Metalurgia: Tratamientos térmicos

Industriales. Combionación: calentamiento y enfriamiento. Temple. Fases. Desarrollo experimental

  • Enviado por: Jéssica Vega
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 37 páginas
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INDICE

Página

  • Introducción Experimental ................................................ 4

  • Desarrollo Experimental ................................................ 16

  • Presentación de Resultados ................................................ 18

  • Discusión Personal ................................................ 29

  • Conclusión Final ................................................ 32

  • Bibliografía ................................................ 33

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Los tratamientos térmicos son combinaciones de calentamiento y enfriamientos a tiempos determinados aplicados a un metal o aleación en estado sólido con el fin de modificar propiedades de acuerdo a las condiciones de uso. Los tratamientos térmicos tienen como objetivo el estudio del efecto de la composición, temperatura, tamaño de grano y atmósfera del horno de calentamiento, sobre la microestructura y dureza de los aceros.

Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para los aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero.

El primer paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar austenita. En la mayoría de los casos, la rapidez de calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que otros factores en el ciclo de tratamiento térmico. Los materiales altamente forzados producidos por trabajado en frío deben calentarse mas lentamente que los que se haya libres de esfuerzos para evitar distorsión. Se puede considerar la diferencia en temperatura que tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artículos de sección transversal variable y, siempre que sea posible, se debe tomar alguna medida para ser más lento el calentamiento de las secciones más delgadas, de tal modo que sea posible minimizar el esfuerzo térmico y distorsión. Por lo general se hará menos daño al acero al utilizar una rapidez de calentamiento tan lenta como sea práctico.

Primero, definiremos lo que es Temple y Revenido. Ambos son tratamientos térmicos en aceros, el Temple es un calentamiento desde la zona austenítica, (no se puede templar aceros con bajo contenido carbono < 0.15% C ), y seguido de un enfriamiento acelerado, la velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y depende del medio refrigerante. La alta velocidad de enfriamiento no permite la difusión del carbono, para formar ya sea ferrita o ferrita más carburo o también carburo proeutectoide, lo que implica que no hay tiempo para la transformación de austenita ferrita o austenita a cementita. Entonces se forma una estructura tetragonal sobre saturada en carbono, por lo tanto el carbono queda atrapado en esta estructura tetragonal centrada en el cuerpo llamada Martensita.

Microscópicamente la martensita aparece de forma acicular y las características de esta transformación son:

  • Esta transformación es adifucional, hubo un cambio, pero no hubo difusión que implica sin cambio de en la composición química.

  • La transformación es atérmica, quiere decir, que opera o prosigue solo si la temperatura desciende.

  • La variación de la temperatura de inicio Ms esta fuertemente influenciada por el contenido de carbono.

  • La propiedad más importante es dureza, la cual también se ve afectada por el contenido de carbono.

El Revenido es un tratamiento que se aplica luego de un temple, ya que los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen con un revenido, que es un tratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior, enfriándolo luego generalmente al aire y otras veces en aceite o agua, según la composición.

En la condición martensítica sin tratamiento térmico anterior, el acero es demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones. La formación de martensita origina grandes tensiones residuales en el acero; por tanto, el endurecimiento casi siempre sigue de un tratamiento de revenido, el cual consiste en calentar el acero a alguna temperatura menor que la inferior crítica. El propósito del revenido es liberar los esfuerzos residuales y mejorar la ductilidad y tenacidad del acero. Este aumento en ductilidad generalmente se obtiene a costa de la dureza o de la resistencia.

En general, sobre el amplio intervalo de temperaturas de revenido, la dureza disminuye y la tenacidad aumenta conforme se incrementa la temperatura de revenido

El intervalo de revenido de 400 a 800°F es una línea divisoria entre las aplicaciones que requieren alta dureza y aquellas que requieren alta tenacidad. Si la principal propiedad deseada es la dureza o la resistencia al desgaste, la pieza se reviene por debajo de 400º ; si el principal requisito es la tenacidad la pieza se reviene por arriba de 800ºF

El objetivo del revenido no es eliminar los efectos del temple sino modificarlos, disminuyendo la dureza y resistencia, aumentando la tenacidad y eliminando también las tensiones internas que tiene los aceros templados. Para comprender el fundamento de este tratamiento, es interesante estudiar el efecto que ejerce sobre las propiedades mecánicas de los aceros.

