ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A...

ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS

GALINDO CAÑÓN LEIDY TATIANA RODRIGUEZ ESPITIA CRISTIAN ORLANDO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

MECÁNICA CONSEJO CURRICULAR

BOGOTÁ, D.C. 2017

ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS

GALINDO CAÑÓN LEIDY TATIANA RODRIGUEZ ESPITIA CRISTIAN ORLANDO

Tutor Ing. Bohórquez Ávila Carlos Arturo

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA

2017

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Nota de aceptación

__________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________

______________________________ Presidente del jurado

_____________________________ Firma del jurado

_____________________________ Firma del jurado

Bogotá D.C. 2017

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TABLA DE CONTENIDO

Pgs

Introducción…………………………………….……………..…………..……..……….. 11

1. Planteamiento del problema…............................................................................. 12

1.1. Estado del arte.............................................................................................. 13

2. Justificación…...................................................................................................... 14

3. Objetivos…........................................................................................................... 15

3.1. Objetivo general ............................................................................................ 15

3.2. Objetivos específicos..................................................................................... 15

4. Marco teórico........................................................................................................ 16

4.1 Tratamientos térmicos………………………………………………………….…. 16

4.2 Tratamientos térmicos de los aceros…………………………………….…...… 16

4.2.1 Temple……………………………………………………………………..…… 16

4.2.2 Revenido……………………...………………………………………………... 17

4.2.2.1 Tipos de revenido…………………………………………………...………. 17

4.3 Temperatura crítica de los aceros para temple y revenido…………....……….

18

4.4 Microestructuras de los aceros……………………………………………..……. 19

4.4.1 Martensita……………………………………………………………...………. 19

4.4.1.1 Martensita revenida…………………………………………….………….20

4.4.2 Ferrita…………………………………………………………………….………20

4.5 Transformaciones de fase………...……………………………………….………21

4.5.1 Transformación martensítica…………………………………………….……22

4.6 Acero al carbono ASTM A 131/ A131M - 8……………………………....………23

4.6.1 Propiedades mecánicas, químicas y físicas del acero ASTM A 131……..23

5. Diseño metodológico…………………………………………………………....……...25

5.1. Materiales y metodología.................................................................................25

6. Desarrollo del proyecto......................................................................................... 29

6.1 Identificación del material……………………………………………………….….29

6.2 Aplicación de tratamientos térmicos para el material ASTM A131 grado A…..29

3

6.2.1 Temple…………………………………………………………….……………30

6.2.2 Revenido………………………………………………………………...……..30

6.2.3 Pruebas metalográficas……………………………....……………………... 31

6.4 Porcentajes de fase…………………………………….………………….………..38

6.5 Durezas………………………………………………….………………….………..51

6.6 Microdurezas…………………………………………….……………….………… 53

7. Conclusiones.........................................................................................................57

Bibliografía.................................................................................................................58

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple Figura 2. Agujas de martensita sobre un fondo blanco de austenita x 500. Figura 3. Agujas de martensita sobre un fondo blanco de austenita x 1000. Figura 3.1. Martensita revenida vs martensita Figura 4. Ferrita en forma de agujas o bandas aciculares en un acero de 0.35% de carbono en bruto. x 100. Figura 5. Diagrama hierro carbono. Figura 6. Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento. . Figura 7. Cortadora Metalográfica Figura 8. Banco de lijado Figura 9. Pulidora Figura 10. Mufla eléctrica Figura 11. Microscopio metalográfico Figura 12. Durómetro GNEHM Swiss Rock Figura 13. Microduròmetro SHIMADZU HMV-2 Figura 14. Probetas templadas. Figura 15. Ataque químico para obtención de micrografías. Figura 16. Microestructura obtenida con aumento de x 500. Figura 17. Microestructura obtenida con aumento de x 1000 Figura 18. Microestructura obtenida de la probeta #1 con aumento de x 500 Figura 19. Microestructura obtenida de la probeta #1 con aumento de x 1000 Figura 20. Microestructura obtenida de la probeta #2 con aumento de x 500

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Figura 21. Microestructura obtenida de la probeta #2 con aumento de x 1000 Figura 22. Microestructura obtenida de la probeta #3 con aumento de x 500 Figura 23. Microestructura obtenida de la probeta #3 con aumento de x 1000 Figura 24. Microestructura obtenida de la probeta #4 con aumento de x 500 Figura 25. Microestructura obtenida de la probeta #4 con aumento de x 1000 Figura 26. Microestructura obtenida de la probeta #5 con aumento de x 500 Figura 27. Microestructura obtenida de la probeta #5 con aumento de x 1000 Figura 28. Microestructura obtenida de la probeta #6 con aumento de x 500 Figura 29. Microestructura obtenida de la probeta #6 con aumento de x 1000 Figura 30. Microestructura obtenida de la probeta #7 con aumento de x 500 Figura 31. Microestructura obtenida de la probeta #7 con aumento de x 1000 Figura 32. Microestructura obtenida de la probeta #8 con aumento de x 500 Figura 33. Microestructura obtenida de la probeta #8 con aumento de x 1000 Figura 34. Microestructura obtenida de la probeta #9 con aumento de x 500 Figura 35. Microestructura obtenida de la probeta #9 con aumento de x 1000 Figura 36. Microestructura obtenida de la probeta #10 con aumento de x 500 Figura 37. Microestructura obtenida de la probeta #10 con aumento de x 1000 Figura 38. Microestructura obtenida de la probeta #11 con aumento de x 500 Figura 39. Microestructura obtenida de la probeta #11 con aumento de x 1000 Figura 40. Microestructura obtenida de la probeta #12 con aumento de x 500 Figura 41. Microestructura obtenida de la probeta #12 con aumento de x 1000 Figura 42. Microestructura obtenida de la probeta #13 con aumento de x 500 Figura 43. Microestructura obtenida de la probeta #13 con aumento de x 1000 Figura 44. Microestructura obtenida de la probeta #14 con aumento de x 500

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Figura 45. Microestructura obtenida de la probeta #14 con aumento de x 1000 Figura 46. Fases resaltadas material original Figura 47. Fases resaltadas probeta No.1 Figura 48. Fases resaltadas probeta No.2 Figura 49. Fases resaltadas probeta No.3 Figura 50. Fases resaltadas probeta No.4 Figura 51. Fases resaltadas probeta No.5 Figura 52. Fases resaltadas probeta No.6 Figura 53. Fases resaltadas probeta No.7 Figura 54. Fases resaltadas probeta No.8 Figura 55. Fases resaltadas probeta No.9 Figura 56. Fases resaltadas probeta No.10 Figura 57. Fases resaltadas probeta No.11 Figura 58. Fases resaltadas probeta No.12 Figura 59. Fases resaltadas probeta No.13 Figura 60. Fases resaltadas probeta No.14

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Propiedades mecánicas del acero ASTM A.131.

