ESTUDIO DE LA VARIACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Y SU...

ESTUDIO DE LA VARIACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Y SU CORRELACIÓN CON LOS VALORES DE MICRODUREZA EN UNIONES

SOLDADAS DE ACERO SAE 8620.

NELSON ENRIQUE CARDOSO LEÓN. JAIME DAVID MARTÍNEZ GARCÍA.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA.

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA. BOGOTÁ D.C.

2017

Nelson Cardoso. Jaime Martínez.

Ingeniería Mecánica. Proyecto de Grado. 2

ESTUDIO DE LA VARIACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Y SU

CORRELACIÓN CON LOS VALORES DE MICRODUREZA EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620.

NELSON ENRIQUE CARDOSO LEÓN.

JAIME DAVID MARTÍNEZ GARCÍA.

Trabajo de investigación tipo monografía para optar al título de Ingenieros Mecánicos.

Director: Ing. LUIS HERNANDO CORREA MURILLO.

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA.

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA. BOGOTÁ D.C.

2017



TABLA DE CONTENIDO RESUMEN ............................................................................................................ 10

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 11

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................... 12

2. ANTECEDENTES ....................................................................................... 13

3. JUSTIFICACIÓN ......................................................................................... 17

4. OBJETIVOS ................................................................................................ 18

4.1 Objetivo General .......................................................................................... 18

4.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 18

5. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL ......................................................... 19

5.1 Introducción. ............................................................................................. 19

5.2 Aceros. ..................................................................................................... 19

5.3 Datos Técnicos del Acero SAE 8620. ...................................................... 19

5.4 Tratamientos Térmicos. ............................................................................ 21

5.4.1 Recocido. ........................................................................................... 21

5.4.2 Normalizado....................................................................................... 22

Es un recocido a una temperatura algo más elevada y enfriado al aire, que se efectúa generalmente en los aceros para darles una estructura de grano fino y uniforme y mejorar sus propiedades mecánicas. ............................................ 22

5.4.3 Temple. .............................................................................................. 22

5.5 Proceso de solidificación en metales ....................................................... 23

5.5.1 Nucleación Homogénea .................................................................... 23

5.5.2 Nucleación heterogénea. ................................................................... 24

5.6 Tamaño de Grano. ................................................................................... 25

5.6.1 Clasificación de los Tamaños de Grano. ........................................... 26

5.6.2 Crecimiento dendrítico ....................................................................... 27

5.6.3 Granos Equiaxiales ............................................................................ 27

5.6.4 Granos columnares ........................................................................... 27

5.7 Microscopio Electrónico de Barrido (MEB). .............................................. 28

5.7.1 Aspectos generales de la Máquina. ................................................... 28

5.7.2 Definición. .......................................................................................... 28

5.7.3 Funcionamiento. ................................................................................ 29

6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL .......................................................... 30



6.1 Preparación de las Uniones Soldadas. .................................................... 30

6.2 Corte y Rectificado. ...................................................................................... 31

6.3 Preparación Metalográfica. ........................................................................... 31

6.4 Observación Microscópica. .......................................................................... 31

6.5 Ensayo de Microdureza. ............................................................................... 32

6.6 Ensayo de Dureza. ....................................................................................... 32

6.5 Definición de Variables Estadísticas............................................................. 34

6.6 Designación de Variables para la Microestructura en las cinco probetas..... 35

7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ................................................................... 36

7.1 Unión Soldada – Recocido. ...................................................................... 36

7.1.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión de Recocido. ............ 36

7.1.2 Calculo del FDP para cada valor de microdureza en la Unión de Recocido. ........................................................................................................................... 36

7.1.2.1 Cálculo del FDP...................................................................................... 39

7.1.2.2 Cálculo del Método Analítico del FDP. ................................................... 40

7.1.2.3 Cálculo por medio del Software Microsoft Excel del FDP. ...................... 41

7.1.2.4 Construcción de la curva de distribución normal gaussiana. .................. 42

7.1.2.5 Porcentajes de Probabilidad. .................................................................. 44

7.1.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Recocido. ...... 47

7.1.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Recocido. ..................... 50

7.1.5 Relación con Micrografías para la Unión de Recocido. ............................. 54

7.2 Unión Soldada – Normalizado. ................................................................. 57

7.2.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión Normalizado. ............ 57

7.2.2 Cálculo del FDP para cada uno de los valores de microdureza en la Unión de Normalizado. ................................................................................................. 57

7.2.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Normalizado. 58

7.2.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Normalizado. ............ 58

7.2.5 Relación con Micrografías de la Unión Normalizado. ................................ 59

7.3 Unión Soldada – Entrega. ........................................................................ 62

7.3.1 Variable manejada con la Microdureza para la Unión de Entrega. ....... 62

7.3.2 Análisis del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Entrega. ......................................................................................................... 63

7.3.3 Variable para la Microestructura en la Unión de Entrega. ..................... 63

7.3.3.1 Desarrollo de Fracción Volumétrica de Fase. .................................... 63



7.3.4 Correlación entre las variables de la Unión de Entrega. ....................... 65

7.3.5 Relación con Micrografías en la Unión de Entrega. .............................. 65

7.4 Unión Soldada – Aceite. ............................................................................... 67

7.4.1 Variable manejada con la Microdureza ..................................................... 68

7.4.2 Análisis del FDP para Cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Temple en Aceite........................................................................................... 69

7.4.3 Variable manejada con fraccion volumétrica de fase. ............................... 69

7.4.4 Correlación entre las variables en la Unión de Temple en Aceite. ............ 70

7.4.5 Relación con Micrografías. ....................................................................... 71

7.5 Unión Soldada – Temple en Agua. ........................................................... 73

7.5.1 Variable manejada como Microdureza en la Unión de Temple en Agua. 73

7.5.2 Apreciación del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Temple en Agua. ................................................................................. 74

7.5.3 Variables para la microestructura en la Unión de Temple en Agua. ..... 75

7.5.4 Correlación entre Variables para la Unión de Temple en Agua. ........... 75

7.5.5 Relación con Micrografías en la Unión de Temple en Agua. ................ 76

8. CONCLUSIONES. ....................................................................................... 79

9. RECOMENDACIONES. .............................................................................. 81

10. REFERENCIAS. .......................................................................................... 82



ÍNDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1; Superficie morfológica de una película anódica formada en diferentes tiempos de anodizado tomado del trabajo CORRELATION BETWEEN MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE OF ANODIC FILM ON 2024 ALUMINUM ALLOY. ............................................................................................. 15

Ilustración 2; Correlación entre la microdureza y el esfuerzo de fluencia tomado del trabajo MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD. ......... 16

Ilustración 3; Gráfica de Templabilidad del Acero SAE 8620 (Escala Rockwell C). .............................................................................................................................. 20 Ilustración 4, Nucleación Homogénea Ilustración. ................................................ 23

Ilustración 5; Nucleación Heterogénea Ilustración ................................................ 24 Ilustración 6; Granos y Zona Blanda. .................................................................... 25

Ilustración 7; Carta con Tamaño Real de Granos. ................................................ 26 Ilustración 8; Granos Equiaxiales y Columnares. .................................................. 28 Ilustración 9; Estado inicial de las Uniones Soldadas. .......................................... 30

Ilustración 10; Esquema del Ensayo de Microdureza desarrollado. ...................... 32

Ilustración 11; Esquema del Ensayo de Dureza desarrollado. .............................. 33 Ilustración 12; Presentación Final para cada Unión Soldada. ............................... 33

Ilustración 13, Definición de Variables para la Correlación Estadística. Realizada por los Autores. ........................................................................................................... 34

Ilustración 14, Proceso de Elaboración de la curva de distribución gaussiana en Microsoft Excel. Realizada por los autores. ........................................................... 44

Ilustración 15; Micrografía Óptica a 1600x de la Región MA. Unión Soldada Recocido. Nital 3%. Representación de Triángulo Rectángulo para el cálculo de Tamaño de Grano. ................................................................................................ 48 Ilustración 16; Representación de la escala en la micrografía y toma de dimensión real en cm. ............................................................................................................. 48 Ilustración 17, Micrografía Electrónica a 5000x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%. Zonas homogéneas de Ferrita y listones claros de cementita que hacen parte de los granos de Perlita. ............................................................................... 55

Ilustración 18; Micrografía Óptica a 200x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%. ........................................................................................................................ 56

Ilustración 19; Micrografía Óptica de Muestra Normalizado en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%. ...................................................................................................... 60

Ilustración 20, Diagrama de Transformación Isotérmica para el acero SAE 8620 con Temperatura, Tiempo y Transformación. .............................................................. 61

Ilustración 21; Micrografía Electrónica de Muestra Entrega en la ZAC. Aumentos 1000x. Nital 3%.Micrografía, Ejemplo de Trazado de Rejilla. Fracción Volumétrica de Fase. ................................................................................................................ 64 Ilustración 22; Micrografía Óptica de Muestra de Entrega en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%. ................................................................................................................ 66



Ilustración 23; Micrografía Electrónica de Muestra de Entrega en la ZAC. Aumentos 2000x. Nital 3%. .................................................................................................... 66 Ilustración 24; Micrografía óptica de Unión Soldada Temple en Aceite en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%. ..................................................................................... 72 Ilustración 25; Micrografía Electrónica de Unión Soldada con Temple en Aceite en la ZAC. Aumentos 1000x. Nital 3%. ...................................................................... 72 Ilustración 26; Micrografía óptica de Unión Soldada con Temple en Agua en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%. ..................................................................................... 77 Ilustración 27; Micrografía Electrónica de Unión Soldada con Temple en Agua en la ZAC. Aumentos 2000x. Nital 3%. .......................................................................... 77



ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1; Composición Química con porcentajes de análisis típico. ....................... 20 Tabla 2; Distribución de Variables para cada Muestra. ......................................... 35

Tabla 3; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión de Recocido para cada una de las regiones de estudio. ............................................................................. 36

Tabla 4; Relación de Datos de Microdureza y Función de Densidad de Probabilidad. .............................................................................................................................. 39

Tabla 5, Método analítico de FDP para datos de Microdureza en el MA. Unión Soldada de Recocido. ........................................................................................... 41

Tabla 6; Comparación entre método Analítico y con el uso de Software, para el cálculo de la Función de Densidad de Probabilidad. ............................................. 42

Tabla 7; Descripción del dominio para la Desviación Estándar. ............................ 45 Tabla 8; Conjunto de Datos para Tipificación de Valores en la Distribución Normal Gaussiana. ............................................................................................................ 47 Tabla 9; Resumen de Datos para el análisis de tamaño de Grano en la muestra de Recocido en el MA. ............................................................................................... 49 Tabla 10; Correlación entre Valores de Microestrutura y Valores de Microdureza en cada una de las regiones de estudio de las cinco Uniones Soldadas trabajadas. 52 Tabla 11; Resultados obtenidos de la Ecuación [2] ............................................... 54

Tabla 12; Resumen de Microdurezas en Dureza Vickers. Valores menores, mayores y promedios. .......................................................................................................... 54

Tabla 13; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Normalizado para cada una de las regiones de estudio. ............................................................................. 57

Tabla 14; Resumen de datos para cada zona de la muestra Normalizado. .......... 58 Tabla 15; Resumen de correlación estadística para la muestra Normalizado. ...... 59

Tabla 16, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Entrega para cada una de las regiones de estudio..................................................................................... 62

Tabla 17; Resumen de datos para cada zona de la muestra de Entrega. ............. 63 Tabla 18; Resumen de correlación estadística para la muestra Entrega. ............. 65

Tabla 19; Valores de Microdureza en las tres regiones de la muestra Temple en Aceite. ................................................................................................................... 68

Tabla 20; Variable de Microestructura para la Unión de Temple en Aceite. Fracción Volumétrica de Fase.............................................................................................. 69

Tabla 21; Correlación Unión Temple en Aceite. .................................................... 70 Tabla 22, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Temple en Agua para cada una de las regiones de estudio. .................................................................... 74 Tabla 23; Resumen de Correlación Estadística para la muestra de Temple en Agua. .............................................................................................................................. 75

* Nota: Las Tablas 4 y 10 agrupan valores para las cinco uniones soldadas. Facilitan la comparación de datos.



ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1; Curva de Distribución Normal Gaussiana para la Unión Soldad de Recocido en la región de Material de Aporte. Realizada por los Autores. ............. 43 Gráfica 2, Muestra Recocido. Correlación estadística. Zona MB. Realizada por los Autores. ................................................................................................................. 53 Gráfica 3; Correlación del Tamaño de Grano Vs la microdureza para la muestra de Normalizado en la Zona Afectada por el Calor. Realizada por los Autores. .......... 59 Gráfica 4; Curva de Distribución Normal. Unión Soldada Temple en Aceite. ........ 69

Gráfica 5; Correlación Unión Temple en Aceite para las regiones ZAC y MA. ...... 71 Gráfica 6; Curva de Distribución Normal entre microdureza en Material base de la Unión temple en Agua. Realizada por los autores. ............................................... 75



RESUMEN

En el siguiente documento se exponen los resultados de un estudio comparativo, estadístico y analítico entre la variación de la microestructura y los valores de ensayos de dureza y microdureza, soportados en imágenes microscópicas, de uniones soldadas trabajadas en acero SAE 8620. Debido al uso de un microscopio óptico, un microscopio electrónico de barrido y durómetros, se muestra una síntesis de todo el procedimiento experimental llevado a cabo para preparar las muestras.

Se ejecuta una correlación teniendo como variables el tamaño de grano y la fracción de volumen de masa para cinco muestras. En definitiva la correlación estadística implementada con las variables establecidas, permiten una coincidencia de datos bastante cercana y con poco porcentaje de error, entre la dureza y la microestructura para todas las uniones. Como se afirmó con anterioridad, se tienen índices altos en la mayoría de las correlaciones, que van del 71% al 99%, creando de esta manera, un comportamiento lineal donde se relacionan los datos experimentales con los valores reales de la dureza y la microestructura.



INTRODUCCIÓN

En el Proyecto de Grado “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620” se realizó un estudio de la aleación de Fe-C, encontrando un conjunto de microconstituyentes que dan ciertas propiedades físicas y mecánicas al material. Implementando las muestras soldadas del anterior proyecto, se pretende estudiar la variación de las microestructuras resultantes de los tratamientos térmicos llevados a cabo, los cuales fueron: normalizado, recocido, temple en agua y temple en aceite. Adicionalmente se trabaja la unión que fue únicamente sometida al proceso de soldadura y enfriada a temperatura ambiente. A lo largo de este proceso, las muestras soldadas presentan cambios en su microestructura debido al tipo de enfriamiento. Así pues, cada unión presentará una recristalización diferente, reflejada en el crecimiento de grano equiaxial, columnar y/o dendrítico. Dependiendo de la configuración que tome cada pieza se van a presentar variaciones de microdureza, las cuales serán evaluadas por medio de un análisis estadístico basado en la función de densidad de probabilidad. Las diferencias entre microestructuras serán verificadas a partir de la toma de imágenes guiadas por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico. Con esto en mente, este artículo se fundamenta en la evaluación de microestructuras y su correlación con la microdureza presente en muestras soldadas de acero SAE 8620, por medio de un análisis estadístico. Paralelamente, debemos tener en cuenta que el material a trabajar será SAE 8620, el cual es clasificado por la ASM (Sociedad Americana de Materiales) como un “acero tratable de baja aleación” (HTLA)1 que posee una amplia gama de aplicaciones a nivel industrial, aspectos que nos permiten garantizar el reconocimiento y la efectividad de los resultados de nuestros estudios.

