Tesis en Opción del título de Master
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Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigaciones de Soldadura Tesis en Opción del título de Master Acero para Blindaje: Microestructura y Dureza en función del Tratamiento Térmico Autor: Lic. María Isabel Yacobet Benitez Tutor: Dr. Ing. Rafael Fernández Fuentes Consultante: MSC. Jorge Luis Guerra Junio de 2015
Transcript of Tesis en Opción del título de Master
Facultad de Ingeniería Mecánica
Centro de Investigaciones de Soldadura
Tesis en Opción del título de Master
Acero para Blindaje: Microestructura y
Dureza en función del Tratamiento Térmico
Autor: Lic. María Isabel Yacobet Benitez
Tutor: Dr. Ing. Rafael Fernández Fuentes
Consultante: MSC. Jorge Luis Guerra
Junio de 2015
Índice Pág.
Introducción...........................................................................................................1
Capítulo I: Revisión de la literatura....................................................................3
1.1 Generalidades…………………........................................................................3
1.2 Constituyentes Microestructurales resultantes del Tratamiento Térmico del
Acero.......................................................................................... ………….....4
1.3 Efecto del Revenido en la Microestructura y Propiedades Mecánicas de los
Aceros…………………………………………………………………….….6
1.4 Variables Asociadas con el Revenido, que afecten a la Microestructura
y Propiedades Mecánicas del Acero………………………………...............8
1.5 Clasificación de los Equipos de Revenido……………..................................9
1.6 Templabilidad del Acero…………………………………...........................10
1.7 Desempeño Balístico de los Aceros para Blindaje……................................11
1.8 Clasificación, Tipos y Características fundamentales de los Aceros para
Blindaje.........................................................................................................15
1.9 Efecto de los Principales Componentes de Aleación en Aceros para
Blindaje........................................................................................................17
Capítulo II: Materiales y Métodos...................................................................19
Capítulo III: Análisis y Discusión de los Resultados......................................24
3.1 Comportamiento de la dureza........................................................................24
3.2 Comportamiento de la microestructura..........................................................35
3.3 Ensayo de Impacto.........................................................................................41
3.4 Bases Técnicas para la Tecnología del Tratamiento Térmico de las
Planchas de Acero para Blindaje para espesor 8 mm...................................43
3.5 Prueba de Rigor Balística...............................................................................44
Conclusiones.......................................................................................................46
Recomendaciones...............................................................................................47
Referencias Bibliográficas.................................................................................48
Anexos................................................................................................................50
Resumen
Se presenta un estudio sobre el comportamiento de la microestructura y la dureza del acero
30XГC y del acero 30CГM con temple y revenido bajo en muestras procedentes de diferentes
lotes, con el objetivo de determinar la homogeneidad de estas variables en el espesor de cada
muestra, así como la variable tiempo para el acero de medio carbono y baja aleación, empleados
para blindaje. Aplicando la microscopía óptica y el ensayo de dureza Vickers, se determinó que
los lotes de acero 30XГC y los del sistema 30CГM, estudiados no muestran diferencias en
cuanto a la dureza y la microestructura de cada muestra, aunque sí se aprecian diferencias entre
muestras.
Summary
The present study on the behavior of the microstructure and hardness of steel with quenching and
tempering 30XГC and steel 30CГM low in samples from different batches, in order to determine
the homogeneity of these variables in the thickness of each sample as well as between them.
Using optical microscopy and the Vickers hardness test, it was found that batches studied
30XГC and 30CГM steel show no differences in hardness and microstructure in the thickness of
each sample, although different cowered en between samples.
1
INTRODUCCIÓN
En la historia de la humanidad juega un papel de suma importancia el desarrollo de las
herramientas, instrumentos, maquinarias, armas, etcétera, que a lo largo de milenios de
existencia han marcado el nivel de desarrollo del hombre. Importantes cambios sociales han
sido condicionados por el impulso dado a las relaciones de producción, en esto incide la
introducción de materiales nuevos que adquieren importancia creciente, así como nuevos
conocimientos científicos que demandan estos materiales como nunca antes en la historia
humana.
Desde mediados del siglo XX la producción de acero para diferentes fines se clasifica por su
composición química, propiedades físicas y mecánicas, teniendo en cuenta su estructura y la
calidad con que se hacen. Esto se logra a través de tratamiento térmico.
Un nuevo paso de avance lo constituyó el desarrollo de aceros aleados que permitieron la
construcción de nuevos equipos, aviones, armamentos, vehículos. Estos nuevos aceros
avanzados y de alta resistencia, han sido desarrollados por la industria siderúrgica. Dichos
tipos de aceros ofrecen un excelente equilibrio de precios, pesos y propiedades mecánicas.
El mundo y en particular Cuba está atravesando por una situación económica que impone
serias limitaciones financieras en la adquisición de materia prima necesaria para el desarrollo
industrial. Un ejemplo lo constituye el acero en forma de chapas de diferentes espesores,
requerido para fabricar componentes que satisfacen condiciones de alta resistencia mecánica y
garantizan un blindaje adecuado.
A la empresa Planta Mecánica de Villa Clara, el estado le asignó la construcción de
determinadas piezas, equipos de alta complejidad, y de gran importancia para la defensa del
país, así como para su economía, empleando planchas en existencia de aceros 30XΓC(NC
30CrMnSi) y para él del sistema C-Si-Mn-Mo, con espesor 8 mm. Para el caso del acero
30CrMnSi, por ser un acero mejorado, existe suficiente información sobre sus propiedades
mecánicas luego de un temple seguido de un revenido alto; sin embargo en condiciones de
temple y revenido bajo - poco usuales para este acero - la información disponible es limitada;
al igual del acero medio de carbono y baja aleación de sistema C-Si-Mn-Mo.
Por tal motivo, la aplicación del acero para prestaciones especiales con sistema C-Si-Mn-Mo
en condiciones de temple y revenido bajo, se impone la necesidad de realizar diversos
estudios encaminados a establecer cómo influye el tratamiento térmico sobre el
comportamiento mecánico del referido acero. De esta manera, por solicitud de la Fabrica
Planta Mecánica “Fabric Aguilar Noriega”, en el presente trabajo se realiza un estudio sobre
el efecto de los tiempos de revenido.
2
Objetivo general:
Evaluar el efecto del tratamiento térmico (temple y revenido bajo) sobre la microestructura y
dureza de aceros mejorables de contenido medio de carbono y baja aleación al C-Si-Mn-Mo
para aplicación en blindaje. Además de comparar los resultados del acero antes mencionado,
analizaremos los del sistema 30CrMnSi.
Objetivos parciales:
Evaluar el efecto del tratamiento térmico (temple y revenido bajo) sobre la microestructura y
dureza en el espesor de diferentes lotes del acero mejorable de contenido medio de carbono y
baja aleación al 30CrMnSi, para aplicación en blindaje.
Evaluar qué efecto tiene el tiempo en el revenido bajo sobre la microestructura y dureza del
acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación al C-Si-Mn-Mo, para
aplicación en blindaje.
Hipótesis:
Las variables del tratamiento térmico del acero para blindaje - temperatura y tiempo – definen
el estado microestructural del mismo y así establecen el comportamiento mecánico expresado
por la variable dureza.
Método Utilizado:
Filosófico – Histórico Lógico. Buscar la historia del suceso y poder trabajarlo normal, desde
el punto de vista de la concepción del trabajo.
Problema Práctico:
Se desconoce el efecto del tiempo del revenido para el acero aleado de medio carbono y baja
aleación del sistema C-Si-Mn-Mo, como también el acero 30CrSiMn para blindaje. En estos
aceros con espesor de 8 mm y 30 mm: analizaremos el comportamiento de la dureza y
microestructura en función del tiempo de revenido.
Novedad Científica:
Se logra un mejoramiento en la microestructura, y después del revenido se determina;
microdureza, resiliencia y respuesta balística en el acero con propiedades especiales.
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Capítulo I
Revisión de la literatura
1.1.Generalidades
El tratamiento térmico es un conjunto de operaciones que consiste en el calentamiento,
mantenimiento a la temperatura dada y enfriamiento de las piezas metálicas con el fin de
cambiar la estructura y las propiedades de las aleaciones que las componen [1]. Cualquier
proceso de tratamiento térmico puede ser representado gráficamente en las coordenadas de
temperatura y tiempo (figura 1).
Figura 1. Esquema general de tratamiento térmico.
Las variaciones de las propiedades de una aleación que ocurren como resultado del
tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario no tendría sentido el tratamiento
térmico. Para cambiar las propiedades de una aleación es necesario que se produzcan en el
tratamiento térmico variaciones estables que dan lugar a las transformaciones de fases y
estructurales en todas las zonas del metal.
Para desarrollar una correcta tecnología del tratamiento térmico se deben controlar los
factores principales del proceso como son (figura 1) [2]:
El control exacto de la temperatura (Vcal.)
El control del tiempo de permanencia (τp) para que se garanticen las transformaciones
de fases o procesos buscados.
El control de la velocidad de enfriamiento (Venf.)
La velocidad de calentamiento tecnológicamente admisible determina los factores
siguientes:
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La composición química del acero, que influye en las propiedades térmico-físicas del
mismo.
La estructura del acero.
La configuración de la pieza.
La zona de temperaturas en la cual se efectúa el calentamiento.
El calentamiento del acero es la operación principal de cualquier tratamiento térmico, y
representa del (40 al 80) % del tiempo total de duración del mismo. Durante el calentamiento
en el metal transcurren diversos procesos como las dilataciones térmicas, las transformaciones
de fases y de estructura, las variaciones de las propiedades físicas y mecánicas, etc.
En la práctica se suele calcular la velocidad media de calentamiento o enfriamiento. Esta es
igual a la temperatura máxima de calentamiento dividida por el tiempo de calentamiento o
enfriamiento [1]:
Vm.cal= Tmax/τcal…… (1)
Vm.enf.=Tmax/τenf……(2)
Dónde:
Vm. cal= velocidad máxima de calentamiento (ºC/h).
Vm. enf= velocidad máxima de enfriamiento (ºC/h).
Tmax= temperatura máxima de calentamiento de la aleación.
Tp= temperatura de permanencia o mantenimiento.
τp = tiempo de permanencia.
τcal y τenf= tiempo de calentamiento y enfriamiento.
1.2. Constituyentes microestructurales resultantes del tratamiento térmico del acero
En los aceros hay diferentes tipos de constituyentes, que forman la microestructura de los
aceros [3, 4]:
Ferrita: es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura
ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008 % de C. Es por esto que
prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el constituyente de
los aceros más blando y dúctil. Cristaliza en la variedad alfa (α) hasta la temperatura 768 °С.
La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia
entre átomos es de 2.86 A . Tiene una dureza de 95 HV, y una resistencia a la rotura de 28
5
kgf/mm2, llegando a un alargamiento (δ) del (35 al 40) %. Además de todas estas
características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele
contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional.
Cementita: es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67 % de C y 93.33 % de
Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960
HV. Cristaliza formando una red cristalina compleja (ortorrómbico) de gran tamaño. Es
magnética hasta los 210 ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.
Perlita: es un constituyente compuesto por el 86.5 % de ferrita y el 13.5 % de cementita, es
decir, hay 6.4 partes de ferrita y una de cementita. La perlita tiene una dureza de
aproximadamente 200 HV, con una resistencia a la rotura σв= 80 kgf/mm2 y un alargamiento
δ= 15 %. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y
ferrita que tienen reflejos nacarados observados en el microscopio. Esta estructura laminar se
observa en la perlita cuando el enfriamiento aplicado es muy lento. Si el enfriamiento es muy
brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se
calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita
adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la
denominación de perlita globular.
