INFLUENCIA DEL TEMPLE A TEMPERATURAS...
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1 INFLUENCIA DEL TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDO POR DEBAJO DE Ms EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO DE UN ACERO ASTM A131 BRAYAN GUILLERMO AGUILAR SÁNCHEZ JULIAN DAVID CARDENAS MIRANDA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS BOGOTÁ D.C 2017
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INFLUENCIA DEL TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDO
POR DEBAJO DE Ms EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO DE UN ACERO
ASTM A131
BRAYAN GUILLERMO AGUILAR SÁNCHEZ
JULIAN DAVID CARDENAS MIRANDA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS
PROPEDEUTICOS
BOGOTÁ D.C
2017
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NFLUENCIA DEL TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDO
POR DEBAJO DE Ms EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO DE UN ACERO
ASTM A131
BRAYAN GUILLERMO AGUILAR SÁNCHEZ
JULIAN DAVID CARDENAS MIRANDA
TUTOR ING. CARLOS ARTURO BOHORQUEZ AVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS
PROPEDEUTICOS
BOGOTÁ D.C
2017
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NOTA DE ACEPTACIÓN
___________________________________
___________________________________
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___________________________________
___________________________________
___________________________________
____________________________
Firma del tutor
____________________________
Firma del jurado
____________________________
Firma del jurado
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AGRADECIMIENTOS
El desarrollo del presente proyecto de grado, ha sido posible gracias a la
intervención y colaboración de personas que aportaron sus conocimientos, para el
desarrollo de este estudio. Agradecemos a nuestro tutor el Ing. Carlos Bohórquez
Ávila y al Ing. Mauricio Sierra Cetina, quienes con su guía y colaboración nos
han brindado todo el conocimiento posible para encontrar de la mejor manera una
solución al problema planteado. Al proyecto curricular de Ingeniería Mecánica por
ciclos propedéuticos de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a la
Facultad Tecnológica por brindarnos todas las instalaciones necesarias y poner a
nuestra disposición de docentes con amplias aptitudes para instruirnos y
transmitirnos conocimiento y formación pertinente al proyecto. A nuestras
familias por apoyarnos en este proceso de aprendizaje el cual decidimos afrontar
como experiencia de vida a lo largo de un periodo para posteriormente enfocar
nuestras vidas al desarrollo profesional y ético.
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION .......................................................................................................................................... 14
1. PROBLEMÁTICA ................................................................................................................................. 15
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................................... 15
1.2 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................................. 15
1.3 OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 15
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................... 15
1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS .............................................................................................................. 15
2 MARCO DE REFERENCIA ..................................................................................................................... 16
2.4 ANTECEDENTES ................................................................................................................................ 16
2.5 ACERO SAE A131 .............................................................................................................................. 20
2.6 ACERO ESTRUCTURAL A-131 ............................................................................................................ 22
2.7 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ............................................................................................................. 22
2.8 ETAPAS DE TRATAMIENTO TÉRMICO ............................................................................................... 22
2.9 TIPOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO .................................................................................................. 23
2.9.1 TEMPLE ........................................................................................................................................ 23
2.9.2 REVENIDO .................................................................................................................................... 23
2.10 CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS .................................................................................................. 24
2.10.1 FERRITA ................................................................................................................................... 24
2.10.2 CEMENTITA ........................................................................................................................... 25
2.10.3 BAINITA ................................................................................................................................... 25
2.10.4 AUSTENITA .............................................................................................................................. 25
2.10.5 MARTENSITA ........................................................................................................................... 26
2.10.6 PERLITA ................................................................................................................................. 26
2.11 ANÁLISIS METALOGRÁFICO ............................................................................................................. 27
2.12 TOMA DE LAS MUESTRAS ................................................................................................................. 27
2.12.1 PULIDORA ................................................................................................................................ 28
2.12.2 ATAQUE QUÍMICO................................................................................................................... 28
2.12.3 MANGANESO EN LOS ACEROS ................................................................................................ 28
2.13 ENSAYO DE DUREZA ......................................................................................................................... 28
2.14 ENSAYO ROCKWELL ......................................................................................................................... 29
2.14.1 CARGAS, PENETRADORES Y ESCALAS ...................................................................................... 30
2.15 ENSAYO DE MICRODUREZA.............................................................................................................. 31
2.16 MICROSCOPIA .................................................................................................................................. 31
2.17 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ...................................................................................... 31
2.18 MARCO NORMATIVO ....................................................................................................................... 32
2.19 ENSAYO DE IMPACTO ....................................................................................................................... 33
2.20 PROCEDIMIENTO Y DISEÑO EXPERIMENTAL .................................................................................... 33
2.21 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................................................... 34
2.22 SELECCIÓN DEL MATERIAL ............................................................................................................... 34
6
2.23 COMPOSICIÓN QUÍMICA ................................................................................................................. 35
2.24 EQUIPOS EMPLEADOS ..................................................................................................................... 36
2.24.1 MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P TYPE ................................................................................ 36
2.24.2 CORTADORA ABRASIVA MANUAL METKON METACUT 250. ................................................... 37
2.24.3 PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO. ..................................................................................... 37
2.24.4 SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V. ................................................ 38
2.24.5 DUROMETRO GNEHM SWISS ROCK. ....................................................................................... 39
2.24.6 MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M...................................................................................... 39
2.24.7 MICRO DURÓMETRO SHIMADZU HMV-2................................................................................ 40
2.24.8 SEM ......................................................................................................................................... 41
2.24.9 PENDULO DE IMPACTO SATEC SI-1A 5A-10700...................................................................... 41
2.25 CANTIDAD DE PROBETAS ................................................................................................................. 42
3 DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................................................ 42
3.1 TEMPLE ............................................................................................................................................ 43
3.2 REVENIDO ........................................................................................................................................ 43
3.3 SECUENCIA DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS ..................................................................................... 44
3.4 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA ..................................................................................................... 45
3.5 IMÁGENES MICROESTRUCTURALES ................................................................................................. 46
3.6 PORCENTAJES DE FASE ..................................................................................................................... 46
3.7 ENSAYOS DE DUREZA ....................................................................................................................... 46
3.8 ENSAYO DE MICRODUREZA.............................................................................................................. 47
3.9 SEM (MICROSCOPÍA ELÉCTRONICA DE BARRIDO) ............................................................................ 47
3.10 ENSAYO DE IMPACTO ....................................................................................................................... 47
4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................................................................................... 48
4.1 METALOGRAFÍA ............................................................................................................................... 48
4.2 IMPACTO .......................................................................................................................................... 52
4.3 ESTEREOSCOPIA .................................................................................................................................... 53
4.4 DUREZA ............................................................................................................................................ 54
4.5 MICRODUREZA................................................................................................................................. 58
4.6 DUREZA VS ENERGÍA ABSORBIDA .................................................................................................... 60
CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 62
RECOMENDACIONES .................................................................................................................................. 63
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................................................................. 64
7
8
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Comparación de la aleación 2 antes y después de ser tratada
térmicamente ......................................................................................................... 17
Ilustración 2. Influencia del manganeso en las propiedades mecánicas de los
aceros. Tomado de: ASM Handbook volumen 1. Properties and selection: Irons,
Steels and High Performance alloys. ASM international 1990. .............................. 18
Ilustración 3. a) Micrografía de un típico acero Hadfield (b) Micrografía de acero
Hadfield deformado en servicio.............................................................................. 19
Ilustración 4. Secuencia de cargas, F, y profundidades en el ensayo Rockwell .... 29
Ilustración 5. Esquema metodología para desarrollo del proyecto. Fuente: propia 34
Ilustración 6. Mufla Eléctrica LabTECH. Fuente: Laboratorios de mecánica
Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica. .............. 37
Ilustración 7. Cortador abrasiva Metkon. Fuente: Laboratorios de mecánica ........ 37
Ilustración 8. Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad
Tecnológica............................................................................................................ 38
Ilustración 9. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V.
Fuente: Laboratorios de mecánica - Universidad Distrital Francisco José de
Caldas – Facultad Tecnológica. ............................................................................. 38
Ilustración 10. Durómetro GNEHM SWISS ROCK. Fuente: Laboratorios de
mecánica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
............................................................................................................................... 39
Ilustración 11. Microscopio óptico AXIO OBSERVER D1M. Fuente: Laboratorios
de mecánica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad
Tecnológica............................................................................................................ 40
Ilustración 12. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2. Fuente: Laboratorios de
mecánica – Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad
Tecnológica............................................................................................................ 40
Ilustración 13. Microscopio electrónico de barrido (SEM) TESCAN VEGA 3 SB.
