Informe final materiales para la ingeniería eim luz

5/10/2018 Informe final materiales para la ingenier a eim luz - slidepdf.com

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I.- INTRODUCCIÓN

El presente informe tiene como objeto el estudio de los tratamientostérmicos aplicables al acero 4140, así como también a los cambios en las

propiedades que este puede conferirle al acero. Los tratamientos térmicoscorresponden a una serie de procedimientos que modifican las propiedadesde un material (tanto aceros, como cerámicos y materiales compuestos), y almodificar las propiedades se puede inferir que modifican la microestructuradel material. Mediante un breve marco teórico se explicará con mayorprofundidad cada uno de los tratamientos térmicos a ejecutar en la práctica,así como también la naturaleza del material empleado, el acero 42CrMo4,que corresponde a la designación europea del acero 4140 de la AISI/SAE. Seincluyen diagramas de TTT para este tipo de acero, con su correspondiente

hoja de propiedades, para fundamentar los cambios en las muestras amedida que se ejecutan tratamientos térmicos tales como: normalizado, quecorresponde a enfriar al aire tranquilo; normalizado forzado, quecorresponde a enfriamiento mediante ventiladores; recocido, en donde seenfría con un cambio de temperatura lento, ya que se deja en el horno; ytemple tanto en agua, como en aceite.

Cabe destacar que se realizarán ensayos a seis muestras, de las cuales auna no se le ejecutarán tratamientos a manera de control, y para poderapreciar los cambios en la dureza (medida en escala Rockwell) y en la

microestructura de cada una de las muestras sometidas a tratamientotérmico. Luego a partir de los resultados obtenidos de cada uno de losensayos, se procederá a una comparación de éstos, con el correspondientediagrama TTT del material. Para finalizar se presentarán una serie deconclusiones obtenidas a partir de la práctica elaborada, así como tambiénlos anexos complementarios



OBJETIVOS

• Estudiar el comportamiento de varias muestras de acero 42CrMo4, cuando es

sometido a distintas modalidades de tratamientos térmicos.• Determinar si el acero 42CrMo4 funciona adecuadamente como sustituto

para el acero 4140, comúnmente empleado para la práctica.• Preparar las muestras de acero 42CrMo4, para realizarles un análisis

metalográfico.

• Tomar fotomicrografías a 200X y 400X, de cada una de las muestras de acero42CrMo4, así como también los correspondientes ensayos de dureza.

• Observar los cambios en la microestructura de las muestras, por efectos delos tratamientos térmicos tales como temple, revenido, recocido ynormalizado, a las que han sido sometidas, mediante la comparación con una

muestra de control que no se ha sometido a tratamiento térmico.• Relacionar los cambios en la microestructura de las muestras de acero

42CrMo4 con los cambios en las propiedades mecánicas de éstas.



II.-MARCO TEÓRICO

2.1.-Tratamiento térmico.

Se denomina tratamiento térmico al conjunto de operaciones decalentamiento y enfriamiento necesarias para modificar la estructura monofásica omultifásica de un metal o aleación, con el objetivo de modificar las propiedades deéste. Dentro de las propiedades que sufren modificaciones se encuentran laspropiedades mecánicas. Este tipo de tratamiento no está únicamente restringido alos metales, puede aplicarse también a materiales cerámicos y compuestos. Es unaespecialización de la metalurgia.

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales paraque pueda alcanzar las propiedades mecánicas requeridas para una aplicaciónespecífica. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que seproducen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, yocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unaspautas o tiempos establecidos y controlados de manera tal, que se obtengan lasmicroestructuras que les confieran las características necesarias para que elmaterial se comporte de manera confiable ante una determinada solicitación.

Los factores de mayor incidencia dentro de los tratamientos térmicos son: elcalor a la que va a estar sometida la muestra, la temperatura que esta alcance y lavariación de estos dos factores con respecto al tiempo.

2.2.- Tipos de tratamientos térmicos.

Entre los tratamientos térmicos empleados comúnmente se encuentran:

2.2.1.-Temple.

Tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello,se calienta el acero a una temperatura de austenización, con una permanenciasuficiente que garantice la homogeneidad de la pieza, y se enfría luego más omenos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua,aceite, etc.



En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar con calentamientode austenización incompleta, en la masa original caliente hay austenita y unacantidad de cementita y carburos aleados, después del enfriamiento se obtienemartensita y bainita. Este proceso produce mejores resultados en la prácticaindustrial.

