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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES
LABORATORIO DE MATERIALES II, MT-2582
INFORME PRÁCTICA N° 4
TRATAMIENTOS TERMICOS EN ACEROS
Presentado por:
Edward Lozano Díaz, 08-11279
Misael Millán Alonzo, 08-11253
Jesús A Serrano Z, 08-11067
Sartenejas, 21 de Marzo del 2013
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RESUMEN
Para llevar a cabo la práctica de tratamientos térmicos de los aceros se utilizaron siete
probetas de acero AISI 1045 y una probeta de acero AISI 4140, las cuales fueron austenizadas
a una temperatura de 870 ºC durante 30 min. Posteriormente a 6 de las probetas AISI 1045 se
le realizaron tratamientos de Recocido, Revenido, Normalizado y Temple en tres medios
distintos (Agua, Salmuera y Aceite) para luego determinar en cada una de ellas la dureza y
hacerles una preparación metalográfica que permitiera observar su microestructura. A las dos
probetas restantes se les hizo un ensayo Jominy para determinar la templabilidad en dos aceros
de distinta composición química, y posteriormente cada una de ellas fue cortada en 6 pedazos
para su respectiva preparación metalográfica y análisis microestructural en diferentes zonas
de las mismas.
Experimentalmente el tratamiento térmico en el cual se obtuvo un mayor valor de dureza
fue el temple en agua (79,6 HRA en una de las caras y 75,8HRA en la otra), seguido del
temple en salmuera (75,6 HRA), luego el revenido (72 HRA), el temple en aceite (65,23
HRA), y por último normalizado y el recocido con 57 y 51 HRA respectivamente. Además la
templabilidad del acero AISI 4140 resulto ser mayor que la del AISI 1045.
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INDICE GENERALRESUMEN……………………………………………………………………………… .II
ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………………… ..III
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….......1
CAPITULO I: MARCO TEÓRICO………………………………….….........................2
1.1 MICROESTRUCTURAS ………………………………..................................................................3
1.2 TRATAMIENTOS TERMICOS …………………………………………………………………….......4
1.3 TEMPLABILIDAD ………………………………..……………………………..………….......5
CAPÍTULO II: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL………………………………...…7
2.1 MATERIALES ………………………………………………………………………………….………....7
2.2 EQUIPOS ………………………………………………………………………………………………....7
2.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL…………………………………………………...….............8
CAPÍTULO III: RESULTADOS Y DISCUSIONES………………………………….……….11
3.1 TRATAMIENTOS TERMICOS ……………………………………..................................................12
3.2 TEMPLABILIDAD………………………………………………………………………………….......20
CONCLUSIONES ……………………………...............................................................29
RECOMENDACIONES……………………….………………………..........................30
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………….........31.
APÉNDICES……………………..………………………………………………… .........33
Apéndice I: …………………………………………..............................................................................33
Apéndice II: ………………………………………………………………………………………..………...34
Apendice III: ………………………………..………………….………………………… ……….………..39
DECLARACIÓN OBLIGATORIA PARA LA ENTREGA DE TAREAS O INFORMEGRUPAL……….……...40.
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INTRODUCCION
Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los
aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas durante un
cierto tiempo según el tipo de acero, para luego enfriarlas en condiciones convenientes que
permitan obtener las propiedades mecánicas deseadas para una determinada aplicación [1].
En esta práctica se realizarán tratamientos térmicos de normalizado, recocido, revenido,temple al agua, temple en aceite y temple en salmuera a una serie de probetas de acero y se
estudiara experimentalmente el efecto de los tratamientos térmicos sobre las propiedades, en
base a los cambios microestructurales y las diferencias de durezas inducidos por los
tratamientos.
Asimismo se determinará la templabilidad de dos aceros de distinta composición química
mediante el ensayo estándar Jominy descrito en la norma ASTM A255-99 para estudiar cómo
afectan los elementos aleantes la aptitud al temple de un acero al carbono en base a lasdiferencias de dureza entre ellas y las cantidades de martensita, ferrita y perlita presentes en la
microestructura de cada una de las probetas en diferentes zonas de las mismas desde el
extremo templado más severamente hasta el extremo no templado.
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CAPITULO I
MARCO TEORICO
Los tratamientos térmicos son procesos en donde un metal es sometido a calentamientos y
enfriamientos controlados con el fin de modificar algunas de sus propiedades. En el caso de
los aceros, las propiedades mecánicas son modificadas por los cambios de temperaturas en
relación con el contenido de carbono y de elementos aleantes.[2][3]
Durante los tratamientos térmicos ocurren cambios en la microestructura. Al observar el
diagrama de fases Hierro- carburo de hierro para entender los cambios que ocurren por los
tratamientos térmicos, éste resulta limitado, pues, no brinda la información suficiente para
entender el enfriamiento de los aceros en condiciones fuera del equilibrio, es decir,
enfriamientos a velocidades altas, como es el caso de la transformación de la austenita a la
Martensita. Es importante aclarar que el diagrama hierro- carburo de hierro no es un verdadero
diagrama de equilibrio, ya que equilibrio implica que no existe cambio de fase con respecto al
tiempo. Sin embargo, se sabe que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro ycarbono (grafito), pero esto ocurrirá en periodos de tiempo muy largos. El carburo de hierro es
una fase metaestable y por tanto el diagrama hierro-carburo de hierro representa
condiciones metaestables, aunque puede ser considerado un diagrama en equilibrio si las
condiciones de enfriamiento y calentamiento son relativamente lentos.[4]
Para conocer la fase resultante después de los enfriamientos rápidos, así como el tiempo de
inicio y de terminación de la formación de las fases se utilizan los diagramas TTT (Tiempo
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Temperatura-Transformación), en donde se resumen las posibles transformaciones de la
austenita para cada acero.[6]
MICROESTRUCTURAS
Dependiendo del tratamiento térmico al que se somete un metal, se pueden generar
diferentes fases o microconstituyentes. Entre las estudiadas en esta práctica de laboratorio,
podemos mencionar:
Austenita: Es una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gamma, puede
contener desde 0 a 1,7% de carbono por lo que es un constituyente de composición variable.
