODOLOGÍA PROBETAS Y TRATAMIENTO TÉRMICO PREPARACIÓN METALOGRÁFICA RESULTADOS OBTENIDOS CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y VELOCIDAD DE PROPAGACION DEL SONIDO MICRODUREZAS Y VELOCIDADES ACUSTICAS CONCLUCIONES BIBLIOGRAFÍA..21.

5 LISTA DE TABLAS Pag. Tabla 1. TEMPERATURAS CRÍTICAS Tabla 2. MEDIO DE TEMPLE Y TIEMPO DE REVENIDO Tabla 3. MICROGRAFÍAS AL 500X Y DESCRIPCIÓN DE SU MICROESTRUCTURA PARA CADA PROBETA 17 Tabla 4. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO.18

6 LISTA DE FIGURAS Pag. Fig. 1. PROBETAS SAE Fig. 2. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO ACEROS HIPOEUTECTOIDES.13 Fig. 3. DIAGRAMA TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE EN AGUA...14 Fig. 4. DIAGRAMA TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE EN ACEITE Fig. 5. MICRODUREZAS Fig. 6.VELOCIDAD DE PROPAGACIOEN DEL SONIDO Fig. 7 COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO DE ACUERDO A LAS MICRODUREZAS DADAS 19

7 GLOSARIO AUSTENITA: Es la solución sólida de carbono en Fe (FCC), cuya máxima solubilidad, 2 % C, se da a los 1130º C. Está presente en los aceros a temperaturas superiores a Ac1. Por encima de Ac3 o Acm, los aceros comunes son completamente austeníticos. Se la incluye dentro de las estructuras de temple pues a partir de ella, cuando el enfriamiento es suficiente rápido para impedir la difusión del carbono, se forma la estructura típica del temple, martensita. ESTUDIO METALOGRÁFICO: estudio que se le hace a los materiales para observar la microestructura constitutivas de un metal o aleación, relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas. FERRITA: Es una solución sólida de pequeñísimas cantidades de C en Feα. La máxima solubilidad, a los 723º C, es de 0,025% de C. Debido a que este valor es despreciable, se considera a la ferrita como Feα casi puro. También puede disolver bajas cantidades de Si, P y otras impurezas (en aceros al carbono), y Ni, Mn, Cr, Al, N, etc. (en aceros aleados). MICRODUREZA: resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. PERLITA: Es un constituyente formado por láminas intercaladas de cementita y ferrita, Fig. V.2, cuya composición química es 0,8 % C y 99,2 % Fe (12,4 % CFe3 y 87,6 % Fe). Aparece siempre que haya un enfriamiento lento, por debajo de los 720º C. Según la velocidad de enfriamiento estas láminas aparecen más o menos separadas. Dentro de su normal lentitud, a mayor velocidad de enfriamiento, menor distancia interlaminar. TRATAMIENTO TÉRMICO: conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.

8 ULTRASONIDO: es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del umbral de audición del oído humano (aproximadamente Hz). OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Establecer la influencia del cambio en la microestructura del acero SAE 1045, causado por el tratamiento térmico de temple y revenido, en la velocidad de propagación del sonido, teniendo en cuenta el medio de enfriamiento, agua o aceite, y las temperaturas del tratamiento. 4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. Establecer la secuencia de tiempos y temperaturas del temple y el revenido menores a una hora. Realizar las pruebas de ultrasonido sobre las probetas tratadas. Establecer la relación entre los cambios microestructurales y la velocidad de propagación del sonido.

9 RESUMEN En la actualidad los aceros son requeridos en diversos campos de la industria y la ingeniería como en las partes mecánicas de automotores, aeronáutica, etc. Es por esto que los aceros tienen que adquirir propiedades mecánicas distintas según su campo de aplicación y uso dentro del diseño. Estas propiedades cambian de acuerdo la microconstituyentes del acero, cambiando éstos a la vez con tratamientos térmicos 1. Por ende, este trabajo de investigación está enfocado hacía las variaciones en la microestructura de un tipo específico de acero. A un conjunto de probetas de acero SA5E 1045 se le aplicó un tratamiento térmico de temple y revenido distinto a cada una, seguido de un análisis microestructural y de una sucesión de ensayos con ultrasonido para observar cómo influye el tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido. PALABRAS CLAVE MICROESTRUCTURA, ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL, ULTRASONIDO, TRATAMIENTO TÉRMICO, MICRODUREZA. 1 DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA. CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS.

