Informe Nº2
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Josshua Panchi Díaz03/Octubre/2012
Informe Nº2Grupo 7
ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
Facultad de Ingeniería Mecánica
Tecnología de Conformado
Tema: Tratamientos térmicos
Objetivos: Clasificación de los T.T
Diagrama de T.T.
Diagrama General T.T
Diagrama F-C en equilibrio
Diagrama T.T.T.
Practicas de temple y revenido de alivio de fuerzas
Marco Teórico:
Tratamientos térmicos:
Buscando obtener una configuración adecuada de un metal para cumplir con una
aplicación se realizan los tratamientos térmicos (T.T.), y en general son procesos en los
cuales se calienta y enfría un metal de modo que se obtienen diferentes propiedades a
las iniciales, quedando el metal óptimamente adaptado para cumplir con una tarea al
final del proceso.
Los tratamientos térmicos se realizan sin que el metal pase a otro estado, esto es, se
realizan comúnmente en el estado solido y toda la masa a tratar se lleva a la temperatura
de tratamiento térmico (Tº D’TT), y una vez concluido cambia la estructura del
material. Los principales factores que influyen en estos procesos son: la temperatura
(Tº), el tiempo (t) y la masa (m).
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Josshua Panchi Díaz03/Octubre/2012
Informe Nº2Grupo 7
Clasificación de los T.T.:
Se puede destacar dos tipos de tratamientos térmicos: masivos y superficiales. En los
tratamientos térmicos masivos se lleva toda las masa a la temperatura de tratamiento
térmico y no existe un incremento de ella, mientras que en los tratamientos térmicos
superficiales se lleva únicamente parte de la masa a la temperatura de tratamiento
térmico, principalmente la superficie de los cuerpos, que es donde se realiza el
tratamiento térmico comúnmente; cabe remarcar que en este tipo de tratamiento térmico
existe un incremento de masa, aunque en un orden muy pequeño, por lo que no se puede
considerar a la masa constante para este caso.
Al final de un tratamiento térmico masivo las propiedades de todo el cuerpo son
afectadas, mientras que al concluir el tratamiento térmico superficial únicamente se
alteran las propiedades de la superficie del cuerpo tratado.
Algunos tratamientos térmicos masivos son continuos y otros isotérmicos, dentro de los
tratamientos térmicos masivos continuos se ubica el temple que controla la dureza de
los materiales, al controlar el tiempo y el medio de enfriamiento; el recocido que
homogeniza las estructura del material (es muy común hacer procesos de recocido a
materiales que provienen de fases liquidas como el acero fundido o soldado ) y el
revenido que se emplea para alivio de fuerzas y recristalización de los materiales, es
común que se emplee luego de una deformación plástica.
Al llevar al material a la temperatura de tratamiento térmico y enfriarlo durante el
temple, se generan esfuerzos, esto se debe a que lo primero en enfriarse es el exterior
del cuerpo por lo que se contrae desde la superficie, pero en el interior existe mayor
temperatura que en la superficie del cuerpo, por lo que existe una tendencia a expandir
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su volumen desde el centro hacia fuera. Como la superficie quiere contraerse y el
interior dilatarse se generan esfuerzos que se pueden aliviar por medio del revenido.
los esfuerzos se notan como: σ=FA
Dentro de los tratamientos térmicos masivos isotérmicos se ubican el Austempering que
cambia la estructura del material de Austenita a Bainita y el Martempering que modifica
la estructura de un material de Austenita a Martensita, estas estructuras se describirán
mejor en el desarrollo de este informe.
Así mismo, algunos tratamientos térmicos superficiales son puros como el cementado,
nitrurado o el sulfonado; eléctricos que ocurren por medio de electrólisis como el
galvanizado, y químicos como el pavonado.
Los aceros pueden aceptar con mayor facilidad unos u otros elementos dentro de su
estructura, cuando se realiza un tratamiento térmico superficial puro, y durante éste se
agrega carbono, se dice que el proceso es Cementado; si en lugar de agregar carbono se
añade nitrógeno se identifica al proceso como Nitrurado y si en lugar de aumentar
nitrógeno se introduce azufre se llama Sulfonado.
