Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5
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CIENCIA DE LOS
MATERIALES
Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5
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Temas: TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y DUREZA DESPUÉS
DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LOS ACEROS.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y CAMBIOS EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS
OBJETIVO GENERAL
Comprobar los cambios en las propiedades de los aceros por efecto de los
tratamientos térmicos.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.- Medir la dureza en aceros sometidos a tratamientos térmicos de temple,
recocido y normalizado.
2.- Comparar la dureza de estado de entrega con la dureza después del
tratamiento térmico y obtener conclusiones.
3.- Estimar la resistencia mecánica de los aceros a partir de la dureza.
4.- Investigar la composición química de los aceros sometidos a tratamientos
térmicos, los cambios esperados con los tratamientos térmicos efectuados;
comparar con los resultados obtenidos y obtener conclusiones
5.- Indicar las aplicaciones de estos aceros.
Cilindros de acero AISI 1020, 1045, 01, 304, 4340 tratados
térmicamente. Durómetro
I.- Introducción.
En los materiales de ingeniería pueden ocurrir muchos tipos de
transformaciones de estado sólido y pueden controlarse con los tratamientos
térmicos adecuados. Estos tratamientos térmicos están diseñados para
proporcionar una distribución óptima de dos o más fases en la
microestructura. Los cambios en la naturaleza, cantidad, tamaño,
distribución y orientación de las fases resultantes nos permiten obtener una
gran variedad de estructuras y propiedades en los materiales.
En las más comunes de estas transformaciones: -excediendo el límite de
solubilidad, endurecimiento por envejecimiento, control de la reacción
eutectoide y control de la reacción martensítica-, se pretende producir una
microestructura final que contenga una distribución uniforme de muchas
Objetivos
Específico
Contenidos
Materiales y equipos
Bibliografía
Guía 1
Introducción teórica
Bibliografía
Guía 1
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partículas finas y duras de precipitado en una matriz más blanda y dúctil.
Haciendo esto, es posible obstaculizar de modo efectivo el movimiento de las
dislocaciones, proporcionando así resistencia mecánica, pero manteniendo aún
una ductilidad y tenacidad convenientes.
El control cuidadoso de las temperaturas en el tratamiento térmico, así como
sus tiempos es esencial para obtener la microestructura apropiada. Los
diagramas de fases sirven para seleccionar las temperaturas apropiadas, pero
se necesitan datos experimentales para lograr finalmente la combinación
óptima de tiempos, temperaturas y composiciones.
Finalmente, puesto que se obtienen las propiedades deseadas a través del
tratamiento térmico, debemos tener presente que la estructura y las
propiedades pueden modificarse cuando el material se utiliza a altas
temperaturas. El sobreenvejecimiento, el sobrerrevenido y la pérdida de
coherencia pueden ocurrir como una ampliación natural del fenómeno que rige
estas transformaciones cuando el material es puesto en servicio.
Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico
Las propiedades mecánicas de las aleaciones, y en particular de distintos
aceros, residen en la composición química de los mismos y el tipo de
procesamiento a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican
la estructura cristalina de los aceros sin variar la composición química
general de los mismos.
Esta característica de tener diferentes estructuras de grano con la misma
composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los
tratamientos térmicos. Técnicamente el polimorfismo es la capacidad de
algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una
única composición química, el diamante y el grafito son estructuras
polimórficas del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son
estructuras polimórficas del hierro. Esta propiedad cuando es reversible se
llama alotropía, que es el caso del hierro.
Propiedades mecánicas de los aceros
Los aceros constituyen una de las más grandes familias de materiales que
existen, su base es una aleación de hierro y carbono que puede contener
otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades especificas
para su utilización en la industria.
Los principales elementos aleantes de los aceros son: cromo, tungsteno,
manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre. A estos elementos
químicos que forman el acero se les llama componentes, y a las distintas
estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.
Los constituyentes, según su porcentaje, ofrecen características específicas
para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes,
etcétera.
Tratamientos térmicos de los aceros
El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para
que pueda alcanzar las propiedades que se desean.
Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5
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En los aceros, éste consisten en tres procesos: calentamiento hasta
temperatura austenítica, sostenimiento a esa temperatura y por último
enfriamiento en un medio que convenga.
Primer proceso: Temperatura de calentamiento, ésta es la temperatura para
obtener una microestructura estable conocida como austenita (FCC) (arriba de
línea Ac3, ver figura 1 y 2), que, como bien se sabe, tiene un factor de
empaquetamiento de 0.74 o lo que es lo mismo, es mucho más densa que la
estructura BCC cuyo factor de empaquetamiento es 0.68.
