INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO
SAE 1045
CASTAÑEDA VARGAS JHOAN FERNANDO
SILVA URUEÑA JAYSON
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES
MECANICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO
SAE 1045
CASTAÑEDA VARGAS JHOAN FERNANDO
SILVA URUEÑA JAYSON
TESIS PRESENTADA PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
MSc BOHÓRQUEZ CARLOS ARTURO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
PÁGINA DE ACEPTACIÓN
____________________________
Firma del Tutor
____________________________
Firma del Jurado
25 de Septiembre de 2015
DEDICATORIA
Primero que todo dedico este trabajo a Dios, que me brindó la fuerza y la sabiduría
para culminar con éxito esta etapa de mi vida.
A mi padre (Fernando Castañeda) por ser el más grande ejemplo a seguir y una de
las mejores personas que conozco ya que con su orientación al éxito y su
determinación logró brindarme este grandioso día.
A mi madre (Olga Vargas) que es la luz de mis ojos, siempre fue mi guía y el apoyo
necesario durante todo este tiempo.
A mi abuelita (María Casteblanco) le dedico este triunfo por ser la persona que es
conmigo por darme tanto cariño y amor
Finalmente a mis hermanas (Jessica y Natalia) por estar conmigo siempre, a todos
ellos les debo el hombre que soy ahora
Jhoan Fernando Castañeda Vargas
DEDICATORIA A Dios, por la confianza y la fortaleza que logró generar en mí en los momentos que más lo necesitaba; por otorgarme salud para poder llegar a este momento tan esperado. A mis padres (Josías Silva y Epifania Urueña), por el entendimiento, la dedicación, el esfuerzo y el apoyo incondicional que me han brindado en cada paso que he dado para cumplir las metas y los objetivos propuestos; por la educación y formación basadas en la ética, los valores y los principios fundamentales para poder ejercer mi profesión con orgullo y honradez. A mis hermanos (Leonardo Silva y Adriana Silva), por estar siempre presentes en cada una de las etapas transcurridas, por las enseñanzas basadas en el buen ejemplo y la experiencia que han adquirido. A mi novia (Liceth Galindo), por su comprensión, su valentía, sus consejos, su lealtad, por el amor y el cariño que me ha expresado durante todo este tiempo compartiendo juntos triunfos, derrotas, alegrías y tristezas siendo el soporte y la compañera fiel que no me permite desfallecer y me impulsa a salir siempre adelante. Finalmente a todas y cada una de las personas que han depositado en mí la confianza necesaria para dar por terminado este capítulo de mi vida.
Jayson Silva Urueña
AGRADECIMIENTOS
Los autores, agradecen a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por el apoyo que nos han brindado durante el proceso de formación académica y profesional. A nuestro tutor, MSc Carlos Arturo Bohórquez, por su compromiso con nosotros, compartiendo sus conocimientos y experiencias permitiéndonos llevar a cabo el desarrollo de este trabajo de grado. Muchas gracias a todos.
CONTENIDO
1 Introducción ................................................................................................................ 1
2 Objetivos..................................................................................................................... 2
2.1 Objetivo general .................................................................................................. 2
2.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 2
3 Planteamiento del problema ....................................................................................... 3
3.1 Definición del problema ....................................................................................... 3
3.2 Justificación ......................................................................................................... 3
4 Marco teórico .............................................................................................................. 7
4.1 Tratamientos térmicos ......................................................................................... 9
4.2 Factores de importancia en un tratamiento térmico ............................................. 9
4.3 Transformaciones de fase ................................................................................. 11
4.4 Temple .............................................................................................................. 14
4.5 Temple completo e incompleto .......................................................................... 16
4.6 Templabilidad .................................................................................................... 16
4.7 Revenido ........................................................................................................... 17
4.8 Tipos de revenido .............................................................................................. 17
4.9 Revenido rápido ................................................................................................ 18
4.10 Curva de la “s” ................................................................................................... 19
4.11 Tipos de fracturas de elementos metálicos (Fractografía) .................................. 22
Fracturas súbitas ........................................................................................ 22
4.12 Acero SAE 1045 ................................................................................................ 25
Características de empleo .......................................................................... 25
Propiedades físicas .................................................................................... 25
Banda de templabilidad .............................................................................. 27
Tratamientos térmicos ................................................................................ 27
Diagrama de revenido ................................................................................ 28
Maquinabilidad ........................................................................................... 28
Conformabilidad ......................................................................................... 29
Soldabilidad ................................................................................................ 29
Aplicaciones ............................................................................................... 29
5 Materiales y métodos ................................................................................................ 30
5.1 Materiales .......................................................................................................... 30
5.2 Metodología ....................................................................................................... 31
6 Desarrollo del proyecto ............................................................................................. 32
6.1 Tratamientos térmicos ....................................................................................... 32
Descripción del proceso ............................................................................. 33
Temple ....................................................................................................... 33
Revenido .................................................................................................... 33
6.2 Prueba de tensión.............................................................................................. 34
6.3 Prueba de impacto tipo charpy .......................................................................... 37
6.4 Pruebas metalográficas ..................................................................................... 40
Micrografía ................................................................................................. 40
Microscopia electrónica por barrido ............................................................ 46
6.5 Prueba de micro dureza..................................................................................... 50
6.6 Modos de falla ................................................................................................... 51
6.7 Coeficiente de endurecimiento K y n de la curva plástica .................................. 54
6.8 Conclusiones ..................................................................................................... 55
7 Bibliografía ................................................................................................................ 57
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Composición química acero SAE 1045 ............................................................... 25
Tabla 2 Propiedades típicas a temperatura ambiente sin endurecimiento diámetro de la
barra: 12 a 38 mm ........................................................................................................... 26
Tabla 3 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25
mm .................................................................................................................................. 26
Tabla 4 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en agua redondo de 25
mm Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm
........................................................................................................................................ 26
Tabla 5 Tratamientos térmicos acero SAE 1045 .............................................................. 27
Tabla 6 Torneado ............................................................................................................ 29
Tabla 7 Datos de impacto: templado al agua y revenido a 870ºC .................................... 29
Tabla 8 Datos obtenidos prueba de impacto tipo charpy .................................................. 39
Tabla 9 Coeficiente de endurecimiento K y n ................................................................... 54
TABLA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Microestructura de un acero SAE 1010 al que se le realizo un tratamiento
térmico desde temperaturas intercríticas de 760°C y 820°C respectivamente. (Movaheda.
P, 2009) ............................................................................................................................. 4
Ilustración 2: Esquema de la interacción de los procesos en los tratamientos térmicos. .. 10
Ilustración 3: Diagrama hierro carbono donde se observan las fases presentes Hierro delta
, Austenita , Cementita Fe3C, Perlita P, Ferrita α. y las temperaturas del eutectoide A1
720° y la temperatura de inicio de transformación de la Austenita A3 .............................. 12
Ilustración 4: Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento, la línea
punteada denota el % de carbono del acero. ................................................................... 13
Ilustración 5: Diagrama esquemático TTT para un acero donde aparecen las diversas
estructuras para diferentes velocidades de enfriamiento. ................................................ 14
Ilustración 6 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple ........... 14
Ilustración 7 Impacto de la tenacidad como una función de la temperatura de revenido de
endurecido, de baja- aleación, aceros al carbono ............................................................ 17
Ilustración 8 Diagrama revenido rápido curva Dureza – Temperatura - Tenacidad .......... 18
Ilustración 9 Efecto de la Temperatura de Transformación de la austenita sobre el
espaciamiento ínter laminar de la perlita. ......................................................................... 19
Ilustración 10 : Curva de la “s” ......................................................................................... 20
Ilustración 11 Tipos de fracturas de metales frágiles (Universidad Nacional de Colombia,
Grupo AFIS 2011) ............................................................................................................ 22
Ilustración 12 Tipos de fracturas mixtas (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS
2011) ............................................................................................................................... 23
Ilustración 13 Tipos de fracturas de materiales dúctiles (Universidad Nacional de
Colombia, Grupo AFIS 2011) ........................................................................................... 24
Ilustración 14 Banda de templabilidad ............................................................................. 27
Ilustración 15 Diagrama de revenido ................................................................................ 28
Ilustración 16 Probeta para ensayo de tensión (ASTM E8/E8M-11 Standard Test Methods
for Tension Testing of Metallic Materials) ......................................................................... 30
Ilustración 17 Probeta para ensayo de impacto (ASTM E23-12C Standard Test Methods
for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) ...................................................... 31
Ilustración 18 Maquina universal de ensayos UH 50 – A marca Shimatzu (Universidad
Distrital, 2015).................................................................................................................. 35
Ilustración 19 Diagrama Esfuerzo (Mpa) vs Deformación (%) .......................................... 35
Ilustración 20 Esfuerzo máximo a la tensión .................................................................... 36
Ilustración 21 Porcentaje de cambio en el esfuerzo máximo a la tensión ......................... 37
Ilustración 22 Péndulo de impacto 5A -10700 marca Satec (Universidad Distrital, 2015) . 38
Ilustración 23 Diagrama de tenacidad .............................................................................. 40
Ilustración 24 Probetas para prueba de micrografía ......................................................... 40
Ilustración 25 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sin tratamiento y
la probeta con temple a 770°C ......................................................................................... 41
Ilustración 26 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sometida a
revenido a 450°C durante 5 y 10 min ............................................................................... 42
Ilustración 27 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a
450°C y 550°C durante 15 y 5 min, respectivamente ....................................................... 43
Ilustración 28 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a
550°C durante 10 y 15 min .............................................................................................. 45
Ilustración 29 Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV (Universidad de los
Andes, 2015) ................................................................................................................... 46
Ilustración 30 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Estado de
suministro ........................................................................................................................ 47
Ilustración 31 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Temple a 770°C . 47
Ilustración 32 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 5
minutos de sostenimiento. ............................................................................................... 48
Ilustración 33 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y
10 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 48
Ilustración 34 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y
15 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 49
Ilustración 35 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 5
minutos de sostenimiento. ............................................................................................... 49
Ilustración 36 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y
15 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 50
Ilustración 37 Resultados prueba de dureza .................................................................... 50
Ilustración 38 Variación porcentual en la dureza con respecto al material en estado de
suministro. ....................................................................................................................... 51
Ilustración 39 Fotos fractografía (Universidad Distrital, 2015) .......................................... 54
1
1 Introducción
Hoy en día, en el mundo existen grandes avances en cuestiones de tecnología, uno
de los campos de investigación y desarrollo que se han venido trabajando con más
frecuencia es el del mejoramiento de las propiedades físicas, químicas y sobre todo
mecánicas de los diversos tipos de materiales que se encuentran en la naturaleza.
En la actualidad, es frecuente encontrar el uso constante de las distintas variedades
de acero que se utilizan a nivel industrial además, se ha trabajado en dar mayor
capacidad de respuesta ante situaciones críticas de operación y funcionamiento que
se presente a diario en las plantas de fabricación de los distintos productos que se
comercializan en el mercado, el desarrollo de mejores condiciones de trabajo
reducen el costo operativo y aumentan la capacidad de producción.