El proceso de cementado se lleva a cabo a altas temperaturas (880ºC), por lo que luego
de concluido se debe realizar un temple y un revenido de aliviamiento de esfuerzos, de
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Informe Nº2Grupo 7
modo que se pueda garantizar las propiedades del material. El nitrurado se lleva a cabo
a temperaturas no tan altas como el cementado, desde unos 500ºC a 600ºC, y el
sulfonado, que se realiza a bajas temperaturas, entre 80ºC y 120ºC, por lo que no es
necesario realizar un temple o revenido luego de concluido el proceso.
Debe notarse que tanto el cementado como el nitrurado y el sulfonado añaden átomos de
C, N y S respectivamente a la superficie del material, sea por medio de sales como el
carbonato de bario, el cianuro de bario o el acido sulfúrico.
Dependiendo de la aplicación se puede realizar estos procesos superficiales desde
espesores de 0.5 (mm) a unos cuantos milímetros de espesor para obtener las
propiedades requeridas.
Resumiendo:
Tratamientos termicos
Masivos
Continuos
Temple
Recocido
Revenido
IsotermicosAustempering
Martempering
Superficiales
Puros
Cementado
Nitrurado
SulfonadoElectricos
Químicos
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Diagrama de T.T.:
Es una representación gráfica de datos numéricos tabulados que enlaza la temperatura
con el tiempo y se usa comúnmente para describir las variaciones de temperatura
durante un tratamiento térmico.
En el diagrama T.T. el eje vertical representa la temperatura y el eje horizontal el
tiempo, dado que algunos tratamientos térmicos tienen extensas duraciones en algunas
ocasiones se coloca el eje del tiempo en escalas logarítmicas.
Diagrama General de T.T.:
Este diagrama describe de forma general el proceso que debe ocurrir para llevar a cabo
un tratamiento termico adecuadamente.
En Forma esquematica, se tiene que:
Nótese que en eje vertical se coloca la temperatura y en el eje horizontal el tiempo.
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Donde: “T.T”. es la temperatura de tratamiento térmico, “S” es la superficie, “M” es la
masa, “tc” es el tiempo de calentamiento, “tm” el tiempo de mantenimiento y “te” el
tiempo de enfriamiento.
Se puede observar que existen 3 etapas principales, el calentamiento donde se lleva la
masa a tratar desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de tratamiento térmico,
seguida de la etapa de mantenimiento donde una ves que se ha alcanzado la temperatura
de tratamiento térmico se entrega energía para mantener esta temperatura hasta que todo
el cuerpo se caliente, pues lo primero en iniciar el calentamiento es la superficie del
cuerpo, una ves que se homogeniza la temperatura alrededor de todo cuerpo inicia la
tercera fase que es de enfriamiento y es en esta fase donde al controlar la velocidad y el
medio de enfriamiento se puede controlar las propiedades del material (Temple).
Si se analiza el gráfico se pueden obtener las velocidades de calentamiento y
enfriamiento, “vc” y “ve”.
vc=tanα=T .T .−Tatc
ve=tan β=T .T .−Tate
Si iguales variaciones de temperatura ocurren en mismos intervalos de tiempo, se dice
que el tratamiento térmico es continuo.
El estado estable es cuando se logra alcanzar la temperatura de tratamiento térmica
homogénea alrededor de todo el cuerpo.
La línea azul muestra una variación en el tiempo de enfriamiento, siendo para esta línea
mas rápido que para la línea negra.
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La línea roja muestra que se puede enfriar el cuerpo hasta cierta temperatura que se
mantiene por un lapso de tiempo y donde se realizan otros tratamientos para luego
finalmente terminar el enfriado (tratamiento térmico isotérmico).
Alotropía y polimorfismo:
Describen la capacidad de una material a presentarse con diferentes estructuras dentro
de un mismo estado (para nuestro estudio el estado solido), se define la alotropía cuando
se tiene una substancia pura y el polimorfismo cuando se tiene una aleación.
Estos gráficos relacionan la estructura que presenta el material y la temperatura a la que
se obtiene dicha estructura.