Austenita: es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida
por inserción, de carbono en hierro gamma (Feγ). La proporción de carbono disuelto varía
desde (0 - 1.76) % de carbono, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad
a la temperatura de 1130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723 ºC. La austenita está formada
por cristales cúbicos de hierro gamma y cristaliza en la estructura FCC (centrada en las caras)
con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una
dureza de 305 HV, es dúctil y tenaz con una resistencia de 100 kgf/mm2 y un alargamiento de
un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. Excepcionalmente, hay algunos aceros al
cromo-níquel denominados austenítico, cuya estructura es austenítica a la temperatura
ambiente.
Martensita: es un constituyente típico de los aceros templados, se admite que está formado por
una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada
en el cuerpo. Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden
difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven
ligeramente para convertir su estructura en una red cúbica centra en el cuerpo, tipo BCC. La
martensita se presenta en forma de agujas (laminas) su aspecto es acicular formando agujas en
6
zigzag, con un ángulo de 60° ó 120° y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de
carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo 0.89 % aumentando
su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en
torno a 540 HV, y su resistencia mecánica (σ) varía de (175 a 250) kgf/mm2 y su alargamiento
es del orden del (2.5 - 0.5) %. Además es magnética.
Bainita: se forma este constituyente debido a la transformación isoterma de la austenita, en un
rango de temperaturas (250 a 550) ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita
hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación
total de la austenita en bainita.
Sorbita: es un agregado fino de cementita y ferrita, se obtiene por enfriamiento de la austenita
a velocidad bastante inferior a la crítica de temple o transformación isotérmica de la austenita
en la zona de baja temperatura entre (500 - 650) °C aproximadamente, es un constituyente de
mayor resiliencia, σв= (88 - 140) kgf/mm², (250 - 400) HB, δ= (10 - 20) %, es constituyente
de casi todos los aceros forjados y laminados.
Troostita: es un agregado fino de mezcla de ferrita y cementita. Se produce por enfriamiento
de la austenita a velocidad ligeramente inferior a la crítica de templeo por la transformación
isotérmica de la austenita a temperatura aproximadamente entre (500 - 600) °C, según sea la
composición química de los aceros. Es magnética, es constituyente nodular, oscuro, con
estructura radial y aparece generalmente acompañado a la martensita y a la austenita,
situándose en los contornos de los cristales. Presenta un alargamiento relativo δ= (5 – 10) %,
su dureza de (400 – 500) HB y una σв = (40 – 175) kgf/mm2.
La perlita, sorbita y troostita son de por si mezclas de ferrita y cementita de distinto grado de
dispersión de las fases que tienen estructuras laminares.
La dureza y resistencia de la mezcla son directamente proporcionales a la dispersión de las
fases; cuanto más dispersa es la estructura, tanto más altas tienen la dureza y la resistencia.
Efecto del revenido en la microestructura y propiedades mecánicas de los aceros
La martensita obtenida en el temple tiene elevada dureza, pero lamentablemente, las tensiones
alrededor de los átomos de carbono atrapados en la red cristalina del hierro, producen
fragilidad en las piezas templadas. Es necesario reducir la fragilidad; para ello se les somete a
un calentamiento posterior al temple, denominado Revenido [5, 6].
El revenido del acero es la operación final del tratamiento térmico que se realiza después del
temple, para obtener valores específicos de las propiedades mecánicas, también para aliviar
7
tensiones y asegurar la estabilidad dimensional garantizándose un mayor equilibrio en el
acero [2].
El revenido puede realizarse por calentamiento total o a determinadas zonas de las piezas,
durante un tiempo suficiente, para que se desarrollen las transformaciones estructurales
deseadas y garantizar las propiedades mecánicas requeridas, con un mínimo valor de las
tensiones internas, en el metal.
Según la literatura estudiada [6], el revenido se puede dividir en las siguientes etapas:
Primera etapa del revenido: a baja temperatura (entre 80 ºC y 200 ºC).
Segunda etapa del revenido: a temperatura media (entre 200 ºC y 300 ºC).
Tercera etapa: a una temperatura (entre 350 ºC y 450 ºC).
Cuarta etapa: a alta temperatura (más de 400 ºC y hasta 650 ºC).
De acuerdo con estas etapas, durante el calentamiento de una estructura martensítica ocurren
en el acero las siguientes transformaciones [2] :
En la primera etapa, la martensita disminuye el grado de tetragonalidad de la red cristalina a
causa de que el carbono se separa de esta en forma de carburos (ε). Como resultado del
revenido a baja temperatura, la martensita templada se transforma en la revenida adquiriendo
elevada resiliencia y plasticidad, de esta forma, el acero conserva alta la dureza.
Prácticamente durante esta etapa no disminuye la dureza, pero sí disminuyen las tensiones
internas y parte de la austenita residual. En esta etapa se someten las herramientas,
cementación, etc.
En la segunda etapa, la austenita residual se transforma en una mezcla formada por solución
sólida sobresaturada de carbono. El carbono se precipita en un carburo de hierro ε (épsilon) y
se cristaliza en el sistema hexagonal, su fórmula es Fe2.4C y es un carburo diferente a la
cementita (Fe3C).Esta precipitación del carburo (ε) se realiza en los límites de los subgranos
heredados de la austenita, los cuales se manifiestan en martensita revenida con 0,25 % de
carbono, transformándose su red tetragonal en red cúbica.
En la tercera etapa, se eliminan las tensiones residuales y la estructura de los carburos (ε) se
torna cementita. La estructura es denominada bainita de revenido (mezcla de cementita y
ferrita). Aparece la fragilidad del revenido de primer género. El límite elástico alcanza su
valor más elevado y la estructura de los carburos se torna en cementita que se separa de la red
cristalina de la disolución sólida. La formación de cementita y su coagulación (concentración
de sus granos) van acompañadas de una disminución de dureza y aumento de viscosidad y
plasticidad. Se puede utilizar en muelles, resortes, estampas, etc.
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En la cuarta etapa, se obtiene la sorbita de revenido y la Troostita de revenido (mezclas de
ferrita y cementita). En este caso se eliminan totalmente las tensiones internas y coagulan las
partículas de cementita. Como resultado de la etapa, disminuye la dureza del acero templado,
pero aumentan notablemente su resiliencia y plasticidad. En la troostita de revenido la
cementita adquiere su estructura granulosa, a diferencia de la sorbita de revenido que presenta
una estructura muy fina. El revenido en altas temperaturas se utilizan para las piezas que su
funcionamiento experimentan grandes tensiones y resistencia al choque [7].
1.4. Variables asociadas con el revenido, que afecten a la microestructura y propiedades
mecánicas del acero
Las variables asociadas con el revenido, que afecten a la microestructura y las propiedades
mecánicas de un acero, incluyen:
La temperatura del revenido.
El tiempo del revenido.
La proporción de enfriamiento de la temperatura
La composición del acero.
Las propiedades del acero revenido son principalmente determinadas por [6]: el tamaño, la
forma, la composición química y la distribución de los carburos. La distribución de los
carburos en los aceros generalmente se elevan en la temperatura del revenido, la dureza
disminuye que forman una contribución relativamente menor de sólidos y soluciones que
endurecen la ferrita. Estos cambios en la microestructura normalmente disminuyen dureza, la
fuerza tensionales y rinden fuerzas pero incrementan la ductilidad y tamaño del grano [7].
En el revenido varían las propiedades del acero según las temperaturas de enfriamiento; en
algunos casos se transforman los constituyentes con procesos difusivos y ocurren
transformaciones en las temperaturas no solamente al acero al carbono sino a ciertos aceros
aleados.
En cuanto a la difusión nos referimos a los fenómenos de penetración de los átomos de una
sustancia en otra sustancia a través de los procesos térmicos relacionados con el calentamiento
y enfriamiento de los cuerpos [8]. La noción de difusión no se aplica a los átomos aislados
como las traslaciones macroscópicas de la sustancia, sino es el resultado de un enorme
número de traslaciones pequeñas de átomos aislados. Esto es posible únicamente si uno de los
componentes es soluble en el otro.
Dentro de las propiedades mecánicas obtenidas después del revenido están, los índices de
plasticidad (Ψ); los índices de resistencia mecánicas (σ) y los índices de elasticidad (δ). Los
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índices de plasticidad aumentan al elevarse la temperatura de revenido entre (600-650) ºC
para obtener una plasticidad máxima, al igual que los índices de elasticidad (δ). Sin embargo,
la variación de estas propiedades con la elevación de temperatura de revenido no es repetida.
La resiliencia (Kc) del acero varía según el ensayo ordinario de resistencia al choque en
dependencia de la temperatura de revenido, la resiliencia es baja cuando la temperatura de
revenido es de 400 ºC, después comienza a aumentar la temperatura lo que con lleva aumentar
la resiliencia, su máximo alcanza a los 600 ºC.
1.5. Clasificación de los Equipos de Revenido
El revenido puede realizarse por inmersión en el horno, el tiempo suficiente para que el
mecanismo alcance el punto deseado de terminación del proceso, también es posible por
calentamiento selectivo de ciertas partes de la pieza para lograr la dureza o la plasticidad en
esas áreas.
La mayor parte del proceso puede ser hecho en hornos de convección térmica, de sales
fundidas, en baños de aceite caliente y de metal fundido. La selección del tipo de horno
depende principalmente del número y tamaño de las piezas y de la temperatura deseada. La
tabla 1 muestra los rangos de temperatura de estos cuatro tipos de equipos [6].
Tabla1.1.Especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido
Tipo de
Equipo
Rango de
Temperatura,
º C
Condiciones de Servicio
Horno de
convección 50 - 750
Para grandes volúmenes de pieza; comúnmente pulidas;
de carga variables que hacen el control de las
temperaturas más fácil.
Baño de sales
fundidas
160 - 750
Calentamiento rápido y uniforme, para volúmenes bajos
y medios de piezas, no deben utilizarse para piezas con
configuraciones difícil de limpiar.
Baño de aceite
caliente
≤ 250
Buena, si la exposición es largamente deseada es
necesaria una ventilación especial como el control de la
llama.
Metal fundido ≥ 390 Calentamiento muy rápido, es necesario dispositivos
especiales, (alta densidad).
Los hornos de convección térmica se utilizan para la transmisión del calor por movimiento, en
realidad transmiten la energía interna térmica a largas distancias entre las cargas térmicas y el
ambiente térmico que se utilice como fuente, ya sea como aislante sólido o fluido. Los fluidos
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típicos de trabajos ingenieriles de convección son: los fluidos refrigerantes, los
caloportadores, etc.
Los baños de sales fundidas y metales fundidos, además del agua, el aceite y las soluciones
acuosas, se emplean como medios de calentamiento del temple.
Como medio de enfriamiento usamos los aceites minerales, junto con su viscosidad suele ir
acompañada de una elevación del punto de ebullición y disminuye el tiempo de la fase de
vapor, pero suaviza las condiciones de la fase de convección.
1.6. Templabilidad del acero. Aspecto teórico
Se entiende por templabilidad la profundidad a que penetra en la pieza la zona templada [3,
6]. Es un término utilizado en describir la aptitud de una aleación para endurecerse por
formación de martensita a consecuencia de un tratamiento térmico.
La penetración de temple o templabilidad depende de los elementos de aleación, los que más
favorecen son: Mn, Mo, Cr y otros. En los aceros aleados, especialmente en los de bajo
contenido en carbono, se ha comprobado que los elementos de aleación aumentan,
ligeramente [8].
La dureza que se obtiene en el temple de los aceros y la templabilidad son dos características
que se confunden con mucha frecuencia pero sin embargo, conviene diferenciarlo con
claridad. La penetración del temple puede crecer utilizando un agente de enfriamiento más
severo, en cambio la templabilidad es intrínseca al acero, independientemente del tamaño de
la pieza y de la severidad del enfriamiento.