Una manera de lograr esa mejora que se busca en las propiedades mecánicas de
los aceros, es realizando distintos tipos de tratamientos térmicos que influyen
directamente en los materiales a los cuales se les realiza este proceso industrial.
2
2 Objetivos
2.1 Objetivo general
Establecer la influencia de los tiempos de revenido en las propiedades de dureza y
resistencia a la tensión de un acero SAE 1045 templado a temperaturas intercríticas.
2.2 Objetivos específicos
Determinar las temperaturas a las cuales se va a realizar el temple del
material, teniendo como base el rango de temperaturas A1 y A3 del diagrama
Hierro Carbono
Fabricar las probetas en acero SAE 1045 siguiendo las normas establecidas
por la ASTM E8
Realizar el tratamiento térmico correspondiente al temple del material a
utilizar
Realizar el tratamiento térmico correspondiente al revenido del material a
utilizar
Realizar pruebas de tensión, impacto dureza y metalográficas al material que
ha sido utilizado en cada uno de los procesos
Calcular los coeficientes de endurecimiento K y n de la curva plástica para
cada uno de los materiales a los cuales se les realizo las pruebas
correspondientes
Analizar los resultados obtenidos experimental y teóricamente.
Elaborar el documento donde se consignen los resultados y el análisis de las
pruebas realizadas
3
3 Planteamiento del problema
3.1 Definición del problema
Actualmente en Colombia se están realizando pruebas para investigar las
propiedades mecánicas de los materiales con el fin de obtener mejores resultados
de desempeño en los distintos campos de la industria. Hoy en día se llevan a cabo
mejores procesos para la obtención y fabricación de los materiales más utilizados
en la industria, una forma de lograr la modificación de las propiedades mecánicas
de los aceros es implementando distintos tipos de tratamientos térmicos.
¿Qué influencia tiene el tiempo de revenido en las propiedades mecánicas del acero
SAE 1045?
Con la implementación del tiempo de tratamiento térmico de revenido, se desea
ampliar la información sobre el comportamiento de los aceros DUAL PHASE (SAE
1045) templado a temperaturas intercríticas, con base en los resultados y
conclusiones finales obtenidos después del desarrollo total del proyecto.
3.2 Justificación
Los materiales empleados en la fabricación de componentes de máquinas deben
soportar más cargas de trabajo por lo que sus propiedades se han ido mejorando,
así el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo último y la elongación son cada vez mayores,
sin que ello haya implicado un aumento de los precios de fabricación. Los
tratamientos térmicos son una forma fácil y económica de cambiar dichas
propiedades con el propósito de satisfacer las solicitudes mecánicas de su
aplicación; un producto de estas transformaciones son los DP, Pouranvari indica
que estos aceros (Dual Phase Steel) son una parte importante de los aceros de alta
resistencia y baja aleación (High Strength Low Alloy Steels HSLA) estos materiales
tienen una buena combinación de propiedades mecánicas
(Movahed, Kolahgar, Marashi, Pouranvari, & Parvin, 2009) sugiere que las
propiedades están relacionadas con la microestructura formada por el tratamiento
térmico, una matriz ferrítica que brinda una buena ductilidad, mientras que las
partículas de martensita soportan las cargas a las que se somete durante el servicio.
Debido a su excelente resistencia y conformabilidad, los aceros DP ofrecen la
posibilidad de mejorar el comportamiento como en partes de automóviles sin
aumento de peso.
En ese mismo sentido la manera de conseguir esta mezcla de propiedades son los
tratamientos térmicos intercríticos; llamados así por el rango de temperaturas a los
que se efectúan, para aceros de bajo contenido de carbono aleaciones con carbono
inferior al 0,2%, se realiza un temple desde el intervalo de temperaturas de A1 y A3,
4
este tratamiento hace que la austenita presente se transforme en martensita, dando
lugar a la aparición de una microestructura que remplaza la convencional de ferrita
y perlita, como lo muestra la ilustración 1. En ella se puede apreciar que al aumentar
la temperatura de tratamiento se aumenta la cantidad de martensita que se forma.
(Al-Abbasi & Nemes, 2003) señala que el modelamiento micromecánico de los
aceros DP, ha recibido poca atención, a pesar de su atractiva combinación de
propiedades. Los interrogantes acerca de las combinaciones óptimas de las fases
persisten y precisan de modelos predictivos para minimizar costosos métodos de
prueba y error en el desarrollo de productos. En esta referencia se utilizaron
modelos micromecánicos para explicar los mecanismos locales que rigen la
deformación macroscópica, sin embargo solo tienen en cuenta los valores de las
deformaciones plásticas y elásticas como se mencionó anteriormente.
Ilustración 1: Microestructura de un acero SAE 1010 al que se le realizo un tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas de 760°C y 820°C respectivamente. (Movaheda. P, 2009)
(Yoshida, Brenner, Bacroix, & Bouvier, 2011) anota que en los aceros DP existen
dos mecanismos que pueden explicar el comportamiento ante el endurecimiento
causado por la deformación: el primero es que la martensita se forma trayendo
consigo un esfuerzo interno en el material debido a su cambio volumétrico, y el
segundo es un contraste entre el comportamiento mecánico de la ferrita y la
martensita por su naturaleza heterogénea, uno se forma por un proceso de difusión
y el otro sin difusión. En ambos casos el modelo de elementos finitos consiste en
una fase dura rodeado de una fase blanda.
(Bhagavathi, Chaudhari, & Nath, 2011), muestra los beneficios de trabajar aceros
DP, con diferentes contenidos de martensita, lo cual modifica no solo la resistencia
a la tensión, sino también la resistencia a la corrosión, estos estudios son realizados
de manera experimental.
5
Según se ha visto los aceros DP son un ejemplo de modificación del material base
en el que se mejoran las propiedades mecánicas significativamente, sin embargo
encontrar de forma experimental: la composición de la estructura adecuada para
cada requerimiento, la temperatura a la cual se debe realizar el tratamiento térmico
y el tiempo de permanencia a la temperatura seleccionada, resulta muy dispendioso,
costoso y con un alto grado de incertidumbre en los resultados. Ello sugiere la
aplicación de un método diferente (Movahed et al., 2009).
Es evidente entonces que el modelamiento matemático y la implementación
computacional permiten no solo encontrar la mejor combinación de propiedades en
tiempos relativamente cortos, sino que adicionalmente resulta muy favorable desde
el punto de vista económico, pues elimina las dudas en el resultado final de las
propiedades mecánicas.
Sobre la base de las consideraciones anteriores y teniendo en cuenta las ventajas
que ofrece el modelar los tratamientos térmicos, se buscaron referencias de trabajos
que pudieran aportar para conseguir las metas trazadas al realizar esta
investigación, primero a nivel local y luego a nivel regional y por ultimo a nivel global.
En este orden de ideas se puede citar que en el país no hay referencias del
modelamiento de este tipo de procesos, las referencias encontradas más cercanas
muestran que en Brasil las investigaciones son mucho más recientes y de mayor
profundidad (Silva, Pacheco, & Savi, 2004), algunas referencias halladas en
Argentina y Chile (Camurri & Rodríguez, 2004), muestran trabajos sin relación entre
ellos y no tratan los tratamientos térmicos con profundidad. En Europa,
Norteamérica y Asia aparecen los citados en este documento, pero como se
menciona anteriormente los modelos en algunas ocasiones son simplificados por la
complejidad del problema o simplemente buscando estudiar alguna propiedad en
particular.
Lo novedoso del modelo planteado se puede mostrar en 4 aspectos importantes:
Se va a tener en cuenta la deformación ocasionada por la difusión de
carbono.
La temperatura desde la cual se va a realizar el tratamiento de temple no es
de austenización total, sino que por el contrario se hace desde temperaturas
que involucran la presencia de austenita y ferrita, lo cual pude ocasionar la
aparición de varias fases como: ferrita, austenita retenida, martensita, bainita,
perlita. Lo que haría mucho más verídico el modelo planteado.
6
La inclusión en el análisis de procesos estocásticos para establecer las fases
presentes después del tratamiento y la realización de un modelo multiescala,
para analizar el fenómeno a nivel micro y macro.
Se hará una implementación computacional que permitirá obtener las
propiedades finales de las piezas tratadas, antes de su fabricación,
propiedades como: Dureza, esfuerzos internos, micro constituyentes.
7
4 Marco teórico
Los aceros De fase dual (DP) (Al-Abbasi & Nemes, 2003) son elementos con una
microestructura que consiste en una matriz de ferrita, en el cual las partículas de
martensita se encuentran dispersos, han recibido una gran atención debido a su
combinación útil de alta resistencia, alta velocidad de endurecimiento por
deformación y ductilidad, todos los cuales son propiedades favorables para los
procesos de formación.
Investigación experimental sobre el efecto de la fracción de volumen de la fase más
difícil, la morfología y distribución de fases en las propiedades mecánicas de los
aceros de fase dual está bien establecida globalmente en la literatura.
En el presente trabajo, un modelo micro mecánico se ha desarrollado para capturar
el comportamiento mecánico de los materiales, la adopción de la conducta
constitutiva de los componentes de la literatura. Enfoques analíticos se han utilizado
en el pasado para modelar el comportamiento de los materiales de acero DP, pero
los tratamientos teóricos se basan en la hipótesis de deformación uniforme a lo largo
de los constituyentes, dejando de lado los gradientes de presión locales.
Esta hipótesis contradice las observaciones experimentales, reduce la comprensión
de la mecánica y el mecanismo de deformación de materiales. Basado en el modelo
micro mecánico de las células, las idealizaciones son investigados varios de los
cuales el modelo de simetría axial se muestra para mostrar la capacidad intrínseca
para capturar el comportamiento de los materiales previstos en términos de la
tendencia de las curvas de tensión-deformación con una fracción de volumen cada
vez mayor de la segunda fase y en términos de la deformación de los componentes.
Los aceros doble fase que están siendo muy utilizados en la industria del automóvil
(Cárdenas, Rodríguez, Belzunce, & Betegón, 2009), son aceros poco aleados que
requieren un tratamiento intercrítico en el dominio austenita + ferrita seguido de un
tratamiento lo suficientemente rápido como para que esa austenita se transforme
en martensita. Estos tratamientos también se ven directamente afectados con
respecto al contenido de carbono en su composición química ya que se evidencio
con un ensayo miniatura de punzonado que entre más alto sea el contenido de
Carbono mayor será su rigidez.
En el artículo titulado ‘’Comportamiento a la fatiga de la dual phase hojas de acero
al carbono de baja aleación’’ (Akay, Yazici, Bayram, & Avinc, 2009) se hacen una
serie de tratamientos térmicos a algunos aceros con bajo contenido de carbono a
los cuales se les realiza pruebas de fatiga, tensión y análisis metalográfico muestran
como con los aceros tratados a temperaturas intercríticas se tiene la ventaja de
obtener una mayor dureza y una mayor resistencia a la tracción debido a la
8
producción de martensita y ferrita, además un dato muy importante para resaltar es
que entre mayor sea la martensita en el material mayor será su fragilidad. También
cabe destacar que la iniciación de fisuras por fatiga se produce en la interface de
ferrita-martensita especialmente en la parte de ferrita.