1 COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS S.A. Ficha Técnica SAE 8620, Acero para cementación de

alta resistencia. 2012. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://www.cga.com.co/productos-y-servicios/catalogo-virtual.



1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El proceso de diagnóstico del problema se generó a partir del transcurso de la investigación que se llevó a cabo con respecto a procesos de solidificación y crecimiento de grano, vinculando la microestructura presente en cada una de las muestras de SAE 8620 que cuentan con tratamiento térmico. Luego, la delimitación del asunto que hay que resolver, se centró en la evaluación de microdureza y su relación con las diversas zonas afectadas por el calor en la unión soldada. Nos vemos en la necesidad de estudiar las características de estas propiedades micro, resaltando la importancia y particularidad que desarrollan las diferentes morfologías del material en cada caso. A pesar de las investigaciones realizadas previamente, enfocadas en este tema, se descubre un nivel bajo de información con respecto a estos tipos de análisis de variación de microestructuras y microdureza en el acero SAE 8620, específicamente. Al respecto, conviene decir, que el diagnóstico se constituye al observar éste tipo de acero como un material muy utilizado en nuestra Facultad Tecnológica, Universidades y en la Industria; e igualmente nos permite abrir las puertas para definir y presentar un análisis estadístico, por medio de unos resultados de imágenes microscópicas, toma de durezas y un proceso de estudio, lógico y coherente, tras la aplicación de temple, recocido y normalizado en las uniones soldadas.



2. ANTECEDENTES

En esta investigación se busca hallar la variación de la microestructura y su correlación con los valores de microdureza en uniones soldadas de acero SAE 8620. No existe actualmente un estudio específico que aborde todos los aspectos que el grupo de trabajo desea desarrollar. Por tanto, se consultan diversos trabajos y tesis de diferentes profesionales en donde se despliega parte de la evolución y panorama actual de los aspectos a investigar. En los documentos que fueron tomados como referencia, se exponen estudios acerca de la microestructura y la microdureza de diferentes materiales, así mismo, cómo es su variación con respecto a tratamientos ejecutados en las muestras. Además de esto, se tienen en cuenta estudios estadísticos relacionados con la microestructura y determinación de la microdureza. Uno de los inconvenientes presentados es la falta de trabajos que se relacionen directamente con la variación de la microestructura y su correlación con la microdureza, debido a que principalmente esta reciprocidad varía significativamente para cada material; adicionalmente, el estudio de la correlación entre microestructura y microdureza es un análisis relativamente novedoso y se ha venido trabajando en su desarrollo con un intervalo corto de tiempo. Cabe resaltar que es necesario el uso de un software estadístico para la elaboración de esta investigación. De igual manera, la implementación de un Microscopio Electrónico de Barrido para poder determinar la manera en la cual son afectadas cada una de las muestras. Elaborando una síntesis de los artículos investigados, tenemos lo siguiente:

1. STUDY OF STEEL–COPPER PSEUDO ALLOY MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS AFTER LASER HEAT TREATMENT.

Autores: V. G. Gilev, N. V. Bezmaternykh, and E. A. Morozov. Publicacion: Translated from Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, No. 5, pp. 34 – 40, May, 2014. En esta investigación se obtienen resultados para un estudio de la microestructura y microdureza de una capa de polvo de acero - cobre en una seudo aleación después de un tratamiento térmico de láser. Con un láser de fibra de 1 kW de poder se busca predecir estadísticamente la reacción de la seudo aleación tras ser sometida a un tratamiento térmico con un láser apuntado a diferentes longitudes de onda y frecuencias.



2. EFFECTS OF NANO-STRUCTURED PARTICLES ON MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS OF SN–AG SOLDER ALLOY.

Autores: F. Tai, F. Guo, Z. D. Xia, Y. P. Lei , Y. W. Shi Publicación: 17 September 2009/Published Springer. Science+Business

Esta investigación se realizó con partículas nanoestructuradas de forma Poliédrica Oligomérica Silsesquioxano, conocida como POSS. Estas partículas fueron incorporadas en pasta de soldadura eutéctica Sn-3.5Ag, mezclándolas mecánicamente para formar la soldadura libre de plomo compuesta. Los efectos de las nanoestructuras adicionadas en el POSS y las propiedades mecánicas de las aleaciones de soldadura compuesta, se investigaron de forma sistemática. Los resultados experimentales indicaron que el tamaño medio, distancia de separación de compuestos intermetálicos Ag3Sn (IMC) en la matriz de soldadura compuesta, disminuyó en comparación a la soldadura eutéctica Sn-3.5Ag. El porcentaje en peso de adición de tres partículas de POSS nanoestructuradas podrían mejorar la microdureza de la soldadura compuesta por un 18,4% en comparación con la matriz de soldadura eutéctica Sn-3.5Ag. La media tamaño de grano y la distancia de separación de los IMC en Ag3Sn Sn-Ag3% en peso de POSS matriz compuesta de soldadura reduce 0,35-0,23 lm y 0,54-0,32 lm, respectivamente. El refinado Ag3Sn IMC, que actúa como un refuerzo de fase en la matriz de soldadura, podría mejorar la microdureza de las soldaduras compuestos.

3. CORRELATION BETWEEN MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE

OF ANODIC FILM ON 2024 ALUMINUM ALLOY. Autores: ZHANG Pei1, ZUO Yu1, ZHAO Xuhui1, TANG Yuming1, ZHANG Xiaofeng1 Publicacion: University of Chemical Technology, Beijing 2014 La correlación entre la de microdureza y la microestructura de una capa anódica en una aleación de aluminio 2024 formada por la mezcla del ácido sulfúrico y ácido oxálico sulfúrico se estudió utilizando un tester de micro-dureza y un microscopio electrónico de barrido (SEM). Los resultados muestran que la microdureza de la película anódica es influenciada por la microestructura de la película anódica debido a la porosidad del material, además de que el orden y la continuidad de las células columnares hexagonales tienden a aumentar.



Con la misma densidad de la capa anódica, espesor y con el tiempo de anodizado, la microdureza aumenta debido a la porosidad decrece y el orden además de la continuidad de las células también se mejoran. Bajo la condición del mismo tiempo de anodizado como la densidad aumenta, la microdureza de la película disminuye debido a la mayor porosidad además de esto el orden de las células y la continuidad disminuyen. La porosidad de la película aumenta debido a que el aumento de la densidad puede acelerar la reacción de oxidación.

Ilustración 1; Superficie morfológica de una película anódica formada en diferentes tiempos de anodizado

tomado del trabajo CORRELATION BETWEEN MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE OF ANODIC FILM ON 2024 ALUMINUM ALLOY.

4. MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR

POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD. Autores: F. J. BALT, CALLEJA, L. GIRl. Publicación: Instituto de Estructura de la Materia, CSIC, Serrano En esta investigación se estudió el efecto del peso molecular sobre el comportamiento y rendimiento de la microdureza por medio de la fusión y el recristalizado del polietileno con esto se determinó La influencia de las condiciones de cristalización en las propiedades mecánicas pero más a profundidad la en la microdureza Se muestra la relación de Tabor entre microdureza y la tensión de fluencia en donde los valores de microdureza son determinados a partir de estudios estadísticos.



Ilustración 2; Correlación entre la microdureza y el esfuerzo de fluencia tomado del trabajo

MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD.

Cabe resaltar que de este estudio no tiene como eje central la correlación entre la microestructura con la microdureza, en la investigación si se aborda el tema pero no con la profundidad que en nuestra investigación se llevara a cabo. Lo que más nos interesa de esta investigación es el estudio estadístico realizado.

5. STRENGTH–HARDNESS STATISTICAL CORRELATION IN API X65

STEEL Autores: S.H. Hashemi Publicacion: Department of Mechanical Engineering, The University of Birjand.

En esta investigación, los datos de dureza Vickers de 100 tubos de prueba

(API X65) se utilizaron para derivar la correlación estadística entre fuerza y dureza. En primer lugar, se midieron los datos de dureza en diferentes subzonas de soldadura de metal (es decir, soldadura, ZAC, y el metal base). También se obtuvo el valor de las propiedades de tracción de la soldadura. Las soldaduras se midieron en tiras planas de tracción. El mínimo, máximo, media y estándar desviación de los datos de ensayo se calcula entonces por la variación estadística y la diferencia de valor medio en cada zona de prueba. Todos los datos de prueba fueron descritas por la función de densidad de probabilidad (PDF), y las zonas con la mayor Se determinó la varianza. Se demostró que los datos de dureza se podrían usar para la predicción de resistencia a la fluencia en APIX65 acero con una precisión razonable. La determinación precisa de límite de elasticidad de un tubo en acero API x65 (como una indicación de la resistencia del material al colapso del plástico) es de gran importancia para los ingenieros de tuberías.



3. JUSTIFICACIÓN El presente proyecto se convierte en la principal herramienta para exponer aquellos conocimientos adquiridos en el desarrollo de la carrera de Ingeniería Mecánica; enfocando la investigación en el campo de los tratamientos térmicos, el estudio de los microconstituyentes, microestructuras y propiedades de un material ampliamente utilizado en nuestra área. El análisis de las microestructuras y sus propiedades presentes, se constituye en un campo de estudio que refleja innovación, teniendo en cuenta las características con respecto al tipo de uniones soldadas que se van a trabajar y los tipos de imágenes que se van a realizar; de la misma manera, permite abrir las puertas para generar nuevas investigaciones inclinadas en este ámbito, no solamente en aceros con bajo contenido de carbono sino en otro tipo de materiales metálicos o aceros con diferentes propiedades. Además, las herramientas y equipos que se van a implementar, permiten identificar procesos y morfologías metalográficas, que centran nuestro interés por el análisis que se va a llevar a cabo. De esta circunstancia, nace el hecho de profundizar con respecto a nuevas tecnologías y métodos de observación de microconstituyentes del acero.



4. OBJETIVOS 4.1 Objetivo General Evaluar la variación de la microestructura y su correlación con los valores de microdureza en uniones soldadas por fusión de arco eléctrico en acero SAE 8620. 4.2 Objetivos Específicos

Preparar un conjunto de muestras de acero SAE 8620 soldadas homogéneamente por fusión de arco eléctrico mediante electrodos E6013, tomadas del proyecto: “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620”.

Efectuar ensayos de dureza y microdureza en las uniones soldadas de acero SAE 8620, analizando la manera en que afectan los cambios de la microestructura a los valores de la microdureza y determinando los motivos de su correlación.

Realizar un estudio por medio de un análisis estadístico presentando la relación de la microdureza con los cambios microestructurales en las diferentes zonas de las muestras soldadas, basados en la toma de resultados de los ensayos de dureza y microdureza.

Determinar las causas de aparición y formación de microestructuras en las uniones soldadas de acero SAE 8620, mediante la observación por microscopia óptica y de barrido electrónico.

Identificar la influencia de las variables manejadas en el proceso de soldadura para la aparición de dichas estructuras en las muestras soldadas.



5. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL

5.1 Introducción. En el presente capítulo se pretende abordar la revisión bibliográfica que se construyó tras la investigación referente al acero, las características y propiedades mecánicas del SAE 8620 y las microestructuras resultantes de los tratamientos térmicos llevados a cabo (normalizado, recocido, temple en agua y temple en aceite). A lo largo de este proceso, las muestras soldadas presentan cambios en su microestructura debido al tipo de enfriamiento. Así pues, cada unión presentara una recristalización diferente, reflejada en el crecimiento de grano equiaxial, columnar y/o dendrítico. Dependiendo de la configuración que tome cada pieza se van a presentar las variaciones de la microdureza, que serán evaluadas por medio de un análisis estadístico basado en Índices de Capacidad de Proceso. Las diferencias entre microestructuras serán verificadas a partir de la toma de imágenes guiadas por MEB.

5.2 Aceros. Este proyecto se fundamenta en este material de gran importancia en la ingeniería. Primero debemos diferenciar entre un metal ferroso y uno no ferroso; como su nombre lo indica, depende del contenido de hierro (Fe) en su composición. De aquí, tenemos en cuenta que vamos a trabajar con una aleación o mezcla de un material ferroso. Las aleaciones hierro-carbono (Fe-C) con menos de 1,7 por 100 de carbono son forjables y se denominan aceros; los aceros, además de poderse forjar, se pueden también soldar con más o menos dificultad y la mayoría de ellos pueden templarse, siendo frecuente llamar hierros a los que no se templan por tener poco carbono, si bien lo correcto es llamarlos aceros con el calificativo que les corresponda.2

5.3 Datos Técnicos del Acero SAE 8620.

El material que va a ser objeto de estudio es un acero aleado al cromo-níquel-molibdeno para cementación de aceptable templabilidad. Cementado y templado ofrece una buena dureza superficial y gran tenacidad en el núcleo. Presenta una

2 PARETO, Luis. Fundamentos de Mecánica. Tercera Edición. Ediciones CEAC SA. España, 1985. Página:

458.



dureza uniforme o ausencia de zonas blandas en la capa cementada y baja distorsión después de algún tratamiento térmico. La presencia de níquel y molibdeno juega un papel definitivo en el balance de todas las propiedades que presenta este material y su efecto cobra mayor importancia con el aumento del tamaño de la pieza.3 Los componentes de esta aleación, con los respectivos porcentajes de límites de composición química, se presentan a continuación:

Acero C % Mn % P % S % Si % Ni % Cr % Mo % 8620 0.18-0.23 0.70-0.90 0.040 0.040 0.20-0.35 0.40-0.70 0.40-0.60 0.15-0.25

Tabla 1; Composición Química con porcentajes de análisis típico4.

La curva de templabilidad para este acero es la siguiente:

Ilustración 3; Gráfica de Templabilidad del Acero SAE 8620 (Escala Rockwell C).5

En términos de maquinabilidad, posee una viruta dura y continua. Cuando este material es utilizado en condiciones de normalizado, su mecanizado se incrementa en un 10%, para la mayoría de las operaciones. Aunque es clasificado como un acero HTLA, el contenido de carbono de 0,20% del 8620 lo hace un acero menos susceptible al agrietamiento por soldadura que los aceros de alto contenido de carbono del mismo grupo HTLA tales como 4140 y 4340. Sin embargo, la ASM recomienda que se realice un precalentamiento a una temperatura entre pases de 150 a 200ºC para espesores entre 25 y 50 mm seguido de un alivio de tensiones post soldadura (frecuentemente entre 10 a 40ºC por debajo de la última temperatura de revenido). Inmediatamente después del proceso, la

3 COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS S.A. Ficha Técnica SAE 8620, Acero para cementación de alta

resistencia. 2012. En: Google. Consultado el domingo, 22 de abril de 2012. Versión HTML del archivo: http://www.cga.com.co/index.php?option=com_content&task=view&id=15&Itemid=104

4 AMERICAN SOCIETY FOR METALS, Metal Handbook. Volume: Properties and Selection of Metals. Eighth Edition. Unites States, 1961. Page: 61.

5 Ibídem.



región soldada puede llevarse a la temperatura de alivio de tensiones, con una permanencia de una hora por cada 25 mm de espesor. Una demora entre el proceso de soldadura y el alivio de tensiones puede colocar en riesgo de agrietamiento a la muestra. El acero puede ser soldado fácilmente por procesos de gas o de arco.6 Este material ferroso, se utiliza generalmente para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de pistón, bujes, piñones para cajas de transmisión de automotores, cigüeñales, barras de torsión, cuerpos de válvulas, herramientas manuales, tornillos, tuercas, tornillos sin fin, engranajes para reductores, pasadores, collares de cojinetes, etc.7 En fin, como podemos analizar son demasiados aspectos industriales que abarca el acero SAE 8620.