Tabla 2. Composición química Acero ASTM A-131. Tabla 3. Porcentajes de fase material original

Tabla 4. Porcentajes de fase Probeta No.1 Tabla 5. Porcentajes de fase probeta No.2 Tabla 6. Porcentajes de fase probeta No.3 Tabla 7. Porcentajes de fase probeta No.4 Tabla 8. Porcentajes de fase probeta No.5 Tabla 9. Porcentajes de fase probeta No.7 Tabla 10. Porcentajes de fase probeta No.8 Tabla 11. Porcentajes de fase probeta No.9 Tabla 12. Porcentajes de fase probeta No.10 Tabla 13. Porcentajes de fase probeta No.11 Tabla 14. Porcentajes de fase probeta No.12 Tabla 15. Porcentajes de fase probeta No.13 Tabla 16. Porcentajes de fase probeta No.14 Tabla 17. Durezas obtenidas para las muestras Tabla 18. Porcentaje de variación en la dureza Tabla 19. Microdurezas obtenidas en las muestras Tabla 20. Porcentaje de variación en la microdureza

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LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1. Fases material original Gráfico 2. Fases probeta No.1 Gráfico 3. Fases probeta No.2 Gráfico 4. Fases probeta No.3 Gráfico 5. Fases probeta No.4 Gráfico 6. Fases probeta No.5 Gráfico 7. Fases probeta No.6 Gráfico 8. Fases probeta No.7 Gráfico 9. Fases probeta No.8 Gráfico 10. Fases probeta No.9 Gráfico 11. Fases probeta No.10 Gráfico 12. Fases probeta No.11 Gráfico 13. Fases probeta No.12 Gráfico 14. Fases probeta No.13 Gráfico 15. Fases probeta No.14 Gráfica 16. Promedio de durezas obtenidas para cada muestra. Gráfica 17. Porcentaje de variación en la dureza Gráfica 18. Resultados de microdurezas. Gráfica 19. Porcentaje de variación en la microdureza

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RESUMEN El proyecto titulado “ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS “ fue realizado por estudiantes de Tecnología Mecánica dentro de las instalaciones y laboratorios de la facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas con el fin de caracterizar el acero ASTM A-131 tratado térmicamente a través de procedimientos de temple y revenido a determinadas temperaturas, análisis de dureza y estudio metalográfico de sus diferentes propiedades mecánicas, para retroalimentar la información existente acerca del material y mejorar la importancia de su uso en la industria naval, proyecto que se desarrolló dentro de un periodo de dos meses y medio, Febrero, Marzo y parte del mes de Abril (Como se nombró en el cronograma presentado en LA propuesta de proyecto de grado) correspondientes al año 2017. A lo largo de todo el documento se recopilará la información de datos y resultados obtenidos por medio de los métodos y procesos aplicados al material ASTM A131 como tratamientos térmicos, ataques químicos y pruebas de dureza con el fin de caracterizarlo antes y después de ser tratado.

Con lo anterior, se desea realizar específicamente una exposición teórico práctica basándonos en la investigación, estudio de la microdureza y análisis metalográfico de las propiedades mecánicas que adquiere un acero de uso naval ASTM A131 al ser tratado térmicamente por un proceso de temple desde temperaturas intercríticas seguido de un tratamiento térmico de revenido y a su vez determinar los porcentajes de fases cristalinas como la martensita, ferrita y perlita presentes en su estructura.

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INTRODUCCIÓN En la actualidad, en un entorno como en el que vivimos ha sido de gran interés el desarrollo y avance de nuevas tecnologías, en especial para el campo de la industria, ya que los materiales usados industrialmente cada vez más, requieren el mejoramiento constante de sus propiedades, es por esto que es uno de los campos de investigación que más se ha venido estudiando y desarrollando con el fin de obtener propiedades y comportamientos mecánicos más óptimos en los materiales.

Una gran muestra de esto son los aceros de fase dual que son reconocidos por brindar la presencia de abundante ductilidad y gran resistencia mecánica dentro de un mismo material con el fin de cumplir las necesidades que presenta la industria metalúrgica arraigados a las normas internacionales que estandarizan los materiales lo que le ha dado importancia y ha encaminado a la indagacion e investigacion en esta rama de materiales metalúrgicos. Los aceros de fase dual se han venido desarrollando a lo largo del tiempo y son obtenidos por medio de tratamientos térmicos, por lo cual es uno de los métodos más utilizados para modificar las propiedades del acero, ya que estos influyen de manera gradual en las propiedades mecánicas del material permitiendo el control de la cantidad, tamaño y distribución de las diferentes fases microestructurales que lo componen siendo estas de gran importancia ya que son las encargadas de caracterizar las cualidades y condiciones del material tratado.

Es por esto que se propone el proyecto de grado titulado “ANÁLISIS

METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS”, el cual tiene como fin caracterizar el acero ASTM A 131 antes y después de ser tratado mediante tratamientos térmicos a temperaturas intercriticas que permitirán establecer y mejorar el comportamiento estructural de este material de gran uso a nivel de la industria naval.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El estudio de los materiales metalúrgicos, a través del tiempo, se ha ido dilatando gracias a las progresivas necesidades que nacen en esta industria para su buen uso y aplicación, como por ejemplo, en el entorno tecnológico en el que vivimos actualmente, es de gran interés la investigación en las propiedades mecánicas de los materiales, esto con el fin de obtener mejores resultados de estos materiales en varios campos de la industria. Actualmente se realizan procesos más óptimos para la obtención y fabricación de materiales, uno de estos procesos para lograr modificar las propiedades mecánicas de los aceros es el desarrollo de distintos tipos de tratamientos térmicos. Dentro de estos estudios podemos encontrar diferentes investigaciones realizadas específicamente al acero de uso naval ASTM A131 el cual será la base de este estudio y son citados más adelante en el documento y por lo cual nos lleva a preguntarnos ¿Cómo influyen los tratamientos térmicos de temple y revenido para el acero ASTM A 131 y en sus propiedades mecánicas y cual es el fin de que este sea tratado térmicamente? Los aceros ASTM A131 son conocidos, como se nombro anteriormente, por su gran uso en la industria naval por lo cual a lo largo del documento se caracterizarán sus propiedades mecánica y microestructurales antes y después de ser tratado térmicamente por el proceso de temple y posteriormente revenido con el objetivo de analizar el comportamiento que presenta el material y a partir de esto complementar y ampliar la información respecto a los aceros DUAL PHASE (ASTM A 131) y así mejorar su aplicación en la industria.

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1.1. ESTADO DEL ARTE

Los aceros de fase dual se han venido desarrollando a lo largo del tiempo, componiendo un grupo específicos de aceros de alta resistencia, gracias a los estudios realizados con el fin de cumplir las necesidades que presenta la industria metalúrgica arraigados a las normas internacionales que estandarizan los materiales. Actualmente, las investigaciones hechas, se han encaminado en la importancia de los criterios de proceso, como el tiempo, velocidad y temperatura para realizar un tratamientos térmicos, procesos de laminado en caliente o frío y procesamiento de conformado adecuados; autores como John J. Jones, licenciado en ingeniería metalúrgica de la Universidad McGill en Canadá, presentan la relación existente entre las características de la austenita y las características ferríticas dentro de los componentes de texturas del material para su mejoramiento microestructural dando lugar a modelos más precisos. 1

Estudios como los de Jonás y diversos autores han inspirado para continuar enriqueciendo y desarrollando microestructuras más finas, mejor capacidad de deformación y resistencias mayores, un gran ejemplo de esto son los estudios metalográficos que dan una total caracterización de la composición microestructural de estos materiales, al igual que los aportes hechos por importantes instituciones como la empresa Usiminas, una de las mayores productoras de acero a nivel de latinoamérica ubicada en Brasil que produce acero de fase dual galvanizado con resistencia a la tensión de 600 Mpa, autora del estudio realizado acerca de los aceros de fase dual aleados con cromo y silicio, como también el instituto Argentino de Siderurgia que realizó el estudio sobre la confrontación de la resistencia a la fatiga en aceros de fase dual y aceros estructurales convencionales. 2

También podemos encontrar diferentes aplicaciones realizadas específicamente al acero de uso naval ASTM A131. Estudiantes de la Universidad Libre en Bogotá, Colombia realizaron el “Estudio de sostenibilidad de un acero ASTM A 131 grado DH 36 mediante el proceso GMAW pulsado” donde analizan el comportamiento del material de uso naval al ser soldado por el proceso de GMAW (soldadura por arco de metal y gas) - pulsado utilizando gases como argón y dióxido de carbono, la 3

universidad Tecnologica de Bolivar estudió la microestructura de laminas en acero A131 de grado A sometidas a cargas explosivas que nace de la necesidad de saber cuando un panel naval abollado por una carga dinámica debe ser reparado y así conseguir una mayor vida útil para las embarcaciones. Los aceros ASTM A131 son 4

conocidos, como se nombro anteriormente, por su gran uso en la industria naval por lo cual a lo largo del documento se caracterizarán las propiedades mecánica y microestructurales para este tipo de acero antes y después de ser tratado térmicamente por el proceso de temple y posteriormente revenido con el objetivo de analizar el comportamiento que presenta el material.

