Unidad 3 Tratamientos Térmicos

Unidad 3 Tratamientos Térmicos 1.-OBJETIVOS + Se pretende dar al alumno una visión práctica de lo estudiado en teoría, con la experimentación en el laboratorio, familiarizándose con los equipos y conceptos siguientes: Termopares Crisoles Hornos Termostatos Dilatómetros Durómetros Solidificación Alotropía Relación de estructuras con las propiedades mecánicas. Recristalización Fusión + Conocer la incidencia del fenómeno de alotropía en las aleaciones que poseen dicha propiedad, tanto en el diseño de piezas (por los cambios dimensionales) como en las propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas etc., que dependen de la estructura. + Tomar contacto con los equipos, familiarizarse con los términos más comunes utilizados en los tratamientos térmicos y relacionar los cambios estructurales que teóricamente se producen con los cambios en las propiedades mecánicas. + Interpretar los gráficos de templabilidad obtenidos en los ensayos sobre las piezas, y su aplicación práctica. 2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS. 2.1.- CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE UN METAL PURO. Siguiendo un esquema lógico, comenzaremos por lo que sería el origen de un material tecnológico originado por la solidificación, lo que podríamos denominar cristalización primaria. El caso más sencillo y el análisis más simple consiste en construir una curva de enfriamiento de un metal puro, con el objetivo de determinar su punto de fusión. Si un metal puro se calienta regular y uniformemente desde la temperatura ambiente hasta que pasa al estado líquido (suponiendo que en el estado sólido no sufre cambios alotrópicos) y se anota, a intervalos iguales de tiempo, la temperatura determinada mediante un termopar u otro instrumento de 18

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS medida, se percibe una irregularidad en la velocidad de calentamiento que indica la temperatura a la que se produce la fusión (figura 1). Figura 1. Curvas idealizadas de enfriamiento y calentamiento de un metal puro. El punto de transformación puede observarse gráficamente si se representa la temperatura en función del tiempo. En forma análoga se obtiene una curva de enfriamiento desde la temperatura a la que se encontraba el líquido, hasta la temperatura ambiente. En el caso ideal, la temperatura del metal habría de permanecer constante durante los procesos de fusión y solidificación, por lo que las porciones AB y A B de las curvas de calentamiento y enfriamiento deberían ser perfectamente rectilíneas y paralelas al eje de tiempos. En las curvas ideales, además, el cambio de pendiente sería discontinuo en lugar de gradual. Durante el enfriamiento del metal fundido, se establece un gradiente de temperatura entre el crisol y las paredes del horno. En consecuencia, la capa que primero solidifica es la que está en contacto con las paredes del crisol y esta capa isoterma disminuye el gradiente de temperatura entre el centro y la capa externa de la carga. Por esta causa, decrece la velocidad a que se enfría el centro de la masa del metal y se redondea la curva de enfriamiento. Cuando solidifica el centro de la carga, la temperatura de la capa externa de metal cae rápidamente, aumentando su gradiente con respecto al centro, acelerándose la solidificación de las últimas porciones de metal líquido y volviendo a redondearse la curva de enfriamiento. De la anterior discusión se obtiene la consecuencia de que la última porción de la meseta de la curva de calentamiento y la primera de la de enfriamiento corresponden, en efecto, a los puntos de fusión y solidificación, respectivamente. Cuando la pendiente es muy grande, la verdadera temperatura de solidificación se puede obtener extrapolando la porción más rectilínea y horizontal de la curva de enfriamiento mediante una línea recta y observando cuándo esta línea se separa de la curva original. De manera análoga se puede obtener el punto de fusión en la curva de calentamiento. En general, las curvas de enfriamiento resultan mejor definidas que las de calentamiento, si además ponderamos la mejor manipulación de los equipos y la accesibilidad del alumno a la observación directa del crisol, que contiene el metal fundido, hace que la representación de la curva de enfriamiento sea la más práctica para determinar los cambios de estado, entre ellos el punto de fusión. 2.2.- DETERMINACIÓN DE PUNTOS CRÍTICOS DE UN ACERO EUTECTOIDE. 19

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los puntos críticos en los metales y aleaciones en estado sólido son las temperaturas a las que se producen las transformaciones alotrópicas. Se determinan principalmente por dos métodos: el método dilatométrico y el de análisis térmico. El método más empleado es el dilatométrico pero en general, se procura emplear todos los métodos posibles para la determinación de cada diagrama de equilibrio, asegurándose que los puntos no han sido influidos por ninguna circunstancia anormal. Se basa este método en el estudio de la variación de volumen que experimenta una probeta de la aleación objeto de estudio. Cuando en el calentamiento y en el enfriamiento la probeta pasa por un punto crítico, hay un cambio de volumen específico, y la dilatación se pone de manifiesto por un sistema que depende del aparato empleado. 2.2.1.- Descripción del Dilatómetro. Este dilatómetro consta de un tubo o funda de cuarzo en cuyo interior se coloca una barra de la aleación problema en contacto con el par termoeléctrico de un pirómetro, para conocer en todo momento su temperatura. La barra está apoyada por un extremo en el fondo de la funda de cuarzo, y por otro, a través de una pequeña barra, también de cuarzo, en la pieza móvil de un comparador de esfera. Se aumenta la temperatura de la probeta introduciendo el tubo de cuarzo en un horno de temperatura regulable a voluntad, midiendo la dilatación de la probeta con las indicaciones del comparador. Figura 3. Dilatómetro con indicador de cuadrante. El aparato más utilizado en el método dilatométrico es el dilatómetro diferencial de Chevenard. Este aparato está basado en el registro de las diferencias de dilatación entre una probeta patrón y la del metal que se ensaya. Pero en nuestro caso vamos a utilizar por su sencillez y posibilidades didácticas el ya citado de indicador de cuadrante, cuyo esquema se refleja en la figura 3. 2.3.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS. Los tratamientos térmicos, en general, son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales o aleaciones, a temperaturas y velocidades variables, mediante los cuales se persigue fundamentalmente, conseguir cambios en la estructura cristalina, cambio de fases, bien en su número o proporción, o distribución, permaneciendo su naturaleza, es decir, su composición química inalterable. En los experimentos que a continuación se describen, vamos a aplicar estos tratamientos sobre un acero, que es un material tratable por excelencia, por la riqueza e interés de las transformaciones que experimentan sus constituyentes. Los tratamientos térmicos fundamentales como son el recocido, temple y revenido, adquieren al ser aplicados a los aceros, una gran variedad de matices lo que permite obtener el máximo rendimiento en función de su aplicación al acero. Los tratamientos térmicos aplicados a los aceros son los siguientes: 20