5.4 Tratamientos Térmicos. Estos procedimientos consisten en calentar la pieza hasta una temperatura determinada y enfriarla a una velocidad adecuada para modificar su estructura, dándole unas características distintas a las que tenía antes del tratamiento. Como se ha mencionado con anterioridad, para el desarrollo del presente proyecto se enfatizará en la ejecución de solamente tres procesos de tratamientos térmicos, los cuales serán descritos a continuación:

5.4.1 Recocido.

Se efectúa calentando la pieza uniformemente dentro de un horno a una temperatura de 25 a 50ºC por encima de la temperatura crítica A3, en los aceros hipoeutectoides (C < 0,89%). Se debe tener precaución para no sobrepasarse de dichas temperaturas, porque se pueden obtener granos demasiado grandes, perdiendo tenacidad y pudiendo llegar a quemar el acero. Las piezas se mantienen a la temperatura debida sólo el tiempo necesario para que el material adquiera una temperatura uniforme, puesto que, al prolongarse innecesariamente la operación, se producen unos efectos parecidos al recalentamiento. Transcurrido el tiempo de calentamiento se deja enfriar al aire para aquellos aceros de bajo contenido de carbono, como el que será implementado en nuestra investigación.

6 COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS S.A. Ficha Técnica SAE 8620, Acero para cementación de alta

resistencia. 2012. En: Google. Consultado el domingo, 22 de abril de 2012. Versión HTML del archivo: http://www.cga.com.co/index.php?option=com_content&task=view&id=15&Itemid=104

7 Ibídem.



Los efectos del recocido son: la eliminación de tensiones interiores y de la acritud de las piezas sometidas a tratamiento mecánico, la regeneración de los aceros recalentados (los quemados no pueden regenerarse), la eliminación de los efectos del temple y la obtención de la estructura adecuada para los tratamientos posteriores.8

5.4.2 Normalizado. Es un recocido a una temperatura algo más elevada y enfriado al aire, que se efectúa generalmente en los aceros para darles una estructura de grano fino y uniforme y mejorar sus propiedades mecánicas.9

5.4.3 Temple. Consiste en calentar el material un poco por encima de la temperatura crítica A3 (911ºC), mantenerla el tiempo necesario y preciso para que sea uniforme en toda la pieza y enfriarla rápida y uniformemente en agua, aceite o cualquier líquido que reúna las condiciones necesarias para enfriarlo en el tiempo preciso. En los aceros hipoeutectoides, debemos tener cuidado, ya que al calentarse por encima de los 911ºC se obtiene una solución solida llamada austenita, que al enfriarse rápidamente se transforma en martensita, que es una estructura de cristales en forma de lanza, que es muy dura, no teniendo tiempo de formarse los cristales de ferrita (muy blandos) ni la perlita; junto con la martensita aparecen cristales de austenita que no han tenido tiempo de transformarse, y de troostita que es la transformación que sufre la martensita cuando se enfría demasiado lentamente. Otro grado de transformación de la austenita, antes de convertirse en perlita, es la sorbita que parece en los recocidos que se enfrían demasiado rápidamente. La escala de dureza de las distintas estructuras cristalinas del acero es la siguiente, de mayor a menor: cementita, martensita, austenita, troostita, sorbita, perlita y ferrita, por lo que con el temple el acero pasa de una


460. 9 Ibídem.



estructura menos dura a otra de mayor dureza, aumentando su carga de rotura y su límite elástico, en tanto que disminuye su alargamiento, estricción y resiliencia.10

5.5 Proceso de solidificación en metales. La gran mayoría de metales para poder generar productos requieren de un proceso de extracción (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un molde en el cual este se enfría y solidifica. Este proceso de solidifican es diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleación, como será explicado más adelante. En la solidificación de un material existe una etapa llamada nucleación (formación de núcleos en el metal líquido). Este tipo de nucleación puede ser homogénea o heterogénea. 5.5.1 Nucleación Homogénea. Consiste en que el metal líquido fundido proporciona por sí mismo los átomos para formar núcleos. Este proceso se divide como se muestra en la Ilustración 4.

Ilustración 4, Nucleación Homogénea Ilustración. 11

Generación de núcleos: Es la agrupación de átomos a partir de pequeños movimientos de estos.


460. 11 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones

en Materiales. Capitulo 2.5.6.



Generación de cristales: En este paso algunos núcleos se generan y se disuelven mientras exista suficiente líquido, otros continúan creciendo hasta formar los cristales.

Creación de límites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento, algunos núcleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los cuales crearan una frontera llamada límite de grano.

5.5.2 Nucleación heterogénea.

Este tipo de nucleación se produce en el metal líquido sobre las paredes del molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta nucleación difiere si el caso es un metal puro o una aleación. El proceso de solidificación de un metal puro se caracteriza porque solidifica a temperatura constante (Tm), estos puntos son conocidos por medio de tablas. El proceso que ocurre en el molde se muestra en la siguiente figura.

Ilustración 5; Nucleación Heterogénea Ilustración12

Generación de una capa delgada producto del rápido enfriamiento en las paredes al vaciar el líquido en el molde.

El espesor de esta película aumenta generándose una costra En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, fino

orientado aleatoriamente producto del rápido enfriamiento.

Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res,

debido a que se enfrían perpendiculares a la costra y las paredes del molde,

este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrítico.

12 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones

en Materiales. Capitulo 2.5.6.



Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura única de solidificación sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleación y composición particular. El proceso que se ilustra en la figura consiste en:

Ilustración 6; Granos y Zona Blanda.13

Al igual que el metal puro se vierte el material fundido y se forma una capa fina.

Luego se forma granos columnares o dendritas como en el metal puro, similar al paso del metal puro.

Como es una aleación y por lo tanto dos puntos de fusión de los elementos de la aleación diferentes, se genera una zona donde existe sólido con islas de líquido (zona blanda). Esta zona puede ser ancha o angosta en la aleación por las siguientes razones: 1) Diferencia alta de temperatura entre líquidos y solido 2) Lenta transferencia de calor del metal fundido hacia fuera del molde.

5.6 Tamaño de Grano.

El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano. En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad,

13 Ibídem.

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos901/evolucion-historica-concepciones-tiempo/evolucion-historica-concepciones-tiempo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/coma/coma.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/contrest/contrest.shtml



la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío. Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.

5.6.1 Clasificación de los Tamaños de Grano.

Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura presentada a continuación es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.

Ilustración 7; Carta con Tamaño Real de Granos.14


en materiales. Capitulo 2.5.6.

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

http://www.monografias.com/trabajos34/el-trabajo/el-trabajo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/metods/metods.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/comer/comer.shtml



5.6.2 Crecimiento dendrítico.

Las dendritas por lo general se forman en aleaciones multifase. Para que se produzcan es preciso que el metal fundido se sobreenfríe por debajo del punto de solidificación del metal. Por el contrario, si los ritmos de enfriamiento son lentos, el frente de solidificación será plano y estable. Pero a ritmos de enfriamientos más rápidos, la solidificación puede realizarse en forma tan rápida que la concentración de la aleación en el frente de solidificación será distinta de la concentración promedio en el sistema. Este aumento de la concentración origina un punto de fusión más elevado que impide la solidificación en proximidades del frente. La solidificación también libera energía, lo cual se opone a la solidificación. A una pequeña distancia del frente de solidificación, la concentración es más favorable al proceso de solidificación además de que la temperatura es menor. Esto aumenta la velocidad de solidificación en los puntos más prominentes, lo que produce la formación de la dendrita. Es de destacar que una interfase curva es menos favorable desde un punto de vista energético, por lo tanto las dendritas en este caso serán mucho menos agudas.

5.6.3 Granos Equiaxiales.

Si las condiciones de nucleación y crecimiento en el metal líquido durante la solidificación son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, se obtendrán granos equiaxiales. Los granos equiaxiales se encuentran normalmente junto a la pared del molde frío, como se muestra en la figura. Un gran enfriamiento cerca de la pared crea una elevada concentración de núcleos durante la solidificación, una condición necesaria para producir una estructura de granos equiaxiales.

5.6.4 Granos columnares.

La zona columnar contiene granos alargados, orientados en una dirección cristalográfica particular. Conforme el material del molde extrae calor de la fundición, los granos de la zona fría crecen en dirección opuesta al flujo de calor o desde las áreas más frías de la pieza a las más calientes. Esta tendencia por lo general significa que los granos crecerán perpendicularmente a la pared del molde.

https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Aleaciones_multifase&action=edit&redlink=1

https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sobreenfriamiento&action=edit&redlink=1

https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_solidificaci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_solidificaci%C3%B3n



Ilustración 8; Granos Equiaxiales y Columnares.15

5.7 Microscopio Electrónico de Barrido (MEB). Debido a que esta máquina va a tener un papel importante en la presentación de los resultados, decidimos investigar acerca de su funcionamiento y aspectos técnicos del microscopio a utilizar.

5.7.1 Aspectos generales de la Máquina. El Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) hace parte de los equipos interfacultades de la Universidad de los Andes, hoy en día. Uno de los laboratorios, posee un microscopio JEOL, modelo JSM 6490-LV de última generación, que opera en los modos de alto y bajo vacío; al mismo tiempo, adquiere cuatro detectores que permiten la obtención de imágenes de electrones secundarios (tridimensionales), imágenes de electrones retrodispersados (topográficas, composicionales y de sombra) e imágenes de mapas de puntos EDS (mapping).16

5.7.2 Definición. Prácticamente, la microscopía electrónica de barrido es una técnica de análisis superficial, que consiste en enfocar sobre una muestra electrodensa (opaca a los electrones) un fino haz de electrones acelerado con energías de excitación desde 0.1kV hasta 30kV.


en materiales. Capitulo 2.5.6. 16 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Vicerrectoría de Investigaciones. Microscopio Electrónico de Barrido –

MEB; Introducción. 2013. En: Google. Consultado el viernes 19 de Abril de 2013. Versión HTML del archivo: http://investigaciones.uniandes.edu.co/index.php/es/centro-de-microscopia/microscopio-electronico-de-barrido-meb



Aquel haz de electrones tiene un movimiento sobre la capa superficial de la muestra, realizando un barrido de trayectoria paralela. La variación morfológica de la muestra entrega diversas señales (electrones secundarios, electrones retrodispersados, emisión de rayos X, etc.), que son recogidas por distintos detectores; los cuales permiten la observación, caracterización y microanálisis superficial de materiales.17

5.7.3 Funcionamiento. Un MEB funciona con un haz de electrones producido por una fuente de electrones, que puede ser ejecutada en dos métodos:

Cañón termoiónico (filamento de tungsteno o de hexaboruro de lantano). Cañón de emisión de campo FEG (Field Emission Gun).

Al cañón se le aplica un potencial eléctrico que acelera el haz de electrones hacia una columna y éste es focalizado por medio de lentes electromagnéticas sobre la muestra. Los electrones chocan e interactúan con la muestra produciendo varias señales que podrán ser recogidas de acuerdo a los detectores presentes. Conviene mencionar, que las señales producidas están relacionadas entre sí y dependen en gran medida de la topografía, el número atómico y el estado químico de la muestra. Ahora, la amplificación de la imagen se produce por un conjunto de lentes electromagnéticas que mediante un tratamiento adecuado de las señales electrónicas son proyectadas en un tubo de rayos catódicos (CRT). 18

17 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Vicerrectoría de Investigaciones. Descripción de la Técnica MEB. 2013.

En: Google. Consultado el viernes 19 de Abril de 2013. Versión HTML del archivo: http://investigaciones.uniandes.edu.co/index.php/es/centro-de-microscopia/microscopio-electronico-de-barrido-meb/descripcion-de-la-tecnica-meb

18 Ibídem.



6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

6.1 Preparación de las Uniones Soldadas. Para realizar este estudio se tomaron las uniones soldadas del Proyecto de Grado “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620”, donde encontramos cinco muestras con diversas características debido a que cuatro de ellas fueron sometidas a diferentes tratamientos térmicos y la última muestra solamente recibió el proceso de soldeo con un enfriamiento a temperatura ambiente. Así pues vamos a denominar las probetas de la siguiente manera:

Recocido. Normalizado. Temple en agua. Temple en aceite. Entrega.

Es necesario recalcar que las cuatro primeras muestras alcanzaron una temperatura de 850°C dentro de la mufla para posteriormente llevar a cabo cada uno de los enfriamientos.19

Ilustración 9; Estado inicial de las Uniones Soldadas.

Debido a que en el Proyecto de Grado “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620” la única prueba que se requería efectuar era la toma de imágenes guiadas por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico, no fue necesario rectificar cada una de las caras de las muestras (Ver Ilustración 9).

19 MARTÍNEZ, Jaime. Identificación de diferentes tipos de Ferrita Proeutectoide en Uniones Soldadas de SAE 8620. 2014 En: Biblioteca, Facultad Tecnológica, Universidad Distrital. Consultado el jueves, 26 de noviembre de 2015.



6.2 Corte y Rectificado. Por el contrario, para el presente análisis fue necesario ejecutar ensayos de dureza y microdureza, los cuales exigían que el plano inferior de la muestra estuviera totalmente paralelo con respecto al plano superior de la misma. Hecha esta salvedad, se llevó cada una de las muestras a un proceso de corte y rectificado en los Laboratorios de la Facultad Tecnológica, garantizando que la medición del identador estuviera correcta y evitando la creación de valores erróneos. De manera puntual se utilizaron los siguientes equipos:

Cortadora Abrasiva Manual, Metkon Metacut 250.20 Rectificadora, PFG-2550AH.

Por consiguiente, las uniones soldadas cuentan con las siguientes dimensiones finales:

Altura: 15mm Longitud: 50mm Ancho: 25mm Angulo de inclinación (Biselado): 32º

6.3 Preparación Metalográfica. Para llevar a cabo la toma de imágenes guiadas por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico fue necesario someter las muestras a todo el proceso de lijado y pulido para alcanzar brillo espejo en cada una de las uniones soldadas. Llegando a este punto, se realizó el ataque químico con la aplicación de Nital (Alcohol Etílico + Ácido Nítrico en un 3%).

6.4 Observación Microscópica. Se planteó la toma de imágenes guiadas por microscopio electrónico de barrido y microscopio óptico. Las imágenes tomadas con el MEB fueron obtenidas en la Universidad Nacional de Colombia por medio del equipo QUANTA 200-r, marca:

20 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Laboratorio de

Tratamientos Térmicos y Preparación de Probetas. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://rita.udistrital.edu.co:23604/Documentos/Fichas_tecnicas/tratamientos_termicos/FT-TT01.pdf



FEI21, por seguridad del microscopio se solicitó la reducción de peso de las muestras ya que el equipo podía sufrir averías en la cámara de vacío. Se registraron imágenes con aumentos de 1000x, 2000x y 5000x. Se debe agregar que se llevó a cabo la observación con el microscopio óptico AXIO OBSERVER D1M perteneciente a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.22 Es necesario recalcar que se registraron imágenes con aumentos de 500x, 1000x y 1600x.