1 Referencia [1] 2 Referencia [1] 3 Referencia [2] 4 Referencia [3]

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2. JUSTIFICACIÓN

Los aceros son caracterizados por la variedad de propiedades fisicas, quimicas y mecanicas que poseen tales como la ductibilidad, soldabilidad, elasticidad, entre otras que facilitan y dan importancia a su uso y aplicación dentro de un mercado que crece y una industria con exigencias continuas. Por lo anterior se han venido desarrollando mejoras en las propiedades de los aceros, un gran ejemplo de ello son los aceros de fase dual que nacen de la necesidad de reducir el peso del material sin involucrar su resistencia mecánica y sus propiedades suelen ser obtenidos por medio de la laminación en frío o caliente. Dentro de los aceros de fase dual se encuentra una variedad de materiales con diversas característica por lo cual, para este estudio, se tomará el acero A-131, caracterizado por su gran importancia en la industria naval por su alta soldabilidad y maleabilidad. Basándonos en lo anterior se plasmará a lo largo del documento el comportamiento que presentan las propiedades mecánicas de un acero A-131 al ser tratado térmicamente por temple y revenido a determinadas temperaturas intercríticas y el análisis metalográfico de su alteración a nivel microestructural y de esta manera continuar y mostrar la actuación y el resultado que ofrecen los aceros de fase dual para el mejoramiento de su uso y futuras aplicaciones.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Establecer la influencia de tiempo de revenido en la microestructura de un acero A-131 al ser templado desde temperaturas intercríticas.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Establecer la secuencia de tiempos y temperaturas basados en la

composición química del material a estudiar.

● Realizar el tratamiento térmico correspondiente al proceso de temple y revenido del material A-131 para su debido estudio.

● Elaborar el análisis metalográfico para identificar las fases presentes, microdurezas y los porcentajes de fases y establecer la influencia del tiempo de revenido en la microestructura del Acero tratado

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4. MARCO TEÓRICO

4.1 Tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos hacen referencia a varios procesos de calentamiento y enfriamiento los cuales efectúan cambios estructurales del material, así mismo alterando las propiedades mecánicas de los metales y de las aleaciones, confiriendoles características mecánicas particulares de tal manera que pueden ser trabajados de manera más eficiente. Los tratamientos térmicos no modifican la composición química de los materiales, pero sí pueden cambiar otros factores como la constitución estructural del material y la granulometría, causando que las propiedades mecánicas del material varíen donde su objetivo es darle a la pieza tratada propiedades requeridas para su propósito final que dependen del tipo de tratamiento térmico entre los cuales podemos encontrar los procesos de temple, revenido, normalizado y recocido y cada uno de ellos se conforma por la siguiente serie de pasos, calentamiento, pre-calentamiento, calentamiento superficial y a fondo, mantenimiento, enfriamiento y tiempo de inmersión o de exposición. Como se indicó anteriormente el tratamiento térmico implica varios procesos de calentamiento y enfriamiento para la debida modificación en las propiedades mecánicas de un material, y pueden realizarse sobre una parte o la totalidad de una pieza o a lo largo del ciclo de manufactura, suelen ser aplicado antes del proceso de formado o al final de la sucesión de manufactura para darle dureza y resistencia. 5

4.2 Tratamientos térmicos de los aceros El tratamiento térmico en los aceros es de gran importancia para que este cumpla con las condiciones para el cual fue creado lo cual le dan gran trascendencia a estos procesos térmicos dentro de la industria metalúrgica. Dentro de los tratamientos térmicos usados para la modificación de las propiedades mecánicas de los aceros podemos encontrar proceso por temple, revenido, recocido y normalizado pero para el documento solamente serán posteriormente definidos y tratados los dos primeros casos. 4.2.1 Temple Este tipo de procedimiento se aplica sobre determinadas piezas para aumentar o darle dureza que a su vez aumenta la fragilidad del material disminuyendo así su resistencia mecánica ya que modifica toda la masa en austenita por medio del calentamiento y se transforma en martensita, principal característica de los aceros templados, por medio del enfriamiento con agua, aceite o salmuera con la rapidez suficiente para evitar que se cree ferrita y perlita y obtener martensita pura y dar mejores resultados y acabados al material tratado. Es importante tener en cuenta la temperatura con la que se va a realizar el tratamiento, el enfriamiento y la velocidad

5 Referencia [4]

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a la que se realizan ya que dependen del espesor o diámetro de la pieza tratada y de la calidad que posea el acero. El temple se realiza generalmente después del endurecimiento del acero para aumentar su dureza que se da a una temperatura específica que depende de la composición específica del material y de la propiedades que se requieran para el material tratado. El proceso de temple consiste en un calentamiento previo del material a una temperatura requerida donde la mayoría de materiales suelen calentarse entre los 815°C a 900°C y un tiempo que depende del método de calentamiento usado, el cual puede ser por medio de un horno de aire donde el tiempo logrado llega a ser hasta de dos minutos por milímetro de área transversal, por baño de sales o plomo donde el tiempo es mayor a los dos minutos y puede durar hasta 6 minutos. posteriormente la pieza es enfriada por medio de agua o aceite, siendo el agua el método más utilizado y eficiente ya que por medio de este se puede obtener mayor dureza. 6

4.2.2 Revenido El tratamiento térmico por revenido es un complemento al proceso de temple ya que después de este el material tiende a endurecerse demasiado lo que causa el aumento de la fragilidad y el revenido se encarga de reducir estas propiedades sin reducir demasiado la tenacidad del acero. Este tratamiento consiste en suministrar calor a un atemperatura mucho menor a la crítica para disminuir la resistencia y la dureza y mejorar la tenacidad y a diferencia del temple el resultado no depende de la velocidad del enfriamiento. Para realizar el tratamiento térmico por revenido se debe calentar la pieza a una temperatura menor a la crítica que para los aceros al carbono se encuentra entre los 450 a 600 °C y para aceros herramienta de 200 a 350 °C y suele hacerse en hornos de sales que han sido largamente utilizados para tratamientos térmicos, luego debe realizarse el mantenimiento de la temperatura donde la duración del revenido depende de la elevación de la temperatura y por último se debe realizar el enfriamiento por agua o aceite y como se nombro anteriormente esta fase no influye en el acabado del material. 4.2.2.1 Tipos de revenido

● Revenido bajo o eliminación de tensiones: Se realiza en un rango de temperatura de 200°C a 300°C, es utilizado en los aceros que tienen alto contenido de carbono para reducir las tensiones internas del material y parte de la austenita, sin disminuir la dureza. 7

● Revenido medio: Este tipo de revenido se realiza entre temperaturas de 350°C a 450°C, a estas temperaturas, la martensita que se encuentra en la