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS NORMALIZADO Recocidos Supercríticos De austenización completa. Recocido de regeneración. De austenización incompleta. Recocido globular de austenización incompleta. RECOCIDOS Recocidos subcríticos Recocido globular. Recocido de ablandamiento. Recocido contra acritud. Recocido de estabilización. Recocidos isotérmicos Recocidos de austenización completa. Recocido de austenización incompleta. Recocido patenting (hilo patentado) Temples normales De austenización completa. De austenización incompleta. TEMPLES Temples interrumpidos En agua y aceite. En agua y aire. Temples isotérmicos Austempering Martempering. Temples superficiales Oxiacetilénico. Por inducción REVENIDO Tabla 1. Tratamientos Térmicos en Aceros. De los tratamientos citados, vamos a realizar en el laboratorio experimentos sobre el temple y revenido, incidiendo en su importancia y en los conceptos de capacidad de temple y templabilidad. Así mismo se realizará un normalizado. Es de resaltar que la práctica sobre recocido no se realiza por el periodo de tiempo necesario que la hace inviable por el tiempo limitado de que se dispone para la realización de las prácticas. 2.3.1.- Definiciones relacionadas con tratamientos térmicos en aceros. Se define templabilidad como la aptitud de los aceros para dejarse penetrar por el temple. Esta propiedad tiene un significado totalmente distinto de la capacidad de temple, reflejando esta última la capacidad de un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante el temple. En consecuencia, si tuviéramos un acero al cromo-níquel y un acero al carbono, detectaríamos que en el primero penetra mucho más el temple que en el segundo, y podríamos decir que la templabilidad de los aceros al carbono es menor que la de los aceros al cromo-níquel. Por tanto, la templabilidad se refiere únicamente a la facilidad de penetración por el temple y no a las características obtenidas por él. 21

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Volviendo al ejemplo anterior, podríamos comprobar que un acero con 0,6% de carbono, al templarlo, adquiere una dureza superior a la del acero al cromo-níquel, lo que equivale a decir que tiene una mayor capacidad de temple. Sin embargo, la templabilidad del acero al cromo-níquel, es mucho mayor que la del acero al carbono, según vimos anteriormente. 2.3.2.- Factores que Influyen en la Templabilidad. Influyen en la templabilidad principalmente los elementos aleados y el tamaño de grano. Los elementos que más favorecen la penetración del temple, es decir, la templabilidad, son el manganeso, molibdeno y el cromo. Por otra parte, un aumento en el tamaño de grano produce un aumento de la templabilidad. Estos dos factores reflejan su influencia en las gráficas representadas en las figuras 4 y 5. Figura 4. Influencia de los elementos aleados en la templabilidad del acero. Figura 5. Influencia del tamaño de grano y del contenido de carbono en la templabilidad del acero. 2.4.- MEDIDA DE LA TEMPLABILIDAD. Siendo la templabilidad una característica importante en la elección de los aceros, sobre todo para la fabricación de piezas grandes, se ha trabajado mucho en su determinación y valoración. La determinación de la templabilidad puede hacerse por el examen de las fracturas de probetas templadas, por medio de las curvas en U y más exactamente por el diámetro crítico ideal o por el ensayo Jominy, que es el que vamos a llevar a cabo. Para aceros de baja templabilidad se emplea una probeta de forma especial, que se coloca a 25 mm del orificio de salida del agua, debiendo ser la altura del chorro libre de 100 mm. Las curvas Jominy no sólo dan idea a primera vista de la templabilidad del acero por su mayor o menor pendiente, sino que los valores de las durezas a lo largo de la generatriz constituyen una verdadera medida de la templabilidad, ya que obtenidas en condiciones de temple idénticas, sólo dependen de las características del acero ensayado. 2.4.1.- Bandas de Templabilidad. La S.A.E. (Society of Automotive Engineers) y la A.I.S.I. (American Iron & Steel Institute) han fijado para los aceros aleados de construcción las curvas de máxima y mínima templabilidad, entre las cuales deben estar situadas las curvas de máxima y mínima templabilidad, entre las que deben 22

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS encontrarse las curvas Jominy de cada acero. Estas bandas de templabilidad están sustituyendo en las especificaciones de recepción a los análisis de composición química. La denominación normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H (Hardenability). Como las características que más interesan en muchos aceros son sus propiedades después del temple y su templabilidad, en EE.UU. se utilizan las bandas de templabilidad para la recepción de los aceros de los que se obtienen probetas para realizar el ensayo Jominy, sustituyendo así a los análisis químicos, ya que la composición por sí sola no da idea de las características que pudiéramos denominar funcionales del acero. Figura 6. Bandas de templabilidad. Tras la obtención de la curva Jominy y la capacidad de temple del acero, se ejercitará al alumno sobre unas hipotéticas curvas Jominy, a elegir distintos aceros en función de los espesores exigidos para la construcción de unas determinadas piezas, haciendo hincapié en la diferencia entre máxima dureza o capacidad de temple y la templabilidad. 2.5.- POSIBLES ANOMALÍAS Y DEFECTOS EN LAS PIEZAS TRATADAS. Falta de dureza. Posiblemente motivada por una descarburación superficial, por falta de velocidad de enfriamiento o una austenización incompleta. Grietas. Posiblemente motivadas por una velocidad de calentamiento incorrecta o una velocidad de enfriamiento excesiva. Irregularidad en los puntos de dureza del ensayo Jominy. Motivadas posiblemente por salpicaduras de agua, descarburación, y a veces es posible la detección de mayor dureza en el punto de apoyo (extremo opuesto al chorro del agua) que en puntos próximos. Esto está motivado por enfriamiento más rápido por conducción o a través del soporte metálico si no está colocada la arandela aislante. 2.6.- OBSERVACIONES ADICIONALES. Con una lima nueva, se le hace al alumno arrancar material de las piezas tratadas, haciéndole ver que puede ser una medida práctica y sólo cualitativa del estado de dureza de la probeta, pues sabiendo la dureza de la lima, se puede deducir la dificultad de mecanizado del acero en cuestión y que llegue un momento en que la lima no entra en el material a partir de cierta dureza. 3.- ACTIVIDADES DE APLICACIÓN. Se proponen para este apartado los ejercicios del capítulo 4 de Ejercicios de Autoevaluación. 4.- ACTIVIDADES PRÁCTICAS.. 4.1- PRÁCTICA DE DETERMINACIÓN DE PUNTOS CRÍTICOS El material necesario para el desarrollo de la práctica es el siguiente: 23