6.5 Ensayo de Microdureza. Este ensayo se efectuó en el microdurómetro SHIMADZU HMV-223, bajo la norma ASTM E-384, la cual estipula que se deben tomar cinco datos de dureza si el material es homogéneo y en caso de no serlo se deben registrar 10 datos. Para este ensayo se tomaron 30 datos tal como se muestra en la Ilustración 10, determinándose la dureza por medio de la media aritmética de los valores obtenidos.

Ilustración 10; Esquema del Ensayo de Microdureza desarrollado.

6.6 Ensayo de Dureza. El ensayo de dureza Vickers se llevó a cabo en el durómetro GNEHM SWISS ROCK24 bajo la norma ASTM A-956 o E-18, la cual estipula que se deben tomar cinco valores de dureza cuando el material es homogéneo, y se deben registrar diez

21 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Laboratorios de Microscopía. Sistema de Información de Laboratorios de Bogotá. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de Octubre de 2016. Versión HTML del vínculo: http://www.laboratorios.bogota.unal.edu.co/vercontenido.php?idc=37

22 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Laboratorio de Metalografía. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://rita.udistrital.edu.co:23604/Documentos/Fichas_tecnicas/metalografia/FT-M03.pdf

23 Ibídem. 24 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Laboratorio de

Metalografía. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://rita.udistrital.edu.co:23604/Documentos/Fichas_tecnicas/metalografia/FT-M01.pdf

http://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos/?p=134







datos en caso de ser un material heterogéneo. Para este ensayo se obtuvieron 18 valores tal como se observa en la Ilustración 11, estipulando la dureza por medio de la media aritmética de los valores adquiridos. Este procedimiento fue necesario para ratificar los valores conseguidos en el ensayo anterior.

Ilustración 11; Esquema del Ensayo de Dureza desarrollado.

Cabe resaltar que cada una de las cinco uniones soldadas se encuentra divididas en tres diversas regiones de análisis, denominadas de la siguiente manera:

MA: Material de Aporte. ZAC: Zona afectada por el Calor. MB: Material Base.

Así pues se determinó la dureza y microdureza de cada sección o región para cada una de las muestras. Tal como lo presenta la Ilustración 12 donde gracias al ataque químico se logra divisar el límite entre la soldadura (material de aporte) y el acero (material base).

Ilustración 12; Presentación Final para cada Unión Soldada.



6.5 Definición de Variables Estadísticas. Para el estudio de la correlación estadística se implementaron dos tipos de variables independientes con el fin de relacionar la microdureza y la microestructura de las uniones soldadas. Con esto en mente, se utilizaron las variables mencionadas a continuación:

Tamaño de Grano: Logrando un conjunto de valores de diámetros promedio, teniendo en cuenta la norma ASTM E112.

Fracción Volumétrica de Fase: Adquiriendo una serie de porcentajes basados en la norma ASTM E562-02.

De esta manera, vamos a obtener una Correlación Estadística fundamentada en la microestructura (a partir del tamaño de grano y fraccion volumétrica de fase) y los datos obtenidos tras los ensayos de microdureza, tal como se representa en la Ilustración 13.

Ilustración 13, Definición de Variables para la Correlación Estadística. Realizada por los Autores.

Correlación Estadística

Microestructura

Tamaño de Grano

Fracción Volumétrica de

Fase

Microdureza



6.6 Designación de Variables para la Microestructura en las cinco probetas.

Como se cuenta con cinco uniones soldadas, se decide practicar los analisis de Tamaño Grano en unas y la Fracción Volumetrica de Fase en otras. Cabe resaltar que estos dos parámetros se distribuyeron de la siguiente forma para cada una de las muestras:

TAMAÑO DE GRANO

FRACCIÓN DE VOLUMEN DE FASE

RECOCIDO ENTREGA NORMALIZADO TEMPLE EN ACEITE

TEMPLE EN AGUA TEMPLE EN AGUA Tabla 2; Distribución de Variables para cada Muestra.

Una de las razones por la cual se agruparon las muestras como se presenta en la Tabla 2, fue la dificultad que se evidenció al momento de realizar la toma de medida del tamaño de grano en las micrografías de las muestras con temples, debido a queen la mayoria de micrografías presentaban granos con una morfologia triangular y alargada, es decir, una microestructura que no facilitaba el registro de valores planteados en la norma ASTM E112. Adicionalmente, en la Muestra de Temple en Agua, se quizo tener un punto comparativo de la correlación de la microestructura, ejecutando ambos analisis.



7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

7.1 Unión Soldada – Recocido. 7.1.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión de Recocido. Como se aprecia en la Tabla 3, se exponen cada uno de los datos que se tomaron en el microdurómetro para las diversas zonas de la probeta.

DATOS EN LA UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO (HV) Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

141

211

157 143 225 174 170 226 194 170 246 196 171 280 201 171 Promedio 238 202 179 Desviación 27 205 180

206 182 224 194 225 197 245

Promedio 173 276 Desviación 18 276

Promedio 214

Desviación 35 Tabla 3; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión de Recocido para cada una de las regiones de

estudio.

7.1.2 Calculo del FDP para cada valor de microdureza en la Unión de Recocido. Una vez agrupados los datos de microdureza, se procede a calcular la Función de Densidad de Probabilidad para cada uno de los valores obtenidos en el ensayo. Teniendo en cuenta lo expresado en el Literal 7.1, vamos a ejecutar el mismo calculo de una distribución normal de probabilidad para cada una de las zonas de las cinco uniones soldadas. Para el caso del recocido tenemos los porcentajes de Densidad de Probalidad expresados en la Tabla 4, adicionalemente se muestran las demas uniones soldadas para hacer una facil comparación.



REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO

Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

HV FDP

%

HV FDP %

HV FDP % 141 0,46% 211 1,30% 157 0,30% 143 0,56% 225 1,40% 174 0,60% 170 2,23% 226 1,40% 194 1,00% 170 2,23% 246 0,40% 196 1,00% 171 2,25% 280 1,50% 201 1,10% 171 2,25% Promedio 238

202 1,10% 179 2,11% Desviación 27 205 1,10% 180 2,06%

206 1,10% 182 1,95% 224 1,10% 194 1,08% 225 1,10% 197 0,87% 245 0,80%

Promedio 173

276 0,20% Desviación 18 Promedio 209

Desviación 31 REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE

TEMPLE EN AGUA Material Aporte Zona afectada por el Calor Material Base

HV FDP

%

HV FDP %

HV FDP % 287 0,28% 403 0,13% 567 0,07% 288 0,28% 420 0,14% 598 0,08% 296 0,30% 457 0,15% 649 0,09% 299 0,30% 685 0,19% 716 0,10% 312 0,33% 797 0,12% 747 0,11% 329 0,35% 804 0,11% 764 0,11% 341 0,36% Promedio 594

800 0,11% 357 0,37% Desviación 189 840 0,12% 380 0,38%

914 0,12% 390 0,37% 971 0,12% 527 0,12% 979 0,12% 630 0,02% 1055 0,11%

Promedio 370

1078 0,11% Desviación 106 1173 0,09%

1897 0,00% Promedio 917

Desviación 326



REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE NORMALIZADO

Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

HV FDP

%

HV FDP %

HV FDP % 154 1,30% 208 0,42% 161 0,24% 155 1,30% 227 0,69% 173 0,39% 162 1,90% 230 0,73% 198 0,79% 164 2,00% 256 0,97% 211 0,95% 170 2,30% 269 0,96% 211 0,95% 171 2,30% 278 0,90% 214 0,98% 172 2,30% 286 0,82% 215 0,99% 179 2,20% 336 0,18% 215 0,99% 196 0,90% Promedio 261

219 1,02% 207 0,30% Desviación 41 242 0,96%

Promedio 173

245 0,93% Desviación 17 246 0,92%

268 0,58% 274 0,49% 309 0,10%

Promedio 227 Desviación 38

REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE ENTREGA


HV FDP

%

HV FDP %

HV FDP % 138 0,34% 185 1,03% 142 0,45% 153 0,79% 188 1,46% 156 0,59% 154 0,82% 189 1,50% 165 0,67% 163 1,14% 193 1,63% 174 0,73% 167 1,27% 202 1,77% 174 0,73% 172 1,40% 207 1,72% 220 0,71% 175 1,47% 250 0,18% 258 0,36% 178 1,51% Promedio 202

275 0,22% 179 1,52% Desviación 23 Promedio 195,5

189 1,50%

Desviación 49 194 1,40%

199 1,27% 200 1,24% 217 0,65% 219 0,59% 231 0,28%




REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN ACEITE


HV FDP

%

HV FDP %

HV FDP % 135 0,45% 215 0,52% 196 0,42% 135 0,45% 227 0,72% 202 0,61% 155 0,69% 261 1,22% 208 0,83% 155 0,69% 268 1,17% 224 1,44% 162 0,76% 271 1,13% 224 1,44% 162 0,76% 305 0,43% 228 1,54% 163 0,77% Promedio 258

229 1,56% 163 0,77% Desviación 33 230 1,58% 165 0,79%

235 1,63% 165 0,79% 236 1,64% 170 0,83% 241 1,61% 170 0,83% 246 1,51% 177 0,87% 267 0,74% 177 0,87% 269 0,67% 184 0,89% 269 0,67% 184 0,89% 277 0,41% 205 0,83% Promedio 236

208 0,80% Desviación 24 255 0,28%

269 0,17% 280 0,10% 284 0,09%


Tabla 4; Relación de Datos de Microdureza y Función de Densidad de Probabilidad.

Así pues, en este estudio la ecuacion de FDP permite evaluar cada valor de microdureza de las muestras ademas de construir la curva de distribución normal gaussiana. En esta sección se explica detalladamente el cálculo del FDP para cada valor de microdureza en la unión soldada de Recocido en la zona de material de aporte, la construcción de la curva de la distribución gaussiana y los porcentajes de probabilidad de repetibilidad que se presentan en el área bajo la curva. 7.1.2.1 Cálculo del FDP. El porcentaje de Densidad de Probabilidad o FDP se calcula de la siguiente manera:



Para calcular el FDP en este documento se utilizo el calculo analítico de la función FDP y el uso del software Microsoft Excel 2013. A continuación se muestra cómo se realiza el cálculo y una comparación entre las dos opciones para calcular el FDP. 7.1.2.2 Cálculo del Método Analítico del FDP. El cálculo analítico se realiza utilizando la ecuacion fdp (Ecuación 1). Para realizar este procedimiento es necesario conocer la desviacion estandar, media aritmética y el valor de la microdureza. Para cada dato del ensayo de microdureza se va a contar con un porcentaje de FDP. En este caso se utilizan los datos de microdureza de la unión soldada de Recocido en la zona de material de aporte. Como primer paso se calcula la media aritmetica de toda la muestra de datos de la siguiente manera:

𝑚 = 141+143+170+170+171+171+179+180+182+194+197

11= 172,5

Una vez calculado la media aritmética se calcula la desviación estandar como a continuación se muestra. Se utiliza el software Microsoft Excel usando la función DESVEST.M (), la cual da como resultado 17,69 unidades cuantitativas. Para calcular el FDP de cada dato de microdureza, se utiliza la Ecuacion 1 y se lleva a cabo el siguiente procedimiento: Ecuación de densidad de probabilidad:

[Ecuación 1] Donde:

SD: Desviación estándar. m: Media Aritmética. X: Valor de microdureza

En primera instancia se remplazan los valores de media aritmética, desviación estandar y valor de microdureza para luego proceder a calcular el resultado tal como se muestra a continuacion.



𝑓(𝑥) = 1

17,69√(2 ∗ 𝜋)𝑒𝑥𝑝 [−

1

2∗ (

141 − 172,5

17,694)

2

]

𝑓(𝑥) = 1

17,69√(2 ∗ 𝜋)𝑒𝑥𝑝[−0,5 ∗ (−1.78)2]

𝑓(𝑥) = 0,46%

Realizando este procedimiento para todos los valores de microdureza de la unión soldada de recocido en la zona de material de aporte se obtienen los siguientes resultados:

Recocido material

de aporte

HV FDP%

141 0,46% 143 0,56% 170 2,23% 170 2,23% 171 2,25% 171 2,25% 179 2,11% 180 2,06% 182 1,95% 194 1,08% 197 0,87%

Media Aritmética 172,5

Desviación 17,69 Tabla 5, Método analítico de FDP para datos de Microdureza en el MA. Unión Soldada de Recocido.

7.1.2.3 Cálculo por medio del Software Microsoft Excel del FDP. Para calcular el FDP de cada valor de microdureza por medio del software Microsoft Excel se requiere conocer la media aritmetica de los valores de microdureza y la desviacion estandar con estos datos se utiliza la siguiente función:

=DISTR.NORM(x;media;desv_estándar;acum)

En donde:

X = valor de la microdureza. Media = media aritmetica. Desv_estándar = desviaion estandar



Acum= Cabe resaltar que acum es un recuadro de selección que da la opción de elegir entre distribucion normal acumulativa, o no acumulativa en este recuadro de selección se elige FALSO.

Los valores obtenidos por medio del uso del software microsoft excel asi como su comparacion con los valores obtenidos de PDF analiticamente se presentan a continuacion.

i x PDF Analítico PDF Excel

1 141 0,460% 0,460%

2 143 0,559% 0,559%

3 170 2,231% 2,231%

3 170 2,231% 2,231%

4 171 2,246% 2,246%

5 171 2,246% 2,246%

6 179 2,110% 2,110%

7 180 2,063% 2,063%

8 182 1,955% 1,955%

9 194 1,081% 1,081%

10 197 0,868% 0,868%

suma 1898

promedio 172,5

desviación 17,694 Tabla 6; Comparación entre método Analítico y con el uso de Software, para el cálculo de la Función de

Densidad de Probabilidad.

Como se puede observar en la tabla no existe ninguna diferencia sustancial entre usar el calculo analitico o el calculo por medio del software excel,pero la unica desventaja de usar el metodo analitico consiste en que es bastante dispendioso y requiere de mayor tiempo al momento de efectuar los calculos . Por este motivo en el analisis de todos los dato obtenidos experimentalmente en este documento se utiliza la opcion de llevar a cavo los calculos por medio de uso de microsoft excel. Cave resaltar que el metodo analitico tambien se puede llevar a cavo por medio del software con el uso de la siguiente expresion.

=(1/(DS*RAIZ(2*PI())))*(EXP(-0,5*((X-m)/DS)^2)). 7.1.2.4 Construcción de la curva de distribución normal gaussiana. Realizar la curva de distribución gaussiana es muy importante para comprender el comportamiento de los valores de microdureza y su porcentaje de repetibilidad en



una posterior toma de datos, ya que esta gráfica permite observar el area bajo la curva de la densidad de probabilidad de cada valor de microdureza. A continuación se muestra la grafica de la curva de distribucion normal gaussina de la union soldada de recocido en la zona del material de aporte y la forma en que se realiza.

Gráfica 1; Curva de Distribución Normal Gaussiana para la Unión Soldad de Recocido en la región de Material

de Aporte. Realizada por los Autores.

Como se observa en la grafica los valores de FDP obtenidos con anterioridad de la unión soldada recocido en la zona de material de aporte se muestran en las ordenadas (eje y) y los valores de microdureza obtenidos experimentalmente se muestran en el eje de las abscisas (eje x). Para realizar la Grafica 1, se utiliza el software Microsoft Excel 2013 de la siguiente manera:



Ilustración 14, Proceso de Elaboración de la curva de distribución gaussiana en Microsoft Excel. Realizada por

los autores.