Todos los aceros se encuentran formados por cristales de austenita cuando se calientan porencima de sus temperaturas críticas durante un tiempo adecuado, y aunque es un constituyente
inestable suele estar presente a temperatura ambiente en aceros de alto contenido de carbono o
de alta aleación que fueron enfriados muy rápidamente [1].
Perlita: Microconstituyente bifásico compuesto por capas alternadas de ferrita y cementita,
aparece por lo general en el enfriamiento lento de la austenita o por transformación isotérmica
de la austenita a temperaturas relativamente altas e inferiores al punto de transformación
eutectoide. Según su distancia interlaminar la perlita se puede clasificar en:
-
Perlita gruesa: se forma a temperaturas por debajo pero muy próximas al eutectoide y
está constituido por láminas alternas de ferrita (alfa) y Fe3C; debido a que se encuentra
alrededor de los 650 °C. Las velocidades de difusión son relativamente elevadas y los
átomos de carbono pueden recorrer largas distancias, formando láminas gruesas.
- Perlita fina: se forma a los 540 °C. El proceso de difusión de carbono es más lento por
la disminución de la temperatura, generando una reducción en el grosor de las
capas.[7][8]
Bainita: Es un microconstituyente bifásico, el cual contiene ferrita y cementita. La
transformación de la austenita a la bainita depende del tiempo y de la temperatura y se puede
representar en un diagrama de transformación isotérmico, a temperaturas inferiores a las de
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formación de la perlita. Este microconstituyente puede tener forma de aguja o de placas
dependiendo de la temperatura de transformación.[7]
Martensita: Es un microconstituyente que resulta de la transformación, a altas velocidades,
sin difusión de la austenita. En lugar de la difusión del carbono para formar fases separadas
(alfa y Fe3C), la transformación martensítica lleva asociada una brusca reordenación de los
átomos de Fe y de C desde la red FCC de la solución de Fe-gamma que da lugar a una
solución solida con red tetragonal centrada en el cuerpo (BCT).[7][9]
TRATAMIENTOS TÉRMICOS
RECOCIDO
Es un proceso que se utiliza generalmente para la restauración de las propiedades originales
de una aleación trabajada en frío o con algún tratamiento térmico con el fin de incrementar la
ductilidad, eliminación de tensiones residuales, refinar el grano, mejorar la maquinabilidad,
mejorar propiedades térmicas y magnéticas. Este proceso consiste en calentar el metal a una
temperatura relativamente alta, mantenerlo durante cierto tiempo y luego dejarlo enfriar
lentamente.[10][4]
NORMALIZADO
Proceso que consiste en un calentamiento hasta una temperatura conveniente por encima del
rango de transformación en la línea de temperatura crítica superior, seguido por un
enfriamiento en aire quieto (sin agitar) hasta temperatura ambiente. El propósito de la
normalización es producir un acero más duro y fuerte que el obtenido a través del recocido
total, de manera que para algunas aplicaciones la normalización puede ser un tratamiento
térmico final.[11][4]
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TEMPLE
Es un Proceso que se utiliza para aumentar la dureza, la resistencia y la elasticidad del
acero. Consiste en calentar un acero hasta temperaturas en donde se obtiene una fase
austenítica y luego se realiza a un enfriamiento rápido, usualmente por inmersión de la pieza
en agua o aceite. Debido a las altas velocidades de enfriamiento el carbono no puede
difundirse, lo que da paso a la formación una estructura martensítica.[11]
REVENIDO:
Consiste en el calentamiento del acero templado hasta una temperatura inferior por debajodel rango de transformación controlando la permanencia a esta temperatura y enfriamiento
posterior a una velocidad conveniente. Este procedimiento se realiza con la finalidad de
eliminar las tensiones en el acero, aumentar su ductilidad, y disminuir la dureza.[11]
TEMPLABILIDAD
Es la profundidad o espesor de la capa de martensita que se obtiene calentando y templado
subsecuentemente. La templabilidad depende de la cantidad de carbono que presente, el
tamaño del grano de la austenita, de los elementos de la aleación presentes en el material y de
la velocidad de enfriamiento. Para determinar la capacidad de endurecimiento de una aleación
se realiza el ensayo de Jominy.[7][10]
ENSAYO DE JOMINY
Es una prueba utilizada para determinar la templabilidad de una aleación. En este ensayo se
mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de
la pieza (a excepción de la composición química de la probeta de acero), como lo son el
tamaño y forma de la pieza. Esta prueba consiste en austenizar una probeta cilíndrica de 100
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mm de largo y 25 mm de diámetro, para luego enfriarla directamente en un extremo
utilizando una corriente de agua a temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento varía
por tanto a todo lo largo de la barra, siendo más elevada la velocidad en el extremo inferior
que está en contacto directo con el agua. La dureza a lo largo de la probeta se mide entonces a
varias distancias del extremo templado hasta llegar a los 50 mm. En los primeros 12 mm las
lecturas de dureza se realizan en intervalos de 1,6 mm y en los 37,5 mm siguientes cada 3,2
mm. Posteriormente se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza
en función de la distancia al extremo templado.[7][10]
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CAPITULO II
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 MATERIALES
Durante el desarrollo de esta práctica se utilizaron los siguientes materiales:
-6 probetas cilíndricas pequeñas de Acero AISI 1045. Medidas aproximadas: diámetro de 2,5
cm, altura de 1,5 cm.
-2 probetas cilíndricas de acero para ensayo de Jominy: una de Acero AISI 1045 y una de
Acero AISI 4140. Medidas: diámetro de 2,5 cm, altura de 10 cm.
-Agua
-Aceite
-Nital
A continuación se presenta una tabla con las características del reactivo empleado, el nital:
Tabla 2.1.1: Propiedades del reactivo utilizado [5]
Reactivos Composición
Nital Etanol (60-100%), Metanol (1-5%)
Ácido nítrico (5-10%).