Fuente: Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá. . 41
Ilustración 14. Tamaño de la probeta empleada. Fuente: propia ........................... 42
Ilustración 15. Secuencia de tratamiento Térmico. Fuente: Propia ........................ 45
Ilustración 16. Identificación de la orientación de laminado. Fuente: Matensayos . 45
Ilustración 17. Probetas encapsuladas en baquelita. Fuente: Propia .................... 47
Ilustración 18. Imágenes tomadas con el microscopio óptico a: a) 200 micras, b) 50
micras y c) 20 micras. Fuente: Propia. ................................................................... 48
9
Ilustración 19. Imágenes tomadas con SEM a: a) 50 micras, b) 20 micras, c) 10
micras y d) 5 micras Fuente: Propia. ..................................................................... 49
Ilustración 20. Imágenes tomadas con el microscopio óptico a: a) 200 micras, b) 50
micras y c) 20 micras. Fuente: Propia. ................................................................... 50
Ilustración 21. Imágenes tomadas con SEM a: a) 50 micras, b) 20 micras, c) 10
micras y d) 5 micras Fuente: Propia. ..................................................................... 51
Ilustración 22 . resultados pruebas de impacto. Fuente: Propia ............................ 53
Ilustración 23 Falla provocada por el ensayo de impacto en: a) material base, b)
material tratado térmicamente. Fuente: Propia ...................................................... 53
Ilustración 24 muestra de perfil de la falla generada por la prueba Charpy: a) sin
tratamiento, b) con tratamiento. Fuente: Propia ..................................................... 54
Ilustración 25 . Dureza en Vickers HV (Promedio). Fuente: Propia ....................... 56
Ilustración 26. Aumento de Dureza ........................................................................ 57
Ilustración 27. Microdureza Tratamiento. Fuente: Propia. ..................................... 58
Ilustración 28. Microdureza Material Base. Fuente: Propia .................................... 59
Ilustración 29. Comparación de Microdureza. Fuente: Propia ............................... 59
Ilustración 30. Análisis metalográfico de un acero astm a-131 con tratamiento de
temple y revenido desde temperaturas intercríticas. Funte: Repositorio
Institucional Universidad Distrital - RIUD ............................................................... 60
10
LISTA DE TABLAS
Tabla 2. Composición química para los grados de resistencia ordinaria del acero
............................................................................................................................... 20
Tabla 3. Composición química para los grados de alta resistencia del acero A131
establecidos por la norma ASTM ........................................................................... 21
Tabla 4. Resistencia al impacto evaluado mediante prueba Charpy V-Notch para
los diferentes grados del acero A131 establecidos por la norma ASTM ................ 21
Tabla 5. Composición química acero A131. Compañía General de Aceros .......... 22
Tabla 6. Escala de Dureza Rockwell ..................................................................... 30
Tabla 7. Normas Consideradas. ............................................................................ 32
Tabla 8. Matriz de ponderación. Fuente: propia..................................................... 35
Tabla 9. Composición química del acero ASTM A-131. Fuente: Propia ............... 36
Tabla 10. Energía promedio absorbida del material base y el materia tratado
térmicamente. Fuente: Propia ................................................................................ 52
Tabla 11. Durezas Promedio. Fuente: Propia ........................................................ 55
Tabla 12. Datos Promedio de Dureza. Fuente: Propia ......................................... 56
Tabla 13. Microdureza Promedio en las Zonas. Fuente: Propia ............................ 58
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LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 2. Temperatura de inicio de la Austenización en la calefacción ............. 43
Ecuación 3. Temperatura de Equilibrio de Austenitización Terminada en
Calefacción. ........................................................................................................... 43
Ecuación 4. Temperatura de Ms Sverdkin- Ness. .................................................. 44
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RESUMEN
El presente proyecto tiene como objetivo principal el análisis de 25 probetas de
acero A131 templadas por debajo de temperaturas intercriticas y revenidas. La
finalidad se centra en comparar el resultado de las pruebas de impacto para
determinar la mejor tenacidad. A lo largo del documento se recopilará información
de datos y resultados obtenidos a partir de los métodos y procesos aplicados al
material ASTM A131 como tratamientos térmicos, ataques químicos, pruebas de
dureza, microdureza, espectometria, microscopia electrónica de barrido y
posteriormente ensayo de impacto.
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GLOSARIO
Acero: Aleación de hierro carbono, donde el porcentaje de carbono varía entre el 0,03% y el 2%.
Ferrita: Constituyente más blando y dúctil de los aceros, con una dureza aproximadamente de 95 Vickers.
Martensita: Constituyente característico de los aceros templados, considerado como una solución solida súper saturada de carbono.
Metalografía: Ensayo para determinar características microestructurales y constituyentes presentes en los metales o aleaciones.
Microdureza: Ensayo no destructivo para medir la dureza de los constituyentes presentes en una muestra pequeña de acero.
Temple: Tratamiento térmico que permite aumentar la dureza y resistencia mecánica a los aceros.
Revenido: Tratamiento térmico posterior a un temple, que permite variar la dureza y la resistencia mecánica de los aceros, con el objetivo de disminuir la fragilidad de los aceros, po
SEM (microscopio electrónico de barrido): Técnica empleada para realizar imágenes de la superficie de una probeta en alta resolución.
Zona intercrítica: Puntos críticos AC1 y AC3 del diagrama hierro – carbono, donde se presenta una doble fase.
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INTRODUCCION
El acero es un material con amplias aplicaciones tecnológicas en el marco de la
ingeniería, principalmente por su gran resistencia mecánica, podemos obtener
muchas configuraciones y usos debido a la facilidad de ser aleado con otros
materiales. Una de estas aleaciones es el acero ASTM A131 con alto contenido en
manganeso utilizado principalmente en la industria naval. Los aceros con alto
contenido de manganeso presentan ciertas propiedades y cualidades, como alta
resistencia, buena calidad de acabado, soldabilidad y ductilidad en alta
proporción.
La presente investigación se centrara en el estudio de la tenacidad del material por
medio de pruebas de impacto, luego de haber sido sometido a un tratamiento
térmico: templadas desde temperaturas intercriticas y revenidas, el cual busca
mejorar la tenacidad y dureza después de haber sido templado. Al material se le
realizara una microscopia electrónica de barrido para poder comparar la incidencia
del revenido.
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1. PROBLEMÁTICA
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El efecto que causa el tratamiento térmico en un material cambia sus propiedades
mecánicas, por lo que el aporte suministrado por estos tratamientos hace que los
materiales aumenten o disminuyan sus propiedades dependiendo de las
características del material que se necesite, sin embargo el revenido es utilizado
para tener una relación de dureza y resistencia según la aplicación del material.
Así estos procesos entran a mejorar las condiciones específicas, en este caso el
acero A-131 para sus determinados usos.
1.2 JUSTIFICACIÓN
El análisis en las probetas de acero A-131 de las propiedades evaluadas con la
MEB y la prueba de impacto, son una metodología adecuada para observar los
cambios ocurridos por el proceso de revenido, sin embargo, se hace necesario
encontrar los intervalos óptimos de tiempo para la duración del tratamiento térmico
y temperatura a la cual se va a realizar el procedimiento, entre otros.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Establecer la influencia del temple a temperaturas intercriticas y revenido
por debajo de Ms en la resistencia al impacto de un acero ASTM A131
1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Establecer la secuencia de los tiempos y temperaturas que se utilizaran
para el tratamiento.
Realizar un temple desde temperaturas intercriticas y posteriormente
revenido por debajo de Ms.
Realizar las pruebas de impacto según la norma ASTM E-23 para
determinar la influencia del tiempo de revenido en la resistencia al impacto
del material y hacer un análisis de falla.
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2 MARCO DE REFERENCIA
2.4 ANTECEDENTES
En el artículo “Evolución Microestructural Del Acero Austenítico Al Manganeso Sometido A Tratamiento Térmico De Temple Y Revenido” realizado en el 2009 por Oscar Fabián Higuera Cobos, Carlos Mauricio Moreno Téllez y Betsy Adriana Suarez Tovar, evaluaron los cambios microestructurales en aceros austeniticos al manganeso con 9 % y 13 % Mn en presencia de cromo (1.4 % - 2.0 %). Se calculó el ciclo térmico de temple y revenido sobre la estabilidad de la fase astenita y la presencia de compuestos de segunda fase como carburos de hierro y cromo del tipo (Fe,Mn)3C y (Fe, Cr)7C3. La temperatura de asutenizacion fue de 1050 °c, con un tiempo de sostenimiento de 1 hora y el medio de enfriamiento agua. Los tratamientos de revenido se efectuaron en un rango de 200 °c a 800 °c con intervalos de 200 °c y tiempo de permanencia de 2 horas. Para este análisis el material se sometió a pruebas de caracterización tales como: microscopia electrónica de barrido (SEM-EDS), espectrometría de emisión óptica y difracción de rayos X, en estado de suministro y bonificado. En la aleación 1 el porcentaje de cromo y manganeso se incrementa en el límite de grano pasando de 3.05% a 4.19% Cr y de ~13% a 18% Mn, lo que indica posiblemente la presencia de un compuesto (Fe, Cr, Mn), presumiblemente el (Fe, Cr, Mn)3C. En el caso de la aleación 2, se presenta un decrecimiento en el porcentaje de manganeso en el límite de grano austenítico y un incremento en el porcentaje de cromo en algunas zonas del material pasando de ~2 a ~9% Cr, lo cual favorece la formación de carburos del tipo (Fe,Cr)7C3. Estos fenómenos de segregación de manganeso y cromo hacia el límite de grano favorecen la transformación γ → α, fenómeno indeseable en este tipo de materiales.1
1 HIGUERA, óscar. MORENO, Carlos. SUÁREZ, Betsy. Evolución microestructural del acero austenítico al
manganeso sometido a tratamiento térmico de temple y revenido.
17
Ilustración 1. Comparación de la aleación 2 antes y después de ser tratada térmicamente
En el artículo “Evaluación de las propiedades mecánicas y microestructurales
del acero naval ASTM A-131A sometido a explosiones cercanas” realizado en
2009 por Jairo F. Useche y Carlos M. Cano, realizaron la caracterización mecánica
y micro-estructural del acero ASTM A-131A antes y después de ser sometido a
explosiones cercanas.