Como se muestra en la Ilustración 14, para realizar el gráfico se requieren los valores de la microdureza y el FDP calculado para cada valor de microdureza, ademas de la media aritmetica y la desviacion estandar. Una vez obtenidos estos valores en Excel se procede a seleccionar la pestaña INSERTAR, Gráficos, Gráficos de Dispersión y Dispersión con Líneas Suavizadas. Paso siguiente se seleciona el ícono Cambiar Tipo de Gráfico para finalmente elegir Gráfica de Área. Siguiendo paso a paso estas indicaciones se obtiene una gráfica con resultados muy similares a los de la imagen anterior. 7.1.2.5 Porcentajes de Probabilidad. Para obtener los porcentajes de probabilidad de repetiilidad es necesario integrar la funcion FDP, para obtener el area bajo la curva pero devido a que esta integral no cuenta con una solución analítica se decide analizar los porcentajes de probabilidad tipificando.A continuación se muestra la tipificación donde se aclaran los porcentajes de probabilidad para la unión soldada recocido en la zona del mateial de aporte.

𝑍 = 𝑥 − 𝜇

𝜎

Donde: X=Valor de Microdureza. µ=Media Aritmética. 𝜎=Desviación Estandar.



Es de vital importancia comprender que 𝜎 se representara en la grafica tal como e percibe en la Tabla 7.

1 𝜎 172,5+17,694=190,194 2 𝜎 190,194+17,694=207.888 3 𝜎 207,888+17,694=225.582 -1 𝜎 172,5-17,694=154.806 -2 𝜎 154.806-17,694=137,112 -3 𝜎 137,112-17,694=119,418

Tabla 7; Descripción del dominio para la Desviación Estándar.

Con los datos de 𝜎 se procede a calcular Z y posteriormente a tipificar para conocer el pocentaje de probabilidad de repetibidad.

𝑍1 =

190,194−172,5

17,694= 1 según tabla Z=1 corresponde a 0,3413 = 34,13% de

repetibilidad 𝑍2 =

207,888−172,5

17,694= 2 según tabla Z=2 correponde a 0,4772 = 47,72% a este

porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=1 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de 1 𝜎 a 2 𝜎; de esta manera el porcentaje de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 47,72% - 34,13% = 13,59% de repetibilidad. 𝑍3 =

225,582−172,5

17,694= 3 según tabla Z=3 correponde a 0,4987 = 49,87% a este

porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=2 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de 2 𝜎 a 3 𝜎; de esta manera el porcentaje de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 49,87% - 47,72%= 2,15% de repetibilidad. Debido a que la distribucion gaussiana normal es simétrica, el comportamiento de la curva debe ser igual en ambos lados del eje y, por esta razón al tipificar el valor de Z=-1 se toma como positivo 𝑍−1 =

154,806−172,5

17,694= −1 según tabla Z=1 corresponde a 0,3413 = 34,13% de

repetibilidad 𝑍−2 =

137,112−172,5

17,694= −2 según tabla Z=2 correponde a 0,4772 = 47,72% a este

porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=1 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de -1 𝜎 a -2 𝜎 de esta manera el porcentaje



de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 47,72% - 34,13% = 13,59% de repetibilidad. 𝑍−3 =

119,418−172,5

17,694= −3 según tabla Z=3 correponde a 0,4987 = 49,87% a este

porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=2 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de -2 𝜎 a -3 𝜎; de esta manera el porcentaje de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 49,87% - 47,72%= 2,15% de repetibilidad.

Como se puede observar en los resultados de porcentaje de repeibilidad y en la grafica de distriucion normal gaussiana se puede concluir que los datos que tienen mayor porcentaje de repetibilidad son los que se encuentren en el intervalo de 154,806Hv y 190,194HV. De igual manera se puede concluir que los datos ubicados a los extremos de la campana tendrán el menor porcentaje de repetibilidad a lo largo de la curva, por esta razón, dichos datos seran rechazados. Cabe resaltar que este mismo procedimiento se llevo a cavo para absolutamente todas las zonas de todas las uniones soldadas, pero solo se muestra en detalle para la unión soldada de recocido en la zona del material de aporte.



Tabla 8; Conjunto de Datos para Tipificación de Valores en la Distribución Normal Gaussiana.25

7.1.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Recocido. Como se espuso con anterioridad en el Literal 6.6, esta muestra soldada va a ser analizada a partir del tamaño de grano, presente en las micrografias capturadas. En la Ilustración 15 se expone la manera como se llevó a cabo la medición del tamaño de grano, haciendo uso de la Norma ASTM E112 en las muestras de recocido, normalizado y temple en Agua.

25 WEBSTER, Allen. Estadística Aplicada a los Negocios y la Economía. Tercera Edición. Apéndice Tres. Tablas

Estadísticas. Distribución Normal. Pág. 605.



Ilustración 15; Micrografía Óptica a 1600x de la Región MA. Unión Soldada Recocido. Nital 3%.

Representación de Triángulo Rectángulo para el cálculo de Tamaño de Grano.

Para el proceso de Tamaño de Grano se toma la micrografía con el aumento deseado, en este caso se utiliza una micrografia optica a 1600x de la unión soldada de recocido en la zona del material de aporte. A continuación se describe el proceso paso a paso para determinar el tamaño de grano.

1. Se establece la relación entre la escala de referencia perteneciente a la micrografía, seguido a esto se toma la medida real en cm. Para este caso la dimensión es de 4,4cm.

Ilustración 16; Representación de la escala en la micrografía y toma de dimensión real en cm.

2. Teniendo en cuenta que el aumento es de 1600µ, se hace la relación por

medio de una regla de tres, manejada de la siguiente manera: Si 20 µ equivalen en la impresión de la micrografía a 4,4 cm; las 1600 µ equivaldrán a 352cm



3. Una vez obtenido el valor de la relación se procede a trazar 3 rectas sobre la micrografía tal como se muestra en la imagen. Cada una de las tres rectas se pueden interpretar como una hipotenusa de un triángulo rectángulo. Seguido a esto, se deben proyectar los catetos para conformar cada figura. Luego se toma la medida real en cm de cada cateto trazado. Una vez se toma la medida de la hipotenusa en cm se convierte esta medida en µ con ayuda de la siguiente relacion.

𝒉𝝁 =𝒉𝒄𝒎 ∗ 𝑿

𝟑𝟓𝟐𝒄𝒎

𝒉𝝁 =𝟏𝟔. 𝟗 ∗ 𝟏𝟔𝟎𝟎

𝟑𝟓𝟐𝒄𝒎= 𝟕𝟔. 𝟖𝒎𝒎

Estos datos se consignan en la siguiente tabla resumen.

Recta normalizado material

aporte 1600x

Granos Alto [cm]

Largo [cm] Hipotenusa [cm]

Hipotenusa [mm]

D_prom [mm] G

Recta 1 6 4 16,4 16,9 76,7 0,012788453 9

Recta 2 10 16 17,9 24.0 109,1 0,010912973 10

Recta 3 11 15 21,4 26,1 118,8 0,010798968 10 Tabla 9; Resumen de Datos para el análisis de tamaño de Grano en la muestra de Recocido en el MA.

4. Con la hipotenusa en µ se procede a calcular el diametro promedio de cada

uno de los granos, es decir, que se ejecuta un conteo de los granos que son interceptados por esta linea trazada en la micrografía. Para calcular el diametro promedio se implementa la siguiente expresión:



𝑫𝒑𝒓𝒐 =𝒉𝝁

𝑵𝑮𝑰 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎

𝑫𝒑𝒓𝒐 =𝟕𝟔. 𝟖

𝑵𝑮𝑰 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎 =

𝟕𝟔. 𝟖

𝟔 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎= 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟐𝟖𝒎𝒎

5. Por ultimo se obtiene el tamaño de grano para la micrografía utilizando el diametro promedio e implementando la siguiente ecuación:

𝑮 = −𝟑, 𝟐𝟖𝟕𝟕 − 𝟔, 𝟔𝟒𝟑𝟗 ∗ 𝑳𝒐𝒈(𝑫𝒑𝒓𝒐 )

𝑮 = −𝟑, 𝟐𝟖𝟕𝟕 − 𝟔, 𝟔𝟒𝟑𝟗 ∗ 𝑳𝒐𝒈(𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟐𝟖)

𝑮 = 𝟗. 𝟐𝟗

Es importante aclarar que este procedimiento se realiza de igual manera en las uniones soldadas de recocido, normalizado y temple en agua. 7.1.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Recocido. Una vez contamos con los datos de microdureza y tamaño de grano procedemos a utilizar una relacion de minimos cuadrados con una tendencia lineal, esto con el objetivo de vicular las variables de microestructura y microdureza; el conjunto de valores para todas las uniones soldadas las presentamos en la Tabla 5; de tal manera que se puedan comparar valores entre uniones soldadas con una mayor facilidad.



CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO

Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base Tamaño de grano (u)

Microdureza (HV )

Tamaño de grano (u)

Microdureza (HV )

Tamaño de grano(u)

Microdureza (HV)

7 140 5 210 7 174 9 173 6 255 8 194

10 180 7 246 9 205 11 190 8 280 10 214 13 195 8 238 11 245

12 276 CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE

NORMALIZADO Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base


Microdureza (HV)


Microdureza (HV)


Microdureza HV

9 155 6 208 4 173 10 162 7 230 5 211 11 173 8 261 5 227 13 179 9 280 5 242 15 200 10 336 6 274 6 309

CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA

Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base Tamaño de grano (u)

Microdureza (HV)

Tamaño de grano (u) Dureza HV


Microdureza (HV)

6 287 6 400 4 670 6 296 7 450 5 650 6 329 8 594 5 750 6 341 9 685 5 840 7 370 11 800 6 917 9 527

7 1070 9 630 8 1173

9 1897



CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE ENTREGA

Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base Fracción

Volumétrica Microdureza

(HV) Fracción


(HV) Fracción


(HV) 59% 138 31% 185 28% 142 59% 154 18% 202 28% 160 52% 167 12% 250 21% 174 46% 183

16% 195,5 40% 190 13% 265 45% 218 CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y MICRODUREZA - UNIÓN

SOLDADA DE TEMPLE EN ACEITE Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

Fracción volumétrica

Microdureza (HV)


Microdureza (HV)


Microdureza (HV)

69% 135 22% 215 41% 200 69% 155 28% 258 38% 228 61% 162 31% 261 31% 238 52% 170 30% 305 30% 246 54% 187 28% 269 47% 205

20% 277 39% 255

39% 280 CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA DE FASE Y MICRODUREZA -

UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

Fracción Volumétrica

Microdureza (HV)


Microdureza (HV)


Microdureza (HV)

57% 287 55% 450 61% 670 57% 296 48% 594 61% 650 47% 329 41% 685 60% 750 49% 341 33% 800 57% 840 42% 370

45% 917 35% 527 43% 1070 22% 630 36% 1173

35% 1897 Tabla 10; Correlación entre Valores de Microestrutura y Valores de Microdureza en cada una de las regiones

de estudio de las cinco Uniones Soldadas trabajadas.



Para la muestra del recocido efectivamente se cumplió con el objetivo de ablandar el acero y eliminar las tensiones internas.26 Se vincularon los díametros de los granos de tal manera que en la Zona Afectada por el Calor, la microdureza va a ser mucho mayor debido al cambio de temperaturas, denotando un tamaño de grano menor en esta región.

Gráfica 2, Muestra Recocido. Correlación estadística. Zona MB. Realizada por los Autores.

Listando los datos obtenido por cada zona de la muestra se realiza un análisis estadístico que consiste en:

1. Tomar el promedio tanto del Diámetro de Tamaño de grano en micras (um), como el promedio de los valores de microdureza, para este caso, en la zona MB de la muestra Recocido. De esta forma obtenemos un punto de la Grafica 3 para la zona del material base.

2. Teniendo en cuenta el promedio de las dos variables, se determinan los demás valores con el fin de crear una serie de puntos sobre la gráfica.

3. Dado lo anterior, con ayuda del software Microsoft Excel, se genera una gráfica de dispersión con el fin de utilizar mínimos cuadrados y generar una línea de tendencia sobre el comportamiento de estos puntos.

4. Una vez obtenida la línea de tendencia se procede a calcular una ecuación que describa la pendiente de dicha recta hallada. Además se calcula el factor de corrección R^2 el cual es un índice que refleja el porcentaje de correlación entre las dos variable independientes.

5. Cabe resaltar que cuando el R^2 tome valores cercanos a 1 mejor será la correlación.

De la Gráfica 3, se puede visualizar que las variables microdureza y diámetro de grano promedio, están fuertemente relacionadas debido a que R^2 = 0.9501. 26APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000.

y = 19.2x + 35.6R² = 0.9501

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15

Du

reza

(Hv)

Diámetro de grano promedio (u)

Correlación Tamaño de grano Vs Microdureza MB



De manera adicional cabe destacar que las gráficas de correlación para las treas regiones de estudio se encuentran en el Anexo 1. Cuando se trabaja la ecuación brindada por la Gráfica 3, y= 19,2 x + 35,6 [2]; se obtiene la Tabla 5, donde se puede resaltar que la ecuación [2] describe el comportamiento de la microdureza en función del tamaño de grano de una manera satisfactoria debido a que no se presenta un error relativo de mayor al 5%.

Tamaño de

grano

Micro dureza

r

Micro dureza

t %

Error 7 174 170 2% 8 194 189,2 3% 9 205 208,4 3%

10 214 227,6 1% 11 245 246,8 1% 12 276 266 4%

Tabla 11; Resultados obtenidos de la Ecuación [2]

Como forma de síntesis, a continuación se presentan los valores de microdureza menores, mayores y la media aritmética para cada una de las uniones soldadas; para una mayor comparación y relación.

TRATAMIENTO TÉRMICO

MENOR MICRODUREZA

(HV)

MAYOR MICRODUREZA

(HV) PROMEDIO

(HV)

RECOCIDO 141 296 218,5 NORMALIZADO 154 336 245

ENTREGA 138 275 206,5 TEMPLE EN ACEITE 135 305 220 TEMPLE EN AGUA 287 1897 1092

Tabla 12; Resumen de Microdurezas en Dureza Vickers. Valores menores, mayores y promedios.

7.1.5 Relación con Micrografías para la Unión de Recocido. Fue de gran importancia la vinculación con las micrografías obtenidas en el Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico. Cabe destacar que en la Ilustración 17, contamos con la presencia de granos homogeneos de ferrita y listones de cementita incluidos en los granos de perlita, tal como se indica. Al observar los resultados de la correlación en la Zona Afectada por el Calor (Tabla 10), tenemos un tamaño de grano numero 8 (el menor con respecto a las otras dos regiones), luego, si percibimos la Ilustración 18, podemos divisar en la ZAC (Zona



Afectada por el Calor) una cadena de granos que se encuentran bastante cercanos y agrupados, con una tendencia a ser de menor tamaño. De esta manera se deduce, que para la ZAC se cuenta con una mayor microdureza a lo largo de la union soldada. Cuando se visualiza la difrente morfología entre los dos, se puede apoyar la idea de una mayor microdureza en la Zona Afectada por el Calor. En la zona del Material de Aporte (MA) de la Ilustración 18, se cuenta con un acero de muy bajo carbono, luego existen ciertas variaciones en tamaño de grano, pero no se presentan muchas variaciones en cuanto a la presencia de fases. Los escasos granos oscuros en el MA son Perlita y todos los granos blancos adicionales son granos de Ferrita; estos últimos, poseen tamaños de grano mayores cerca a la ZAC y tienden a generarse granos finos al alejarse de la región ZAC.

