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CARACTERIZACIÓN DEL ACERO NAVAL ASTM A – 131 UTILIZADO EN LA
CONSTRUCCIÓN Y REPARACIÓN DE EMBARCACIONES
ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTA, D.C.
2008
1
CARACTERIZACIÓN DEL ACERO NAVAL ASTM A – 131 UTILIZADO EN LA
CONSTRUCCIÓN Y REPARACIÓN DE EMBARCACIONES
ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
ASESOR
ING. WILSON HORMAZA PHd
Profesor Asistente
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
BOGOTA, D.C.
2008
2
Tabla de contenido
Resumen ................................................................................................................................. 8 0. Introducción .................................................................................................................. 9 0.1 Fundamentación Bibliográfica........................................................................... 11 0.2 Objetivos .............................................................................................................. 22
0.2.1 Objetivo General .................................................................................................. 22 0.2.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 22
1. Metodología ................................................................................................................. 23 2. Resultados .................................................................................................................... 31
2.1 Resultados del material sin tratamiento térmico ................................................... 31 2.1.1 Análisis Químico........................................................................................... 31 2.1.2 Ensayo de tensión.......................................................................................... 31 2.1.3 Ensayo de impacto tipo Charpy .................................................................... 33 2.1.4 Mediciones de dureza.................................................................................... 34 2.1.5 Mediciones de Micro-dureza ........................................................................ 35 2.1.6 Estudio metalográfico ................................................................................... 35
2.2 Resultados de material con tratamiento térmico ................................................... 40 2.2.1 Ensayo de tensión.......................................................................................... 40 2.2.2 Ensayo de impacto tipo Charpy .................................................................... 43 2.2.3 Mediciones de dureza.................................................................................... 44 2.2.4 Mediciones de Micro-dureza ........................................................................ 46 2.2.5 Estudio metalográfico ................................................................................... 47
3. Discusiones ................................................................................................................... 64 4. Conclusiones .................................................................................................................... 67 Referencias........................................................................................................................... 68
3
Índice de Figuras
Figura 1. Diagrama Hierro - Carbono* ................................................................................. 16 Figura 2. Placa # 1................................................................................................................. 24 Figura 3. Placa # 2................................................................................................................. 24 Figura 4. Placa # 3................................................................................................................. 25 Figura 5. Probetas de tensión de placa # 2 ............................................................................ 26 Figura 6. Probetas de tensión de placa # 3 ............................................................................ 26 Figura 7. Muestras metalográficas placas #2 y # 3 .............................................................. 26 Figura 8. Montaje Ensayo de tensión.................................................................................... 33 Figura 9. Montaje para ensayo de impacto tipo Charpy ....................................................... 33 Figura 10. Probetas tipo Charpy de material sin TT después del ensayo ............................. 34 Figura 11. Medición de micro-dureza sobre muestra de la placa # 2 ................................... 35 Figura 12. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 13. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 14. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 15. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 16. Micrografía placa # 2........................................................................................... 37 Figura 17. Micrografía placa # 2........................................................................................... 37 Figura 18. Micrografia placa # 2........................................................................................... 37 Figura 19. Micrografia placa # 2........................................................................................... 37 Figura 20. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 21. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 22. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 23. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 24. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 25. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 26. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 27. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 28. Montaje prueba de tensión con extensometro en su lugar................................... 40 Figura 29. Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #1) ............ 43 Figura 30.Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #3) ............. 44 Figura 31. Durometro Rockwell utilizado en las mediciones ............................................... 45 Figura 32. Durometro utilizado para la medición de micro-durezas .................................... 47 Figura 33, Medición de micro-dureza sobre una de las muestras. ........................................ 47 Figura 34. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 35. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 36. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 37. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 38. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 39. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49
4
Figura 40. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 41. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 42. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 43. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 44. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 45. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 46. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 47. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 48. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 49. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 50. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 51. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 52. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 53. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 54. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 55. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 56. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 57. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 58. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 59. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 60. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 61. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 62. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 63. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 64. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 65. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 66. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 67. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 68. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 69. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 70. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 71. Micrografía placa # 2 ; TT #3.............................................................................. 57 Figura 72. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 73. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 74. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 75. Micrografía placa # 3 ; TT #3.............................................................................. 58 Figura 76. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 77. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 78. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 79. Micrografía placa # 3 ; TT #3.............................................................................. 59 Figura 80. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 81. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 82. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 83. Micrografía placa # 2 ; TT #4.............................................................................. 60 Figura 84. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 85. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 86. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61