Los especímenes de prueba fueron fabricados a partir de paneles estructurales
sometidos a explosiones cercanas y controladas utilizando pentolita como material
explosivo. Fue desarrollado un sistema de adquisición de datos para la medición
de las deformaciones unitarias desarrolladas en el panel durante la explosión,
utilizando para esto strain gauges ubicados en puntos específicos del panel. Para
la configuración y dimensiones del panel utilizado no se observaron variaciones
micro-estructurales significativas, representadas en cambios de fase, tamaño de
grano, composición química o micro-dureza.
Ensayos no destructivos realizados sobre los especímenes no revelaron la
presencia de fisuras o discontinuidades en el material afectado por la explosión.
Igualmente, fueron realizados ensayos tipo Barra de Hopkinson a compresión para
caracterizar su respuesta mecánica a altas velocidades de deformación antes de
ser sometido a explosiones. Los resultados obtenidos en estos ensayos muestran
18
un aumento de la resistencia última del material así como una variación en su
ductilidad con el aumento de la velocidad de deformación.2
En el artículo “Fundamentos teóricos de los aceros austeniticos al
manganeso (aceros Hadfield)” realizado en el 2007, realizado por los señores
Oscar Higuera, José Tristancho y Luis Flórez, analizaron el efecto de algunos
elementos sobre las propiedades mecánicas de los aceros, dentro de lo cual
caracterizo tres categorías para las cuales las estableció según como se disuelven
en la ferrita, los que entran en la ferrita y que forman carburos estables y
finalmente los que sólo forman carburos. Dentro de lo que nos interesa, elementos
como el carbono y el manganeso, arrojaron como resultados interesantes a tener
en cuenta, como por ejemplo que el manganeso afecta en una proporción
pequeña la resistencia a la fluencia de los aceros austeníticos, esto respaldado en
pruebas de tensión, resistencia ultima y cálculo de la ductilidad. Por otro lado,
comprobaron que el manganeso disminuye las velocidades criticas de
enfriamiento durante el temple; con más de un 3%Mn, el enfriamiento al aire
produce estructuras bainitica y, si el contenido es mayor estructuras martensíticas;
de ahí que su efecto sobre la templabilidad sea mayor que el de otros aleantes
comunes. 3
Ilustración 2. Influencia del manganeso en las propiedades mecánicas de los aceros. Tomado de: ASM Handbook volumen 1. Properties and selection: Irons, Steels and High
Performance alloys. ASM international 1990.
2 USECHE, Jairo. CANO, Carlos. Evaluación de las propiedades mecánicas y microestructurales del acero naval
ASTM A-131A sometido a explosiones cercanas. 3 HIGUERA, Oscar. TRISTANCHO, José. FLOREZ, Luis. Fundamentos teóricos de los aceros asteníticos al
manganeso (aceros Hadfield).
19
En el artículo “Aceros asteníticos al manganeso: breve reseña histórica” realizado en el 2004 por Carlos Iglesias T. y Bernd Schulz E., nos mostraron que los aceros al manganeso son materiales de baja resistencia y alta ductilidad como se puede determinar por medio de un ensayo de tracción antes de su puesta en servicio. Su microestructura es principalmente una fase austenitica metaestable, posterior a su tratamiento térmico. La figura 2 (a) muestra la microestructura de un acero con 12 % Mn y 1,2 % C, tratado térmicamente desde 1050 °c y templado en salmuera, extraído del Steel Casting Handbook de la ASM, mientras que la figura 2 (b) presenta la microestructura deformada de estos aceros en servicio.
Ilustración 3. a) Micrografía de un típico acero Hadfield (b) Micrografía de acero Hadfield
deformado en servicio
Por otro lado la austenita con altos % Mn, es muy susceptible al fenómeno de fragilidad intergranular, el cual es la principal causa de rechazos en producción y fallas en servicio. El efecto de la masa juega un papel extremadamente importante en la segregación dendrítica. La concentración de elementos de aleación en los espacios interdendriticos, actúa directamente en desmedro de la tenacidad e indirectamente al modificar la reacción de la austenita frente el tratamiento térmico, es decir, modifica la cinética de transformación de la austenita. 4
En el artículo “Cast High-Manganese Steel – the Effect of Microstructure on Abrasive Wear Behaviour in Miller Test” elaborado en 2015 por B. Kalandyk, G. Tecza, R. Zapala y S. Sobula modificaron una matriz de austenita en acero fundido de alto manganeso que contiene 11 +/- 19% Mn con adiciones de Cr, Ni y Ti. La introducción de elementos de aleación formadores de carburo a este acero fundido condujo a la formación de fases de carburo complejas y estables que aumentan eficazmente la resistencia al desgaste abrasivo en una mezcla de SiC y agua. El material de partícula utilizado en los ensayos fue acero Hadfield moldeado que contenía 11% de Mn y 1,4% de C. Los resultados presentados en
20
el artículo muestran una mejora significativa en la resistencia al desgaste y dureza debido a la modificación de la estructura con adiciones de Cr y Ti.4
2.5 ACERO SAE A131
El acero es una aleación hierro carbono, donde el porcentaje de carbono varía entre 0,03% y el 2,14%. La variación de este porcentaje provee de ciertas características y propiedades al material, de tal forma que existe gran variedad de aplicaciones a la cuales se puede someter. Este es el caso de los aceros utilizados en la construcción de estructuras o también conocidos como aceros estructurales, estos materiales tiene una composición de hierro del 98% y contenido de carbono inferior al 1%, que combinados con otros elementos proporcionan una alta resistencia mecánica.5 El acero estructural ASTM A131 estandarizado por la norma ASTM (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS), principalmente utilizado en forma de placas, barras y remaches utilizados en la construcción de barcos. La designación de este material se divide en dos grupos: fuerza ordinaria, grados A, B, D, CS y E con un límite de elasticidad mínimo especificado de 34 Ksi. Fuerza superior, grados AH, DH, EH y FH con límites de rendimiento mínimo especificado de 46 Ksi.6 La composición química para el acero A131 se divide en dos: Tabla 1, grados designados con resistencia ordinaria. Tabla 2, grados designados con alta resistencia.
Tabla 1. Composición química para los grados de resistencia ordinaria del acero
4 B. Kalandyk, G. Tecza, R. Zapala, S. Sobula. Cast High-Manganese Steel – the Effect of
Microstructure on Abrasive Wear Behaviour in Miller Test 5 MANUAL AHMSA. ''Manual de diseño para la construcción con acero''.
6 Norma ASTM A131/A 131M-01
21
Tabla 2. Composición química para los grados de alta resistencia del acero A131 establecidos por la norma ASTM
La resistencia al impacto evaluada mediante ensaño de impacto Charpy V-Notch para los grados de acero A131 se muestran en la tabla 3.
Tabla 3. Resistencia al impacto evaluado mediante prueba Charpy V-Notch para los
diferentes grados del acero A131 establecidos por la norma ASTM
22
2.6 ACERO ESTRUCTURAL A-131
El acero estructural A-131 se produce bajo la especificación ASTM A-131. Es un
acero estructural de mediana resistencia, obtenido por laminación de planchones
de acero estructural naval los cuales son previamente calentados hasta una
temperatura de 1250ºC. Utilizado en todo tipo de construcciones estructurales, con
amplia aplicación a la industria naval, su principal característica es la alta
soldabilidad y maleabilidad para el propósito naviero.
Tabla 4. Composición química acero A131. Compañía General de Aceros
El acero A-131 es un material comúnmente usado en embarcaciones de tipo
marítimo, fluvial o lacustre. Con dimensiones desde 6 mm hasta 25 mm, y
presentado en formatos 4x8, 6x20, 8x20 pies; respectivamente.7
2.7 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Es el conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento a que son sometidos los aceros, con el fin de modificar sus propiedades o conceder características determinadas. Generalmente se utilizan los tratamientos térmicos para elevar la dureza del material, aumentar la resistencia al desgaste, incremento en la resistencia mecánica, etc. 8
2.8 ETAPAS DE TRATAMIENTO TÉRMICO
Cuando se realiza un tratamiento térmico el material debe atravesar por las siguientes etapas para que el procedimiento se lleve a cabo de la forma correcta.
Precalentamiento: en esta fase del proceso el material se calienta de forma uniforme hasta alcanzar la temperatura deseada, esto dependerá directamente del horno o mufla en la que se va a trabajar.
7 Compañía General de Aceros. Bogotá, Colombia. Disponible en <<<http://www.cga.com.co/productos-y-
servicios/productos/a-131>>> 8 A. Forero Mora, METALURGIA PRÁCTICA, 4ta Edición, Bogotá: Universidad Nacional de Colombia (Sede Bogotá), 2010.
23
Permanecía de la temperatura: una vez el equipo alcance la temperatura deseada el material entra en la fase de permanencia. Se debe establecer el tiempo al cual se va a someter el material a dicha temperatura. Se debe tener en cuenta un tiempo de alrededor de 2 minutos por milímetro de espesor como permanencia mínima.
Enfriamiento: es etapa inicia una vez se cumple el tiempo de permanencia a la temperatura deseada, dependiendo del tipo de tratamiento térmico que se realice el medio de enfriamiento cambia, por ejemplo, agua, aceite, salmuera o simplemente aire.9
2.9 TIPOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO
Existen diversos tipos de tratamiento térmico pero los más usados a nivel industrial son el temple, recocido, revenido y normalizado. A continuación revisaremos los tratamientos térmicos empleados en el presente proyecto.