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Horno de mufla con termostato Crisol de 500 c.c. de capacidad. (Alúmina o carborundum) Termopar hasta 1200 ºC con sonda cilíndrica Plomo puro (99,99%) Cronómetro Lupa binocular Se toma una cantidad de Plomo suficiente para que una vez fundido alcance en el crisol una altura de unos 5 a 7 cm. Se introduce a continuación el crisol con el Pb sólido en un horno de mufla con termostato de regulación a 450 ºC. Transcurrido el tiempo suficiente se extrae el crisol de horno con el Pb líquido y con las medidas de seguridad pertinentes para evitar accidentes por salpicaduras con el consiguiente peligro de quemado y se lleva hasta un soporte cerámico. Con la ayuda de un cronómetro y con un termopar de lectura digital con sonda de inmersión, se van tomando temperaturas a intervalos de 10 segundos. Se irá observando una bajada gradual de temperatura en función del tiempo hasta alcanzar un pequeño subenfriamiento en que la temperatura se mantiene constante. Repitiendo la toma de temperatura en varios intervalos, se hace notar cómo en las paredes del crisol empieza la solidificación de la masa (núcleos de solidificación) y cómo el sólido progresa hasta el centro del crisol. Antes de que la masa metálica esté toda sólida se extrae la sonda del termopar por dos razones, una obvia que sería que quedaría atrapada en el sólido, y otra que es debido a que como lo que realmente se pretendía era detectar el punto de fusión y esto se ha conseguido, entonces no es necesario llegar al final de la curva teórica que representa la figura 7, pues el intervalo entre t 1 y t 2 es variable. ese intervalo de tiempo entre t 1 y t 2 es la duración de la solidificación, o lo que es lo mismo, de coexistencia entre las dos fases líquida y sólida y que va a depender de factores externos como la cantidad de masa, velocidad de enfriamiento y factores intrínsecos del material, como son el calor latente de solidificación o fusión. t 1 t 2 Figura 7. Curva de solidificación de un metal puro. Una vez construida la gráfica resultante donde las temperaturas aparecen en el eje de ordenadas de un sistema cartesiano y los tiempos en el eje de abscisas, se hace resaltar que en la meseta de la isoterma, al haber dos fases (metal líquido y sólido) en la aplicación de la ley de Gibbs, se justifica que es un sistema invariante, indicando que el punto de fusión de un metal puro es fijo e invariante. Finalizado este análisis, se ha de incidir en la observación de la masa sólida. En esta observación se aprecia una concavidad, normalmente en el centro del crisol, denominado cono de rechupe. La importancia de este fenómeno, motivada por la diferencia de densidad (y por tanto de volumen) entre el metal sólido y líquido, en la industria hace que si efectivamente todos los metales (a excepción del Sb) ocupan menos volumen en estado sólido que como líquido, sea obligado el paliar el efecto del rechupe, pues de no evitarlo, se producen pérdidas importantes de material en los despuntes, pérdidas de energía empleada en fundir una masa no utilizable y riesgo de que el rechupe quede ocluido con el consiguiente peligro de que aparezca en una pieza terminada con la pérdida de calidad que conlleva. 24

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS Por otra parte, y con la ayuda de la lupa binocular (estereoscopio), es frecuente observar en las paredes del cono de rechupe dendritas, fácilmente detectables la mayoría de las veces por la solidificación columnar desde la periferia hasta el centro del crisol. Contrastar la temperatura de solidificación obtenida con la teórica del Pb. Se han resaltado las precauciones para evitar salpicaduras. También hay que asegurarse que en el transporte del crisol no haya riesgo de derrame. Por último, dado que el experimento se realiza sobre Pb a alta temperatura, se efectuará la toma de datos en una campana extractora para evitar los vapores perniciosos. No se tocará el crisol con la mano hasta que se tenga la completa seguridad de que esté frío. 4.2.- PRÁCTICA PUNTOS CRÍTICOS EN UN ACERO EUTECTOIDE. La importancia del trazado y estudio de la curva dilatométrica se debe a que la instalación sufrirá los rigores del aumento y descenso de temperatura suministrada por el horno eléctrico de que dispone la instalación. El ensayo se realiza de la siguiente forma: Se introduce la probeta de acero dentro de un recipiente de vidrio pyrex translúcido. Este recipiente se introduce dentro del horno. Una vez dentro del horno, se introduce el tubo de cuarzo que contiene el termopar, al tiempo que se ajusta el reloj comparador. Después de ajustar y montar todos los elementos antes mencionados, se conecta el horno y comienza la toma de lecturas. Las lecturas de micrómetro que muestra la dilatación de la probeta se realizan cada 20 ºC de aumento de temperatura. Con los resultados obtenidos se construye una gráfica, donde, en abscisas, se indican los incrementos de temperatura, y en ordenadas, los tantos por ciento de dilatación referidos a la probeta. La construcción de la gráfica se realizará con dos curvas correspondientes, respectivamente, a los resultados obtenidos al incrementar la temperatura de la probeta y a su enfriamiento. Colocar la pieza totalmente vertical y en contacto firme con el micrómetro y el extremo del termopar y hacerlo con cuidado de no golpear la base del tubo de cuarzo. Dejar enfriar el horno entre medida y medida. Calibrar el termopar frecuentemente. No retirar la muestra hasta que baje la temperatura, y extraerla con precauciones del tubo de ensayo. Figura 8. Curva de dilatación de calentamiento y contracción en el enfriamiento, acero del 1% de C. 25