La templabilidad no debe confundirse con el valor máximo de la dureza que adquiere el acero
como resultado del temple, esta depende principalmente del contenido de carbono. La
templabilidad incompleta (no en todo el espesor) ocurre en el temple, la pieza se enfría más de
prisa en la superficie y más despacio en su centro. A medida que disminuye la velocidad
crítica de temple, aumenta la profundidad de la capa templada.
Ha sido mostrado que la dureza y la templabilidad son dos cosas distintas y se ha visto que la
templabilidad influye notablemente en los resultados cuando se ensayan piezas de bastantes
espesores, en cambio, influyen muy poco cuando se templan perfiles delgados pues estos
penetra hasta el corazón de la pieza; con aceros de diferentes aleaciones y del mismo
contenido de carbono se obtienen características casi idénticas cuando se trata de pequeños
diámetros y muy diferentes cuando se trata de piezas de gran espesor.
Cuando se templa el acero en todo el espesor, las propiedades son homogéneas, si el temple
no penetra hacia el centro, las propiedades del acero templado varían desde la superficie hasta
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el centro, del mismo modo ocurren en una serie de probetas que se templasen con distintos
velocidades de enfriamiento (agua o aceite).
En las piezas templadas y revenidas, es necesario que las estructuras obtenidas sean
granulares (granos) en toda la sección, es decir, que la templabilidad llegue hasta el centro de
la pieza. Si la velocidad efectiva de enfriamiento de la pieza es mayor que la crítica, el acero
tendrá templabilidad a corazón, es decir, en toda la sección del acero habrá estructura
martensita.
La caracterización de cualquier acero suele empezar por la determinación de su composición
química, seguida de análisis metalográfico y óptica y de microscopia de barrido y de otro
conjunto de ensayos de laboratorios: mecánicos, radiográficos térmicos, etcétera que permiten
precisar su estructuras y propiedades.
1.7. Desempeño Balístico de los Aceros para Blindaje
El término blindaje: Se refiere a barreras físicas de protección utilizadas en sistema de
transporte o de combate para reducir o evitar el daño causado por el fuego del enemigo [9].
Los materiales para el blindaje se elevan con el temple. Las placas de prueba para artillería
son inspeccionadas después de los ensayos de resiliencia para evitar el perforado balístico,
haciendo un análisis de su habilidad de soportar fractura y agrietamiento, se determina por los
ensayos Charpy, mediante una muesca en V transversal afectando la energía según la carga
dinámica aplicada a una temperatura de 40 ºC. En todo blindaje se tiene en cuenta la energía
del proyectil y su transferencia sobre los vehículos blindados.
La energía del proyectil se dispersa después que ocurre la explosión sobre las planchas
blindadas. Los aceros de composición blindadas, han sido producidos por el proceso de
tratamiento térmico de homogeneización y tratado a niveles de dureza que van desde (50 a 60)
HRc. Las planchas para blindaje de aceros homogéneos, todavía son usadas en vehículos de
combate del ejército bajo las normas [10] en producciones como cascos, torres blindadas,
cúpulas, etcétera [11].
El material balístico:
El material balístico tiene la propiedad de resistir a la penetración del proyectil, este es un
parámetro imprescindible para los materiales blindados por lo que se le atribuye la diferencia
entre mover los vehículos y lanzar el proyectil.
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Proceso de Blindaje:
Las nuevas tecnologías de blindaje y los procesos de fabricación están constantemente
refinados y mejorados gracias a esfuerzos diligentes que mejoran el proceso continuo. Todos
los materiales están codificados, numerados y certificados por un laboratorio independiente
para asegurar la integridad, el rendimiento balísticos y para ellos se realizan comprobaciones
que acredita cada lote de material de blindados utilizados.
En el proceso de blindaje en los vehículos se utilizan dos tipos de planchas las transparentes y
las opacas. Las transparentes se refieren a los vidrios integrados por capas densas de vidrio
balístico laminadas a un escudo interior de policarbonato resistente. Su campo de aplicación
está destinado para las ventanas blindadas [12]. Las opacas, son de un acero para blindaje
endurecido, resistente a pruebas balísticas, presenta una estructura de polietileno ligero
(Escudo Espectral) cumpliendo con los estándares en la capa superior, de alta dureza,
excelente resistencia al impacto, liviano e irrompible y otros estándares [13]. Una vez que el
vehículo ha sido blindado, se ensamblan las planchas de estos componentes termoplásticos
que conforman la estructura del vehículo para reflejar el acabado original de fábrica. El
material incorporado al proceso de blindaje es elaborado con una composición química
especial que garantiza la integridad balística y maximiza la dureza Brinell.
Existen otros tipos de blindaje: el reactivo, de municiones, y otros. El reactivo otorga
protección especial a los carros de combate contra las municiones explosivas denominadas
blindaje antitanques. Se usan muros de protección y corazas para vehículos de transporte de
personal [13], entre ellos tenemos las limusinas, que cuentan con una forma de blindaje
hermético destinado a proteger al viajante de la metralla y ataques balísticos directos.
El blindaje de municiones una clase especial de protección o de endurecimiento otorgado a
los proyectiles de municiones blindadas, para neutralizar los blindajes descritos
anteriormente.
El Blindaje Homogéneo Laminado:
El termino RHA (de las siglas en inglés Rolled Homogeneous Armour) significa Rollos de
láminas para el blindaje homogéneo [14].
El blindaje homogéneo laminado (RHA) es un tipo de acero que se aplica en el blindaje de
vehículos, es llamado blindaje homogéneo debido a que su estructura y composición es
uniforme a través de su sección [15].
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Características del Blindaje:
El acero para placas de blindaje debe ser fuerte, tenaz y resistente, no debe estirarse cuando es
sometido a un impacto rápido y fuerte. El acero de estas características es producido a partir
de bolas de acero fundido de tamaño apropiado y laminándolos en placas del grosor
requerido.
La laminación y forjado homogeniza la estructura granular del acero, removiendo las
imperfecciones que reducirían la resistencia del acero. La laminación también prolonga el
material, es decir extiende la estructura granular en el acero formando largas líneas, las que
permiten que la tensión a la que es sometido el acero cuando está bajo carga sean dispersadas
a través del metal y que no se concentren en un sólo punto. La superficie del acero, que
comienza como una placa de blindaje homogéneo laminado [16], es endurecida por un
proceso de tratamiento térmico.
Desde la invención de los tanques hasta la Segunda Guerra Mundial, el blindaje incrementó su
grosor para resistir el creciente tamaño y el poder de los cañones antitanques. Un tanque con
suficiente Blindaje homogéneo laminado podía resistir los más grandes cañones entonces en
uso. El blindaje homogéneo laminado fue usado por todos los tanques durante este período y
se evaluaba su efectividad a través del grosor de la placa del blindaje. Esta medida de
efectividad de penetración de blindaje ha permanecido en uso, debido a que es una forma
general útil para comparar la efectividad de perforación de blindaje de diferentes armas
antitanque.
Existen diferentes tipos de blindaje que ni siquiera usan el acero sino los materiales cerámicos
(contienen elementos metálicos y no metálicos) donde están presente los CaO, MgO, NiO,
FeO y otros, que presentan propiedades elevadas de resistencia y dureza.
El Blindaje Homogéneo Laminado Equivalente:
El termino RHAe: (de las siglas en inglés Rolled Homogeneous Armour equivalency)
significa Rollos de láminas para el blindaje homogéneo equivalente, utilizado para el
propósito de pruebas y calibración de cañones antitanques.
Una nueva generación de proyectiles antitanque hizo su aparición, estos no usaban un
proyectil pesado, resistente y de alta velocidad para penetrar un blindaje de acero, sino que
usaban una carga explosiva llamada carga hueca (es un proyectil que se proyecta sobre la
placa, choca, se derrite y penetra; una vez en el vacío explota) para romper la resistencia del
acero. La efectividad contra los nuevos métodos de ataque principalmente las cargas huecas y
penetradoras de energía cinética, fue reemplazada por el blindaje compuesto.
14
Debido a las variaciones en la forma, calidad, material y desempeño del blindaje homogéneo
laminado equivalente, la mayor parte de los vehículos blindados poseen una estructura de
base formada por el blindaje homogéneo (RHA) para darle una fortaleza y resistencia general
contra amenazas de todo tipo [14]. Sobre esta estructura construida se agregan los nuevos
tipos de blindaje.
En su uso actual, el acero laminado homogéneo para el blindaje (RHA) es producido bajo la
norma militar [16] por varios fabricantes. La norma para el acero [14] es muy similar pero no
idéntica a la norma para la aleación de acero de alta resistencia [15], aunque las propiedades
mecánicas son muy similares a esa aleación.
La elección de las aleaciones para blindajes se identifican por los siguientes factores: [9]
Eficiente en el campo de tiro
Deben ser ligeros
Buena soldabilidad
El volumen,
Con relación al volumen, es un factor importante para las planchas blindadas porque si el
blindaje es voluminoso y la densidad del área es baja, será difícil suministrar la posibilidad
suficiente de cubrir requisitos en el espesor de los equipos, las armas de fuego, municiones,
etc.
Otro elemento a considerar es la plasticidad, según el comportamiento en los materiales
blindados, porque estudia el comportamiento de deformaciones de los materiales dentro de los
regímenes de tensión en proporciones diferentes.
Dentro de las proporciones de tensiones identificadas debido a las cargas dinámicas en las
estructuras metálicas, se han determinado cuatro clases: [9]
La duración del impacto (cargas dinámicas)
El estado de tensión del material
El efecto térmico que acompaña a cada clase de tensión con relación a las
temperaturas sometidas y el tiempo a que se mantiene para lograr su objetivo
propuesto
El efecto de la temperatura y el tiempo según los parámetros del tratamiento térmico
Rendimiento Balístico:
En el rendimiento balístico se verifica a través de diversos experimentos aplicados al
desarrollo de blindajes metálicos desde cualquier cambio significativo de tratamiento térmico,
15
la composición de la aleación y otros parámetros que afectan las propiedades mecánicas y la
correlación sobre la actuación balísticas [17].
Se conoce que los modelos reales están basados en las propiedades mecánicas, en la
geometría del proyectil y del blanco (material), este último está relacionado con el proceso de
fundición y los parámetros de penetración del proyectil.
1.8. Clasificación, tipos y características fundamentales de los aceros para blindaje
En la industria de los aceros es posible nombrar un mismo material basándose en diversos
tipos de nomenclatura según su utilización, incluso según el país o la región donde sea
empleado y distribuido estos aceros [18].
Se clasifican en: aceros aleados de alta resistencia, aceros especiales de alta resistencia y
aceros de baja aleación.
Entre los aceros aleados de alta resistencia más usados en la industria tenemos los: HY [19]
denominados aceros templados y revenidos, con la designación siguientes HY- 80 y HY- 100,
similares al marcaje ASTM.
En la tabla 2, describimos las equivalencias y la composición de los elementos según la norma
[20].
Tabla 1.2. Nombre comercial del acero aleado
Dónde:
HY: son aceros aleados de alta resistencia utilizados para la elaboración de blindajes que
caracterizan sus propiedades físicas, químicas y mecánicas.
MIL: su designación comercial es usada en la construcción para barcos, aviones, vehículos y
otros en la industria militar aplicada en estados unidos. En estas normas MIL la
Comercial Militar UNS Otras
HY 80* MIL-S-21952 J 42016 ST 2770
MIL-S-16216
HY100 MIL-S-16216 J 42240 ST 2770
HY180 - - FMS-1111**
- MIL-S-12560*** - -
- MIL-S-46100*** - -
16
resiliencia es de Kc = 13J /cm3
para una temperatura de 4.4 °С, las normas inglesas
especifican una resiliencia de entre (25 - 70) lb.pie para una temperatura de 40 °С y una
resistencia a la fluencia de σF =1000 MPa para espesores menores de 40 mm y de (700 -
1000) MPa para espesores mayores.