Segundo proceso, Tiempo de sostenimiento, éste es el tiempo necesario que la
pieza debe permanecer en el interior del horno hasta que su estructura
cristalina esté constituida de 100% austerita homogénea (BCC → FCC).
La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la
aleación suelen modificar el tiempo de permanencia de la pieza dentro del
horno. Como regla empírica se da un tiempo de permanencia de 20 minutos por
cada pulgada de espesor de la pieza a templar. Para el caso de piezas con
formas complejas, el tiempo es mayor tanto en el calentamiento como el
tiempo de permanencia para evitar daños a la pieza.
El tercer proceso es un enfriamiento controlado y se debe determinar el tipo
de medio a utilizar, pues diferentes medios de temple proporcionan
diferentes rapideces de enfriamiento y por lo tanto diferentes propiedades.
Se clasifican por su severidad de temple.
Entre los medios más comunes que se pueden mencionar, se tienen los
siguientes:
- Salmuera con hielo. El más severo (mayor rapidez de enfriamiento)
- Salmuera (Mezcla de agua y aproximadamente 10 % en peso de sal común de
mesa)
- Agua
- Aceite para temple (baja viscosidad VG 32 o inferior y alto punto de
“inflamación”)
- Chorro de aire a presión (convección forzada)
- Aire tranquilo (sin agitar o convección natural). El menos severo.
- Enfriamiento en baño de sales a relativamente altas temperaturas.
- Martemperado y Austemperado para tratamientos especiales.
En las tablas de tratamiento térmico se observa que para cada tipo de acero
(o aleación) se recomienda un medio de enfriamiento y el procedimiento para
lograr las propiedades deseadas. Cada acero contiene elementos de aleación
en cierta cantidad. Por ejemplo, para aceros al carbón de baja aleación, el
agua mezclada con sal común es apropiada.
Pero ¿qué sucede cuando aumenta el contenido de elementos de aleación en un
material, como por ejemplo el acero AISI 4340?, pues bien, se produce un
aumento en la dureza (endurecimiento) por solución sólida de la ferrita, por
formación de Fe3C, y causa la precipitación de otros carburos que le
confieren resistencia a la corrosión; el tratamiento térmico de temple para
estos aceros es menos severo que para otros, hay que disminuir la rapidez
crítica de temple, ya que la “nariz” de la curva del diagrama de TTT o TEC
(figuras 3 y 4) está más alejada del eje referencia vertical t ~ 0, y en
consecuencia la pieza de acero tratada térmicamente puede ser enfriado en un
medio con severidad de temple mucho menor como lo es el enfriamiento en
aceite e incluso el aire, con lo cual se reduce el riesgo de agrietamiento
Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5
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(superficial o interno), disminuyen las deformaciones debido al temple y
quedan con excelente dureza.
Comparativamente con enfriamientos en agua salada y agitada se consiguen las
mayores rapideces de enfriamiento, mientras que enfriamientos dentro de la
cámara de un horno se obtienen las menores rapideces de enfriamiento.
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en
general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo
materiales con mejores propiedades tanto al desgaste como a la tensión. Los
principales tratamientos térmicos en lo aceros son:
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.
Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más
elevada que la crítica superior Ac3 para que se de la transformación a
la estructura austenita (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o
menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como
agua, aceite, o incluso aire, según su composición.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura
de austenitización (800-925ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con
este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que
disminuye la dureza y la resistencia mecánica. También facilita el
mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el
grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el
trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es
decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme
del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al
revenido. Consiste en calentar a temperatura de austenización y luego
enfriar al aire quieto.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para
disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la
dureza y aumentar la tenacidad. Habrá un laboratorio referente al
revenido.
II.- Descripción de los tratamientos térmicos
1.- ENDURECIMIENTO Ó TEMPLE DEL ACERO
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del
metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura 2, la
temperatura de endurecido es la misma de recocido) y luego sacarlo
rápidamente del horno y enfriarlo con agua, salmuera, aceite o aire, según
su composición. El endurecimiento produce una estructura granular fina que
aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El
acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su
temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830
°C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza
brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita,
lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se
enfría la austenita de manera brusca, se transforma en martensita, material
que es muy duro y frágil.
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2.- RECOCIDO
Existen varios tipos de recocido, a continuación se describen los mas
comunes
a) Recocido primario
Tiene como finalidad principal el ablandar el acero, regenerar la estructura
de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que
siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).
b) Recocido de Regeneración
Tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple
o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras
que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para finar y
ordenar su estructura
Ejemplo:
Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a
tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado
inicial.
c) Recocido de Globular
Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor
al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro
tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de
recocido está entre AC3 y AC1.
