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Material preparado por: Ing. Diego F. Zalcman
CIENCIA DE LOS MATERIALESCIENCIA DE LOS MATERIALES20102010
ACEROSACEROS
Ciencia de los MaterialesIngeniería Industrial
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TRANSFORMACIONES DE FASESTRANSFORMACIONES DE FASESCURVAS TTT Y CCTCURVAS TTT Y CCT
TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
• Consideraremos el caso de un Acero Eutectoide (0,80 % C)
• Supongamos tener una serie de pequeñas probetas delacero que calentamos hasta el rango austenítico. Se tomauna primer muestra y se enfría rápidamente hasta unatemperatura T1 < A1
• Se deja transcurrir un cierto tiempo y seguidamente se
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j p y gvuelve a enfriar rápidamente, pero esta vez hastatemperatura ambiente
• Finalmente la muestra se preparametalográficamente y se observaal microscopio
T
Log t
Tγ
A1
Austenita Estable
T1
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
• Se repite el mismo procedimiento para otras probetas a lamisma temperatura, pero manteniendo diferentes tiempos. Encada caso se analiza la microestructura a temperatura ambiente
• De esta manera, se puede determinar el tiempo en quecomienza y en que finaliza la transformación de la Austenita ala temperatura T1
T
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3
T
Log t
Tγ A
1Austenita Estable
T1
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Transformaciones de FasesCurvas TTT y CCTTratamientos TérmicosMaterial preparado por: Ing. Diego F. Zalcman 1 de 14
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
• Se repite el procedimiento con otro grupo de probetas delmismo material, pero a diferentes temperaturas demantención. Para cada temperatura, se determinan los tiemposde inicio y fin de transformación
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Restricciones de estos diagramas:
• Composición fija (cada acero tiene su
propia curva TTT)
• Referidos a transformaciones isotérmicas
(Temp. = Cte.)
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
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Descomposición de la austenita en unAcero Eutectoide
Trayectorias arbitrarias sobreel diagrama TTT
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
Diagrama de transformación isotérmicapara un acero que contiene 0,35 % C y0,37 % Mn.
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DIAGRAMAS TTTDIAGRAMAS TTT
Diagrama de transformación isotérmicade un acero que contiene 0,33 % C,0,45 % Mn y 1,97 % de Cr
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DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNDIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNPOR ENFRIAMIENTO CONTINUOPOR ENFRIAMIENTO CONTINUO
Diagramas sobreimpresos de transformac. isotérmica y de enfriamiento continuo de un Acero Eutectoide
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DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNDIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNPOR ENFRIAMIENTO CONTINUOPOR ENFRIAMIENTO CONTINUO
Velocidad Crítica d E f i i t
Temperatura Eutectoide
800
700
600
500
400eratu
ra [
°C] Recocido completo
Normalizado
Templado en aceite
Variación de la microestructura enfunción de la velocidad de enfriamientopara un Acero Eutectoide
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de Enfriamiento
Martensita Martensita y Perlita
300
200
100
0
0.1 1 10 100 103 104 105
Tiempo [seg.]
