UNIDAD 7 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

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1 UNIDAD 7 Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 7.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - La composición de la martensita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La temperatura de austenización. c) El medio de enfriamiento. d) La posición relativa de y M f. 2 - Por qué se evita el revenido de aceros entre y 4º C?: a) Por la bajada de dureza. b) Por la bajada de ductilidad. c) Por la bajada de tenacidad. d) Por la bajada de alargamiento. 3 - La obtención de estructuras 1% martensíticas en un acero requiere que: a) se encuentre por encima de la temperatura ambiente. b) La velocidad de enfriamiento sea superior a la velocidad crítica. c) El acero sea aleado. d) a y b. 4 - La transformación martensítica tiene lugar en los materiales que presentan: a) Transformación eutéctica b) Transformación eutectoide c) Transformación alotrópica d) Sólo ocurre en los aceros 5 - El normalizado consiste en enfriar: a) Lentamente en el interior del horno b) Al aire ambiente c) Bruscamente en aceite d) Bruscamente en agua 6 - Los elementos de aleación en general: a) Mejoran la templabilidad b) Mueven a la derecha la curva de las S c) Hacen descender la curva d) Todas son correctas 121

2 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7 - Los elementos de aleación en los aceros se adicionan para: a) Elevar la temperatura de la transformación martensítica. b) Aumentar la dureza por solución sólida. c) Mejorar la templabilidad. d) Posibilitar la eliminación del revenido. 8 - El campo de aplicación de la transformación martensítica es el de: a) Metales o aleaciones enfriadas bruscamente. b) Aleaciones hierro-carbono. c) Metales o aleaciones con cambios alotrópicos. d) Aleaciones insolubles en estado sólido. 9 - La dureza de la martensita del acero es debida a: a) El contenido en carbono. b) El contenido en elementos de aleación. c) El contenido en azufre. d) La temperatura de austenización. 1 - Al incrementar el contenido en elementos de aleación en los aceros: a) Se reduce la temperatura eutectoide. b) Disminuyen y M f. c) Aumenta el contenido en carbono del eutectoide. d) Aumenta la velocidad crítica de temple La misión fundamental de los revenidos a alta temperatura, es: a) Ganar tenacidad b) Rebajar las características estáticas c) Hacer el material apto para aplicaciones dinámicas d) Todas son correctas 12 - Cuáles de los siguientes procesos no requiere la difusión?: a) Envejecimiento b) Transformación martensítica c) Recocido de homogeneización d) Revenido 13 - Las exigencias de precipitación de dos fases en la transformación bainítica favorece: a) La forma laminar alternada. b) La forma globular diseminada. c) La formación de granos alternados de las dos fases. d) Es invariante El tamaño crítico del núcleo de perlita disminuye con: a) Las tensiones térmicas del enfriamiento. b) El grado de subenfriamiento bajo la temperatura del eutectoide. c) La existencia de núcleos extraños. d) La mayor existencia de bordes de grano La dilatometría puede ser usada para determinar los puntos de transformación perlítica y bainítica pues cuantifica fundamentalmente entre los componentes y productos: a) Sus diferentes coeficientes de dilatación. b) Los diferentes calores específicos. 122

3 c) Los coeficientes de conductividad térmica. d) Los diferentes volúmenes específicos. Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 16 - La diferencia más importante entre las bainitas superior e inferior está en: a) Las temperaturas del tratamiento isotérmico. b) La forma de la fase α proeutectoide. c) La forma de agujas o nódulos de su microestructura. d) El color de la estructura en el microscopio óptico Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) La velocidad de enfriamiento. c) El contenido en carbono. d) El tamaño de grano de la austenita Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) Los elementos de aleación. c) La acritud previa. d) Los solutos intersticiales El elemento de aleación que más influye en la posición hacia la derecha de las curvas de las S de transformación isotérmica es: a) Manganeso. b) Silicio. c) Níquel. d) Cromo. 2 - Las características resistentes de la estructura martensítica se multiplican, sobre las de la austenita original, por un factor del orden de: a) 1.5 a 2. b) 2 a 4. c) 4 a 1. d) Más de Las microestructuras de listón o placa de la martensita tienen similitud en: a) Tamaño. b) Apariencia. c) Coloración. d) Plaquetas finísimas deslizadas o macladas El plano habitual de la martensita está definido por: a) El plano de más fácil deslizamiento en la austenita. b) El plano común de coherencia entre la austenita y martensita. c) El plano incoherente de formación de la martensita. d) El plano interfase entre la austenita y martensita Las distorsiones de Bain indican: a) Las tensiones de compresión y cortante que se observan en la formación de las placas de martensita. b) Las deformaciones térmicas que aparecen asociadas al proceso de enfriamiento en el 123