En el trabajo sobre “Comportamiento mecánico y la corrosión de los aceros bajos
en carbono normal de doble fase’’ (Bhagavathi et al., 2011) se destacó, que las
propiedades mecánicas de los aceros de fase dual pueden ser alteradas
modificando su fracción de volumen de martensita. Esto se evidencio cuando se
observó que la resistencia a la tracción, la dureza y la ductilidad disminuyeron con
el aumento de la fracción de volumen de martensita, dado sus pruebas
correspondientes. También se pudo contemplar la mayor resistencia a la corrosión
de los aceros de fase dual se explica en función de las características micro
estructurales en el que se ve claramente el volumen en el que se ha producido la
martensita.
El efecto de la temperatura de tratamiento térmico intercrítico en las propiedades de
tracción y comportamiento en el trabajo de endurecimiento de la ferrita-martensita
hojas de acero de doble fase fue un trabajo en donde se determinó unos resultados
experimentales que mostraron a los aceros de doble fase con la misma cantidad de
ferrita y martensita tienen excelentes propiedades mecánicas en términos de
resistencia a la tracción, ductilidad y la energía de fractura (Movahed et al., 2009).
Los aceros de doble fase representan una excelente alternativa en la producción de
piezas automotrices que combinan alta resistencia mecánica, resistencia al impacto
y elongación elevada, que además se fabrican con aceros de baja aleación, lo que
representa reducción de costos y estructuras resultantes que combinan martensita
y ferrita con granos de tamaño ultra fino. Lo anterior se logra a través de un estricto
control de las condiciones de laminación: velocidad de deformación, velocidad de
enfriamiento y aplicación de temple directo. El trabajo presenta los resultados al
ensayar mecánicamente dos tipos de acero de doble fase y caracterizarlos micro
estructuralmente.
Aumentando los elementos de aleación especialmente de carbono, sube la
resistencia mecánica del acero pero se pierden las propiedades plásticas del
material. En los últimos años se han elaborado varios tipos de aceros que conjuntan
éstas propiedades de plasticidad y alta resistencia. Éstos son los aceros HSLA,
TRIP y aceros de doble-fase. Varias compañías automotrices, entre ellas Toyota,
ya fabrican chasises en sus automóviles con 30% de más resistencia y disminución
de peso.
9
4.1 Tratamientos térmicos
Los Tratamientos Térmicos se refieren a una amplia gama de operaciones llevadas
a cabo a elevadas temperaturas, con las cuales se transforman las propiedades de
los metales y de las aleaciones para poder trabajarlos eficientemente o para
conferirles determinadas características mecánicas o tecnológicas.
Desde el momento en el que un material entra en la fabricación de la mayoría de
los objetos metálicos sufre por lo menos un tratamiento térmico en alguna fase de
su producción, puede considerarse que este tratamiento es parte importante de la
moderna tecnología industrial.
De lo antes expuesto podemos deducir que los tratamientos térmicos son
operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones
determinadas, a que se someten los aceros (y otros metales y aleaciones), para
darles características más adecuadas para su empleo; estos no modifican la
composición química pero si otros factores como su constitución, estructura y
estado mecánico.
4.2 Factores de importancia en un tratamiento térmico
Es uno de los pasos principales para que pueda alcanzar las propiedades
mecánicas para las cuales está creado.
La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen
en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren
durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas
o tiempos establecidos.
A través de los tratamientos se modifica la constitución del acero, variando el estado
en el que se encuentra el carbono, y el estado alotrópico del hierro, se modifica la
estructura, variando el tamaño de grano y el reparto de los constituyentes, el estado
mecánico queda afectado por las tensiones a las cuales son sometidos los
materiales luego de algunos TT, principalmente después de un temple, el producto
sólido se expone parcial o totalmente a ciclos térmicos según lo amerite la ocasión,
deben ser tomadas en cuenta tanto la temperatura de enfriamiento como la de
calentamiento y de igual forma los medios en lo que se efectúen los tratamientos
como tales.
Otros factores que deben ser considerados son: la composición del material, la
velocidad de calentamiento, duración del tratamiento. Casi todos los tratamientos
se llevan a cabo en hornos especiales, que pueden ser de tipo continuo, con zonas
a temperaturas diferentes por las que va pasando la pieza, o bien de tipo
discontinuo. El enfriamiento puede tener lugar dentro o fuera del horno.
10
Los tratamientos térmicos y termoquímicos son una alternativa para cambiar las
propiedades del material base transformando su microestructura. Este cambio se
obtiene al modificar el tamaño, distribución, forma, composición y estructura
cristalina de las fases, lo que resulta en la variación de propiedades mecánicas
como: dureza, resistencia a la fluencia, ductilidad, resistencia al impacto, entre otras
(C. Liu, Ju, & Inoue, 2002).
El modelamiento de los tratamientos térmicos se puede analizar desde diferentes
aspectos que interactúan entre sí como lo muestra la ilustración 2. Las relaciones
existentes entre cada uno de ellos se explican a continuación:
Ilustración 2: Esquema de la interacción de los procesos en los tratamientos térmicos.
El cambio de temperatura durante el enfriamiento induce un esfuerzo causado por
el cambio volumétrico de la transformación de fase ①; la influencia de la
temperatura en la transformación de fase resulta en el cambio de la microestructura
del material ②; la deformación local producto de este cambio está acompañada de
un aumento de los esfuerzos internos ③. La existencia de estos esfuerzos y
deformaciones tiene una influencia directa en la cinética de la transformación de
11
fases④. El calor latente generado debido a que la transformación de fase afecta la
distribución de temperatura ⑤. Parte del trabajo realizado por la aparición del
esfuerzo se convierte en calor que afecta la temperatura ⑥. Los efectos de la
difusión de carbono en la transformación de fases ⑦, se reflejan en dos
mecanismos: El primero referido al incremento del porcentaje de C permite realizar
la transformación en un rango de temperaturas más bajas; y el segundo tiene que
ver con los carburos que se han formado en la superficie del material tratado cuando
se presentan elementos aleantes en el acero que exceden los límites de saturación
de C en la matriz. La cinética de la difusión y la velocidad de la reacción de la
superficie del carbono dependen de la morfología de la microestructura ⑧ y de los
niveles de temperatura ⑨. El contenido de C afecta la conductividad térmica del
material ⑩. La absorción de átomos de C desde la atmósfera del tratamiento
conduce al cambio de parámetros reticulares (lattaice), que deben tenerse en
cuenta cuando se establecen las ecuaciones constitutivas de las relaciones
esfuerzo- deformación ⑪. El efecto que puede tener el estado de esfuerzos en la
cinética de la difusión de carbono ⑫ (C. Liu et al., 2002).
Existen varios tipos de tratamientos térmicos en los cuales se combinan varias de
las interacciones que se mencionaron, en el caso de esta investigación se va tener
en cuenta solamente las transformaciones de fase ② y ⑤ especificadas
anteriormente.
4.3 Transformaciones de fase
Son los cambios en la naturaleza de la fase o en el número de fases, como el
resultado de la variación de condiciones de enfriamiento, todas estas
modificaciones tienen su origen en la estructura inicial de acero, de su composición
y de la temperatura desde la cual se realiza el tratamiento, como se puede observar
en el diagrama hierro carbono Fe-C (Ilustración 3). Cada una de estas fases poseen
propiedades mecánicas definidas y el resultado final de las mezclas se pueden
calcular de acuerdo con la expresión (Menezes Nunes et al., 1991).
𝑋 = ∑ 𝑋𝐼𝜉𝐼
Donde X es la propiedad en particular del material y es la fracción volumétrica de
la fase I (C. C. Liu, Xu, & Liu, 2003).
12
Ilustración 3: Diagrama hierro carbono donde se observan las fases presentes Hierro delta , Austenita , Cementita Fe3C, Perlita P, Ferrita α. y las temperaturas del eutectoide A1 720° y la temperatura de inicio de
transformación de la Austenita A3
Para las temperaturas comprendidas entre A1 y A3 zona conocida como: de
austenización parcial, de temperaturas Intercríticas o de doble fase; derivando su
nombre por la presencia de ferrita y austenita (Ilustración 4) (Movahed et al., 2009).
Las temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones
𝐴1(°𝐶) = 727 + 13.4𝐶𝑟 − 1.03𝐶 𝐶𝑟 − 16.72𝑀𝑛 + 0.91 𝐶 𝑀𝑛 + 6.18 𝐶𝑟 𝑀𝑛 −
0.64𝑀𝑛2 + 3.14 𝑀𝑜 + 1.86𝐶𝑟 𝑀𝑜 − 0.73 𝑀𝑛 𝑀𝑜 − 13.66 𝑁𝑖 + 0.53 𝐶 𝑁𝑖 +
1.11 𝐶𝑟 𝑁𝑖 − 2.28 𝑀𝑛 𝑁𝑖 − 0.24 𝑁𝑖2 6.34 𝑆𝑖 − 8.88 𝐶𝑟 𝑆𝑖 − 2.34 𝑀𝑛 𝑆𝑖 + 11.98 𝑆𝑖2
Cuando se realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar
por encima de A3 que se calcula de acuerdo con Gur. J
A3
A1
13
𝐴3(°𝐶) = 912 − 203√𝐶 + 15.2𝑁𝑖 + 44.7𝑆𝑖 + 104𝑉 + 31.5𝑀𝑜 + 13.1𝑊 − 30𝑀𝑛
− 11𝐶𝑟 − 20𝐶𝑢 + 700𝑃 + 400𝐴𝑙 + 120𝐴𝑠 + 400𝑇𝑖
En las anteriores expresiones se puede observar la influencia de los elementos
aleantes que disminuyen o aumentan estas temperaturas dependiendo del aumento
o disminución del campo de estabilidad de la austenita, por esta razón el signo que
los precede (Menezes Nunes et al., 1991)
Ilustración 4: Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento, la línea punteada denota el % de carbono del acero.
Realizando un enfriamiento rápido desde este rango de temperaturas comprendidas
entre A1 y A3 se obtienen aceros de doble fase DP (Dual Phase), que brindan una
buena combinación de propiedades (Bhagavathi et al., 2011) como consecuencia
de la aparición de martensita en una matriz ferrítica. Una variable importante para
la consecución de este objetivo es la velocidad de enfriamiento, dependiendo de
ella se obtendrán diversas combinaciones de estructuras como lo muestran los
diagramas TTT (ilustración 5) (Kang & Im, 2007).
14
Ilustración 5: Diagrama esquemático TTT para un acero donde aparecen las diversas estructuras para diferentes velocidades de enfriamiento.