J: significa aceros aleados fundidos (pasaron por fundición) para poder elaborar los
aceros en forma de barras y planchas según el tipo de utilización y su ventaja radica en
que se puede elaborar en frío.
UNS: sistema numérico de referencia internacional.
*El número que acompaña al HY significa la resistencia última a la fluencia multiplicada
por mil (psi).
**Valores máximos de los aceros aleados especiales.
***Aceros de alta dureza usados para blindaje.
Hoy en día se utilizan aceros especiales muy resistentes con poco espesor para los materiales
blindados. Aunque la designación MIL es de gran importancia pues es utilizada en la industria
militar en Estados Unidos.
Los aceros de baja aleación, se caracterizan por el porcentaje muy bajo en sus elementos entre
los que se destacan están el Cr, Ni, y Mo. El porcentaje influye y determina las propiedades,
además del comportamiento del material frente a diversos procesos que pueden ser
metalúrgicos, mecánicos y de tratamiento térmico.
Propiedades de los aceros aleados especiales:
La norma HY 180 es muy similar a las mencionadas anteriormente y son destinadas casi a la
misma aplicación [9].
El acero HY 80: es templado y revenido con un esfuerzo a la fluencia mínima σF = 552 MPa,
fue introducido por primera vez en los cascos submarinos.
El acero HY 100, presenta un esfuerzo de fluencia mínimo de 690 MPa, hoy en día son los
aceros básicos de fabricación para casco submarinos y debemos tener en cuenta la
combinación de los elementos de aleación que contribuye a balancear su alta resistencia y
buena tenacidad.
Los aceros que se registran con esta norma HY 130 (HY 140) garantizan una fluencia de 900
MPa cuando se utiliza en estructura soldadas. Como la variación en la composición química
es mínima no se especificarán las propiedades de los aceros individualmente sino en forma
general.
17
Los aceros HY 80, HY 100 (según la taba 1.2) son similares para las normas MIL – J - 42015
y MIL - J- 42240. Estos aceros están destinados básicamente al servicio de transporte militar
o civil.
Los aceros para blindaje tienen propiedades importantes, entre ellas la alta dureza superficial,
la alta resiliencia y resistencia a impacto. Es necesario conocer que las placas para blindaje
requieren un uso óptimo en el ensamble junto con otros materiales diseñados específicamente
para la industria de seguridad y otros componentes.
1.9.Efecto de los Principales Componentes de Aleación en Aceros para Blindaje [21]
A continuación presentaremos los principales componentes de aleación y su influencia en los
materiales blindados [22]:
Carbono: es un elemento fundamental para determina la aptitud para la soldadura de los
aceros con características ferríticas ya sea aumentando el poder de temple dando lugar a la
formación de carburos bajo la acción de los tratamientos térmicos. A partir de ciertas
proporciones de este elemento es preciso tomar precauciones especiales para que no sea
perjudicial [16, 23].
Manganeso: favorece el temple del acero, es preciso limitar su contenido excepto en los casos
especiales en que se busque obtener dureza o resistencia al desgaste, el manganeso actúa
como desoxidante enérgico y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan
gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Aparece prácticamente en
todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para
neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxígeno, que siempre suelen contener los
aceros cuando se encuentra en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación.
Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que
suele encontrarse en mayor o menor cantidad, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos
de muy bajo punto de fusión.
Silicio: es un reductor energético del acero al igual que el manganeso. Su contenido aumenta
la tendencia al agrietamiento durante la soldadura y varía según el tipo de acero, el modo de
elaboración y las concentraciones de carbono y de manganeso han de limitarse en los aceros
de construcciones (0,15 - 0,30) % de carbono. Mejora ligeramente la templabilidad y la
resistencia de los aceros a disminuir la tenacidad y en ciertos casos mejora también su
resistencia a la oxidación.
Níquel: favorece el temple como hacen también el carbono y el manganeso; en pequeña
cantidad el níquel mejora la capacidad de deformación de la soldadura, afina el grano e
18
interviene favorablemente en la temperatura de transición de fragilidad del acero. Una de las
ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en
los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad.
Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una
misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y
resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación.
Cromo: suele estar unido a otros elementos como el níquel y el molibdeno, y en los aceros
aleados de construcción aumentando su templabilidad del acero. Es uno de los elementos
especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose equitativamente en
los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en
caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30 % hasta el 30 %, según los casos y sirve
para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad,
impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad,
etc.
Molibdeno: aumenta el poder de temple del acero y minimiza la fragilidad por temple, su
contenido suele estar limitado del 0,25 % a 0,35 % en los aceros con bastante carbono. Este
elemento en pequeñas cantidades confiere a los aceros una mayor resistencia en caliente y la
propiedad de resistir a la fluencia lenta, por esto es adecuada como elemento de adición en los
aceros especiales ligeramente aleados. El molibdeno aumenta también la resistencia de los
aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de los aceros rápidos,
pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno
por cada dos de wolframio. El molibdeno se disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte
tendencia a forma carburos. Es un potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a
retardar el ablandamiento de los aceros, durante el revenido.
Vanadio: aumenta rápidamente el poder del temple del acero, pero su contenido debe ser muy
limitado, rara vez excede del 0,1 % a 0,2 %. Se emplea principalmente para la fabricación de
aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento
desoxidante muy fuerte y tiene una gran tendencia a formar carburos.
Aluminio: es un poderoso reductor en concentraciones pequeñísimas. Calmando el acero con
aluminio se reduce el efecto del nitrógeno en el endurecimiento por formación de nitruros de
aluminio.
Cobre: es un acero de construcción mayor, tienen gran resistencia a la corrosión por el agua.
19
Los aceros blindados son de gran demanda en el mercado debido a la utilización de sus
propiedades: alta dureza, tenacidad, y resistencia elevada para mantener así una estructura
compacta; tanque y naves pueden ser equipados con fuertes blindajes, pues su
maniobrabilidad relativa es de por si reducida con respecto a un jeep, camión o aeronave de
transporte militar, que requiere de mayor movimiento y necesita ser menos pesados.
20
Capítulo II
Materiales y Métodos
2.1. Descripción de la estrategia experimental
La estrategia experimental desarrollada en el trabajo se distingue por estar conformada de dos
partes. En una primera parte [24] se evalúa el comportamiento de la microestructura y la
dureza en la sección transversal de planchas de acero 30CrMnSi, tomadas de diferentes lotes,
con el propósito de inferir la estabilidad en cuanto a templabilidad. En la segunda parte se
evalúa el efecto del tiempo de revenido sobre la microestructura y la dureza de un acero del
cual no se tiene conocimiento de su clasificación y se considera diferente al acero 30CrMnSi,
desde el punto de vista de su respuesta al tratamiento térmico.
En la primera parte del trabajo se utilizaron planchas de 6 lotes de acero 30CrMnSi con
espesor de 30 mm, cortadas a dimensiones de (100 x 100 x 30) mm. La composición química
nominal y las propiedades mecánicas en estado de entrega del referido acero, según la norma
[25], se muestran en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente. Las muestras fueron tratadas
térmicamente con temple en aceite con calentamiento a 920 ºC durante 45 min y un revenido
a 200 ºC durante 60 min (1h), de acuerdo con el régimen que aparece en la figura 2.1.
Tabla 2.1: Composición química nominal del acero 30XГC, según la norma [25]
C Mn Si Cr Ni P S Cu
0.28-0.35 0.80-1.10 0.90-1.20 0.80-1.10 ≤ 0.30 ≤ 0.035 ≤ 0.035 ≤ 0.3
Tabla 2.2: Propiedades mecánicas en estado de entrega del acero 30XГC (temple a 880
°С en aceite con revenido a 540 °С en agua o aceite), según la norma [11]
Tensión de
fluencia
(σF) Mpa
Tensión de
rotura
(σB) MPa
KCU
J/cm3
Dureza
HB
Elongación
relativa (δ)
%
Estricción
Relativa
(Ψ) %
Sección de
la probeta
(mm)
8 11 44 229 10 45 25
21
Figura 2.1. Régimen de tratamiento térmico aplicado a las muestras.
De las muestras tratadas térmicamente, con corte mediante electro-erosión, se obtuvieron
probetas de aproximadamente (25 x 25 x 30) mm, de acuerdo a como se muestra en la figura
2.2.
Figura 2.2. Plancha indicando la región de la cual se realizó el corte a las muestras.
Para la medición de dureza se empleó un durómetro Vickers con carga de 10 kgf (HV10),
aplicada durante 10 s. Se realizaron 5 mediciones en el centro de la muestra (línea roja de la
figura 2.3), 5 mediciones a una distancia correspondiente a la mitad entre el centro y la
superficie hacia la derecha y la izquierda (líneas amarillas de la figura 2.3) y 5 mediciones a
una distancia correspondiente a ¾ entre el centro y la superficie hacia la derecha y la
izquierda (líneas azules de la figura 2.3). Los resultados fueron procesados estadísticamente
utilizando el software EXCEL para determinar la media y el intervalo de confianza, así como
el análisis de varianza.
Figura 2.3. Posiciones en la cuales se realizaron las mediciones de dureza.
22
Para la segunda etapa se utilizaron planchas de acero aleado de bajo carbono con un sistema
C-Si-Mn-Mo de baja aleación de espesor 8 mm, es un acero para prestaciones especiales,
cortadas en guillotina con dimensiones de (8 x 15 x 60) mm y otro lote con dimensiones de
(100 x 100 x 8) mm. La composición química del acero seleccionado se estableció a través del
Informe de Ensayos Químicos para el acero el sistema C-Si-Mn-Mo de baja aleación para PL
8mm de espesor, se muestra en la tabla 2.3.
Tabla 2.3. Composición Química del Acero utilizado en la investigación
Media
C Si Mn P S Cu Al Cr Mo Ni V Ti Nb Co W Pb
0.3
14
1.2
61
1.4
31
0.0
15
0.0
04
0.0
26
0.0
27
<0.0
01
0.1
55
<0.0
01
<0.0
01
0.0
05
0.0
02
0.0
37
0.0
11
<0.0
01
Las muestras de acero aleado con sistema C-Si-Mn-Mo de baja aleación fueron tratadas
térmicamente a una temperatura de temple de 970 °С y con un enfriamiento en aceite [7],
posteriormente se le aplican al acero especial el régimen de tratamiento de revenido a 260 ºС
durante 4 horas, se realiza un enfriamiento al aire con relación a los tiempos de permanencia.
En general suele recomendarse que las piezas permanezcan a la temperatura de revenido de
30 min a 4 h en este tipo de acero.
De las muestras tratadas térmicamente, se rectificaron sus caras después de cortadas y por
normas establecidas [5] luego se fresan estas probetas con entallas para comprobar resiliencia,
dureza y microestructura, con posterioridad al fresado alcanzan las siguientes dimensiones:
7,5 mm x10 mm x 55 mm (figura 2.4).
Desviación estándar
C Si Mn P S Cu Al Cr Mo Ni V Ti Nb Co W Pb
asd 0.008 0.006 0.008 0.02 0.001 0.002 0.000 0.000 0.002 0.000 0.000 0.000 0.000 0.002 0.001 0.000
rsd 2.40 0.50 0.57 10.63 28.14 6.34 1.74 0.01 1.20 0.01 5.72 6.56 4.15 10.08
23
Figura 2.4. Plancha indicando las probetas después del revenido.
Las probetas para el analisis metalograficos fueron desbastadas con papel esmerily se ataca
con reactivos químicos para saber con exactitud la estructura interna del acero, se observan en
el microscopio. El pulido mécanico final se obtiene sobre un paño de fieltro con la aplicación
de pasta de diamante tamaño de grano 2 µm (micras).