Ilustración 17, Micrografía Electrónica a 5000x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%. Zonas

homogéneas de Ferrita y listones claros de cementita que hacen parte de los granos de Perlita.



Ilustración 18; Micrografía Óptica a 200x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%.

Luego, se hace evidente la relación que a un menor tamaño de grano se va a obtener una mayor microdureza. Además, en los aceros de menos de 0.55% de carbono aproximadamente, la ferrita aparece bajo forma de cristales mezcaldos con los de perlita, en otras palabras, se presenta como un microconstituyente acompañado de perlita.27 Debido a que el recocido tuvo el enfrimiento más lento dentro del horno, la distancia interlaminar de la perlita sirve para clasificarla como perlita gruesa, con una separación entre láminas de unas 400 milimicras.28 En la zona MA con mayor presencia de Ferrita, se tiene un tamaño de grano 9 y una Microdureza de 173 HV. En la zona MB con presencia de Ferrita y Perlita se cuenta con un tamaño de grano 10 y un valor de microdureza de 214 HV. De esta manera se relaciona una mayor dureza en la Perlita, que en la Ferrita, desde el puno de vista de constituyente de la unión soldada.

27 APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000. Capítulo IV. Constituyentes Microscópicos de los Aceros. Pág. 108. 28 Ibídem.



7.2 Unión Soldada – Normalizado. El normalizado es considerado como un tratamiento final para liberar las tensiones internas de la microestructura. En este caso de estudio, se produjo con mayores valores de dureza que la muestra con recocido total, consiguiendo una refinación de los granos y homogenización de la estructura. 7.2.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión Normalizado. De manera análoga a la probeta del recocido, se tomaron datos de microdureza en las tres regiones de la probeta de normalizado, las cuales se exponenen en la Tabla 9.

DATOS TOMADOS EN LA UNIÓN SOLDADAD DE NORMALIZADO (HV) Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base

154

208

161 155 227 173 162 230 198 164 256 211 170 269 211 171 278 214 172 286 215 179 336 215 196 Promedio 261 219 207 Desviación 41 242

Promedio 173

245 Desviación 17 246

268 274 309


Tabla 13; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Normalizado para cada una de las regiones de estudio.

7.2.2 Cálculo del FDP para cada uno de los valores de microdureza en la

Unión de Normalizado.



Fundamentados en la Tabla 4, se plantea el resumen de datos mínimos y máximos (Tabla 9 ) para cada uno de los parámetros estadísticos estudiados, donde por cada región se expone la menor y mayor microdureza (con su respectivo FDP) que fue obtenida tras el ensayo; adicionalmente la Media Aritmética (m) y la desviación estándar (DS) para cada zona de la muestra.

NORMALIZADO

REGIÓN MIN (HV)

MAX (HV) m DS FDP

(%) FDP (%)

MA 154 207 173 17 1.30% 0.30% ZAC 208 336 261 41 0.42% 0.18% MB 161 309 227 38 0.24% 0.10%

Tabla 14; Resumen de datos para cada zona de la muestra Normalizado.

Aunque cada zona o región de la muestra presenta diversos valores de microdureza en la Tabla 10, se cuenta con distribuciones normales de Gauss con la misma tendencia. Cabe anotar que las probalidades o areas bajo la campana varian dependiendo de la región de analisis. Los porcentajes máximos de FDP son muy cercanos y se relacionan directamente con una microdureza relativamente alta. 7.2.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Normalizado. En la unión soldada del Normalizado se implementó el análisis de Tamaño de Grano, desarrollando el mismo proceso ejecutado en el Recocido. Se obtuvo un tamaño de grano en un intervalo desde numero 4 hasta tamaño numero 15, datos que se registran en la Tabla 5. Para este proceso se utilizaron las imágenes ópticas unicamente, trabajando con los respectivos aumentos de 200x, 500x, 1000x y 1600x.

7.2.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Normalizado. En la Gráfica 4 se enseña un R^2 de 0.9618, y como se aprecia en el Anexo 1, para la zona de MA el R^2 alcanza un valor de 0.9677. Datos que se encuentran altamente relacionados a pesar de la variable dureza de las dos zonas.



Tamaño de

Grano

R^2 MA 0,96 ZAC 0,96 MB 0,9

Tabla 15; Resumen de correlación estadística para la muestra Normalizado.

Para el MB se cuenta con un R^2 de 0.9004 según la Tabla 11, un poco menor comparado con la uniformidad de los anteriores datos; aun así, no se materializa una desviación tan exagerada del tamaño de grano respecto a la microdureza.

Gráfica 3; Correlación del Tamaño de Grano Vs la microdureza para la muestra de Normalizado en la Zona

Afectada por el Calor. Realizada por los Autores.

Cabe resaltar que tanto las gráficas de correlación estadística, con sus respectivas ecuaciones se encuentran en el Anexo 1. 7.2.5 Relación con Micrografías de la Unión Normalizado.

En el normalizado cuando se tiene un enfriamiento más rápido que el recocido, se afecta la temperatura de transformación de la austenita y tiende a generarse una perlita más fina.

y = 30.6x + 18.2R² = 0.9618

0

100

200

300

400

0 5 10 15

Du

reza

(Hv)


Correlación Tamaño de grano Vs Dureza ZAC



Ilustración 19; Micrografía Óptica de Muestra Normalizado en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%.

La Ilustracion 19 presenta una zona MA con granos de ferrita y pequeñas incrustaciones de Perlita (granos oscuros), y una región de MB con presencia de granos de Perlita. Comparando este tratamiento térmico con la unión soldada del recocido, los granos de perlita cuentan con una separación menor entre las láminas de cementita para el normalizado. Debido a que el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio y es uno de los enfriamientos más lentos, no se puede trabajar con el diagrama de hierro-carbono para predecir las proporciones de ferrita y perlita.29 Como fue una de las muestras que tuvo un enfriamiento lento, se comparan las fases presentes de acuerdo al Diagrama TTT (Temperatura, Tiempo y Transformacion) expuesto en la Ilustración 20.

29 Tipos de Enfriamiento, Artículo. En: Google. Consultado el día, lunes 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo:

https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos%20de%20enfriamiento.htm



Ilustración 20, Diagrama de Transformación Isotérmica para el acero SAE 8620 con Temperatura, Tiempo y

Transformación.30

En el Diagrama TTT de la Ilustación 20, el normalizado es representado con la curva color rojo y el recocido con la curva de color azul. En el espacio 1 la austenita se transforma en ferrita y el espacio 2 representa una transformación de la austenita en perlita.

30 NIECO, Horacio. Curso Selección de Aceros. Artículo. En: Google. Consultado el día, lunes 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://es.slideshare.net/andrexito_81/seleccion-de-aceros?from_action=save



Para el caso del normalizado se va a trabajar aproximadamente en la escala logaritmica de 10^3 segundos debido a su enfriamiento a temperatura ambiente, relacionanado un tiempo de aproximadamente 700 segundos teniendo en cuenta las dimensiones de la unión soldada. 7.3 Unión Soldada – Entrega.

7.3.1 Variable manejada con la Microdureza para la Unión de Entrega. Esta unión soldada no recibió tratamiento térmico. Es decir que solamente se maquinó el acero y se produjo el proceso de soldeo en condiciones normales. Se lleva a cabo el ensayo de microdureza para cada una de las regiones de estudio, teniendo en cuenta la norma ASTM E-384 y se consiguen los resultados expuestos en la Tabla 16.

DATOS TOMADOS EN LA UNIÓN SOLDADA DE ENTREGA (HV)

Aporte Zona Afectada por el

Calor Base

138

185

142 153 188 156 154 189 165 163 193 174 167 202 174 172 207 220 175 250 258 178 Promedio 202 275 179 Desviación 23 Promedio 195,5 189

Desviación 49 194

199 200 217 219 231


Tabla 16, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Entrega para cada una de las regiones de estudio.



7.3.2 Análisis del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en

la Unión de Entrega. Se lleva a cabo cada uno de los análisis de la curva gaussiana tras el estudio de la Función de Densidad de Probabilidad. El resumen de datos se perciben en la Tabla 17, donde por cada región se expone la menor y mayor microdureza (con su respectivo FDP) que fue obtenida tras el ensayo; adicionalmente la Media Aritmética (m) y la desviación estándar (DS) para cada zona de la muestra.

ENTREGA

REGIÓN MIN (HV)

MAX (HV) m DS FDP

(%) FDP (%)

MA 138 231 183 26 0.34% 0.28% ZAC 185 250 202 23 1.03% 0.18% MB 142 275 195 49 0.45% 0.22%

Tabla 17; Resumen de datos para cada zona de la muestra de Entrega.

7.3.3 Variable para la Microestructura en la Unión de Entrega. Debido a que las micrografias de esta unión soldada no facilitaron el calculo del tamaño de grano por la morfología irregular de cada uno de estos, fue necesario implementar otro tipo de análisis. De esta manera se resolvió utilizar el análisis de Fraccion Volumétrica de Fase, a partir de la norma ASTM E562-02, para las uniones soldadas de Entrega, Temple en Aceite y Temple en Agua. Donde la mayoría de las micrografías pertenecientes a las anteriores muestras exponen granos con formas diversas.

7.3.3.1 Desarrollo de Fracción Volumétrica de Fase. Este método de ensayo puede usarse para determinar la fracción de volumen de los componentes de una muestra usando una sección transversal plana y pulida, de acuerdo al conteo de puntos manual a través de una rejilla. La rejilla se convierte en una reticula ocular con un patrón regular de lineas o cruces que se superponen sobre la micrografia. La prueba consiste en un numero determinado de espacios formados por la intersección de lineas en forma de cruz. Según la norma se pueden manejar dos tipos de rejillas, una circular y otra rectangular. Esto depende del tipo de muestra y su micrografia.



En este trabajo de grado se imprimiron las micrografias en tamaño A4 y se implementaron rejillas rectangulares, permitiendo un conteo de 36 cruces y 49 cuadrantes o campos, tal y como lo expresa la Ilustración 21.

Ilustración 21; Micrografía Electrónica de Muestra Entrega en la ZAC. Aumentos 1000x. Nital 3%.Micrografía,

Ejemplo de Trazado de Rejilla. Fracción Volumétrica de Fase.

Seguido a lo anterior, se procede a hacer un conteo de granos oscuros que son intersectados por cada una de las cruces que forma la rejilla. Según la norma se cuenta con un punto de conteo, como la cantidad total de puntos en una rejilla que caen dentro de la función estructural de interes (que para este caso es la ferrita expuesta con granos de color gris). SI el grano se encuentra en la región límite de la intersección, el punto de conteo se interpreta como medio punto.



Como en todas las micrografias se cuenta con 49 cuadrantes o campos, se asumen las 36 cruces como un 100% y se realiza una regla de tres para determinar el porcentaje de volumen de la fase de ferrita que existe en la micrografía. Cabe mencionar que este análisis de Fracción Volumétrica de Fase se llevó a cabo en las uniones soldadas de Entrega, Temple en Aceite y Temple en Agua.

7.3.4 Correlación entre las variables de la Unión de Entrega.

La muestra de entrega se correlacionó con la variable de fracción volumétrica de fase y de su resultado se tiene el resumen en la Tabla 18.

Tamaño de grano

R^2 MA 0,72 ZAC 0,79 MB 0,79

Tabla 18; Resumen de correlación estadística para la muestra Entrega.

Los factores de corrección de esta muestra indican que las ecuaciones que describen los comportamientos de las variables tienen un error de correlación cercano al 20%, lo cual puede ser atribuido a la dispersión de los datos al momento de realizar las diferentes pruebas. Pero esto no quiere decir que las ecuaciones de correlación para esta muestra no sean aplicables ya que de cada 100 datos predichos por las ecuaciones 80 datos estarán dentro de los resultados esperados.

7.3.5 Relación con Micrografías en la Unión de Entrega.

Esta unión soldada no recibió tratamiento térmico, el acero se soldó en estado bonificado, es decir, en el estado de suministro brindado por el proveedor. En otras palabras, cuando se maquínó la unión, el acero ya contaba con un templado y revenido, según lo expresa el Catalogo de la Compañía General de Aceros. [6]



Ilustración 22; Micrografía Óptica de Muestra de Entrega en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%.

Ilustración 23; Micrografía Electrónica de Muestra de Entrega en la ZAC. Aumentos 2000x. Nital 3%.



Tanto en la Ilustración 22 como en la Ilustración 23 se presenta el Material de Aporte (MA) como granos de acero de bajo carbono, formando granos de Ferrita e incrustaciones menores de Perlita Fina con morfología de granos circulares oscuros. En el material de aporte no hay transformaciones de la fase ferritica y perlitica con los diferentes tratamientos térmicos. Luego en la unión de entrega, se maneja la misma idea. Si se comparan los datos de microdureza entre Recocido y Entrega se tiene lo siguiente:

En la región de MB de Entrega se cuenta con microdurezas que van desde 142 HV hasta 265 HV.

En la zona de MB de la unión soldada de Recocido se cuenta con microdurezas que van desde 174HV a 276HV.

De acuerdo a lo anterior, se perciben valores muy cercanos y se deduce que el material que entrega el proveedor ya se encuentra normalizado. De esta manera, se induce que en el Material Base tambien se genera Perlita Fina. En el MB se cuenta con una microdureza promedio de 195 HV, mientras que en el material de aporte es de 183 HV. Aunque la diferencia no es exagerada, existe una distorsión mayor en la forma de los granos en el MB con respecto al MA. Lo cual revela que cuando los granos se encuentran ordenados y cuentan con formas más regulares, los valores de dureza tienden a ser menores. 7.4 Unión Soldada – Aceite. Esta unión soldada fue sometida a un temple en aceite en el cual la unión soldada fue calentada hasta temperaturas de austenización para posteriormente ser enfriada rápidamente, con el fin de obtener una transformación que proporcione una estructura martensítica dura y resistente. Ademas de esto el temple en aceite provee una película de vapor que cubre inmediatamente la superficie del metal durante la primera etapa de enfriamiento. Esta película se colapsa en el momento que el aceite hace contacto con la superficie del metal y una violenta ebullición ocurre permitiendo un rápido enfriamiento del material. Cuando esta etapa concluye, el aceite baña la superficie del metal disipando en una tercera etapa el calor de la pieza.31

31 AITIVOS, Mexicanos S.A. de C.V. Aceites para Temple.



7.4.1 Variable manejada con la Microdureza Para la union soldada- Aceite se realizo el ensayo de microdureza para cada una de las regiones de estudio, teniendo en cuenta la norma ASTM E-384 y se consiguen los resultados expuestos en la Tabla 19.

DATOS EN LA UNIÓN SOLDADA TEMPLE EN ACEITE

Material de Aporte Zona Afectada por el

Calor Material Base

255

227

241 269 215 228 208 305 230 205 271 277 280 261 196 284 268 208 165 Promedio 258 202 177 Desviación 33 229 170

224 135 224 162 235 184 236 163 246 155 269 165 269 177 267 170 Promedio 236 135 Desviación 24 162

184 163 155


Tabla 19; Valores de Microdureza en las tres regiones de la muestra Temple en Aceite.

De la Tabla 19 se resalta que los valores promedios de dureza para la union soldada en sus diferentes zonas son 187Hv para la zona MA, 258HV para la zona ZAC y 236HV para zona MB los cuales si se comparan con los valores obtenidos en la union soldada-Entrega permite observar un crecimiento considerable en la dureza del material ya que los valores promedio para la union soldada son 183HV para la zona MA, 202HV para la zona ZAC y 195HV para la zona MB.