2.9.1 TEMPLE
El temple es un tratamiento térmico en el cual se calienta el acero se calienta y se enfría rápidamente con el objetivo de aumentar su dureza y resistencia mecánica. En la etapa de calentamiento cuya temperatura debe ser mayor a la temperatura critica del material, toda la masa se transforma en austenita y luego en el enfriado rápido (en aceite, agua o salmuera), se convierte en martensita. Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la templabilidad del material.
2.9.2 REVENIDO
El revenido es un tratamiento térmico que se realiza posterior al temple para complementarlo, ya que después del temple los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los usos los cuales están destinados por lo que el revenido disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad.
9 TRATAMIENTOS TÉRMICOS PROTOCOLO – Escuela colombiana de ingeniería.
24
El revenido consiste en calentar el acero a una temperatura inferior al punto crítico o temperatura de recristalización, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden tenacidades altas, o lentos cuando se pretende reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar las deformaciones. Cabe aclarar que el proceso de revenido no elimina los efectos del temple, solamente los modifica para obtener mejores resultados.
2.10 CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS
El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono, que
comunica a aquellas propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. En
general, también se pueden fabricar aceros con otros componentes como
manganeso, níquel o cromo. El hierro es un constituyente fundamental de algunas
de las más importantes aleaciones de la ingeniería. El hierro es un metal
alotrópico, por lo que puede existir en más de una estructura reticular dependiendo
fundamentalmente de la temperatura. Es uno de los metales más útiles debido a
su gran abundancia en la corteza terrestre (constituyendo más del 5% de esta,
aunque rara vez se encuentra en estado puro, lo más normal es hallarlo
combinado con otros elementos en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros) y a
que se obtiene con gran facilidad y con una gran pureza comercial. Posee
propiedades físicas y mecánicas muy apreciadas y de la más amplia variedad.
El hierro técnicamente puro, es decir, con menos de 0.008% de carbono, es un
metal blanco azulado, dúctil y maleable, cuyo peso específico es 7.87. Funde de
1536.5ºC a 1539ºC reblandeciéndose antes de llegar a esta temperatura, lo que
permite forjarlo y moldearlo con facilidad. El hierro es un buen conductor de la
electricidad y se imanta fácilmente.10
DENTRO DE LOS CONSTITUYENTES ENCONTRAMOS LOS SIGUIENTES:
2.10.1 FERRITA
Aunque la ferrita es en realidad 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 más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento 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. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más
10
CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS. Universidad Autónoma de Madrid.
25
irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación. La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C)
Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)11
- Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
2.10.2 CEMENTITA
La cementita es un compuesto intermetálico cuyo enlace predominante es no
metálico, parece lógico que sea frágil y además, el constituyente más duro de los
aceros (68 HRc), por lo que, no es posible utilizarla para operaciones de laminado
o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.12
2.10.3 BAINITA
El crecimiento de la ferrita bainítica se ha discutido en la literatura basada en la reconstrucción o mecanismos de transformación displace. En la definición reconstructiva, el crecimiento de la bainita es el producto del crecimiento disfuncional, no cooperativo y competitivo de ferrita y cementita en austenita durante la descomposición eutectoide con cementita.13
2.10.4 AUSTENITA
Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, 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 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo
11
ACEROS: ALEACIONES HIERRO-CARBONO. Universidad Autónoma de Madrid. 12
Ciencia e ingeniería de materiales. Estructura, transformaciones, propiedades y selección. 13
Manual del tratamiento térmico, metalurgia y tecnología.
26
de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita. Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
2.10.5 MARTENSITA
La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se
obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su
temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. Se presenta
en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal en lugar de cristalizar en la red
cúbica centrada, que es la del hierro alfa, debido a la deformación que produce en
su red cristalina la inserción de los átomos del carbono.
La dureza de la martenista puede atribuirse precisamente a la tensión que produce
en sus cristales esta deformación de la misma manera que los metales
deformados en frío deben a los granos deformados y en tensión el aumento de
dureza que experimentan. Después de la cementita es el constituyente más duro
de los aceros.
La proporción de carbono de la martensita no es constante sino que varía hasta un
máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el
contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 Rockwell-C; su resistencia
mecánica, de 175 a 250 kg/mm2, y su alargamiento de 2,5 a 0,5%.14
2.10.6 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 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de
aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un
alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas
alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita
formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la
estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se
14
Ciencia De Materiales: http://www.udb.edu.sv/udb/archivo/guia/mecanica-ingenieria/ciencia-de-los-materiales/2014/ii/guia-6.pdf
27
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.
2.11 ANÁLISIS METALOGRÁFICO
El análisis metalográfico es el estudio microscópico de las características
estructurales de los materiales. Es posible determinar el tamaño y estructura de
grano, determinación de espesor de recubrimiento, la calidad de tratamiento
térmico, calidad de la soldadura y revestimiento, conteo de fases, etc. 15
El estándar más común para el análisis metalográfico es el ASTM E3.
El análisis macroscópico es aquel que se puede realizar a simple vista, es decir
sin necesidad de microscopio. El análisis se puede usar en:
Líneas de flujo en materiales forjados.
Capas en herramientas endurecidas por medio de tratamiento térmico.
Zonas resultado del proceso de soldadura.
Granos en algunos materiales con tamaño de grano visible.
Marcas de maquinado.
Grietas y ralladuras.
Orientación de la fractura en fallas.
Por medio del análisis metalográfico, se puede determinar el comportamiento
estructural indicando:
Tamaño de grano.
Límites de grano y dislocaciones.
Análisis microestructural.
Distribución de fases en aleaciones
2.12 TOMA DE LAS MUESTRAS
Para la preparación de superficies típicamente se utiliza una secuencia de maquinado o rectificado y luego de pulimento. La operación se compone de distintas etapas que van incrementando su fineza para proporcionar un mejor acabado por medio de diferentes lijas con un grano grueso, y obtener una superficie plana sin llegar a producir rayones muy profundos, hasta pasar por la lija con granos más finos. .
15
Calidad y Técnica Industrial.
28
2.12.1 PULIDORA
La pulidora es utilizada para dar el acabado final a la superficie objeto de estudio,
haciendo uso de lijas y paños especializados.16
2.12.2 ATAQUE QUÍMICO
Luego de la última pasada de pulimento, la superficie es tratada químicamente. El ataque químico es un proceso de corrosión controlada de la muestra, se realiza sumergiendo la superficie en algún tipo de solución adecuada. La solución química usada depende del material que compone la muestra, la temperatura y tiempo del ataque, el efecto deseado en la superficie entre otros.
2.12.3 MANGANESO EN LOS ACEROS
Los aceros austeíiticos al manganeso (Mn) resistentes al desgaste, han existido
por hace más de 100 años, por ende existen más de 10 grados de aceros
austeníticos identificados en la norma ASTM A128. Los aceros al manganeso son
materiales de baja resistencia y alta ductilidad, Su micro estructura es
principalmente una fase austenitica maleable. 17
Permite lograr alta tenacidad al impacto sobre 136J a temperatura ambiente y una
tenacidad a la fractura del orden de los 120Pa.m1/2 .
La función del Mn contraria al S ya se denotó anteriormente. Cuando existe una
cantidad de Mn mayor que la requerida para formar MnS, el exceso se combina
con carbono para formar el compuesto (Mn3C) que se asocia con el carburo de
hierro (Fe3C) en cementita. El manganeso también promueve la solidez de las
piezas fundidas al acero a través de su acción de desoxidación en acero líquido.18
2.13 ENSAYO DE DUREZA
Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen
los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.
16 Escuela Colombiana de Ingeniería Laboratorio de Producción “Julio Garavito” 17
Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Ingeniería Metalúrgica. 18
Universidad autónoma de Madrid. Efectos de pequeñas cantidades de otros elementos en los
aceros.
29
2.14 ENSAYO ROCKWELL
En los ensayos de dureza Rockwell, las unidades de dureza se establecen por la medida de la profundidad, e, de la huella de acuerdo con el modelo:
HR = A - e (mm)/0.002 El ensayo es aplicable a todo tipo de materiales metálicos:
a) Blandos. Se utiliza como penetrador una bola de acero templado, similar al del ensayo Brinell, con diámetros de bola y cargas normalizados para cada tipo de ensayos.
b) Duros. Se utiliza como penetrador un cono de diamante de 120° de ángulo
de vértice redondeado en la punta. Se usan cargas normalizadas de 60, 100 y 150 kilogramos.
c) Pequeños espesores en materiales blandos o duros. Es el caso de flejes, chapas delgadas o también sobre capas endurecidas, cementadas o nitruradas. En este supuesto se usa la modalidad de pequeñas cargas especificadas en la norma, 3 kilogramos de precarga y 15, 30 o 45 kilogramos de carga. Se conoce este tipo de ensayos como Rockwell superficial.19
Ilustración 4. Secuencia de cargas, F, y profundidades en el ensayo Rockwell
19
Universidad Politécnica de Valencia, ensayo de dureza.
30
La denominación de la dureza Rockwell ensayada es por escalas, de A a L, que
identifica la precarga, carga y tipo de penetrador, según se especifica en la tabla
siguiente:
Tabla 5. Escala de Dureza Rockwell
2.14.1 CARGAS, PENETRADORES Y ESCALAS
La carga aplicada resulta de una inicial cuyo valor es de 10 kg en todos los casos y otra adicional de 50, 60, 90 o 140 kg, de acuerdo al material a ensayar. los penetradores pueden ser bolillas de acero o bien un cono de diamante cuya punta tiene radio de 0,2 mm y un ángulo de 120º. De esta manera es posible obtener distintas combinaciones de cargas y penetradores; en la actualidad existen 15 combinaciones o escalas distintas que se identifican con las letras A, B, C, D, etc. HRC significa dureza Rockwell escala C (cono de diamante y una carga total de150 kg). Como se puede ver en la tabla 5, para metales y aleaciones duras se utiliza el cono de diamante con una carga total de 150 kg. Cuando se ensayan materiales muy blandos se utilizan bolillas de 1/8 y ½ con cargas de 60, 100 y 150 kg.