4 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales temple. c) Las variaciones atómicas obligadas por el cambio de red cristalina en la transformación alotrópica. d) Las posiciones de los átomos durante la transformación martensítica La velocidad crítica de temple que se requiere para alcanzar las transformaciones sin difusión del soluto debe ser: a) Enfriamiento alto; por ejemplo, agua agitada. b) Enfriamiento continuo alto, suficiente para no cortar a la nariz perlítica de las curvas de las S. c) Enfriamiento en fluido aceite o agua. d) Enfriamiento menor que el necesario para no formar estructuras perlíticas La velocidad crítica de temple depende de: a) Temperatura de austenización. b) Elementos de aleación. c) Contenido en carbono. d) Del fluido de enfriamiento Una transformación martensítica se denomina atérmica porque: a) No depende de la temperatura. b) No es isotérmica. c) Es invariante con la energía interna. d) Depende de la variación de temperatura La cantidad de transformado martensítico a una temperatura intermedia entre y M f de transformación aumenta con: a) El aumento del diámetro del grano. b) De los elementos de aleación. c) El aumento del contenido en carbono. d) Es invariante Si se detiene la transformación martensítica a una temperatura intermedia M i, < M i < M f, resulta: a) Estructura martensítica con austenita que evolucionará a bainitas. b) Estructura martensítica en matriz austenítica. c) Estructuras martensíticas placadas con estructuras austeníticas. d) Estructuras martensíticas con perlitas transformadas El grado de endurecimiento de la transformación martensítica depende directamente del contenido de: a). b) Austenita. c) Perlita. d) Elementos de aleación. 3 - El endurecimiento del acero por transformación martensítica aumenta: a) La estricción. b) El grado de endurecimiento I = Le/σ r. 124

5 c) La resiliencia. d) El alargamiento de rotura. Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 31 - Las aleaciones con transformación martensítica reversible se fundamentan en que ésta sucede por formación de: a) Deslizamientos. b) Maclas y deslizamientos. c) Maclas. d) Es invariante Las aleaciones con memoria de forma controlan la temperatura de variación de forma por: a) Las temperaturas en las que se educan. b) La composición de la aleación. c) Las deformaciones que se aplican en la educación. d) El soluto sobresaturado Las temperaturas de revenido deben cumplir las condiciones siguientes: a) Superiores a e inferiores a A 1. b) Superiores a temperatura ambiente e inferiores a A 1. c) Superiores a M f e inferiores a A 3. d) Inferiores a y superiores a M f Los tiempos de revenido deben seleccionarse atendiendo a: a) Hasta alcanzar la dureza deseada. b) El mínimo que alcance el entorno de la resistencia adecuada a la temperatura. c) Según el alargamiento requerido. d) Del orden de una hora El revenido es conveniente aplicarlo a los aceros templados porque: a) Mejora la resistencia a la corrosión. b) Disminuye sus características resistentes. c) Aumenta sus parámetros de ductilidad y su tenacidad. d) Aumenta la dureza La selección de las temperaturas del revenido debe realizarse atendiendo a: a) Las zonas que mejoran la ductilidad y tenacidad. b) Las zonas que obtienen mayor resistencia estática. c) Las zonas que evitan la fragilización. d) Según aplicaciones Asigna cual es la causa de la fragilidad del revenido entre los procesos genéricos característicos que disminuyen la tenacidad de los materiales metálicos: a) Disminución de la ductilidad consecuencia del endurecimiento. b) Precipitación de fases frágiles en bordes de placas de martensita. c) Precipitación de fases frágiles en alineaciones de monocristales, dislocaciones en planos de deslizamiento. d) Endurecimiento propio de la estructura La influencia de los elementos de aleación, Cr, Mo, V, en los aceros de herramientas revenidos a C, se puede hipotetizar en la forma: a) A - Mantienen la dureza en compromiso con una mejora de la resiliencia. b) B - Mejoran la dureza y mantienen la resiliencia. 125

6 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 126 c) C - Mejoran dureza y resiliencia. d) Mejoran la dureza a costa de perder resiliencia La gama de temperaturas en la que se localiza la fragilidad del revenido puede controlarse con: a) Los tiempos del revenido. b) El contenido de elementos de aleación en general. c) El contenido en silicio. d) Las tensiones originadas durante el temple Los diversos procesos de regeneración en el acero, recocidos de austenización, contra acritud o revenidos muestran como característica común: a) La cualidad de la microestructura en base de ferrita y perlitas. b) La cualidad y la forma de los constituyentes de la microestructura. c) Los niveles de temperatura aplicados. d) El estado original de la aleación Los diversos procesos de regeneración en el acero muestran las diferencias entre ellos como consecuencia de: a) La aleación base. b) El estado original de la aleación. c) El tamaño de los componentes microestructurales. d) Los diferentes enfriamientos en el proceso. 7.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN 1. Transformación martensítica. Justificación. 2. Sobre un diagrama T.T.T. para un acero eutectoide indicar los constituyentes presentes en cada zona. 3. De qué parámetros depende la dureza de un acero con estructura martensítica?. 4. Por qué es necesario aplicar un revenido tras los tratamientos de temple con transformación martensítica? 5. Define el concepto de velocidad crítica de temple. De qué parámetro depende?. 6. Dibuja la estructura de un acero con,4 % de C en estado: a) Normalizado. b) Recocido. c) Revenido a alta temperatura. d) Templado. 7. Bajo qué condiciones: material, temperatura de austenización, etc., podemos encontrarnos que, tras el temple, no se alcanza la dureza correspondiente al 1% de martensita, observándose mezclas de M A. 8. En un proceso industrial de temple, en aceros con.4% C, comienza a detectarse una menor dureza que en las piezas correspondientes a ese mismo acero con el tratamiento correcto. Se realizó un estudio de las piezas defectuosas y se determinó: a) Que la composición del acero es la correcta. b) Que la microestructura tras el temple presenta una mezcla de martensita con un 1-2% de ferrita. Señale y justifique cuál es la causa del fallo?