5
Figura 87. Micrografía placa # 2 ; TT #4.............................................................................. 61 Figura 88. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61 Figura 89. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61 Figura 90. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 91. Micrografía placa # 3 ; TT #4.............................................................................. 62 Figura 92. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 93. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 94. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63 Figura 95. Micrografía placa # 3 ; TT #4.............................................................................. 63 Figura 96. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63 Figura 97. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63
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Índice de Tablas
Tabla 1. Requerimientos para prueba de análisis químico 1994........................................... 11 Tabla 2. Requerimientos para prueba de análisis químico 2004........................................... 11 Tabla 3. Requerimientos en prueba de tensión 1994 ............................................................ 12 Tabla 4. Requerimientos en prueba de tensión 2004 ............................................................ 12 Tabla 5. Requerimientos en prueba Charpy 1994................................................................. 12 Tabla 6. Requerimientos en prueba Charpy 2004................................................................. 13 Tabla 7. Dimensiones placa # 1 ............................................................................................ 24 Tabla 8. Dimensiones placa # 2 ............................................................................................ 24 Tabla 9. Dimensiones placa # 3 ............................................................................................ 25 Tabla 10, Cantidad de muestras por tratamiento térmico ..................................................... 30 Tabla 11. Resultados del ensayo de composición química ................................................... 31 Tabla 12. Resultados del Ensayo de tensión para el material sin TT.................................... 32 Tabla 13. Resultados para ensayo de impacto en material sin tratamiento térmico ............. 34 Tabla 14. Resultados mediciones de dureza sobre material sin TT ...................................... 34 Tabla 15. Resultados mediciones de microdurezas sobre material sin TT ........................... 35 Tabla 16. Resultados del ensayo de tension para las muestras con tratamiento termico ...... 40 Tabla 17. Resultados para ensayos de impacto tipo Charpy en material con TT ................ 43 Tabla 18. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell C) ........ 45 Tabla 19. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell B) ........ 45 Tabla 20. Resultados de mediciones de micro-dureza según tratamiento térmico (escala vickers).................................................................................................................................. 46
7
Índice de Graficas
Grafica 1. Tratamiento térmico # 1 ....................................................................................... 28 Grafica 2. Tratamiento térmico # 2 ....................................................................................... 28 Grafica 3. Tratamiento térmico # 3 ....................................................................................... 29 Grafica 4. Tratamiento térmico # 4 ....................................................................................... 29 Grafica 5. Curva Esfuerzo-Deformación del ensayo de tensión del material sin TT. ......... 32 Grafica 6. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 1.. 41 Grafica 7. Curva esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 2 .. 41 Grafica 8. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 3.. 42 Grafica 9. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 4.. 42
8
Resumen
El objetivo principal de este proyecto es complementar la norma existente
sobre el acero naval ASTM A 131 con información adicional como mediciones
de durezas, micro-durezas y de un estudio metalográfico, y estudiar el
comportamiento de este material bajo distintos tratamientos térmicos simulando
así los posibles procesos de soldadura que se utilizan en la construcción y
reparación de embarcaciones navales. Para tal fin se realizaron cuatro tipos de
tratamientos térmicos: 1) Temple en salmuera, 2) Temple en salmuera y
posterior revenido, 3) temple en aceite, 4) temple en aceite y posterior revenido.
Por medio de estos distintos tratamientos térmicos se evalúa el comportamiento
del material bajo distintos procesos de enfriamiento y se analizan los cambios
microestructurales y de propiedades que presenta el material.
9
0. Introducción
Cuando la madera fue abandonada como material estructural en las grandes
embarcaciones durante el siglo diecinueve, su primer sucesor fue el hierro, siendo este
después reemplazado por el acero debido a sus mejores propiedades. En algún momento del
ultimo cuarto del siglo diecinueve y cercano al comienzo de la Segunda Guerra Mundial el
material convencional para la construcción de embarcaciones era el llamado “acero dulce”.
Las características de este tipo de aceros son: relativo bajo costo de producción, buenas
propiedades mecánicas, facilidad para trabajo en frío y la habilidad de trabajarse en caliente
sin pérdida considerable de las propiedades. Sin embargo su gran desventaja es la total
necesidad de una eficiente protección para prevenir la corrosión del material. (Muckle,
1967, 15-16)
El acero estructural de embarcaciones se rige por la norma ASTM A131/A131M,
esta norma se creo en al año de 1934 como reemplazo para la norma ASTM A12, desde
esta época el material y la norma han tenido cambios a través del tiempo aunque estos son
poco notorios en los últimos años, es importante tener en cuenta que según la norma este
tipo de acero se encuentra en varios grados de calidad, los cuales presentan diferentes
propiedades mecánicas y químicas variando desde un acero de uso común o regular hasta
un acero con mejores propiedades para usos específicos o mas avanzados.
Sin embargo aunque la norma genera las características base para la producción y
comercialización del acero se dejan por fuera ciertos temas de utilidad tales como:
10
mediciones de durezas, micro-durezas y características metalográficas, los cuales pueden
ser de gran utilidad para el diseño y construcción de las embarcaciones. Además de estos
temas mencionados anteriormente esta el comportamiento del material a procesos térmicos
como templado y/o revenido, procesos que pueden simular el comportamiento del material
bajo un proceso de soldadura como los utilizados actualmente en los procesos de
construcción y reparación de embarcaciones.
Es por esta falta de información que se decide realizar un estudio profundizando en
las características del material, ya sea en su forma de comercialización o por cambios
generales durante el tratamiento térmico. Por tanto se busca tener un mejor entendimiento
del comportamiento de las propiedades mecánicas por acción de un tratamiento térmico.