6 Referencia [4] 7 Referencia [6]

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estructura del material se transforma en troostita. Este tratamiento disminuye la dureza del material y eleva su tenacidad. 8

● Revenido alto: También llamado termo mejoramiento o bonificado, es realizado en un intervalo de 550°C a 650°C. En este proceso, la troostita se transforma en sorbita de revenido. La estructura que se obtiene luego de este revenido genera una mejor combinación de resistencia y plasticidad del acero. La resistencia se eleva de manera notable ya que en la sorbita, la cementita adquiere forma granular. El revenido alto es utilizado para acero de construcción o piezas de acero que se sometan a fatiga elevada o cargas de impacto. 9

4.3 Temperatura crítica de los aceros para temple La temperatura de temple (Figura 1) o temperatura de austenización previa al temple no debe ser demasiado alta con el fin de evitar sobrecalentamiento y no obtener martensita poco tenaz pero para el caso de los aceros templados con una austenización incompleta se puede producir la mezcla de ferrita blanda y martensita y la resistencia del acero será menor que si se obtuviera martensita pura. Para el caso de los aceros hipoeutectoides con contenido de carbono menores al 0,9% se pueden encontrar dos puntos críticos Ac1 y Ac3 como en el caso del acero que será tratado en el documento, ASTM A 131, el calentamiento a temperatura Ac1 en el intervalo de 725°C a 740°C la perlita se convierte en austenita rápidamente, en la temperatura Ac2 (768°C) se presenta solamente en aceros con contenido de carbono menor al 0,35% el hierro alfa se convierte en beta y abandona sus propiedades magnéticas y para temperaturas Ac3 la ferrita se disuelve convirtiéndose en austenita y ocurre, al igual que para temperaturas Ac2, con aceros con 0,35% de carbono. 10

Figura 1. Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple

8 Referencia [6] 9 Referencia [6] 10 Referencia [6]

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4.4 Microestructuras de los aceros La metalografía tiene como objetivo el estudio estructural de los metales, ya que las propiedades físicas y el comportamiento mecánico dependen de sus estructuras. En las aleaciones metálicas, la microestructura se caracteriza por el número de fases y por la proporción y su distribución que se pueden encontrar en ellas. Algunas de las fases que se pueden encontrar en las estructuras de los aceros es la martensita, perlita, ferrita, bainita, austenita, cementita, entre otras. 4.4.1 Martensita La martensita es el constituyente típico de los aceros templados, está formado por una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa, y se obtiene por enfriamiento rápido desde altas temperaturas Sus propiedades físicas varían con su composición, aumentando de manera considerable la dureza, resistencia y fragilidad con el contenido de carbono, hasta un máximo de C=0.90% aproximadamente. Es el constituyente más duro después de la cementita, la martensita posee propiedades magnéticas. La martensita es una transformación gamma-alfa la cual tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo siendo templados desde elevadas temperaturas y enfriamiento rápido, presenta un aspecto marcadamente acicular, formando agujas en zigzag, con ángulos de 60°. Esta estructura se suele obtener en los aceros de alto contenido de carbono y alta aleación. 11

Figura 2. Agujas de martensita sobre un fondo blanco de austenita x 500. 12

Figura 3. Agujas de martensita sobre un fondo blanco de austenita x 1000. 13


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4.4.1.1 Martensita revenida La martensita revenida son finas partículas de la fase cementita en la matriz de la fase ferrita y se obtiene al someter la martensita a tratamiento térmico por revenido, posterior al temple, ya que su estructura varía en función de la temperatura y el tiempo de revenido y para que la martensita sea transformada en el revenido el sistema deberá ascender hacia las dos fases de equilibrio, ferrita y cementita.La martensita revenida se caracteriza por tenacidad y resistencia a la fatiga. 14

Figura 3.1. Martensita revenida vs martensita 15

4.4.2 Ferrita La ferrita es una solución sólida de carbono en hierro alfa, el cual es hierro casi puro, el cual puede contener en solución pequeñas proporciones de silicio, fósforo y otras impurezas. Es el más blando de todos los constituyentes del acero, es muy dúctil, de pequeña fuerza coercitiva y presenta propiedades magnéticas, en los aceros puede aparecer bajo formas muy diversos como granos monofásicos, con limites de granos mas irregulares que la austenita, también se puede encontrar en la naturaleza como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en forma de cristales mezclados con los de perlita y formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita. 16

Figura 4. Ferrita en forma de agujas o bandas aciculares en un

acero de 0.35% de carbono en bruto. x 100. 17


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4.5 Transformaciones de fase Los cambios en las propiedades de la fase o en el número de fases tienen su origen en la estructura inicial del material, de su composición y de la temperatura desde la cual se realiza el tratamiento, como se muestra en el diagrama hierro carbono Fe-C (Figura 7) y cada una de estas fases poseen propiedades mecánicas 18

Figura 5. Diagrama hierro carbono, donde se observan las fases presentes Hierro delta d, Austenita

g, Cementita Fe3C, Perlita P, Ferrita α. y las temperaturas del eutectoide A1 720° y la temperatura de

inicio de transformación de la Austenita A3. 19

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 (Figura 8) (Movahed et al., 2009). Las temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones

𝐴 1(°𝐶) = 723-16,9Ni+29.1Si+6,39W-10,7Mn+16,9Cr-290As. 20

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 𝐴 3(°𝐶) = 912 − 203√𝐶 + 15.2𝑁𝑖 + 44.7𝑆𝑖 + 104𝑉 + 31.5𝑀𝑜 + 13.1𝑊 − 30𝑀𝑛− 11𝐶𝑟 − 20𝐶𝑢

+ 700𝑃 + 400𝐴𝑙 + 120𝐴𝑠 + 400Ti. 21


21

Figura 6. Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento, la línea punteada

denota el % de carbono del acero. 22

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 (Figura 9) (Kang & Im, 2007). 23

4.5.1 Transformación martensítica La transformación martensítica (TM) es una transformación de fase de primer orden en el estado sólido, en la cual no involucra cambios de composición y se produce por el movimiento cooperativo de átomos. Ocurre por una deformación homogénea de la red cristalina, donde átomos se desplazan distancias menores a las interatómicas. Este movimiento causado por los átomos produce un cambio de forma macroscópico, dando como resultado una nueva fase llamada martensita. La transformación de austenita a martensita inicia a una temperatura Ms (martensite start) y se completa a la temperatura Mf (martensite finish), debajo de la cual el cristal es puramente martensítico. Cuando se eleva la temperatura, inicia una transformación de fase, la cual es conocida como As (austenite start) y esta se completa a la temperatura Af (austenite finish). Para determinar la temperatura de inicio de transformación martensítico Ms es posible hallarlas a partir de la ecuación desarrollada por Andrews K. W., las cuales se basan en mediciones de temperaturas Ms y composiciones de un gran número de aceros con un contenido máximo de carbono de 0.6%, manganeso hasta 4,9%, cromo hasta 5 %, Níquel hasta 5%, y molibdeno hasta 5,4%.

22 Referencia [15] 23 Referencia [15]

22

(°C) 39 23(%C) 0.4(%Mn ) 7.7(%Ni) 2.1(%Cr) .5(%Mo)M s = 5 − 4 − 3 − 1 − 1 − 7 24

4.6 Acero al carbono ASTM A 131/ A131M - 8 la ASTM (American Society for Testing and materials) es una organización internacional que crea y publica normas dirigidas a materiales, productos, sistemas y servicios, que representa la sociedad académica internacionalmente en la que se encuentran inscritos más de 100 países que desarrollan documentos técnicos que son el principio y fundamento de fabricación de productos, su adquisición y gestión.