Factores que influyen en el temple de los aceros son la composición, eltamaño de grano el tamaño de las piezas

Características:

Enfriamiento muy rápido (Agua, Salmuera, Aceite, Aire Soplado).

Se forma martensita y quedan atrapados carbonos sin disolver.

Dureza altísima.

Alta fragilidad.

No existe la fase ferrita + cementita (α +Fe3C).

2.2.2.-Revenido.

Es un tratamiento habitual a las piezas que han sido previamente templadas;por medio de este, se consigue disminuir la dureza y resistencia de los acerostemplados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad,dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente deltemple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

En la industria se recomiendan desde hace décadas tiempos y temperaturasde revenido que consideren la imprecisión en la transferencia del calor de loshornos tradicionales de revenido: la transferencia del calor es dependiente de laposición de la pieza en el contenedor. De este modo, las tablas prescriben tiemposcon los cuales se puede estar seguro de que todas las piezas alcancen latemperatura necesaria hasta su núcleo.

En resumen, el revenido se suele hacer calentar las piezas templadas atemperaturas variables de 550° a 650° y luego enfriando al aire. Es un tratamiento

complementario al temple.

Los factores que influyen en la fragilidad del revenido son la velocidad deenfriamiento, el tiempo de permanencia en el intervalo de temperatura crítica.Disminuye la dureza del temple a valores adecuados para el uso de la pieza.

Transforma la martensita tetragonal en cúbica disminuyendo los esfuerzos que segeneran en la pieza.



2.2.3.-Normalizado.

El normalizado se lleva a cabo al calentar a unos 350 por encima de la Temperatura Critica superior, se mantiene un tiempo y Luego se enfría en aireestático hasta La Temperatura Ambiente , con esto se consigue un acero más duroy resistente que el que se obtiene con un enfriamiento más lento en un hornodespués de mi recocido . Este tratamiento se utiliza tanto para piezas fundidas,forjadas o mecanizadas, y sirve para afinar la estructura y eliminar las tensionesque suelen aparecer en la solidificación, forja etc. La velocidad de enfriamiento esmás lenta que en el temple y más rápida que el recocido es un tratamiento típico delos aceros al carbono de construcción de 0.15 a 0.40 % de carbono. Se mantiene eltiempo suficiente a esta temperatura para igualar la temperatura entre la superficiey el núcleo, seguido por un enfriamiento en aire en calma, para obtener unaestructura fina perlítica, que proporciona mayor resistencia mecánica

Características:

Produce un acero más duro y fuerte que el de recocido total.

Mejora la maquinabilidad.

Refina el grano, homogeneiza la microestructura.

Se usa para disminuir la extrema maleabilidad.

Enfriamiento a temperatura ambiente.

2.2.4 Recocido.

Se pueden distinguir do tipos de primer grado o subcritico que es elcalentamiento de un metal dentro de una misma fase, sin cambio de la misma, y unposterior enfriamiento a una velocidad lenta, con esto se consigue llevar al metal alestado estable, eliminando tensiones residuales y dislocaciones de la redproduciendo una recristalizacion y el de segundo genero en el que se produce uncambio de- fase. El objetivo del recocido es ablandar el acero y regenerar -su

estructura, es- la primera operación a -realizar en un tratamiento térmico ya quesubsana defectos de los procesos de fabricación del acero. -como la colada, la forja,etc, y prepara el metal para las operaciones mecánicas.

En otras palabras, es un tratamiento térmico en el cual se reduce la dureza deuna microestructura con acritud mediante permanencia a temperatura elevada.

Características:



Refina el grano

Proporciona suavidad

Mejora las propiedades eléctricas y magnéticas

Otro tipo de recocido; es el recocido por ablandamiento en el cual se ablanda elmaterial por lo que mejora la Maquinabilidad del Acero, también elimina totalmentelas tensiones internas en el material y hay que tener en cuenta que solo se realizasolo a los aceros Hipoeutéctoides.

También existe el recocido de globulización o coalescencia que tiene las mismascaracterísticas del recocido por ablandamiento pero se diferencia de este ya quesolo se realiza a aceros Hipereutéctoides

2.3.-Tratamientos Térmicos Superficiales:

En el caso de los tratamientos térmicos, no solo se producen cambios en laEstructura del Acero, sino también en su composición química, añadiendodiferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estostratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas.