11
0.1 Fundamentación Bibliográfica
Para caracterizar el material es necesario realizar pruebas tanto mecánicas como
químicas, dentro de las ensayos mecánicos podemos encontrar: ensayos de tensión,
mediciones de dureza y micro-dureza, y opcionalmente ensayos de impacto del tipo Charpy,
y adicionalmente se realiza un análisis de composición química. Dentro de la norma ASTM
A-131/A-131M se pueden encontrar ciertos requerimientos para algunas de estas
propiedades (ver anexos 1 y 2):
Tabla 1. Requerimientos para prueba de análisis químico 1994
Elemento Resistencia alta
A B D E CS AH, DH, EH
Carbono, max 0,23 0,21 0,21 0,18 0,16 0,18
Manganeso 2,5 x C 0,80 - 1,10 0,70 - 1,35 0,70 - 1,35 1,00 - 1,35 0,90 - 1,60
Fosforo, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
Azufre, max 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04
Silice 0,35 max 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,50
Niquel - - - - - 0,4
Cromo, max - - - - - 0,25
Molibdeno, max - - - - - 0,08
Cobre, max - - - - - 0,35
Composición %
Resistencia Normal
*Tomado de: Anual book of ASTM standars 1994, A131/131M
Tabla 2. Requerimientos para prueba de análisis químico 2004
Elemento Resistencia alta
A B D E CS AH, DH, EH
Carbono, max 0,21 0,21 0,21 0,18 0,16 0,18
Manganeso 2,5 x C 0,8 0,6 0,7 1 0,90 - 1,60
Fosforo, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
Azufre, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035
Silice 0,5 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,50
Niquel - - - - - 0,4
Cromo, max - - - - - 0,2
Molibdeno, max - - - - - 0,08
Cobre, max - - - - - 0,35
Composición %
Resistencia Normal
*Tomado de: Base de datos electronica ASTM 2007, A131/131M
12
Tabla 3. Requerimientos en prueba de tensión 1994
Grado
Resistencia a la
tension
Ksi [Mpa]
Punto de
fluencia
Ksi [Mpa]
Elongacion,
min, % en 8
in. [200 mm]
Elongacion,
min, % en 2
in. [50 mm]
A, B, D, Ds, Cs, E 58 a 71 [400 a 490] 34 [235] 21 24
AH32, DH32 y EH32 68 a 85 [470 a 620] 46 [315] 19 22
AH36, DH36 y EH36 71 a 90 [490 a 620] 51 [360] 19 22
*Tomado de: Anual book of ASTM standars 1994, A131/131M
Tabla 4. Requerimientos en prueba de tensión 2004
Grado
Resistencia a la
tension
Ksi [Mpa]
Punto de
fluencia
Ksi [Mpa]
Elongacion,
min, % en 8
in. [200 mm]
Elongacion,
min, % en 2
in. [50 mm]
A, B, D, E, Cs 58 a 75 [400 a 520] 34 [235] 21 24
AH32, DH32, EH32 y FH32 64 a 85 [440 a 590] 46 [315] 19 22
AH36, DH36, EH36 y FH36 71 a 90 [490 a 620] 51 [355] 19 22
AH40, DH40, EH40 y FH40 74 a 94 [510 a 650] 57 [390] 19 22
*Tomado de: Base de datos electronica ASTM 2007, A131/131M
Tabla 5. Requerimientos en prueba Charpy 1994
ft-lbf J ft-lbf J
B 32 [ 0 ] 20 27 14 19
D 14 [-10] 20 27 14 19
E -40 [-40] 20 27 14 19
AH32 32 [ 0 ] 25 34 17 23
DH32 -4 [-20] 25 34 17 23
EH32 -40 [-40] 25 34 17 23
DH36 -4 [-20] 25 34 17 23
EH36 -40 [-40] 25 34 17 23
AH40 32 [ 0 ] 30 41 20 27
DH40 -4 [-20] 30 41 20 27
EH40 -40 [-40] 30 41 20 27
Grado
Longitudinal
min, avg.
Transversal
min, avg.
Temperatura de
prueba
°F [°C]
*Tomado de: Anual book of ASTM standars 1994, A131/131M
13
Tabla 6. Requerimientos en prueba Charpy 2004
ft-lbf J ft-lbf J
A 68 [20] - - - -
B 32 [ 0 ] 20 27 14 20
AH32 33 [ 0 ] 25 34 17 24
AH36 34 [ 0 ] 25 34 17 24
AH40 35 [ 0 ] 30 41 20 27
D -4 [-20] 20 27 14 20
DH32 -4 [-20] 25 34 17 24
DH36 -4 [-20] 25 34 17 24
DH40 -4 [-20] 30 41 20 27
E -40 [-40] 20 27 14 20
CS -40 [-40] - - - -
EH32 -40 [-40] 25 34 17 24
EH36 -40 [-40] 25 34 17 24
EH40 -40 [-40] 30 41 20 27
FH32 -76 [-60] 25 34 17 24
FH36 -76 [-60] 25 34 17 24
FH40 -76 [-60] 30 41 20 27
*Tomado de: Base de datos electronica ASTM 2007, A131/131M
Temperatura de
prueba
°F [°C]
Grado
Longitudinal
min, avg.
Transversal
min, avg.
Las propiedades mostradas anteriormente se pueden encontrar dentro de la norma
que rige el material, la norma ASTM A131/ A131 M, sin embargo dentro de la norma no se
menciona comportamiento alguno para mediciones de durezas ni comportamientos del
material ante tratamientos térmicos como temples y/o revenidos.
