Informe Nº2

Josshua Panchi Díaz03/Octubre/2012

Informe Nº2Grupo 7

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

Facultad de Ingeniería Mecánica

Tecnología de Conformado

Tema: Tratamientos térmicos

Objetivos: Clasificación de los T.T

Diagrama de T.T.

Diagrama General T.T

Diagrama F-C en equilibrio

Diagrama T.T.T.

Practicas de temple y revenido de alivio de fuerzas

Marco Teórico:

Tratamientos térmicos:

Buscando obtener una configuración adecuada de un metal para cumplir con una

aplicación se realizan los tratamientos térmicos (T.T.), y en general son procesos en los

cuales se calienta y enfría un metal de modo que se obtienen diferentes propiedades a

las iniciales, quedando el metal óptimamente adaptado para cumplir con una tarea al

final del proceso.

Los tratamientos térmicos se realizan sin que el metal pase a otro estado, esto es, se

realizan comúnmente en el estado solido y toda la masa a tratar se lleva a la temperatura

de tratamiento térmico (Tº D’TT), y una vez concluido cambia la estructura del

material. Los principales factores que influyen en estos procesos son: la temperatura

(Tº), el tiempo (t) y la masa (m).

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Clasificación de los T.T.:

Se puede destacar dos tipos de tratamientos térmicos: masivos y superficiales. En los

tratamientos térmicos masivos se lleva toda las masa a la temperatura de tratamiento

térmico y no existe un incremento de ella, mientras que en los tratamientos térmicos

superficiales se lleva únicamente parte de la masa a la temperatura de tratamiento

térmico, principalmente la superficie de los cuerpos, que es donde se realiza el

tratamiento térmico comúnmente; cabe remarcar que en este tipo de tratamiento térmico

existe un incremento de masa, aunque en un orden muy pequeño, por lo que no se puede

considerar a la masa constante para este caso.

Al final de un tratamiento térmico masivo las propiedades de todo el cuerpo son

afectadas, mientras que al concluir el tratamiento térmico superficial únicamente se

alteran las propiedades de la superficie del cuerpo tratado.

Algunos tratamientos térmicos masivos son continuos y otros isotérmicos, dentro de los

tratamientos térmicos masivos continuos se ubica el temple que controla la dureza de

los materiales, al controlar el tiempo y el medio de enfriamiento; el recocido que

homogeniza las estructura del material (es muy común hacer procesos de recocido a

materiales que provienen de fases liquidas como el acero fundido o soldado ) y el

revenido que se emplea para alivio de fuerzas y recristalización de los materiales, es

común que se emplee luego de una deformación plástica.

Al llevar al material a la temperatura de tratamiento térmico y enfriarlo durante el

temple, se generan esfuerzos, esto se debe a que lo primero en enfriarse es el exterior

del cuerpo por lo que se contrae desde la superficie, pero en el interior existe mayor

temperatura que en la superficie del cuerpo, por lo que existe una tendencia a expandir

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su volumen desde el centro hacia fuera. Como la superficie quiere contraerse y el

interior dilatarse se generan esfuerzos que se pueden aliviar por medio del revenido.

los esfuerzos se notan como: σ=FA

Dentro de los tratamientos térmicos masivos isotérmicos se ubican el Austempering que

cambia la estructura del material de Austenita a Bainita y el Martempering que modifica

la estructura de un material de Austenita a Martensita, estas estructuras se describirán

mejor en el desarrollo de este informe.

Así mismo, algunos tratamientos térmicos superficiales son puros como el cementado,

nitrurado o el sulfonado; eléctricos que ocurren por medio de electrólisis como el

galvanizado, y químicos como el pavonado.

Los aceros pueden aceptar con mayor facilidad unos u otros elementos dentro de su

estructura, cuando se realiza un tratamiento térmico superficial puro, y durante éste se

agrega carbono, se dice que el proceso es Cementado; si en lugar de agregar carbono se

añade nitrógeno se identifica al proceso como Nitrurado y si en lugar de aumentar

nitrógeno se introduce azufre se llama Sulfonado.