Alotropía del hierro:
En forma esquemática se conoce que:
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De la observación del grafico se puede constatar que el hierro tiene 3 estructuras: hasta
911ºC el hierro se presenta como Fe α con estructura BCC, desde 911ºC hasta 1392ºC
se tiene Fe γ de estructura FCC y de 1392ºC hasta los 1506ºC se tiene Fe δ con
estructura BCC; “Ta” es la temperatura ambiente.
Estos datos no son absolutos, sino solamente estimaciones cercanas a la realidad.
Diagrama F-C en equilibrio:
Es una representación grafica de las diferentes estructuras obtenidas al introducir
átomos de carbono en el hierro en relación con las temperaturas a las que se trata el
material.
En este diagrama el eje horizontal representa el porcentaje de carbono añadido al hierro
y en el eje vertical se disponen las temperaturas de tratamiento. De modo que si se tiene
un acero con algún porcentaje de carbono, se puede conocer las estructuras que
presentará al llevarlo a cierta temperatura.
En el diagrama F-C en equilibrio también se muestran los limites del material entre el
estado solido y liquido al llevarlo a diferentes temperaturas, que varían conforme el
porcentaje de C aumenta; es por eso que se dice que el material esta en equilibrio y de
hay su nombre.
Teniendo en cuenta la alotropía del hierro y el porcentaje de carbono añadido, se puede
identificar algunas estructuras y porcentajes notables: cuando se tiene una aleación con
0.8% de contenido de carbono se reconoce al acero como eutectoideo si tiene mas
contenido de carbono será hípereutectoideo y si tiene un menor porcentaje será
hipoeutectoideo. Se define como punto eutectoideo al punto donde una acero pasa de la
fase solida a liquida.
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Debe tenerse en cuenta que el carbono tiene un porcentaje máximo de solubilidad en el
hierro del 6.67% por lo que no importa cuanto carbono se añada en la aleación solo el
porcentaje máximo es aceptado, así se puede ir añadiendo infinitas cantidades de
carbono al acero para formar algunas estructuras como son: Ferrita (F), Perlita(P),
Austenita (A) y Cementita (C). Al introducir el porcentaje máximo de carbono en el
acero se forma un compuesto químico denominado carburo de hierro CFe3.
Si el acero, a temperatura ambiente, tiene un contenido de carbono muy pequeño (0.1%)
es reconocido como ferrita, como el hierro a temperatura ambiente presenta la forma Fe
α, se puede concluir que la ferrita es Fe α + C, otra estructura que se puede identificar es
la Austenita, que se presenta a elevadas temperaturas por lo que el hierro cambia a Fe γ,
entonces se puede definir la Austenita como Fe γ + C, si a temperatura ambiente se
continua añadiendo carbono se obtiene Cementita. La perlita es una combinación entre
cementita y ferrita.
Nótese que un acero es considerado como tal hasta que en la aleación exista un
porcentaje máximo del 2.1% de carbono, si la proporción supera este limite se conoce a
la aleación como fundiciones.
Después de un tratamiento térmico se puede llegar a obtener dos estructuras mas que
son la Bainita y la Martensita, pero se describirán en la sección Diagrama T.T.T.
Atención, es factible fabricar infinito numero de aceros, pues los porcentajes de carbono
en la mezcla son infinitos entre 0% y 6.67% además cabe explicar que existe una
temperatura a la que se posee el acero en dos faces solida y liquida, esto se debe a que el
acero comienza el cambio de fase a una temperatura, pero termina el cambio totalmente
a otra temperatura diferente a aquella donde inicio.
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Se considera que un acero tiene bajo contenido de carbono si el porcentaje de éste en la
aleación esta entre el 0.1% y el 0.3%, un acero dulce es aquel cuyo contenido de
carbono varia entre 0.1% y 0.15% en peso.
Como una observación la cementita es sumamente dura, pero muy frágil y la ferrita es
blanda y dúctil.