En la máquina pulidora horizontal eléctrica se sitúan lijas abrasivas de agua para desbatar las
probetas con tamaños de granos abrasivos muy finos entre 100, 120, 180 y los granos gruesos
para el desbaste que oscile de 240, 320, 400, 600 y 800, luego se realizó el ataque por
inmersión en nital (ácido nitrico) al 4 % en alcohol durante 10 s.
La observación de la microestructura y la toma de macrofotografías se realizaron con ayuda
de un microscopio optico marca Neophot 32, para determinar la estructura del objetivo (
50X), con una graduación en el cambiador para las fotos 800X , acoplada una cámara digital
en la adquisición de la imagen.
Los análisis metalográficos se realizan para determinar la microdureza, su preparación se
determina con muestras para la micrografía, realizándose en una pulidora metalográfica según
la norma [5, 26].
En la medición de dureza se empleó un durómetro Vickers con carga 10 kgf (HV10), en un
tiempo 10 s. Se realizaron 10 mediciones y los resultados fueron procesados estadísticamente
utilizando el software EXCEL que determina la media y el intervalo de confianza, así como el
análisis de varianzaen el acero con propiedades especiales . Ver Anexo (Tabla3).
24
Capítulo III
Análisis y Discusión de los Resultados
3.1. Comportamiento de la dureza, aplicado en el acero 30CrMnSi
En la primera parte se evalúa el comportamiento de la microestructura, su dureza en la
sección transversal del acero 30CrMnSi, tomadas en diferentes lotes, con el propósito de
concluirla estabilidad en cuanto a templabilidad. Se muestra por medio de tablas, indicando
los análisis de la varianza por modelos, la distribución y probabilidad.
Los resultados de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra para el acero
30CrMnSi, aparecen en la tabla 3.1 (centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la
superficie hacia ambos lados, respectivamente).
Tabla 3.1. Valores de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra
(centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la superficie hacia ambos
lados, respectivamente)
Muestras 1 2 3 4 5 6
409 297 317 437 351 339
1/2 D 394 302 309 442 333 360
405 319 312 409 357 348
437 312 322 464 317 336
397 330 322 433 322 348
297 309 319 330 339 322
1/2 I 302 312 319 314 314 322
319 306 319 289 306 348
312 268 325 304 319 348
330 327 319 317 342 327
317 325 299 309 325 342
309 312 317 309 336 357
3/4 D 312 312 322 281 342 339
322 314 319 314 351 376
322 302 319 325 360 370
437 464 450 425 304 360
442 459 446 433 304 370
3/4 I 409 446 425 433 312 373
464 446 429 442 314 348
433 425 478 405 339 312
425 325 297 413 330 360
425 317 297 446 345 354
Centro 442 312 317 421 333 339
433 325 317 442 342 339
460 319 314 433 351 348
25
A partir de los resultados de la dureza medida en diferentes posiciones de cada muestra, se
evalúa la homogeneidad de la dureza en el espesor. Una evaluación preliminar se obtiene
graficando estos resultados, tal como aparece en la figura 3.1.
Figura 3.1. Valores de la media de la dureza y el intervalo de confianza según las
posiciones analizadas para cada una de las muestras.
Para definir posibles diferencias entre las medias de la dureza según la posición observadas en
la figura 3.1, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación: dureza por
26
posición, estableciendo la hipótesis nula (Ho), estos datos aportan igualdad de la media de la
dureza en las diferentes posiciones, como hipótesis alternativa toman al menos un valor medio
de la dureza en una posición diferente de la media del resto de las posiciones.
Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en las tablas 3.2, 3.3, 3.4,
3.5, 3.6 y 3.7, respectivamente.
Tabla 3.2. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 1
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de
los cuadrados
Fisher
(F)
Probabilidad
(P)
Valor
crítico
para F
Entre grupos 6034,64 4 1508,66 1,7606 0,1764 2,8660
Dentro de los
grupos 17138 20 856,9
Total 23172,64 24
Dónde:
F: distribución para la hipótesis nula.
Grados de libertad: suma de valores individuales con respecto a la media (n-1).
Probabilidad: es un valor comprendido entre 0 y 1, describe la frecuencia de acontecimientos
mediante la realización de experimentos.
Suma de Cuadrados: es la desviación típica o estándar (EE).
Tabla 3.3. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 2
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de los
cuadrados F Probabilidad
Valor crítico
para F
Entre grupos 872 4 218 1,1764 0,3510 2,8660
Dentro de los
grupos 3706 20 185,3
Total 4578 24
27
Tabla 3.4. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 3
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de
los cuadrados F Probabilidad
Valor
crítico
para F
Entre grupos 314,24 4 78,56 0,7013 0,6001 2,8660
Dentro de los
grupos 2240,4 20 112,02
Total 2554,64 24
Tabla 3.5. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 4
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de
los cuadrados F Probabilidad
Valor
crítico
para F
Entre grupos 1578,96 4 394,74 1,3624 0,2822 2,8660
Dentro de los
grupos 5794,4 20 289,72
Total 7373,36 24
Tabla 3.6. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 5
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de
los cuadrados F
Probabilida
d
Valor crítico
para F
Entre grupos 2827,44 4 706,86 3,462
6 0,0263 2,8660
Dentro de los
grupos 4082,8 20 204,14
Total 6910,24 24
Tabla 3.7. Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la
dureza en el espesor de la muestra 6
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados
de
libertad
Promedio de
los cuadrados F Probabilidad
Valor
crítico para
F
Entre grupos 1566 4 391,5 1,5837 0,2173 2,8660
Dentro de los
grupos 4944 20 247,2
Total 6510 24
28
De acuerdo con estos resultados, se aprecia en todos los casos que la probabilidad (P) es
mayor a 0,01 aceptándose la hipótesis nula, concluyendo un nivel de significación estadística
para el valor del nivel de confianza α = 99,9 %. La dureza en cada una de las muestras no es
afectada por la posición en que se mide la misma, esta variable se comporta de manera
homogénea en todo el espesor, aportando igualdad para todos los casos.
Al resultar homogénea la dureza en el espesor de cada muestra se procede a determinar el
valor medio de la misma (hipótesis alternativa) a partir de las 25 mediciones efectuadas en las
diferentes posiciones. Los resultados de la medida de la dureza de cada muestra, el intervalo
de confianza α = 95 % y el margen de error relativo se muestran en la tabla 3.8.
Tabla 3.8. Resumen de los descriptivos estadísticos para cada muestra
ESTADÍSTICOS MUESTRAS
1 2 3 4 5 6
Media 412,8 313,4 312,12 437,84 331,52 347,4
Desviación Típica(σ) 31,07 13,81 10,31 17,52 16,968 16,46
Intervalo de Confianza
con 95 % de significación estadística 12,82 5,70 4,25 7,23 7,00 6,79
Margen de Error Relativo (%) 3,10 1,81 1,36 1,65 2,11 1,95
Es de destacar que el margen de error relativo en la estimación de confianza para la media de
la población, de manera general, resulta adecuado pues se encuentra aproximadamente entre
1,5 % y 3,0 %.
En la figura 3.2 se muestra un gráfico representando el conjunto de resultados de dureza en
cada una de las muestras. En él se aprecian ciertas diferencias de comportamiento en la dureza
entre diferentes muestras, destacándose visualmente tres pares de muestras con valores de
dureza próximos: par conformado por las muestras 1 y 4, par conformado por las muestras 2 y
3, par conformado por las muestras 5 y 6.
29
Figura 3.2. Gráfico de la media de la dureza e intervalo de confianza (para un 95 % de
significación estadística) de cada muestra.
Para evaluar las posibles diferencias de la dureza entre las diferentes muestras, se aplica el
análisis de varianza, aportando información sobre la variable de clasificación observada:
dureza por muestra. Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en la
tabla 3.9.
Tabla 3.9. Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza
entre muestras
Origen de las
variaciones
Suma de
cuadrados
Grados de
libertad
Promedio de
los cuadrados F Probabilidad
Valor
crítico
para F
Entre grupos 357134,5 5 71426,9 201,28 <0.0001 2,27704
Dentro de los
grupos 51098,88 144 354,8533
Total 408233,4 149
En estos resultados apreciamos que la probabilidad es menor que 0.001, rechazando la
hipótesis nula, concluyendo con un nivel de significación estadística del 99.9 %, esto motiva
que se aplique el análisis de comparación media entre los grupos, para establecer entre cuáles
muestras existe la diferencia apreciada. Los resultados del referido análisis para cada par de
muestra se brindan en la tabla 3.10.
30
De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla 3.10, se aprecian los siguientes resultados
estadísticos, las medias de la dureza de muestreo por pares (1 y 4), (2 y 3) y (5 y 6) de la
figura 3.2 respectivamente son homogéneos.
Tabla 3.10. Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza entre
pares de muestras
Parámetros
Estadísticos
Pares de Muestras Comparadas
1-2 1-3 1-4 1-5 1-6 2-3 2-4 2-5 2-6 3-4 3-5 3-6 4-5 4-6 5-6
Varianza
agrupada 578 535 636 626 618 148 248 239 231 206 197 188 297 289 279
Grados de
libertad 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48 48
Distribución(t) 14,6 15,3 -3,4 11,4 9,3 0,3 -27,8 -4,1 -7,9 -30,9 -4,8 -9,0 21,7 18,8 -3,3
Probabilidad(P) 10-19
10-20
10-3
10-15
10-12
0,356 10-31
10-5
10-10
10-33
10--6
10-12
10-27
10-24
10-3
Valor crítico de
t 2,01 2,01 2,01 2,01 2,01 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67 1,67
Nota: La probabilidad nos describe la frecuencia de acontecimiento, mediante la realización
de experimento aleatorio, obteniendo distintos resultados en condiciones idénticas, su valor
comprendido esta entre 0 y 1. Se asume una diferencia hipotética de las medias igual a cero.
31
Comportamiento de la Dureza para el acero C-Si-Mn-Mo
En la segunda parte se evalúa el efecto del tiempo de revenido sobre la microestructura y la
dureza de un acero del cual no se tiene conocimiento de su clasificación y se considera
diferente al acero 30CrMnSi desde el punto de vista de su respuesta al tratamiento térmico.
El acero con medio de carbono y baja aleación para prestaciones especiales con sistema C-Si-
Mn-Mo, se analizaron las probetas desde la 1.0 hasta la 12.3, detallando sus resultados por
medio de la tabla 3.2, con sus tiempos de revenidos.
Tabla 3.2. Resultados de los Experimentos
Probeta
s No
Permanenci
a a la
tempera-
tura de
Revenido
min (h)
Durómetro
HB
Resiliencia
Kc (J/cm3)
Durómetro (HV10) N/mm
1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1,0 1,2 1,3 30 (1/2) 444
444
415
41,2
35,3
37,2
357
363
450
409
478
413
405
380
397
413
2,0 2,2 2,3 60 (1) 42
9
42
9
47
7
41,
2
42,
2
45,
1
41
3
38
7
45
5
49
8
39
0
40
5
49
3
46
4
50
3
44
2
3,0 3,2 3,3 90(1 1/2) 429
461
429
34,3
41,2
37,3
429
405
394
409
442
417
425
409
397
383
4,0 4,2 4,3 120 (2) 46
1
46
1
44
4
42,
2
45,
1
37,
3
45
0
39
0
38
0
33
6
43
3
43
3
38
0
38
7
42
5
38
7
5,0 5,2 5,3 150 (2 1/2) 429
415
444
38,3
37,3
44,1
425
405
421
433
488
464
442
409
421
397
6,0 6,2 6,3 165 (2 3/4) 46
1
46
1
46
1
33,
3
36,
3
33,
3
45
9
43
7
41
7
41
3
40
5
38
3
35
7
44
6
42
1
43
7
7,0 7,2 7,3 180 (3) 461
461
444
34,3
37,3
38,2
394
383
413
425
468
413
383
429
421
455
8,0 8,2 8,3 195 (3 1/4) 46
1
44
4
44
4
38,
3
41,
2
40,
2
36
6
36
0
36
3
37
6
38
0
33
6
36
6
34
8
35
4
34
8
9,0 9,2 9,3 210 (3 1/2) 444
444
444
44,1
45,1
42,1
442
468
442
421
459
405
421
413
459
394
10,0 10,2
10,3 225 (3 3/4)
44
4
44
4
44
4
39,
2
42,
2
37,
3
36
6
42
5
41
3
43
3
43
3
43
7
41
7
38
7
40
5
42
9
11,0 11,2 11,3
240 (4) 461
429
429
39,3
37,3
37,3
342
401
405
387
394
390
397
429
397
383
12,0 12,2
12,3 255 (4 1/4)
42
9
46
1
42
9
44,
1
48,
1
47,
1
38
7
39
4
37
3
41
3
41
3
42
9
45
9
43
7
45
9
40
9
Los resultados obtenidos en microdureza con relación a sus tiempos, aparecen en la tabla 3.3.