La definición de tratamiento térmico dada en el Metals Handbook es: “Una
combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y
aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá
propiedades deseadas”. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros
incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y la apariencia
14
de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de
cualquier acero. (Avner, 1974, 252)
Como se conoce cada elemento químico aleante presente en el material genera un
efecto propio según la cantidad presente de este, según la norma los elementos presentes en
el material son: Carbono, Manganeso, Fósforo, Azufre, Sílice, Níquel, Cromo, Molibdeno y
Cobre, en diferentes porcentajes según el grado del material, para estos elementos tenemos
los siguientes efectos según Totten (2006):
o Carbono:
El carbono tiene una tendencia moderada de macro-segregación durante la
solidificación, y generalmente es más significativa que cualquiera generada por otros
elementos. Tiene además una fuerte tendencia a segregarse en los defectos del material,
tales como bordes de grano y dislocaciones. Los elementos formadores de carburos
pueden interactuar con el carbono para formar carburos aleados. El Carbono es el
principal aleante para lograr un endurecimiento del material en la mayoría de los aceros.
El efecto del carbono en el fortalecimiento del acero consiste en un proceso de
dispersión sólida y de dispersión de carburos, mientras el contenido de carbono en un
acero incrementa su resistencia mientras su ductilidad y soldabilidad disminuyen.
o Manganeso
El manganeso esta presente virtualmente en todos los aceros en cantidades de
0.30% o mas. Este elemento es esencialmente un desoxidante y desulfurante; Tiene una
mínima tendencia a la macro-segregación comparada con otros elementos como el
carbono. El Manganeso es benéfico en cuanto a calidad superficial del material en todos
15
los rangos de contenido de carbono; Además posee efectos favorables para la forja y la
soldabilidad.
o Fósforo
El fósforo se segrega durante la solidificación en menor proporción que el
Carbono o el Azufre. Este elemento se disuelve en la ferrita e incrementa la resistencia
del acero. Mientras aumenta la cantidad de Fósforo en el material la ductilidad y la
resistencia al impacto disminuye.
El fósforo tiene una muy fuerte tendencia a segregarse en las fronteras de grano y
puede causar fragilización en el revenido de los aceros aleados según el contenido de
este elemento. El fósforo también aumenta las propiedades de endurecimiento y retarda
la descomposición de la martensita como el silicio en los aceros.
o Azufre
Altos contenidos de azufre pueden causar lo que se conoce como agrietamiento en
caliente debido a los bajos puntos de fusión de los sulfuros en los alrededores del grano.
El Azufre tiene un efecto de pérdida en la ductilidad transversal, resistencia al impacto,
soldabilidad y calidad superficial, además tiene una gran tendencia a segregarse en las
fronteras de grano.
o Silicio
El silicio es uno de los principales desoxidantes utilizados en la industria de la
producción de acero, así mismo el contenido de silicio determina el tipo de acero
producido. El silicio se disuelve completamente en la ferrita cuando el contenido de este
está por debajo del 0.30%, incrementando así su resistencia sin comprometer de gran
16
manera la ductilidad del material, por encima del 0.40% de silicio se genera un marcado
descenso de la ductilidad en los aceros al carbono comunes. En aceros tratados
térmicamente el Si es un aleante importante, este incremente los procesos de
endurecimiento, resistencia al desgaste, limite elástico y esfuerzo de fluencia.
Sobre cualquier material es posible realizar una gran cantidad de tratamientos
térmicos (TT) según las propiedades o características que se deseen en su aplicación, como
ya fue mencionado, para simular de cierta forma los procesos de calentamiento y
enfriamiento sucedidos en un proceso de soldadura se somete al material a procesos de
temple y revenido para poder observar así el comportamiento del material a estos cambios
térmicos. De esta forma es necesario primero austenitizar el material para luego realizar el
temple según el medio escogido y por ultimo si así se desea realizar un proceso de revenido
para tener las características apropiadas al material.
Figura 1. Diagrama Hierro - Carbono*
* Recuperado el 8 de enero de 2008 de: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/diagrama.html
A1
Acm
A3
17
La temperatura de Austenitización recomendada para los aceros hipoeutectoides es de
unos 15 °C por arriba de la línea de temperatura crítica superior A3; o sea, es la misma que
la temperatura de recocido recomendada. A cualquier temperatura por debajo de la línea A3
habrá alguna ferrita proeutectoide presente que se mantendrá después del temple y dará
lugar a áreas blandas y de menores durezas. (Avner, 1974, 282).
Sin embargo el proceso no solo consiste en llevar el material hasta la temperatura
determinada, se necesita además de un tiempo prudencial para que todo el material de la
pieza se encuentre en su estado de austenitización, es ahí donde entra el concepto de la
homogeneidad de la austerita, según Avner (1974, 283) esta se refiere a la uniformidad en
el contenido de carbono de los granos de austenita. Si un acero hipoeutectoide se calienta
para endurecerlo, cuando la línea A1 se cruza, los granos de austenita formados de la perlita
contendrán 0.8% de carbono. Al continuar el calentamiento, los granos de austenita
formados de ferrita proeutectoide contendrán muy poco carbono, de manera que cuando se
cruza la línea A3, los granos de austenita no serán uniformes en el contenido de carbono. Al
templar, los granos de austenita con menos carbono por tener una gran rapidez critica de
enfriamiento, tenderán a transformar estructuras no martensíticas, en tanto que aquellos
mas ricos en carbono, con una menor rapidez critica de enfriamiento tenderán a formar
martensita. Esto dará como resultado una microestructura no uniforme con dureza variable.