El proceso de cementado se lleva a cabo a altas temperaturas (880ºC), por lo que luego

de concluido se debe realizar un temple y un revenido de aliviamiento de esfuerzos, de

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modo que se pueda garantizar las propiedades del material. El nitrurado se lleva a cabo

a temperaturas no tan altas como el cementado, desde unos 500ºC a 600ºC, y el

sulfonado, que se realiza a bajas temperaturas, entre 80ºC y 120ºC, por lo que no es

necesario realizar un temple o revenido luego de concluido el proceso.

Debe notarse que tanto el cementado como el nitrurado y el sulfonado añaden átomos de

C, N y S respectivamente a la superficie del material, sea por medio de sales como el

carbonato de bario, el cianuro de bario o el acido sulfúrico.

Dependiendo de la aplicación se puede realizar estos procesos superficiales desde

espesores de 0.5 (mm) a unos cuantos milímetros de espesor para obtener las

propiedades requeridas.

Resumiendo:

Tratamientos termicos

Masivos

Continuos

Temple

Recocido

Revenido

IsotermicosAustempering

Martempering

Superficiales

Puros

Cementado

Nitrurado

SulfonadoElectricos

Químicos

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Diagrama de T.T.:

Es una representación gráfica de datos numéricos tabulados que enlaza la temperatura

con el tiempo y se usa comúnmente para describir las variaciones de temperatura

durante un tratamiento térmico.

En el diagrama T.T. el eje vertical representa la temperatura y el eje horizontal el

tiempo, dado que algunos tratamientos térmicos tienen extensas duraciones en algunas

ocasiones se coloca el eje del tiempo en escalas logarítmicas.

Diagrama General de T.T.:

Este diagrama describe de forma general el proceso que debe ocurrir para llevar a cabo

un tratamiento termico adecuadamente.

En Forma esquematica, se tiene que:

Nótese que en eje vertical se coloca la temperatura y en el eje horizontal el tiempo.

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Donde: “T.T”. es la temperatura de tratamiento térmico, “S” es la superficie, “M” es la

masa, “tc” es el tiempo de calentamiento, “tm” el tiempo de mantenimiento y “te” el

tiempo de enfriamiento.

Se puede observar que existen 3 etapas principales, el calentamiento donde se lleva la

masa a tratar desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de tratamiento térmico,

seguida de la etapa de mantenimiento donde una ves que se ha alcanzado la temperatura

de tratamiento térmico se entrega energía para mantener esta temperatura hasta que todo

el cuerpo se caliente, pues lo primero en iniciar el calentamiento es la superficie del

cuerpo, una ves que se homogeniza la temperatura alrededor de todo cuerpo inicia la

tercera fase que es de enfriamiento y es en esta fase donde al controlar la velocidad y el

medio de enfriamiento se puede controlar las propiedades del material (Temple).

Si se analiza el gráfico se pueden obtener las velocidades de calentamiento y

enfriamiento, “vc” y “ve”.

vc=tanα=T .T .−Tatc

ve=tan β=T .T .−Tate

Si iguales variaciones de temperatura ocurren en mismos intervalos de tiempo, se dice

que el tratamiento térmico es continuo.

El estado estable es cuando se logra alcanzar la temperatura de tratamiento térmica

homogénea alrededor de todo el cuerpo.

La línea azul muestra una variación en el tiempo de enfriamiento, siendo para esta línea

mas rápido que para la línea negra.

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La línea roja muestra que se puede enfriar el cuerpo hasta cierta temperatura que se

mantiene por un lapso de tiempo y donde se realizan otros tratamientos para luego

finalmente terminar el enfriado (tratamiento térmico isotérmico).

Alotropía y polimorfismo:

Describen la capacidad de una material a presentarse con diferentes estructuras dentro

de un mismo estado (para nuestro estudio el estado solido), se define la alotropía cuando

se tiene una substancia pura y el polimorfismo cuando se tiene una aleación.