7 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 1. Cómo pueden obtenerse estructuras 1% martensíticas enfriando al aire una pieza de acero? Justifique la respuesta. 11. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformación bainítica hipereutectoide y la hipoeutectoide. 12. Justifica los efectos contrarios sobre la posición de las curvas de las S de los elementos formadores de carburos en los aceros. 13. Indica, por bibliografía, los elementos que muestran efectos deformadores de las curvas de las S en los aceros. 14. Razona sobre las correlaciones que permiten admitir el diagrama TTT de transformaciones isotérmicas como apto para definir la velocidad crítica de temple. 15. Describe la evolución de transformado martensítico que podemos esperar si no existiera cambio en volumen entre las estructuras austeníticas y martensíticas. 16. Compara el proceso de transformación martensítica con otros procesos de transformación fundamentados en la nucleación y crecimiento, anotando los factores similares de aquellos otros diferenciados. 17. Analiza la aplicabilidad de la transformación martensítica si la velocidad de enfriamiento es superior a la definida como velocidad crítica de temple. 18. Justifica los procesos que permitirían eliminar la austenita retenida en las estructuras de aceros aleados. 19. Clasifica las aleaciones y aplicaciones más generales de las transformaciones con memoria de forma. 2. A partir del reconocimiento de las curvas de características estáticas y de resiliencia en el revenido de un acero delimita los campos de aplicación y características de cada uno de ellos. 21. Con el diagrama G v = f (T) obtenido en el Calorímetro Diferencial de Barrido, justificar por comparación con los obtenidos para los procesos de recristalización y precipitación de segundas fases. 22. Establece el modelo que relata la influencia de cada uno de los principales elementos en la resiliencia de un acero revenido. 23. Analiza las características que pueden esperarse en un acero de alto contenido de aleación que después del temple se le aplica el revenido para transformar la austenita retenida por largos periodos de tiempo. 127

8 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales 7.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS Problema 7.1. La figura siguiente representa la curva de las S correspondiente a un acero aleado F-124, austenizado a 85 C. En un enfriamiento continuo, la disminución de temperatura con el tiempo puede aproximarse mediante una ley de tipo: θ θ θ t = -k( - ) dónde θ es la temperatura del medio al que se cede calor, en este caso, la temperatura del líquido de temple: 2 C. Se pide determinar: a) la constante k del enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple, para dicho acero. b) Si se pretendiese obtener estructuras bainíticas, determine las temperaturas del baño a utilizar y el tiempo necesario para obtener 1% bainita. Problema 7.2. A partir de la curva de las S del acero aleado F-126, determine hasta que distancia del extremo templado en la probeta Jominy se obtendrán estructuras 1% Martensíticas DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 85 C A C3 (.4 /min) A C1 (.4 /min) 59 Austenita y carburos Principio de transformación 5% 9% 1,E 1,E1 1,E2 1,E3 1,E4 1,E5 1,E6 Perlita Fin de transformación Dureza Rc Notas: DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 85 C A C3 (.4 /min) A C1 (.4 /min) Aparición de la ferrita 1,E 1,E1 1,E2 1,E3 1,E4 1,E5 1,E6 El acero ha sido austenizado a 85 C. El agua empleada en el ensayo Jominy tiene una temperatura de 2 C. El enfriamiento sigue una ley de tipo: θ θ θ t = -k( - ) Aparición de la perlita Austenita y Fin de transformación carburos Principio de transformación Fin de transformación Dureza Rc El diagrama Jominy muestra siempre una correlación entre distancias al extremo templado y velocidades de enfriamiento en la probeta. La equivalencia aparece directamente en el eje de abcisas. El inferior muestra las distancias al extremo templado. El superior muestra las velocidades de enfriamiento dq/dt, medidas a 74 C. 128