Tem
pe
Ms
PerlitaGruesa
Perlita Fina
en aceite
Templado en agua
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Parámetros
• Tiempo de calentamiento tc
• Temperatura máxima del tratamiento Tt
• Tiempo de permanencia tp , a la temp. del tratamiento
• Tiempo de enfriamiento te, si la velocidad es constante, ó lavelocidad real de enfriamiento si esta es variable V = (dT/dt)
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velocidad real de enfriamiento si esta es variable. Ve = (dT/dt)
T
t
tc tp te
Tt
dT/dt
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS• Clasificación según la temperatura máxima alcanzada en el Ciclo Térmico
T t i t
HipercríticoT > Ac3 ó Acm
I t íti
Sin cambio de Composición Química
Volumétrico
Local
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Tratamientos Térmicos
IntercríticoAc1 < T < Ac3 ó Acm
SubcríticoT < Ac1
Con modificación de Composición Química (Trat. Termoquímicos)
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocido de Regeneración
(Recocido Total, Recocido Hipercrítico, Austenización Completa)
• Consiste en un calentamiento hasta una temperatura deaustenización, la mantención de la misma un tiempoadecuado para asegurar la homogeneidad de la Austenita, yluego un enfriamiento lento (en horno)
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T
t
Ac3
Ac1
Transformación de la Austenita
Inicio
Fin
Ciclo térmico de un recocido total para aceros hipoeutectoides
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocido Isotérmico
• Consiste en realizar la transformación de la Austenita a unatemp. constante y relativamente cercana a la de equilibrio.Es más rápido, pero en ciertos casos puede dejar al acerocon una dureza mayor que el ciclo normal de recocido
• Por otro lado, requiere de un horno de sales para efectuarlo
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T
t
Acm
Ac1
Ciclo térmico del recocido isotérmico para aceros hipereutectoides
T
t
Ac3
Ac1
Ciclo térmico del recocido isotérmico para aceros hipoeutectoides
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Comparación del ciclo de enfriamiento de un Recocido Total y unRecocido Isotérmico
Temperatura[°C]
Dureza
Recocido Total
Recocido Isotérmico
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SAE 4140
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocido Parcial ó de Austenización Incompleta
• En este caso, el tratamiento es intercrítico para evitar laprecipitación de láminas de Fe3C en los bordes de grano dela Austenita
TAcm
Ac1
• En este tipo de aceros, esmucho más frecuente el uso de
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tCiclo térmico de recocido parcial
para aceros hipereutectoides
un recocido de globulización
• Aplicaciones
• En la industria bulonera se usapara mejorar la aptitud delmaterial para el recalcado enaceros de medio C
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Normalizado
T
Ac3
Ac1Inicio
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t
Transformación de la Austenita
Fin
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Efecto del Normalizado
Excesivo tiempo y/ó temperatura de calentamiento
Austenita
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Ferrita
Cale
nta
mie
nto
Enfr
iam
iento
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocidos Subcríticos
• Consiste en un calentamiento hasta una temperatura pordebajo a la temperatura crítica inferior (AC1
), la mantenciónde la misma un tiempo adecuado para disminuir lastensiones residuales y luego un enfriamiento lento(normalmente al aire)
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocidos Subcríticos
T
Ac3
Ac1
Enfriamiento al Aire
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t(1)Ablandamiento
(2)Recristalizaciónó Contra Acritud
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Recocidos Globulares ó de Esferoidización
Ac3
T
Ac1
TAcm
Ac1
TAc3
ó Acm
Ac1
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t(1)Subcrítico Globular
(2)Intercrítico ó
Austenización Incompleta
t (3)Oscilante
t
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Temple
• Consiste en austenizar al acero en forma total ó parcial,para luego enfriarlo a una velocidad suficientemente altacomo para obtener una fracción significativa de martensitaen la estructura, en general no menos del 50%
T
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21t
Temp. Crítica
Permanencia
Transformación de la Estructura
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Velocidad Crítica de Temple
• Es la mínima velocidad de enfriamiento en un punto, queasegura la obtención de una estructura 100 % martensítica
• Es una propiedad característica del acero que dependefuertemente de la composición química y del tamaño degrano austenítico T
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Log t
Ms
FP
B
M
A3
A1
Velocidad Crítica de Temple
• Si bien en general, no seobtiene 100 % de Martensitaen un temple real, el conceptode veloc. crítica de temple esútil para indicar la capacidadque tiene el acero para obtenerMartensita
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Efecto de Masa
• Es la variación de la velocidad de enfriamiento entre distintospuntos de una pieza a causa de la “inercia térmica”
• A igualdad de propiedadestérmicas, el efecto es mayor amedida que aumenta el
Temp. [°C]
800
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ed da que au e ta etamaño de la pieza
• Este efecto también puede seracentuado por la complejidadgeométrica de la pieza(cambios de sección, agujeros,entrantes, salientes, etc.)
Tiempo [Seg.]