Esta condición puede evitarse mediante calentamiento muy lento, de modo que la
uniformidad se establezca por difusión de carbono durante el calentamiento; sin embargo el
excesivo tiempo que requiere este método no lo hace comercialmente practico. Un método
mas adecuado es calentar extensamente el material a la temperatura de austenitización, a
18
esta temperatura la difusión del carbono es rápida y la uniformidad se establecerá en un
tiempo corto. Para estar seguros, se recomienda que el material se mantenga durante una
hora a la temperatura de austenitización por cada pulgada de espesor o de diámetro.
Después de realizado el proceso de austenitización se realiza el procedimiento de
temple, de manera general la idea en este es bajar la temperatura de la pieza drásticamente,
para esto se debe tener presentes varios factores del procedimiento de temple: los
mecanismos de eliminación de calor, el medio de temple y la temperatura del medio de
temple.
La estructura, dureza y resistencia resultantes de una operación de tratamiento térmico
se determinan por la rapidez de enfriamiento real obtenida del proceso de temple. Si la
rapidez de enfriamiento real excede a la rapidez critica de enfriamiento, solo se obtendrá
martensita; si la rapidez real de enfriamiento es menor que la rapidez critica de
enfriamiento, la pieza no endurecerá completamente. A mayor diferencia entre las dos
velocidades de enfriamiento los productos de transformación serán mas blandos y la dureza
menor. En este punto es necesario entender el mecanismo de eliminación de calor durante
el temple: (Avner, 1974, 284-286)
o Etapa A: Estado de enfriamiento por medio de una capa de vapor, en esta etapa la
temperatura del metal es tan alta que el medio de temple se vaporiza en la superficie
del metal y una delgada y estable película de vapor rodea al metal caliente. El
enfriamiento se efectúa por conducción y radiación a través de la película gaseosa y,
como las películas de vapor son pobres conductoras de calor la rapidez de
enfriamiento es relativamente lenta a través de esta etapa.
19
o Etapa B: Enfriamiento por transporte de vapor, Esta etapa empieza cuando el metal
se ha enfriado a un temperatura tal que la película de vapor ya no es estable. El
contacto entre la superficie del material y el medio de temple produce una violenta
ebullición, el calor se elimina del metal muy rápidamente como calor latente de
vaporización, esta etapa es la más rápida del enfriamiento.
o Etapa C: Enfriamiento por medio del líquido, esta etapa empieza cuando la
temperatura de la superficie del metal alcanza al punto de ebullición del líquido en
temple. Ya no se forma más vapor, de modo que el enfriamiento se efectúa por
conducción y convección a través del líquido. La rapidez de enfriamiento es la más
lenta en esta etapa.
Como ya se menciono son varios los factores que influyen en los resultados que se
pueden obtener en un procedimiento de temple, sin embargo los factores mas importantes
para realizar este tipo de procesos son el medio de temple y la temperatura a la cual se
encuentra este medio de temple. En cuanto al medio de temple podemos encontrar
diferentes soluciones para tal fin: Soluciones acuosas con cloruro de sodio (salmueras),
Agua común, Sales fundidas o liquidas, mezclas de aceite soluble con soluciones acuosas,
Aceites térmicos y finalmente el medio menos drástico de todos, aire. Cada uno de estos
medios presenta distintas tasas de enfriamiento, y deben ser seleccionados según la
severidad del temple que se requiera para obtener las propiedades que se necesitan según la
aplicación.
20
En cuanto a la temperatura del medio de temple Avner (1974,287) comenta que:
Generalmente, conforme la temperatura del medio aumenta, la rapidez de enfriamiento
disminuye, lo cual se debe al aumento en persistencia de la etapa de la capa de vapor.
Como el medio esta mas cercano a su punto de ebullición se necesita menos calor para
formar la película de vapor, esto es particularmente cierto en agua y salmuera. En el caso
del aceite, hay dos factores opuestos a considerar, conforme la temperatura del aceite
aumenta hay una tendencia a que la rapidez del enfriamiento disminuya, debido a la
persistencia de la película de vapor; sin embargo, conforme la temperatura del aceite
aumenta también se hace mas fluido, lo cual incrementa la rapidez de conducción del calor
a través del liquido.
La principal dificultad al usar aceros en su condición endurecida o templada en la que
la principal estructura presente es martensita es que la tenacidad del material es baja, es por
esto que en la mayoría de aplicaciones donde una dureza relativamente alta es necesaria, la
pieza de acero es templada para lograr una estructura martensítica mas dura de lo necesario
en la aplicación, después es sometida a un calentamiento especifico para convertir la
martensita a una estructura de finas partículas de carburos en una matriz de ferrita. Esta
estructura tiene una menor dureza que la martensítica pero por medio del uso de una
correcta temperatura y tiempo la estructura final tendrá la dureza deseada con unas mejores
propiedades mecánicas. Este tipo de tratamiento es llamado Revenido y el principal
propósito de este es desarrollar un balance entre la dureza del material y la tenacidad. La
estructura que se forma durante el proceso es conocida como martensita revenida, sin
21
embargo es importante tener en cuenta que esta estructura conocida como martensita
revenida no contiene martensita, esta es una estructura formada por finas partículas de
carburos en ferrita que se forma de la martensita inicial antes del tratamiento de
revenido.(Brooks, 1996, 127)
22
0.2 Objetivos
0.2.1 Objetivo General
o Realizar una caracterización completa del acero A-131 complementando la norma
ASTM ya existente.