9 Problema 7.3. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero eutectoide, de la figura, describe el tratamiento isotérmico completo y la microestructura después de cada paso requerido para obtener una dureza de 32 Rc. Problema 7.4. Una excelente combinación de dureza, resistencia y tenacidad en los aceros la proporciona la estructura bainítica. Uno de los tratamientos es austenizar a 75 C un acero eutectoide, como el representado en la figura anterior, enfriándolo rápidamente hasta una temperatura de 25 C durante 15 minutos, y finalmente enfriar hasta Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica temperatura ambiente. Es posible con este tratamiento descrito obtener la estructura bainítica requerida? Problema 7.5. Utilizando el diagrama de transformación isotérmica del acero de composición eutectoide, cuyas curvas han sido representadas anteriormente, especificar la naturaleza de la microestructura que se obtendrá ( en térmicos de microconstituyentes presentes y porcentajes aproximados) de una pequeña probeta que se ha sometido a los siguientes tratamientos. Suponer siempre, que la probeta se ha calentado a C durante el tiempo suficiente para alcanzar una estructura austenítica. a) Enfriamiento rápido hasta 35 C, donde se mantiene durante 1 4 s, templando a continuación a temperatura ambiente. b) Enfriamiento rápido hasta 25 C, donde se mantiene durante 1 s, templando a continuación a temperatura ambiente. c) Enfriamiento rápido hasta 65 C, donde se mantiene durante 2 s, enfriamiento rápido a 4 C manteniendo de nuevo 1 s y templando a continuación a temperatura ambiente γ A 1 M f P s Austenita Pγ Bγ M γ, Dureza Rockwell C Problema 7.6. En un diagrama de transformación isotérmica del acero eutectoide, figura anterior, esquematizar y nombrar las etapas de temperatura tiempo que producen las siguiente microestructuras: a) 1% perlita gruesa. b) 5% martensita y 5 % bainita c) 5% perlita gruesa, 25% bainita y 25% martensita. Problema 7.7 Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un A 1 A 3 M f F s γ bainita γ α perlita γ martensita Ps α α perlita γ α, Dureza Rockwell C 129

10 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales,5% C, representado en la figura, Describir el tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente después de cada fases del tratamiento para obtener una dureza en el acero de 23 Rc. Problema 7.8. Un acero al carbono, con un.5% de C, es calentado es calentado a C durante 1 hora, enfriado rápidamente a C manteniéndolo a esta temperatura durante 5 s, enfriado de nuevo a 4 C durante 2 s, y finalmente enfriado a temperatura ambiente. Cual es la microestructura final del acero tras el tratamiento? Problema 7.9. Utilizando el diagrama TTT de la figura, correspondiente a un acero hipereutectoide con un 1.13% C, determinar la microestructura final, describiendo los microconstituyentes presentes, de una pequeña probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos. En todos los casos suponer que la probeta se ha calentado a 92 C durante el tiempo suficiente para conseguir la estructura austenítica completa y homogénea de partida. a) Enfriar rápidamente a 25 C, mantener durante 16 minutos y templar a temperatura ambiente. b) Enfriar rápidamente a 65 C, mantener a esta temperatura durante 3 s, enfriar rápidamente a 4 C, mantener a esta temperatura durante 25 s y templar a temperatura ambiente. c) Enfriar rápidamente a 35 C, mantener durante 5 minutos y templar a temperatura ambiente. d) Enfriar rápidamente a 675 C, mantener durante 7 segundos y templar a temperatura ambiente. e) Enfriar rápidamente a 775 C, mantener durante 8 minutos y templar a temperatura ambiente. Problema 7.1. Un acero al carbono F112, con un.18-,23% de C, se enfría a una velocidad de 8 C/s cuando se templa en aceite, y a 5 C/s cuando se templa en agua. Cual es la microestructura producida por cada uno de estos tratamientos descritos?. Considerar el diagrama de enfriamiento Austenita A M (inicio) M (5%) M (9%) A P A B A C Perlita 5% C/s 2 C/s ferrita ferrita bainita martensita martensita 1 C/s F s P s 2 C/s ferrita perlita bainita martensita ferrita perlita ferrita perlita bainita 13

11 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica continuo de la figura. Problema En la transformación isotérmica de un acero al carbono para herramientas, austenizado 5 minutos a 9 C, se han obtenido los siguientes valores: T ( C) Transf. Inicio 4,2 min 1 s 1 s 4 s 1 min 15 min - - Transf. Final 22 min 1 s 1 s 2 min 3 min 15 h - - Dureza HRC Construya la gráfica T.T.T. o curva de las S, e indique los constituyentes en cada una de las diferentes zonas. NOTA: Considerar el valor de de 185 C y el valor de M f de 35 C Problema Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un,5% C, representado en la figura del problema 7.7, describir: a) la microestructura final, indicando los constituyentes de una probeta sometida a una austenización a C seguida de un enfriamiento brusco hasta 4 C, donde se mantiene durante 2 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente. b) El tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente, después de cada fase del proceso térmico, para obtener una dureza en el acero de 3 Rc. Problema Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono eutectoide, con un,8% C, representado en la figura del problema 7.3, describir: a) La microestructura al someter al acero al siguiente tratamiento térmico: (i) temple instantáneo desde la región γ hasta C, (ii) mantenimiento a esta temperatura durante 4 s, y (iii) temple instantáneo hasta 25 C. b) Qué ocurriría si se mantiene la microestructura resultante durante un día a 25 C y posteriormente se enfría hasta temperatura ambiente? c) Qué ocurriría si la microestructura resultante de la parte a) se templa directamente hasta la temperatura ambiente? a) Estimar la velocidad de enfriamiento necesaria para evitar la formación de perlita en este acero. Problema El diagrama de transformación isotérmica de un acero aleado con un 2% de Ni,,7% de Cr y,25% de Mo es el representado en la figura siguiente, describir la microestructura final, indicando los constituyentes, de una probeta sometida a los siguientes tratamientos térmicos: a) Una austenización a 75 C seguida de un enfriamiento brusco hasta 3 C, donde se mantiene durante 2 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperatura ambiente. b) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 35 C, manteniendo 3 horas, para 131