4.4 Temple
Ilustración 6 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple
Consiste en un calentamiento del material hasta una temperatura crítica seguido de
un enfriamiento muy rápido, para impedir la transformación normal del constituyente
15
obtenido en el calentamiento. El objetivo central del temple es fundamentalmente,
aumentar la dureza y resistencia mecánica.
El constituyente obtenido es la martensita, la cual representa la sobresaturación
distorsionada de los cristales de hierro alfa. El temple utiliza como medios de
enfriamiento el agua, aceites, baños de plomo, mercurio y sales fundidas. Las
temperaturas del temple son algo más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-
950ºC).
La obtención de la martensita se da con el enfriamiento rápido del acero desde la
zona de la fase austenítica la cual se consigue con una consistencia dura y frágil.
La profundidad del temple de un componente enfriado con rapidez depende de su
templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende,
fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero y
de la misma forma está en función de la composición del acero y del tamaño de
grano.
Un acero de determinada templabilidad adquiere un grado de temple tanto mayor
cuanto más elevada sea la velocidad de enfriamiento, que, a su vez, depende del
medio de enfriamiento, del grado de agitación y del espesor de la pieza.
El enfriamiento de la pieza se lleva acabo sumergiéndola caliente en un baño de
inmersión que puede contener, en orden ascendente de eficacia, como los
mencionados con anterioridad.
Los aumentos en el contenido de carbono o de los elementos de aleación en el
acero (Mn, Cr, Ni, Mo, V, W) proporcionan mayor templabilidad; algunos materiales
(por ejemplo algunos aceros para herramientas) son tan altamente aleados que
templan por completo al ser enfriados al aire.
Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900°C y enfriándolos
rápidamente en aceite o agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a
calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad.
El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura
a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento. La temperatura se
determina con un instrumento conocido como pirómetro.
Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera
obtener y en función de la templabilidad. El término temple también se utiliza para
describir un proceso de trabajo en frío que aumenta la dureza del metal, sobre todo
en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos.
16
Es importante señalar que debido a que el producto del temple es mayormente
frágil, normalmente se le somete a otro proceso térmico (Revenido), el cual será
desarrollado posteriormente.
4.5 Temple completo e incompleto
El tiempo total que dura el tratamiento térmico se compone del tiempo de
calentamiento hasta la temperatura dada (Tc) y el tiempo de permanencia a esta
temperatura (Tp).
Ttotal = Tc+Tp
La magnitud de Tc depende de la aptitud del medio para calentar, de las
dimensiones de las piezas y de la colocación en el horno. Tp depende de la
velocidad de los cambios de fase, la cual está determinada por el grado de
calentamiento por encima del punto crítico y por la difusión de la estructura inicial.
En la práctica Tp puede tomarse como 1min x mm2 para los aceros al carbono y 2
min x mm2 para los aceros aleados. El tiempo de calentamiento depende de muchos
factores y puede oscilar entre 1 – 2 min para piezas pequeñas en baños de sales y
muchas horas en piezas grandes en hornos de cámara.
El tiempo de calentamiento exacto solo puede establecerse por la vía experimental
para una pieza dada en las condiciones concretas, pero se puede calcular de forma
aproximada para lo cual existen varios métodos. Se puede tomar 1 min x mm2 en
hornos de mufla y piezas de acero al carbono. Para aceros aleados debe
incrementarse un 20 – 25%.
4.6 Templabilidad
Se entiende por templabilidad la profundidad a la que penetra en la pieza la zona
templada. La templabilidad incompleta se explica porque durante el temple, la pieza
se enfriará más rápido en la superficie que en el centro. Es evidente que en la
medida que disminuye la velocidad crítica de temple aumenta la profundidad de la
capa templada, y si la Vc es menor que la velocidad de enfriamiento en el centro de
la pieza, esta sección se templará completamente. Por consiguiente, cuanto menor
sea Vc, tanto mayor será la templabilidad. Para valorar prácticamente la
templabilidad se utilizará una magnitud llamada diámetro crítico (Dc). El diámetro
crítico es el diámetro máximo para una barra cilíndrica que se templa en toda su
sección en un medio de enfriamiento dado. Por consiguiente, para un acero dado a
cada medio de enfriamiento le corresponde un diámetro crítico. Si es necesario que
una pieza se temple en todo su espesor hay que elegir un acero tal que:
Dc > Dpieza.
17
Una pieza templada se halla siempre en un estado de tensión estructural. El
revenido es un medio necesario y radical para disminuir las tensiones residuales. El
calentamiento del acero en el revenido aumenta la plasticidad, esto permite que, en
los diversos volúmenes, las deformaciones elásticas se conviertan en plásticas, con
lo cual disminuye la tensión.
4.7 Revenido
Ilustración 7 Impacto de la tenacidad como una función de la temperatura de revenido de endurecido, de baja- aleación, aceros al carbono
Es un tratamiento complementario al del temple, que generalmente sigue a éste. Al
conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado". El tratamiento
de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a
una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que
puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para
reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. El
objeto del tratamiento de revenido es aumentar la tenacidad de las piezas, reducir
las tensiones resultantes del temple y reducir la dureza.
4.8 Tipos de revenido
Revenido Bajo: Se realiza en el intervalo de temperatura de 150ºC a 250ºC.
Se utiliza para todos los aceros de herramientas de alto contenido de
carbono. Prácticamente no disminuye la dureza, pero disminuye las
tensiones internas y parte de la austenita residual.
Revenido Medio: Se realiza a 350 – 450ºC. Es muy utilizado en muelles y
resortes. Disminuye bastante la dureza y se eleva la tenacidad. Se obtiene
una estructura de troostita de revenido. También se puede utilizar en
herramientas que deban tener buena resistencia con suficiente elasticidad.
Revenido Alto: Se realiza a 500ºC – 650ºC. En este proceso, la martensita
se transforma en sorbita de revenido. Esta estructura garantiza una mejor
18
combinación de resistencia y plasticidad del acero. En la sorbita de revenido
la cementita adquiere forma granular, a diferencia de la obtenida en un
normalizado. Como consecuencia de esto se eleva notablemente la
resistencia con la misma dureza o aún más elevada con relación al acero
normalizado. Este tipo de revenido se emplea para piezas de acero que estén
sometidas a elevada fatiga o cargas de impacto. El temple del acero con un
revenido alto se denomina termo mejoramiento o bonificado.
4.9 Revenido rápido
Ilustración 8 Diagrama revenido rápido curva Dureza – Temperatura - Tenacidad
Un revenido duro a un rango de temperaturas de 500 a 530°C y una resistencia a
la tracción promedio de 105 a 110 Kgf/mm2 y una resilencia de 6 a 8 kgm/cm2. Es
la culminación de todo proceso de templado y el más importante de todos, ya que
con él se logran las características adecuadas a cada uno de las condiciones de
trabajo. Consiste en poner a temperatura las piezas que han sido previamente
templadas, con esto se logra, además de eliminar las tensiones acumuladas en el
proceso del temple, la adecuación de las características mecánicas en función al
trabajo que después va a ejecutar la pieza.
Los aceros que pueden ser tratados se pueden dividir en dos clases:
Aceros al carbono: Con contenidos de carbono mayor que 0.30% y temple
severo.
Aceros de baja aleacion: Tambien con contenidos de carbono superiores a
0.30 % y temple al aceite.
Aceros especiales: Existen diversos tipos de aceros con aleaciones tales que
realzan cada una de las propiedades requeridas.
19
Mejora sustancialmente las propiedades de las piezas, permitiendo reducir las
dimensiones y pesos y por lo tanto los costos. Cuanto mayor sea el tamaño de las
piezas mayor debe ser la templabilidad del acero empleado; de lo contrario se
obtienen temples imperfectos, dado que la velocidad de enfriamiento es menor en
las capas interiores, y por lo tanto las durezas obtenidas son proporcionales a las
velocidades.
4.10 Curva de la “s”
Las curvas de las “S” conocidas también como diagrama tiempo - temperatura -
transformación TTT o simplemente curva en C, es un estudio exhaustivo sobre las
diferentes reacciones que se presentan en determinado estudio, dicho estudio
permite predecir estructura, propiedades mecánicas y así mismo el respectivo
tratamiento térmico que requiere el acero analizado.
Una de las reacciones que requiere un análisis completo con respecto a su
desarrollo lo representa la reacción eutectoide en estado sólido, debido a la lentitud
de la misma, provocando en el acero un enfriamiento por debajo de la temperatura
eutectoide de equilibrio antes de que se inicie la transformación, provocando esto
importantes consecuencias ya que una temperatura de transformación inferior dará
una estructura más fina y resistente, lo cual afectará el tiempo requerido para dicha
transformación, y alterará la organización de las dos fases.
Ilustración 9 Efecto de la Temperatura de Transformación de la austenita sobre el espaciamiento ínter laminar de la perlita.
El diagrama TTT o curva de las “S” de acuerdo a lo observado en el planteamiento
anterior es consecuencia de la reacción eutectoide. A cualquier temperatura en
particular, una curva sigmoidea representa la velocidad a la cual la austenita se
transforma en una mezcla de ferrita y de cementita (Ilustración 9).
20
Para la nucleación se requiere un tiempo de incubación. La línea Ps representa el
momento en el cual se inicia la transformación.
La curva sigmoidea también da el tiempo en el cual se completa la transformación,
este momento está dado por línea Pf. Cuando la temperatura disminuye de 727°C,
se incrementa la velocidad de nucleación y al mismo tiempo se reduce la rapidez de
crecimiento del eutectoide. En el caso de un acero eutectoide la rapidez máxima de
transformación ocurre cerca de 550°C
Ilustración 10 : Curva de la “s”
Los resultados obtenidos en la transformación producen dos tipos de micro
constituyentes, siendo los mismos Perlita (P) cuya formación se registra por encima
de 550°C, y la Bainita (B) que se forma a temperaturas inferiores respectivamente.
Uno de los aspectos de más prestancias en la determinación de las curvas de las
“S” lo representa la nucleación dada en el proceso por lo que a continuación se ve
el comportamiento de esta:
Nucleación y Crecimiento de la Perlita: Al realizar el templado por debajo de la
temperatura eutectoide, se produce un suben frio ligero en la austenita, y por otro
lado se requieren tiempos prolongados antes de que se produzcan núcleos estables
tanto para la ferrita como para la cementita.
Al comenzar el crecimiento de la ferrita, los átomos son difundidos con rapidez,
produciéndose de esta forma una perlita gruesa; dicha transformación es
completada en el tiempo de (Pf). En el caso de que la austenita se temple a una
21
temperatura inferior a la estipulada la misma se sub enfría mucho más, provocando
la rápida ocurrencia de la nucleación y por lo tanto Ps sería más corto. Sin embargo,
la difusión es considerablemente más lenta, ya que la los átomos se difunden sólo
a distancias cortas dando como resultado una estructura de perlita fina.
Es bueno reconocer que a pesar de que las velocidades de crecimiento son más
lentas el tiempo total que se requiere sufre una reducción para el logro de la
transformación como tal, todo esto debido a la corta duración del tiempo de
incubación. Como observamos la perlita más fina tiene formación en tiempos más
cortos conforme se reduce la temperatura de transformación isotérmica hasta
aproximadamente 550°C, la cual es la nariz o rodilla de la curva TTT.