31
Para valores inferiores a HRB = 10 se deberá utilizar bolillas de mayor diámetro o bien la de 1/16 con una carga total de 60 kg. La escala E se utiliza para piezas fundidas y materiales muy blandos. Esta escala trabaja con un penetrador esférico de 1/8” y con una carga de 100 kg.20
2.15 ENSAYO DE MICRODUREZA
El ensayo de microdureza es un método bastante similar a la prueba Vickers y se puede decir que esta se reserva para láminas que son muy delgadas menores a 2 mm de espesor, pero también se puede usar en vidrios. En esta prueba o ensayo también conocido como dureza Knoop es un penetrador de diamante muy pequeño y con una geometría en forma de pirámide el que procede a forzarse en la superficie que queremos trabajar; las cargas que se buscan aplicar son mucho menores a comparación de la anterior nombrada dureza Rockwell, y están limitadas entre 1 y 1000 gramos de fuerza.
Este tipo de prueba básicamente es utilizada para medir dureza en pequeñas
regiones específicas de la superficie que queramos considerar dentro de una
investigación; normalmente este ensayo se lleva a cabo en materiales de alta
fragilidad como por ejemplo en el caso de los cerámicos.21
2.16 MICROSCOPIA
Normalmente se utiliza microscopio óptico y electrónico. Estos elementos
contribuyen a la investigación de las características micro estructural de todo tipo
de materiales.
2.17 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO
El límite de aumentos del microscopio óptico es aproximadamente 2000
aumentos. De acuerdo con la mecánica cuántica, un electrón de elevada velocidad
20
Ensayo de Dureza. Anónimo.Disponible en: http://190.105.160.51/~material/materiales/presentaciones/ApunteDureza.pdf. Recuperado: 20 de julio de 2017 21
WILLIAM D. CALLISTER, Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Volumen 1, editorial
reverté.
32
actúa como una onda, con una longitud de onda inversamente proporcional a su
velocidad, obteniéndose longitudes de onda del orden de los 0.003 nm (3pm).
La superficie de la probeta se barre con un haz de electrones y el haz reflejado de
electrones, recoge y muestra con la misma velocidad de barrido en un tubo de
rayos catódicos, con una pantalla similar a la de un televisor. La imagen muestra
las características de la probeta22
Microscopio Tescan Vega 3 SB, opera con un filamento de tungsteno a voltajes
de aceleración de los electrones desde 200V hasta 30kV y vacios de 0,009 Pa a
2000 Pa (pascal). El microscopio posee actualmente tres detectores: electrones
secundarios (SE), electrones retrodispersados (BSE) para observación de
imágenes y de espectroscopía de rayos X por energía dispersiva (EDX) para
análisis elemental, logra una resolución en la imagen de 3 nm.23
2.18 MARCO NORMATIVO
Para el desarrollo del presente, se tendrán en cuenta los siguientes entes
normativos:
Norma Técnica Descripción
ASTM E3 - 2011 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens
Norma que especifica las condiciones, requerimientos y la guía de preparación de probetas para hacer análisis metalográfico.
ASTM E407 – 2015 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys
Consideraciones pertinentes para realizar ataque químico a la probeta.
ASTM E18 – 2016 Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials
Parámetros a tener en cuenta para realizar la prueba de dureza en escala Rockwell para diferentes tipos de materiales metálicos.
ASTM E92 – 82 – 2003 Standard Test
Method for Vickers Hardness of Metallic Materials
Parámetros para verificación de dureza en escala Vickers para materiales metálicos.
NTC 1486 (Norma Técnica Colombiana)
Presentación de trabajos de proyecto de grado, tesis, monografías, y otros trabajos de investigación.
Tabla 6. Normas Consideradas.
22
SEM: microscopia electrónica de barrido. Campus virtual. Ciencia e ingeniería de los materiales. 23
Departamento de Física y taller. Microscopia electrónica de barrido.
33
2.19 ENSAYO DE IMPACTO
Utilizado para medir la tenacidad del acero. En esta prueba, una probeta especial
del acero en cuestión, es sometida a un fuerte impacto instantáneo. Este hecho
entrega una medida de la energía que se debe aplicar para su fractura, lo que se
traduce en un índice de su tenacidad. Si bien los resultados de los ensayos de
impacto no se utilizan directamente para el diseño, son muy útiles como una
herramienta de la producción, ya que permiten la comparación de un acero con
otro que ha dado resultados satisfactorios. Existen dos tipos de ensayo que han
alcanzado gran difusión: Charpy e Izod.24
En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, la
diferencia radica en la posición de la probeta entallada, como se muestra en la
figura por lo que se los denomina flexión por choque.
El péndulo de Charpy es un dispositivo utilizado en ensayo para determinar la
tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y
ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la
parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto
(h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta.
2.20 PROCEDIMIENTO Y DISEÑO EXPERIMENTAL
El estudio que se va a llevar a cabo es de tipo experimental ya que se emplean
equipos e instrumentos para la obtención de todos los resultados, tales como un
espectrómetro para determinar la composición química del material, microscopio
óptico y microscopio electrónico de barrido para observar los cambios de fases de
los constituyentes después de los tratamientos térmicos, un durómetro y micro
durómetro para analizar la variación de las propiedades micro estructurales.
24 Armado estructural de un bloque en una construcción naval. Cristian Gabriel Garrido Soto. Universidad Austral de Chile.
Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Escuela de ingeniería Naval. Valdivia, Chile, 2009 . Disponible en
<<<http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2009/bmfcig241a/doc/bmfcig241a.pdf>>>
34
2.21 MÉTODO DE INVESTIGACIÓN
El estudio se llevó a cabo bajo la siguiente metodología:
Ilustración 5. Esquema metodología para desarrollo del proyecto. Fuente: propia
2.22 SELECCIÓN DEL MATERIAL
Para seleccionar el material se realizó un matriz de ponderación del 1 al 5 (siendo
1 el más bajo y 5 el más alto), teniendo en cuenta el grado de cumplimiento de los
requerimientos de estudio:
35
ACERO SAE 8620
SAE 1518
ASTM A-572
ASTM A-131
CARACTERÍSTICAS
Proveedor certificado 5 2 5 5
Estado comercial en forma de lamina 1 1 5 5
Fácil adquisición 4 3 2 4
Acero de bajo carbono 5 5 4 4
Bajo costo 3 4 3 4
Contenido de manganeso hasta 1,5% 3 5 5 4
TOTAL 21 20 24 26
Tabla 7. Matriz de ponderación. Fuente: propia
Según la matriz de ponderación, el acero ASTM A-131 es el material que cumple
con mayor puntaje los requerimientos del estudio, por lo tanto este material fue el
que selecciono. El material fue adquirido en la Compañía General de Aceros S. A.
en la ciudad de Bogotá.
2.23 COMPOSICIÓN QUÍMICA
Para determinar la composición química del material de estudio, se realizó un
ensayo de espectrometría de masa realizado en la Universidad Libre, en la ciudad
de Bogotá. Los resultados obtenidos en la tabla 7. Se aproximan a los valores
teóricos establecidos por la norma ASTM A-131 (tabla 1 y 2).
36
COMPOSICIÓN QUÍMICA EN % DEL ACERO ASTM A-131
Fe 98.7340 Mo 0.0080
C 0.1570 W 0.0100
Mn 0.7440 Co 0.0020
P 0.0050 Ti 0.0000
S 0.0240 Sn 0.0020
Si 0.1970 Al 0.0490
Cu 0.0130 Nb 0.0040
Ni 0.0200 B 0.0009
Cr 0.0200 Pb 0.0070
V 0.0020 Mg 0.0000
Tabla 8. Composición química del acero ASTM A-131. Fuente: Propia
2.24 EQUIPOS EMPLEADOS
A continuación se muestran los equipos utilizados para la preparación de las
probetas y los ensayos realizados para llevar a cabo este proyecto.
2.24.1 MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P TYPE
Está equipada con un control digital que se encarga de regular la temperatura,
cuenta con un Interruptor en la puerta que se encarga de cortar el suministro
eléctrico para minimizar la exposición a altas temperaturas y el consumo
innecesario de energía eléctrica, ésta función además previene el daño prematuro
de los elementos calefactores. Puede alcanzar temperaturas de hasta 1200°C.25
25
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios de mecánica.
37
Ilustración 6. Mufla Eléctrica LabTECH. Fuente: Laboratorios de mecánica Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
2.24.2 CORTADORA ABRASIVA MANUAL METKON METACUT 250.
Es un equipo idóneo para preparar muestras metalográficas, está diseñada para el corte de todo tipo de piezas: grandes o pequeñas, regulares o irregulares, de materiales metálicos, cerámicos, etc; tiene sistema de refrigeración a chorro de agua, y con una potencia eléctrica de 3 KW.26
Ilustración 7. Cortador abrasiva Metkon. Fuente: Laboratorios de mecánica
2.24.3 PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO.
La prensa de montaje automático Metkon Ecopress 50 automático con un cilindro, con medidor de presión de lectura directa, presión de moldeo hasta 300 bar, temperatura de hasta 200 º C, tiempo de operación hasta de 59:99 minutos, la energía térmica de temperatura controlada del ciclo de enfriamiento es de 1250W, seleccionable a tamaños de moldes de 25 mm a 50 mm.
