UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA

“ANTONIO JOSE DE SUCRE”

VICE-RECTORADO BARQUISIMETO

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA

LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TERMICOS

Practica # 01

Ensayo Jominy

INTEGRANTES:

LUIS A DE LIMA. EXP:20022 – 0075.

ZOLANLLI RODRÍGUEZ. EXP: 20022 – 0262.

YORACO PEÑA. EXP. 200022 – 0371.

PROFESOR:

ING. HENRY LOZADA.

Barquisimeto, 10 de Julio del 2007.

INTRODUCCIÓN

El objetivo principal de esta practica es determinar la templabilidad de un acero

1045 y uno 4140, para esto se someterán ambas probetas a una temperatura de unos 837

ºC, para posteriormente colocarle un choro de agua en unos de sus extremos haciendo uso

de las normas que rigen este ensayo, luego se realizara las graficas de dureza en función de

la profundidad para cada acero, tales curvas se realizaran con los datos que se obtienen al

medir las durezas de las probetas (cada 1/16 pulgada desde la distancia del extremo

templado) luego de que se les realizara el ensayo, que posteriormente serán comparadas

con las microestructuras que se observaron al hacerles metalografía en las secciones

donde se observen cambios de dureza.

En esta práctica también veremos conceptos como templabilidad y dureza los

cuales tiende a confundirse con frecuencia y conviene diferenciarlas con claridad, por lo

que serán una de las principales definiciones que serán mostradas en el marco teórico de

esta practica. Otro concepto que será descrito es el de las bandas de templabilidad las cuales

me dan el rango donde deberían estar las curvas Jominy del acero.

MARCO TEÓRICO

Ensayo Jóminy:

Este ensayo fue descrito por primera vez por sus autores, W. E. Jominy y A.

L. Boegehold, publicado en 1938 y, estandarizado por la ASTM, la SAE y la AISI.

El ensayo Jominy es un procedimiento utilizado habitualmente para determinar la

templabilidad. En este ensayo, se mantienen controlados todos los factores que influyen en

el endurecimiento de la muestra, excepto la composición.

Este ensayo consiste en una probeta de 1 pulgada de diámetro y 4 pulgadas de

longitud que se calienta hasta una temperatura de austenizacion durante un tiempo

determinado para que el calor sea uniforme. Luego se saca del horno y se coloca

verticalmente sobre un sostén, mientras la cara inferior recibe un chorro de agua desde una

distancia fija y con un flujo y una temperatura específica y controlada. Así, la velocidad de

enfriamiento es máxima en el extremo inferior de la probeta y es más lenta a lo largo de la

probeta.

Luego de 10 minutos, se retira la probeta del sostén y a lo largo de su superficie se

mecanizan dos planos diametralmente opuestos; sobre los cuales se determinara la dureza

cada cierta distancia del extremo inferior. De esta manera, se traza una curva de

templabilidad, representando los valores de dureza en función de la distancia a la superficie

templada.

Dureza:

La dureza no es una propiedad fundamental de un material, sino que esta

relacionada con las propiedades elásticas y plásticas y su magnitud depende del tipo de

arreglo atómico que presente el material.

Templabilidad de un Acero:

La capacidad de un acero para formar una estructura tipo martensítica durante un

determinado temple depende de la composición química y está se relaciona con un

parámetro que se llama templabilidad. La templabilidad describe la aptitud de una aleación

para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento

térmico. Por lo tanto la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una

aleación específica puede endurecerse.

Severidad de Temple:

Es la capacidad que tiene el medio de temple de retirar calor de la probeta.

Curvas Jominy:

El estudio de las curvas Jominy facilita mucho el conocimiento de las

propiedades de los aceros después del temple. Las primeras conclusiones que se

sacan de estas observaciones son las siguientes:

1. La máxima dureza que se consigue en el temple de los aceros es función del

contenido en carbono y es la que se obtiene precisamente en el extremo de la

probeta enfriado por el agua. La dureza que se obtiene en el otro extremo

corresponde aproximadamente al estado normalizado

2. La presencia de elementos de aleación en los aceros, permite obtener

después del temple durezas elevadas aun empleándose bajas velocidades de

enfriamiento.

3. Pequeñas cantidades de elementos aleados convenientemente seleccionados,

ejercen una influencia más efectiva en la templabilidad que un gran

porcentaje de un solo elemento.

Al obtenerse en todas las curvas jominy de varios aceros de 0.40% de

carbono y diferentes elementos de aleación la misma dureza máxima

aproximadamente se comprende que esta depende principalmente del contenido de

carbono y que no se modifica sensiblemente por los elementos de aleación, en

cambio en las curvas jominy de diversos aceros con diferentes contenidos de

carbono y los mismos elementos de aleación, se observa que después del temple la

dureza aumenta notablemente a medida que hay mas porcentaje de carbono.