Ejemplo:
- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.
d) Recocido de Subcrítico
Se usa para aceros de forja o de laminación, para lo cual se usa una
temperatura de recocido inferior a AC1, pero muy cercana. Mediante este
procedimiento se destruyen las tensiones internas producidas por su moldeo y
mecanización. Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia,
al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo
que los antes mencionados, su enfriamiento es lento.
3.- NORMALIZACIÓN O NORMALIZADO
Para los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento se toma de
la figura 2a y para los aceros hipereutectoides se toma de la figura 2b,
después del tiempo de permanencia en el horno, se enfría en aire tranquilo a
temperatura ambiente.
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Figura 1: Diagrama Hierro – Carburo de hierro mostrando sus regiones,
temperaturas y transformaciones.
Figura 2: temperaturas de normalizado, temple y recocido para aceros
hipoeutectoides e hipereutectoides.
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Fig. 3. Diagrama de TTT (Transformación Tiempo Temperatura) de un
acero AISI 1045
Fig. 4. Diagrama CCT (Enfriamiento continuo), correspondiente a un acero
AISI 1045
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Curva de enfriamiento continuo para un acero BOEHLER k353, equivalente al AISI A2
Laboratorio 4:
1.- Investigar las propiedades de ESTADO DE ENTREGA de los aceros listados
en la tabla 1. Dureza (transformada a Rockwell B ó C), resistencia de
fluencia, resistencia última, tenacidad, ductilidad, módulo de elasticidad.
Elabore una tabla.
2.- Investigar las aplicaciones de tales aceros
3.- Investigar los tratamientos térmicos o termoquímicos a que se someten
para cambiarle las propiedades.
3.- Investigar los nuevos valores de las propiedades Dureza (transformada a
Rockwell B ó C), resistencia de fluencia, resistencia última, tenacidad,
ductilidad, módulo de elasticidad, y coloque la información en una tabla
similar a la del numeral 1, que le llamará tabla 2.
4.- Describa el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros e
indique que tipo de tratamiento es, el medio de enfriamiento y la
temperatura a la que se retiró del horno.
5.- Citar los nombres y las direcciones de tres empresas que distribuyan
localmente los aceros mencionados en el listado
5.- Elaborar el informe que incluya además de lo solicitado conclusiones y
recomendaciones, y presentarlo en la fecha que le indique su instructor.
Procedimiento
Bibliografía
Guía 1
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Laboratorio 5.
1.- Identificar cada muestra de acero, rotularla con un tirro, indicando el
tipo de acero, el tratamiento al que fue sometido y la temperatura a la cual
se retiró del horno.
2.- Proceda a tomar la dureza, recordando que las caras de la muestra deben
estar limpias, sin oxidación y horizontales
3.- Registre en la tabla la dureza obtenida
4.- Con el dato de dureza y la figura 3 de la guía del laboratorio 3, estime
la resistencia mecánica y anótela en la tabla 1
5.- Efectúe una investigación para determinar el tipo de microestructura que
tiene la muestra y escríbala en la tabla 2
6.- Para el tratamiento térmico dado a la muestra indique la dureza esperada
(de la investigación del laboratorio 4), la dureza obtenida en el
laboratorio, calcule el % de diferencia (se tomará como dureza teórica la
consultada en sitios web confiables, y como dureza experimental, la leída en
el laboratorio), explique las posibles razones de tal diferencia.
7.- Cite los nombres y las direcciones de tres empresas que efectúen
tratamientos térmicos en aceros en El Salvador
8.- Elabore un informe de lo solicitado y entrégueselo a su instructor en la
fecha señalada.
Tabla 1: Aceros con tratamientos térmicos
Tipo de acero Composición
química
Tratamiento
térmico Dureza obtenida
Resistencia
mecánica
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 304
AISI 304
AISI 304
Tablas de datos
Bibliografía
Guía 1
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AISI 304
AISI 304
Tabla 2.Características de aceros con tratamientos térmicos
Tipo de acero Dureza
obtenida
Microestructura
esperada
Dureza esperada
(de
investigación)
Aplicaciones del
acero
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1020
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 1045
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 01
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 4340
AISI 304
AISI 304
AISI 304
AISI 304
AISI 304
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Conclusiones
1.- Smith, W. F., Hashemi J. (2006). Ciencia e ingeniería de materiales. McGraw-Hill.