Todos los procesos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación de la austenita. Los tratamientos térmicos tienen como objetivo mejorar las propiedades de los aceros, y consiste en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo, para luego enfriarlas en condiciones convenientes. Por ello el tiempo y temperatura son los factores principales.

Por lo antes mencionado, para realizar un tratamiento térmico se debe tener en cuenta que según el uso de la pieza a tratar es el tratamiento a efectuar. Luego para una buena realización, existen tres condiciones generales:

  • Materiales sometidos a esfuerzos para trabajado en frío deben calentarse levemente para evitar distorsiones o agrietamientos.

  • Materiales de sección gruesa o variable deben calentarse lentamente, para evitar distorsiones.

  • Materiales de secciones gruesas deben mantenerse más tiempo a temperatura para lograr una buena homogeneidad térmica.

Como los tratamientos térmicos mencionados son aplicados a tipos de aceros, es necesario describir el sistema de equilibrio del diagrama Hierro-Carbono.

Las aleaciones de hierro y carbono que tienen desde una pequeña cantidad (aproximadamente un 0.03%) a un 1.2% de carbono, y de un 0.25 a un 1% de manganeso y menores cantidades de elementos reciben la denominación de aceros ordinarios al carbono o de bajo carbono.

En el diagrama de fases que luego se adjunta se puede apreciar las fases presentes en las aleaciones hierro carbono enfriadas muy lentamente a varias temperaturas y composiciones de hierro con carbono hasta del 6.67%. Este diagrama de fases no es un diagrama verdadero, puesto que el compuesto carburo de hierro que se forma no es verdadero fase de equilibrio. En ciertas condiciones, la cementita o Fe3C, puede descomponerse en las fases más estables del hierro y en carbono (grafito). Sin embargo en la mayor parte de las condiciones, la cementita es muy estable, y por tanto, será tratado como una fase de equilibrio.

El diagrama de fases Fe-Fe3C contiene las siguientes fases sólidas: ferrita ( ), austenita(y), cementita(Fe3C), y ferrita(G).

  • Ferrita ( ) : esta fase es una solución sólida de carbono en la red cristalina de hierro BCC. Como se indica en el diagrama de fases, es muy poco soluble en ferrita alcanzando la máxima solubilidad sólida, de un 0,02% a 723ºC. La solubilidad del carbono en ferrita disminuye a un 0.005% a 0ºC.

  • Austenita () : la solución sólida intersticial de carbono en hierro se llama austenita. La austenita tiene estructura cristalina FCC y mucha mayor solubilidad sólida para el carbono que la ferrita. La máxima solubilidad del carbono en austenita es de 2.08% a 1148ºC y disminuye a 0.8% a 723ºC.

  • Cementita : el compuesto intermetálico Fe3C se llama cementita. Tiene límites despreciables de solubilidad y una composición del 6.67% en carbono y 93.3% en hierro. Es un compuesto duro y quebradizo.

  • Ferrita () : la solución sólida intersticial de carbono en hierro se llama ferrita. Tiene estructura cristalina BCC como la ferrita (), pero con una constante de red mayor. La máxima solubilidad del carbono en ferrita es de 0.09% a 1465ºC.

Ahora se estudiara la reacción eutectoide, la cual en el punto eutectoide la austenita sólida de 0.8% de carbono produce ferrita( ) con 0.02% de carbono y Fe3C que contiene 6.67% de carbono. Esta reacción, que ocurre a 723ºC, se puede escribir del siguiente modo:

AUSTENITA(0.8%C) --------- FERRITA()(0.02%C) + Fe3C(6,67%C)

723ºC

Esta reacción eutectoide, que tiene lugar completamente en estado sólido, es importante para algunos tratamientos térmicos de aceros de bajo carbono. Un acero que contiene un 0.8% se denomina acero eutectoide, puesto que se forma una estructura eutectoide de ferrita y Fe3C cuando se enfría lentamente la austenita de esta composición por debajo de esta temperatura eutectoide. Si un acero contiene menos de un 0.8% de carbono, recibe el nombre de acero hipoeutectoide, y si contiene más del 0.8% se llama hipereutectoide.