Diagrama Fe-C en equilibrio:
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[upload.wikimedia.org]
Diagrama T.T.T.:
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El diagrama temperatura-tiempo-transformación (T.T.T.) también conocido como
diagrama de meta-equilibrio, se utiliza para ver las fases por las que atraviesa un
material en un enfriamiento rápido a rapideces mayores a 3(ºC/S), cuando las rapideces
de enfriamientos son muy pequeñas (tienden a ser cero), se puede usar los diagramas de
equilibrio como referencia.
En los diagramas de T.T.T. se incluye información acerca de cómo cambia la estructura
del material en relación con el tiempo y la temperatura, de modo que queda definido el
proceso de temple para llevar el material de su estructura inicial a la requerida para
determinada aplicación.
Debido a que cada material tiene sus propiedades, y por lo tanto su respectiva Alotropía
o polimorfismo, cada material presenta su único diagrama T.T.T. para realizar un
temple adecuadamente a cierto material se debe tomar como referencia los valores
especificados en estos diagramas.
Es común encontrar curvas de inicio y fin de la transformación que se ubican dentro de
una curva de enfriamiento rapido en un diagrama T.T.T.
La martensita es una estructura que adquiere el acero luego del enfriamiento rápido del
material, al igual que la bainita.
La bainita es una mezcla entre ferrita y cementita, los aceros que poseen estas
estructuras son mas duros y resistentes que los perlíticos. La estructura bainítica se
forma a partir de partículas diminutas de cementita en una matriz de ferrita
La martensita es una mezcla sobresaturada de carbono y austenita, los aceros con esta
estructura son los mas duros y resistentes pero frágiles y menos dúctiles.
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“Para realizar un proceso de temple, no se puede escoger una temperatura aleatoria o al
azar, es estrictamente necesario elegir las temperaturas dentro de los rangos de
endurecido y normalizado.” [Monar,2012]
Diagrama T.T.T. completo para un acero eutectoide:
[jmcacer.webs.ull.es]
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Practicas de temple y revenido de alivio de esfuerzos:
Descripción de la practica:
Se procede a realizar un proceso de templado y para ello se introdujeron en un horno
calentado a 930ºC diferentes probetas por suficiente tiempo para que la temperatura sea
homogénea en todas las probetas, luego se sacaron del horno y se enfriaron en 3 medios
diferentes: en agua, aceite y aire. Para los medios de enfriamiento aceite y agua se
emplearon 3 probetas: acero 705, de transmisión y de construcción; mientras que para el
medio agua se utilizaron las mismas probetas anteriores con el añadido de una probeta
de acero DF2 que se empleo para un ejemplo de lo que no se debe hacer en el proceso
de templado.
Nótese que se tienen los datos de dureza de las diferentes probetas antes de realizar
cualquier proceso.
Se miden los tiempos de enfriamiento en cada medio y conocidas las temperaturas
ambiente y del horno se pueden obtener las velocidades de enfriamiento y comparar con
los diagramas T.T.T. o en equilibrio para conocer las estructuras del material luego del
proceso.
También se tomó la medida de la dureza de cada probeta enfriada en los diferentes
medios luego del templado, de modo que al trasladar los datos a una escala de dureza
universal se pueda comparar los resultados.
Antes de introducir las probetas en el horno se las coloca en cajitas de acero inoxidable
y se las cubre con limallas de hierro fundido, esto es útil para evitar la descarburación
de las probetas y evitar su oxidación.
Al cubrir las probetas con las limallas de hierro fundido se busca promover el flujo de
electrones entre la limalla y las probetas.
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Luego de este proceso se realizo un revenido de aliviamiento de esfuerzos y se volvió a
tomar datos de dureza para posterior análisis.