La desviación de los valores en microdureza se aprecia un ligero aumento, después de las tres
horas y media (210 min); durante el tiempo anterior solo se producen oscilaciones de
máximos y mínimos, lo que nos permite pensar, que las propiedades mecánicas del material
estarían alcanzando su valor límite, después de pasado este tiempo.
32
Tabla 3.3. Comportamiento de la microdureza con el tiempo de revenido
Probetas No
Tiempo de
Revenido
min (h)
Microdureza (HV10)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Desviac Media
1,0 1,2 1,3 30 (1/2) 357 363 450 409 478 413 405 380 397 413 + 28.02 406.50
2,0 2,2 2,3 60 (1) 413 387 455 498 390 405 493 464 503 442 + 31.15 445.00
3,0 3,2 3,3 90 (1 1/2) 429 405 394 409 442 417 425 409 397 383 + 13.15 411.00
4,0 4,2 4,3 120 (2) 450 390 380 336 433 433 380 387 425 387 + 25.67 400.10
5,0 5,2 5,3 150 (2 1/2) 425 405 421 433 488 464 442 409 421 397 + 22.73 430.50
6,0 6,2 6,3 165 (2 3/4) 459 437 417 413 405 383 357 446 421 437 + 28.63 417.50
7,0 7,2 7,3 180 (3) 394 383 413 425 468 413 383 429 421 455 + 19.21 418.40
8,0 8,2 8,3 195 (3 1/4) 366 360 363 376 380 336 366 348 354 348 + 10.58 359.70
9,0 9,2 9,3 210 (3 1/2) 442 468 442 421 459 405 421 413 459 394 + 19.56 432.40
10,0 10,2 10,3 225 (3 3/4) 366 425 413 433 433 437 417 387 405 429 + 19.34 414.50
11,0 11,2 11,3 240 (4) 342 401 405 387 394 390 397 429 397 383 + 25.02 392.50
12,0 12,2 12,3 255 (4 1/4) 387 394 373 413 413 429 459 437 459 409 + 23.16 417.30
El comportamiento mecánico del acero 30XГC (según la norma GOST) con relación a valores
para el acero con sistema C-Si-Mn-Mo, su temple aplicado a 970 °С en aceite y con revenido
a 260 °С al aire en plancha de 8 mm, aparecen en la tabla 3.4.
Tabla 3.4. Propiedades mecánicas del acero [11, 27]
Acero
Propiedades Mecánicas
σF
(MPa)
σB
(MPa)
Kc
(J/cm3)
δ
(% )
Sección de la
Pieza (mm)
C-Si-Mo-Mn 8 10 41 - 45 10 8
Dónde:
σF: Tensión de fluencia (limite elástico)
σB: Tensión de rotura (tensión efectiva ultima antes del momento de rotura )
Kc: Resiliencia
δ: Elongación (incremento de la longitud)
33
Los resultados de los valores de dureza con sus tiempos de revenido aparecen en cada muestra
en el acero con prestaciones especiales (tabla3.5).
Tabla 3.5. Valores de dureza según las estimaciones para el intervalo de confianza al 95 % de
significación estadística
Muestras
Tiempo de
revenido
min (h)
Media Error típico
Intervalo de confianza al 95 %
Límite inferior Límite superior
1 30 (1/2) 406,500 9,130 388,403 424,597
2 60 (1) 445,000 9,130 426,903 463,097
3 90 (1 1/2) 411,000 9,130 392,903 429,097
4 120 (2) 400,100 9,130 382,003 418,197
5 150 (2 1/2) 430,500 9,130 412,403 448,597
6 165 (2 3/4) 417,500 9,130 399,403 435,597
7 180 (3) 418,400 9,130 400,303 436,497
8 195 (3 1/4) 359,700 9,130 341,603 377,797
9 210 (3 1/2) 432,400 9,130 414,303 450,497
10 225 (3 3/4) 414,500 9,130 396,403 432,597
11 240 (4) 392,500 9,130 374,403 410,597
12 255 (4 1/4) 417,300 9,130 399,203 435,397
A partir de los resultados de la dureza medida en cada muestra, se evalúa la variable del
tiempo de revenido para el acero en prestaciones especiales. En las probetas comprendidas
desde 1,0 hasta 12,3 podemos estimar los valores de dureza según la tabla 3.5. La media de
las poblaciones (probetas) para el cálculo de dureza se realizó por estimaciones estadísticos,
según las variables tiempo y dureza. Una evaluación preliminar se obtiene graficando estos
resultados, tal como aparece en la figura 3.3.
34
Figura 3.3. Valores de la media de la dureza y el intervalo de confianza según las
posiciones analizadas para cada una de las muestras.
Los resultados obtenidos en microdureza con relación a sus tiempos aparecen en la figura 3.3.
Se muestra un gráfico con el conjunto de resultados de dureza para cada una de las muestras;
se aprecian ciertas diferencias en su comportamiento, destacándose visualmente los pares de
muestras con valores en dureza próximos: (3, 6, 7, 10, 12) y los pares conformado con valores
(1, 4, 11) y (5 y 9). La muestra 2 con tiempos de (1), alcanza mayor valor en dureza 445 HV,
y la muestra 8 con tiempos de (3 1/4), alcanza menor valor en dureza 360 HV.
Para definir las posibles diferencias entre las medias de la dureza según la posición
observadas en la figura 3.3, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación:
dureza por tiempo. Los tiempos de revenido para las probetas 3, 6, 7, 10 y 12; arrojaron para
sus tiempos valores similares de dureza media 411 HV (1 1/2), 417 HV (2 3/4), 418 HV (3),
414 HV(3 3/4), 417 HV (4 1/4); y para los valores próximos se establecen sus tiempos en el
revenidosegún la muestra 5 (2 1/2) con valor de dureza media 430 HV y la muestra 9 (3 1/2)
con valor de dureza media 432 HV, y las muestras 1, 4, 11; sus valores de dureza media 406
HV (1/2), 400 HV (2), 392 HV (4); realmente los valores de dureza siguen siendo próximos,
35
considerando el valor homogéneo con relación a su dureza no afectando nuestra variable
tiempo.
La figura 3.4 muestra el comportamiento de la microdureza promedio con el tiempo de
permanencia a la temperatura de revenido.
Figura 3.4. Comportamiento de la microdureza con relación al tiempo.
El resultado de la dureza final así como sus propiedades después del temple y revenido
pueden ser variadas, para estos aceros de medio carbono y baja aleación.
La magnitud microdureza como se aprecia en la figura 3.4 manifiesta una tendencia ligera a
aumentar, después de los 200 min (3 1/2), durante el tiempo anterior solo se producen
oscilaciones de máximos y mínimos, lo que nos permite pensar, que las propiedades
mecánicas del material estarían alcanzando su valor límite, después de pasado este tiempo. La
línea de tendencia, es ligeramente ascendente, nos indica como varia los puntos en el gráfico
en cuanto a la dureza según los tiempos escalonados aplicados en el revenido.
3.2. Comportamiento de la microestructura, aplicado en el acero 30CrSiMn
Teniendo en cuenta la composición química nominal del acero 30CrSiMn (Tabla 2.1) se
puede plantear que el mismo pertenecen a los aceros que durante el temple sufren del
denominado autorevenido [28].
Como resultado del revenido a baja temperatura en el acero a 200 °С, se obtiene una
microestructura de martensita parcialmente revenida, adquiriendo elevada resiliencia y
plasticidad, conservando su alta dureza; posteriormente con el revenido bajo se reduce el
grado de tetragonalidad en la red cristalina de martensita; por descomposición de la martensita
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300
Promedio
Promedio
Lineal (Promedio)
36
con la formación de finos carburos ε y la disminución del contenido de carbono, permite su
paso posteriormente a una red cúbica centrada en el cuerpo (BCC); en la referida
transformación obtenemos una microestructura que conserva el carácter acicular característico
de la martensita (figuras 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9 y 3.10).
Estas transformaciones asociadas con el temple y el revenido bajo, desde el punto de vista de
la microscopía óptica, se manifiestan de manera especial; en este sentido, a medida que
evoluciona la descomposición de la martensita con la formación de carburos ε se aprecia un
oscurecimiento en la microestructura [28].
Precisamente este efecto de oscurecimiento en la microestructura se valora en las figuras 3.7,
3.8, 3.9 y 3.10 con respecto a las figuras 3.5 y 3.6. Como resultado de esta observación se
puede concluir que las muestras 2, 3, 5 y 6 han sufrido una descomposición de la martensita
en estadio (etapa) ligeramente más avanzado con respecto a las muestras 1 y 4 (figuras 3.5 y
3.6).
Este resultado de la microestructura está en correspondencia con el comportamiento de la
dureza, apreciando en las muestras 1 y 4 valores de dureza similares y mayores que las demás
muestras; lo que desde el punto de vista de la microestructura se refleja en menor
oscurecimiento en las primeras. En el caso de los pares de muestras (2 y 3) y (5 y 6) con
valores de dureza menores que el par (1 y 4) pero próximos entre sí, se tiene un
oscurecimiento de la microestructura muy similar.
Figura 3.5. Microestructura de la muestra 4, mostrando un carácter acicular.
37
Figura 3.6. Microestructura de la muestra 1, mostrando un carácter acicular.
Figura 3.7. Microestructura de la muestra 6, mostrando un carácter acicular.
Figura 3.8. Microestructura de la muestra 5, mostrando un carácter acicular.
38
Figura 3.9. Microestructura de la muestra 3, mostrando un carácter acicular.
Figura 3.10. Microestructura de la muestra 2, mostrando un carácter acicular.
Comportamiento de la microestructura para el acero de sistema C-Si-Mn-Mo
Para los experimentos de microestructura en aceros con prestaciones especiales, se
seleccionaron probetas desde la No.1 hasta la 12,3 y se analizaron su estructura con formación
martensita revenida, como resultado de la referida transformación se obtiene una
microestructura que conserva el carácter laminar característico de la martensita (figuras 3.11,
3.12, 3.13, 3.14). De estas, las representativas para su análisis fueron seleccionadas las
probetas No1, 5, 6, 12, con sus tiempos de revenido.
Los cristales de martensita son laminas observadas en el plano de la metalografía con formas
de agujas, por esto, para describir la microestructura de la martensita, es aceptable el término
de agujas situadas paralelamente o que cortan formando ángulos determinados de 60° y 120°.