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2.2. EQUIPOS
A continuación se presenta una lista con todos los equipos que se emplearon en el desarrollo
de la práctica:
-Horno de resistencia eléctrica marca KC-Ceramics
-Bomba Jominy marca MC-Egleban
-Esmeriladora de cinta (desbaste grueso) marca Leco BG-30
-Desbastadora (desbaste fino) marca Handimet Grinder No. 39-1470 AB
-Durómetro marca Skoda RB1-220V
-Pulidora marca Leco GP-25
-Cortadora marca Leco MSX255M
-Microscopio Óptico marca Versamet-2, Union.
-Pinzas
-Guantes
-Careta
2.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para empezar, se introdujeron en el horno de resistencia eléctrica 6 probetas cilíndricas
pequeñas del mismo tipo de acero (1045), y dos probetas para ensayo Jominy: una de acero
1045, y otra de acero 4140. El horno se llevó a una temperatura de 870 °C, durante media
hora. Tras los 30 minutos en el horno, las probetas fueron retiradas acorde al tratamiento
térmico a recibir, usando la protección adecuada (guantes, caretas y pinzas).
La primera probeta en ser retirada fue sometida al tratamiento de temple al agua, lo cual se
hizo sumergiendo la probeta directamente en el agua y agitándola para evitar que se formara
vapor en la misma, y así mantener el cambio brusco de temperatura.
La siguiente probeta que se sacó del horno fue la de temple en salmuera. Se extrajo la
probeta y se introdujo en la salmuera, agitando.
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Acto seguido, se retiró del horno otra probeta que se sometió al temple en aceite. Tras sacar
la pieza del horno, se agitó constantemente en el aceite.
Posteriormente se realizó el temple al aire, por lo cual se sacó del horno y simplemente se
colocó encima de un refractario.
A la siguiente probeta pequeña se le aplicó temple en agua, agitándola, y luego se introdujo
en un horno, a temperatura de revenido, aproximadamente 180 °C.
Luego se procedió a sacar la primera de las muestras para el ensayo Jominy, la de acero
1045. Tras extraerla del horno, se fijó en el soporte de la bomba Jominy en forma vertical y
desde abajo se le disparó un chorro de agua a temperatura ambiente durante diez (10) minutos.
Luego se colocó sobre material refractario y se dejó enfriar a temperatura ambiente.
Posteriormente se repitió el procedimiento para la probeta de acero 4140.
Para el último tratamiento térmico, se apagó el horno, dejando una probeta pequeña de acero
1045 enfriándose dentro. A esto se le conoce como recocido.
Mediante el uso de un durómetro se hicieron ensayos de dureza en ambas muestras del
ensayo Jominy, de forma longitudinal, aproximadamente cada 0,3 cm, en dos planos
desbastados previamente a cada lado.
Para llevar a cabo dicho ensayo de dureza, se hicieron mediciones en la escala Rockwell C
hasta que los valores se acercaron a 20, entonces se utilizó la escala de Rockwell B.
Seguidamente, los resultados se llevaron a Rockwell A, para que todos estuvieran en la misma
escala y así poder compararlos correctamente. Se procedió a hacer lo mismo con las probetas
pequeñas de acero 1045, en sus caras transversales.
Posteriormente a cada probeta Jominy se le cortó en 6 partes iguales de aproximadamente
1,7 cm y se desbastaron sus caras transversales inferiores (las más cercanas al chorro de agua
en cada pieza) usando una esmeriladora de cinta y luego una desbastadora fina (hasta la lija de
320 grid), luego se pulieron y se atacaron con nital durante 5 segundos. Finalmente, utilizando
un microscopio óptico, se tomaron varias fotomicrografías con distintos aumentos.
A las demás probetas de acero 1045 (las pequeñas), se les desbastaron al menos una cara
transversal (en el temple al agua fueron ambas caras, por si no se introdujo correctamente en el
agua y poder comparar valores de mejor forma), tanto con desbaste grueso como fino. Luego
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se les pulieron y se les hizo ensayo de dureza. Posteriormente se volvieron a desbastar y pulir,
se atacaron y se tomaron varias fotomicrografías a distintos aumentos.
Finalmente se utilizó el microscopio para determinar el tamaño de grano en todas las piezas
y por el uso de análisis puntual, se calcularon los porcentajes de cada fase existente en cada
pieza.
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CAPITULO III
RESULTADOS Y DISCUSIONES
En esta práctica se utilizaron dos tipos de aceros: AISI 1045 y AISI 4140. El primero de
ellos según los sistemas de clasificación de aceros del AISI ( American Iron and Steel Institute)
y el SAE (Society of automotive Engineers) se trata de un acero al carbono con 0,45% de
carbono y aunque suele tener moderadas cantidades de manganeso y silicio no se considera un
acero aleado, por otro lado el segundo es un acero aleado al cromo-molibdeno también con
ciertas cantidades de manganeso y silicio[8] (ver tabla 1).
Tabla 3.1. Composición química de aceros AISI-SAE.[8]
Número AISI-SAE %Carbono %Silicio %Manganeso %Cromo %Molibdeno
1045 0,43-0,50 0,15-0,35 0,60-0,90 - -
4140 0,38-0,43 0,15-0,30 0,75-1,00 0,80-1.10 0,15-0,25
Los aceros al Cromo-Molibdeno con 1% de Cromo y 0,25% de Molibdeno tienen muchas
aplicaciones en forma de tubos, barras y piezas forjadas para elementos de aviones y
automóviles, debido a sus favorables propiedades mecánicas y buena soldabilidad. Mientras
que los aceros al carbono hipoeuctectoides con 0,45% de carbono se utilizan comúnmente en
Ejes, pernos, engranajes, bielas, pasadores, rodillos, trinquetes, cigüeñales, y barras de torsión
entre otros [12]
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TRATAMIENTOS TERMICOS
A continuación se presentan las fotomicrografías de las muestras sometidas a
diferentes tratamientos térmicos y las tablas que exponen el porcentaje de las fases formadas,
el tamaño de grano y la dureza presente en las probetas.
Figura 3.1. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Recocido (nital al 5%) a
1115X.
Figura 3.2. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Recocido (nital al 5%) a
3040X.
Figura 3.3. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Revenido (nital al 5%) a
1115X
Figura 3.4. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Revenido (nital al 5%) a
3040X.