25

El acero ASTM A 131 es designado para especificaciones navales y construcciones estructurales de los barcos, esta especificación está designada por la norma ASTM A 131/A 131M – 08 encargada de especificar la utilización de este acero para construcciones y reparaciones navales, que comprende dos niveles de resistencia, 26

las cuales están influenciadas en las propiedades mecánicas de dureza y elongación. En el caso de materiales esta norma es utilizada para la fabricación de láminas como el acero ASTM A 131 de uso naval que es producida como lámina estructural de mediana resistencia, donde sus mayores característica es la soldabilidad y maleabilidad. A continuación se presentan las propiedades mecánicas del acero ASTM A 131.

4.6.1 Propiedades mecánicas, químicas y físicas del acero ASTM A 131 Material que se obtiene por medio de laminación y son previamente calentados hasta una temperatura de 1250°C, a continuación se presentan las propiedades mecánicas para diferentes grados del acero ASTM A 131.

GRADO RUPTURA

MPA FLUENCIA MIN

MPA ALARGAMIENTO %C %MN

200 mm 50 mm

A 400 a 490 235 21 24 0,23 -

B 401 a 490 235 21 24 0,21 0,8-1,1

D 402 a 490 235 21 24 0,21 0,7-1,35

E 403 a 490 235 21 24 0,18 0,7-1,35

CS 404 a 490 235 21 24 0,16 1,0-1,35

DS 405 a 490 235 21 24 0,16 1,0-1,35


23

AH32 470 a 585 315 19 22 0,18 0,9-1,6

DH32 471 a 585 315 19 22 0,18 0,9-1,7

EH32 472 a 585 315 19 22 0,18 -

AH36 490 a 620 360 19 22 0,18 -

DH36 491 a 620 360 19 22 0,18 -

EH36 492 a 620 360 19 22 0,18 -

Tabla 1. Propiedades mecánicas del acero ASTM A.131.

Fuente: Tomado de la norma ASTM A 131. 27

En la tabla se puede observar las propiedades mecánicas en función de las composición química de los tipos de acero A131, donde los grado A,B,D,E,CS,DS son resistencias considerables y los grados AH32, DH32, EH32, AH36, DH36 y EH36 contienen resistencias mayores a 470 Mpa, y encontramos el mayor porcentaje de carbono en los acero A131 de grado A con 0,23, B y D con 0,21 lo cual influye en la soldabilidad del material.

27 Referencia [12]

24

5. DISEÑO METODOLÓGICO 5.1 MATERIALES Y METODOLOGÍA Para el correcto desarrollo del proyecto y precisión en los resultados obtenidos se hizo uso de los siguientes materiales, instrumentos de medicòn y elementos de preparación de las probetas a estudiar: El material que fue utilizado con unas dimensiones de 300mm x 300mm con un espesor ½ de pulgada de acero ASTM A131 grado A para la fabricación de las probetas las cuales tienen unas dimensiones de 20mm x 20mm. El corte original para las probetas fue realizado en el taller de máquinas y herramientas de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, con una segueta manual teniendo en cuenta la dirección laminar del grano para poder realizar el correcto estudio metalográfico del material.

● CORTADORA METALOGRÁFICA

Figura 7. Cortadora Metalográfica

Fuente: Propia

Luego de realizar el corte manual de las probetas se empleó la cortadora metalográfica del laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas de la facultad Tecnológica para dar un corte más preciso a las probetas y un buen acabado superficial, facilitando el pulido de las muestras.

● BANCO DE LIJADO

25

Figura 8. Banco de lijado Fuente: Propia

Se hizo uso del banco de lijado, previo al pulido, donde se implementaron lijas de 400, 600, 1000, 1200, 1500 y 2000 para la preparación de las probetas, donde estas deben ser giradas cada 90° cada tres a cinco minutos aproximadamente hasta eliminar los rayones producidos por los diversos cortes realizados, dándoles un acabado más fino y sin marcas profundas en el material.

● PULIDORA

Figura 9. Pulidora

Fuente: Propia

Luego de realizar el correspondiente lijado a las probetas se procedió a realizar el pulido de estas con la ayuda de la pulidora que se encuentra en el laboratorio de tratamientos térmicos en la Universidad Distrital, para el correcto uso de la máquina es necesario el uso la alúmina (Óxido de aluminio ) y un paño fino.OAl2 3

● MUFLA ELECTRICA

Figura 10. Mufla eléctrica

Fuente: Propia

La mufla es una máquina que se encuentra ubicada en el laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas la cual es usada para para elevar materiales a altas temperaturas así como el desarrollo de diversos tratamientos

26

térmicos como temple, revenido y recocido. Para el correcto uso de la mufla eléctrica es necesario colocar dentro de ella el material a tratar y programarla a la temperatura y tiempo requerido, a partir del control de mando ubicado en la parte inferior de la mufla. Una vez finalizado el proceso de elevación de temperatura, se debe retirar las probetas con ayuda de unas pinzas evitando posibles accidentes.

● MICROSCOPIO METALOGRÁFICO

Figura 11. Microscopio metalográfico

Fuente: Propia

El equipo Axio Observer D1m es un microscopio metalográfico invertido se encuentra en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, que permite efectuar el análisis óptico de metales, facilitando la visualización de las microestructuras que conforman el material. Los objetos estudiados son iluminados con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz.

● DURÓMETRO

Figura 12. Durómetro GNEHM Swiss Rock

Fuente: Propia

Se obtuvo las durezas del material ASTM A131 grado A antes y después de realizar los tratamientos térmicos por medio del durómetro GNEHM Swiss Rock encontrado en el laboratorio de metalografía de la Facultad Tecnológica que se encarga de

27

medir la dureza en Rockwell A, B y C, en función de la profundidad del elemento penetrador.

● MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2

Figura 13. Microduròmetro SHIMADZU HMV-2

Fuente: Propia

Instrumento de medición de dureza que permite obtener datos de microdurezas medidas en Vickers y Rockwell C, pequeñas zonas de muestras metálicas. El microduròmetro genera una deformaciòn plástica en una zona del material, esta deformación que se genera es proporcional a la dureza de las muestras.

● PROBETAS

Con el objetivo de obtener los mejores datos para el análisis y comparación de las distintas pruebas se optó por la siguiente distribución para la obtención de datos:

- 2 probetas en estado de suministro (Para análisis metalográfico)

- 2 probetas templadas a 770 °C

- 2 probetas con temple y revenido a 390 °C y 5 minutos de sostenimiento de temperatura

- 2 probetas con temple y revenido a 390 °C a 10 minutos de sostenimiento de temperatura





28

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 6.1 IDENTIFICACIÒN DEL MATERIAL Para la identificación del material a estudiar se realizó un estudio de la composición química del material utilizado ASTM A131, dentro de las instalaciones de la Universidad Nacional de Colombia, con ayuda del equipo Auger que se basa en la tecnica analitica usada en la ciencia de superficies y materiales fundamentada en la emisión de electrones auger, fenómeno que es causada por la desaparición de electrones dentro de un átomo generando la emisión de un segundo electrón , 28

permitiendo la obtención de dicha composición y como resultado el material está constituido de la siguiente manera:

C% Mn% P% S% Si% Al% Nb% Cu% Ni% Cr% V% Mo% W%

0.221

0.626

0.019

0.017

0.207

0.005

0.013

0.008

0.023

0.334

0.004

0.011

0.007

Tabla 2. Composición química Acero ASTM A-131

Fuente: Propia 29

Con los datos obtenidos (Tabla 2) se concluye que el material estudiado es un acero ASTM A131 grado A ya que su contenido de carbono es mayor al 0.21 % y no excede el 0.23 % de este, contiene altos porcentajes de manganeso (Mn) con un 0.626% y cromo (Cr) en un 0.334 % y se puede observar baja proporción del aluminio (Al) con 0.005% y cobre (Cu) al 0.008 % según la norma ASTM A131/A131M para el material de uso naval. 30

Una vez obtenida la composición química del material se procedió a determinar la dirección laminar del grano del material la cual se eligió como objeto de estudio metalográfico, ya que las propiedades mecánicas del material pueden variar de manera mínima con respecto a la superficie que se encuentra a 90° de la cara que va en la dirección laminar. Con lo anterior se procedió a realizar el correspondiente estudio del material establecido y delimitado como se documenta enseguida. 6.2 APLICACIÓN DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS PARA EL MATERIAL ASTM A131 GRADO A.