12 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales enfriar de nuevo rápidamente hasta temperatura ambiente. c) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 55 C, manteniendo 2 horas y 45 minutos, posteriormente enfriar de nuevo rápidamente hasta 4 C manteniendo durante s y finalmente enfriar hasta temperatura ambiente. d) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 65 C, manteniendo 17 minutos, para enfriar de nuevo rápidamente hasta 4 C manteniendo 17 minutos más a esa temperatura enfriando finalmente hasta temperatura ambiente. Problema El diagrama TTT, de un acero con un,37% de carbono, es el representado en la figura siguiente. Describir la microestructura final, indicando los constituyentes de la misma, tras ser sometido a los siguientes tratamientos térmicos: a) Tras la austenización a 82 C, se enfría rápidamente en baño de sales a 65 C, manteniéndose a esa temperatura durante 1 segundos, enfriando de nuevo bruscamente hasta temperatura ambiente. b) Después de la austenización, se enfría rápidamente en horno de sales hasta los 4 C, donde se mantiene durante 1 segundos, para enfriar posteriormente de forma brusca hasta temperatura ambiente A Temperatura eutectoide A M (inicio) M (5%) M (9%) A B 5% M A F M A A F P F P % Austenita 9% B Ferrita Perlita.37% C,72% Mn 1,5% Cr,22% Mo, SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION: 1 - a, 2 - c, 3 - d, 4 - c, 5 - b, 6 - d, 7 - c, 8 - c, 9 - a, 1 - d, 11 - d, 12 b, 13 a, 14 b, 15 d, 16 c, 17 d, 18 b, 19 a, 2 c, 21 d, 22 b, 23 a, 24 b, 25 b, 26 d, 27 d, 28 b, 29 a, 3 b, 31 c, 32 b, 33 b, 34 d, 35 - c, 36 d, 37 b, 38 b, 39 - c, 4 a, 41 b. 132

13 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 7.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS Solución al problema 7.1 a) La velocidad crítica de temple es aquella cuya curva de enfriamiento es tangente a la nariz. Es decir, la velocidad más lenta que permite obtener estructuras 1% martensíticas. Para este acero, la nariz viene definida por los puntos: Temperatura: 45 C, tiempo de enfriamiento: 19 segundos. A partir de la ecuación anterior: θ θ θ t = -k( - ) puede determinarse el tiempo necesario para alcanzar una temperatura dada. Se tendrá: θ θ θ -θ θ a t = -k t DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA Temperatura de austenización 85 C A C3 (.4 /min) A C1 (.4 /min) Aparición de la ferrita 1,E 1,E1 1,E2 1,E3 1,E4 1,E5 1,E6 Aparición de la perlita Austenita y Fin de transformación carburos Principio de transformación Fin de transformación Dureza Rc de donde, θ-θ ln( θ -θ a Sustituyendo los valores conocidos: θ a = 85 C temperatura de austenización θ = 2 C temperatura del medio refrigerante θ = 45 C, t = 19 seg y despejando k se obtiene: de dónde k =,346 ln( )= -kt 45-2 )= -19.k 85-2 b) La transformación a bainita requiere la utilización de un tratamiento isotérmico adecuado, tal como se muestra esquemáticamente en la figura siguiente. En este caso, como ocurre con muchos aceros aleados, se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior, denominada nariz perlítica, y otra a menores temperaturas, denominada nariz bainítica. Atravesando isotérmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainíticas. 133