Nucleación y Crecimiento de la Bainita: Cuando se registra una temperatura justo
por debajo de la nariz del diagrama TTT o Curva de las “S”, la difusión se produce
de manera más lenta , y así mismo los tiempos totales de transformación sufren un
incremento general. A parte de esto se observa una estructura distinta.
En el caso específico de transformación a bajas temperaturas, las laminillas de
Perlita requerirían ser extremadamente delgadas y, en consecuencia, el área entre
ferrita y laminillas de Fe3C sería muy grande.
La cantidad de energía asociada con la interface Ferrita - Cementita incide en el
aumento de la energía total del acero ya que esta será muy grande; donde es
preciso acotar que la energía interna del acero puede ser reducida a través de la
precipitación de la cementita en forma de películas distintas y redondeadas en una
matriz de ferrita. El micro constituyente formado en este proceso se le denomina
Bainita (Bs), siendo tras la formación de la misma donde empieza la transformación
y la misma termina con la finalización de la bainita (Bf)
22
4.11 Tipos de fracturas de elementos metálicos (Fractografía)
Fracturas súbitas
Ilustración 11 Tipos de fracturas de metales frágiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011)
24
Ilustración 13 Tipos de fracturas de materiales dúctiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011)
25
4.12 Acero SAE 1045
Características de empleo
SAE 1045 es un acero grado ingeniería de aplicación universal que proporciona un
nivel medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los
aceros de baja aleación. Frecuentemente se utiliza para elementos endurecidos a
la llama o por inducción. Este acero puede ser usado en condiciones de suministro:
laminado en caliente o con tratamiento térmico (templado en aceite y revenido; o
templado en agua y revenido).
Se caracteriza por ser un acero de baja templabilidad que puede ser endurecido
totalmente en espesores delgados por temple en agua. En secciones más gruesas
se pueden obtener un endurecimiento parcial de la sección de la pieza y el
incremento de la resistencia será proporcional a la capa o espesor endurecido, al
ser deformado en frio se presenta un incremento en la dureza y la resistencia
mecánica.
COMPOSICION QUIMICA C
%
Mn
%
P Max
%
S Max
%
Si Max
%
Análisis típico en % 0,43
0,5
0,6
0,9
0,04 0.05 0.2
0,4
Tabla 1 Composición química acero SAE 1045
Propiedades físicas
Estos valores son obtenidos a partir de probetas bajo condiciones específicas de
laboratorio y deben ser usados como referencia.
Densidad → 7.85 gr/cm3.
Módulo de elasticidad → 2 x 1011 Pa (24 x 106 PSI).
Conductividad térmica → 52 W/(mºC).
Calor específico J/(Kg°K) → 460
Coeficiente de Poisson → 0,3
Resistividad eléctrica (microhm-cm):
A 32°F = 16.2
A 212°F = 22.3
Coeficiente de dilatación térmica/ºC
26
(20 - 100°C) 12.3 x 10-6
(20 - 200°C) 12.7 x 10-6
(20 - 400°C) 13.7 x 10-6
Propiedad Laminado en
caliente
Normalizado Recocido
Resistencia a la
tracción MPa
655 655 620
Punto de
fluencia MPa
413 413 379
% de elongación 23 23 26
% de reducción de
área
44 45 53
Dureza brinell
(3000 kg.)
190 190 180
Tabla 2 Propiedades típicas a temperatura ambiente sin endurecimiento diámetro de la barra: 12 a 38 mm
Temperatura
de revenido °C
Resistencia
a la tracción
MPa
Punto de
Fluencia
Mpa
Elongación
(en 50 mm)
%
Reducción
de área %
Dureza
Brinell
(3000 Kg.)
320 965 655 11 34 278
430 875 621 15 39 257
540 793 558 18 45 228
650 703 482 23 51 203
705 641 462 25 55 195
Tabla 3 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm
Temperatura
de revenido
°C
Resistencia
a la tracción
N/mm^2
Punto de
Fluencia
N/mm^2
Elongaci
ón (en
50 mm)
%
Reducció
n de área
%
Dureza
Brinell
(3000
Kg.)
Impacto
Izod ft -
lb
320 1034 786 8 33 313 15
430 965 731 13 43 281 24
540 827 621 19 52 242 38
650 717 503 24 60 210 61
705 669 455 27 62 198 70
Tabla 4 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en agua redondo de 25 mm Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm
27
Banda de templabilidad
Ilustración 14 Banda de templabilidad
Tratamientos térmicos
TRATAMIENTO
TÉRMICO
TEMPERATURA
°C
MEDIO DE
ENFRIAMIENTO
Forja 850 - 1100 Arena seca
Normalizado 856 - 900 Aire
Recocido total 815 - 885 Horno
Recocido
posterior al
trabajo en frío
595 - 662 Horno luego
aire
Temple (*) 815 - 870 Agua - aceite
Revenido 450 - 600 Aire
Tabla 5 Tratamientos térmicos acero SAE 1045
28
Diagrama de revenido
Ilustración 15 Diagrama de revenido
El tiempo de sostenimiento a esta temperatura es de 1 hora + 1 hora por pulgada
de espesor o diámetro de la pieza. Posteriormente se enfría en el horno o al aire
Maquinabilidad
Puede ser mecanizado fácilmente en estado recocido, normalizado o templado,
tomando como referencia al 12L14 (100% de maquinabilidad). El acero 1045
presenta la siguiente maquinabilidad:
En estado calibrado = 55%
En estado recocido = 68 - 70%
Este acero presenta un buen acabado superficial y su mecanizado se caracteriza
por presentar una larga vida útil de la herramienta de corte.
Torneado:
PROFUNDIDAD
DE CORTE mm
ACERO RÁPIDO HERRAMIENTA DE CARBURO
Velocidad
m/min
Avance
mm/rev
Soldado
velocidad
m/min
Insertado
velocidad
m/min
Avance
mm/rev
Dureza, 125 a 175 HB
1 43 0.18 140 180 0.18
4 35 0.40 110 140 0.50
8 27 0.50 85 110 0.75
16 11 0.75 67 85 1.00
Dureza, 175 a 225 HB
1 40 0.18 130 160 0.18
29
4 30 0.40 100 125 0.50
8 26 0.50 78 100 0.75
16 20 0.75 60 78 1.00
Tabla 6 Torneado
Conformabilidad
SAE 1045 puede ser conformado fácilmente en caliente a temperaturas entre 980 y
1230°C. Este material no debe ser deformado en frío extensivamente sin realizar
recocidos intermedios. Un recocido sub-crítico será suficiente excepto cuando un
trabajo severo en frío ha de ser seguido por más trabajo en frío en cuyo caso se
requiere de un recocido total.
Soldabilidad
El acero SAE 1045 está cerca al límite superior de aceros con porcentaje de carbono
que pueden ser soldados satisfactoriamente por todos los métodos comunes. Sin
embargo, precalentamiento y post-calentamiento pueden ser necesarios en función
del espesor. Usualmente hay menos necesidad de precalentamiento y post-
calentamiento con procesos de soldadura con gas que con métodos de soldadura
por arco debido a que el proceso de soldadura por gas genera una zona afectada
por el calor mayor que el proceso de arco eléctrico y por tal razón el enfriamiento es
más lento. Se recomienda el uso de electrodos de bajo hidrógeno.
Dureza
Brinell
Probeta Charpy (entalla en V), Joules, realizado a diferentes temperaturas
- 73°C - 45°C - 18°C 10°C 40°C 65°C 95°C
225 7 a 15 11 a 20 27 a 40 51 a 65 55 a 70 63 a 74 70 a 81
300 ---- 8 a 12 10 a 16 13 a 24 19 a 36 27 a 40 36 a 47
Tabla 7 Datos de impacto: templado al agua y revenido a 870ºC
Aplicaciones
Este acero de medio carbono se usa cuando la resistencia y dureza obtenidas por
el tratamiento térmico o por deformación en frio, son suficientes para satisfacer las
condiciones de servicio requeridas.
Es ampliamente utilizado en la industria automotriz (productos forjados y
estampados). Se usa en partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad
como: manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranajes de baja velocidad,
acoplamientos, árboles, bielas, cigüeñales, ejes de maquinaria de resistencia
media, piezas de armas, cañones de fusiles, espárragos, barras de conexión,
tornillería grado 5, pernos de anclaje, fabricación de herramientas agrícolas,
30
mecánicas y de mano forjadas de todo tipo como: hachas, azadones, rastrillos,
picas, martillos, palas, barretones, llaves, etc.
5 Materiales y métodos
5.1 Materiales
Se utilizó una barra redonda calibrada de 19.05mm de diámetro y 4000mm
de longitud de acero SAE 1045 laminado en caliente para la fabricación de
las probetas requeridas en el ensayo de tensión que se realizó en el
laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital;
cumpliendo con las recomendaciones previas en cuanto a las dimensiones
que se deben tener en cuenta y se muestran a continuación:
Ilustración 16 Probeta para ensayo de tensión (ASTM E8/E8M-11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)
Se utilizó una placa de acero SAE 1045 laminado en caliente y pre-
maquinada de aproximadamente 400mm de largo por 400mm de ancho y 12
mm de espesor para la fabricación de las probetas requeridas en el ensayo
de impacto el cual se realizó en el laboratorio de resistencia de materiales de
la Universidad Distrital.
31
Ilustración 17 Probeta para ensayo de impacto (ASTM E23-12C Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials)
Con el fin de obtener los mejores puntos de análisis y comparación de las distintas
pruebas que se van a realizar se establece que la mejor distribución para la toma
de datos debe ser la siguiente:
6 probetas en estado de suministro (3 para tensión y 3 para impacto)
6 probetas templadas a 770 °C (3 para tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 450 °C y 5 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 450 °C y 10 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 450 °C y 15 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 550 °C y 5 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 550 °C y 10 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
6 probetas con revenido a 550 °C y 15 minutos de sostenimiento (3 para
tensión y 3 para impacto)
5.2 Metodología
Al comienzo del proyecto se va a determinar las temperaturas a las cuales se van a
realizar los tratamientos térmicos, estas deben estar entre A1 y A3 del diagrama
hierro-carbono, se debe establecer el análisis de composición metalográfica, por lo
tanto se va a aplicar teóricamente la regla de la palanca.
32
Para desarrollar este proyecto se va a tener en cuenta factores importantes ya antes
mencionados sobre los aceros doble fase con el fin de obtener experimentalmente
resultados que permitan identificar los cambios que se presentan después de
realizar el revenido como tratamiento térmico sugerido, teniendo en cuenta las
transformaciones de fase que pueden ocurrir. Las pruebas de tensión, impacto,
dureza y metalográficas van a servir como soporte para establecer algunas
diferencias entre los tratamientos térmicos aplicados a distintas temperaturas.
