Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ciencia de los Materiales Informe 3: Ensayo de dureza en Acero con distintos tratamientos termicos Ciencias de los Materiales CM3201 Alumno: Pablo J. Cabello H. Grupo: 1 Ayudante: Maximiliano Ferrer Fecha Realización: 16/Octubre/2012 Fecha Entrega: 17/Octubre/2012
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Índice 1. Resumen 4 2. Introducción 4 2.1. Marco Teórico............................. 4 2.1.1. Acero............................. 4 2.1.2. Tratamientos Térmicos................... 5 2.1.3. Dureza............................. 6 2.2. Objetivos y Resultados Esperados................. 6 2.3. Metodología.............................. 7 3. Resultados 8 4. Discusión 8 5. Anexos 9 5.1. Bibliografía.............................. 9 5.2. Datos Obtenidos........................... 9 3
1. Resumen En este informe buscaremos analizar el comportamiento de las propiedades mecánicas de una probeta de Acero SAE 1020, mas en especifico analizaremos como se comporta la dureza de un material dado un tratamiento térmico. Luego de un tratamiento de los datos que se obtuvieron conseguimos los siguientes valores para las durezas obtenidas con cada tratamiento: Templado Normalizado Recocido Promedio 160,4 101,6 84,0 2. Introducción 2.1. Marco Teórico Previo a la discusión de los datos que se obtuvieron en el laboratorio, se debe tener conocimiento de algunos conceptos importantes para el análisis mismo, estos conceptos son los siguientes: 2.1.1. Acero El acero es una aleación de Hierro y Carbono en el cual este ultimo se encuentra en proporciones del 0,05 % hasta concentraciones cercanas al 2 % de carbono. Dependiendo de la temperatura y la concentración de carbono el acero puede presentar distintas estructuras siendo las mas importantes las siguientes: 1. Ferrita: Solución solida de carbono en F e α con una baja solubilidad de C (Su valor máximo de solubilidad es cercano a los 0,025 %), corresponde a una de las formas de acero mas blandas con una dureza cercana a los 90[HV ]. 2. Cementita: Compuesto de CF e 3 que presenta una concentración de C cercana a los 6,67 %, lo cual lo hace tener una de las durezas mas altas de las estructuras de acero con una dureza cercana a los 1000[HV ] 3. Perlita: Esta estructura corresponde a laminas de cementita y ferrita intercaladas, y con una composición promedio cercana a los 0,8 % de C. Aparece debido a enfriamientos lentos y su dureza depende del grosor de las laminas de cementita, que a su vez depende de la velocidad con la que se enfrie el acero. 4
4. Austenita: Solución solida de carbono en F e y, con una solubilidad máxima cercana al 2 %, aparece al calentar un acero por sobre los 727 C, posee una dureza cercana a los 300[HV ] 5. Martensita: Corresponde a una solución solida de C sobresaturado en F e α que se consigue mediante enfriamiento rápido de la Austenita. Posee una alta dureza, pero que depende de la concentración de C que posea variando entre 500 y 1000[HV ]. 2.1.2. Tratamientos Térmicos Los tratamientos térmicos corresponden a procesos de calentamiento y posterior enfriamiento de un material. Este proceso es capaz de alterar las propiedades de un material dependiendo de la temperatura a la que se caliente el metal y la velocidad con la que se enfrie posteriormente. Para este informe se consideraran 3 tratamientos térmicos, todos ellos con una temperatura de calentamiento de 850 C. 1. Templado: Corresponde a un tratamiento en que la velocidad de enfriamiento es muy rápida. En este caso, se enfrio la probeta sumergiéndola en agua a temperatura ambiente, lo cual disminuyo su temperatura rápidamente. Los aceros enfriados de esta manera estan constituidos mayormente por martensita, proveniente del enfriamiento rápido de austenita. 2. Normalizado: En este tratamiento se enfria el material a temperatura ambiente, disminuyendo la velocidad de enfriamiento respecto a la del Templado. El acero tratado de esta manera posee capas finas de perlita y una pequea cantidad de ferrita. 3. Recocido: Corresponde al tratamiento con la velocidad de enfriamiento mas lenta. En este se dejo la probeta enfriar al interior del horno en que se calentó, manteniéndose temperaturas. Asumiendo que la velocidad del proceso es suficientemente lenta, se pueden obtener las estructuras del acero tratado con este proceso a partir del diagrama de fase del hierrocarbono, estas estructuras corresponden a ferrita y a capas gruesas de perlita. 5
2.1.3. Dureza La dureza cuantifica la resistencia de la superficie de un material a ser deformada debido a esfuerzos generados por otro material, que, idealmente, no sufre deformaciones. Esta propiedad es medida con el instrumento llamado durometro, estos instrumentos utilizan de forma genérica elementos para penetrar la superficie del material cuya dureza se quiere caracterizar. Existen distintos tipos de durometros que utilizan distintas formulas y escalas para la caracterización, entre ellos mencionaremos 3 tipos importantes de durometros: 1. Brinell: Este tipo de durometro utiliza una esfera de acero o carburo de diámetro D = 10[mm] de diámetro para penetrar la superficie del material con una carga P, variable, con esta carga la esfera puede penetrar una cierta distancia, dejando una huella de diámetro d en el material. La escala que es usada en este tipo de durometro, utiliza ambos parámetros (P, d) para tabular los valores de dureza de la forma: 2P Dureza = πd(d D 2 d 2 ) 2. Vickers: El durometro de vickers utiliza una punta de diamante de forma piramidal para penetrar el material usando una carga P variable dejando una huella cuadrada en el material cuyas diagonales de tamao d, con esto se obtiene el valor de dureza del material en la escala del durometro de la forma: Dureza = AP d 2 Con A una constante del método. 