26
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios de mecánica.
38
Ilustración 8. Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
2.24.4 SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V.
Posee dos discos giratorios que hace mover la muestra, controlado por un microprocesador. Estos discos pueden usarse con velocidades de rotación constantes, dobles o infinitamente variable con pantalla digital.1
Ilustración 9. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V. Fuente: Laboratorios de mecánica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad
Tecnológica.
39
2.24.5 DUROMETRO GNEHM SWISS ROCK.
Determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma automática y se puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador normalizado, que produce una huella sobre el material; trabaja con rangos de precarga de 10 Kgf y de carga de 15 hasta 250 Kgf.1
Ilustración 10. Durómetro GNEHM SWISS ROCK. Fuente: Laboratorios de mecánica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
2.24.6 MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M.
Microscopio metalográfico invertido que permite efectuar el control de superficie y análisis óptico de metales. El objeto a estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz.
40
Ilustración 11. Microscopio óptico AXIO OBSERVER D1M. Fuente: Laboratorios de mecánica - Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
2.24.7 MICRO DURÓMETRO SHIMADZU HMV-2
El equipo SHIMADZU HMV-2 es un microdurómetro que permite la medición de durezas en escala Vickers en zonas muy pequeñas de muestras metálicas. Trabaja con 9 tipos de fuerzas automáticas (98.07, 245.2, 490.3, 980.7mn, 1.96, 2.942, 4.903, 9.807n y 19.614N).
Ilustración 12. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2. Fuente: Laboratorios de mecánica – Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
41
2.24.8 SEM
Opera con un filamento de tungsteno a voltajes de aceleración de los electrones
desde 200V hasta 30kV y vacíos de 0,009 Pa a 2000 Pa (pascal). El microscopio
posee actualmente tres detectores: electrones secundarios (SE), electrones retro
dispersados (BSE) para observación de imágenes y de espectroscopia de rayos X
por energía dispersiva (EDX) para análisis elemental, logra una resolución en la
imagen de 3 nm.27
Ilustración 13. Microscopio electrónico de barrido (SEM) TESCAN VEGA 3 SB. Fuente: Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá.
2.24.9 PENDULO DE IMPACTO SATEC SI-1A 5A-10700
Para las pruebas Charpy, también denominadas pruebas de impacto se utilizó un
péndulo Charpy Satec SI-1A, utilizando una masa de martillo de 13,333 Lb,
cumpliendo la norma ASTM E 23.
Ilustración 14. PENDULO DE IMPACTO SATEC SI-1A 5A-10700 Fuente: Laboratorios de mecánica – Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.
27 Departamento de Física. Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá D.C. Disponible en: http://ciencias.bogota.unal.edu.co/departamentos/fisica/servicios-de-extension/laboratorios-y-taller/microscopia-electronica-de-barrido/
42
2.25 CANTIDAD DE PROBETAS
Para la realización de todos los ensayos se emplearon 40 probetas, en la figura 10
se pueden ver las dimensiones. La distribución de las probetas fueron las
siguientes:
Probetas sin tratamiento térmico: 20
Probetas tratadas térmicamente: 20
Pruebas de impacto: se emplearon las probetas tratadas y no tratadas
térmicamente, en total 40.
Análisis metalográfico: se seleccionó una probeta al azar tratada
térmicamente y no tratada térmicamente.
Ensayo de dureza y micro dureza: se seleccionó una probeta al azar
tratada térmicamente y no tratada térmicamente.
Ilustración 15. Tamaño de la probeta empleada. Fuente: propia
3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
Cálculo de temperaturas Intercriticas A1 y A3 (Austenización A1
–A3)
Para determinar las temperaturas intercriiticas (temperatura de inicio de
transformación martensitica) o de austenización para el tratamiento térmico se
emplea la fórmula de Kasatkin, para así tratar el material dentro del rango de
temperatura y realizar el tratamiento de temple.
43
3.1 TEMPLE
Aplicando la ecuación de Kasatkin se determinaron las dos temperaturas a
trabajar dentro de la investigación A1 y A3, respectivamente.28
𝐴𝑐1=723−7,08 𝑀𝑛+37,7 𝑆𝑖+18,1 𝐶𝑟+44,2 𝑀𝑜+8,95 𝑁𝑖+ 50,1 𝑉+21,7 𝐴𝑙+3,18 𝑊+291 𝑆−830 𝑁−11,5 𝐶 𝑆𝑖−14,0 𝑀𝑛 𝑆𝑖−3,10 𝑆𝑖 𝐶𝑟−57,9 𝐶 𝑀𝑜−15,5 𝑀𝑛𝑀𝑜−5,28 𝐶
𝑁𝑖−6 𝑀𝑛 𝑁𝑖+6,77 𝑆𝑖 𝑁𝑖−0,8 𝐶𝑟 𝑁𝑖−27,4 𝐶 𝑉+30,8 𝑀𝑜 𝑉−0,84 𝐶𝑟2−3,46𝑀𝑜2−0.46𝑁𝑖2−28𝑉2
Ecuación 1. Temperatura de inicio de la Austenización en la calefacción
𝐴𝑐3=912−370𝐶−27,4 𝑀𝑛+27,3 𝑆𝑖−6,35 𝐶𝑟−32,7 𝑁𝑖+95,2 𝑉+190 𝑇𝑖+ 72 𝐴𝑙+64,5 𝑁𝑏+5,57 𝑊+332 𝑆+276 𝑃+485 𝑁−900𝐵+16,2 𝐶 𝑀𝑛+32,3 𝐶 𝑆𝑖+15,4 𝐶 𝐶𝑟+48 𝐶
𝑁𝑖+4,32 𝑆𝑖 𝐶𝑟−17,3 𝑆𝑖 𝑀𝑜−18,6 𝑆𝑖 𝑁𝑖+4,8 𝑀𝑛 𝑁𝑖+40,5 𝑀𝑜 𝑉+174𝐶2+2,46 𝑀𝑛2−6,86 𝑆𝑖2+0,322𝐶𝑟2+9,90 𝑀𝑜2+1,24 𝑁𝑖2−60,2 𝑉2
Ecuación 2. Temperatura de Equilibrio de Austenitización Terminada en Calefacción.
Luego de identificar la ecuaciones experimentales a emplear, se procede a
reemplazar los datos de la composición quimica de acero A-131, identificados en
la tabla: Composición química del acero ASTM A-131.
Ac1= 737,07599°C
Ac3= 859,88874°C
Posteriormente se procede a determinar la temperatura intercritica para el tratamiento termico y promediando Ac1 y Ac3 obtenemos una temperatura de temple (810°C), con a un tiempo de exposición de 30 min y enfriamiento súbito en agua.
3.2 REVENIDO
Aplicando la ecuación de SVERDKIN – NESS, para definir la temperatura de
transformación martensitica se determinó la temperatura Ms, para realizar
tratamiento térmico de revenido. Posteriormente a la identificación de la escuacion
experimental, se procede a reemplazar los datos de la composición quimica de
28 KASATKIN, O.G. et al. Calculation Models for Determining the Critical Points of Steel. Metal
Science and Heat Treatment, 26:1-2, January-February 1984, 27-31.
44
acero A-131, identificados en la tabla: Composición química del acero ASTM A-
131.29
𝑀𝑠=520−320𝐶−50 𝑀𝑛−30𝐶𝑟−20 (𝑁𝑖+𝑀𝑜)− 5 (𝐶𝑢+𝑆𝑖)
𝑀𝑠= 433,345
Ecuación 3. Temperatura de Ms Sverdkin- Ness.
Se determina (400°C) para tratamiento térmico de revenido con un tiempo de
exposición de 30 min y enfriamiento súbito en agua.
3.3 SECUENCIA DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Luego de determinar las temperaturas para el tratamiento térmico de temple y
revenido, a las cuales se va a someter las 25 probetas. Se determina la siguiente
secuencia.
1. Precalentamiento de la mufla (30 min) para temple.
2. Permanencia en la mufla (30 min) en temple.
3. Enfriamiento súbito en agua.
4. Precalentamiento de la mufla (30 min) para revenido.
5. Permanencia en la mufla (30 min) en revenido
6. Enfriamiento súbito en agua.
De modo experimental se determina el tiempo de tratamiento térmico de temple y
revenido cada uno a 30 minutos, teniendo en cuenta que se las propiedades
mejoran en menor tiempo de tratamiento de acuerdo a varias investigaciones
consultadas para determinar el tiempo óptimo de tratamiento térmico. 30
29 SVERDLIN, A.V. & NESS, A.R. The Effects of Alloying Elements on the Heat Treatment of Steel. In: Steel Heat
Treatment Handbook, Marcel Dekker, New York, 1997, p. 45-91. 30
INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y EL REVENIDO EN LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE UN ACERO SAE 1045: La mayor resistencia se logró para el temple de 760 °C, revenido de 400 °C durante el tiempo 45 minutos 10200 ciclos Disponible en: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/5992/1/OrtizPreciadoJhonAlexander2017.pdf.Recuperado 07 de agosto de 2017.
45
Ilustración 16. Secuencia de tratamiento Térmico. Fuente: Propia
3.4 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA
Luego de realizar los tratamientos térmicos determinados para el presente estudio,
se procede a preparar las probetas para su respectivo análisis metalográfico, de
acuerdo al siguiente procedimiento:
En primera instancia se procede a tomar la probeta base (no tratada
térmicamente) para lijar y preparar a dos caras la probeta, con el objetivo
de determinar el sentido de laminación como se muestra en la ilustración
16.