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Salmuera
Figura 3.5. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Normalizado (nital al 5%) a
1115X
Figura 3.6. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Normalizado (nital al 5%) a
3040X.
Figura 3.7. Fotomicrografía Temple en salmuera delacero 1045 a 3040X (nital al 5%)
Figura 3.8. Fotomicrografía Temple en agua lado Adel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)
Figura 3.9. Fotomicrografía Temple en agua lado Bdel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)
Figura 3.10. Fotomicrografía Temple en Aceite lado Bdel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)
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Tabla 3.2. Durezas de las probetas con tratamientos térmicos.
Tratamiento Térmico
Temple en agua (cara A) 79,6
Temple en agua (cara B) 75,8Temple en salmuera 75,6
Revenido 72
Temple en aceite 65,23
Normalizado 57
Recocido 51
Tabla 3.3. Tamaño de grano.
Tratamiento Térmico
Normalizado
Recocido
7
2,25
Tabla 3.4. Porcentaje de fase martensítica.
Tratamiento Térmico
Temple en agua (cara A) 46,21
Temple en agua (cara B) 40,38
Temple en salmuera 70
Revenido 67 (revenida)
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Tabla 3.5. Porcentaje de fase perlítica.
Tratamiento Térmico
Recocido 52
Normalizado 81
3.1. RECOCIDO:
Es un tratamiento térmico que consigue disminuir los esfuerzos residuales, aumentar la
ductilidad del material y disminuir su dureza, ya que al aplicar recocido, los tamaños de grano
son mayores. Al observar la tabla 3.2 se puede notar que efectivamente, entre todos los
tratamientos térmicos aplicados, el recocido es el que arroja menores valores de dureza. [8]
En las fotomicrografías del recocido, figuras 3.1 y 3.2, se pueden observar tamaños de grano
mayores a los que presentan las fotomicrografías de los demás tratamientos térmicos, lo cual
es consistente con lo esperado teóricamente, y se puede corroborar al observar la tabla 3.3, que
señala que el número de tamaño de grano para la pieza recocida es de 2,25. Por ser éste el
mayor número de tamaño de grano entre los obtenidos experimentalmente, es de esperar que
la pieza recocida presente una menor dureza.
Si se observa la figura 3.2 se puede ver la fase perlítica, con sus características láminas deferrita y cementita. De este modo, la presencia de fases que muestran las imágenes 3.1 y 3.2 es
acorde a lo que se espera al observar el diagrama de fases Fe-C (anexo, figura A-6). Es
importante notar que el porcentaje de perlita en la pieza es de aproximadamente 52%, como
indica la tabla 3.5. [13]
Así, debido a la nucleación y formación de nuevos granos (que son de mayor tamaño), se
explica que la dureza de la pieza recocida sea de 51 HRA, menor a la de los demás
tratamientos.
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3.2. NORMALIZADO:
La normalización es un tratamiento térmico que refina el tamaño de grano y busca
homogeneizar la microestructura en el acero. Al revisar la tabla 3.3, se puede observar que el
tamaño de grano ha disminuido a 7, comparado por ejemplo con el tamaño de grano delrecocido (2,25), se puede concluir que se ha reducido considerablemente el tamaño de
grano.[13]
Además, se puede observar en la figura 3.5 que la estructura tiene una gran cantidad de
perlita, observación respaldada por la tabla 3.5, la cual reporta un porcentaje de perlita de
81%, lo que sugiere que la microestructura de la pieza es bastante homogénea.
Esta pieza, con un tamaño de grano pequeño y un alto porcentaje de perlita (que por la figura
3.6, parece tratarse de perlita fina – espacios interplanares de menos de 0,5 micras, muy
pequeños-), presentó, según la tabla 3.2, una dureza de 57 HRA.
Todo esto explica por qué es más dura que la pieza recocida, pero más blanda que los
tratamientos de temple y revenido (cuyos datos también están reflejados en la tabla 3.2).
3.3. TEMPLE:
Al observar la figura 3.7 que corresponde al temple realizado en un medio de salmuera, las
figuras 3.8 y 3.9 que pertenecen al temple realizado en agua y la figura 3.10 que corresponde
con el templado en aceite, se puede apreciar la presencia de una estructura en forma de cinta
denominada martensita, por ser un acero de bajo carbono. En las cuatro figuras mencionadas
anteriormente se puede apreciar que existen zonas oscuras correspondientes a la fase
martensítica y zonas claras que representan la austenita retenida que no fue capaz de
transformarse a causa de la rapidez de este tratamiento térmico.[4]
Al observar la figura 3.7, correspondiente al templado en salmuera, se aprecia que tiene una
gran cantidad de martensita al igual que las de temple en agua (figura 3.8 y 3.9) y éstas a su
vez tienen mayor fase martensítica que el temple en aceite (figura 3.10).
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Estas diferencias entre las proporciones de fases para las distintas piezas templadas se deben
a la severidad del temple. La severidad del temple es la efectividad del medio utilizado para
enfriar las probetas, relacionado con la capacidad de extracción de calor del mismo. Es decir,
un templado con una velocidad muy alta es un templado con una mayor severidad.[14]
De la figura 3.11 se observa que el temple en salmuera tiene mayor velocidad de
enfriamiento que el temple en agua y éste último, mayor velocidad que el temple realizado en
aceite. Por lo tanto, en el templado en salmuera se tiene una mayor transformación deaustenita en martensita que en los otros temples a causa de la severidad de este medio.