Estos gráficos relacionan la estructura que presenta el material y la temperatura a la que

se obtiene dicha estructura.

Alotropía del hierro:

En forma esquemática se conoce que:

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De la observación del grafico se puede constatar que el hierro tiene 3 estructuras: hasta

911ºC el hierro se presenta como Fe α con estructura BCC, desde 911ºC hasta 1392ºC

se tiene Fe γ de estructura FCC y de 1392ºC hasta los 1506ºC se tiene Fe δ con

estructura BCC; “Ta” es la temperatura ambiente.

Estos datos no son absolutos, sino solamente estimaciones cercanas a la realidad.

Diagrama F-C en equilibrio:

Es una representación grafica de las diferentes estructuras obtenidas al introducir

átomos de carbono en el hierro en relación con las temperaturas a las que se trata el

material.

En este diagrama el eje horizontal representa el porcentaje de carbono añadido al hierro

y en el eje vertical se disponen las temperaturas de tratamiento. De modo que si se tiene

un acero con algún porcentaje de carbono, se puede conocer las estructuras que

presentará al llevarlo a cierta temperatura.

En el diagrama F-C en equilibrio también se muestran los limites del material entre el

estado solido y liquido al llevarlo a diferentes temperaturas, que varían conforme el

porcentaje de C aumenta; es por eso que se dice que el material esta en equilibrio y de

hay su nombre.

Teniendo en cuenta la alotropía del hierro y el porcentaje de carbono añadido, se puede

identificar algunas estructuras y porcentajes notables: cuando se tiene una aleación con

0.8% de contenido de carbono se reconoce al acero como eutectoideo si tiene mas

contenido de carbono será hípereutectoideo y si tiene un menor porcentaje será

hipoeutectoideo. Se define como punto eutectoideo al punto donde una acero pasa de la

fase solida a liquida.

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Debe tenerse en cuenta que el carbono tiene un porcentaje máximo de solubilidad en el

hierro del 6.67% por lo que no importa cuanto carbono se añada en la aleación solo el

porcentaje máximo es aceptado, así se puede ir añadiendo infinitas cantidades de

carbono al acero para formar algunas estructuras como son: Ferrita (F), Perlita(P),

Austenita (A) y Cementita (C). Al introducir el porcentaje máximo de carbono en el

acero se forma un compuesto químico denominado carburo de hierro CFe3.

Si el acero, a temperatura ambiente, tiene un contenido de carbono muy pequeño (0.1%)

es reconocido como ferrita, como el hierro a temperatura ambiente presenta la forma Fe

α, se puede concluir que la ferrita es Fe α + C, otra estructura que se puede identificar es

la Austenita, que se presenta a elevadas temperaturas por lo que el hierro cambia a Fe γ,

entonces se puede definir la Austenita como Fe γ + C, si a temperatura ambiente se

continua añadiendo carbono se obtiene Cementita. La perlita es una combinación entre

cementita y ferrita.

Nótese que un acero es considerado como tal hasta que en la aleación exista un

porcentaje máximo del 2.1% de carbono, si la proporción supera este limite se conoce a

la aleación como fundiciones.

Después de un tratamiento térmico se puede llegar a obtener dos estructuras mas que

son la Bainita y la Martensita, pero se describirán en la sección Diagrama T.T.T.

Atención, es factible fabricar infinito numero de aceros, pues los porcentajes de carbono

en la mezcla son infinitos entre 0% y 6.67% además cabe explicar que existe una

temperatura a la que se posee el acero en dos faces solida y liquida, esto se debe a que el

acero comienza el cambio de fase a una temperatura, pero termina el cambio totalmente

a otra temperatura diferente a aquella donde inicio.

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Se considera que un acero tiene bajo contenido de carbono si el porcentaje de éste en la

aleación esta entre el 0.1% y el 0.3%, un acero dulce es aquel cuyo contenido de

carbono varia entre 0.1% y 0.15% en peso.