Dados los resultados de las pruebas preestablecidas, se realizarán las
comparaciones necesarias entre los datos teóricos y experimentales obtenidos,
desarrollando gráficamente y demostrando de una forma clara los cambios
existentes entre todos los procedimientos experimentales.
6 Desarrollo del proyecto
6.1 Tratamientos térmicos
Para determinar el tratamiento térmico de temple a temperaturas intercríticas se
debe partir de las ecuaciones propuestas por (Movahed et al., 2009) y la ficha
técnica del material:
A1= 723-7.08*Mn +37.7*Si +18.1*Cr +44.2Mo +8.95*Ni +50.1*V +27.1*Al +3.18*W +297*S
-830*N -11.5*C*Si -14.0*Mn*Si-3.1*Si*Cr -57.9*C*Mo -15.5*Mn*Mo -5.28*C*Ni -6*Ni*Mn
+677*Si*Ni*0.8*NI*Cr -24.7*C*V + 30.28*Mo*V -0.84*Cr2 -3.6*Mo2 -0.46*Ni2 – 28*V2.
*A1= 716.87ºC
A3= 912 -370*C -27.4*Mn +27.3*Si -6.35*Cr -32.7*Ni +95.2*V +190*Ti +72*Al 64.5*Nb
+5.57*W +332*S +276*P +485*N -900*B +16.2*C*Mn +32.3*C*Si +15.4*C*Cr +48*C*Ni
+4.32Si*Cr-17.3*Si*Mo -18.6*Si*Ni +4.8*Mn*Ni +40.5*Mo*V+174*C2+ 2.46*Mn2 -6.86*Si2
+0.322*Cr2 +9.9*Mo2 +1.24*Ni2 -60.2*V2
*A3= 792.48ºC
Teniendo en cuenta los resultados de los cálculos y estableciendo las temperaturas
intercríticas A1 y A3 que aplican para el acero SAE 1045, se decide escoger la
temperatura de 770°C la cual se encuentra cercana a la temperatura de
austenización A3 pero se mantiene dentro del rango establecido inicialmente para
realizar el tratamiento térmico de temple con un tiempo de sostenimiento de 30
minutos. El tratamiento térmico de revenido se realizará a 450°C y 550°C con
tiempos de sostenimiento de 5, 10 y 15 minutos para cada una de las temperaturas.
33
Los tratamientos se realizaron en el laboratorio de tratamientos térmicos de la
Universidad Distrital el cual dispone de un horno aislado eléctrico Lab Tech
LEF103PE con una cámara para medios de temple y revenido con capacidad
aproximada de 3 litros. Para este trabajo el medio de temple usado fue agua a
temperatura ambiente.
Descripción del proceso
Temple
Para este proceso se proporcionaron 15 probetas de las dimensiones descritas
anteriormente, las cuales se dividieron en grupos de 5 que se ubicaron sobre una
base disponible en el laboratorio; posteriormente se introduce dentro de la mufla a
temperatura ambiente; la programación del calentamiento se realiza a 770°C de
acuerdo a la temperatura seleccionada, el horno tarda aproximadamente dos horas
en llegar a este punto, posteriormente se da un tiempo prudencial de 10 minutos
para lograr que la temperatura se estabilice y poder continuar con el sostenimiento
de la misma por 30 minutos teniendo en cuenta el diámetro mayor que en este caso
es de 19.05mm. A continuación, se realiza la extracción de las probetas una a una
sujetándolas de un extremo y llevándolas a una cuba que contiene agua a
temperatura ambiente; mientras se introduce la probeta dentro del agua de forma
vertical, se agita de forma circular garantizando la correcta refrigeración evitando
que el agua de los alrededores este en contacto con la probeta demasiado tiempo.
Revenido
Este proceso se realiza a dos temperaturas de revenido 450°C y 550°C y tres
escalas de tiempo de sostenimiento 5, 10 y 15 minutos; la selección de estas
temperaturas y de estos tiempos de sostenimiento, se hacen con el fin de establecer
los modificaciones en las propiedades mecánicas que se pueden dar en el revenido
medio y el revenido alto del material analizado.
El procedimiento de la prueba consiste en agrupar tres probetas para cada
temperatura y cada tiempo de sostenimiento, previamente templadas según la
descripción hecha anteriormente, estas piezas se ubican sobre la base disponible
en el laboratorio y se introducen en el horno a temperatura ambiente; posteriormente
se programa el horno para que comience su fase de calentamiento hasta que
alcance la temperatura deseada (una hora hasta 450°C y una hora y veinte minutos
hasta 550°C aproximadamente). El tiempo que demora la mufla en estabilizar la
temperatura es aproximadamente 10 minutos y desde ese momento se da el tiempo
de sostenimiento necesario (5, 10, 15 minutos dependiendo el caso). Finalmente,
se sacan del horno todas las probetas y se dejan enfriar al aire.
34
6.2 Prueba de tensión
Para realizar esta prueba se usaron 15 probetas con su respectivo tratamiento
térmico como se muestra a continuación:
3 probetas en estado de suministro
3 probetas templadas a 770°C
3 probetas con revenido a 450°C y 5 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 450°C y 15 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 10 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 15 minutos de sostenimiento
Estos ensayos se realizaron en el laboratorio de resistencia de materiales de la
Universidad Distrital utilizando la máquina universal de ensayos UH 50 – A marca
Shimadzu, esta máquina posee una válvula servo electrohidráulica que controla con
precisión la velocidad de flujo de aceite a presión bombeada por una bomba de
carga que alimenta el cilindro de carga; una carga aplicada a una muestra se detecta
como un cambio de presión de aceite en el cilindro de carga y se traduce en una
señal de voltaje de una celda de presión de alta precisión y amplificador de alto
rendimiento. Esta señal analógica se convierte en una señal digital, que se calcula
en términos de la escala completa, por lo tanto, el sistema de medición de la carga
proporciona la digitalización de displeys analógicos de la carga aplicada en la unidad
de KN (tf). Por último, cabe destacar que la maquina fue calibrada por la empresa
Ingeniería de Control de Calidad División Laboratorio LTDA (ICCLAB LTDA) la cual
generó el certificado de calibración número CFA-13-2034 efectuada el día 2 de
febrero del año 2013 según la Norma ISO 7500-1 versión 2007, manteniendo la
trazabilidad de los patrones de trabajo utilizados en las mediciones los cuales fueron
certificados por el Laboratorio De Fuerzas Del Instituto Nacional De Metrología
(INM) y Laboratorios Acreditados para prestación de servicios de calibración según
la Norma ISO-IEC 17025.
35
Ilustración 18 Maquina universal de ensayos UH 50 – A marca Shimadzu (Universidad Distrital, 2015)
Ilustración 19 Diagrama Esfuerzo (Mpa) vs Deformación (%)
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
0
0,4
02
0,8
1,2
02
1,6
02 2
2,4
2,8
3,1
98
3,5
98
3,9
96
4,3
96
4,7
96
5,1
96
5,5
96
5,9
94
6,3
94
6,8
74
7,2
7
7,6
76
8,0
74
8,4
74
8,8
74
9,2
74
9,6
8
10
,07
8
10
,48
10
,88
11
,28
11
,68
12
,08
2
12
,48
2
12
,88
ESFU
ERZO
MP
a
DEFORMACIÓN %
DIAGRAMA ESFUERZO vs DEFORMACIÓN
Temple 770°C Revenido 450°C 5' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 15'
Sin Tratamiento Revenido 550°C 5' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 15'
36
En la gráfica esfuerzo vs deformación se puede observar los cambios significativos
del esfuerzo máximo a la tensión en las diferentes temperaturas de revenido,
teniendo como base de comparación el material en estado de suministro, la probeta
templada genera una curva en la cual al momento de alcanzar el límite de fluencia
se genera inmediatamente la fractura, esto supone a que al realizar el tratamiento
térmico el espécimen sufre un cambio de fase en el que hay presencia de Martensita
y Ferrita evidenciando en la gráfica su fragilidad; la probeta con revenido a 550°C y
5 minutos de sostenimiento presenta un comportamiento atípico con relación a las
demás especímenes debido a que alcanza un límite de fluencia bastante alto y se
fractura sin generar deformación plástica, presentando una conducta similar a la de
temple; la curva que mejor comportamiento presenta es la de revenido a 450°C y
15 minutos de sostenimiento debido a que su límite de elasticidad es el más alto,
enseña una mayor deformación con respecto a las demás curvas hasta su fractura.
Ilustración 20 Esfuerzo máximo a la tensión
Observando el grafico anterior, se puede determinar que la probeta con mayor
esfuerzo máximo fue la de revenido a 450°C y un tiempo de sostenimiento de 15
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
1
1219,561298,49
993,60
1439,44
908,60
1414,72
1145,831073,83
ESFUERZO MÁXIMO A LA TENSIÓN MPa
Temple 770°C Revenido 450°C 5' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 15'
Sin Tratamiento Revenido 550°C 5' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 15'
37
minutos obteniendo un valor de 1439.44MPa y el espécimen con el menor esfuerzo
máximo fue el de revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento con un valor de
993.6Mpa, sin tener en cuenta la de estado de suministro.
Ilustración 21 Porcentaje de cambio en el esfuerzo máximo a la tensión
De acuerdo a la gráfica previa el porcentaje de cambio no es proporcional a los
diferentes tratamientos térmicos, el tratamiento con menor cambio de esfuerzo
máximo es el de revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento y las que
presentaron similitud en cuanto a su porcentaje de cambio son las de revenido a
450°C, 15 minutos de sostenimiento y la de revenido a 550°C con 5 minutos de
sostenimiento.
6.3 Prueba de impacto tipo charpy
Para esta prueba se utilizaron 15 probetas a las cuales se les realizo el tratamiento
térmico respectivo y cuya distribución se presenta a continuación:
3 probetas en estado de suministro
3 probetas templadas a 770°C
3 probetas con revenido a 450°C y 5 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento
Temple 770°C
Revenido 450°C 5'
Revenido 450°C 10'
Revenido 450°C 15'
Revenido 550°C 5'Revenido 550°C 10'
Revenido 550°C 15'
0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
%
34,2%
42,9%
9,4%
58,4% 55,7%
26,1%
18,2%
PORCENTAJE DE CAMBIO DEL ESFUERZO MÁXIMO A LA TENSIÓN
38
3 probetas con revenido a 450°C y 15 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 10 minutos de sostenimiento
3 probetas con revenido a 550°C y 15 minutos de sostenimiento
Estas pruebas se realizaron en el laboratorio de resistencia de materiales de la
Universidad Distrital, el cual dispone de un péndulo de impacto 5A-10700 marca
Satec, este equipo utiliza un brazo de peso que se eleva a una altura concreta y se
deja caer de forma radial sobre la muestra produciendo el impacto sobre la probeta.
Ilustración 22 Péndulo de impacto 5A -10700 marca Satec (Universidad Distrital, 2015)
Esta máquina determina la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas
instantáneas, por el trabajo necesario al introducir la fractura de la probeta de un
solo choque, para obtener lo que se denomina resiliencia energía en Joules.
