Ciencia de los materiales. Guía 4 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES

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1 Ciencia de los materiales. Guía 4 1 CIENCIA DE LOS MATERIALES

2 Ciencia de los materiales. Guía 4 1 Tema: TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS, primera parte. Contenidos Tratamiento térmico de aceros con diferente composición química. Objetivos Con el desarrollo del laboratorio y la investigación que efectúe, el alumno será capaz de: Identificar el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros. Predecir el comportamiento de la dureza en los aceros después de someterse a un tratamiento térmico, con base en el tipo de acero, la observación del tratamiento térmico y la consulta a fuentes confiables. Materiales y Equipo Tabla 1 lista de materiales ITEM Cantidad Designación 1 6 Probetas de acero AISI 1020, Ø25x13mm 2 6 Probetas de acero AISI 1045, Ø25x14 mm 3 6 Probetas de acero AISI 4340, Ø25x15 mm 4 6 Probetas de acero AISI O1, Ø25x16 mm 5 1 Depósito metálico con agua 6 1 Depósito metálico con salmuera 7 1 Depósito metálico con aceite 8 1 Horno de mufla 1000 ºC tenazas cortas(alicates) y una larga 10 3 Equipo de protección conteniendo lo siguiente: Par de guantes, delantal y mangas de carnaza Mascarillas para la cara, transparentes 12 1 Equipo extintor Pliegos de papel lija 250

3 Ciencia de los materiales. Guía 4 2 Marco Teórico Las empresas que distribuyen materiales para la fabricación de elementos de máquinas, reciben estos materiales normalmente en el llamado estado de entrega o estado de suministro, es decir, con propiedades que hacen fácil cortarlo a la medida que lo piden los clientes. Por lo que los materiales no necesariamente tiene las propiedades deseadas para las diferentes aplicaciones a las que se destinan; Es frecuentemente que, después de llevarlos a las medidas adecuadas por diversos procesos de fabricación, sea necesario modificarles las propiedades mecánicas, físicas, eléctricas, etc. a fin de mejorar su desempeño cuando el elemento esté en operación. Propiedades como alta dureza (capacidad de un material para resistir la abrasión o rallado de su superficie), elevada resistencia mecánica, gran resiliencia (capacidad del elemento de máquina de absorber energía hasta su límite de fluencia) entre otras muchas propiedades, son deseables en ciertas aplicaciones. Existen numerosos tratamientos que se aplican a los materiales para modificar las propiedades como las antes mencionadas, tres muy comunes son: tratamiento térmico, endurecimiento por deformación y tratamiento termoquímico. En esta guía de laboratorio únicamente se abordará el tratamiento térmico de los acero, dejando los demás a la acuciosidad del lector. El tratamiento térmico de los aceros, consiste básicamente en tres etapas que involucran temperatura, es decir, calentamiento hasta la temperatura recomendada, sostenimiento a esa temperatura y por último el enfriamiento en el medio que convenga. Generalmente la temperatura de calentamiento es la temperatura a la cual la organización atómica del material se transforma para obtener una estructura meta-estable conocida como austenita, que tiene una estructura FCC y se presenta arriba de línea Ac3 (ver figura 1), que como bien se sabe, tiene un mayor factor de empaquetamiento (0.74) o lo que es lo mismo, es más densa que la ferrita o estructura BCC que existe en la misma aleación a baja temperatura. La segunda etapa, es decir, el tiempo de sostenimiento es el tiempo necesario que la pieza debe permanecer en el interior del horno para que su estructura cristalina se transforme totalmente en austenita (BCC FCC) homogénea. La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la aleación suelen modificar la temperatura y el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno. Como regla empírica se da un tiempo de permanencia de 20 minutos por cada pulgada de espesor crítico de la pieza a templar. Para el caso de piezas con formas complejas, el espesor crítico es el mayor y en base a éste se toma el tiempo de permanencia

4 Ciencia de los materiales. Guía 4 3 Figura 1 Diagrama hierro-carburo de hierro. El tercer proceso es el enfriamiento. Para efectuarlo, se debe elegir el medio a utilizar, según las propiedades deseadas, pues diferentes medios de temple proporcionan diferentes rapideces de enfriamiento y distintos grados de dureza. Entre los medios más comunes que se puede mencionar, se tienen los siguientes: Agua Salmuera (Mezcla de agua y Cloruro de Sodio) Salmuera con hielo Aceite para temple (baja viscosidad VG 32 o inferior y alto punto de inflamación ) Aire tranquilo (sin agitar o convección natural) Chorro de aire a presión (convección forzada) Enfriamiento en baño de sales a alta temperatura (Martempering y Austempering) Cuando se analizan las tablas de tratamiento térmico se observa que para cada aleación se recomienda un diferente medio de enfriamiento y procedimiento diferente para lograr obtener las propiedades deseadas, esto es así porque cada tipo de acero contiene una composición química especifica diferente a los otros. Por ejemplo, el agua mezclada con sal común