Como una observación la cementita es sumamente dura, pero muy frágil y la ferrita es

blanda y dúctil.

Diagrama Fe-C en equilibrio:

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[upload.wikimedia.org]

Diagrama T.T.T.:

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El diagrama temperatura-tiempo-transformación (T.T.T.) también conocido como

diagrama de meta-equilibrio, se utiliza para ver las fases por las que atraviesa un

material en un enfriamiento rápido a rapideces mayores a 3(ºC/S), cuando las rapideces

de enfriamientos son muy pequeñas (tienden a ser cero), se puede usar los diagramas de

equilibrio como referencia.

En los diagramas de T.T.T. se incluye información acerca de cómo cambia la estructura

del material en relación con el tiempo y la temperatura, de modo que queda definido el

proceso de temple para llevar el material de su estructura inicial a la requerida para

determinada aplicación.

Debido a que cada material tiene sus propiedades, y por lo tanto su respectiva Alotropía

o polimorfismo, cada material presenta su único diagrama T.T.T. para realizar un

temple adecuadamente a cierto material se debe tomar como referencia los valores

especificados en estos diagramas.

Es común encontrar curvas de inicio y fin de la transformación que se ubican dentro de

una curva de enfriamiento rapido en un diagrama T.T.T.

La martensita es una estructura que adquiere el acero luego del enfriamiento rápido del

material, al igual que la bainita.

La bainita es una mezcla entre ferrita y cementita, los aceros que poseen estas

estructuras son mas duros y resistentes que los perlíticos. La estructura bainítica se

forma a partir de partículas diminutas de cementita en una matriz de ferrita

La martensita es una mezcla sobresaturada de carbono y austenita, los aceros con esta

estructura son los mas duros y resistentes pero frágiles y menos dúctiles.

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“Para realizar un proceso de temple, no se puede escoger una temperatura aleatoria o al

azar, es estrictamente necesario elegir las temperaturas dentro de los rangos de

endurecido y normalizado.” [Monar,2012]

Diagrama T.T.T. completo para un acero eutectoide:

[jmcacer.webs.ull.es]

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Practicas de temple y revenido de alivio de esfuerzos:

Descripción de la practica:

Se procede a realizar un proceso de templado y para ello se introdujeron en un horno

calentado a 930ºC diferentes probetas por suficiente tiempo para que la temperatura sea

homogénea en todas las probetas, luego se sacaron del horno y se enfriaron en 3 medios

diferentes: en agua, aceite y aire. Para los medios de enfriamiento aceite y agua se

emplearon 3 probetas: acero 705, de transmisión y de construcción; mientras que para el

medio agua se utilizaron las mismas probetas anteriores con el añadido de una probeta

de acero DF2 que se empleo para un ejemplo de lo que no se debe hacer en el proceso

de templado.

Nótese que se tienen los datos de dureza de las diferentes probetas antes de realizar

cualquier proceso.

Se miden los tiempos de enfriamiento en cada medio y conocidas las temperaturas

ambiente y del horno se pueden obtener las velocidades de enfriamiento y comparar con

los diagramas T.T.T. o en equilibrio para conocer las estructuras del material luego del

proceso.

También se tomó la medida de la dureza de cada probeta enfriada en los diferentes

medios luego del templado, de modo que al trasladar los datos a una escala de dureza

universal se pueda comparar los resultados.

Antes de introducir las probetas en el horno se las coloca en cajitas de acero inoxidable

y se las cubre con limallas de hierro fundido, esto es útil para evitar la descarburación

de las probetas y evitar su oxidación.

Al cubrir las probetas con las limallas de hierro fundido se busca promover el flujo de

electrones entre la limalla y las probetas.

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Luego de este proceso se realizo un revenido de aliviamiento de esfuerzos y se volvió a

tomar datos de dureza para posterior análisis.

