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

Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5

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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.

Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5

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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

Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5

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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

Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5

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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

Ciencia de los materiales. Guía 4 y 5

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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.