3. Rockwell: Existen varios tipos de durometros de rockwell, que se distinguen por la punta y la carga utilizadas penetrar el material. En todos se obtiene la dureza utilizando la profundidad t de la penetración producida en el material a estudiar. Prueba Carga utilizada Tipo de punta Formula de la Dureza A 60 Punta C 150 cónica de Dureza = 100 500t D 100 diamante B 100 Punta F 60 esférica Dureza = 130 500t G 150 de acero 2.2. Objetivos y Resultados Esperados Se espera, que a partir del análisis de los datos que se obtuvieron en el laboratorio y que se realizara en este informe, poder caracterizar el comportamiento 6
de las propiedades mecánicas de un material ante los distintos tratamientos térmicos que se le aplicaron. Mas en especifico dado la información que se recogió en el laboratorio, se buscara ver como se relaciona la dureza del acero con su microestructura dada por el tratamiento térmico al cual fue sometido. De la literatura se puede plantear de forma previa al análisis que la dureza se comportara de la siguiente manera, la probeta recocida tendrá la dureza mas baja de las 3 y por su parte la probeta templada tendrá una dureza superior a las otras. 2.3. Metodología La metodología para la obtención de los datos en el laboratorio fue la siguiente: 1. Se sometió a 2 probetas de acero SAE 1020 a temperaturas cercanas a los 850 C en un horno, luego de que alcanzaran esta temperatura, se retiraron, una se sumergió en agua y la otra se dejo para que enfriara a temperatura ambiente. Cabe notarse que además existía una probeta sometida a recocido que se había calentado y dejado enfriando el día anterior, debido al largo tiempo de espera para su enfriamiento. 2. Mientras la probeta que se pretendía Normalizar se enfriaba, se pulieron las superficies de las otras probetas, utilizando una lija circular, con tal de disminuir el error en las mediciones asociado a elementos formados por la reacción del carbono del acero con el oxigeno del horno u a imperfecciones en la superficie del acero. 3. Una vez la probeta normalizada alcanzo los 77 C, y por temas de tiempo, se enfrio usando agua, asumiendo que para tal temperatura ya se habían formado las estructuras que se querían observar, y se procedió a pulirla. 4. Una vez pulidas las probetas se midió su dureza utilizando un durometro portátil, tratando de realizar las mediciones en aquellas zonas mejor pulidas, con menos ralladuras y sin presencia de óxidos de hierro visible. 7
3. Resultados Tras eliminar algunos datos obtenidos, debido a que podían provenir (o directamente provenían) de fuentes de error se consiguieron los siguientes datos, se escogieron los 5 datos mas representativos del material para calcular su dureza. Templado Normalizado Recocido 161 105 85 166 102 83 Dureza 161 97 85 [HV ] 161 102 84 153 102 83 Promedio 160,4 101,6 84,0 Se pueden encontrar la totalidad de los datos en el Anexo correspondiente. 4. Discusión Lo primero que cabe notarse es que si bien la dureza del Acero aumento en el templado, este aumento de dureza no es muy importante, considerando que la martensita, compuesto que debiese resultar idealmente del templado, posee una dureza bastante alta. Esto se debe a la baja concentración de carbono en la probeta utilizada, que hace que al aumentar la temperatura en el horno quede ferrita sin austenizar, la cual se mantiene luego del enfriamiento y provoca la disminucion de la dureza. Si se revisan la totalidad de los datos que se obtuvieron en el laboratorio vemos que para el recocido y el normalizado los valores son bastante cercanos y los errores se pueden asociar con errores aleatorios ligados a ralladuras en la superficie o presencia de oxido en la misma debido a defectos en el pulido. Por su parte el error en las mediciones realizadas para el templado es mucho mayor, siendo una de las posibles explicaciones para esto el que en ciertas zonas, el acero, debido a los muchos usos que se le ha dado, tuviera una mayor concentración de carbono, permitiendo una mayor formación de Austenita durante el calentamiento que durante el enfriamiento se transforma en Martensita. Luego, al haber mayor martensita en algunas partes que en otras, podrían generarse diferencias considerables en la dureza considerando también el efecto de ralladuras. 8
5. Anexos 5.1. Bibliografía 1. http://zeus.dci.ubiobio.cl/ caaici/apuntes/materiales/apunte 06 estructura polifasica de los metales y diagrama de fases.pdf 2. http://www.desin.com/pdf/tt-sondas.pdf 3. http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5 anio/metalografia/5- Estructuras del acero v2.pdf 4. http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos %20de %20enfriamiento.htm templado 5.2. Datos Obtenidos Templado Normalizado Recocido 122 91 105 127 85 102 161 81 96 166 83 97 144 88 102 130 106 110 307 85 108 Dureza 276 93 102 [HV ] 292 99 113 161 101 81 161 95 109 153 84 90 299 83 258 256 129 9