28 Referencia [23] 29 Datos obtenidos en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia. 30 Referencia 12

29

Los tratamientos térmicos ayudan al mejoramiento de las propiedades mecánicas de los materiales tratados por medio del calentamiento y enfriamiento a temperaturas controladas; por lo cual, para este estudio se realizaron tratamientos de temple y revenido como se describe posteriormente con el fin de analizar el comportamiento que presenta el acero ASTM A131 grado A antes y después de ser sometido térmicamente. 6.2.1 TEMPLE Para el desarrollo del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas ha sido necesario obtener dichas temperaturas a partir de las siguientes ecuaciones

y de la composición química del material: 31

𝐴 1(°𝐶) = 723-16,9[0.023]+29.1[0.207]+6,39[0.007]-10,7[0.626]+16,9[0.334]-290[0]

𝐴1(°𝐶) = 727,626

𝐴 3(°𝐶) = 912 − 203√[0.221] +0[0.023]+ 44.7[0.207] + 104[0.004] + 31.5[0.011] +

13.1[0.007] − 30[0.626]− 11[0.334] − 20[0.008] + 700[0.019] + 400[0.005] + 120[0] +

400[0]

𝐴3(°𝐶) =820,85

Una vez determinada las temperaturas A1 y A3, se procedió a realizar el tratamiento térmico de temple a las 14 probetas según como se propuso para realizar los debidos análisis metalográficos, para realizar el temple fue necesario el uso de la mufla eléctrica que se encuentra ubicada en el laboratorio de tratamientos térmicos, Facultad Tecnológica, la cual elevó las probetas a una temperatura de 770°C y se sostuvo durante un lapso de tiempo de 30 min. Una vez finalizado el tiempo se retiraron las probetas de la mufla eléctrica e inmediatamente se introdujeron en un recipiente con agua para realizarles el proceso de enfriamiento y finalmente las 14 probetas se retiran del recipiente con agua concluyendo en proceso de temple de las probetas.

Figura 14. Probetas templadas.

Fuente: Propia

31 Referencia [15]

30

6.2.2 REVENIDO Para realizar el desarrollo del tratamiento térmico de revenido se optó por alcanzar dos temperaturas las cuales se deben encontrar 30°C por debajo y por encima de la temperatura de Ms, la cual puede ser determinada a partir de la siguiente ecuación:

(°C) 39 23(0.221) 0.4(0.626 ) 7.7(0.023) 2.1(0.334) 1(0.207) (0.011) M s = 5 − 4 − 3 − 1 − 1 − 1 − 7 32

419.684°C(°C) M s =

Una vez realizado el temple, se procedió a realizar los respectivos revenidos en la mufla de los laboratorios de la facultad a 12 de las 14 probetas que se templaron anteriormente, las cuales, 6 fueron tratadas a una temperatura de 390°C durante tres escalas de tiempo las cuales son 5, 10 y 15 minutos y las 6 probetas restantes a una temperatura de 450°C y de igual manera a 5, 10 y 15 minutos, la selección de estas temperaturas y escalas de tiempos se hace con el fin de determinar el cambio de las propiedades mecánicas que se pueden obtener a partir del revenido medio y el revenido alto. El procedimiento para realizar el revenido consiste en introducir de a 2 probetas previamente templadas en la base dentro de la mufla eléctrica programando una una temperatura y una escala de tiempo en el control de mando, para empezar este proceso es necesario mantener cerrada la mufla eléctrica, sosteniendo estas temperaturas y tiempos, una vez finalizados, se procedió a enfriar las probetas al aire libre hasta reducir la temperatura de estas. 6.3 PRUEBAS METALOGRÁFICAS Inicialmente, se elaboraron 15 probetas con el material ASTM A131 las cuales fueron desbastada, lijadas y pulidas en el laboratorio de tratamientos térmicos para proceder a realizar los tratamientos térmicos y el correspondiente ataque químico, que permite el estudio superficial de los metales para la caracterización microestructural del material, este proceso consiste en bañar la cara pulida con el reactivo utilizado, ácido nítrico (Nital) al 3%, y posteriormente es limpiada con alcohol.

32 Referencia [15]

31

Figura 15. Ataque químico para obtención de micrografías

Fuente: Propia

Con lo anterior, las probetas fueron llevadas al laboratorio de metalografía para la toma de las microestructuras del material con ayuda del microscopio metalográfico Axio Observer D1m y se obtuvieron los siguientes resultados . 33

ESTADO DE ENTREGA (Probetas originales)

Figura 16. Microestructura obtenida con aumento de x 500

Fuente: Propia

Figura 17. Microestructura obtenida con aumento de x 1000

Fuente: Propia

MICROESTRUCTURAS OBTENIDAS A PARTIR DE TRATAMIENTO TÉRMICO POR TEMPLE A 770°C DURANTE 30 MIN.

33 Micrografías obtenidas en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

32

Figura 18. Microestructura obtenida de la probeta No.1 con aumento de x 500

Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia

MICROESTRUCTURAS OBTENIDAS A PARTIR DE TRATAMIENTO TÉRMICO POR REVENIDO. TEMPERATURA 390°C DURANTE 5 MIN

33


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia

TEMPERATURA 390°C DURANTE 10 MIN

34


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia



Fuente: Propia


Fuente: Propia

35


Fuente: Propia


Fuente: Propia



Fuente: Propia


Fuente: Propia

36


Fuente: Propia


Fuente: Propia



Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


37


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia

Luego de realizar el respectivo procedimiento para obtener las micrografías, con ayuda del microscopio metalográfico, se puede evidenciar en las microestructuras tomadas para el material en estado de entrega, que este está conformado por un contenido más alto de zona clara la cual según el libro de Apraiz, Tratamientos térmicos , esta zona es llamada ferrita (estructura cristalina del hierro); a 34

comparación de las micrografías tomadas para el material después de realizar el temple a 770°C durante media hora, donde se obtiene un incremento en la zona oscura, la cual es conocida como martensita. En las siguientes micrografías, las cuales se obtuvieron a partir de los revenidos realizados la martensita obtenida después del proceso térmico de revenido se transforma en martensita revenida aumentando el contenido de la zona oscura, la cual comparando las micrografías entre los revenidos realizados, son pocos los cambios que se pueden observar posiblemente por la diferencia de tiempos en que se realizaron los revenidos y a su

34 Referencia [6]

38

vez por la pequeña variación que se obtenía en la temperatura dada por la mufla ya que esta no se mantenía totalmente constante. 6.4 PORCENTAJES DE FASES A partir de las micrografías que se obtuvieron se procedió a determinar el porcentaje de cada una de las fases presentes en las microestructuras de las probetas tratadas por los diferentes procesos térmicos, con ayuda del software del microscopio metalográfico Axio Observer D1m y se adquirieron los resultados resaltados a continuación: MATERIAL DE ENTREGA