5 Ciencia de los materiales. Guía 4 4 proporciona una rapidez de enfriamiento (ºC/s) más elevada que otros medios y para aceros con bajo contenido de elementos de aleación, este medio es una buena elección. Pero qué sucede cuando aumenta el contenido de elementos de aleación como por ejemplo, en el acero AISI 4340? pues bien, estos no sólo producen endurecimiento por solución sólida del carbono en la ferrita o por precipitación de carburos diferentes al Fe 3 C; La presencia de elementos de aleación disminuye la velocidad crítica de temple, es decir, aleja la nariz de la curva del diagrama de TTT o TEC (figura 2 y 3) del eje de referencia vertical t ~ 0, y en consecuencia la pieza de acero tratada térmicamente puede ser enfriado en un medio con severidad de temple mucho menor como lo es el enfriamiento en aceite e incluso el aire, con lo cual se reduce el riesgo de agrietamiento de tipo superficial o interno, y a su vez lograr alta dureza. Al enfriar una pieza de acero en un medio para temple menos severo (como el aceite o el flujo de aire a presión), la diferencia de temperaturas entre la superficie y el núcleo será menor que cuando se utiliza un medio más severo y por tal motivo la variación de volumen interno externo también lo será; lo cual favorece y trae beneficios dado que los esfuerzos residuales son menores y también la deformación de la pieza. Comparativamente, el agua salada y agitada produce las mayores rapideces de enfriamiento, mientras que con enfriamientos dentro de la cámara de un horno (recocido) se obtienen las menores rapideces de enfriamiento. Como ya se mencionó, la elección del medio de enfriamiento va relacionada con el tipo de acero, es decir, del contenido y cantidad de elementos de aleación del acero que se está tratando. Los tratamientos térmicos que se darán a los aceros son: Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac3 para que se de la transformación a la estructura austenita (ver figura 1) y se enfría rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, o incluso aire, según su composición. Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (ver fig.1) seguido de un enfriamiento lento, generalmente dentro del horno. Con este tratamiento se logra aumentar la ductilidad, mientras que disminuye la dureza y la resistencia mecánica. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. Consiste en calentar a temperatura de austenización y luego enfriar en aire quieto. Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir la fragilidad producida por los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentando la tenacidad.

6 Ciencia de los materiales. Guía 4 5 Figura 2: temperaturas de normalizado, temple y recocido para aceros hipoeutectoides e hipereutectoides. Finalidad de los tratamientos térmicos 1.- ENDURECIMIENTO Ó TEMPLE DEL ACERO El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme hasta llegar a la temperatura correcta, manteniéndola cierto tiempo (ver figura 2, la temperatura de endurecimiento es la misma de recocido) y luego sacarlo rápidamente del horno y enfriarlo con agua, salmuera, aceite o aire, según su composición. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. Buena parte de los aceros se pueden endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, transformándose la perlita y la ferrita a una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca, se transforma en martensita, estructura que es muy dura y frágil. La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la aleación suelen modificar el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno para el temple y el normalizado. Como regla empírica se da un tiempo de permanencia de 20 minutos por cada pulgada de espesor de la pieza. Para el caso de piezas con formas complejas, el tiempo es mayor tanto en el calentamiento como el tiempo de permanencia para evitar daños a la pieza. 2.- RECOCIDO Existen varios tipos de recocido, a continuación se describen los mas comunes a) Recocido primario Tiene como finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. b) Recocido de Regeneración

7 Ciencia de los materiales. Guía 4 6 Tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para afinar y ordenar su estructura Ejemplo: Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado inicial. c) Recocido de Globular Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recocido está entre Acm y Ac1,3 (ver figura 1). Ejemplo: - El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C. d) Recocido sub-crítico Se usa para aceros de forja o de laminación, llevándoseles a una temperatura de recocido ligeramente inferior a Ac1. Mediante este procedimiento se reducen las tensiones internas producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr- Mo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes mencionados, su enfriamiento es lento. 3.- NORMALIZACIÓN O NORMALIZADO Para los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento se toma de la figura 2a y para los aceros hipereutectoides se toma de la figura 2b, después del tiempo de permanencia en el horno, se enfría en aire tranquilo a temperatura ambiente. Procedimiento 1) Utilizando papel lija 250, proceda a limpiar toda oxidación sobre las caras expuestas de las probetas a tratar térmicamente. Recuerde identificar claramente cada una de las probetas. 2) Haciendo uso de la máquina de ensayo de dureza, proceda a medir la dureza HB de cada una de las piezas. Este índice de dureza será considerado como dureza en estado de entrega. 3) Una vez se ha medido la dureza de todas las probetas, prepare el horno que deberá estar pre-calentado a 300º C, para luego introducir (con mucho cuidado) las probetas en el horno y luego cierre la compuerta del mismo. (pida ayuda a su instructor para la mejor ubicación de las piezas dentro del horno) 4) Eleve la temperatura del horno, según le indique su instructor, al llegar a la temperatura indicada espere al menos 20 minutos antes de abrir el horno para extraer las piezas. 5) Registre en la tabla la temperatura que alcanza el horno antes de retirar cada muestra del horno y el medio de enfriamiento.