Ilustración 17. Identificación de la orientación de laminado. Fuente: Matensayos31
31
Disponible en: http://matensayos.webcindario.com/tecnicametalografica/extraccion/extracc.htm. Recuperado el 24 de julio de 2017.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 30 60 70 100 130 160
Tem
pe
ratu
ra °
C
Tiempo (Min)
Secuencia de tratamientos tratamiento Térmico
1. 2. 3. 4. 5. 6.
46
De manera autonoma y luego de identificar la dirección de laminado, se
lleva a cabo el analisis y preparación de cada una de las probetas en base
a la direción encontrada.
Cada una de las probetas se somete a un proceso de lijado para obtener un
desbaste tanto grueso como fino y superfino. Para eliminar imperfecciones
en la sección trabajada se emplea una secuancia de lijado a partir d ela lija
No. 80 hasta la lija No. 120. Para elimininar lineas o marcas obtenidas a
partir del proceso de lijado grueso se aplica una sucesición de lijas mas
finas de la No. 320 a la serie 2000.
Posteriormente se procede a emplear la máquina de pulido METKON
FORCIPOL 2V del laboratorio de metalografia de la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, Facultad Técnologica, con el objetivo de eliminar
todas las líneas o rayas, las cuales se mantuvieron durante el proceso de
lijado superfino, para obtener una superficie plana y un acabado de tipo
espejo, para de este modo obtener mayor claridad en las imágenes
tomadas por medio del microscopio óptico. Durante el proceso de pulido se
aplica alumina como abrasivo de 5 a 0.14 micras.
Por medio de la norma ASTM E407, se emplea Nital al 3.5% como agente
reactivo para el ataque quimico con un tiempo de exposición de 5
segundos.
3.5 IMÁGENES MICROESTRUCTURALES
Empleando el microscopio óptico AXIO OBSERVER D1M, del laboratorio de
metalografia de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad
Técnologica. Se obtienen la imágenes metalograficas; con el objetivo de analizar
la microestructura y los costntituyectes del acero por medio de 100, 500 y 1000
aumentos. Para cuantificar los porcentajes decada fase.
3.6 PORCENTAJES DE FASE
Por medio del software del microscopio óptico, se analiza el porcentaje de cada
fase, en la probeta atacada. Diferenciándose por dos colores diferentes, para su
posterior cuantificación.
3.7 ENSAYOS DE DUREZA
Utilizando el equipo (durometro) GNEHM SWISS ROCK de la Universidad
Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Técnologica. De acuerod a la norma
ASTM E-18, se aplica una precarga de de 10kgf de dureza superficial a 10
segundos en cada una de las probetas trabajadas, durante este estudio. Para el
47
ensayo se aplica una carga de 100 kgf a 10 segundos, tomando 5 mediciones
sobre la cara trabajada en cada una de las 40 probetas.
3.8 ENSAYO DE MICRODUREZA
Para hacer el ensayo de microdureza se emplea el equipo SHIMADZU HMV-2,
de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Técnologica y por
medio de la norma ASTM E92-82. se observa a través del ocular del equipo una
imagen a 400 aumentos de la zona analizada (fase blanca y negra). Se tomarón
de mediciones de cada fase presente en el material.
3.9 SEM (MICROSCOPÍA ELÉCTRONICA DE BARRIDO)
Para realizar la prueba, primero se encapsula la probeta con baquelita, para
posteriormente realizar la microscopia electronica de barrido empleando el
Microscopio Tescan Vega 3 SB del laboratorio de fisica de la Universidad
Nacional de Colombia, sede Bogotá. Introduciendose en la camará de vacio previo
a una limpieza con alcohol para proceder a realizar el barrido de la superfice de la
probeta y poder determinar fases cristalinas, texturas, composición, fragilización,
microestructura entre otros. Tomando imágenes con una resolución de 50, 20, 10
y 5 micras. Luego de esto se realizó una espectrometría, para poder analizar la
cantidad de hierro de cada probeta.
Ilustración 18. Probetas encapsuladas en baquelita. Fuente: Propia
3.10 ENSAYO DE IMPACTO
Cumpliendo con la norma ASTM E 23, se emplea un péndulo Charpy Satec SI-
1A, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Técnologica.
Con una masa del martillo de 13,333 Lb, para determinar fragilidad o capacidad
del material de absorber cargas instantáneas. Por ello se somete a la prueba 45
probetas tratadas térmicamente y sin tratamiento para realizar la comparación de
tenacidad entre las mismas.
48
4 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 METALOGRAFÍA
A continuación veremos las imágenes del resultado de las pruebas metalográficas
que se realizaron al material base y al material tratado térmicamente, las
imágenes son el resultado del microscopio y del SEM.
Acero ASTM A-131 sin tratamiento térmico (material base)
Ilustración 19. Imágenes tomadas con el microscopio óptico a: a) 100x, b) 500 x y c) 1000x. Fuente: Propia.
a
c
bFase Ferrita
Fase Perlita
Fase Ferrita
Fase Perlita
49
Ilustración 20. Imágenes tomadas con SEM a: a) 50 micras, b) 20 micras, c) 10 micras y d) 5 micras Fuente: Propia.
En las ilustraciones 18 y 19 se puede evidenciar observar que la muestra de
acero ASTM A-131 sin tratamiento térmico se compone por dos fases, una fase A
(zona oscura) y una fase b (zona blanca), las cuales más adelante serán descritas
y determinadas según la bibliografía y los resultados obtenidos en las pruebas de
dureza y microdureza. Se observa ferrita y perlita en el estado inicial (sin
tratamiento).
a) b)
c) d)
50
Acero ASTM A-131 templado y revenido
Ilustración 21. Imágenes tomadas con el microscopio óptico a: a) 100x, b) 500 x y c) 1000x. Fuente: Propia.
a)
b)
c)
Fase Ferrita
Fase Martensita
Fase Ferrita
Fase Martensita
51
Ilustración 22. Imágenes tomadas con SEM a: a) a) 100x, b) 500 x y c) 1000x. Fuente: Propia.
En las ilustraciones 20 y 21 podemos observar que la muestra de acero ASTM A-
131 templada y revenida se compone por dos fases, una fase A (zona oscura) y
una fase b (zona blanca), las cuales más adelante serán descritas y determinadas
según la bibliografía y los resultados obtenidos en las pruebas de dureza y
microdureza. Es evidente que la fase A aumento con respecto a la probeta sin
tratamiento térmico, esto se debe al aumento de matrices de martemsita, más
adelante evidenciaremos la diferencia entre estas dos zonas.
a) b)
c) d)
52
Luego de realizar el respectivo estudio metalográfico, se evidencia
mayor concentración de martensita después de realizar el temple a
810°C y revenido a 400°C, como se observa en las imágenes tomadas
al material base y posteriormente al material tratado térmicamente.
Encantándose un aumento en las fases más oscuras, evidentemente por
la temperatura de austenización a la que se sometió el material.
4.2 IMPACTO
Los resultados obtenidos en el ensayo Charpy, como es de esperar variaron entre
las probetas tratadas térmicamente y las no tratadas térmicamente, en la tabla 9
podemos ver los resultados promedio.
Tratamiento térmico Energía absorbida [J] Promedio
Material base 81.1923
Templado y revenido 80.60864
Tabla 9. Energía promedio absorbida del material base y el materia tratado térmicamente. Fuente: Propia
Según la prueba de impacto podemos observar que el material al ser tratado
térmicamente se fragilizo un poco puesto que tuvo un aumento en la dureza, por
esta razón absorbe menos energía antes de fallar, aunque el cambio en la energía
absorbida para fines prácticos se podría considerar despreciable. Esto lo podemos
evidenciar en la Ilustración 22, en la cual se muestran los resultados de las
pruebas Charpy.
53
Ilustración 23 . resultados pruebas de impacto. Fuente: Propia
4.3 Estereoscopia
En la ilustración 23 podemos ver la falla por medio del estereoscopio para las
probetas de material base y las tratadas térmicamente.
Ilustración 24 Falla provocada por el ensayo de impacto en: a) material base, b) material tratado térmicamente. Fuente: Propia
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
Energia absorbida [J]
No tratadas
Tratadas
a) b)
54
Por las fotos tomadas mediante el estereoscopio se puede observar que en el
material base se presenta menor desprendimiento de material y el Angulo de la
abertura es mayor que en la probeta templada y revenida, en esta probeta se
presenta menor desprendimiento de material. Es evidente que el material base al
absorber mayor energía de impacto presenta una ruptura dúctil, por esta razón el
material presenta grandes crestas en la superficie de ruptura, mientras que el
material tratado térmicamente al estar fragilizado presenta un corte más uniforme
sin crestas de gran tamaño. En la ilustración 24 podemos observar el perfil de la
fractura generada en las probetas
Ilustración 25 muestra de perfil de la falla generada por la prueba Charpy: a) sin tratamiento, b) con tratamiento. Fuente: Propia
Según la ilustración 24 podemos ver otra prueba de la fractura dúctil que presenta
el material base, ya que la fractura se genera de forma curva creando crestas,
mientras que el material tratado presenta una fractura como un corte uniforme
evidenciando una resistencia un poco menor.