14 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Así pues, el rango de temperaturas del baño isotérmico debe encontrarse entre: Temperaturas del baño : desde a 43 C. La pieza deberá permanecer en el baño hasta que se completen las transformaciones a bainita. Para una temperatura de 4 C, el tiempo de tratamiento: minutos, obteniéndose bainita de dureza 32HRC. Solución al problema 7.2 Calculemos en primer lugar hasta que distancia en la probeta Jominy se obtiene 1% martensita. Para ello, se determina la constante de enfriamiento correspondiente a la velocidad crítica de temple, definida por el enfriamiento que es tangente a la nariz bainítica: Deben alcanzarse 4 C en menos de 11 segundos. De la ecuación: θ-θ ln( θ -θ a )= -kt Sustituyendo los valores conocidos: θ a = 85 C temperatura de austenización θ = 2 C temperatura del agua de enfriamiento θ = 4 C, t = 11 seg Podemos despejar k: de dónde k =,71 ln( 4-2 )= -11.k 85-2 Una vez conocido el valor de k, podemos calcular la velocidad de enfriamiento a cualquier temperatura. Necesitamos conocer la velocidad a 74 C. Así, se tendrá, de la ecuación general de enfriamiento: θ θ θ t = k( - ) Ve 74 C = (dθ/dt) θ=74 C =,71 (74-2) = 4,85 C/seg Dicha velocidad de enfriamiento corresponde en el gráfico Jominy a una distancia de 28 mm (o 18/16 pulgadas). Así pues, en el gráfico Jominy existe martensita, con una dureza de unos 59 HRC, desde el extremo templado hasta los 28 mm. A partir de ese punto, aparecen estructuras de, ya que durante el enfriamiento se entra dentro de la nariz. El gráfico Jominy se muestra a continuación: 134

15 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica Dureza Rockwell, HRc ENSAYO JOMINY Velocidad de enfriamiento a 74 C, en C por segundo Distancia al extremo de la probeta templada, mm Carga de rotura, MPa Solución al problema 7.3 En la figura podemos observar la dureza Rockwell C como una función de la temperatura de transformación. La dureza de 32 Rc se obtiene con estructuras transformadas a 65 C, donde P s, inicio de transformación perlítica, es de 4 s y, final de la transformación perlítica, sucede a los 4 s. El tratamiento térmico y las microestructuras serán, por tanto, como siguen: 1. Austenización alrededor de 725 C y mantenimiento durante 1 hora. El acero contiene en esta fase 1% de austenita. 2. Enfriamiento rápido a 65 C manteniendo al menos 4 segundos. Después de 4 segundos se inicia la nucleación de la perlita a partir de la austenita inestable. Los granos perlíticos van creciendo hasta los 5 segundos, siendo la estructura final 1% perlita. La perlita será de tamaño medio, al encontrarse entre las temperaturas de transformación a perlitas gruesas y finas. 3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como perlita γ A 1 M f P s Austenita Pγ Bγ M γ, Perlita Dureza Rockwell C 135

16 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 7.4 Utilizando el diagrama TTT del acero, examinamos el tratamiento térmico descrito. Tras el calentamiento a 75 C, la microestructura es 1% austenita. Después del enfriamiento rápido a 25 C, permanece la estructura austenita inestable hasta iniciar la transformación a bainita inferior a los 15 s. Después de 15 minutos, o 9 s, se ha formado cerca del 5% de bainita, permaneciendo todavía un 5% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. La estructura final obtenida será, por tanto, de un 5% de bainita y un 5% de martensita, y por ello el tratamiento descrito no es adecuado al formar una estructura muy frágil, la martensítica. Para obtener una transformación total a bainita debería permanecer el acero, a los 25 C, al menos durante 1 4 s, o alrededor de 3 horas. Solución al problema 7.5 Las gráficas tiempo - temperatura se estos tratamientos están trazados en la figura adjunta. En todos los casos consideramos un enfriamiento rápido para prevenir cualquier transformación. a) A 35 C la austenita se transforma isotérmicamente en bainita; esta reacción empieza a los 1 s y termina a los s. Por lo tanto, a los 1 4 s el 1% de la probeta es bainita y no ocurre posterior transformación, aunque posteriormente la gráfica de enfriamiento pase por la zona de transformación martensítica. b) La transformación bainítica, a 25 C,, empieza después de 15 s, por este motivo después de 1 s la probeta mantiene el 1% de austenita. Al enfriar esta probeta a los 215 C la austenita empieza a transformarse instantáneamente en martensita. Al llegar a la temperatura ambiente casi el 1% de la microestructura es martensita. c) En la transformación isotérmica a 65 C, la perlita empieza a formarse a los 7 s y después de 2 s aproximadamente el 5% de la probeta se ha transformado en perlita. El enfriamiento rápido hasta 4 C está indicado por la línea vertical y durante este enfriamiento prácticamente no hay γ A 1 M f P s Austenita Pγ Bγ M γ, A 1 γ M f P s Austenita Pγ Bγ M γ Perlita Perlita (b) (c) (a) 1% martensita 5% perlita 1% bainita 5% bainita Dureza Rockwell C Dureza Rockwell C 136