Bandas de templabilidad:

Debido al gran desarrollo adquirido por el ensayo Jominy, la SAE y AISI,

han establecido para la mayoría de los aceros aleados de construcci6n, curvas

máximas y mínimas de templabilidad que limitan unas zonas dentro de las cuales

deben de estar situadas las curvas Jominy de cada acero.

A los aceros que cumplen una determinada banda de templabilidad, se les ha

ampliado la designaci6n AISI o SAE normal, añadiéndole una letra H que señala

que el acero ha sido fabricado para cumplir con ciertas especificaciones de

templabilidad

Estas curvas se utilizan como especificaciones de recepci6n de numerosos

tipos de aceros, Y en muchos casos se están sustituyendo determinadas

especificaciones de composici6n química, por las bandas de templabilidad.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1) Se toman las dos probetas la de 1045 y la 4140 de 1plg. de diámetro y 4 plg. de largo, que ha sido estandarizada por la ASTM, la SAE y la AISI.

2) Se le enrosca una anillo a cada probeta en el extremo superior

3) Se calienta cada probeta a temperatura de austenización (860ºC) durante 55 minutos para asegurar un calentamiento uniforme.

4) Se saca del horno y se coloca en un sostén dispuesto en la maquina para el ensayo Jominy; esto debe hacerse en un tiempo máximo de 5 seg.

5) Se coloca la parte inferior en contacto directo con un chorro de agua a a temperatura ambiente, salida de un grifo de 12.5 mm de diámetro con una presión que alcance 65 mm de altura libre, la distancia entre el extremo inferior de la probeta y el grifo es de 12.5 mm. (ver fig. 1)

6) Se mantiene la muestra en contacto con el agua durante 15 minutos.

7) Se retira la probeta del sostén y se le quita la argolla.

8) Luego por mecanizado se elaboran dos superficies planas longitudinales y diametralmente opuestas sobre la superficie de la probeta, que tengan alrededor de 5mm de ancho.

9) Sobre una de las superficies se debe realizar el ensayo de dureza en la escala Rockwell C a intervalos de 1/16 pgl. (ver fig. 2)

10) Los resultados obtenidos se expresan gráficamente como una curva de dureza en función de la distancia. (ver fig. 2)

11) Cortar en secciones donde se obtiene el cambio de dureza, para luego aplicarle análisis metalográfico.

Figura 1

Figura 2

MATERIALES Y EQUIPOS

1 Probeta de acero SAE 1045.

1 Probeta de acero SAE 4140.

Horno eléctrico de resistencia.

Guantes de protección para elevadas temperaturas ( guantes de amianto).

Durómetro para escala RC.

Microscopio óptico Olimpus

Agua.

Lijas (80, 120, 240, 320, 400 y 600).

Suspensión de alúmina (1y 0.3 micras).

Nital al 2%.

Spray de azul de Prusia.

Rayador.

Regla graduada con apreciación de 1/16”.

Pulidoras.

Rectificadora.

Maquina cortadora.

RESULTADOS

Distanci

a (1/16”)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Dureza

(RC) 54.5 50.5 38.5 31 28.5 28 28.5 27.5 27 26 25.5 25 24 23 22 21 21 20 20 19

Tabla 1: valores de dureza medidos desde la superficie templada para el acero 1040.

Figura 3

Distan(1/16")Dureza Rc Distan(1/16") Dureza Rc Distan(1/16") Dureza Rc1 52 16 50 31 46.52 50.5 17 50 32 44.53 50.5 18 49.5 33 454 50.5 19 49.5 34 44.55 50.5 20 48.5 35 446 50.5 21 48 36 437 51 22 47.5 37 428 50 23 47 38 42.59 50 24 46 39 43.510 50 25 46.5 40 4211 50 26 48 41 4212 50 27 48 42 4113 50 28 47.5 43 4114 50 29 47.5 44 4015 50 30 47 45 40

Tabla 2: valores de dureza medidos desde la superficie templada para el acero 4140

Grafico de ensayo Jominy para acero 4140

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70

Distancia (/16 pulg.)

Dur

eza

(HR

C)

Figura 4

Figura 5: 1ra. sección de acero 1045 atacado connital al 2% (200x)

Martensita

Austerita retenida

Figura 6: 2da. sección de acero 1040atacado connital al 2% (200x)

Figura 7: 2da. sección de acero 1040 atacado connital al 2% (1000x)

Ferrita proeutectoide

Ferrita Windmanstatten

Perlita Fina

Figura 8: 1era. sección de acero 4140 atacado connital al 2% (200x).

Figura 9: 2da. sección de acero 4140 atacado connital al 2% (200x).

Martensita

Austerita retenida

Bainita Plumosa

Inclusion

ANÁLISIS DE RESULTADOS

Para acero 1045:

Al realizar las pruebas de dureza se observo el aumento de esta, como lo

predice la teoría, dicho aumento de dureza fue mayor en la superficie que estaba en

contacto con el agua y disminuye a medida que nos alejamos de tal superficie,

describiendo una curva característica de este ensayo.