• Cementación. Mediante este tratamiento se producen cambios, en la

composición química del acero. Se consigue teniendo en cuenta el medioo atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento yenfriamiento. Lo que se busca es aumentar el contenido de carbono de lazona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos,una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad enel núcleo.

• Nitruración. Este tratamiento Termoquímico busca endurecersuperficialmente un acero con nitrógeno, calentándolo a temperaturascomprendidas entre 400-525ºC, dentro de una corriente de gas amoníaco,más nitrógeno.

También existen otros tratamientos que a continuación se nombran. Estosson: Cianuración, sulfinización, a la Flama o Llama y por Inducción Magnética sinembargo se comentara sobre estos de forma breve:

• Cianuración. Cuando se desea obtener un temple superficial en formarápida se emplea un baño de cianuro fundido; el baño constageneralmente de cianuro de sodio con cloruro de sodio y carbonato de



sodio para retardar la descomposición del cianuro. La cianuración seafecta a una temperatura por encima de la critica del corazón de la pieza yel acero debe enfriarse directamente por inmersión al salir del baño decianuro; se obtiene una profundidad superficial uniforme de 0.28mm enuna hora. Los baños de cianuro se usan generalmente en los procesos de

temple de acero para impedir la descarburación de la superficie.• A la flama. Es el calentamiento local del acero de modo que con el

enfriamiento se produzca un temple localizado en la región afectada. Laprofundidad de temple con este proceso varia de 1.5 a 6.5mm estemétodo se emplea en superficies de piezas grandes por su deformaciónque es mínima. Para aceros al carbono el contenido de este debe ser de0.35 a 0.70%, aunque también puede templarse a la llama aceroscontenido de carbono mas alto si se tiene cuidado de impedir elagrietamiento de la superficie. Para obtener buenos resultados con esteproceso se debe tener cuidado en la característica de la flama, la distancia

a la superficie, su velocidad de movimiento y el tiempo de enfriamientopor inmersión; es necesario un revenido para liberar el material de losesfuerzos, siendo suficiente por lo general una temperatura de 205°C. Lasaplicaciones típicas son: El temple de dientes de engranes, levas,extremos de rieles, llantas metálicas de rueda.

• Por inducción. Se efectúa por calentamiento por corriente eléctrica, elcalentamiento por resistencia es útil para templar secciones localizadas dealgunas piezas forjadas y de fundición, pero en general su principalaplicación es para calentar partes de sección transversal uniforme. Elproceso se usa para templar superficies de piezas cilíndricas, los muñonesde apoyo de los cigüeñales aplicando una corriente de alta frecuencia a lasección de apoyo durante unos cuantos segundos y cuando se hacalentado el acero a la profundidad deseada, se rosea agua sobre lasuperficie calentada a través de orificios hechos, los bloques del inductorque rodea al apoyo; la amplitud de la zona calentada puede regularse contoda exactitud que las curvas o filetes puedan quedar perfectamente sinposibilidad de falla por fatiga y sin sacrificar la resistencia al desgaste.

2.4.- ACLARATORIA DEL USO DEL ACERO 42CrMo4

Como se puede observar en las hojas de propiedades anexas, el acero 42CrMo4, según la

nomenclatura DIN es referido como el equivalente al acero 4140 de la nomenclatura AISI/SAE.



En estas tablas se muestra las distintas propiedades del material, así como también el diagrama

TTT y la microestructura esperada.

III.- DESARROLLO

3.1.-MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS.

Seis (6) muestras de Acero 42CrMo4.

Horno para tratamientos térmicos.

Microscopio metalográfico

Cámara digital para microscopio metalográfico.

Durómetro de Rockwell.

Abrasivos para ejecutar el desbaste: 80, 320, 400, 600.

Aceite.

Agua.

Etanol.

Ventilador para el normalizado forzado.

Pulidora.

Desbastadora.

3.2.- PROCEDIMIENTO.