8 Ciencia de los materiales. Guía 4 7 6) Evalúe con su instructor una estrategia para sacar las piezas del horno y enfriarlas en un medio adecuado. 7) Deje reposar la pieza en el medio de enfriamiento seleccionado durante varios minutos, hasta que la temperatura alcance unos 40º C y sáquela del medio de enfriamiento. 8) Limpie los residuos de la sustancia enfriante y vuelva a lijar las caras superior en inferior de cada pieza. 9) Rotule la pieza nuevamente con la temperatura a la que fue retirada del horno y el medio de enfriamiento. Con base al procedimiento ejecutado para los aceros tratados: a) Elabore un cuadro comparativo (tabla 2) en el cual se especifique: tipo de acero (según la AISI -SAE), dureza en estado de entrega o suministro según el proveedor y dureza medida, además calcule el % de diferencia, tomando como valor verdadero la dureza dada por el proveedor. b) Elabore otro cuadro (tabla 3) con Temperatura crítica de temple, temperatura a la que se sacó del horno, medio de enfriamiento utilizado del tratamiento térmico y tratamiento térmico experimentado. c) Elabore un cuadro (tabla 4) en la que se indique el tipo de acero, el tratamiento térmico experimentado y la dureza esperada. Tabla 2: Dureza de los aceros en estado de entrega (antes del tratamiento térmico) Acero Dureza Dureza medida % de diferencia investigada Análisis de resultados Tabla 3: Identificación de tratamientos térmicos Acero Temperatura critica de temple Temperatura al sacar la muestra del horno Medio de enfriamiento Tratamiento térmico

9 Ciencia de los materiales. Guía O Tabla 4: Dureza esperada después del tratamiento térmico Acero Tratamiento térmico O Temperatura recomendada, en base a la investigación Dureza esperada

10 Ciencia de los materiales. Guía Tarea Complementaria Investigue la finalidad y los tipos de acero a los que se les aplican los tratamientos térmicos de Martemperado (o martempering) y Austemperado (austempering). Indique aplicaciones de piezas con esos tratamientos. Investigue en qué consiste el enfriamiento en baño de sales, su finalidad y si hay empresas que realicen este tratamiento en el país. Investigue la finalidad y los tipos de acero a los que se les aplican los tratamientos térmicos químicos de cementado y nitruración. Indique aplicaciones de piezas con esos tratamientos. Bibliografía 1) Avner, S. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición 2) Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México, México. McGraw-Hill, 4a. Edición 3) Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México, D.F. Thomson, Cuarta edición. 4) Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura. México D. F. Limusa. 5) 6) 7) 8) 9) Rúbricas para este laboratorio Aspecto a evaluar: Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la institución, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de entrega. Todas las partes deberán ser legibles Objetivos y Procedimiento abreviado Puntaje obtenido/puntaje máximo Requisito Requisito Examen previo (individual) 30 Mediciones efectuadas y Tablas de datos Requisito Comentarios

11 Cálculos efectuados correctamente Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web y otros (al menos en 3 sitios confiables) Ciencia de los materiales. Guía 4 10 Requisito Tarea complementaria 15 Tablas 2, 3 y 4 15 Discusión y conclusiones: Comparación de los resultados experimentales con lo reportado en sitios web confiables (éstos se considerarán los valores teóricos), indicar si se lograron los objetivos o no y porqué. Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y concisa Requisito No lleva gabacha (individual) - 10 Cálculos erróneos - 10 No lleva guía de laboratorio (individual) - 10 No colabora o se comporta indebidamente (individual) - 10 Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como Lab1-(nombre del grupo), tipo de archivo:.doc o.docx, solo si es muy extenso podrá enviarse en PDF, el envío será al correo electrónico del docente, quien deberá responder de recibido. Si la entrega es informe Impreso, se le dará personalmente al docente, los estudiantes podrán llevar una hoja para que las firme el docente, haciendo constar de que fue recibido % por cada día de retraso. TOTAL 100 El informe se entregará una semana después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el lunes, a mas tardar el lunes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se descontará 10 % adicional. El alumno deberá respetar la normas de seguridad del laboratorio, si hay violación a estas normas, el instructor podrá expulsar de la sesión al infractor, conllevando a la perdida de la nota de esa sesión, sin posibilidad de solicitarla diferida.