Sobre la curva obtenida se ubico un corte donde existió cambio notable en

la dureza; a la distancia de 5 / 16”. Luego a esto se realizo el análisis métalo

gráficos para el corte y para el extremo donde toco el chorro directamente de agua.

En la primera sección (Fig. 5), se puede presumir, una pequeña porción de

Martensita de bajo carbono, con abundante austenita retenida localizada (color

blanco); esto concuerda con el hecho de que aunque la dureza de este punto es alta,

no es propia de una estructura martensitica abundante pues la dureza disminuye por

la presencia de austenita retenida esto gracias a que la probeta es de un acero cuya

composición no favorece la formación de martensita eficazmente.

Con respecto a la segunda sección (Fig. 6 y 7), notamos la presencia de

granos formados por colonias de perlita fina y lo que puede ser una fase de ferrita

proeutectoide en los limites de grano; lo cual puede resultar lógico ya que la

velocidad de enfriamiento en este punto disminuye por lo que debe dificultarse la

formación de constituyentes duros. También se puede apreciar una fase ferrifica

rodeando los granos, esta presenta una forma tipo acicular o lo que se presume sea

una ferrita tipo Widmanstatten debido a que el enfriamiento en este punto es

relativamente mas rápido de lo normal.

Estos cambios de microestructura explican la variación de dureza en cada

punto, ya que si nos basamos en la teoría estudiada esta depende del tipo de

estructura que presenta el material. También se puede decir que la curva Jominy cae

dentro de las bandas de templabilidad para el acero SAE 1045. (Ver anexo)

Para acero 4140:

Como era de esperarse para esta probeta, se obtuvo que los rangos de dureza

medidos desde la primera distancia (1/16 pgl) a la ultima (45/16 pgl) disminuyeron,

ubicándose entre valores de 52 RC hasta 40 RC y describiendo una curva mas alta respecto

a la anterior. En esta se realizo un corte uno a 5 / 4 de plg para realizar un análisis

microestructural donde se aprecia mayor variación de dureza.

La primera sección que estuvo en contacto directo con el agua (Fig. 8), se puede ver

gran cantidad de fase martensítica producto del enfriamiento brusco, con un pequeño

porcentaje de austeníta retenida (color blanco) que puede ser la causante de la disminución

en la dureza, ya que la medida en este punto no concuerda con una estructura totalmente

martensítica, la cual proporciona gran dureza a las piezas por la gran distorsión que se

originan en la red cristalina producto de que el carbono no difunde y queda atrapado en una

red tetragonal compacta.

Con respecto a la segunda sección (Fig. 9).se presume que estemos en la presencia

de bainita plumosa, lo cual era de esperarse pues hay menor velocidad de enfriamiento,

esto concuerda con las durezas tomadas pues auque son mayores que el la SAE 1045 no

son tan duras como para que sea martensita.

Para el caso de las bandas de templabilidad del acero SAE 4140 las curvas Jominy de

nuestro acero están en el rango esperado. ( ver anexos). Pues nuestra curva comienza con

valores de dureza de 52 RC y cae hasta por los menos 44 RC a una distancia de 32/16”.

Estando dentro del rango de la banda de templabilidad para el acero aleado.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Al templar las dos clases de aceros, pudimos ver que el 4140 se endurece más que el

1045 y observamos que la dureza disminuye rápidamente del exterior al interior en

el acero 1045 y se conserva más uniforme en el acero 4140.

Para garantizar resultados exitosos en el ensayo jominy se deben cumplir con

condiciones estandarizadas en cuanto a las dimensiones de la probeta, velocidad y

temperatura del agua, incidencia del agua a la probeta (la cual debe ser perpendicular

para garantizar el enfriamiento paulatino de la probeta), entre otros.

La presencia de elementos aleantes y los porcentajes de carbono son factores que

determinan los valores de la dureza en los aceros. Estos valores de dureza también

están relacionados con los micro constituyentes formados durante el enfriamiento, la

formación martensítica es la que brinda mayor dureza a la aleación.

Los aceros mas aleados presentan mayor templabilidad.

El ensayo Jominy es una forma sencilla para determinar la templabilidad de un acero.

El extremo templado se enfría más rápido y representa la máxima dureza, en tanto

que la velocidad de enfriamiento decrece a medida que la distancia con el extremo

templado es mayor, por lo que la dureza también disminuye, como se puede

observar en las tablas 1 y 2.

A mayor lentitud de transformación de la austenita, mayor será la templabilidad de

un acero.

Las curvas Jominy de cada acero estudiado concuerdan con las bandas de

templabilidad mostradas en la bibliografía consultada y que se anexan en este informe.

ANEXOS

Banda de Templabilidad para un acero aleado 4140.

Banda de Templabilidad para un acero al carbono SAE 1045.

BIBLIOGRAFÍA:

AVNER, Sydney. Introducción a la metalurgia Física. Mc Graw Hill. 1986.

Segunda edición.

Apraiz, José B. Tratamientos Térmicos de los Aceros.