7.4.2 Análisis del FDP para Cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Temple en Aceite. El analisis de la distribucion normal gausiana que se lleva a cabo en la union soldada-Entrega es exactamente el mismo que se realiza en la union soldada-Recocido con la única diferencia de que en esta unión soldada los porcentajes de probabilidad de repeibilidad seran diferentes debido a que la media aritmética y el promedio son diferentes. A continuación se presenta la curva de distribucion normal.

Gráfica 4; Curva de Distribución Normal. Unión Soldada Temple en Aceite.

De la Gráfica 4 se deduce que los datos de micodureza que se encuentren entre 142HV y 232HV tendran un porcentaje de probabilidad de repetibilidad del 34.13% lo cual indica que los datos resultantes del ensayo de microdureza estan muy estan muy cercanos a la media. 7.4.3 Variable manejada con fraccion volumétrica de fase.

FRACCIÓN VOLUMÉTRICA - UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN ACEITE Material de aporte Zona afectada por el calor Mateial Base

69% 22% 41% 69% 28% 38% 61% 31% 31% 52% 30% 30% 54% 28% 47% 20% 39% 39%

Tabla 20; Variable de Microestructura para la Unión de Temple en Aceite. Fracción Volumétrica de Fase.

0.0%

0.1%

0.2%

0.3%

0.4%

0.5%

0.6%

0.7%

0.8%

0.9%

1.0%

52 97 142 187 232 277 322

FDP

(%

)

Microdureza (HV)

FDP Union soldada-Entrega MA

FDP



De la unión soldada-Aceite se puede decir que en en la zona de material de aporte se encuentra concentrado un alto porcentaje de ferrita y si se contrasta con la microdureza obtenida en en el material de aporte, la cual es la menor microdureza De cada unión soldada se puede concluir que en las zonas en donde se encuentre mayor porcentaje de ferrita es un indicador de que se va a tener menor valor de microdureza. Ademas si se analizan los datos de microdureza de la unión soldada-Aceite en las zonas ZAC y MB es evidente que en estas zonas se encuentran las microdurezas mas grandes de la union soldada y si se comparan con la fraccion volumetrica de fase de las zonas ZAC y MB se puede evidenciar un descenso en el porcentaje de ferrita, indicand que existe mayor presencia de martensita, que a su vez es la que aumenta la microdureza en estas zonas de la unión. 7.4.4 Correlación entre las variables en la Unión de Temple en Aceite. En la siguiente tabla se muestran cómo se realiza la correlación entre los valores de fracción volumétrica de fase y la microdureza en la union soldada-Aceite para las diferentes zonas.

Tabla 21; Correlación Unión Temple en Aceite.



Gráfica 5; Correlación Unión Temple en Aceite para las regiones ZAC y MA.

De la correlacion entre la fase volumetrica y la microdureza de la union soldada Aceite en la zona MA se puede decir que al remplazar los valores en la ecuacion de correlación se obtiene un error cercano al 15%. De la misma forma si se analiza la grafica de correlacion entre fase volumetrica y la microdureza en la union soldada en la zona ZAC se obtiene un error del 4%. Estos porcentajes de error estan relacionados directamente con el factor humano al momento de determinar la fraccion volumetrica de fase o el tamaño de grano ya que en algunas mirografias es dificil su calculo debido a la morfologia de los microcontituyentes. 7.4.5 Relación con Micrografías. Como primera medida se plantea una relación de las Micrografias partiendo del Diagrama TTT, expuesto en la Ilustración 20. Es decir que la línea de color verde en la misma ilustración representa los temples en las uniones soldadas que se estudian. De esta manera, se logra apreciar una leve aparición de la martensita en la zona del MB (Ilustración 25); sin embargo esta fase se genera con un mayor porcentaje en la unión de temple en agua. La Ilustración 24 y la Ilustración 25 cuentan con la presencia de granos de ferrita (color claro) y granos de perlita (color oscuro) en la región del MA. La fusión entre el MB y el MA no se encuentra tan marcada como en anteriores micrografías. La martensita se presenta en forma de agujas al borde de los granos en el MB. Como consecuencia se va a contar con una excelente dureza en el àrea exterior de la muestra con una baja resiliencia al interior.32

32 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA, Metalografía. Temple – Aceite. En: Google. Consultado el día, lunes 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://blog.utp.edu.co/metalografia/?attachment_id=2366

y = -1529.4x + 1305.7R² = 0.9914

0

500

1000

0% 20% 40% 60%

Du

reza

(hv)

Fase volumetrica (%)

Correlacion Fase volumetrica Vs Dureza ZAC

y = -395.86x + 405.82R² = 0.8653

0

200

400

0% 20% 40% 60% 80%

Du

reza

(hv)

Fase volumetrica (%)

Correlacion Fase volumetrica Vs Microdureza

MA



Ilustración 24; Micrografía óptica de Unión Soldada Temple en Aceite en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%.

Ilustración 25; Micrografía Electrónica de Unión Soldada con Temple en Aceite en la ZAC. Aumentos 1000x. Nital 3%.



En la zona del MB de la muestra de Temple en Aceite, la microdureza tiene un promedio de 238 HV. Si se observa la muestra de temple en Agua, la microdureza en la región del MB es de 917 HV. De lo anterior se denota que la Martensita (constituyente típico de los aceros templados33) está en un mayor porcentaje en Temple en Agua que en Temple en Aceite, es decir que la unión soldada se enfria mucho más rapido en agua que en aceite y por ello la difrencia tan alta en niveles de microdureza. Luego a mayor velocidad de enfriamiento, mayor microdureza y mayor presencia de martensita. 7.5 Unión Soldada – Temple en Agua. Para la muestra de temple en agua se realizaron dos correlaciones estadísticas. La primera entre la microdureza y el tamaño de grano y la segunda entre la microdureza y la fracción volumétrica de fase, esto con el fin de comparar con cuál de las dos variables independientes se tiene una correlación más fuerte. 7.5.1 Variable manejada como Microdureza en la Unión de Temple en Agua. Con el enfriamiento rápido y contínuo que tuvo la muestra de temple en agua se busca producir un acero martensitico.34 Sin duda alguna la unión soldada de temple en agua es la mas particular para los autores, ya que cuenta con la mayo microdureza, con respecto a las cuatro restantes muestras estudiadas; adicionalmente proporciona micrografías con granos particulares.De esta manera se presentan en la Tabla 22, la agrupación de valores de microdureza para cada una de las regiones de estudio.

33 APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000. Capítulo IV. Constituyentes Microscópicos de los Aceros. Pág. 116.

34 CALLISTER, William. Introducción a la ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté S.A., Capitulo 11. Tratamientos Térmicos de Aleaciones Metálicas. Pág. 341.



DATOS TOMDOS EN LA UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA (HV) Material Aporte Zona afectada por el Calor Material Base

287

403

567 288 420 598 296 457 649 299 685 716 312 797 747 329 804 764 341 Promedio 594 800 357 Desviación 189 840 380

914 390 971 527 979 630 1055

Promedio 370 1078 Desviación 106 1173

1897 Promedio 917

Desviación 326 Tabla 22, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Temple en Agua para cada una de las regiones de

estudio.

7.5.2 Apreciación del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en la

Unión de Temple en Agua. Examinando los reultados arrojados en la Tabla 4, la mayor tendencia a una repetibilidad de datos se encuentra en la región del material de aporte, sin embargo es la zona donde se cuenta con la menor microdureza. La mayor microdureza se encuentra en el material base con un promedio de 917 HV, sin embargo, cuenta con un bajo FDP. Cabe resaltar que el comportamiento de la curva de distribución normal gaussiana se desarrolla en buenas condiciones exponiendo la campana que se pude visualizar en la siguiente Gráfica 6.



Gráfica 6; Curva de Distribución Normal entre microdureza en Material base de la Unión temple en Agua.

Realizada por los autores.

De esta manera, lamedia aritmética es de 917 HV y los datos que se encuentren en el intervalo de 591 HV a 1243 HV tienen una probabilidad del 34% de repetirse. 7.5.3 Variables para la microestructura en la Unión de Temple en Agua. En la Unión de Temple en Agua se comparan los análisis de Tamaño de Grano y Fracción Volumétrica de Fase. Tras la ejecución manual de los dos métodos por parte de los autores, se genera cierta afinidad con el análisis del tamaño de grano, ya que según el experimento, no se logra estandarizar la dimensión de las cruces de las rejillas en el método de fracción volumétrica de fase, generando cierto error en el punto de conteo.

7.5.4 Correlación entre Variables para la Unión de Temple en Agua. Partiendo del Anexo 1, donde se encuentran la gráficas de correlación para cada una de las regiones, se genera la Tabla 23, presentando los coeficients de correlación para una mayor comparación entre los dos métodos implementados.

Tamaño de grano

Fracción Volumétrica

de Fase. R^2 R^2

MA 0,91 0,93 ZAC 0,96 0,99 MB 0,84 0,71

Tabla 23; Resumen de Correlación Estadística para la muestra de Temple en Agua.

0

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014

591 917 1243 1569 1895

Curva de Distribución Normal. Unión de Temple en Agua en el MB.



De la anterior tabla se puede resaltar que los índices de correlación para la misma muestra en sus tres diferentes zonas (MA, ZAC, MB) son relativamente cercanos a uno; por lo tanto la relación entre las variables independientes es bastante fuerte y son aceptables desde la parte estadística. Por otra parte, es evidente que los índices de correlación de la variable tamaño de grano son más cercanos a uno, en comparación con los de la variable Fracción Volumétrica de Fase; esto se debe a que la última posee una desviación estándar muy alta con relación a la variable tamaño de grano. Con esto en mente se puede afirmar que la variable independiente que está más relacionada con la micro dureza y que permite mayor correlación estadística en las zonas de la muestra es la variable tamaña de grano.

7.5.5 Relación con Micrografías en la Unión de Temple en Agua. Como primera medida se plantea una relación de las Micrografias partiendo del Diagrama TTT, expuesto en la Ilustración 20. Con el enfriamiento rápido y contínuo que tuvo la muestra de temple en agua se busca producir un acero martensitico.35 Es decir que la línea de color verde en la Ilustración 20, representa los temples en las uniones soldadas que se estudian. La martensita presenta un aspecto marcadamente acicular, formando agujas en zigzag, con angulos de 60º 36. Morfología expuesta en las siguientes ilustaciones pero que se percibe de manera más clara en la Ilustración 27. Al comparar una micrografía de un acero Fe-1,2C, enfriado en agua tras un calentamiento superior a 690ºC, se percibe una morfologia de martensita templada igual a los granos de martensita señalados en la Ilustración 26. Esta forma particular de granos se crea debido a que la martensita posee una tendencia muy alta a las dislocaciones; entonces los carburos se engruesan, permitiendo aumentar su tamaño y disminuyendo simultáneamente su población total.37 Cuado se detalla la Ilustración 27 , en la Zona Afectada por el Calor se logra denotar la ferrita con una tendencia de formación poligonal, granos que alrededor cuentan con las incrustaciones de perlita y martensita en forma de agujas. La ferrita proeutectoide que se nuclea intragranularmente se clasifica como ferrita poligonal,38 teniedo en cuenta la varianza de la región límite entre la soldadura y el material base.

35 Ibídem. 36 APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000. Capítulo IV. Constituyentes Microscópicos de los Aceros. Pág. 117. 37 ASM, Handbook. Metallography and Microstructures. Publicado en 2004. Fue preparado bajo la dirección del Comité del Manual del ASM. Volumen 9. Capítulo: Estructuras Martensíticas. Pág. 438. 38 Ibídem.



Ilustración 26; Micrografía óptica de Unión Soldada con Temple en Agua en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%.

Ilustración 27; Micrografía Electrónica de Unión Soldada con Temple en Agua en la ZAC. Aumentos 2000x.

Nital 3%.



Teniendo en cuenta los valores de microdureza, se denota que en el material base, con un promedio de 917HV, se cuenta con la mayor microdureza en toda la muestra; luego se soporta el concepto de la martensita como un microconstituyente de mayor dureza con respecto a los granos de ferrita. La presecia de ciertos microconstituyentes descritos en la Ilustración 27 , se verifica con los valores de microdureza en cada una de las regiones de la unión soldada. La martensita presenta una estructura de red altamente distorsionada (con granos bastante irregulares), siendo la principal razón de su gran nivel de dureza.39 Para finalizar se tiene que a mayor velocidad de enfriamiento, mayor microdureza y sobresaturación de carbono o carburo de hierro en hierro alfa.40 39 KOWSER, Arefin. MOTALLEB, Abdul. Effect of Quenching Medium on Hardness of Carburized Low Carbon Steel for manufacturing of Spindle used in Spinning Mill. 2015. Revista ScienceDirect. Plataforma BDigital. Bases de Datos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. 2016. Plataforma Disponible en: http://bdigital.udistrital.edu.co/index.php/recursos-electronicos-suscritos 40 APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000. Capítulo IV. Constituyentes Microscópicos de los Aceros. Pág. 116.



8. CONCLUSIONES.

1. La óptima preparación de cada una de las uniones soldadas, se fundamenta en la obtención de resultados satisfactorios que permitan una adecuada correlación estadística. Se rectifican las caras para el desarrollo de ensayos de dureza y microdureza y adicionalmente se adaptan de la mejor forma para obtener micrografías completamente legibles y apropiadas para la visualización de microestructuras convenientes para el cálculo de tamaño de grano junto con la fracción volumétrica de fase. Resumiendo, si la preparación de las muestras no es la adecuada, los resultados contarán con un margen de error alto.

2. La asociación de cada uno de los diferentes microconstituyentes presentes

en las todas las uniones soldadas tales como ferrita, perlita y martensita se lleva a cabo con la realización de ensayos de dureza y microdureza. Debido a que se conoce el comportamiento teórico del constituyente, se logra establecer la relación entre la microdureza y la morfología de los granos presentes en las micrografías.

3. Tras la implementación de la función de densidad de probabilidad y el

método de mínimos cuadrados con tendencia lineal, se establece la correlación en cada una de las zonas de las cinco uniones soldadas. Dando como resultado coeficientes que van del 71% al 99%, creando de esta manera, una asociación alta entre la microestructura y la microdureza.

4. No obstante, para el caso de la zona afectada por el calor en la muestra de recocido, no se tiene una buena correlación, ya que presenta un índice del 44% según la ecuación de la pendiente; esto se debe a que la medición con el identador en esta área tan reducida, no fue lo más cercana al límite entre el material de aporte y el material base, generando una desviación y suprimiendo la coincidencia en los datos hallados.

5. En síntesis, el porcentaje de Densidad de Probabilidad permite graficar la curva de distribución normal, donde se denotan todos los valores de microdureza presentes en la curva. Teniendo la parábola, se puede calcular el área bajo la misma, estableciendo los límites brindados por la desviación estándar y obteniendo de esta manera, el porcentaje de probabilidad y repetitividad.

6. Tras la observación de las micrografías se analiza que la ferrita tiende a alojarse con mayor porcentaje en el Material de Aporte de forma ordenada y



con granos regulares, reflejando una dureza menor. Por otra parte, la perlita acompaña a la ferrita y de manera conjunta aumentan el valor de la microdureza en las regiones de Material Base para los enfriamientos lentos. La martensita, característica en los temples, posee el mayor valor de microdureza debido a su morfología distorsionada y en forma de agujas.