A consecuencia del revenido bajo, se obtiene una estructura de martensita parcialmente
revenida vista en la microestructura óptica; el revenido en este acero se aplica para aliviar
tensiones internas, el acero se hace menos frágil, conserva alta dureza y buena resistencia al
39
desgaste y en su estructura percibimos un ligero oscurecimiento de las agujas de la martensita,
al igual que el acero 30CrMnSi, apreciando un oscurecimiento de la microestructura.
Precisamente este efecto de oscurecimiento de la microestructura es el que se valora en las
figuras 3.11, 3.12, 3.13 y 3.14 con respecto a las figuras 3.5 y 3.6 del acero 30CrSiMn.
Este resultado de la microestructura está en correspondencia con el comportamiento de la
dureza, en el que se aprecia que las muestras 6 y 12, con 417 HV (2 3/4) y 417 HV (4 1/4);
tienen diferentes valores de dureza con respecto a las muestras 1 y 5, con valor en dureza de
406 HV (1/2) y 430 HV (2 1/2) y con relación a las demás muestras.
En la probeta 1 se caracteriza una estructura martensita (figura 3.11), analizadas en el
microscopio electrónico con un aumento de 50X. El tiempo del revenido aplicado en la
primera horneada para esta muestra fue de 30 min (1/2), estimando su macrodureza de 444
HB, con una resiliencia Kc (35 - 37) J/cm3 comprobado por las normas MIL la fiabilidad del
material o la resistencia a la rotura, debido al grado de plasticidad de la probeta ensayada.
En la probeta 5 como se observa en la figura 3.12, su estructura es de martensita con cristales
en formas de láminas con cantidades de austenita residual en formas de campos claros entre
las agujas de martensita. La cantidad de austenita residual que muestra la probeta, depende de
la posición del punto martensitico a la temperatura de 260 °С con tiempos de 150 min (2 1/2),
presenta una macrodureza (415 – 429) HB.
Como podemos apreciar en la figura 3.13 de la probeta 6 con tiempos de (2 3/4), se aprecian
en su estructura martensita con cantidades de austenita residual que muestra la probeta. El
tiempo del revenido aplicado en la sexta horneada se elevó la macrodureza a 461 HB, con una
resiliencia media de 33.3 J/cm3y una microdureza de 417 HV.
En la figura 3.14 de la probeta 12 con tiempos (4 1/4); se observan estructura martensita
revenida con cristales también en formas de láminas, estimando su macrodureza en 429 HB y
con una resiliencia mayor de Kc de 44 J/cm3
y una microdureza de 417 HV.
40
Figura 3.11. Microestructura martensita de la probeta 1.
Figura 3.12. Microestructura martensita de la probeta5.
Figura 3.13. Microestructura martensita de la probeta 6.
41
Figura 3.14. Microestructura martensita de la probeta 12.
Con relación al análisis realizado en el acero 30CrMnSi, se estudió el comportamiento
homogéneo de su dureza por medio del cálculo estadístico en su espesor, apreciando una
microestructura martensita al igual que el acero con prestaciones especiales C-Si-Mn-Mo, en
la cual le procede una composición de martensita revenida, con un revenido para analizar su
dureza por medio del cálculo estadísticos con relación a sus tiempos, apreciando una
diferencia microestructural fundamentalmente en lo referente al oscurecimiento de la
estructura martensita. Estas características del acero 30CrMnSi se comportan parecido al
referido acero con prestaciones especiales de baja aleación según los regímenes de
tratamiento térmicos para obtener aceros blindados, utilizados para la conformación y
protección en el campo de la industria militar. Los revenidos a temperaturas (150 – 260) °C
aproximadamente, se clasifican como bajos muy recomendables para el acero con sistema C-
Si-Mn-Mo, de baja aleación ya que eliminan las tensiones que tienen los aceros templados y
aumentan la tenacidad sin disminuir la dureza del acero.
Los tiempos de revenido aplicados a los aceros especiales, para observar las diferencias
significativas en la dureza macro (HB) y micro (HV), se hace efectiva los tiempos con el
aumento de dureza y ligeramente sube la resiliencia. La resiliencia en el acero es alta, su
energía se hace más fuerte en absorber la energía de impacto del proyectil, garantizando la
fiabilidad del material.
3.Ensayo de Impacto
En el ensayo podemos determinar las mediciones con el fin de apreciar cuan correctos son los
regímenes de tratamiento térmico empleado para valorar su resiliencia y se utilizan para
evaluar la fragilidad de un material bajo un golpe súbito o intenso. El ensayo de impacto tiene
42
como función principal determinar los valores dinámicos del material después de realizados el
tratamiento térmico de temple y revenido. Las probetas se prepararon a través de la norma de
especificación del acero analizado por los métodos Standard y Definiciones [29].
Para determinar la resiliencia (Kc) se utilizan para su procedimiento el ensayo de Impacto o el
Péndulo Charpy, elaborando las probetas con entallas tipo V. La probeta con entalla V se fija
en dos soportes de la máquina de ensayo de impacto, de tal modo que la arista percutora del
péndulo incida en la parte posterior de la entalla descargando toda la energía cinética que trae
el mismo y valorar como se absorbe la misma por la probeta. Se comienza elevando el
péndulo, dejándolo caer libre para lograr la carga de 30 kgm/cm2
desde las probetas No.1
hasta la probeta 12,3.
El cálculo se simplifica por tablas especiales en las que está indicada la magnitud del trabajo
de choque para cada ángulo de las entallas. Por consiguiente, el trabajo de propagación de la
grieta caracteriza la fiabilidad del material. El valor de resiliencia para el acero investigado
oscila de (38 - 44) J/cm3 y en ocasiones hasta 48 J/cm
3 según la tabla 3.2.
El efecto que tiene la temperatura de revenido y su velocidad de enfriamiento después del
revenido en los ensayos de impacto se valoran la resiliencia del acero, ocurre por varios
factores. La razón para que esto suceda enunciaremos los factores siguientes [1, 2, 6]:
• Por la descomposición irregular de la martensita en martensita revenida por los límites de
los granos de austenita, lo que surge una diferencia brusca entre la resistencia en los límites
del grano y en su interior. Esto ocasiona que las capas menos resistentes, cerca de los límites
de granos actúen como concentradores de tensiones conduciendo a la rotura por fragilidad.
• Por la aparición de una red o película de cementita que envuelve las agujas de martensita.
Esto ocurre en los inicios de la tercera etapa del revenido (transformación sin difusión de Feɣ
de red cúbica centrada en las caras (FCC), al enfriarse →Feα cambia a red cristalina centrada
en el cuerpo (BCC) frecuentemente saturada con carbono (cementita). La fragilidad es
máxima cuando es mayor la continuidad de esa red de cementita. La red desaparece a
temperaturas más elevadas al producirse la coalescencia de la cementita, con lo que la red
tiende a desaparecer, la dureza disminuye y aumenta la tenacidad.
• Por la presencia de fósforo en el acero, lo que produce la fusión y separación intergranular.
• Por el endurecimiento por dispersión o derramamiento, al retirar los primeros carburos
durante el revenido.
43
3.4. Bases Técnicas Generales para la Tecnología del Tratamiento Térmico de las
Planchas de Acero para Blindaje para espesor 8 mm
A continuación describimos las bases técnicas para la tecnología del tratamiento térmico del
blindaje [30]:
1. Limpieza de las planchas
2. Caracterizar el material y composición química
3. Corte de las planchas y un testigo o patrón de 100 mm x 100 mm
4. Las tolerancias en los cortes + 3.0 mm
5. Temple:
5.1-Verificar la temperatura del aceite
5.2-Introducir la carga, con el horno a una temperatura de 970 °C
5.3- Establecer la temperatura y el tiempo de permanencia
5.4- La velocidad de traslado de las planchas hacia al baño no puede ser mayor de 20 s. Para
evitar la pérdida de calor y por tanto de la temperatura de temple
5.5- Sacar cesto con planchas del baño y dejar escurrir
5.6- Tomar testigo y hacerle prueba de dureza la que debe estar entre (44 – 46) HRc
5.7- Dejar en reposo
6. Revenido:
6.1- Dar el revenido antes de las 24 h posteriores al temple
6.2- Colocar las cestas dentro del horno a 260 °C
6.3- Temperatura de mantenimiento de 4 h
6.4- Enfriamiento al aire
6.5- Comprobar dureza del testigo (388 - 444) HB
7. Limpieza de las planchas
8. Realización de las pruebas con tiro de combate:
8.1- Distancia (25 – 30) m
8.2- Ángulo 90°
8.3- Cantidad de disparos para las planchas de diferentes dimensiones:
3 disparos para planchas grandes
2 disparos para planchas medianas
1 disparos para planchas pequeñas
8.4-La prueba se realiza con un fusil AK- 47 contra blindaje.
44
3.5. Prueba de rigor balística
Para la realización de las Pruebas de Rigor Balísticas con tiro de combate se realiza con un
Fusil "AK - 47″, es un fusil de asalto usado en todas las guerras y se aplica sus pruebas contra
el blindaje de planchas 8 mm, a una distancia de (25 – 30) m, con un ángulo de 90° y una
cadencia de fuego automático de 600 disparo por min .
El fusil ″AK - 47" es un fusil de asalto, de origen Ruso, usados en todas las guerras, de
munición Ø 7,62 mm x 39 mm de largo. El sistema de disparo se recarga por minuto y
accionada por gas, con cerrojo rotativo. El alcance del fusil "AK - 47″ es de 400 m
(aproximadamente 4 cuadras) y tiene una velocidad máxima del proyectil de 715 m/seg .
En las figuras 3.15 y 3.16, aparecen las fotos de prueba balistas de planchas blindadas. El
parámetro de control ″RESISTE" si el proyectil no atraviesa la plancha y al menos es retenido
en su interior.
Figura 3.15. Pruebas Balísticas en Planchas de Aceros Blindadas.
Figura 3.16. Pruebas Balísticas en Planchas de Acero para Blindaje.
45
Los resultados balísticos se caracteriza por el parámetro de control resiste, si el proyectil
“Pasa” atraviesa el proyectil dentro de la pieza, se descarta la pieza por parámetros
establecidos por calidad y “No Pasa” apreciando sobre la plancha un abollado pequeño,
producto del disparo efectuado por el proyectil sobre el material.
46
CONCLUSIONES
1. En cada lote de acero acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación del
acero 30CrMnSi, para aplicación en blindaje estudiado se aprecia un comportamiento
homogéneo de la microestructura en el espesor, la cual consiste de martensita revenida con
carácter acicular; en correspondencia con el comportamiento de la microestructura se
aprecia un comportamiento homogéneo de la dureza en el espesor.
2. Los lotes de acero mejorable de contenido medio de carbono y baja aleación del acero
30CrMnSi, para aplicación en blindaje, designados por la numeración 4 y 1 presentan
valores de dureza estadísticamente iguales (438 ± 7 HV y 413 ± 13 HV), así como los lotes
2 y 3 presentan valores de dureza (313 ± 6 HV y 312 ± 4 HV) y los lotes 5 y 6 ( 332 ± 7
HV y 347 ± 7 HV ); valores de dureza próximos entre sí, requeridos en condiciones de
blindaje y responden a los lotes 4 y 1.
3. Entre muestras se aprecia una diferencia microestructural básicamente en lo concerniente
al oscurecimiento de la microestructura presente, lo cual es reflejo de la descomposición de
la martensita con formación de precipitados tipo ε.
4. En cada probeta estudiada se aprecia un comportamiento homogéneo de la microestructura
del acero con sistema C-Si-Mn-Mo, de baja aleación para blindaje, obteniendo una
estructura de martensita parcialmente revenida y en su estructura apreciamos un ligero
oscurecimiento de las agujas.
5. Entre muestras se aprecia una diferencia microestructurales básicamente en lo concerniente
al oscurecimiento de los microconstituyente presentes y en su estructura los cristales tienen
formas de láminas con cantidades considerables de austenita residual en formas de campos
claros entre las agujas de martensita.
