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.
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