TRATAMIENTOS TÉRMICOS 4.3.- PRÁCTICA DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS El material necesario para desarrollar la práctica es el siguiente: Horno de mufla, con control automático de temperatura y programable. Pinzas largas para introducción y extracción de las muestras del horno. Guantes aislantes. Instalación para ensayo Jominy. Durómetro Rockwell. Calibre o regla graduada. Lima. Lijadora y pulidora. Microscopio metalográfico o lupa binocular. Virutas de fundición. Cuatro trozos de redondo de acero de 25 mm de diámetro. Probeta Jominy. Recipiente con agua o aceite. Una vez cortadas de un redondo las cuatro muestras y obtenida tras la mecanización oportuna la probeta del acero elegido para el ensayo Jominy, (en nuestro caso utilizaremos F-1140, F-1250, F-522. etc.), que debe coincidir con el adjudicado al grupo en otras prácticas, para que los alumnos puedan relacionar todos los ensayos de características y propiedades sobre un mismo material. Según el acero elegido, se programa el horno hasta la temperatura de austenización adecuada con una secuencia de calentamiento de 1h/pulgada de espesor, y se dejan las muestras en la mufla el tiempo también establecido de ½ h/pulgada de diámetro. Transcurrido el tiempo establecido, y con las precauciones oportunas, se introducen tres probetas de una en una en agua ó aceite, para realizar el temple, y otra se deja enfriar al aire calmado, realizando pues sobre el material un normalizado. Por tanto, disponemos de probetas en estados de recepción (se ignora si están tratadas), una con un tratamiento de normalizado y tres que teóricamente están templadas. La forma más sencilla y rápida de determinar una propiedad mecánica que a su vez esté directamente relacionada con las otras, es medir su dureza y determinar su equivalencia con la resistencia que en los aceros al carbono está perfectamente tabulada. Midiendo pues la dureza por el método Rockwell C se obtienen los datos de dureza del acero con los estados de tratamiento citado anteriormente. La dureza media de las tres probetas templadas supuestamente de forma correcta, sería la que indica su capacidad de temple o máxima dureza adquirida, pues es función de la riqueza de carbono del acero en cuestión. A continuación, una de las probetas templadas se introduce en la mufla a 350 ºC y otra a 550 ºC. Transcurrida ½ hora, se deja enfriar al aire, y tendremos dos probetas templadas y revenidas a las citadas temperaturas. Posteriormente se las somete a un ensayo de dureza, obteniendo los datos oportunos. Para facilitar al alumno la toma de datos y ayudarle a relacionar los datos y observar la evolución de las estructuras y propiedades, se les adjunta una tabla para la toma de datos como la siguiente, que sintetiza todo lo realizado en el ensayo: 26

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS TIPO DE ACERO: COMPOSICIÓN QUÍMICA: ESTADO DE ESTRUCTURA TRATAMIENTO METALOGRÁFICA RECEPCIÓN NORMALIZADO TEMPLE REVENIDO A 350º REVENIDO A 550º DUREZA ROCKWELL C RESISTENCIA Kp/mm 2 Sobre esta tabla, se hace al alumno observar la evolución de la dureza en función del tratamiento térmico, y por tanto, su estructura metalográfica, que se ha de obtener en la observación microscópica en la práctica correspondiente. En paralelo, la probeta Jominy se lleva a enfriar en su correspondiente instalación para realizar el ensayo que nos lleve a obtener su gráfica, siendo de vital importancia conocer y matizar este concepto en los aceros. Desconectar el horno de la tensión justo al introducir o extraer las muestras para evitar riesgos de descarga eléctrica. Asegurar la sujeción de las piezas con pinzas firmes. Evitar salpicaduras en la introducción en el medio de enfriamiento. Si fuese aceite, hacerlo bajo una campana extractora, por los gases desprendidos, con las precauciones oportunas por una hipotética deflagración. No tocar con las manos las muestras hasta que se tenga la seguridad de que están frías. Asegurarse que la instalación para el ensayo Jominy está en condiciones (desagües desobstruidos, tanque pulmón lleno, anillo refractario colocado en su soporte, etc.). 4.4.- PRÁCTICA DEL ENSAYO JOMINY Este ensayo consiste en templar en determinadas condiciones, el extremo de una probeta cilíndrica. La probeta más utilizada, que se considera normal, es una barra de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, que lleva en el extremo que no se templa un reborde de 3 x 3 mm, aunque también se utilizan probetas totalmente cilíndricas, suspendidas en una arandela de acero refractario.. Figura 9. Probeta normal para ensayo Jominy. 27

TRATAMIENTOS TÉRMICOS La temperatura de austenización será de unos 50 a 60 ºC por encima de Ac 3 (temperatura del límite inferior austenítico) o A 1 (727ºC) según sea acero hipo o hipereutectoide, debiendo tomar precauciones para evitar que se descarbure u oxide la probeta durante el calentamiento, colocándola por ejemplo, rodeada de viruta de fundición. La probeta deberá mantenerse a esta temperatura durante unos 30 minutos, ya que la norma indica que la duración del temple debe ser de 1 hora por pulgada. El enfriamiento se realiza en una instalación especial para este ensayo (figura 8), en la cual la probeta recibe un chorro de agua a una temperatura comprendida entre 10 y 40 ºC, por un orificio de 12,5 mm de diámetro de salida de agua. El caudal de agua se regula de manera que la altura del chorro sea de unos 65 mm cuando la probeta no está colocada encima de él (ésto puede conseguirse con un depósito de nivel constante). La canalización debe disponer de otra válvula independiente para abrir y cerrar con rapidez. La probeta debe sacarse del horno y colocarse en el aparato enfriador lo más rápidamente posible, manteniéndola sobre el chorro de agua durante 10 minutos, pasados los cuales se completa su enfriamiento hasta la temperatura ambiente sumergiéndola en agua. Figura 10. Aparato especial para el ensayo Jominy. Terminado el ensayo se planean, con precaución de no calentarlas para evitar el revenido, dos generatrices opuestas sobre la superficie del cilindro, rebajando de 0,4 a 0,5 mm. A continuación, se determinan las durezas sobre la línea central de estos planos de puntos situados a intervalos de 1/16 a partir del extremo templado. Los valores obtenidos se llevan a un gráfico donde en ordenadas se representa la dureza Rockwell y en abscisas, la distancia al extremo templado. Figura 11 Curva Jominy. 28