17 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica transformación de la austenita, aunque se crucen las zonas de transformación perlítica y bainítica. A 4 C empezamos a contar a partir del tiempo. Después de 1 s a esta temperatura el 1% de la austenita que quedaba se transforma en bainita. Al templar a temperatura ambiente no ocurre ningún cambio microestructural. Por este motivo la microestructura final a temperatura ambiente consiste en 5% de perlita y 5% de bainita. Solución al problema 7.6 En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 75 C, donde la microestructura será 1% austenita. a) Para obtener 1% de perlita gruesa se deberá enfriar rápidamente a temperaturas entre los 65 C y los 71 C. Tras mantener un tiempo superior a los s, se enfriará a temperatura ambiente. b) Tras la austenización, se realiza un enfriamiento rápido a temperaturas entre los 4 C y los 25 C que corresponden a temperaturas de transformaciones bainíticas, el tiempo correspondiente para obtener el 5% de transformación a bainitas. Si tomamos una temperatura de 25 C la transformación a bainita iniciará a los 15 s. Después de 15 minutos, o 9 s, se ha formado cerca del 5% de bainita, permaneciendo todavía un 5% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable la que se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. Con ello, la estructura final obtenida será, de un 5% de bainita y un 5% de martensita. c) Tras la austenización, deberá realizarse un enfriamiento rápido a temperaturas entre los 65 C y los 71 C que corresponden a temperaturas de transformaciones a perlitas gruesas, según el apartado a. Allí permanecerá hasta completar el 5% de transformación. Por ejemplo, para 65 C alrededor de 5 s. Después enfriaremos rápidamente hasta temperaturas entre los 4 C y los 25 C, según el apartado anterior, para obtener la transformación bainítica. El tiempo correspondiente, a una temperatura de 25 C, para obtener el 75% de transformación, de los cuales sólo el 25% será a bainitas, es de unos s. Finalmente se enfriará rápidamente hasta temperatura ambiente con lo que el resto de la austenita inestable se transformará a martensita. Con ello, la estructura final obtenida será, de un 5% de perlita gruesa, un 25% de bainita y un 25% de martensita A 1 A 1 γ M f P s Austenita Pγ Bγ M γ, A 3 M f F s γ bainita (c) (a) (b) γ α perlita γ martensita Ps α α perlita Perlita γ α, Dureza Rockwell C Dureza Rockwell C 137

18 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales Solución al problema 7.7 De la figura obtenemos una temperatura de austenización representada por la línea A 3 de al menos 76 C. La dureza deseada de 23 Rc, se obtiene mediante transformación del acero a 59 C, donde a 1 s se inicia la transformación a ferrita, F s, a los 1.15 s se inicia la transformación a perlita, P s, y a los 5.5 s finaliza la transformación a perlita,. Los tratamientos y microestructuras obtenidas serán las siguientes: 1. Austenización a 76 (3 a 55) = 79 C a 815 C y mantenimiento durante 1 hora. El acero contiene en esta fase 1% de austenita. 2. Enfriamiento rápido a 59 C manteniendo al menos 5 segundos. Empieza formándose ferrita primaria precipitada de la austenita inestable después de 1 s. Más tarde, a los 1.15 s, inicia la transformación de perlita y la austenita se transforma completamente después de los 5.5 segundos. 3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como ferrita primaria y perlita. Solución al problema Después de 1 hora de austenización a C tendremos un 1% de austenita. 2. Tras un enfriamiento rápido a C se inicia la transformación a ferrita a los 2 s y a los 5 s el acero contiene solamente ferrita y austenita inestable. 3. Inmediatamente después de enfriar a 4 C, el acero sigue conteniendo solamente ferrita y austenita inestable. La bainita inicia su transformación transcurridos 3 s y después de 2 s, el acero contiene ferrita, bainita y restos de austenita inestable. 4. Después del enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, la austenita que queda atraviesa las líneas y M f y se transforma a martensita. La microestructura final será ferrita, bainita y martensita. Solución al problema 7.9 En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 815 C, donde la micro-estructura será 1% austenita. a) Tal como se observa en la figura no hay transformación a ninguna estructura mientras se encuentra a 25 C. Tras el temple final se obtendrá 1 de martensita. b) A la temperatura de 65 C obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita y concluimos con una transformación alrededor del 25% de perlitas gruesas. Tras el enfriamiento a 4 C iniciamos la transformación a bainita alrededor de los tres segundos y a los 25 s, sólo se ha transformado el 5% de la estructura restante, aproximadamente el 38%, y finalmente, el A 1 A 3 M f F s γ bainita γ α perlita γ martensita Ps α α perlita γ α, Dureza Rockwell C