Datos Obtenidos:

Antes del templado:

MaterialMedida

Promedio1 2 3

Acero DF2 H65RB H90RB H60RB H72RB

Acero de Construcción H94RB H80RB H95RB H90RB

Acero 705 H80RB H70RB H85RB H78RB

Acero de Transmisión H90RB H95RB H96RB H94RB

Después del templado:

Enfriados en agua:

MaterialMedida

Promedio1 2 3

Acero DF2 H44RC H22RC H36RC H34RC

Acero de Construcción H40RA H39RA H36RA H38RA

Acero 705 H42RC H43RC H42RC H42RC

Acero de Transmisión H24RA H22RA H23RA H23RA

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Enfriados en aceite:

MaterialMedida

Promedio1 2 3


Acero 705 H31RC H31RC H31RC H31RC


Enfriados en aire:

MaterialMedida

Promedio1 2 3

Acero de Construcción H23RA H22RA H23RA H23RA

Acero 705 H36RA H35RA H34RA H35RA

Acero de Transmisión H24RA H23RA H23RA H23RA

Después del revenido de aliviamiento de esfuerzos:

Enfriados en agua:

MaterialMedida

Promedio1 2 3

Acero DF2 H92RB H93RB H91RB H92RB


Acero 705 H38RA H39RA H41RA H39RA


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Enfriados en aceite:

MaterialMedida

Promedio1 2 3




Enfriados en aire:

MaterialMedida

Promedio1 2 3




Datos calculados:

Rapideces de enfriamiento:

Medio Velocidad

Agua 14.92 (ºC/S)

Aceite 7.65 (ºC/S)

Aire 1.22 (ºC/S)

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Conversión de durezas:

Antes del temple

Material Medida

Acero DF2 H130B

Acero de construcción H185B

Acero705 H144B

Acero de transmisión H255B

Material

Medida

Después del

templado

Después de

revenido

Enfriado en agua

Acero DF2 H319B H195B

Acero de

construcciónH102B H172B

Acero 705 H390B H106B

Acero de transmisión H80B H79B

Enfriado en

aceite

Acero de


Acero 705 H294B H205B


Enfriado en aire

Acero de


Acero 705 H49.5B H180B


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Análisis de datos:

Se puede observar que el acero con mayor dureza antes de cualquier tratamiento es el

acero de transmisión, mientras que al final del temple de entre todos los medios de

enfriamiento, el acero con mayor dureza es el acero 705 enfriado en aceite.

De entre cada medio en particular el acero mas duro es: para el caso del agua el acero

DF2, para el aceite el acero 705 y para el aire el acero de construcción.

Conclusiones:

1. El diagrama de equilibrio Fe-C se emplea cuando la rapidez de enfriamiento

tiene a cero

2. El acero al ser una aleación presenta Polimorfismo

3. El acero mas duro al final del tratamiento fue el acero 705 enfriado en aceite

4. El diagrama T.T. representa las variaciones de temperatura en función del

tiempo

5. Se debe realizar revenido de alivio de esfuerzos después de un proceso de

templado

Recomendaciones:

1. Tomar mayor numero de medidas por probeta para poder estimar los valores de

dureza con mayor exactitud

2. Se puede utilizar limallas de otros materiales como protección para las probetas

además de la limalla de hierro fundido

3. Tomar en cuenta siempre los datos de los diagramas T.T.T. y en equilibrio para

realizar un tratamiento térmico adecuado a un material

Bibliografía:

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Informe Nº2Grupo 7

http://www.carbidedepot.com/formulas-hardness.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Martensita#En_aceros

http://es.wikipedia.org/wiki/Bainita

http://jmcacer.webs.ull.es/CTMat/Transparencias%20de%20clase_archivos/

T9Transf&Trat0607.pdf

http://elhombretecnologico.es.tl/DIAGRAMAS-DE-FASES.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Perlita

http://www.wordreference.com/definicion/alotrop%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama

http://kuuk-peex.foroactivo.com/t201-tratamientos-termicos

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f9/

Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg/300px-

Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg.png

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