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS 5.- BIBLIOGRAFÍA 1. P. Coca y J. Rosique. Ciencia de Materiales. Teoría Ensayos y Tratamientos. Ed. Pirámide. 1992. Capítulo 9 y 27. 2. J. Apraiz. Tratamientos Térmicos de Aceros. Ed. Dossat. Capítulo 6, 7 y 8. 3. J.Mª Lasheras y J.F. Carrasquilla. Ciencia de Materiales. Ed. Donostiarra. 1992. Capítulo 8 y 19. 4. J. Ojados. Apuntes de Aceros. 1995. 29

Unidad 4 Ensayos Mecánicos 1.-OBJETIVOS Al término de la unidad el alumno deberá ser capaz de:. + Entender e interpretar las gráficas tensión-incremento de longitud, obtenidas en los ensayos de tracción. + Ser capaz de calcular los siguientes parámetros en un material a la vista de la gráfica tensiónalargamiento. a) Módulo de Elasticidad. b) Límite Elástico. c) Resistencia a la Tracción. d) Alargamiento a la Rotura. e) Estricción a la Rotura. + Determinar la resiliencia de un material. + Interpretar las zonas de fractura del material y deducir los tipos de rotura. + Conocer los métodos de dureza más utilizados en la industria. + Conocer las equivalencias entre los distintos métodos de ensayos de dureza. 2.- DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS. 2.1.- INTRODUCCIÓN Los ensayos mecánicos de materiales, también denominados ensayos destructivos, son necesarios por muchas razones, siendo muy amplia la materia a que los mismos se refieren. Algunos de los fines de los ensayos mecánicos de materiales son: a.- Determinar la calidad de un material. Éste puede ser un aspecto del control del proceso en una instalación de producción. b.- Determinar propiedades tales como la resistencia, la dureza y la ductilidad. c.- Estimar las posibilidades de rendimiento de un material en condiciones de servicio particulares. Es obvio que no existe un tipo de ensayo que pueda proporcionar toda la información necesaria sobre un material y sus posibilidades de actuación, existiendo diferentes tipos de ensayos destinados a la valoración de los materiales. Además, hay muchos ensayos especiales destinados a valorar alguna propiedad particular de un material, o a obtener información del comportamiento posible de una pieza o conjunto, o ver la aptitud de un material frente a un proceso concreto de fabricación (ensayos tecnológicos). Se presenta una clasificación de los distintos Ensayos Mecánicos que podemos realizar sobre materiales. 30

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS ENSAYOS MECÁNICOS ESTÁTICOS DINÁMICOS TECNOLÓGICOS Tracción Compresión Fatiga Impacto Plegado Embutición Flexión Torsión Cizalla Dureza Charpy Impacto-Tracción Izod Punzonado Brinell Vickers Rockwell Shore Poldi Knoop 2.2.- ENSAYOS DE TRACCIÓN EN MATERIALES. El ensayo de tracción se utiliza para evaluar la resistencia de los materiales. El ensayo consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta la rotura, en un corto intervalo de tiempo y a una velocidad constante. Figura 1. Esfuerzo de tracción sobre una probeta. Para la realización del ensayo se utiliza una Máquina Universal de Ensayos como se muestra en la Figura. La capacidad de esta máquina varía según el material objeto de ensayo, por ejemplo, en materiales de construcción, se utilizan máquinas con una capacidad alrededor de 500 KN; en materiales metálicos, de 200 KN y en materiales poliméricos de 25 KN. Figura 2. Esquema e imagen de una Máquina Universal de Ensayos. La fuerza aplicada a la muestra objeto de ensayo se registra, mientras el incremento de longitud que sufre el material puede obtenerse a partir de la señal de un extensómetro externo acoplado a la muestra. En la figura se muestran dos tipos de curvas: en la primera se representa fuerzaincremento de longitud y en el segundo caso tensión-alargamiento. Estas curvas son las más habituales y serán objeto de nuestro estudio. 31

ENSAYOS MECÁNICOS Figura 3. Curvas características obtenidas en los ensayos de tracción. 2.2.1.- Probetas utilizadas en los ensayos de tracción. Las probetas son porciones de materiales preparados para ensayar, en algunos casos esta preparación implica mecanizar, inyectar, troquelar etc. En cualquier caso siempre se prepararán de acuerdo con las normas. La sección transversal de la probeta podrá ser circular, cuadrada o rectangular y, en casos especiales, de otras formas. En España, las dimensiones más generalizadas suelen ser de 13,8 mm de diámetro y 100 mm de distancia entre puntos, en probetas de acero. Su ley de semejanza es: L 20 = 66,67 D Figura 4. Tipos de Probetas para ensayos de tracción y mordazas utilizadas. El tipo de probetas utilizadas para ensayos de tracción varía considerablemente. En la figura se muestran distintos tipos de probetas y las mordazas donde van fijadas las probetas a la máquina de ensayo. 2.2.2.-Fundamento del Ensayo de Tracción. De la realización y obtención de las curvas tensión-alargamiento se pueden determinar distintos parámetros del material tales como: Módulo de Young o de Elasticidad (E); Tensión de fluencia; Tensión de Rotura o Resistencia a la Tracción, %Alargamiento a la Rotura y % Estricción a la Rotura. Pasemos a continuación a definir todos estos parámetros. Distancia entre puntos (L). Es la longitud medida en cualquier momento entre las referencias marcadas en la parte cilíndrica o prismática de la probeta, antes de comenzar el ensayo. En particular, se denominan como se indica a continuación: 32