Los resultados obtenidos en las pruebas fueron los siguientes:
ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY
PROBETAS ENERGIA EN
PERDIDAS (Joules)
ENERGIA REGISTRADA
(Joules)
TENACIDAD (Joules)
ESTADO DE SUMINISTRO
1 0.283 12.36 12.077
39
2 0.437 12.21 11.773
3 0.482 11.75 11.268
PROMEDIO 0.482 12.107 11.706
TEMPLE 770°C
1 0.437 2.219 1.782
2 0.437 4.748 4.311
3 0.411 7.202 6.791
PROMEDIO 0.428 4.723 4.295
REVENIDO 450° Y 5 MINUTOS
1 0.483 27.4 26.917
2 0.437 10.52 10.083
3 0.436 9.649 9.213
PROMEDIO 0.452 15.856 15.404
REVENIDO 450° Y 10 MINUTOS
1 0.437 36.62 36.183
2 0.437 21.35 20.913
3 0.411 23 22.589
PROMEDIO 0.428 26.990 26.562
REVENIDO 450° Y 15 MINUTOS
1 0.436 30.99 30.554
2 0.411 40.69 40.279
3 0.463 8.735 8.272
PROMEDIO 0.437 26.805 26.368
REVENIDO 550° Y 5 MINUTOS
1 0.026 9.805 9.779
2 0.437 49.92 49.483
3 0.463 20 19.537
PROMEDIO 0.309 26.575 26.266
REVENIDO 550° Y 10 MINUTOS
1 0.437 43.59 43.153
2 0.437 40.08 39.643
3 0.488 81.57 81.082
PROMEDIO 0.454 55.080 54.626
REVENIDO 550° Y 15 MINUTOS
1 0.411 15.41 14.999
2 0.411 62.23 61.819
3 0.462 12.02 11.558
PROMEDIO 0.428 29.887 29.459
Tabla 8 Datos obtenidos prueba de impacto tipo charpy
40
Ilustración 23 Diagrama de tenacidad
Con respecto a las pruebas de impacto tipo Charpy se determina que la probeta con
tratamiento térmico de temple es la que posee menor tenacidad obteniendo un valor
de 4.295J logrando tener bastante similitud con el comportamiento en la gráfica
esfuerzo deformación debido a la fragilidad que obtiene con este tratamiento; cabe
resaltar que el espécimen con un comportamiento fuera de lo normal con relación a
las demás probetas con revenido fue la de 550°C y 10 minutos de sostenimiento; el
resto de las probetas presentan una conducta parecida entre sí en sus valores de
tenacidad.
6.4 Pruebas metalográficas
Micrografía
Esta prueba en particular solicita una preparación especial de las probetas, las
cuales se deben suministrar con un acabado superficial tipo espejo en la zona que
es objeto de estudio como lo muestra la siguiente ilustración:
Ilustración 24 Probetas para prueba de micrografía
11,706 4,295 15,404 26,562 26,368 26,26654,626
29,459
TENACIDAD (Joules)
ESTADO DE SUMINISTRO TEMPLE 770°C
REVENIDO 450°C 5 MINUTOS REVENIDO 450°C 10 MINUTOS
REVENIDO 450°C 15 MINUTOS REVENIDO 550°C 5 MINUTOS
REVENIDO 550°C 10 MINUTOS REVENIDO 550°C 15 MINUTOS
41
El procedimiento consiste en preparar las probetas como se mencionó
anteriormente, garantizando que la superficie no contenga ningún tipo de líneas que
impidan observar su microestructura; posteriormente se realiza un ataque químico
con Nital el cual expone la superficie de una mejor manera y da mayor nitidez para
la toma de la imagen; a continuación, se colocan una a una las probetas en el
microscopio metalográfico trinocular invertido Axio Observer D1m disponible en el
laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital, en donde se puede observar
y hacer toma de imágenes digitales a las estructuras metalográficas que presenta
cada una de ellas como se observa a continuación:
Ilustración 25 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sin tratamiento y la probeta con temple a 770°C
TEMPLE A 770 °CSIN TRATAMIENTOPRO
BETA
AUMEN
TOS
500 X
1000 X
TEMPLE A 770 °CSIN TRATAMIENTOAUM
ENTO
S
200 X
42
La figura anterior muestra la comparación de la microestructura entre la probeta sin
tratamiento y la probeta con temple a 770°C en las que podemos observar las
diferencias en cuanto a tamaño de grano y distribución dentro del área que se
analiza, por una parte en la probeta sin tratamiento se evidencia la distribución
homogénea de ferrita y perlita comparada con la probeta templada en la que se ve
una gran disminución en la concentración de ferrita y dando lugar a la aparición de
la martensita en gran cantidad debido a que el temple se realizó a una temperatura
intercrítica.
Ilustración 26 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sometida a revenido a 450°C durante 5 y 10 min
PROBET
A
REVENIDO A 450 °C
5 min
REVENIDO A 450 °C
10 minAUM
ENTO
S
1000 X
REVENIDO A 450 °C
5 min
REVENIDO A 450 °C
10 minAUM
ENTO
S
200 X
500 X
43
La figura anterior deja en evidencia que en la probeta de revenido a 450°C y 5
minutos de sostenimiento la presencia de martensita se da de manera más
homogénea en la superficie con algunas apariciones de ferrita en menor proporción,
el revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento presenta un equilibrio más
elevado en cuanto a su distribución de grano entre ferrita y martensita.
Ilustración 27 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 450°C y 550°C durante 15 y 5 min, respectivamente
PROBET
A
REVENIDO A 450 °C
15 min
REVENIDO A 550 °C
5 minAUM
ENTO
S
1000 X
REVENIDO A 450 °C
15 min
REVENIDO A 550 °C
5 minAUM
ENTO
S
200 X
500 X
44
En la figura previa se observa que con el tiempo de sostenimiento de 15 minutos en
el revenido a 450°C se mantiene la distribución de grano homogénea con una ligera
disminución de martensita; mientras que en el revenido a 550°C y un tiempo de
sostenimiento de 5 minutos hay mayor definición de los granos, presentando un
aumento de tamaño de grano considerable de ferrita y martensita.
45
Ilustración 28 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 550°C durante 10 y 15 min
En la anterior figura se puede observar mayor presencia de martensita con un
tiempo de sostenimiento de 15 minutos con respecto al de 10 minutos, la ferrita se
1000 X
PROBE
TA REVENIDO A 550 °C
10 min
REVENIDO A 550 °C
15 minAUM
ENTO
S
200 X
500 X
46
muestra con un tamaño de grano menor pero más definido en comparación con los
granos de martensita.
Microscopia electrónica por barrido
Ilustración 29 Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV (Universidad de los Andes, 2015)
La microscopía electrónica de barrido (MEB) es una técnica de análisis superficial,
que consiste en enfocar sobre una muestra electrodensa (opaca a los electrones)
un fino haz de electrones acelerado con energías de excitación desde 0.1kV hasta
30kV.
El haz de electrones se desplaza sobre la superficie de la muestra realizando un
barrido que obedece a una trayectoria de líneas paralelas. La variación morfológica
de la muestra entrega diversas señales (electrones secundarios, electrones retro
dispersados, emisión de rayos X, etc.) que son recogidas por distintos detectores;
los cuales permiten la observación, caracterización y microanálisis superficial de
materiales tanto orgánicos como inorgánicos.
Esta prueba fue realizada en el laboratorio de microscopia de la Universidad de los
Andes el cual dispone de un microscopio JEOL, modelo JSM 6490-LV de última
generación que opera en los modos de alto y bajo vacío, tiene integrados cuatro
detectores que permiten la obtención de imágenes de electrones secundarios
(tridimensionales), imágenes de electrones retrodispersados (topográficas,
composicionales y de sombra) e imágenes de mapas de puntos EDS (mapping). El
detector de espectroscopia por dispersión de energía (EDS) permite además la
realización de microanálisis cualitativos y cuantitativos.
47
Los resultados que se obtuvieron de esta prueba se observan a continuación:
Ilustración 30 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Estado de suministro
Esta imagen muestra más definida en alto relieve el grano de perlita acompañado
en bajo relieve por los granos de ferrita.
Ilustración 31 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Temple a 770°C
Se evidencia la transformación de fase con el tratamiento térmico generando la
aparición de martensita en mayor proporción con respecto a la ferrita.
3000x 5000x
3000x 5000x
48
Ilustración 32 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 5 minutos de sostenimiento.
En la figura previa la concentración de ferrita es más evidente en algunos puntos
específicos, mientras que la martensita se distribuye a lo largo del área en estudio.
Ilustración 33 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 10 minutos de sostenimiento.
En la ilustración anterior se puede observar que aumenta el tamaño de grano de la
ferrita y está mejor definida, aunque hay mayor presencia de martensita, adicional
se puede distinguir algunas concentraciones de carbono dentro de los granos de
ferrita.
3000x 5000x
3000x 5000x
49
Ilustración 34 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 15 minutos de sostenimiento.
En la figura anterior se puede observar que hay mayor difusión de martensita en
toda la microestructura y los granos de ferrita disminuyen considerablemente.
Ilustración 35 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 5 minutos de sostenimiento.
En la imagen previa la predominación de martensita sobre la ferrita continua al igual
que en la figura pasada, basándose en una región especifica de la superficie
analizada.
3000x 5000x
3000x 5000x
50
Ilustración 36 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 15 minutos de sostenimiento.
En la imagen anterior se puede observar un mejor contraste entre los granos de
martensita y ferrita pudiendo ver claramente los límites entre ellos.
6.5 Prueba de micro dureza
Este ensayo consiste en generar una deformación plástica con una carga e
indentador estandarizado, el valor de la dureza dependerá de la profundidad de la
muesca que se haya generado en el material (Universidad Distrital, 2015); la escala
de dureza que se puede proporcionar está en el orden Rockwell A, B o C para lo
cual se utilizó el microdurómetro HMV-2TL marca Shimadzu disponible en el
laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital.
Ilustración 37 Resultados prueba de dureza
3000x 5000x
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0
Sin Tratamiento
Temple 770°C
Revenido 450°C 5'
Revenido 450°C 10'
Revenido 450°C 15'
Revenido 550°C 5'
Revenido 550°C 10'
Revenido 550°C 15'
DUREZA ROCKWELL C
Zona Dura Zona Blanda
51
Generalizando la imagen se puede observar el aumento de la dureza en todos los
tratamientos con respecto al material base, hay un comportamiento típico en la
probeta con temple ya que su valor de dureza excede todo rango de valores con
63.7RC en su zona más dura, se evidencia que las zonas duras con mayor valor de
dureza es la de revenido a 450°C y un tiempo de retención de 10 minutos con
52.7RC en la zona dura y 46.9 RC en la zona blanda, seguida de la probeta con
tratamiento de revenido a 450°C y 15 minutos de retención con un valor de 51.5 RC
en la zona dura y 38.0RC en la zona blanda, también cabe resaltar que el
tratamiento que tuvo un menor valor de dureza es el revenido a 550°C y 15 minutos
de retención con 29.9 RC en su zona dura y 29.4RC en la blanda.