6. Al variar los tiempos en el revenido con rangos de 60 min (1) alcanza mayor valor en
dureza (445 HV) y para los tiempos de 195 min (3 1/4), podemos contar con información
que el valor es menor en dureza (360 HV), con relación al resto de los tiempos aplicados.
7. El tiempo óptimo de revenido, para alcanzar propiedades mecánicas elevadas en el acero
estudiado, es de cuatro horas.
8. Las variaciones en los parámetros de Dureza y Resiliencia están sujetos a la estructura y la
zona donde se realizan las huellas, pues al ejecutarlas sobre una zona donde esté el grano
martensítico tiende a elevarse, pudiendo tener alguna austenita residual, que provoca un
ligero descenso, pero por técnicas de microscopía óptica no es posible determinar su
presencia.
47
RECOMENDACIONES
Aplicar técnicas avanzadas de microscopía electrónica para identificar las fases presentes en
cada muestra.
Evaluar otras variantes de régimen de tratamiento térmico, que permitan el ahorro del tiempo
de temple y revenido, ahorro de energía, aumento de la productividad y otras.
48
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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49
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Tratamiento Térmico de las Planchas de Aceros para Blindajes., in Norma Ramal Militar
,para espesores de 4, 6, 8, 10, 12, 20, 30 .2007, Cuba. pág. 12.
50
ANEXOS
Tabla No1. Valores Típicos de Dureza de diferentes tipos de Aceros al Carbono y
Aleados
51
52
Tabla 2. Regímenes de Tratamiento Térmicos, según la norma GOST
Tabla 2.1.5 Regímenes de tratamiento térmicos de aceros aleados para cementar
ACER
O
Templ
e.
Rec.y
Norm.
ºC
Medio
de
enfria
-
mient
o
Temp.
Reveni
do
ºC
PROPIEDADES
MECÁNICAS
UTILIZACIÓN
Dureza R.
m
kgf/
mm2
δ
(%) HB HRc
40X 825-
860 Aceite
200-
300
300-
400
400-
500
500-
600
600-
650
54-52
52-45
45-36
36-30
30-27
Para cigüeñales de la industria
automovilística y de tractores,
ruedas dentadas de máquinas
herramientas que soportan
grandes cargas, en estas se
precalienta a (830 - 850) ºC
preliminarmente al temple.
También se usan en ruedas de
cadenas.
45X 820-
850 Aceite
200-
220
500-
580
580-
650
280-
302
230-
280
55-52
32-29
29-21
100
85
8
9
IDEM
40XHM
A
830-
850 Aceite
200-
220
610
≥302
53-48
32
165
110
9
12
Para ruedas dentadas de alta
resistencia, en este caso se
someten a temple por alta
frecuencia.
30XM
30XMA
35XHM
A
860-
890 Aceite
460
560
650
≥302
≥270
≥260
32
27
26
110
95
95
-
11
-
Ruedas dentadas y otras
piezas de alta resistencia. En
este caso se cianuran a (830-
850) ºC, se fabrican también
ejes conductores
30XH3
A
810-
840 Aceite 530 ≥292 - 100 9
Generalmente se usa en
estado mejorado para piezas
grandes como ejes, ruedas
dentadas, bielas y manivelas
hasta 120 mm de diámetro.
30XC
A
890-
910 Aceite
225-
250
480-
520
540-
580
600-
640
640-
680
337-
390
285-
315
235-
265
211-
235
50-46
-
-
-
-
120
-
140
100
-
110
80-
90
70-
80
-
-
Se emplea como sustituto del
30XM y 30XMA en ejes ,
chasis y otras piezas de muy
alta responsabilidad
53
Tabla 3. Resultados del análisis de varianza para establecer la variable dependiente de la
dureza entre pares de muestras
MUESTRAS
(I)
MUES
TRAS
(N)
Diferencia de
Medias (1- N)
Error
Típico
Probabilidad
(P)
Intervalo de confianza
al 95 % de significación
estadística
Límite
inferior
Límite
superior
1,0 2 -38,500 12,912 ,234 -83,260 6,260
3 -4,500 12,912 1,000 -49,260 40,260
4 6,400 12,912 1,000 -38,360 51,160
5 -24,000 12,912 1,000 -68,760 20,760
6 -11,000 12,912 1,000 -55,760 33,760
7 -11,900 12,912 1,000 -56,660 32,860
8 46,800* 12,912 ,029 2,040 91,560
9 -25,900 12,912 1,000 -70,660 18,860
10 -8,000 12,912 1,000 -52,760 36,760
11 14,000 12,912 1,000 -30,760 58,760
12 -10,800 12,912 1,000 -55,560 33,960
2,0 1 38,500 12,912 ,234 -6,260 83,260
3 34,000 12,912 ,640 -10,760 78,760
4 44,900* 12,912 ,048 ,140 89,660
5 14,500 12,912 1,000 -30,260 59,260
6 27,500 12,912 1,000 -17,260 72,260
7 26,600 12,912 1,000 -18,160 71,360
8 85,300* 12,912 ,000 40,540 130,060
9 12,600 12,912 1,000 -32,160 57,360
10 30,500 12,912 1,000 -14,260 75,260
11 52,500* 12,912 ,006 7,740 97,260
12 27,700 12,912 1,000 -17,060 72,460
3,0 1 4,500 12,912 1,000 -40,260 49,260
2 -34,000 12,912 ,640 -78,760 10,760
4 10,900 12,912 1,000 -33,860 55,660
5 -19,500 12,912 1,000 -64,260 25,260
6 -6,500 12,912 1,000 -51,260 38,260
7 -7,400 12,912 1,000 -52,160 37,360
8 51,300* 12,912 ,008 6,540 96,060
9 -21,400 12,912 1,000 -66,160 23,360
10 -3,500 12,912 1,000 -48,260 41,260
11 18,500 12,912 1,000 -26,260 63,260
54
12 -6,300 12,912 1,000 -51,060 38,460
4,0 1 -6,400 12,912 1,000 -51,160 38,360
2 -44,900* 12,912 ,048 -89,660 -,140
3 -10,900 12,912 1,000 -55,660 33,860
5 -30,400 12,912 1,000 -75,160 14,360
6 -17,400 12,912 1,000 -62,160 27,360
7 -18,300 12,912 1,000 -63,060 26,460
8 40,400 12,912 ,149 -4,360 85,160
9 -32,300 12,912 ,915 -77,060 12,460
10 -14,400 12,912 1,000 -59,160 30,360
11 7,600 12,912 1,000 -37,160 52,360
12 -17,200 12,912 1,000 -61,960 27,560
5,0 1 24,000 12,912 1,000 -20,760 68,760
2 -14,500 12,912 1,000 -59,260 30,260
3 19,500 12,912 1,000 -25,260 64,260
4 30,400 12,912 1,000 -14,360 75,160
6 13,000 12,912 1,000 -31,760 57,760
7 12,100 12,912 1,000 -32,660 56,860
8 70,800* 12,912 ,000 26,040 115,560
9 -1,900 12,912 1,000 -46,660 42,860
10 16,000 12,912 1,000 -28,760 60,760
11 38,000 12,912 ,263 -6,760 82,760
12 13,200 12,912 1,000 -31,560 57,960
6,0 1 11,000 12,912 1,000 -33,760 55,760
2 -27,500 12,912 1,000 -72,260 17,260
3 6,500 12,912 1,000 -38,260 51,260
4 17,400 12,912 1,000 -27,360 62,160
5 -13,000 12,912 1,000 -57,760 31,760
7 -,900 12,912 1,000 -45,660 43,860
8 57,800* 12,912 ,001 13,040 102,560
9 -14,900 12,912 1,000 -59,660 29,860
10 3,000 12,912 1,000 -41,760 47,760
11 25,000 12,912 1,000 -19,760 69,760
12 ,200 12,912 1,000 -44,560 44,960
7 1 11,900 12,912 1,000 -32,860 56,660
2 -26,600 12,912 1,000 -71,360 18,160
3 7,400 12,912 1,000 -37,360 52,160
4 18,300 12,912 1,000 -26,460 63,060
5 -12,100 12,912 1,000 -56,860 32,660
6 ,900 12,912 1,000 -43,860 45,660
8 58,700* 12,912 ,001 13,940 103,460
55
9 -14,000 12,912 1,000 -58,760 30,760
10 3,900 12,912 1,000 -40,860 48,660
11 25,900 12,912 1,000 -18,860 70,660
12 1,100 12,912 1,000 -43,660 45,860
8,0 1 -46,800* 12,912 ,029 -91,560 -2,040
2 -85,300* 12,912 ,000 -130,060 -40,540
3 -51,300* 12,912 ,008 -96,060 -6,540
4 -40,400 12,912 ,149 -85,160 4,360
5 -70,800* 12,912 ,000 -115,560 -26,040
6 -57,800* 12,912 ,001 -102,560 -13,040
7 -58,700* 12,912 ,001 -103,460 -13,940
9 -72,700* 12,912 ,000 -117,460 -27,940
10 -54,800* 12,912 ,003 -99,560 -10,040
11 -32,800 12,912 ,825 -77,560 11,960
12 -57,600* 12,912 ,001 -102,360 -12,840
9,0 1 25,900 12,912 1,000 -18,860 70,660
2 -12,600 12,912 1,000 -57,360 32,160
3 21,400 12,912 1,000 -23,360 66,160
4 32,300 12,912 ,915 -12,460 77,060
5 1,900 12,912 1,000 -42,860 46,660
6 14,900 12,912 1,000 -29,860 59,660
7 14,000 12,912 1,000 -30,760 58,760
8 72,700* 12,912 ,000 27,940 117,460
10 17,900 12,912 1,000 -26,860 62,660
11 39,900 12,912 ,168 -4,860 84,660
12 15,100 12,912 1,000 -29,660 59,860
10,0 1 8,000 12,912 1,000 -36,760 52,760
2 -30,500 12,912 1,000 -75,260 14,260
3 3,500 12,912 1,000 -41,260 48,260
4 14,400 12,912 1,000 -30,360 59,160
5 -16,000 12,912 1,000 -60,760 28,760
6 -3,000 12,912 1,000 -47,760 41,760
7 -3,900 12,912 1,000 -48,660 40,860
8 54,800* 12,912 ,003 10,040 99,560
9 -17,900 12,912 1,000 -62,660 26,860
11 22,000 12,912 1,000 -22,760 66,760
12 -2,800 12,912 1,000 -47,560 41,960
11,0 1 -14,000 12,912 1,000 -58,760 30,760
2 -52,500* 12,912 ,006 -97,260 -7,740
3 -18,500 12,912 1,000 -63,260 26,260
4 -7,600 12,912 1,000 -52,360 37,160
56
5 -38,000 12,912 ,263 -82,760 6,760
6 -25,000 12,912 1,000 -69,760 19,760
7 -25,900 12,912 1,000 -70,660 18,860
8 32,800 12,912 ,825 -11,960 77,560
9 -39,900 12,912 ,168 -84,660 4,860
10 -22,000 12,912 1,000 -66,760 22,760
12 -24,800 12,912 1,000 -69,560 19,960
12,0 1 10,800 12,912 1,000 -33,960 55,560
2 -27,700 12,912 1,000 -72,460 17,060
3 6,300 12,912 1,000 -38,460 51,060
4 17,200 12,912 1,000 -27,560 61,960
5 -13,200 12,912 1,000 -57,960 31,560
6 -,200 12,912 1,000 -44,960 44,560
7 -1,100 12,912 1,000 -45,860 43,660
8 57,600* 12,912 ,001 12,840 102,360
9 -15,100 12,912 1,000 -59,860 29,660
10 2,800 12,912 1,000 -41,960 47,560
11 24,800 12,912 1,000 -19,960 69,560