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS a.- Distancia Inicial entre puntos (Lo). Es la longitud medida entre los puntos de referencia citados, antes de la aplicación de la carga. b.- Distancia Final entre puntos (Lf). Es la longitud medida después de la rotura de la probeta y de la reconstrucción de ésta, mediante la aproximación cuidadosa de las partes obtenidas, a fin de que encajen lo más perfectamente posible, estando sus ejes en prolongación. c.- Incremento de longitud: Diferencia entre la Distancia entre puntos para una determinada fuerza (L) y la Distancia Inicial L = L - Lo. Figura 5. Distancia entre puntos y diámetros de la probetas antes y después del ensayo. Tensión unitaria (σ) [MPa o Kp/mm 2 ]. Es el cociente de dividir la carga a que está sometida la probeta, en cualquier momento del ensayo, por la sección inicial. Las unidades para expresar la tensión unitaria son generalmente MPascal [10 6 N/m 2 ] o Kp/mm 2. Alargamiento (ε) [%]. Es el aumento de la distancia inicial entre puntos de la probeta una vez sometida a la carga prescrita y después de descargada, expresada en tanto por ciento según la fórmula siguiente: Li Lo ε = 100 Lo Alargamiento a la rotura (ε R ) [%] Es el aumento de la distancia inicial entre puntos después de producida la rotura de la probeta y reconstruida ésta, expresado en tanto por ciento de la distancia inicial según la fórmula siguiente: ε R Lf Lo = 100 Lo Estricción (Ψ) [%] Es la diferencia entre el área de la sección inicial (So) y el área de la sección (Si) una vez sometida a la carga prescrita y después de descargada, expresada en tanto por ciento según la fórmula: So Si Do Di Ψ = 100 = 2 So Do 2 2 100 Estricción a la rotura (Ψ R ) [%] Es la diferencia entre el área de la sección inicial (So) y el área mínima (Sf) de la probeta después de la rotura, expresada en tanto por ciento según la fórmula siguiente: 33

ENSAYOS MECÁNICOS Ψ R So Sf = So Do Df 100 = 2 Do 2 2 100 Resistencia a la Tracción o Tensión de Rotura (σ R ) [MPa o Kp/mm 2 ] Es la carga unitaria máxima soportada por la probeta durante el ensayo. Tensión Última (σ U ) [MPa o Kp/mm 2 ] Es la carga unitaria en el momento de la rotura de la probeta. Módulo de Young o de Elasticidad (E) [MPa o Kp/mm 2 ]. El Módulo de Young puede ser evaluado a partir de la pendiente en la porción lineal elástica de la curva fuerza-incremento de longitud obteniendo el valor según la fórmula: o de la curva tensión alargamiento: Lo Ε = Pendiente So Ε = Pendiente Para el caso de materiales poliméricos o algunos metales muy dúctiles que no poseen una perfecta linealidad en la zona de deformaciones elásticas, el módulo E se calcula como el módulo secante a un alargamiento del 0,2%, tal y como se muestra en la figura. El módulo secante vendrá dado por la pendiente del segmento OA. Figura 6. Cálculo del Módulo Secante de un material. Fluencia y Límite Elástico (σ E ) [MPa o Kp/mm 2 ]. En algunos materiales que sufren una transición del periodo elástico al plástico de forma gradual, el punto donde empiezan a producirse las deformaciones permanentes (fluencia), se denomina a menudo límite proporcional. En tales casos, la posición de este punto no puede ser determinada con precisión. Por este motivo se ha establecido una convención por la cual se traza una línea recta paralela a la línea elástica del diagrama de tensión-alargamiento, desplazada por un determinado alargamiento, generalmente 0,2%. La tensión correspondiente a la intersección de esta línea con el diagrama tensión-alargamiento, se denomina límite elástico. Figura 7. Cálculo del Límite Elástico al 0,2%. 34

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS Para aquellos materiales que tienen una región elástica no lineal, la utilización del método anterior no es posible, y la práctica usual es definir el límite elástico como la tensión necesaria para producir una determinada deformación plástica. Para estos materiales, esta tensión se puede tomar en función del 0,1; 0,2 ó 0,5% de alargamiento. El valor calculado se expresa con el respectivo % de alargamiento utilizado. El valor se obtiene trazando una paralela a la línea elástica de la gráfica, a partir de 0,1% de alargamiento o el valor de alargamiento deseado hasta intersectar en la curva, obteniendo por proyección el valor de la tensión. Figura 8. Cálculo del Límite Elástico al 0,1% En el caso de materiales férreos y en concreto de los aceros, también podemos distinguir otros parámetros en las curvas tensión-alargamiento. Figura 9. Curva tensión-alargamiento de un acero. Límite elástico aparente superior (Punto A). Es el valor de la carga unitaria medida al comienzo de la deformación plástica al iniciarse el fenómeno de fluencia o el valor de la carga unitaria medida en el primer máximo que aparece en la figura al iniciarse la fluencia, aunque éste sea igual o inferior a otros máximos que puedan presentarse durante dicho fenómeno. Límite elástico aparente inferior (Punto B). Es la carga unitaria más baja que soporta la probeta, al final de la fluencia, sin tener en cuenta las oscilaciones intermedias. Veamos a continuación un ejemplo, donde calcularemos y aplicaremos todas las definiciones anteriormente expuestas. En la siguiente figura se muestra la curva fuerza-incremento de longitud, en material polimérico. Las dimensiones de la probeta fueron las siguientes: Anchura: 12,61 mm, espesor: 3,47 mm; Longitud inicial: 50 mm; Longitud final después de la rotura: 97 mm. La máxima fuerza alcanzada en el ensayo 35

