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. 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 cada tratamiento térmico aplicado a los aceros. Predecir el comportamiento de la dureza en los aceros después de someterse a un tratamiento térmico Materiales y Equipo Tabla 1 lista de materiales ITEM Cantidad Designación 1 6 Probetas de acero AISI 1045 de Ø1 x ½ 2 6 Probetas de acero AISI 4340 (VCN), Ø1 x 5/8 3 6 Probetas de acero AISI O1 (Amutit), Ø1 x ¾ 4 6 Probetas de acero Stavax, Ø1 x Probetas de acero Sverker, Ø1-7/64 x 1-1/ Depósito metálico con agua 7 1 Depósito metálico con salmuera 8 1 Depósito metálico con aceite 9 1 Horno de mufla 1000 ºC tenazas cortas(alicates) y una larga 11 3 Equipo de protección conteniendo lo siguiente: Par de guantes, delantal y mangas de carnaza Mascarillas para la cara, transparentes 14 2 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 la dureza (capacidad de un material para resistir la abrasión o rallado de su superficie), la resistencia mecánica, la 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 temperatura austenítica, sostenimiento a esa temperatura y por último el enfriamiento en el medio que convenga. La temperatura de calentamiento es la temperatura en la que la organización atómica del material se transforma para obtener una estructura meta-estable conocida como austenita (FCC) (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 estructura BCC que existe en la misma aleación pero 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

5 Ciencia de los materiales. Guía 4 4 es así porque cada tipo de acero contiene elementos de aleación en menor o mayor cantidad. Por ejemplo, el agua mezclada con sal común 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 otros carburos en vez de 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, el enfriamiento, mientras que 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. En la figura 2 a 5 se presentan diagramas de enfriamiento continuo para diversos aceros la cual corresponde a los mismos aceros que van a ser utilizar en la práctica de laboratorio. Observe detenidamente cada una y si tiene una consulta, hágasela en clases al profesor.

6 Ciencia de los materiales. Guía 4 5 Fig. 2 diagrama de TTT (Transformación Tiempo Temperatura) de un acero AISI 1045 Fig. 3 diagrama CCT (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI 1045

7 Ciencia de los materiales. Guía 4 6 Fig. 4 diagrama TEC (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI 4140 Fig. 5 diagrama CCT (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero AISI O1

8 Ciencia de los materiales. Guía 4 7 Como se puede observar, para cada caso se obtiene las misma microestructuras pero a diferentes rapideces de enfriamiento. 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. 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 de enfriamiento y vuelva a lijar las caras superiores e inferiores de cada pieza. 9) Rotule la pieza nuevamente con la temperatura a la que fue retirada del horno y el medio de enfriamiento. 10) Mida la dureza de la pieza tratada. Anote que los datos que se le piden en la tabla I. Con base en los datos obtenidos para los aceros tratados, elabore un cuadro comparativo en el cual se especifique: tipo de acero (según la AISI -SAE), dureza en estado de entrega o suministro, temperatura crítica de temple, medio de enfriamiento recomendado, dureza esperada según tabla, dureza obtenida. Haga esto para cada material ensayado. Tabla 2: Dureza de los aceros en estado de entrega (antes del tratamiento térmico) Acero Dureza medida Promedio Dureza investigada Sverker Stavax Análisis de resultados

9 Ciencia de los materiales. Guía 4 8 Tabla 3: Identificación de tratamientos térmicos Acero Tratamiento térmico Temperatura al sacar la muestra del horno Medio de enfriamiento O Sverker 14 Sverker 15 Sverker 16 Sverker 17 Stavax 18 Stavax 19 Stavax 20 Stavax Tabla 4: Dureza esperada después del tratamiento térmico Acero Tratamiento Temperatura Dureza Dureza esperada térmico recomendada, en medida base a la investigación

10 Ciencia de los materiales. Guía O Sverker 14 Sverker 15 Sverker 16 Sverker 17 Stavax 18 Stavax 19 Stavax 20 Stavax Tarea Complementaria Investigue qué es el tratamiento térmico de Martempering y Austempering Investigue en qué consiste el enfriamiento en baño de sales y si hay empresas que realicen este tratamiento en el país. Averigüe sobre el tipo de sales más utilizadas para tratamientos isotérmicos y las temperaturas de uso. Bibliografía 1) Ciencia de los Materiales para Ingeniería., Avner, Sydney, a. Item biblioteca A ) Ciencia de los Materiales para Ingeniería., Keyser, Carl A, a. Item biblioteca 691 R44c ) La Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Askeland, Donald R a. Item biblioteca A ) Soldadura : Aplicaciones y Práctica Henry Horwitz

11 Ciencia de los materiales. Guía 4 10 a. Item biblioteca H ) Tratamiento Térmico de los Aceros para Herramientas a. Item biblioteca T (Ctrl. + Clic para ir a ITEM biblioteca UDB) Hoja de cotejo: 4 Guía 4: INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN Y ENFRIAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE DE METALES Alumno: Máquina No: Docente: GL: Fecha: EVALUACION CONOCIMIENTO 20% APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO % Nota Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos 15% Aplicación deficiente de la simbología 15% Uso deficiente de los accesorios solicitados 15% Aplicación deficiente de las normas de seguridad 15% Resultados de la práctica son deficientes ACTITUD 10% No tiene actitud proactiva. TOTAL 100% 10% Demuestra pocos valores profesionales Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Aplicación incompleto de la simbología Uso incompleto de los accesorios solicitados Aplicación incompleta de las normas de seguridad Resultados de la práctica son buenos Actitud propositiva y con propuestas no aplicables al contenido de la guía. Demuestra regulares valores profesionales Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos Aplicación excelente de la simbología Uso excelente de los accesorios solicitados Aplicación excelente de las normas de seguridad Resultados de la práctica son excelentes Tiene actitud proactiva y sus propuestas son concretas. Demuestra buenos valores profesionales