Tabla 3. Porcentajes de fase material original

Fuente: Propia

Gráfico 1. Fases material original

Fuente: Propia

Figura 46. Fases resaltadas material original

Fuente: Propia 35

MATERIAL CON TEMPLE A 770°C

35 Imágenes y gráficos obtenidos en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

39

PROBETA No. 1

Tabla 4. Porcentajes de fase Probeta No.1

Fuente: Propia

Gráfico 2. Fases probeta No.1

Fuente: Propia

Figura 47. Fases resaltadas probeta No.1

Fuente: Propia 36

PROBETA No. 2

Tabla 5. Porcentajes de fase probeta No.2

Fuente: Propia


40


Fuente: Propia


Fuente: Propia MATERIAL CON REVENIDO A 390°C DURANTE 5 MINUTOS PROBETA No.3


Fuente: Propia


Fuente: Propia

41


Fuente: Propia 37

PROBETA No. 4


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia 38

37 Imágenes y gráficos obtenidos en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas 38 Imágenes y gráficos obtenidos en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

42

MATERIAL REVENIDO A 390°C DURANTE 10 MINUTOS PROBETA No.5


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia 39

PROBETA No. 6


Fuente: Propia


43


Fuente: Propia


Fuente: Propia 40



Fuente: Propia


44

Gráfico 8. Fases probeta No.7 Fuente: Propia


Fuente: Propia

PROBETA No.8


Fuente: Propia


Fuente: Propia


45

Fuente: Propia 41



Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia 42

PROBETA No.10


46

Tabla 12. Porcentajes de fase probeta No.10 Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia 43



Fuente: Propia


47


Fuente: Propia


Fuente: Propia 44

PROBETA No.12


Fuente: Propia


Fuente: Propia


48


Fuente: Propia 45



Fuente: Propia


Fuente: Propia



49

Fuente: Propia 46

PROBETA No.14


Fuente: Propia


Fuente: Propia


Fuente: Propia 47

Los porcentajes de fases que se obtuvieron a partir de las micrografías con aumento x 200 que se realizaron a las probetas usadas para el análisis metalográfico se logra contemplar, como se afirmó anteriormente, que el material ASTM A131 es un material con altos índices de ferrita (zona de color rojo) ya que como se muestra en la gráfico No. 1 para el material de entrega (material original analizado) se presenta un porcentaje del 73.47% de esta y un 22.04% de la zona de color verde. Se puede analizar que en el caso de las muestras que fueron sometidas solamente al tratamiento de temple tuvieron un aumento alrededor de mas del 10% de la zona oscura (zona de color verde), siendo esta martensita, mientras que la zona clara, la cual es identificada como ferrita tuvo una reducción porcentual considerable, ya que


50

pasó del 73.47% al 54.8% para la probeta No.1 y en promedio se redujo al 63.63% por tanto también puede deducirse que estas muestras adquirieron un aumento y mejora en la caracterización de la dureza como propiedad mecánica del material. Para las probetas que fueron tratadas con el proceso de temple se puede deducir que entre más elevada sea la temperatura de revenido se puede obtener un porcentaje más alto de la zona oscura la cual es conocida, para este caso, como martensita revenida, ya que en los porcentajes de la zona verde (martensita revenida) para los tratamientos hechos a una temperatura de 390°C alcanza porcentajes hasta del 48.01%, mientras que en los revenido a 450°C se obtuvo un aumento de la zona verde del 59.1%, esto debido que para el primer caso de revenido se realizó por debajo de Ms (inicio de transformación de martensita) la cual es aproximadamente 420° C y el segundo caso el revenido se realizó por encima de la temperatura esta temperatura. Dentro de los tratamientos hechos a diferentes tiempos se encuentra que la variación en los porcentajes de las fases en promedio solamente es de 0.66% de la zona verde para el caso del revenido a 390°C pero cuando la temperatura de revenido aumenta a 450°C y el tiempo de duración de este, se encuentra que la variación llega ha ser hasta del 12.32%. 6.5 DUREZAS Para determinar las durezas de las muestras las cuales se sometieron a diferentes tratamientos térmicos, fue necesario emparejar dos caras de las probetas de tal manera que se mantuvieran paralelas, esto con el objeto de tomar los datos de manera correcta, luego se hizo uso del durómetro GNEHM Swiss Rock, el cual mide estas durezas en las escalas HRB y HRC. Con los datos tomados en el laboratorio de metalografía se realizó la un promedio de los datos de dureza que se tomaron para cada una de las probetas y para hacer una comparación correcta se optó por realizar una conversión de escalas de HRB y HRC a HV como se muestra en la siguiente gráfica Dureza (HV) vs Probeta.

51

Gráfico 16. Promedio de durezas obtenidas para cada muestra. Fuente: Propia

Sin tratamient

o Temple 770°C

Temple 770°C

R. 390°C 5 min

R. 390°C 5 min

R. 390°C

10 min

R. 390°C

10 min

R. 390°C

15 min

R. 390°C

15 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C

10 min

R. 450°C

10 min

R. 450°C

15 min

R. 450°C

15 min

127 302 302 266 266 246 244 228 236 256 246 219 235 219 223

Tabla 17. Durezas obtenidas para las muestras

Fuente: Propia A partir de la gráfica obtenida de los promedios de las durezas, se observa que el material antes de los procesos de tratamientos térmicos arrojó una dureza de 127 HV (Vickers) y al ser tratado térmicamente por temple a una temperatura de 770°C se alcanzaron a tomar durezas de 302 HV lo cual representa un aumento porcentual del 137.8% aproximadamente. Este aumento en la dureza se debe al proceso de temple a temperaturas intercriticas lo cual causa el incremento en el porcentaje de martensita presente en el material. Las durezas obtenidas para el tratamiento de temple y revenido a 390°C a 5 minutos (muestra 3 y 4) se puede evidenciar una reducción en la dureza de estas, puesto que la durezas disminuyeron de 302 HV a 266 HV, y esto se debe a que el tratamiento térmico de revenido se basa en aliviar las tensiones presentes en la estructura del material y por tanto su dureza desciende.