9. RECOMENDACIONES. De acuerdo con la comparación llevada a cabo en la muestra de Temple en Agua, se recomienda trabajar con la variable de tamaño de grano para obtener menor dispersión con datos que van a ser sometidos a Distribución Gaussiana. Debido a que la zona afectada por el calor de las muestras, es una zona de difícil ubicación con el micro durómetro, los datos obtenidos para esta zona tienen un error relativo mayor que el de las demás zonas por esto se recomienda para futuros estudios la implementación de algún método ya sea físico como el uso de un micro durómetro con mayor resolución o realizar un procedimiento matemático “estadístico” que permita predecir el error y así mismo disminuirlo. Para desarrollar futuros estudios, se recomienda el uso de varias muestras aplicando los mismos tratamientos térmicos, pues incluir más datos bajo condiciones iguales, permitirá reducir el error en la ecuación de correlación estadística.

Se aconseja tomar como mínimo cinco datos de microdureza para cada una de las zonas de las uniones soldadas y repetir este procedimiento a diversas alturas de la muestra; esto con el fin de acercarse de manera experimental al valor real de la microdureza en cada región de la muestra y así mismo, permitiendo una mayor simetría en la curva de distribución normal que se trazará.



10. REFERENCIAS. [1] AMERICAN SOCIETY FOR METALS, Metal Handbook. Volume: Properties and

Selection of Metals. Eighth Edition. Unites States, 1961. [2] ANGEL, Juan; SEDANO, Máximo; VILA, Alicia. La Distribución Normal.

Universidad Abierta de Cataluña. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://www.uoc.edu/in3/emath/docs/Distrib_Normal.pdf

[3] APRAIZ BARREIRO, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Décima Edición. Editoriales Dossat. Capítulo III. España, 2000.

[4] AVILA APOLINAR, Adalberto. Tesis: Efecto de la Temperatura Superficial generada por un Láser de Diodos de Alta Potencia sobre las propiedades de un Temple en un Acero AISI-1045. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia Michoacán, 2009. En: Google. Consultado el miércoles, 6 de Marzo de 2013. Versión HTML del archivo: http://bibliotecavirtual.dgb.umich.mx:8083/jspui/handle/123456789/3654?mode=full

[5] BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J Keith. Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley. Octava Edición. Editorial: MC Graw Hill. Capítulo 20: Consideraciones Estadísticas.

[6] COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS S.A. Ficha Técnica SAE 8620, Acero para cementación de alta resistencia. 2012. En: Google. Consultado el lunes, 3

de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://www.cga.com.co/productos-y-servicios/catalogo-virtual.

[7] MARTÍNEZ, Jaime. Identificación de diferentes tipos de Ferrita Proeutectoide en Uniones Soldadas de SAE 8620. 2014. En: Biblioteca, Facultad Tecnológica, Universidad Distrital. Consultado el jueves, 26 de noviembre de 2015.

[8] HASHEMI, S.H. Strength–hardness statistical correlation in API X65 steel. 2010. En: Science Direct. Consultado el jueves, 26 de noviembre de 2015.

[9] PARETO, Luis. Fundamentos de Mecánica. Tercera Edición. Ediciones CEAC SA. España, 1985.

[10] Tipos de Enfriamiento, Artículo. En: Google. Consultado el día, lunes 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos%20de%20enfriamiento.htm

[11] UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Vicerrectoría de Investigaciones. Descripción de la Técnica MEB. 2013. En: Google. Consultado el viernes 19 de Abril de 2013. Versión HTML del archivo: http://investigaciones.uniandes.edu.co/index.php/es/centro-de-microscopia/microscopio-electronico-de-barrido-meb/descripcion-de-la-tecnica-meb



[12] UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Laboratorio de Tratamientos Térmicos y Preparación de Probetas. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://rita.udistrital.edu.co:23604/Documentos/Fichas_tecnicas/tratamientos_termicos/FT-TT01.pdf

[13] UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Laboratorios de Microscopía. Sistema de Información de Laboratorios de Bogotá. 2016. En: Google. Consultado el lunes, 3 de Octubre de 2016. Versión HTML del vínculo: http://www.laboratorios.bogota.unal.edu.co/vercontenido.php?idc=37

[14] NIECO, Horacio. Curso Selección de Aceros. Artículo. En: Google. Consultado el día, lunes 3 de octubre de 2016. Versión HTML del archivo: http://es.slideshare.net/andrexito_81/seleccion-de-aceros?from_action=save

[15] WEBSTER, Allen. Estadística Aplicada a los Negocios y la Economía. Tercera Edición. Apéndice Tres. Tablas Estadísticas. Distribución Normal. Pág. 605.

[16] CALLISTER, William. Introducción a la ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté S.A., Capitulo 11. Tratamientos Térmicos de Aleaciones Metálicas. Pág. 341.

[17] ASM, Handbook. Metallography and Microstructures. Publicado en 2004. Fue preparado bajo la dirección del Comité del Manual del ASM. Volumen 9. Capítulo: Estructuras Martensíticas. Pág. 438.

[18] KOWSER, Arefin. MOTALLEB, Abdul. Effect of Quenching Medium on Hardness of Carburized Low Carbon Steel for manufacturing of Spindle used in Spinning Mill. 2015. Revista ScienceDirect. Plataforma BDigital. Bases de Datos. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. 2016. Plataforma Disponible en: http://bdigital.udistrital.edu.co/index.php/recursos-electronicos-suscritos


Ingeniería Mecánica. Proyecto de Grado. Anexo 1. 1

ANEXO 1 Correlación estadística entre microdureza y microestructura por medio de

tamaño de grano y fracción volumétrica de fase.

2.1) MUESTRA RECOCIDO: correlación estadística por medio de tamaño de grano “Diámetro promedio (u)”

Recocido MA “Material de Aporte”

Grafica 1; Muestra Recocido. Correlación

estadística Zona MA.

MA Diámetro promedio

(u)

Dureza (HV)

7 140 9 173 10 180 11 190 13 195

Tabla 1; Datos de la correlación estadística. Muestra Recocido. Zona MA.

Recocido ZAC “Zona afectada por el calor”


estadística Zona ZAC.

y = 9.1x + 84.6R² = 0.8823

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15

Du

reza

(Hv)


Correlación Tamaño de grano Vs Dureza MA

y = 13.059x + 157R² = 0.4466

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10

Du

reza

(Hv)



ZAC Tamaño de grano

(u)

Dureza (HV)

5 210 6 255 7 246 8 280 8 238

Tabla 2; Datos de la correlación estadística. Muestra Recocido. Zona ZAC.



Recocido MB “Material Base”

MB Tamaño de grano

(u)

Dureza (HV)

7 174 8 194 9 205 10 214 11 245 12 276

Tabla 3; Datos de la correlación estadística. Muestra Recocido. Zona MB.


estadística. Zona MB.

2.2) MUESTRA NORMALIZADO: estadística por medio de tamaño de grano “Diámetro promedio (u)”

Normalizado MA “Material de aporte”

Grafica 4; Muestra Normalizado Correlación

estadística Zona MA.

y = 19.2x + 35.6R² = 0.9501

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15

Du

reza

(Hv)


Correlación Tamaño de grano Vs Microdureza MB

y = 7.0948x + 91.5R² = 0.9677

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20

Du

reza

(Hv)



MA Tamaño de grano (u)

Dureza (HV)

9 155 10 162 11 173 13 179 15 200

Tabla 4; Datos de la correlación estadística. Muestra Normalizado. Zona MA.



Normalizado ZAC “Zona afectada por el calor”

ZAC Tamaño de grano (u)

Dureza (HV)

6 208 7 230 8 261 9 280 10 336

Tabla 5; Datos de la correlación estadística. Muestra Normalizado. Zona ZAC.

Grafica 5; Muestra Normalizado. Correlación

estadística Zona ZAC.

Normalizado MB “Material Base”

MB Tamaño de grano (u)

Dureza (HV)

4 173 5 211 5 227 5 242 6 274 6 309

Tabla 6; Datos de la correlación estadística. Muestra Normalizado. Zona MB.

Grafica 6; Muestra Normalizado. Correlación

estadística Zona MB.

y = 30.6x + 18.2R² = 0.9618

0

100

200

300

400

0 2 4 6 8 10 12

Du

reza

(Hv)



y = 60.235x - 71.882R² = 0.9004

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2 4 6 8

Du

reza

(Hv)


Correlación Tamaño de grano Vs Dureza MB



2.3) MUESTRA TEMPLE EN AGUA: estadística por medio de tamaño de grano “Diámetro promedio(u)”

Temple en agua MA “Material de aporte”

Tabla 7; Datos de la correlación estadística. Muestra Temple en agua. Zona MA.

Grafica 7; Muestra Temple en Agua.

Correlación estadística Zona MA.

Temple en agua ZAC “Zona afectada por el calor”

ZAC Tamaño de grano (u)

Dureza (HV)

6 400 7 450 8 594 9 685 11 800

Tabla 8; Datos de la correlación estadística. Muestra Temple en agua. Zona ZAC.

Grafica 8; Muestra Temple en Agua Correlación estadística Zona ZAC.

y = 88.417x - 221.77R² = 0.9199

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10D

ure

za (H

v)Diámetro de grano promedio (u)


y = 84.405x - 106.32R² = 0.9695

0

200

400

600

800

1000

0 2 4 6 8 10 12

Du

reza

(Hv)



MA Tamaño de grano (u)

Dureza (HV)

6 287 6 296 6 329 6 341 7 370 9 527 9 630



Temple en agua MB “Material Base”

MB Tamaño de grano

(u)

Dureza (HV)

4 670 5 650 5 750 5 840 6 917 7 1070 8 1173 9 1897

Tabla 9; Datos de la correlación estadística. Muestra Temple en agua Zona MB.

Grafica 9; Muestra Temple en Agua.

Correlación estadística Zona MB.

2.4) MUESTRA DE TEMPLE EN AGUA: Estadística por medio de fracción volumétrica de fase y comparación con la correlación de tamaño de grano “diámetro promedio”.

Temple en agua MA “Material de Aporte”

MA Fracción

Volumétrica de Fase

Dureza (HV)

57% 287 57% 296 47% 329 49% 341 42% 370 35% 527 22% 630

Tabla 10; Datos de la correlación estadística muestra Temple en agua. Zona MA Con

fracción volumétrica de fase. Grafica 10; Muestra Temple en Agua. Correlación estadística con fracción

volumétrica de fase. Zona MA.

y = 217.06x - 333.62R² = 0.8437

0

500

1000

1500

2000

0 2 4 6 8 10

Du

reza

(Hv)


Correlación Tamaño de grano Vs Dureza MB

y = -997.02x + 836.43R² = 0.932

0

200

400

600

800

0% 20% 40% 60% 80%

Du

reza

(hv)

Fracción volumétrica (%)

Correlación Fracción Volumétrica Vs Dureza MA



Temple en agua ZAC “Zona afectada por el calor”

Grafica 11; Muestra Temple en Agua. Correlación estadística con fracción Volumétrica de fase. Zona ZAC.

Temple en agua MB “Material de aporte”

Grafica 12; Muestra Temple en Agua. Correlación estadística con fracción

volumétrica de fase. Zona MB.

MB Fracción


Dureza (HV)

61% 670 61% 650 60% 750 57% 840 45% 917 43% 1070 36% 1173 35% 1897

Tabla 12; Datos de la correlación estadística con fracción volumétrica de fase. Muestra Temple en

agua. Zona BA.

y = -1529.4x + 1305.7R² = 0.9914

0

200

400

600

800

1000

0% 20% 40% 60%

Du

reza

(hv)

Fracción Volumétrica (%)

Correlación Fracción Volumétrica Vs Dureza ZAC

y = -3052.8x + 2514.5R² = 0.7104

0

500

1000

1500

2000

0% 20% 40% 60% 80%

Du

reza

(hv)


Correlación Fracción Volumétrica Vs Dureza MB

ZAC Fracción


Dureza (HV)

55% 450 48% 594 41% 685 33% 800 Tabla 11; Datos de la correlación

estadística con fracción volumétrica. Muestra Temple en agua. Zona

ZAC.



2.5) MUESTRA TEMPLE EN ACEITE: Correlación estadística por medio de fracción volumétrica de fase.

Temple en Aceite MA “Material Aporte”

Grafica 13; Muestra Temple en Aceite.

Correlación estadística con fracción volumétrica. Zona MA

Temple en Aceite ZAC “Zona afectada por el calor”

Grafica 14; Muestra Temple en Aceite

Correlación estadística con fase volumétrica Zona ZAC

ZAC Fracción


Dureza (HV)

22% 215 28% 258 31% 261 30% 305

Tabla 14; Datos de la correlación estadística con fracción volumétrica de fase. Muestra

Temple en Aceite. Zona ZAC.

y = -395.86x + 405.82R² = 0.8653

0

50

100

150

200

250

300

0% 20% 40% 60% 80%

Du

reza

(hv)



y = 753.92x + 51.159R² = 0.7104

0

50

100

150

200

250

300

350

0% 10% 20% 30% 40%

Du

reza

(hv)



Tabla 13; Datos de la correlación estadística con fracción Volumétrica de fase. Muestra Temple en Aceite. Zona

MA.

MA Fracción

volumétrica de Fase

Dureza (HV)

69% 135 69% 155 61% 162 52% 170 54% 187 47% 205 39% 255 39% 280



Temple en Aceite MB “Material Base”

Grafica 15Muestra Temple en Aceite

Correlación estadística con fase volumétrica Zona MB.

MB Fracción


Dureza (HV)

41% 200 38% 228 31% 238 30% 246 28% 269 20% 277

Tabla 15 Datos de la correlación estadística con fracción volumétrica de fase. Muestra

Temple en Aceite. Zona Mb.

2.6) MUESTRA ENTREGA: Correlación estadística por medio de fracción volumétrica de fase.

Entrega MA “Material de aporte”

Grafica 16; Muestra Entrega.

Correlación estadística con fracción volumétrica de fase. Zona MA.

MA Fracción


Dureza (HV)

59% 138 59% 154 52% 167 46% 183 40% 190 45% 218

Tabla 16; Datos de la correlación estadística con fracción volumétrica

de fase. Muestra Entrega. Zona MA.

y = -347.78x + 351.37R² = 0.8862

0

50

100

150

200

250

300

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Du

reza

(hv)



y = -304.13x + 327.85R² = 0.7203

0

50

100

150

200

250

0% 20% 40% 60% 80%

Du

reza

(hv)





Entrega ZAC “Zona afectada por el calor”

Grafica 17; Muestra Entrega. Correlación

estadística con fracción volumétrica de fase. Zona ZAC.

ZAC Fracción


Dureza (HV)

31% 185 18% 202 12% 250


Temple en Aceite. Zona ZAC.

Entrega MB “Material Base”

Grafica 18; Muestra Entrega. Correlación

estadística con fracción volumétrica de fase. Zona MB.

MB Fracción

volumétrica de fase

Dureza (HV)

28% 142 28% 160 21% 174 16% 195,5 13% 265


Temple en Aceite. Zona MB.

y = -321.33x + 277.71R² = 0.7993

0

50

100

150

200

250

300

0% 10% 20% 30% 40%

Du

reza

(hv)



y = -642.64x + 323.1R² = 0.7973

0

50

100

150

200

250

300

0% 10% 20% 30%

Du

reza

(hv)

Fracción volumétrica (%)


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