Los medios de temple son utilizados de acuerdo a la rapidez con la que se debe hacer el
temple, pues debido a las diferencias en las conductividades térmicas, calores específicos, y
calores de vaporización de estos medios, la tasa de enfriamiento o la severidad del temple, es
también diferente.[10]
La salmuera enfría muy rápido porque la sal ayuda a nuclear burbujas en la interfaz metal
agua, lo que disminuye la etapa de formación de la capa de vapor en el proceso de templado; a
su vez el agua enfría con menor severidad que la salmuera, mientras que el aceite enfría a una
menor velocidad que el agua.[10] (fotografías de la capa de vapor y burbujas que se producen
alrededor de las probetas metálicas al introducirlas en el medio de temple se pueden ver en el
apéndice II figuras A-9, A-10 y A-11)
Figura 3.11.Efecto del medio de temple sobre las velocidades de enfriamiento.[14]
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Sin embargo, los resultados obtenidos experimentalmente entre el temple en salmuera y el
temple en agua no son consistentes con los esperados teóricamente. En la tabla 3.2 se puede
observar que los temples en agua generaron una mayor dureza en el acero que el temple
realizado en salmuera. Por otra parte, la pieza sumergida en un medio de aceite generó una
menor dureza que los temples anteriores, concordando con los datos extraídos de la
bibliografía.
Se presume que la inconsistencia en los resultados pudo ser generada por errores de tipo
sistemático en el momento en que se realizó el temple en salmuera, donde la agitación de la
muestra en este medio pudo no haber sido lo suficientemente rápida como para que el calor
pudiese ser disipado eficazmente.
La agitación es un factor significativo en la velocidad de enfriamiento y la siguiente tabladonde se muestra la relación entre la agitación y la severidad de temple (H) así lo deja ver
Tabla 3.6 Severidad del temple (H) a diferentes niveles de agitación [15]
AgitaciónMedio
Aire Aceite Agua Salmuera
Ninguna 0,02 0,25-0,30 0,9-1,0 2
Moderada - 0,3-0,4 1,0-1.3 2-2,2
Acentuada - 0,4-0,5 1,4-1,5 -
Fuerte 0,05 0,5-0,8 1,6-2,0 -
Violenta - 0,8-1,1 4 5
En la 3.6 se puede notar que si la agitación en el agua es lo suficientemente fuerte con
respecto a la de salmuera la severidad de temple (H) en el medio acuoso puede llegar a ser
igual o mayor que la del temple en el medio salino.
Es importante destacar que existen dos resultados de la dureza proveniente del temple en
agua (ver tabla 3.2). Esto se debe a que se realizaron dos mediciones, pues al momento de
realizar el tratamiento térmico no se sumergió completamente la pieza en el medio, por ello se
obtuvieron durezas diferentes en las caras trasversales de las probetas.
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3.4. REVENIDO
Al calentar una pieza de acero templado por debajo de su temperatura crítica y enfriarla de
manera controlada (puede ser con agua o con aceite), se consigue que la misma pierda algo de
dureza (aumentando la tenacidad), pero que disminuyan las tensiones internas y que seaumente la resistencia al impacto. [13].
La probeta a la que se le hizo el revenido mostró una dureza de 72HRA, como se puede ver
en la tabla 3.2. A su vez, al observar la dureza de las piezas templadas y compararlas con la
obtenida por revenido, el análisis arroja que el temple en agua (79,6 y 75,8 HRA) y el temple
en salmuera (75,6 HRA) presentan una dureza mayor a la de la pieza revenida, pero el temple
en aceite no (65,23 HRA).
Las variaciones de características que experimentan los aceros por efecto del revenido son
debidas a cambios microestructurales que consisten, principalmente, en la descomposición de
la martensita obtenida en el temple y se transforma en otros constituyentes más estables.
Al comparar los valores de dureza obtenidos en el temple en agua con los del revenido,
podemos observar que la pieza del primer tratamiento es más dura. Esto es acorde a lo que se
esperaba, pues como se mencionó antes, al calentar la pieza por debajo de su temperatura
crítica y enfriarla de forma controlada, se disminuye la dureza del material. Esto explica el
hecho de que la pieza revenida es menos dura que la del temple en agua.
Sin embargo, los resultados obtenidos para la pieza revenida no son completamente
confiables, ya que el procedimiento de este tratamiento térmico no se llevó a cabo de la
manera más adecuada, pues la probeta se retiró muy pronto del medio de temple. Aunque la
pieza se volvió a introducir rápidamente, es posible que los resultados se hayan visto afectados
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3.5. TEMPLABILIDAD
Siguiendo los lineamientos dictados por la norma ASTM A255-99 se procedió a realizar el
ensayo de Jominy para medir la templabilidad en dos barras de acero 4140 y 1045 de 4
pulgadas de longitud y 1 pulgada de diámetro, luego de esto las barras se sometieron a una prueba de dureza donde se midió, mediante el uso de un durómetro la dureza Rockwell cada
1/8 de pulgada desde el extremo templado hasta el final de la barra en los dos planos de la
misma.
A continuación se muestran las curvas de Jominy para cada acero, obtenidas a partir de los
datos experimentales (ver apéndice 1 tabla A-1).
50
55
60
65
70
75
80
85
0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000
D u r e z a R o c k w e l l A
Distancia del extremo templado 1/8 pulgada
Plano A
4140
Plano B
4140
Plano A
1045
Plano B
1045
50,00
55,00
60,00
65,00
70,00
75,00
80,00
85,00
0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000
D u r e z a R o c k w e l l A
Distancia del extremo templado 1/8 pulgada
Acero 4140
Acero 1045
Figura 3.12. Curvas de Jominy para los aceros 4140 y 1045 por planos de la probeta
Figura 3.13. Curvas de Jominy para los aceros 4140 y 1045
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Cada curva de Jominy representa la dureza en función de la distancia entre el punto
considerado y la extremidad enfriada, en los aceros de alta templabilidad se obtiene un
descenso suave de la dureza y en el acero de baja templabilidad, una disminución brusca [16].
Por ello al ver las figuras 3.5.1 y 3.5.2 se puede decir que la templabilidad del acero 4140 es
mucho mayor a la del acero 1045.
En ambas curvas la dureza disminuye a medida que aumenta la distancia debido a que la
velocidad de enfriamiento (Ve) no es constante en todo el volumen de las probetas si no que se
va haciendo menor a mayores distancias en conjunto con la cantidad de martensita, hasta que
se alcanza una velocidad de enfriamiento que coincide con la nariz de la curva de el diagrama
TTT (temperatura, tiempo, transformación) y se denomina velocidad crítica de temple
(Vc)(ver figura 3.13), en la cual se deja de formar martensita y empiezan a formarse otras
estructuras cuya dureza es menor a la de la martensita, como la perlita por ejemplo. [15] (ver
figuras 3.13 y 3.14)).