ENSAYOS MECÁNICOS fue de 1290 N. Calcule: Módulo de Elasticidad o de Young (GPa); Tensión de rotura o Resistencia a la Tracción (MPa); %Alargamiento a la rotura. Cálculo del Módulo de Elasticidad o de Young (GPa). E = Pendiente x (Longitud Inicial / Sección Inicial ) Pendiente: En 0,1 mm de incremento de longitud es el 0,2% de 50 mm de longitud y corresponden con una fuerza aplicada de 112 N. Pendiente= Fuerza / Extensión= =1,12 / 10-4 = 1,12x10-6 (N/m) Sección = 1,261 x 10-2 x 3,47 10-3 = 4,38 x 10-5 m 2 Longitud inicial Lo= 50 mm E = 1,28 (GPa) Cálculo de la Tensión de Rotura o Resistencia a la Tracción (MPa). σ R = ( Fmáxima / Sección Inicial)= 1290 / 4,38 x 10-5 = 29,45 MPa %Alargamiento a la Rotura (ε R ) ε R =[(Longitud Final Lf - Longitud Inicial Lo) / Longitud Inicial Lo] x 100 = = [ (97-50) / 50 ) ] x 100 = 94%. 2.2.3.-Observación de las Superficies de Fractura en la Probeta. El examen de las probetas después de la rotura sirve para completar la información numérica que se ha obtenido en el ensayo de tracción. En este apartado nos centraremos en la descripción de las superficies de fractura como consecuencia de la aplicación de un esfuerzo uniaxial sobre aceros. Los términos Dúctil y Frágil son utilizados desde el punto de vista de la existencia o no de deformación plástica que precede a la rotura del material. Las fracturas dúctiles son aquellas que ocurren por la formación y coalescencia de microgrietas en el interior del material. La forma copa-cono que se muestra en las figura 10 a y b ocurre como resultado de una apreciable deformación plástica y por consiguiente es una fractura dúctil. En este caso la fractura comienza en el interior del material propagándose hasta la superficie produciéndose la separación final por un efecto de cizalla, la cual se sitúa en la pared de la copa del material. La fractura frágil que se muestra en las figuras 10 c y d, se caracteriza por la aparición de unas estrías que emanan del centro de la superficie de fractura. Las estrías se propagan paralelas a la dirección de las grietas. La presencia de manchas brillantes también delata la presencia de una fractura frágil. a b c d Figura 10. a y b Forma Copa-Cono respectivamente que indican fractura dúctil. c y d. Superficies que presentan fractura frágil. 36

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS También es interesante observar la finura de grano y si existen inclusiones, poros y otras irregularidades que ayudan a conocer con más precisión la calidad del material. Finalmente, es conveniente observar el aspecto de la estricción, porque una gran estricción indica que el alargamiento es elevado, mientras que una baja estricción es señal de poco alargamiento. 2.3.- ENSAYO DE RESILIENCIA. Hay muchos materiales que ante la actuación de un esfuerzo se comportan de una manera plástica pero en otras ocasiones se manifiestan de una forma frágil. Generalmente tres son las causas que pueden motivar un comportamiento más frágil ante la actuación de un esfuerzo: Descenso de temperatura. Casi todos los metales o aleaciones se vuelven más frágiles al descender la temperatura. Los casos más relevantes se dan en aquellos que cristalizan en sistema cúbico centrado en el cuerpo, donde se presenta una temperatura de transición en la que disminuye bruscamente su plasticidad (ver fig.11). El efecto de la triaxilidad. Normalmente sobre los materiales actúan esfuerzos en una sola dirección del espacio, pero cuando está lo hace en dos o tres direcciones restringe la capacidad de deformación del material, aumentando por lo tanto su fragilidad. Cuando actúa un esfuerzo sobre un material con entalla (aunque sea sólo en una dirección del espacio), además de provocar un efecto de concentración de esfuerzos, crea unas tensiones en las tres direcciones del espacio (triaxilidad), que restringen su deformación. El efecto de la velocidad de aplicación de la carga. Se ha comprobado que conforme aumenta la velocidad de aplicación de la carga, disminuye la capacidad para deformarse un material, es decir aumenta su fragilidad. Figura 11. Influencia de la temperatura en el comportamiento de distinos materiales. Es obvio que se presentarán en muchas ocasiones en las que los materiales sufran la actuación de esfuerzos en condiciones que afecten a la plasticidad de los mismos y es por tanto necesario un ensayo que nos permita medir la respuesta de un material cuando está sometido a estas condiciones. Normalmente se hacen ensayos que nos sirven para conocer la tenacidad del mismo (Cantidad de energía consumida por unidad de sección para deformar y romper un material). Aunque no tienen el mismo significado, hay una correspondencia entre plasticidad (cantidad de deformación) y tenacidad (consumo de energía), por lo que implica que un material muy tenaz es un material con alta plasticidad y a la inversa. Los ensayos más empleados para medir la resiliencia de un material (energía consumida por unidad de sección) son el método Charpy (muy empleado en Europa) y el Izod (más empleado en Estados Unidos). 2.3.1.- Tipos de Ensayo de Impacto. Los ensayos más importantes hoy día para predecir el comportamiento de un material ante la acción de cargas dinámicas por flexión son los métodos Charpy e Izod. 37

ENSAYOS MECÁNICOS En general, consisten en un péndulo (ver fig 12), con una determinada masa pendular, que sube hasta una cierta altura h y, por lo tanto, con una energía potencial determinada (E p1 ), y se deja caer rompiendo por flexión una probeta (a una altura 0), subiendo después de haber perdido energía (la consumida en la deformación y rotura de la probeta) hasta una altura h con una energía potencial E p2. La diferencia de energía potencial nos dará la energía consumida y al dividirla por el valor de la sección de la probeta, el valor de resiliencia. En estos ensayos, probetas normalizadas se rompen de un solo golpe, midiendo la energía consumida para producir la rotura. Figura 12. Péndulo para Ensayos de Impacto Se entiende por resiliencia, la energía absorbida en la rotura por unidad de sección, expresada en Kp/cm 2. La resiliencia, por si sola no es suficiente para medir la tenacidad de un material. Es decir, la resiliencia es un valor que caracteriza a un material sometido a determinadas condiciones de ensayo, pero que no predice su comportamiento en situación real de servicio. No obstante, es un método válido para contrastar la calidad de distintos metales o aleaciones. 2.3.1.1.- Ensayo Charpy. El péndulo con el que se realiza este ensayo, está constituido por dos montantes verticales unidos por su parte inferior a una base rígida, y un eje horizontal alrededor del cual gira un brazo que tiene en su extremo una pesa en forma de disco. El disco presenta una arista afilada que forma un ángulo de 30º, con radio de 1 mm., y que se encarga de romper la probeta por choque (ver figura 12). En la parte inferior del montante hay dos apoyos regulables sobre los que descansa la probeta en posición horizontal, de forma que la cara entallada quede opuesta a la cara que recibe el golpe. Para realizar el ensayo se levanta el péndulo a una determinada altura (en nuestro caso 1,5 m. o un ángulo de 161º10 ) dejándola caer después. Al incidir sobre la probeta, la rompe y sigue moviéndose hasta una altura inferior a la de caída, pues parte de la energía que llevaba se consume en el choque, siendo ésta la energía que utilizaremos para calcular la resiliencia. Para medir esa energía, la máquina dispone de una aguja que es arrastrada por el péndulo, indicando en un disco graduado, el ángulo que alcanza el péndulo después del choque o, directamente por ser proporcional, la energía consumida. Con estos datos podemos deducir el valor de la resiliencia pues, como hemos dicho, la energía nos viene dada directamente en el disco graduado o la hallamos por diferencia de alturas (que conocemos en función de los ángulos de caída y subida), siendo la sección la correspondiente a la probeta. Se han normalizado tres tipos de péndulos capaces de desarrollar una energía de 10, 30 y 300 Kpm, respectivamente. Con los de 10 y 30 Kpm. se ensayan probetas de 10 x 10 mm de sección colocados en apoyos que distan 40 mm. El de 10 Kpm. se utiliza para métales de baja resiliencia como Al, Zn, etc. 38