Los microconstituyentes de equilibrio del acero son ferrita y perlita, siendo este último una combinación de las fases ferrita y cementita con una morfología de placas alternadas de cada una de las fases. El grosor de las placas depende de la velocidad de enfriamiento, siendo más finas para velocidades de enfriamiento más rápidas. La perlita para velocidades de enfriamiento lentas es más basta, ya que las placas tienen más tiempo para crecer. En cambio a velocidades de enfriamiento más rápidas no pueden crecer demasiado debido a que el subenfriamiento es más grande, formándose muchos núcleos, los cuales entorpecen entre sí al crecer.

Como estos cambios de estructura son por medio de la difusión se pasará a explicarla.

DIFUSIÓN DE SOLIDOS

La difusión es el movimiento de los átomos en un material. Los átomos se mueven de manera ordenada, tendiendo a eliminar las diferencias de concentración y producir una composición homogénea en el material. Los átomos pueden también ponerse en movimiento aplicando voltajes o fuerzas externas al material. De hecho, los átomos se mueven aleatoriamente en los metales puros aun cuando no se apliquen fuerzas externas o no existan diferencias de concentración.

El movimiento de los átomos propicia muchos de los tratamientos que se aplican a los materiales. La difusión interviene en el tratamiento térmico de metales, en la manufactura de cerámicos, en la solidificación de materiales, en la fabricación de transistores y celdas solares, y aun en la conductividad eléctrica de muchos materiales cerámicos.

Se debe reconocer, sin embargo, que la difusión ocurre también en gases y en líquidos. La convección, el mezclado y otros fenómenos propician la difusión de los átomos en los estados gaseoso y líquido; además, la difusión es mucho más rápida en gases y en líquidos debido a que hay un factor de empaquetamiento menos eficiente entre sus átomos.

La dureza que se obtiene en el temple de los aceros y la templabilidad o penetración de temple, son dos características que se confunden con mucha frecuencia y que sin embargo, conviene aclarar.

Si templamos varias clases de aceros, podemos ver que unos se endurecen más y otros menos. También vemos que la penetración de la dureza hacia el interior es también unas veces mayor que otras. La dureza es la resistencia que opone el material a la penetración, y la templabilidad viene determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de las piezas.

Para aclarar estos conceptos, estudiaremos lo que sucede al ensayar dos aceros diferentes, uno SAE 1045 y otro aleado SAE 4140.

Si templamos en agua una varilla de 10 mm de diámetro de cada uno de esos dos acero, obtendremos en una sección transversal del exterior al interior las siguientes durezas: acero al carbono 57-57-56 y 55 Rockwell C, acero aleado 52-52-52- y 52 Rockwell C.

Ahora si templamos redondos de 100 mm de diámetro de los mismos aceros, obtendremos resultados muy diferente. La dureza disminuye muy rápidamente del exterior al interior en el acero al carbono y, en cambio, se conserva más uniforme en el acero aleado. Los resultados teóricos son: 48-26-20 para el acero al carbono y 50-44-38 para el aleado. Estas diferencias de penetración de la dureza se presentan por ser diferente la templabilidad de estos aceros.

Vemos, pues, que la dureza y la templabilidad son cosas distintas, por lo que la penetración del acero al carbono es mucho menor que un aleado.

Diversos Métodos para estudiar el comportamiento de los aceros en el temple

Como el comportamiento de los aceros en el temple es de gran interés para decidir su utilización, se han desarrollado numerosos procedimientos para ponerlo en manifiesto. Entre ello los más utilizados son:

  • El examen de fractura de barras templadas.

  • El estudio de las curvas de dureza o resistencia al interior de barras templadas.

  • El ataque químico de las secciones transversales templadas.

  • La determinación de las zonas de 50% de martensita.

  • El ensayo Jominy.

Los factores que se deben conocer para determinar la penetración de temple de los aceros son: la dureza y la distribución de la dureza en el interior de la pieza.

Factores que influyen en el temple de los Aceros

Si se calienta una pieza de acero a una temperatura más elevada que la temperatura crítica superior y luego se enfría más o menos rápidamente, la velocidad de enfriamiento de cada uno de sus puntos es la que regula el fenómeno de temple.