800
410
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Curvas de enfriamiento para distintos puntos de
la sección de una barra de 25 mm de diámetro
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Severidad de Temple (H)
AGITACIÓNMEDIO
AIRE ACEITE AGUA SALMUERA
Ninguna 0.02 0.25 – 0.30 0.9 – 1.0 2.0
Moderada ----- 0 30 – 0 40 1 0 – 1 3 2 0 – 2 2
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Moderada 0.30 0.40 1.0 1.3 2.0 2.2
Acentuada ----- 0.40 – 0.50 1.4 – 1.5 -----
Fuerte 0.05 0.50 – 0.80 1.6 – 2.0 -----
Violenta ----- 0.80 – 1.10 4.0 5.0
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
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Variación de Ms y Mf con la
concentración de C en el acero
Efecto del Carbono sobre la
dureza de la Martensita
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
Dureza de la Martensita
Dureza en un punto cualquiera
de una pieza templada Medio de Temple
(Severidad de Temple)
Cantidad de C disuelto en la
Austenita
Cantidad y tipo
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Fracción de Martensita
(Severidad de Temple)y pde elementos
aleantes
Velocidad de Enfriamiento
Tamaño y geometría de la pieza
Difusividad Térmica
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Concepto de Templabilidad
• H igual para ambos redondos
• dA = dB
• Acero A ≠ Acero B
• Si ∆HR < ∆HR decimos que:
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Comparación de la templabilidad de aceros
de distinta composición
• Si ∆HRA < ∆HRB , decimos que:
El acero A tiene mayor
templabilidad que el acero B
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Tabla de Diámetros Críticos Ideales (Di) para diferentes Aceros alCarbono y de Baja Aleación
Acero Di [Pulg.] Acero Di [Pulg.] Acero Di [Pulg.]
1045 0.9 a 1.3 4135 H 2.5 a 3.3 8625 H 1.6 a 2.41090 1.2 a1.6 4140 H 3.1 a 4.7 8627 H 1.7 a 2.7
1320 H 1.4 a 2.5 4317 H 1.7 a 2.4 8630 H 2.1 a 2.81330 H 1.9 a 2.7 4320 H 1.8 a 2.6 8632 H 2.2 a 2.91335 H 2.0 a 2.8 4340 H 4.6 a 6.0 8635 H 2.4 a 3.41340 H 2.3 a 3.2 X4620 H 1.4 a 2.2 8637 H 2.6 a 3.62330 H 2.3 a 3.2 4620 H 1.5 a 2.2 8640 H 2.7 a 3.72345 2.5 a 3.2 4621 H 1.9 a 2.6 8641 H 2.7 a 3.7
2512 H 1.5 a 2.5 4640 H 2.6 a 3.4 8642 H 2.8 a 3.92515 H 1 8 a 2 9 4812 H 1 7 a 2 7 8645 H 3 1 a 4 1
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2515 H 1.8 a 2.9 4812 H 1.7 a 2.7 8645 H 3.1 a 4.12517 H 2.0 a 3.0 4815 H 1.8 a 2.8 8647 H 3.0 a 4.13120 H 1.5 a 2.3 4817 H 2.2 a 2.9 8650 H 3.3 a 4.53130 H 2.0 a 2.8 4820 H 2.2 a 3.2 8720 H 1.8 a 2.43135 H 2.2 a 3.1 5120 H 1.2 a 1.9 8735 H 2.7 a 3.63140 H 2.6 a 3.4 5130 H 2.1 a 2.9 8740 H 2.7 a 3.73340 8.0 a 10.0 5132 H 2.2 a 2.9 8742 H 3.0 a 4.0
4032 H 0.6 a 2.2 5135 H 2.2 a 2.9 8745 H 3.2 a 4.34037 H 1.7 a 2.4 5140 H 2.2 a 3.1 8747 H 3.5 a 4.64042 H 1.7 a 2.4 5145 H 2.3 a 3.5 8750 H 3.8 a 4.94047 H 1.8 a 2.7 5150 H 2.5 a 3.7 9260 H 2.0 a 3.34050 H 1.7 a 2.4 5152 H 3.3 a 4.7 9261 H 2.6 a 3.74053 H 2.1 a 2.9 5160 H 2.8 a 4.0 9262 H 2.8 a 4.24063 H 2.2 a 3.5 6150 H 2.8 a 3.9 9437 H 2.4 a 3.74068 H 2.3 a 3.6 8617 H 1.3 a 2.3 9440 H 2.4 a 3.84130 H 1.8 a 2.6 8620 H 1.6 a 2.3 9442 H 2.8 a 4.24132 H 1.8 a 2.5 8622 H 1.6 a 2.3 9445 H 2.8 a 4.4
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Relación entre el Diámetro Crítico Ideal (Di) y el Diámetro Crítico Real(D0) para diferentes medios de temple (Severidad de Temple H)
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Medición de la Templabilidad - Ensayo Jominy
• Permite reproducir en una sola probeta diferentes ysucesivas velocidades de enfriamiento
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Dispositivo de enfriamiento Vista de conjunto del dispositivo JominyProbeta para el ensayo
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Ensayo Jominy - Etapas
I. CALENTAMIENTO
Colocar la probeta protegida dentro del horno.