Gráfica 17. Porcentaje de variación en la dureza

Fuente: Propia

52

Temple 770°C

Temple 770°C

R. 390°C 5 min

R. 390°C 5 min

R. 390°C 10 min

R. 390°C 10 min

R. 390°C 15 min

R. 390°C 15 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 10 min

R. 450°C 10 min

R. 450°C 15 min

R. 450°C 15 min

137,8 137,8 109,4 109,4 93,7 92,1 79,5 85,8 101,6 93,7 72,4 85 72,4 75,6

Tabla 18. Porcentaje de variación en la dureza

Fuente: Propia

A partir de la gráfica gráfica 17 se puede deducir que el tratamiento térmico con mayor porcentaje de dureza que se obtuvo es el de las muestras que fueron templadas puesto que estas alcanzaron un aumento de mas del 130% respecto a la dureza de la muestra sin tratamiento, alcanzando valores de 302 Vickers (HV), esto debido al aumento de martensita en las muestras, se puede deducir también que el revenido a 450°C con un tiempo sostenido de 15 minutos tuvo una dureza promedio aproximadamente del 74% respecto a la probeta sin tratamiento, lo cual significa un valor inferior a las demás probetas tratadas térmicamente. Se puede apreciar que la dureza de las probetas templadas y revenidas a una temperatura de 390°C obtuvieron un aumento porcentual del 109.4% con un lapso de tiempo de 5 minutos, aproximadamente un aumento del 93% con un tiempo de 10 minutos y un aumento alrededor del 81% con un tiempo sostenido de 15 minutos, lo que se puede suponer una disminución del 12% de la dureza entre cada tiempo sostenido, igualmente sucede con las muestras revenidas a 450°C, así que por esta razón se puede deducir que entre mayor sea la temperatura y el tiempo sostenido para el revenido de un material, la dureza del material se verá disminuido. 6.6 MICRODUREZAS Para obtener las microdurezas, fue necesario el uso del Microduròmetro SHIMADZU HMV-2, para esto, las probetas debían estar previamente atacadas, de tal manera que las microestructuras de estas se lograran observar con ayuda del microscopio, una vez determinada la zona la cual se quería conocer su dureza, con ayuda del indentador del microdurómetro se genera una pequeña deformación plástica la cual mide dichas durezas, para obtener los mejores datos se optó por tomar cinco datos para la zona blanda (zona clara) y la zona dura (zona oscura) para un total de 10 datos por probeta las cuales fueron promediadas para un análisis más acertado para este punto del documento.

53

Gráfico 18. Resultados de microdurezas.

Fuente: Propia

Sin tratamiento

Temple

770°C

Temple

770°C

R. 390°C 5 min

R. 390°C 5

min

R. 390°C 10 min

R. 390°C 10 min

R. 390°C 15 min

R. 390°C 15 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 10 min

R. 450°C 10 min

R. 450°C 15 min

R. 450°C 15 min

Zona clara 143,4 283,4 279 225,2 200,2 246,2 223,2 174,2 187,4 188,2 171,6 159,4 187,2

171,4

172,4

Zona oscura 236,8 468,8 621,4 452,4 387,2 486,4 421,6 386,6 378,8 471,2 405,4 306,8 320,8

231,6

328,8

Tabla 19. Microdurezas obtenidas en las muestras

Fuente: Propia

Con base en la gráfica obtenida a partir de las microdurezas se puede establecer que todos los tratamientos realizados tuvo un aumento de dureza en las muestras tratadas a excepción del material base sin tratamiento. Se puede observar que el tratamiento térmico de temple es el que adquirió mayor dureza como se esperaba puesto que las muestras aumentaron de 236.8 HV (97.5 HRB) a 545.3 HV (52 HRC) en la zona oscura (zona dura), con lo cual se logra evidenciar junto a las micrografías obtenidas que la fase que se encuentra en la zona oscura es martensita, ya que los rangos de dureza para la martensita oscila desde los 50 HRC hasta los 68 HRC , mientras que en la zona clara (zona blanda) se puede puede 48

concluir junto a los resultados de las micrografías que la fase hallada en las probetas es ferrita puesto que la dureza es relativamente baja en comparación a la martensita.

48 Referencia [24]

54

También se puede observar en la gráfica que las zonas de las muestras con mayor valor de dureza se encuentran en las muestras de revenido a 390°C con un tiempo de 10 minutos con 454 HV (46 HRC) en la zona oscura y 234.7 HV (97.5 HRB), seguida de las probetas con tratamiento térmico de revenido a 450°C con un rango de tiempo sostenido de 5 min las cuales obtuvieron una dureza de 438.3 HV (HRC) en la zona oscura y 179.9 HV (87 HRB), también cabe destacar que el tratamiento térmico que obtuvo menor aumento de dureza es el revenido a 450°C con un lapso de tiempo de 15 min ya que obtuvo una dureza de 280.2 HV (HRB) en la zona oscura de las muestras y 171.9 HV (HRB) en la zona clara. Hay que resaltar que dentro del análisis de estas durezas obtenidas para la zona oscura de las muestras luego del tratamiento del temple y revenido fue obtenida un tipo de martensita con unos rangos de dureza menores a la que se obtuvo en las muestras del tratamiento térmico de temple la cual es conocida como martensita revenida, esto se debe a que el tratamiento térmico de revenido consiste en aliviar tensiones internas en el material, también cabe destacar que esta estructura de fase dual resultante de martensita revenida y ferrita es de gran interés debido a su tenacidad y resistencia a la fatiga.

Gráfica 20. Porcentaje de variación en la microdureza

Fuente: Propia

Temple 770°C

Temple 770°C

R. 390°C 5 min

R. 390°C 5 min

R. 390°C

10 min

R. 390°C

10 min

R. 390°C

15 min

R. 390°C

15 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C 5 min

R. 450°C

10 min

R. 450°C

10 min

R. 450°C

15 min

R. 450°C

15 min

Zona clara 97,6 94,5 57,0 39,6 71,6 55,6 21,4 30,6 31,2 19,6 11,1 30,5 19,5 20,2

Zona oscura 77,71 135,5 71,4 46,7 84,3 59,8 46,4 43,6 78,6 53,6 16,3 21,6

-12,2 24,9

Tabla 20. Porcentaje de variación en la microdureza

Fuente: Propia

55

El porcentaje de variación (Gráfica 19) se hizo partiendo de la microdureza que logró el material antes de realizarse el tratamiento térmico equivalente a 263.8 HV, tomando este valor de referencia. La gráfica 18 muestra que para las probetas No. 1 y 2 (probetas que fueron tratadas únicamente por temple) el porcentaje en la variación de la microdureza se incrementa más del 80% para la zona clara y se incrementa aproximadamente 140% para la zona oscura lo cual indica el cambio en los porcentajes de fases de la microestructura del material que provocó el proceso térmico durante el tiempo y la temperatura seleccionada. Para las probetas que se les realizó tratamiento térmico de revenidas a una temperatura 390°C (Probetas No. 3,4,5,6,7,8) se comprende que la proporción en la variación de microdureza es mayor para la zona oscura con respecto a la zona clara gracias al porcentaje de martensita revenida que origina el revenido y para el caso donde se realizó el revenido a una temperatura de 450°C el incremento no es de mas del 40% durante un tiempos de 5, 10 y 15 minutos. Se observa un caso en particular (Probeta No. 13) donde el porcentaje de variación de la microdureza está por debajo del punto de referencia (Dato de microdureza de la probeta sin tratamiento térmico) ya que la microdureza se reduce un porcentaje negativo de mas del 10% durante un tiempo de 10 min a una temperatura de revenido de 450°C.

56

CONCLUSIONES

● Las micrografías obtenidas de las muestras que fueron sometidas a tratamiento térmico de revenido con una temperatura de 390°C y 450°C durante un tiempo de 5 minutos, arrojaron una definición más clara de los granos de ferrita, los cuales se encuentran ubicados en las zonas claras de las muestras, al igual que los granos de martensita revenida que se hallan presentes en la zona oscura.

● El porcentaje de fases de las muestras que fueron tratadas solamente con

proceso térmico de temple obtuvieron un aumento del 10%, en la zona oscura respecto a la muestra sin tratamientos, a la vez que el volumen de la zona clara disminuyó.

● A partir del tratamiento térmico de temple la dureza se incrementó en un 130% en las probetas que fueron tratadas, en relación a la muestra sin tratamiento, evidenciando la aparición de martensita en considerables cantidades.

● Las probetas tratadas con revenido a una temperaturas de 390°C durante tiempos de 5, 10 y 15 minutos presentaron menor disminución en la dureza en comparación del revenido realizado a una temperatura de 450°C, concluyendo, de esta manera, que a mayor temperatura y tiempo de duración del tratamiento de revenido, mayor será la reducción en la dureza del material.

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