En las zonas de la pieza en que la velocidad de enfriamiento es mayor que la velocidad crítica de temple, el acero templa, y no templará o el temple será imperfecto en las zonas en que el enfriamiento se verifique a velocidad inferior a la crítica de temple.

Los factores que intervienen en el temple del acero, pueden clasificarse en dos grupos:

En el primero se encuentran los que son inherentes a la calidad del material y determinan su velocidad crítica de temple. Los más importantes son: la composición y el tamaño de grano. El estado de la estructura microscópica en el momento anterior al temple y el grado de heterogeneidad de la austenita, ejercen también cierta influencia en los procesos de temple.

Al segundo grupo pertenecen los factores que determinan la velocidad de enfriamiento de los diferentes puntos de las piezas, siendo los más importantes: 1a forma y dimensiones de las piezas, su estado superficial, la conductividad térmica del acero y el medio empleado para el enfriamiento. También debe tenerse en cuenta la temperatura empleada para el temple, porque si hay variaciones importantes, en ocasiones se acusa la diferencia de temperaturas empleadas en el tratamiento.

Influencia de la composición

Conociendo la curva de la “S” de enfriamiento continuo de un acero, se puede determinar su velocidad crítica de temple, ya que es precisamente la correspondiente a la línea de enfriamiento tangente a la nariz de la Curva de la “S”. Cuando dicha curva presenta más de un bucle o nariz, la velocidad crítica de temple queda determinada por la curva tangente, de enfriamiento más rápido.

Para conseguir un temple perfecto y una estructura totalmente martensítica, la velocidad de enfriamiento del acero deberá ser superior a la de la tangente citada anteriormente.

Aunque el estudio de las velocidades críticas de temple debe hacerse con ayuda de las curvas de la “S” de enfriamiento continuo, también las curvas de transformación isotérmica permiten prever con bastante aproximación lo que ocurre en cada caso. Además, como en la actualidad se conocen las curvas de transformación isotérmica de la mayoría de los aceros y en cambio se han determinado muy pocas curvas de transformación continua, en adelante, a pesar de no ser los razonamientos rigurosamente exactos, utilizaremos casi siempre curvas de transformación isotérmica para estudiar ciertos tratamientos y establecer algunas comparaciones de interés.

Las curvas de la “S”, reflejan claramente la influencia que tiene la composición y el porcentaje de elementos de aleación sobre la velocidad crítica de temple. Se observa que las curvas de la “S” se desplazan hacia la derecha al aumentar el porcentaje de manganeso y cromo y, por tanto, las velocidades críticas de temple disminuyen al aumentar el contenido de elementos de aleación.

La influencia que los diversos elementos de aleación ejercen en el temple, es muy compleja y difícil de explicar en unas pocas líneas. Sin embargo, en general, todos ellos disminuyen la velocidad crítica de temple, siendo el manganeso y el molibdeno los que actúan con mayor intensidad, siguiendo luego, por orden decreciente de eficacia, el cromo, silicio y el níquel.

Influencia del medio de enfriamiento

El medio de enfriamiento junto con el tamaño y forma de las piezas son, como hemos señalado antes, los factores que deciden la velocidad de enfriamiento de las piezas de acero en los tratamientos térmicos.

Con el enfriamiento en agua salada muy agitada, se consiguen las mayores velocidades, y enfriando las piezas dentro del horno, se obtienen las menores.

Con enfriamientos en aceite, al aire, en sales, etc., se consiguen velocidades intermedias, pudiendo elegirse entre todos ellos el medio que mejor cumpla las condiciones de enfriamiento deseadas en cada caso.

Para poder entender mayormente las lecturas anteriores es necesario ver y revisar con atención el siguiente diagrama de enfriamiento continuo para un acero aleado.

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Desarrollo Experimental

Para esta ocasión se usaron nueve muestras de acero SAE 1045 y SAE 4140. Las probetas analizadas fueron entregadas con los tratamientos térmicos ya aplicados de temple y revenido. Su identificación y tratamiento se indican en el siguiente cuadro:

Tabla Nº1.Identificación de las probetas


Acero

SAE

Temple en:

Revenido a:

H2O

Aceite

Salmuera

200ºC

600ºC

1045

1

2

3

4

5

6

01

02