MATERIALES: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS Con el péndulo de 300 Kpm. se ensayan probetas de 30 x 30 mm de sección y una distancia entre apoyos de 120 mm. La elección del tipo de probeta se hace de acuerdo con el material objeto de ensayo. Por lo general, las probetas de los materiales más dúctiles deben poseer entalladuras más agudas y profundas que los normales. Figura 13. Probeta tipo Mesnager. El tipo de probeta de mayor uso en España es la de Mesnager, con una entalladura de 2 mm. de profundidad, 2 mm. de anchura y el fondo redondeado con 1 mm. de radio (ver fig. 13). Los valores de resiliencia varían entre 30 Kpm/cm 2 para aceros extradulces y 5 Kpm/ cm 2 para aceros extraduros. El tamaño y forma de las probetas tiene una importancia extraordinaria en los resultados, por ejemplo, manteniendo constante la altura de una probeta y aumentando la anchura, se obtienen valores de resiliencia decrecientes, debido a que la zona donde se experimentan mayores alargamientos, influye cada vez en menor grado conforme aumentamos la anchura. 2.3.1.2.- Ensayo Izod. Es también un ensayo de flexión por choque muy semejante al de Charpy. Se caracteriza porque la probeta entallada está sujeta por un extremo y libre por el otro (ver fig. 14). Sobre este último recibe el golpe de la maza pendular (en este caso, cuando la maza golpea lo hace con una energía de 19,6 Kpm.). El golpe lo recibe por la cara de la entalla, que debe quedar enrasada con el borde de la mordaza de sujeción. La maza golpea a una distancia de 22 mm. de la entalla. Figura 14. Configuración del Ensayo Izod. Las probetas que se utilizan son, por lo general, de 130 mm. de longitud con tres entallas en distintas caras que distan 28 mm. entre sí, de forma que se pueden efectuar tres ensayos sobre la misma probeta, siendo el resultado final el promedio de los tres. 2.3.2.- Consideraciones sobre los Ensayos de Flexión por Choque. 1. Las probetas deben cumplir siempre las dimensiones y tolerancias establecidas en cada caso, ya que para que los resultados sean comparables, las probetas deben tener iguales características geométricas. 2. Las probetas deben estar bien mecanizadas, no presentando rayas ni marcas de mecanizado. 39

ENSAYOS MECÁNICOS 3. La profundidad y forma de las entalladuras deben ser la más exacta posible. Cualquier rugosidad que presenten puede variar el valor de la resiliencia. 4. Las distancias entre apoyos deben ser siempre las mismas para que los resultados sean comparables. 5. Al aumentar la velocidad de caída se dificulta el deslizamiento cristalino, es decir, un aumento de velocidad supone una disminución de la resiliencia. 6. Normalmente y salvo casos especiales los ensayos se realizarán a una temperatura constante 20±3ºC, ya que las variaciones de temperatura pueden modificar extraordinariamente los resultados. Un descenso de temperatura provoca una disminución de ductilidad y resiliencia. 7. Es necesario señalar el proceso seguido para obtener la probeta, pues los valores de resiliencia varían según el lugar de donde han sido extraídas, por ejemplo, en las piezas de acero, según sean del centro o de la periferia. 8. Hay que indicar la orientación de las probetas respecto al sentido de forja o laminación (si lo tienen) pues los valores obtenidos en probetas extraídas en sentido transversal, son inferiores a los de las obtenidas en sentido longitudinal. Para evitar errores de interpretación conviene efectuar ensayos longitudinales y transversales. 9. Si designamos por ρ 1 y ρ t a las resiliencias longitudinales y transversales, respectivamente, podemos obtener el coeficiente K: ρt K = ρ 1 10. No se considera válido un ensayo si la probeta no sufre una rotura total. La calidad del metal será mayor cuanto más cercano a la unidad sea el valor de K. 2.4.- ENSAYOS DE DUREZA. De forma genérica se entiende por dureza la resistencia superficial a la deformación de un sólido. Aunque no es una propiedad fundamental de un material, a partir de ella se pueden obtener informaciones acerca de las características mecánicas del mismo, ya que está relacionada con las propiedades elásticas y plásticas. El valor de dureza obtenido en un ensayo determinado sirve sólo como comparación de ese material con otros, o con él mismo, tras un tratamiento efectuado sobre él. El procedimiento de ensayo y la preparación de la muestra tienen la ventaja de ser sencillos, rápidos y en algunos casos no destructivos. Además, a partir de la dureza de un material se puede obtener cierta información sobre sus características mecánicas. composición resistencia al desgaste, dificultad de mecanizado, influencia de los tratamientos térmicos o mecánicos que ha sufrido, etc. La moderna tecnología aplicada a las construcciones metálicas y las transformaciones a que pueden someterse las estructuras internas de los metales, mediante procesos térmicos y de aleación demuestran la importancia que para la industria tiene el conocimiento a priori de la dureza de los materiales para la correcta utilización de los mismos. Los diversos ensayos de dureza se pueden dividir en tres grandes grupos: l. Ensayos de dureza al rayado. 2. Ensayos de dureza por penetración estática. 3. Ensayos de dureza elástica o dinámicos. 40