Se tomaron seis muestras de acero 42CrMo4, a partir de una barra delmaterial nombrado. Estas muestras se cortaron de la barra, con un espesoraproximado de una pulgada. Se colocaron luego cinco muestras en una cajametálica con carbón para introducirlas en el horno, de manera tal que la superficiede las muestras no sufrieran pérdida de carbono. Se esperaron aproximadamente

tres horas para que el horno llegara a la temperatura ideal de 830 °C. Se conservóel calor dentro del horno de manera tal que una hora después de estar en estatemperatura, a las muestras se les realizó el tratamiento térmico correspondiente:

• Una muestra sin tratamiento térmico.• Una muestra calentada hasta la temperatura de austenización por una hora

por pulgada de espesor y luego enfriamiento en el horno.• Una muestra calentada hasta la temperatura de austenización por una hora

por pulgada de espesor y luego enfriamiento al aire tranquilo.• Una muestra calentada hasta la temperatura de austenización por una hora

por pulgada de espesor y luego enfriamiento al aire forzado con ventilación.• Una muestra calentada hasta la temperatura de austenización por una hora

por pulgada de espesor y luego enfriamiento en aceite quemado.• Una muestra calentada hasta la temperatura de austenización por una hora

por pulgada de espesor y luego enfriamiento en agua.

Se esperó el fin de semana, y luego se ejecutaron los procedimientos depreparación de cada una para el estudio metalográfico, es decir: el desbastadocon los abrasivos mencionados, el pulido correspondiente y el ataque químico,para poder obtener las fotomicrografías de las seis muestras. También se les

ejecutó el ensayo de dureza Rockwell, empleando un penetrador cónico dediamante con una carga de 150 Kg para cada una de las muestras. Se ejecutóeste ensayo tres veces por muestra, para obtener un promedio de las durezas,que correspondió al valor a reportar.

3.3.-Datos obtenidos de la práctica

Se presentan en forma de tabla en las siguientes páginas.



IV.- CONCLUSIONES

1. Los tratamientos térmicos modifican tanto las propiedades mecánicas como la

microestructura del material, fácilmente apreciable en las fotomicrografías y en

los ensayos de dureza.

2. Es necesario el conocimiento adecuado del funcionamiento de los equipos de la

práctica, como por ejemplo, al momento del corte de muestras, evitar emplear

métodos que modifiquen las propiedades, mediante el calor generado y la

fricción.

3. El desbastado y pulido se deben ejecutar siguiendo un orden para obtener una

superficie apta para una fotomicrografía, evitando la aparición de rayas en

diversos sentidos, y de colas de cometa, en por lo menos un área de la sección de

las muestras.



4. Cada tratamiento térmico tiene su procedimiento específico, y por lo tanto es

necesario una hoja de datos del material a tratar térmicamente, que indique las

temperaturas críticas y composición para poder estimar el procedimiento a seguir.

5. Las muestras con temples en agua y en aceite, con su microestructura

martensítica, se comprobaron como las de mayor dureza, cumpliéndose así lo

esperado según los conocimientos teóricos, de que la martensita es uno de los

constituyentes más duros.

6. En el caso del normalizado y normalizado forzado, se pudo observar una

estructura fina perlítica, y una disminución de la dureza en cierto grado con

respecto a la dureza original. La estructura fina perlitica puede ser más estable

para ciertas aplicaciones, dependiendo de los requerimientos de las aplicaciones

de la pieza. No hay mayor diferencia entre los dos tipos de normalizado.

7. En el caso del recocido se obtiene una perlita gruesa, y una dureza similar a la del

normalizado. Todos los tratamientos ejecutados deben estar de acuerdo a la

aplicación que se le quiera dar a las piezas, y las necesidades de trabajabilidad y

de resistencia mecánica pueden modificarse con éstos.



V.- ANEXOS

VI.- BIBLIOGRAFÍA CONSULTADDA

Apuntes de clase de los profesores: Ángel Márquez y Ana Castro.

Tablas de datos de Materiales identificadas según el laboratorio o empresa

que los proporciona.

http://www.trafilix.com/en_pdf/42CrMo4.pdf

http://www.thyssenkrupp.cl/Documentos/fichasT/Aceros%20maquinaria

%20barras/AISI%204140.pdf

http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/10907/2/Mem

%C3%B2ria.pdf

http://www.matbase.com/material/ferrous-metals/high-grade-

steel/42crmo4/properties


http://www.thyssenkrupp.cl/Documentos/fichasT/Aceros%20maquinaria%20barras/AISI%204140.pdf


http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/10907/2/Mem%C3%B2ria.pdf


http://www.matbase.com/material/ferrous-metals/high-grade-steel/42crmo4/properties









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