10 ABSTRACT At present steels are required in various fields of industry and mechanical engineering and automotive parts, aerospace, etc. That is why the steels have to acquire different mechanical properties as its scope and use within the design. These properties change according the microconstituents steel, while changing these treatments térmicos1. Therefore, this research is focused variations in the microstructure of a specific type of steel. A set of 1045 SA5E steel specimens was applied a heat treatment of quenching and tempering to each other, followed by microstructural analysis and testing of a succession of ultrasound to observe how heat treatment influences the propagation velocity sound. KEY WORDS MICROSTRUCTURE, MICROSTRUCTURAL ANALYSIS, ULTRASOUND, HEAT TREATMENT, MICRO HARDNESS.

11 INTRODUCCIÓN En investigaciones previas se encontraron trabajos científicos en los que se practicaron ensayos no destructivos, como los de ultrasonido a distintos aceros y que fueron asociados con las propiedades mecánicas del material tratado. Por ejemplo A. Villuendas, J. Jorba y A. Roca 1 encontraron que en aceros como C45E el módulo aumenta desde 199 GPa hasta 211 GPa, siendo el primer valor de un temple a temperatura relativamente baja y el segundo un temple más un revenido a 500 C. Ello indica una diferencia del módulo de elasticidad longitudinal del 6%. El mismo procedimiento fue aplicado a aceros C22E y C55E, obteniendo una diferencia máxima del 1 y 3% respectivamente y con unas temperaturas de temple más revenido de 450 C y 550 C en el mismo orden. Como ya se mencionó, estos valores fueron obtenidos a través de la velocidad con la que viajan las ondas ultrasónicas en el material a analizar. Los resultados del anterior trabajo de investigación fueron que en los tres aceros el módulo de YOUNG siempre fue el más bajo para el temple; por los altos contenidos de carbono en los aceros C45E y C55E, genera una mayor distorsión de la red cristalina y una mayor dureza del material en estado de temple. En la ingeniería es muy importante conocer las propiedades de un material para saber cómo se comportará a la hora de ser utilizado en un diseño. Por ejemplo, las propiedades de cierto material no cumplen con la necesidad del diseño, éstas se pueden modificar a través de un tratamiento térmico; para el caso de materiales metálicos o metálicos aleados. Estos tratamientos térmicos se realizan de acuerdo a la composición química del metal y a sus características microestructurales. El resultado del tratamiento térmico es una modificación microestructural del metal y de sus propiedades mecánicas, propiedades que se pueden determinar por medio de ensayos destructivos y no destructivos; siendo este último el tipo de ensayo que se utilizó en este trabajo. En este proyecto se realizó un tratamieto térmico; luego se preparó la superficie de cada probeta para la toma de micrografías y microdurezas. Finalmente se efectuó la prueba de ultrasonido. 1 VARIACION DEL MÓDULO DE YOUNG CON EL TRATAMIENTO TÉRMICO EN ACEROS AL CARBONO HIPOEUTECTÓIDES. DEPARTAMENT DELS MATERIALS I INGENIYRA METAL-LURGICA, UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA

12 1. METODOLOGÍA Se tomó cierto número de probetas de acero SAE 1045 para realizar un tratamiento térmico con distintas características (variando el tiempo del revenido y el medio de enfriamiento en el temple), para obtener diferentes microestructuras y propiedades mecánicas; luego definir que estructura se manifiesta en su microestructura. Acto seguido, se realiza una microdureza a cada probeta, aplicando finalmente un ensayo con ultrasonido para determinar que tanto influye el tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido en el material, además de hacer comparaciones entre la micro-dureza obtenida y la velocidad de propagación del sonido con cada muestra. 1.1 PROBETAS Y TRATAMIENTO TERMICO Como se mencionó, las probetas son de acero SAE 1045 y tienen dimensiones de 5cm x 5cm x 5cm. La robustez de estas probetas se debe a los ensayos con ultrasonido, ya que a mayor longitud de la probeta, mejor será la toma de datos del osciloscopio. En el apartado V-A se explicará más detalladamente lo que se quiere dar a conocer. Fig.1. Probetas SAE Para definir las temperaturas de temple y revenido es necesario conocer el diagrama de hierro- carbono (figura 2.), de donde se definieron las temperaturas criticas AC! Y AC3 de acuerdo a los porcentajes de los elementos químicos que contienen. 12