Figura 3.13. Representación esquemática de las zonas de temple perfecto y de temple imperfecto en una probeta Jominy [15]
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La composición química de un acero y en especial el contenido de elementos aleados es el
factor que influye más decisivamente en la forma de la curva TTT, por lo general los
elementos de aleación tienden a retardar el comienzo de las transformaciones y aumentar la
duración de las mismas, por lo que un acero de mejor templabilidad presentara un diagrama
TTT mas desplazado hacia la derecha. El efecto y la magnitud de la influencia de los diversos
aleantes son diferentes de unos casos a otros [1].
Los elementos aleantes como el Cromo y el Molibdeno que forman carburos aun en pequeñas
cantidades son los responsables de que en algunos diagramas TTT aparezcan dos narices, una
Figura 3.14 Velocidades de enfriamiento en diferentes posiciones de una probeta Jominy, sobre undiagrama TTT para un acero 1045
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de transformación perlítica y otra de transformación bainítica.[1] (Ejemplos de diagramas TTT
para los aceros AISI 4140 y 1045 se encuentran en el apéndice II-figuras A-7 y A-8))
La templabilidad de un acero es una función de su composición química, de la cantidad de
austenita heterogénea y de partículas insolubles así como del tamaño de los granos de
austenita que contiene al momento de hacer el temple. Un metal de gran templabilidad es uno
cuya austenita es capaz de transformarse a martensita sin formación de perlita, aun cuando la
velocidad de enfriamiento sea relativamente lenta. De manera recíproca, se requieren elevadas
velocidades de enfriamiento para formar martensita en los aceros de baja templabilidad [18].
A diferencia del 1045 el acero 4140 posee aleantes que mejoran la aptitud para el temple, en
el caso del molibdeno como resultado de una notable disminución de la zona crítica durante el
enfriamiento y en el caso del cromo porque tiende a evitar la formación de perlita durante el
enfriamiento. [12]
A continuación se presentan dos graficas de referencia que muestran como influencian el
factor de templabilidad y la dureza distintos elementos de aleación donde se incluye el Cromo
y el Molibdeno.
Figura 3.15. Influencia de los elementos de aleación enel aumento de dureza de la ferrita de los aceros de bajo
contenido de carbono [1]
Figura 3.16. Influencia de los elementos dealeación en la templabilidad de los aceros [1]
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Finalmente se procedió a cortar cada barra de acero en 6 pequeñas probetas (ver figura 12)
para su respectiva preparación metalográfica y posterior estudio de las mismas bajo el
microscopio.
Donde la pieza 1 corresponde al extremo más templado que mantuvo contacto directo con elchorro de agua y la 6 al no templado por donde se hallaban los sujetadores de la barra.
A continuación se muestran las fotomicrografías de cada una de las 6 probetascorrespondientes a cada barra de acero.
Figura 3.17. Esquema del corte
Figura 3.18. Fotomicrografia pieza 1 del acero 4140 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.18. Fotomicrografia pieza 1 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)
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El temple más severo tuvo lugar en la pieza 1 de cada barra de acero, y es por ello que las
mayores cantidades de martensita se pueden observar en las figuras 13 y 14. Una muestra de
martensita vista al microscopio aparece como placas lenticulares que dividen los granos de la
matriz; estas estructuras se tocan más nunca se cruzan una con otra. [19] (Una fotomicrografía
de referencia se puede encontrar en el apéndice II- figura A-1).
La martensita es el componente más importante del acero templado sin revenir. Es el más
duro de los componentes posibles obtenidos por tratamiento térmico en un acero de cualquiercomposición química. [12]
En las fotomicrografias de las figuras 15 y 16 correspondientes a las piezas número 2 ya se
empieza a notar una disminución gradual en la cantidad de martensita. Dicha disminución es
mayor para el acero 1045 en comparación con el 4140.
Figura 3.19. Fotomicrografia pieza 2 del acero 4140 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.20. Fotomicrografia pieza 2 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)
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Figura 3.22. Fotomicrografía pieza 3 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.21. Fotomicrografía pieza 3 del acero 4140 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.24. Fotomicrografía pieza 4 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.23. Fotomicrografía pieza 4 del acero 4140 a3040X (nital al 5%)
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Todas las fotomicrografías son consistentes con los resultados obtenidos en la curva de
Jominy debido a que en el acero 4140 se puede notar aparte de algunos microconstituyentes
perliticos, la presencia de ciertas cantidades de martensita hasta las piezas 5 y 6 (ver figuras
21 y 23), mientras que en el acero 1045 ya a partir de la pieza número 4 (ver figuras 20, 22 y
24) se empiezan a ver granos de ferrita y colonias perlíticas bien definidas.
Se presume que parte de las zonas oscuras con formas agudas en las fotomicrografías de las
piezas 3, 4 y 5 del acero 4140 (ver figuras 17, 19 y 21) son estructuras bainíticas, ya que éstas
por lo general se ven oscuras en la muestra atacada. Sin embargo resulta muy fácil
Figura 3.26. Fotomicrografía pieza 5 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)
Figura 3.25. Fotomicrografía pieza 5 del acero 4140a 3040X (nital al 5%)
Figura 3.28. Fotomicrografía pieza 6 del acero1045 a 3040X (nital al 5%)
Figura 3.27. Fotomicrografía pieza 6 del acero 4140a 3040X (nital al 5%)
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confundirlas con la perlita cuando se ve con un microscopio óptico, debido a su gran parecido
por ser ambas un agregado de ferrita y cementita, la mejor manera de resolver sus detalles es
mediante el microscopio electrónico. (Ejemplos de fotomicrografías de referencia tanto del
microscopio electrónico como del óptico se pueden encontrar en el apéndice II, figuras A-3,
A-4 y A-5).
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CONCLUSIONES
El acero 4140 tuvo una templabilidad mayor que el 1045.
Los elementos aleantes del acero 4140 mejoran su aptitud al temple.