0.2.2 Objetivos específicos
o Comparar las distintas microestructuras presentes en el material según el
tratamiento térmico
o Analizar la composición química de material.
o Analizar el comportamiento del material bajo pruebas de tensión e impacto
(Charpy).
o Generar un mayor conocimiento de las propiedades y características propias del
material.
23
1. Metodología
Para lograr los objetivos propuestos es necesario realizar una completa
caracterización del material en su forma original y al mismo tiempo estudiar el material
después de una serie de tratamientos térmicos, para tal fin se realizaran las siguientes
pruebas sobre las muestras:
o Análisis de composición química.
o Mediciones de dureza.
o Mediciones de micro-dureza.
o Ensayo de tensión. i
o Ensayo de impacto (Charpy).
o Análisis de metalográfico por medio de microscopia óptica.
Es importante anotar que el ensayo de tensión y de impacto se realizan bajo las normas
ASTM E 008-04 y ASTM E 023-07A respectivamente (ver anexo 3 y 4 respectivamente).
El material para el presente estudio fue provisto por la Compañía Colombiana
Cotecmar (Corporación de ciencia y tecnología para el desarrollo de la industria naval,
marítima y fluvial), empresa encargada de la construcción y reparación de embarcaciones
de tipo militar y civil, la empresa entrego tres laminas de acero A-131, dos de estas laminas
son nuevas tal y como se comercializan en la actualidad. Otra lámina que fue entregada por
la compañía se estima que su fecha de producción fue en la década de los noventas, de esta
forma las probetas manufacturadas y ensayos realizados se diferenciará cada una de as
placas.
24
Figura 2. Placa # 1
Tabla 7. Dimensiones placa # 1
Fec ha 2006
Ancho 25 cm
L arg o 25 cm
E spe sor 2,54 c m
Plac a #1
Figura 3. Placa # 2
Tabla 8. Dimensiones placa # 2
Fec ha 2006
Ancho 40 cm
L arg o 30 cm
E spe sor 0,635 c m
P lac a # 2
25
Figura 4. Placa # 3
Tabla 9. Dimensiones placa # 3
Fec ha De c 90´s
Ancho 50 cm
L arg o 55 cm
E spe sor 1,905 c m
P lac a # 3
El siguiente paso para la caracterización es realizar las pruebas de dureza y de
composición química sobre muestras de las placas entregadas para tener una cierta
confiabilidad que el material con el cual se esta trabajando es el acero naval ASTM A-131.
Como patrón de comparación se realizaran todas las pruebas anteriormente mencionadas
sobre material sin ningún tipo de tratamiento térmico de la siguiente manera:
o Análisis de composición química: Una muestra por cada periodo de tiempo.
o Mediciones de dureza: Mediciones sobre el material proveniente de cada placa.
o Mediciones de micro-dureza: Mediciones sobre dos muestras de cada periodo de
tiempo.
o Prueba de tensión: dos pruebas por cada periodo de tiempo.
26
Figura 5. Probetas de tensión de placa # 2
Figura 6. Probetas de tensión de placa # 3
o Prueba de impacto (Charpy): dos pruebas por cada periodo de tiempo.
o Análisis metalográfico por medio de microscopia óptica: dos muestras por cada
periodo de tiempo y observación bajo distintos aumentos.
Figura 7. Muestras metalográficas placas #2 y # 3
Muestra placa # 2 Muestra placa # 3
27
A continuación se realizarán los tratamientos sobre las demás probetas y muestras,
para posteriormente realizar los ensayos mecánicos y metalográficos para determinar los
cambios microestructurales y de propiedades mecánicas entre los distintos tratamientos
térmicos. Como se explico anteriormente se realizaran cuatro distintos tipos de tratamiento
térmico, como primera medida todas las piezas se calientan hasta su temperatura de
austenitización, seguido a esto a la mitad de las piezas se les realiza un temple en salmuera
y a las demás un temple en aceite, para luego a la mitad de las piezas en cada medio de
temple realizar el proceso de revenido.
R evenido P ruebas
T emple en S almue ra
P rue bas
P rue bas
T emple en Ace ite
R evenido P ruebas
Aus tenitizac ión
De manera más detallada se pueden dividir los tratamientos térmicos realizados en
cuatro de la siguiente forma:
28
o Tratamiento 1: Austenitización a 850 °C por 2 h � Temple en Salmuera a 5 °C.
Grafica 1. Tratamiento térmico # 1
Tratamiento termico 1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiempo (h)
Temperatura (°C)
o Tratamiento 2: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en salmuera a
5°C � Revenido a 250 °C por 1 h.
Grafica 2. Tratamiento térmico # 2
Tratamiento termico 2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tiempo (h)
Temperatura (°C)
29
o Tratamiento 3: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en aceite a 55°C.