13 AC3 AC1 fig. 2. Diagrama hierro-carbono de aceros hipoeutectoides La línea roja representa la temperatura critica AC3, en el cual la mayor parte de la microestructura es austenita; mientras que la línea negra gruesa hace referencia a la temperatura AC1, desde el cual aparece la ferrita y la austenita en la microestructura del material. A partir de las temperaturas críticas AC1 y AC3 se hallaron las temperaturas tanto de temple como de revenido, encontrandolas en grados centígrados( C) por medio de las siguientes ecuaciones [1]: AC1= Mn Si Cr Mo Ni V Al W + 297S + 830N 11.5C Si 14.0 Mn Mo 5.28 C Ni 6.0Mn Ni Si Ni 0.8Cr Ni 27.4C V Mo V 0.84Cr Mo Ni 2 28V 2 (1) AC3= C 27.4Mn Si 6.35Cr 37.2Ni V Ti Al Nb W + 332S + 276P +485N 900B C Mn 32.3 C Si C Cr C Ni Si Cr 17.3 Si Mo 18.6Si Ni Mn Ni Mo V C Mn Si Cr Mo Ni V 2 (2) Los porcentajes de elementos químicos se sacaron de la tabla anexa a este documento que entregó la compañía que suministró las probetas 1. 13

14 De las ecuaciones (1) y (2) los resultados son: AC1 AC TABLA 1. TEMPERATURAS CRITICAS Fue conveniente asegurar que durante el temple se alcanzara la temperatura en donde hay presencia de austenita en casi toda la microestructura, es decir, mayor a 792 C. Para asegurar que el material llegue a esta fase se le aumentan 50 C a la temperatura AC3 [2]. Es decir, la temperatura a la que se realizó el temple fue 842 C. Por otro lado, el tiempo de permanencia de la probeta en el horno es de 1 hora por cada 2 mm de espesor[3]. Por lo tanto las probetas se dejaron en el horno a 842 C durante 24 horas, para después enfriar la mitad con agua y el restante con aceite. Las temperaturas a las cuales se hizo el revenido a cada probeta fueron de 500 C, pues es menor que la temperatura crítica AC1, con tiempos de 15, 30 y 45 minutos de permanencia dentro del horno y enfriadas a la intemperie. En las figuras 2 y 3 se muestran los diagramas de tratamientos térmicos para dichas probetas. Cabe resaltar que se dejaron dos probetas solo con el temple, una con agua y la otra con aceite. c 842 AC3 temple AC1 500 Agua 15 min 30 min 45 min Fig. 3. Diagrama tratamiento térmico con temple en agua 1 COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS 14

15 c 842 AC3 temple AC1 500 aceite 15 min 30 min 45 min Fig. 4. Diagrama tratamiento térmico con temple en aceite La tabla 2 muestra el número de probetas con el medio de enfriamiento y el tiempo de revenido. Probeta Med temp t(min) reve 1 Agua - 2 Agua 15 3 Agua 30 4 Agua 45 5 Aceite - 6 Aceite 15 7 Aceite 30 8 Aceite 45 Tabla 2. Medio de temple y tiempo de revenido 1.2 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA A cada probeta se le preparó una superficie a brillo espejo para atacar con nital 3% y así observar la microestructura de cada una en el microscopio digital que se encuentra en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. La preparación se basó en la norma ASTM E3-01 Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens norma general para la preparación de las probetas para pruebas metalográficas y una guía de los ataques químicos utilizados para revelar las fases y microconstituyentes de metales y aleaciones se pueden ver en la norma ASTM E Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. 15

16 2. RESULTADOS OBTENIDOS 2.1 Cambios Microestructurales y Velocidad de Propagación del Sonido Uno de los principales objetivos en este estudio es establecer que tanto influyen los tratamientos térmicos y los cambios microestructurales en la velocidad de propagación del sonido en el material tratado. En la tabla 3 se muestran las micrografías tomadas a cada probeta y la descripción de lo que se ve en dichas micrografías, las cuales fueron tomadas después del tratamiento térmico. PROBETA MICROGRAFÍA DESCRIPCIÓN 1 2 Micrografía típica de un acero templado con agua. Se observa sectores con concentraciones de perlita y otros con martensita, por lo que resulta ser un material duro. Muy semejante a la micrografía de la probeta 1, pero se observa un aumento en el contenido de cementita a causa del revenido realizado. 3 4 En toda la muestra se observa ferrita, cementita y, en algunos sectores, martensita. Aquí se ve reflejado el cambio en la microestructura a medida que el tiempo de revenido aumenta. No es una micrografía muy distinta a la anterior. Se aprecian áreas con perlita y otras con cementita. 16