En el tratamiento térmico en el cual se obtuvo una menor dureza fue en el recocido,
mientras que en el del temple al agua se obtuvo el mayor.
Los tamaños de grano en la probeta a la cual se le hizo recocido resultaron ser
mayores que los de la probeta a la cual se le hizo tratamiento de normalizado
La dureza de la probeta de acero revenido resultó ser menor a la de la probeta que se le
hizo solo temple al agua.
En un principio la inmersión de la probeta de temple al agua no se hizo correctamente
y una de sus caras quedo fuera del medio de temple durante breves segundos, por lo
que hubo que ensayar la probeta por ambas caras.
El temple en agua realizado a la probeta destinada al tratamiento térmico revenido no
se efectuó de la manera adecuada ya que se retiró rápidamente del medio de temple.
En los tres medios de temple se obtuvo una microestructura homogéneas
principalmente de martensita.
En los tratamientos térmicos de recocido y normalizado se obtuvo una microestructura
formada por perlita y ferrita.
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RECOMENDACIONES
Para poder establecer comparaciones más precisas entre los temples en distintos medios es
recomendable controlar la velocidad e intensidad con la que se agita la pieza, para asegurarse
de no estar introduciendo errores en el ensayo que puedan llevar a resultados inconsistentes y
conclusiones erróneas. Una manera de hacerlo puede ser automatizando el proceso de manera
tal que todas las muestras puedan ser agitadas con la misma velocidad, o rociándole a las
piezas el fluido a presión sobre toda su superficie.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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Plaza de Santa Ana. Madrid España 1974 pag: 69-101, 114-116, 152-159, 177-187, 191-195,
211-217, 241-256.
[2] DeGarmo, E.P, Black, J.T, Kohser, R.A. “Materiales y Procesos de Fabricación”, Editorial
Reverté, S.A, 2da Edición Vol 1. España, 2002. Pag:159
[3] Angiolani, Argeo. “Introducción a la Química Industrial: Fundamentos Químicos yTecnológicos”, Editorial Andrés Bello, Chile, Santiago de Chile,1960, pag: 585.
[4] Avner Sidney H, “Introducción a la Metalurgia Física”, Editorial. Mc Graw Hill, 2da.
Edición, México, pag: 234, 252-257, 270-271, 286-316.
[5] F. R. Morral, E. Jimeno, P. Molera “Metalurgia General” Vol. 2, Editado por Reverté,
S.A, España, (1985). Págs. 705-711, 1087-1100.
[6] Pazos Peinado, Norma. “Tecnología de los Metales ”, Editorial Universidad CatólicaAndrés Bello , Venezuela, Caracas, 2006, pag:183
[7] Callister William, “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Vol.2. Ed.
Reverte. España,2007, pags. 310-316, 341
[8] Askeland, Donald R. “Ciencia e ingeniería de los materiales”. Editorial Internacional
Thomson, 3era Edición, México, 1998, Pág: 182, 313-325
[9] Shakelford, James F. “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. EditorialPrentice Hall, 2005. Pag: 353.
[10] Serope Kalpakjian, Stiven R. Schmid.”Manufactura, Ingeniería y Tecnología”. Editorial
Prentice Hall. Cuarta edición. Mexico. 2002. Pag: 120-126.
[11] Kucher, A. “Tecnología de Metales”, Editorial Mir Moscú, 1989, pag: 21, 75.
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[12] Richard Henry Greaves, Harold Wrighton. “Metalografía Microscópica Practica”.
Editorial Urmo. Espartero Bilbao España.1979. Pag: 113-131.
[13] D.M.K. de Grinberg “Tratamientos Térmicos de Aceros”. Primera Edición, Editorial
Limusa, México (1986). Pag: 32,62.
[14] Molera Solá, Pere, “Tratamientos Térmicos de Los Metales”, Editorial Prodúctica,
España,1991, pags: 45-46.
[15] P. J. Maroni “Templabilidad un método para seleccionar aceros” Editorial Mitre, Buenos
Aires Argentina 1976, pag: 66-74.
[16] A.P Guliáev. Metalografía”. Editorial Mir.Moscú.1978. Pag:309-318.
[17] ASM Metals Handbook vol 4 “Heat Treating” pag: 54
[18] C. Chaussin, G. Hilly, P.Chevenard. “Metalurgia” tomo 1 “Aleaciones Metalicas”
Editorial Urmo. España 1975. Pp 167-172.
[19] W Hayden, G Moffatt, J Wolff “Introducción a la ciencia de los materiales ” Vol 3.
Limusa Wiley. Mexico 1968 Pág: 186-188.