19 Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica resto se transforma con el último temple a temperatura ambiente en martensita. Por lo tanto la estructura final obtenida será de un 25% de 9 cementita y perlita gruesa, con un 38% de Austenita (e) A C bainitas superiores y el 38% restante de martensita. c) Al enfriar a 35 C no tenemos ninguna transformación hasta iniciar la transformación a bainitas intermedias a los 3 s, obteniendo una estructura de bainitas intermedias que constituye el 5% a los 5 minutos. El resto se transforma a martensita durante el temple hasta temperatura ambiente. d) A la temperatura de 675 C obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita, tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y con la proporción de fases que allí se indica. y concluimos con una transformación Esta cementita estable, precipitará en el borde de grano de la austenita. Tras el temple hasta temperatura ambiente, esta austenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actuará de matriz dándonos una estructura de máxima fragilidad. Es posible que no toda la cementita esté ubicada en los antiguos bordes de grano de la austenita al ser una transformación rápida y posiblemente incompleta. e) A la temperatura de 775 C, estamos entre las temperaturas de inicio y fin de transformación eutectoide, por lo que obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita es tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y debido al tiempo de 8 minutos, con la proporción de fases que allí se indica. Tras el enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, esta austenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita con cementita que actúa de matriz dándonos ahora sí una estructura de máxima fragilidad A M (inicio) (d) M (5%) M (9%) A P A B (b) (c) Perlita (a) 5% Solución al problema 7.1 De la figura adjunta, una velocidad de enfriamiento de 8 C/s, entre los 2 C/s y los 1 C/s, cruza las líneas de inicio de transformación ferrítica, F s, inicio de transformación perlítica, P s, y las líneas de inicio y fin de transformación bainítica, y. Por lo tanto, la estructura será una mezcla de ferrita, perlita y bainita. A los 5 C/s, la curva corta las líneas de inicio de transformación ferrítica, F s, inicio de transformación bainítica,, y la línea de inicio de transformación a martensita,. La estructura será, por lo tanto, una C/s 2 C/s ferrita ferrita bainita martensita martensita 1 C/s C/s C/s F s P s 2 C/s ferrita perlita bainita martensita ferrita perlita ferrita perlita bainita 139

20 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales mezcla de ferrita, bainita y martensita. Es posible también que todavía queda una pequeña cantidad de austenita retenida. Solución al Problema 7.11 La construcción del diagrama no ofrece ninguna dificultad. Tan sólo deberá tenerse en cuenta que la escala de abscisas es logarítmica respecto al tiempo. En la misma gráfica se indican los distintos constituyentes, así como las líneas singulares de inicio y fin de transformación. P s Austenita A 1 Perlita Temperatura C Bs M f Segundos Minutos Horas Tiempo Solución del problema a) inferior a 4% 6 a 75 % b) Enfriar bruscamente hasta los ºC y mantener al menos durante 8 segundos, después enfriar a temperatura ambiente. Solución del problema a) La microestructura corresponderá, según el diagrama TTT a: 5% de perlita fina 5% de austenita inestable b) Cuando mantenemos un día a 25 C, A 3 A 1 F s γ bainita γ α perlita M f γ martensita (a) γ α Ps α α perlita (b) 54 62, Dureza Rockwell C

21 la estructura resultante será 5% de perlita fina 5% de bainita c) Cuando enfriamos rápidamente desde los 25 C, obtendremos: 5% de perlita fina 5% de martensita d) Si consideramos un enfriamiento desde la región austenítica a C, la temperatura a la que se corta la nariz perlítica resulta de 538 C, a los,6 segundos, con lo que la velocidad mínima de enfriamiento será: T 538 C v = = = 437 K / s t,6 s Solución del problema a) La microestructura será de un 1% de martensita. b) Tras mantener durante 3 horas a 35 C tenemos una transformación completa de la austenita a bainita del tipo inferior. c) Tras mantener durante 2 horas y 45 minutos a 55 C, la austenita no ha sufrido ninguna transformación por lo que al enfriar hasta los 4 C y mantener segundos, se transformará un 4% de la masa en bainita del tipo superior, transformando el resto a martensita en el último enfriamiento. Por tanto, la transformación final será: 4% bainita superior 6% martensita d) Al permanecer 17 minutos a 65 C, un 25% de la austenita transforma a ferrita. El resto iniciará de nuevo la transformación después de permanecer otros 17 minutos a 4 C donde el 6% de esta masa pasará a bainita superior y el 4% restante a martensita, con lo que la transformación final será: Solución del problema Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica 25% ferrita 45% de bainita superior 3% martensita a) Al enfriar rápidamente a 65 C y mantener la temperatura durante 1 segundos, obtenemos una transformación parcial a ferrita y perlita. La ferrita, que habría transformado toda la posible, C, γ inest Austenita a) M 5 M 9 α Fe 3 C γ α Fe 3 C A Temperatura eutectoide A M (inicio) M (5%) M (9%) A B M 5% A F M A Perlita gruesa Perlita fina b) A F P F P B a) c) d) b) 141

22 Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales vendrá expresada por el porcentaje de carbono que al ser cercano al,4 % le corresponderá aproximadamente al 5%, y del resto, el 25% se transformará a perlita, con el enfriamiento brusco posterior logramos transformar a martensita toda la austenita que no se había transformado previamente, por tanto tendremos finalmente: 5% ferrita 12,5% perlita 37,5% martensita b) Al enfriar rápidamente a 4 C y mantener igualmente 1 segundos, obtenemos una transformación a bainita de aproximadamente el 75%. El resto de austenita se transformará también a martensita con el nuevo enfriamiento brusco, por lo que tendremos: % bainita 25% martensita 5% Austenita 9% a) b) Ferrita Perlita.37% C,72% Mn 1,5% Cr,22% Mo,