17 5 6 Microestructura típica de un acero templado en aceite con sectores en donde hay presencia de martensita, pero abunda la perlita debido al enfriamiento lento que se da en el aceite. Se ve en los bordes de grano ferrita y un alza en la presencia de martensita en su microestructura a causa del revenido. 7 8 Se observa el cambio en su microestructura gracias al aumento del tiempo en el revenido. Presencia de ferrita y martensita y, en algunos espacios, cementita Disminución de cementita en su microestrucutra, pero se mantiene la presencia de ferrita y martensita. Tabla 3. Micrografías al 500x y descripción de su microestructura para cada probeta. Las pruebas de ultrasonido se practicaron con la máquina USM 35X que se encuentra en uno de los laboratorios de la UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Como la diferencia acústica entre el aire y el acero es tan alta (la del aire es de x10 6 g/cm 2 s, mientras que la del acero es de alrededor de 5x10 6 g/cm 2 s) [4], se utilizó un medio acoplante para disminuir fluctuaciones por el cambio de medio de propagación de las ondas sónicas. Para evitar los efectos de la zona Freznel (que es una zona de fluctuación de intensidad producidas por la interacción entre los bordes de cristal y la superficie de la 17

18 MICRODUREZA HV pieza) durante el ensayo de ultrasonido se hicieron las probetas de tal modo que las ondas viajaran una gran longitud (5cm en comparación de la longitud de onda que es de 2.4 x 10-5 cm aprox) y así reducir el impacto de este fenómeno en la toma de datos[5]. PROBETA VEL. (m/s) Tabla 4. Velocidad de propagación del sonido. En la tabla 4 se muestra que la velocidad acústica si difiere para cada probeta, es decir, que el tratamiento térmico si tiene un impacto sobre la velocidad de propagación del sonido en el material. 2.2 Microdurezas y velocidades acústicas De acuerdo a la norma ASTM E29-82 [6], se le hicieron 5 ensayos de microdureza Vickers a cada probeta (y se promedian los cinco datos en uno solo) con una fuerza de 1961 N y con una duración de 30 segundos para cada identación. En la siguientes figuras se observa el comportamiento de la microdureza y la velocidad de propagación del sonido para cada una de las muestras, respectivamente PROBETA Fig. 5. Microdurezas 18

19 VEL SONIDO (m/s) PROBETA Fig. 6. Velocidad de propagación del sonido. Fig. 7. Comportamiento de la velocidad de propagación del sonido de acuerdo a las microdurezas dadas. De la figura 5 se puede observar que la microdureza de la probeta 1 es mayor que la del resto debido a que su temple se produjo con agua. A demás también obtuvo la mayor velocidad de propagación del sonido (fig. 6). Por otro lado, de la figura 7 se difiere que las probetas que fueron enfriadas con aceite tienen menor capacidad para transportar las ondas de sonido. 19

20 3. CONCLUSIONES El efecto del tratamiento térmico en el material como se muestra en la fig.3 genera una organización diferente en la microestructura del material, notando la diferencia entre las probetas enfriadas en agua y las probetas enfriadas en aceite. Las temperaturas encontradas por medio de las ecuaciones (1) y (2) son bastante coherentes, teniendo como referencia el diagrama hierro carbono para aceros hipoeutectoides (fig. 2). En las micrografías tomadas de las probetas templadas con agua se observa que a medida que va aumentando el tiempo de revenido, las concentraciones de cementita van decreciendo y, por lo tanto, la microdureza en el material. Para las probetas que fueron enfriadas con aceite además de disminuir las microdurezas, también lo hicieron las concentraciones de perlita conforme el tiempo de revenido aumentó. Para las muestras que fueron templadas en agua, a medida que disminuyeron las microdurezas también disminuyó la velocidad de propagación del sonido, destacando que entre menos estén compactas las moléculas del material, menos capacidad de transportar las ondas de sonido tendrá. El cambio en la microestructura es la razón más relevante que influye en la velocidad de propagación del sonido, ya que entre mayor sea la presencia de microconstituyentes de alta dureza y densidad, mayor será la velocidad de propagación de las ondas de sonido. 20

21 4. BIBLIOGRAFÍA Journal of achievements in materials and manufacturing engineering: Critical points of hypoeutectoid steel prediction of the pearlite dissolution finish temperature Ac1f vol. 49, dic H.E. Boyer, Chapter 1, Practical Heat Treating, 1st ed., American Society for Metals, feb. de Curso de Ultrasonido Básico, Universidad Central de Venezuela, feb feb ASTM E 92-82: Vickers and Knoop Hardness Tests Using a Diamond Indenter on the Universal Materials Tester mod. Monje, Carlos Arturo, Como presentar la monografía de grado o el informe de investigación. Aceros, estructuras y tratamientos térmicos. M.I. Felipe del Castillo Rodriguez. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedades mecánicas del acero sae Carlos A. Bohórquez.Universidad Distrital Francisco José de Caldas sede tecnológica, Bogotá, Colombia. cabohorqueza@udistrital.edu.co. NORMA ASTM E3-01 Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens NORMA ASTM E Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. 21