Grafica 3. Tratamiento térmico # 3
Tratamiento termico 3
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6
Tiempo (h)
Temperatura (°C)
o Tratamiento 4: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en aceite a
55 °C � Revenido a 250 °C por 1 h.
Grafica 4. Tratamiento térmico # 4
Tratamiento termico 4
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Tiempo (h)
Temperatura (°C)
30
Tabla 10, Cantidad de muestras por tratamiento térmico P iez as por tratamiento
2 mues tra para metalog rafia
2 probetas c harpy
2 probetas tension
Es por medio de estos tratamientos que se puede extrapolar el comportamiento del
material bajo un proceso de soldadura, que es la manera como se construyen y reparan
actualmente las embarcaciones y ahí radica la importancia de entender el comportamiento
del material bajo este tipo de procesos de calentamiento y enfriamiento, para así poder
tomar decisiones de diseño y/o mantenimiento de las embarcaciones.
31
2. Resultados
2.1 Resultados del material sin tratamiento térmico
2.1.1 Análisis Químico
El análisis de composición química se realizó sobre dos muestras, específicamente
sobre la placa # 2 y la placa # 3 para así cubrir los dos periodos de tiempo, estas pruebas
fueron realizadas en los laboratorios de la empresa FUNDICOM (Fundiciones y
componentes automotores S.A.), los resultados se presentan a continuación:
Tabla 11. Resultados del ensayo de composición química
% C % Si % Mn % P % S % Cr % Mo % Ni % Cu % Sn % Ti
2 0,18 0,22 0,67 0,014 0,012 <0,001 0,011 0,055 0,01 0,004 0,037
3 0,17 0,22 0,67 0,012 0,019 0,007 0,01 0,085 0,034 0,004 0,01
% en masaPlaca #
Con los anteriores resultados podemos observar que las composiciones del material
están dentro de los rangos exigidos por la norma ASTM A 131 – A131M.
2.1.2 Ensayo de tensión
Las probetas fueron manufacturadas siguiendo la norma ASTM E 008-04 (ver anexo
3) provenientes de las placas # 2 y # 3 y se efectuaron las pruebas en las instalaciones de
los laboratorios del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, a
continuación se presentan los resultados de las pruebas realizadas:
32
Tabla 12. Resultados del Ensayo de tensión para el material sin TT
# probeta
Esfuerzo de
tension
(Mpa)
Esfuerzo de
cedencia
(Mpa)
Modulo de
elasticidad
(GPa)
Elongacion
(%)
1 436,414 269,911 203,64 36,24%
2 447,379 277,353 296,19 39,48%
3 439,461 309,839 206,79 34,08%
4 445,841 325,82 364,8 34,66%
Media 442,27 295,73 267,86 36,12%
Des. Estan. 5,20 26,51 77,58 2,42%
Grafica 5. Curva Esfuerzo-Deformación del ensayo de tensión del material sin TT.
Grafico esfuerzo vs. Deformación
Material sin TT
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 0,05 0,1 0,15 0 ,2 0,25 0,3 0 ,35 0 ,4 0,45 0,5 0 ,55 0 ,6 0,65
Deformacion (mm/mm)
Esfuerzo (MPa)
Probeta 3
Probeta 4
Probeta 1
Probeta 2
33
Figura 8. Montaje Ensayo de tensión 2.1.3 Ensayo de impacto tipo Charpy
El ensayo de impacto tipo Charpy se realizó sobre muestras de las placas #1 y #3 sin
tratamiento térmico. Las probetas fueron manufacturadas según la norma ASTM E 0023-07
A (Anexo 4). El ensayo fue realizado en las instalaciones de la Universidad Nacional de
Colombia – sede Bogotá.
Figura 9. Montaje para ensayo de impacto tipo Charpy
34
Figura 10. Probetas tipo Charpy de material sin TT después del ensayo
Tabla 13. Resultados para ensayo de impacto en material sin tratamiento térmico Placa # Muestra Energia (Kg*m) Energia ( J)
1 1 16,6 162,79
1 2 16 156,91
3 1 16,6 162,79
3 2 8,2 80,42
2.1.4 Mediciones de dureza
Las mediciones de dureza se realizaron sobre muestras de las placas #2 y # 3 en la
escala Rockwell B (HRB), los siguientes son los resultados obtenidos:
Tabla 14. Resultados mediciones de dureza sobre material sin TT Placa # Media Des. Estansar
2 82,2 73,8 72 66,4 73,6 6,54
3 82,2 76,4 73,5 78,1 77,55 3,64
HRB (100 Kgf.)
35
2.1.5 Mediciones de Micro-dureza
Las mediciones de micro dureza se realizaron en la escala Vickers (HV) sobre las
muestras metalográficas de las placas #2 y #3,
Tabla 15. Resultados mediciones de microdurezas sobre material sin TT Placa # Media des. estandar
2 126 119 118 120 123 121,2 3,27
3 121 118 117 122 119 119,4 2,07
HV carga 5 Kg.