México, Cuarta edición
2.- Sydney Avner. (1988) Metalurgia Física, México D.F. McGraw-Hill. 2ª edición. Item
biblioteca UDB 669.95 A959 1995
3.- Smith, William F. (2006) Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, México,
México. McGraw-Hill, 4a. Edición
Bibliografía
Guía 3
Guía 4
fía
Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5
11
4.- Askeland, D. R., Phulé P. P. (2003) La ciencias e Ingeniería de los materiales, México,
D.F. Thomson, Cuarta edición. Item biblioteca UDB 620.11 A834 2000
5.- Keyser, Carl A, Ciencia de los Materiales para Ingeniería. ,
Item biblioteca UDB 691 R44c 1982
6.- Callister, W. D. (1995). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los materiales. Volumen
1 (Vol. 1). Reverté.
7.- Shackelford, J. F., Güemes, A., & Martín, M. P. (1998). Introducción a la Ciencia de
Materiales para Ingenieros. Prentice Hall.
8.- Neely, J. E., Kibbe, R.R. y García Diaz, R. (1992) Materiales y Procesos de Manufactura.
México D. F. Limusa.
9.- www.steel.org/
10.- www.sae.org/
11.- www.astm.org/
12.- www.matweb.com/
13.- http://asminternational.org
14.- http://tq.educ.ar/grp0128/analisis.htm
15.- www.acavisa.com/
16.- www.abasteinsa.com/
17.- www.acerosinoxidablesdeca.com/
18.- www.uddeholm.com
19.- Google académico: scholar.google.com/ (en ingles), o
scholar.google.es/ (en español)
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Rúbrica para evaluar el informe de laboratorio 4
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Autoevaluación
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
UDB, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de
entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos Requisito
Tabla 1 : Dureza y resistencia última 20
Tabla 2 : microestructuras 20
Aplicaciones de los aceros 10
Tratamientos aplicados a los aceros, según investigación 10
Tratamientos aplicados a los aceros en el laboratorio 10
Distribuidores de aceros en El salvador 5
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web … (al
menos en 3 sitios confiables) citados en el informe. 5
Análisis de resultados y conclusiones: Comparación de los
resultados experimentales con lo reportado en sitios web
confiables (que se considerarán los valores teóricos), indicar si
se lograron los objetivos o no y porqué.
15
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa. 5
No lleva gabacha (individual) - 10
Cálculos erróneos (grupal) - 10
No lleva guía de laboratorio (individual) - 10
Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como
Lab1-(nombre del grupo),tipo de archivo: .doc o .docx, solo si
es muy extenso podrá enviarse en PDF, al correo electrónico del
docente (yahoo.mx). Si es impreso, entrega personal al
docente.
- 10 % por
cada día
de
retraso.
T
TOTAL 100
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Cuadro de rúbricas de la evaluación laboratorio 5
Aspecto a evaluar:
Puntaje
obtenido/Puntaje
máximo
Autoevaluación
Portada, en Times New Roman 12. Contiene Logotipo de la
UDB, Nombre del tema, Nombres de los autores, fecha de
entrega. Todas las partes deberán ser legibles
Requisito
Objetivos Requisito
Examen previo (individual) 30
Tabla 1: Dureza y resistencia última obtenida de laboratorio 10
Tabla 2: Microestructuras de aceros 10
Tabla 3: % de diferencia entre dureza de laboratorio y esperada 10
Tabla 4: Empresas que brindan servicios de tratamientos
térmicos 5
Investigación efectuada en libros, revistas, sitios web … (al
menos en 3 sitios confiables) citados en el informe. 15
Análisis de resultados y conclusiones: Comparación de los
resultados experimentales con lo reportado en sitios web
confiables (que se considerarán los valores teóricos), indicar si
se lograron los objetivos o no y porqué.
20
Demuestra actitud de colaboración y respeto con el grupo Requisito
La ortografía debe ser impecable. La redacción debe ser clara y
concisa. 5
No lleva gabacha (individual) - 10
Cálculos erróneos (grupal) - 10
No lleva guía de laboratorio (individual) - 10
Forma de entrega: Por correo electrónico, identificado como
Lab1-(nombre del grupo),tipo de archivo: .doc o .docx, solo si
es muy extenso podrá enviarse en PDF, al correo electrónico del
docente (yahoo.mx). Si es impreso, entrega personal al
docente.
- 10 % por
cada día
de
retraso.
T
TOTAL 100
El informe se entregará tres días después del laboratorio, ejemplo: si el laboratorio se efectúa el sábado,
a más tardar el martes siguiente se entregará al responsable del laboratorio. Entrega tardía: 10 % menos
cada día. Si no cumple con los requisitos se devolverá el informe, con la condición de regresarlo el día
siguiente, descontándosele 10 % por no cumplir con los requisitos y por cada día de retraso se
descontará 10 % adicional.
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