Ilustración 38 Variación porcentual en la dureza con respecto al material en estado de suministro.
Con base en esta grafica se puede establecer que el tratamiento térmico con mayor
aumento de dureza en su parte dura como era de esperarse es el temple con un
aumento del 108.1% con relación al material base y el tratamiento con mayor
aumento en la zona blanda lo presentó el revenido a 450°C con 10 minutos de
retención con un aumento de 108%.
6.6 Modos de falla
Esta prueba se realizó con el estéreo microscopio trinocular Stereo Discovery.V8
disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital a una
resolución de 200x; este equipo permite la toma de fotografías a elementos que han
-20,0% 0,0% 20,0% 40,0% 60,0% 80,0% 100,0% 120,0%
Temple 770°C
Revenido 450°C 5'
Revenido 450°C 10'
Revenido 450°C 15'
Revenido 550°C 5'
Revenido 550°C 10'
Revenido 550°C 15'
VARIACIÓN PORCENTUAL EN LA DUREZA
Zona Dura Zona Blanda
52
sufrido fallas o desgaste mecánico y por medio de este se puede analizar
visualmente la manera en la cual se generó la fractura de las probetas
seleccionadas a continuación:
PROBETAS
MODOS DE FALLA
1 2
ESTADO DE
SUMINISTRO
TEMPLE A 770°C
FRACTOGRAFÍA Mixta dúctil - Frágil Mixta dúctil - Frágil
FRACTOGRAFÍA Frágil Frágil
FRACTOGRAFÍA Dúctil Dúctil
REVENIDO A
450°C Y 5
MINUTOS
53
Dúctil Mixta dúctil - Frágil
FRACTOGRAFÍA Dúctil Dúctil
Mixta dúctil - Frágil Mixta dúctil - Frágil
FRACTOGRAFÍA Dúctil Mixta dúctil - Frágil
FRACTOGRAFÍA
REVENIDO A
450°C Y 10
MINUTOS
REVENIDO A
450°C Y 15
MINUTOS
REVENIDO A
550°C Y 5
MINUTOS
REVENIDO A
550°C Y 10
MINUTOS
FRACTOGRAFÍA
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Ilustración 39 Fotos fractografía (Universidad Distrital, 2015)
Es importante establecer que la fractura frágil es más evidente en la probeta que
tiene un aumento considerable de dureza, como se muestra en el espécimen con
temple a 770°C y 30 minutos de sostenimiento, en el que la superficie de grieta
presenta un aspecto granular. La fractura mixta presente en la probetas de estado
de suministro, revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento y la de revenido
a 550°C y 5 minutos de sostenimiento, supone un comportamiento acorde con lo
que se evidencia en el análisis de micrografía, en las que las concentraciones de
martensita y ferrita son bien definidas en toda la superficie de estudio. En lo que
respecta a las probetas con fracturas dúctiles, se observa claramente la forma en
que ocurre el desgarre del material por el aumento en los valores de tenacidad
explicados anteriormente.
6.7 Coeficiente de endurecimiento K y n de la curva plástica
PROBETA INDICE DE ENDURECIMIENTO (n) VALOR K (Mpa)
SIN TRATAMIENTO 1.160 9267
TEMPLE 1.1750 5.3684
REVENIDO 450°C 5 MIN 0.0871 4.3410
REVENIDO 450°C 10 MIN 0.8392 5.5965
REVENIDO 450°C 15 MIN 0.7694 5.7373
REVENIDO 550°C 5 MIN 1.1962 142.391
REVENIDO 550°C 10 MIN 0.8870 5.4988
REVENIDO 550°C 15 MIN 1.2354 74.0060
Tabla 9 Coeficiente de endurecimiento K y n
En la tabla anterior se puede observar la variación de los coeficientes de
endurecimiento K y n de acuerdo a los diferentes tratamientos térmicos.
FRACTOGRAFÍA Dúctil Dúctil
REVENIDO A
550°C Y 15
MINUTOS
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6.8 Conclusiones
Realizando el tratamiento térmico de temple se puede concluir que la temperatura
de 770°C se seleccionó dentro del rango de temperaturas intercríticas establecido
con anterioridad, teniendo en cuenta que se debe hacer antes de la temperatura de
austenización denominada A3 debido a que los cambios de fase desde este punto
son diferentes.
El establecimiento de las temperaturas de revenido permite enfocar el análisis de
resultados en la variación de las propiedades mecánicas del material, ya que esto
se puede conseguir realizando el tratamiento en dos tipos de revenido, revenido
medio y revenido alto.
Con base en el diagrama esfuerzo vs deformación se concluye que la curva del
tratamiento térmico de revenido a 450 °C y 15 minutos de sostenimiento es la que
mayor variación presenta con respecto a la probeta en estado de suministro.
Los revenidos de 550 °C con 5 y 10 minutos de sostenimiento muestran un
comportamiento similar en cuanto a su pendiente de elasticidad pero cambian al
momento de presentarse el esfuerzo último a la tensión ya que la probeta con 5
minutos de sostenimiento no genera deformación plástica y se fractura antes de lo
previsto.
Todos los revenidos realizados a la temperatura de 450 °C aumentan su tenacidad
y su deformación teniendo como referencia la probeta sin tratamiento.
El revenido a 550 °C y un tiempo de sostenimiento de 15 minutos ofreció la mayor
deformación plástica de toda la prueba.
La tenacidad de todos los tratamientos térmicos de revenido fue mayor que el de la
probeta sin tratamiento y la de temple presentó una disminución en su tenacidad de
acuerdo a la teoría.
En cuanto a los resultados de la prueba de dureza se concluye que existe similitud
en los valores de dureza en la zona dura entre los revenidos de 450 °C y los tiempos
de sostenimiento de 5 y 10 minutos.
El tratamiento térmico de temple tiene un aumento del 108.1% en su zona dura con
relación a la probeta sin tratamiento evidenciando el comportamiento establecido
teóricamente.
La variación porcentual entre el revenido de 450 °C y un sostenimiento de 15
minutos es similar a la del revenido a 550 °C y un sostenimiento de 10 minutos.
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Los cambios de fase en todos los tratamientos térmicos están relacionados con la
distribución de los granos dentro de la zona de estudio.
El cambio de fase en el tratamiento térmico de temple evidencia la ausencia de
perlita encontrada en el material base y la aparición de martensita en grandes
cantidades, la ferrita sigue estando presente pero en menor proporción.
Entre más tiempo de sostenimiento en el revenido a 450 °C la concentración de
martensita disminuye gradualmente y se presenta una mejor distribución de los
granos en la superficie analizada.
Las probetas con revenido a 550 °C con tiempo de sostenimiento de 5 y 15 minutos
proporcionan una mejor definición de los granos de ferrita en la estructura.
Un coeficiente de endurecimiento por deformación alto significa un mayor
endurecimiento en el material, lo que a nivel microestructural significa un
mantenimiento de las dislocaciones creadas durante la deformación. Así mismo, se
deforman los granos del material y se induce en el material esfuerzos residuales.
Es decir, la estructura interna del material se ve afectada notablemente por la
deformación inducida.
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7 Bibliografía
Akay, S. K., Yazici, M., Bayram, A., & Avinc, A. (2009). Fatigue life behaviour of
the dual-phase low carbon steel sheets. Journal of Materials Processing
Technology, 209, 3358–3365. doi:10.1016/j.jmatprotec.2008.07.038
Al-Abbasi, F. M., & Nemes, J. a. (2003). Micromechanical modeling of dual phase
steels. International Journal of Mechanical Sciences, 45, 1449–1465.
doi:10.1016/j.ijmecsci.2003.10.007
Bhagavathi, L. R., Chaudhari, G. P., & Nath, S. K. (2011). Mechanical and
corrosion behavior of plain low carbon dual-phase steels. Materials and
Design, 32(1), 433–440. doi:10.1016/j.matdes.2010.06.025
Camurri, C., & Rodríguez, D. (2004). Modelo Matemático Y Validación
Experimental De La Transferencia De Calor Durante Las Diferentes Etapas
Del Tratamiento Térmico De Bolas Para Molienda . CONGRESO
CONAMET/SAM 2004, (1), 1–4.
Cárdenas, E., Rodríguez, C., Belzunce, F. J., & Betegón, C. (2009). Estudio de las
propiedades mecánicas de aceros de doble fase mediante el ensayo
miniatura de punzonado. Anales de Mecánica de La Fractura 26, 1, 166–171.
Kang, S. H., & Im, Y. T. (2007). Three-dimensional thermo-elastic-plastic finite
element modeling of quenching process of plain-carbon steel in couple with
phase transformation. International Journal of Mechanical Sciences, 49, 423–
439. doi:10.1016/j.ijmecsci.2006.09.014
Liu, C. C., Xu, X. J., & Liu, Z. (2003). A FEM modeling of quenching and tempering
and its application in industrial engineering. Finite Elements in Analysis and
Design, 39, 1053–1070. doi:10.1016/S0168-874X(02)00156-7
Liu, C., Ju, D.-Y., & Inoue, T. (2002). A Numerical Modeling of Metallo-thermo-
mechanical Behavior in Both Carburized and Carbonitrided Quenching
Processes. ISIJ International, 42(10), 1125–1134.
doi:10.2355/isijinternational.42.1125
Menezes Nunes, R., Arai, T., Baker, G. M., Becherer, B. A., Bell, T., Bird, E. L., …
Cannico, D. A. (1991). Heat Treating ASM Metals Handbook Volume 4.
Movahed, P., Kolahgar, S., Marashi, S. P. H., Pouranvari, M., & Parvin, N. (2009).
The effect of intercritical heat treatment temperature on the tensile properties
58
and work hardening behavior of ferrite-martensite dual phase steel sheets.
Materials Science and Engineering A, 518, 1–6.
doi:10.1016/j.msea.2009.05.046
Silva, E. P., Pacheco, P. M. C. L., & Savi, M. A. (2004). On the thermo-mechanical
coupling in austenite-martensite phase transformation related to the quenching
process. International Journal of Solids and Structures, 41, 1139–1155.
doi:10.1016/j.ijsolstr.2003.09.049
Universidad de los Andes. (2015). Vicerrectoría de Investigaciones. Retrieved
August 02, 2015, from
https://investigaciones.uniandes.edu.co/index.php/es/centro-de-
microscopia/microscopio-electronico-de-barrido-meb
Universidad Distrital. (2015). Laboratorios y Talleres de Mecánica. Retrieved July
18, 2015, from http://www.udistrital.edu.co:8080/en/web/laboratorio-mecanica/
Yoshida, K., Brenner, R., Bacroix, B., & Bouvier, S. (2011). Micromechanical
modeling of the work-hardening behavior of single- and dual-phase steels
under two-stage loading paths. Materials Science and Engineering A, 528(3),
1037–1046. doi:10.1016/j.msea.2010.10.078