Datos Obtenidos:
Antes del templado:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero DF2 H65RB H90RB H60RB H72RB
Acero de Construcción H94RB H80RB H95RB H90RB
Acero 705 H80RB H70RB H85RB H78RB
Acero de Transmisión H90RB H95RB H96RB H94RB
Después del templado:
Enfriados en agua:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero DF2 H44RC H22RC H36RC H34RC
Acero de Construcción H40RA H39RA H36RA H38RA
Acero 705 H42RC H43RC H42RC H42RC
Acero de Transmisión H24RA H22RA H23RA H23RA
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Enfriados en aceite:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero de Construcción H88RB H93RB H96RB H92RB
Acero 705 H31RC H31RC H31RC H31RC
Acero de Transmisión H70RB H68RB H67RB H68RB
Enfriados en aire:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero de Construcción H23RA H22RA H23RA H23RA
Acero 705 H36RA H35RA H34RA H35RA
Acero de Transmisión H24RA H23RA H23RA H23RA
Después del revenido de aliviamiento de esfuerzos:
Enfriados en agua:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero DF2 H92RB H93RB H91RB H92RB
Acero de Construcción H85RB H87RB H90RB H87RB
Acero 705 H38RA H39RA H41RA H39RA
Acero de Transmisión H47RB H46RB H45RB H46RB
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Enfriados en aceite:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero de Construcción H87RB H83RB H86RB H85RB
Acero 705 H94RB H91RB H97RB H94RB
Acero de Transmisión H66RB H65RB H66RB H66RB
Enfriados en aire:
MaterialMedida
Promedio1 2 3
Acero de Construcción H81RB H81RB H81RB H81RB
Acero 705 H87RB H90RB H90RB H89RB
Acero de Transmisión H79RB H81RB H79RB H80RB
Datos calculados:
Rapideces de enfriamiento:
Medio Velocidad
Agua 14.92 (ºC/S)
Aceite 7.65 (ºC/S)
Aire 1.22 (ºC/S)
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Conversión de durezas:
Antes del temple
Material Medida
Acero DF2 H130B
Acero de construcción H185B
Acero705 H144B
Acero de transmisión H255B
Material
Medida
Después del
templado
Después de
revenido
Enfriado en agua
Acero DF2 H319B H195B
Acero de
construcciónH102B H172B
Acero 705 H390B H106B
Acero de transmisión H80B H79B
Enfriado en
aceite
Acero de
construcciónH195B H165B
Acero 705 H294B H205B
Acero de transmisión H121B H117B
Enfriado en aire
Acero de
construcciónH63B H153B
Acero 705 H49.5B H180B
Acero de transmisión H63B H150B
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Informe Nº2Grupo 7
Análisis de datos:
Se puede observar que el acero con mayor dureza antes de cualquier tratamiento es el
acero de transmisión, mientras que al final del temple de entre todos los medios de
enfriamiento, el acero con mayor dureza es el acero 705 enfriado en aceite.
De entre cada medio en particular el acero mas duro es: para el caso del agua el acero
DF2, para el aceite el acero 705 y para el aire el acero de construcción.
Conclusiones:
1. El diagrama de equilibrio Fe-C se emplea cuando la rapidez de enfriamiento
tiene a cero
2. El acero al ser una aleación presenta Polimorfismo
3. El acero mas duro al final del tratamiento fue el acero 705 enfriado en aceite
4. El diagrama T.T. representa las variaciones de temperatura en función del
tiempo
5. Se debe realizar revenido de alivio de esfuerzos después de un proceso de
templado
Recomendaciones:
1. Tomar mayor numero de medidas por probeta para poder estimar los valores de
dureza con mayor exactitud
2. Se puede utilizar limallas de otros materiales como protección para las probetas
además de la limalla de hierro fundido
3. Tomar en cuenta siempre los datos de los diagramas T.T.T. y en equilibrio para
realizar un tratamiento térmico adecuado a un material
Bibliografía:
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Josshua Panchi Díaz03/Octubre/2012
Informe Nº2Grupo 7
http://www.carbidedepot.com/formulas-hardness.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Martensita#En_aceros
http://es.wikipedia.org/wiki/Bainita
http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Transparencias%20de%20clase_archivos/
T9Transf&Trat0607.pdf
http://elhombretecnologico.es.tl/DIAGRAMAS-DE-FASES.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Perlita
http://www.wordreference.com/definicion/alotrop%C3%ADa
http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama
http://kuuk-peex.foroactivo.com/t201-tratamientos-termicos
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f9/
Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg/300px-
Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg.png
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