4.4 DUREZA
Los resultados obtenidos a través del ensayo de dureza para cada probeta,
varían a partir del tratamiento térmico de temple y revenido comparado con el
material base. Con los datos obtenidos en el laboratorio de metalografía, se
procede a promediar los datos de dureza. Teniendo en cuenta que se tomaron 5
datos por cada una de las 25 probetas tratadas térmicamente y 5 datos por cada
una de las 20 probetas del material base.
a) b)
55
PROMEDIO DUREZA
Tratamiento Térmico Material Base
No. Dureza Vickers [HV] Dureza Vickers [HV]
1 130 126
2 134 126
3 145 129
4 219 106
5 221 131
6 184 128
7 180 130
8 163 129
9 182 129
10 181 127
11 200 127
12 206 127
13 210 128
14 198 129
15 205 129
16 205 131
17 192 129
18 179 127
19 166 130
20 185 128
21 202
22 144
23 208
24 176
25 189 Tabla 10. Durezas Promedio. Fuente: Propia
56
Ilustración 26 . Dureza en Vickers HV (Promedio). Fuente: Propia
Se evidencia en la tabla 10 e ilustración 25, un aumento significativo de dureza en
las probetas templadas a 810°C y revenidas a 400°C en comparación con el
material base. De acuerdo a los datos observados se puede identificar un aumento
porcentual del 26.24% aproximadamente de dureza en el material alcanzando
valores hasta de 221 HV, como se puede observar en la tabla 11 e ilustración 26.
.
PROMEDIO DUREZA
Tratamiento Térmico Material Base
Dureza Rockwell B Dureza Rockwell B
88,84 70,37 Tabla 11. Datos Promedio de Dureza. Fuente: Propia
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Du
reza V
icke
rs [
HV
]
Probetas
Tratamiento Termico
Material Base
57
Ilustración 27. Aumento de Dureza
Realizando comparaciones en estudios realizados anteriormente citamos los
siguientes resultados obtenidos mediante un “análisis metalográfico de un
acero astm a-131 con tratamiento de temple y revenido desde temperaturas
intercríticas”32 donde se evidencia un comportamiento similar al estudio realizado
en el presente documento.
Se evidencian datos de dureza por encima de 280 HV en la probeta templada
únicamente a 770°C y valores de dureza para los tratamientos térmicos de temple
y revenido en temperaturas anticríticas, que para el caso del estudio mencionado
tomaron como base temperatura de temple 770°C y revenido con valores de
temperatura de 390°C a 450° C.
Como se observa en ambos estudios realizados al acero ASTM A131, al tratar
térmicamente a temperaturas intercriticas, el aumento porcentual de martensita
es significativo para mejorar las propiedades de dureza en el material, lo que era
de esperarse ya que la temperatura de austenización aplicada al material es más
alta.
32
ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO DESDE
TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS, proyecto de grado ingeniería mecánica universidad Distrital Francisco José de caldas, Facultad Tecnológica 2017. Repositorio Institucional Universidad Distrital - RIUD.
26.24%
DUREZA ROCKWELL
PROMEDIO DUREZATratamiento TermicoDureza Rockwell
PROMEDIO DUREZAMaterial Base DurezaRockwell
58
4.5 MICRODUREZA
Las probetas analizadas por medio del microdurómetro Shimadzu HMV-2, donde
se toman 6 indentaciones por probeta, en las dos fases diferenciadas como fase
clara y fase oscura con una carga de 490,3 mN (HV 0,05) aplicada por 30
segundos, obteniendo datos promedios como se observa en la tabla 12.
Material Base (HV) Tratamiento (HV)
Blanca Negra Blanca Negra
202 289,875 276 2346,33
Tabla 12. Microdureza Promedio en las Zonas. Fuente: Propia
Ilustración 28. Microdureza Tratamiento. Fuente: Propia.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 3 4 5 6
Du
reza V
ickers
[H
V]
Microdureza Tratamiento
Blanca
Negra
59
Ilustración 29. Microdureza Material Base. Fuente: Propia
Ilustración 30. Comparación de Microdureza. Fuente: Propia
Luego de realizar el correspondiente análisis de datos, se identifica un incremento
de dureza HV en la zona negra (oscura) de martensita luego de realizar el
tratamiento térmico en comparación con el material base. La comparación entre
las ilustraciones 27 y 28, demarcan el aumento significativo de dureza en cada
una de las fases, tanto blanca como oscura.
Realizando una comparación “análisis metalográfico de un acero astm a-131
con tratamiento de temple y revenido desde temperaturas intercríticas” se
identifica que al realizar un temple a 810°C y posteriormente un revenido a 400°C
en las temperaturas intercriticas, y analizando el estudio realizado a un temple a
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 2 3 4 5 6 7 8
Du
reza V
ickers
[H
V]
Probetas
Microdureza Material Base
Blanca
Negra
7% 9%
9%
75%
Microdureza
Material Base (HV)Blanca
Material Base (HV)Negra
Tratamiento (HV)Blanca
Tratamiento (HV)Negra
60
770°C, se encuentra una disminución de dureza en el intervalo de temperatura
escogido en la presente investigación. Dado que los valores de dureza para el
temple realizado a 770°C sobrepasan los 480 HV, con mayor concentración de
martensita, como se evidencia en la ilustración 30.
Ilustración 31. Análisis metalográfico de un acero astm a-131 con tratamiento de temple y revenido desde temperaturas intercríticas. Funte: Repositorio Institucional Universidad
Distrital - RIUD
4.6 DUREZA VS ENERGÍA ABSORBIDA
Se puede observar que el material tratado térmicamente presenta mayor dureza,
que el material no tratado pero el comportamiento durante la prueba de impacto
para determinar la energía absorbida, es similar. Teniendo en cuenta que el
manganeso en los aceros decrece la ductilidad y soldabilidad33, en los mismos a
pesar de evidenciarse presencia de martensita y aumento de dureza como se
observa en la ilustración 32. Por ello las probetas sometidas a la prueba de
impacto no logran romperse por la baja ductilidad.
33
Efecto de los elementos aleantes en los aceros: http://www.academia.edu/22723813/Efectos_de_los_elementos_aleantes_en_los_aceros
61
Ilustración 32. Análisis Comparativo entre Dureza y Energía Absorbida. Fuente: Propia
0
20
40
60
80
100
120
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82
du
reza
energia absorvida
Comparación Energía Absorvida VS Dureza
no tratado
tratado
62
CONCLUSIONES
Analizando los resultados de las pruebas de impacto se concluye que el
tratamiento térmico no tiene gran efecto en la resistencia al impacto. El material
tratado y el material base absorben valores de energía muy similares, sin
embargo el material tratado presenta mayor dureza que el material base.
Partiendo con la dureza promedio del material base (70,37 Rockwell B) se
concluye que el temple y revenido endureció el material en un 26,24% (88,84
Rockwell B), esta variación se debe a la formación de martensita que se
generó durante el tratamiento térmico.
Al analizar la microdureza de las dos fases presentes en el material se
concluye que el tratamiento térmico aumento en un 66% la dureza de la fase
negra del material, mientras que la fase blanca aumento en un 2%.
Se identifican las temperaturas intercriticas para realizar los tratamientos
térmicos de temple y revenido a 810°C y posteriormente a 400°C por debajo de
Ms. De este modo se determinan los tiempos para cada uno de los
tratamientos térmicos realizados en el presente estudio con un tiempo
determinado de 30 minutos por tratamiento.
La presencia del 0.7440% manganeso en el acero decrece la ductilidad, como
se evidencia en las pruebas de impacto, pese a la dureza aportada por el
incremento de martensita después del revenido.
63
RECOMENDACIONES
Se recomienda profundizar en el estudio de este material bajo pruebas de
impacto, ya que, el péndulo de impacto de la universidad no genera la energía
suficiente para romper todas las probetas ocasionando que los datos de
impacto no tengan la confiabilidad deseada.
Adicionalmente es recomendable generar un estudio en el cual se pueda
comparar el comportamiento del material en pruebas de impacto debido a
diferentes temperaturas de temple y revenido para poder encontrar las
temperaturas de tratamiento que arrojen resultados óptimos.
Se recomienda realizar un estudio de caracterización en el acero ASTM A131
luego de un revenido, para determinar propiedades aportadas por el
tratamiento térmico y el porcentaje de manganeso del mismo.
64
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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Lasheras Esteban. Editorial Donostiarra 1992.
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Ingeniería Industrial.
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11 Galindo,L. Rodriguez C. (2017). “ANÁLISIS METALOGRÁFICO DE UN
ACERO ASTM A-131 CON TRATAMIENTO DE TEMPLE Y REVENIDO
DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS” Tecnología en Mecánica
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65
12 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios
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Tratamientos térmicos- MUFLA ELECTRICCA LABTECH/LEF-P
TYPE
Metalografía- MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M.
Metalografía- MICRODUROMETRO SHIMADZU HMV-2
Metalografía- DURÓMETRO GNEHM SWISS ROCK
Preparación de probetas metalográficas – PULIDO METKON
FORCIPOL 2V.
Preparación de probetas metalográficas-PRENSA MEKTON
ECOPRESS 50
Preparación de probetas metalográficas- CORTADORA ABRASIVA
METKON METACUT 250.
![Practicas constituyentes 7. We the People I · Autor:Bruce Ackerman Traducción: Josep Sarret Grau Maquetación y diseño de cubierta: Traficantes de Sueños [taller@traficantes.net]](https://static.fdocuments.in/doc/165x107/5ebe6583df591c39a84c6028/practicas-constituyentes-7-we-the-people-i-autorbruce-ackerman-traduccin-josep.jpg)