60 °C más elevado que el punto Ac3 / Acm , durante 30minutos.
II. ENFRIAMIENTO
15 minutos mínimo en el dispositivo.
Caudal constante
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Caudal constante.
Altura libre del chorro de agua 65 ± 10 mm.
III. EVALUACION
Rectificar generatrices a 0.4 mm de profundidad.
Tomar durezas hasta cubrir ≈ 50 mm (2 primeras: cada1.5 mm, las 6 siguientes a 2 mm y las restantes a 5 mm).
Representar en un sistema de ejes los valores de durezavs. distancia.
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Medición de la Templabilidad - Ensayo Jominy
HRc
di j
HRc
di jHRc
Acero A
Acero C
Acero B
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Curvas Jominy de 3 aceros diferentes
JC > JA > JB
“Un acero tendrá más Templabilidad cuanto menor sea su caída
de dureza en la curva Jominy”
di j
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Curvas Jominy de Aceros al C y Aleados
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Curvas y Tablas para los Cálculos de Templabilidad
• Los cálculos de Templabilidad permiten determinar:
• La dureza ó el porcentaje de Martensita que se obtieneen cualquier punto de una pieza luego del temple encondiciones establecidas y para un acero determinado
• La severidad de temple necesaria para lograr una
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• La severidad de temple necesaria para lograr unadeterminada dureza ó porcentaje de Martensita en unacero y una pieza definidos
• El ó los aceros que cumplen con los requerimientos dedureza y/ó porcentaje de Martensita en determinadospuntos de una pieza de geometría dada
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Banda de Templabilidad ó Curvas Jominy
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Curvas de Lamont
• Relaciona las distancias al extremo templado de unaprobeta Jominy y los puntos interiores de un redondo deacero que se enfría con igual velocidad a distintasseveridades de temple
• Sirven para que los datos
Hdo
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extraídos de las curvas Jominyse puedan aplicar a seccionesredondas cuando éstas setemplan sumergiéndolas en unmedio líquido
• Existen diferentes curvas deLamont para cada relación r/R
Distancia al extremo templado
Severi
dad
de t
em
ple
Diá
metr
o d
el re
do
nd
Curva de Lamont correspondiente al centro del redondo
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Curvas de Lamont
• Cuando el punto crítico no es el núcleo
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Diagrama que relaciona la dureza, el contenido de Carbono delacero y la cantidad de Martensita
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38Dureza vs. % Carbono y % de Martensita
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
• Relación entre el Diámetro Crítico Ideal (Di) y el Diámetro Crítico Real(D0) para diferentes medios de temple (Severidad de Temple H)
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TEMPLABILIDADTEMPLABILIDAD
Correlación de los diagramas detransformación isotérmica y los deenfriamiento continuo con datos deun ensayo de templabilidad Jominy,para un acero del tipo 8630
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Martempering ó Temple Escalonado
Revenido
SuperficieNúcleo
Ae1
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Log. t
TransformaciónMf
Ms
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TRATAMIENTOS TÉRMICOSTRATAMIENTOS TÉRMICOS
• Austempering
SuperficieNúcleo
Ae1
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Log. t
Transformación
Bainita
Mf
Ms
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