[20] MEHL, Robert. “Atlas of microstructures of industrial alloys”, 8va edición. Metals
handbook, Volumen 7. ASM. Pp 191
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APENDICE I
Tabla A-1. Resultados de dureza en las probetas de Jominy cada 1/8 de pulgada
Dureza Probeta de Acero 4140
Distancia
en
pulgadas
Dureza Probeta de Acero
1045
lado A lado B Promedio Lado A Lado B PromedioRockwell
C
Rockwell
A
Rockwell
A
Rockwell
C Rockwell A
Rockwell
A
Rockwell
A Rockwell A
57 79,6 79,6 57 79,60 0,1250 78,0 68,40 73,20
58 80,1 79,6 57 79,85 0,2500 67,4 64,30 65,85
56 79,0 79,0 56 79,00 0,3750 64,6 63,30 63,95
55 78,5 79,0 56 78,75 0,5000 63,8 63,30 63,55
55 78,5 76,8 52 77,65 0,6250 62,0 63,30 62,65
51 76,3 75,2 49 75,75 0,7500 62,8 62,00 62,40
49 75,2 74,7 48 74,95 0,8750 62,4 62,40 62,40
45 73,1 72,0 43 72,55 1,0000 62,0 61,50 61,75
43 72,0 70,9 41 71,45 1,1250 62,0 60,50 61,25
42 71,5 71,5 42 71,50 1,2500 61,5 60,90 61,20
40 70,4 70,9 41 70,65 1,3750 60,5 60,90 60,70
40 70,4 70,4 40 70,40 1,5000 60,2 59,50 59,85
39 69,9 69,4 38 69,65 1,6250 60,2 58,90 59,55
38 69,4 69,4 38 69,40 1,7500 60,2 58,30 59,25
38 69,4 69,4 38 69,40 1,8750 60,2 58,30 59,25
37 68,9 69,4 38 69,15 2,0000 59,5 58,90 59,20
37 68,9 69,4 38 69,15 2,1250 59,5 58,90 59,20
36 68,4 69,4 38 68,90 2,2500 59,5 58,30 58,90
37 68,9 69,4 38 69,15 2,3750 58,9 58,90 58,90
37 68,9 69,4 38 69,15 2,5000 58,9 58,30 58,60
35 67,9 68,4 36 68,15 2,6250 58,9 57,60 58,25
37 68,9 68,9 37 68,90 2,7500 58,3 57,60 57,95
36 68,4 68,4 36 68,40 2,8750 58,3 57,60 57,95
37 68,9 68,9 37 68,90 3,0000 58,3 57,60 57,95
36 68,4 68,4 36 68,40 3,1250 57,6 57,00 57,30
36 68,4 68,9 37 68,65 3,2500 58,3 57,60 57,95
37 68,9 68,4 36 68,65 3,3750 58,3 57,60 57,95
36 68,4 67,9 35 68,15 3,5000 58,3 57,60 57,95
35 67,9 67,9 35 67,90 3,6250 58,3 57,60 57,95
34 67,4 67,9 35 67,65 3,7500 58,3 57,60 57,95
35 67,9 67,4 34 67,65 3,8750 57,6 57,60 57,60
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APENDICE II
A continuación se muestran una serie fotomicrografías de referencia obtenidas a partir de
la bibliografía para las distintas estructuras que se buscan conseguir con los diversos
tratamientos térmicos.
Figura A-1.Martensita en un acero demedio carbono a 370X [19]
Figura A-1.Martensita en un acero 4140a 500X (nital al 2%) [20]
Figura A-3. Microestructura de bainita vista
con un microscopio electrónico a 15000X [4] Figura A-4. Bainita plumosa y bainita fina en
una matriz martensítica (blanca) 1000X [4]
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Figura A-6. Diagrama Fe-C [13]
Figura A-5. Microestructura de bainita vistacon un microscopio electrónico a 15000X [4]
Figura A-4. Bainita Acicular o inferioragujas negras en una matriz martensitica [4]
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Figura A-7 diagrama TTT para un acero 4140 [17]
Figura A-8 diagrama TTT para un acero 1045 [17]
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Figura A-9 Burbujas que se generan al templar una probeta de acero en salmuera [1]
Figura A-10 Capa de vapor alrededor de una probetatemplada en agua [1]
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Figura A-11 burbujas de vapor que envuelven la periferia de una pieza templada en aceite [1]
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APENDICE III
Procedimiento para los cálculos de porcentaje de fases y tamaño de grano
Para determinar la fracción de puntos (Pp) se utiliza la siguiente igualdad:
() ∑
Para determinar el porcentaje de una fase (por Ej: ), se usa esta ecuación:
Un ejemplo de este cálculo se realizó para calcular el porcentaje de perlita en el Normalizado:
()
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Para calcular los números de tamaño de grano ASTM en las probetas que fueron recocidas y
normalizadas por el método de Jeffries se utilizó el software Digimizer en su versión 3.0. para
trazar las líneas y circunferencias necesarias sobre varias fotomicrografías a diferentes
aumentos. Un ejemplo se encuentra en la siguiente fotomicrografía del recocido
Luego de esto, se hizo el conteo de los granos en cada una y con la ayuda de las siguientes
ecuaciones se procedió a calcular cada valor de G.
Relación de Jeffries para determinar el número de granos por milímetro cuadrado (NA) y
número ASTM de tamaño de grano (G):
Nº Pα (± 1) PT (± 1) Vα (± 0.01) 1 28,0 36,0 0,692 27,0 36,0 0,553 28,0 36,0 0,764 26,0 36,0 0,675 29,0 36,0 0,676 30,0 36,0 0,61
Promedio 28 36,0 0,66Desviación
E.3,4 0,0 0,07
Tabla A-2 . Porcenta e de fase erlita en el Normalizado
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A continuación se presentará las tablas en donde se expresa las mediciones de dureza de
cada uno de los tratamientos térmicos:
Tabla A-3. Dureza del Recocido
Dureza Rockwell B Rockwell A
1 81 50
2 85 52,3
3 85 51,7
Promedio 83,7 51,3
Desviación Estándar 2,3 1,2
Tabla A-4. Dureza del Normalizado
Dureza Rockwell B Rockwell A
1 91,0 55,8
2 94,0 57,6
3 95,0 58,3
Promedio 93,3 57,2
Desviación Estándar 2,1 1,3
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Tabla A-4. Dureza Temple
Dureza Rockwell C Rockwell A
Temple en aceite 30 ± 2,3 65,2 ± 1,5
Temple en agua (lado A) 57 ±2,6 79,6 ±1,4Temple en agua (lado B) 50 ± 2,0 75,8± 1,1
Temple en salmuera 49 ± 2,1 75,4 ± 0,4
Tabla A-5. Dureza del Revenido
Dureza Rockwell C Rockwell A1 43,3 72
2 45,1 73,1
3 41,9 70,9
Promedio 43 72
Desviación Estándar 2,3 1,1
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DECLARACIÓN OBLIGATORIA PARA ENTREGA DE TAREAS O INFORME
GRUPAL
Entendemos que la honestidad académica es uno de los valores esenciales de la USB, y
que la falta de probidad en el ejercicio de las obligaciones de un estudiante, como por ejemplo
el plagio y la copia de un examen, son violaciones de las normas de la USB que pueden ser
sancionadas severamente.
Declaramos además que estamos en conocimiento de todos los elementos del trabajocontenido en la presente, y que dicho trabajo ha sido realizado solamente por los miembros de
nuestro grupo.
Nombre y Apellido: Misael Millán Firma:
Nombre y Apellido: Edward Lozano Firma:
Nombre y Apellido: Jesús Serrano Firma:
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