Figura 11. Medición de micro-dureza sobre muestra de la placa # 2
2.1.6 Estudio metalográfico
Para la realización del análisis metalográfico del material sin tratamiento térmico se
tomaron muestras de las placas #2 y # 3, donde se diferenciaron los sentidos longitudinales
y transversales de la placa, una vez embebidas las muestras y realizado el respectivo
proceso de pulido se atacaron las muestras con Nital al 1 % para poder observar así las
micrografías en un microscopio óptico.
36
El la figura 11 a 19 podemos ver las micrografías del material de la placa #2 sin tratamiento
térmico en el sentido longitudinal y transversal respectivamente, como era de esperarse
para un acero estructural de bajo carbono se observa una matriz ferrítica con presencia de
perlita.
Figura 12. Micrografia placa # 2 Micrografi a del material a 100 X en la dirección transversal donde se apreci a un tamaño de grano fino a lo largo de una microestructura uni forme
Figura 13. Micrografia placa # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal del material donde se observa un tamaño de grano constante a lo largo de la microestructura.
Figura 14. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan gran cantidad de inclusiones.
Figura 15. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa una predominante matriz ferrítica.
Ferrita
Inclusiones
Perlita
37
En las figuras 16 a 19 se pueden apreciar las micrografías en la dirección longitudinal del
material sin tratamiento térmico donde se tiene nuevamente una matriz de ferrita con
presencia de perlita.
Figura 16. Micrografía placa # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se aprecia de manera general la microestructura present e en el material
Figura 17. Micrografía placa # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal del material
Figura 18. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa una matriz ferri fica con presenci a de perlita.
Figura 19. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se pueden ver algunas inclusiones dentro de la microestructura del materi al.
Ferrita
Perlita Inclusiones
38
En las figuras 20 y 26 se observan las micrografías del material de la placa #3 sin
tratamiento térmico, en estas se aprecia un matriz de ferrita con presencia de perlita,
característico para este tipo de acero estructural.
Figura 20. Micrografía placa # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal, donde se observa un tamaño de grano mayor en comparación a la placa # 2
Figura 21. Micrografía placa # 3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa una matriz ferrítica.
Figura 22. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan inclusiones de mayor tamaño
Figura 23. Micrografía placa # 3 Micrografía del material a 1000 X en la dirección transversal
Inclusiones
39
Las figuras 24 a 27 muestran micrografías en el sentido longitudinal del material sin
tratamiento térmico donde se aprecia un matriz ferrítica con algunas inclusiones en la
microestructura.
Figura 24. Micrografía placa # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa una microestructura orientada
Figura 25. Micrografía placa # 3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal
Figura 26. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal
Figura 27. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se aprecian algunas inclusiones.
Inclusiones
40
2.2 Resultados de material con tratamiento térmico
2.2.1 Ensayo de tensión
Una vez realizados los tratamientos térmicos se procedió a iniciar los ensayos de
tensión para cada una de las muestras, diferenciando entre estas el tipo de tratamiento al
que fueron sometidas, a continuación se presentan los resultados y Curvas esfuerzo
deformación:
Tabla 16. Resultados del ensayo de tensión para las muestras con tratamiento térmico
Numero de
placa
Tipo de
tratamiento
Esfuerzo de
tension
(MPa)
Esfuerzo de
cedencia
(MPa)
Modulo de
elasticidad
(GPa)
Elongacion
(%)
1 898,505 528,153 163,33 8,07
2 627,419 394,017 201,66 15,95
3 481,602 294,963 192,36 28,74
4 458,79 299,487 228,71 35,23
1 810,139 457,994 195,27 12,20%
2 699,634 419,715 207,53 14,76%
3 470,102 289,808 206,67 40,94%
4 467,304 272,351 207,2 37,40%
Placa # 2
Placa # 3
Figura 28. Montaje prueba de tensión con extensometro en su lugar
41
Grafica 6. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 1
Curva Esfuerzo vs. Deformacion para las muestras del tratamiento # 1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18
Defromacion (mm/mm)
Esfuerzo (MPa)
Placa # 2
Placa # 3
Grafica 7. Curva esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 2
Curva Esfuerzo vs. Deformacion para las muestras del tratamiento # 2
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Defromacion (mm/mm)
Esfuerzo (MPa)
Placa # 2
Placa # 3
42
Grafica 8. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 3.
Curva Esfuerzo vs. Deformacion para las muestras del tratamiento # 3
0
100
200
300
400
500
600
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Def romacion (mm/mm)
Esfuerzo (MPa)
Placa # 2
Placa # 3
Grafica 9. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 4
Curva Esfuerzo vs. Deformacion para las muestras del tratamiento # 3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Def romacion (mm/mm)
Esfuerzo (MPa)
Placa # 2
Placa # 3
43
2.2.2 Ensayo de impacto tipo Charpy
Una vez realizados los diferentes tratamientos térmicos sobre las probetas se procedió
a realizar los ensayos de impacto.
Tabla 17. Resultados para ensayos de impacto tipo Charpy en material con TT
Placa # Tratamieto termico Energia (Kg*m) Energia ( J)
1 1 1,65 16,18
1 2 8,7 85,32
1 3 6,5 63,74
1 4 23,35 228,99
3 1 1,3 12,75
3 2 4,8 47,07
3 3 25,1 246,15
3 4 26 254,98
Como se puede observar en los resultados, las piezas que fueron sometidas
únicamente al proceso de temple sin importar el medio presentan un comportamiento más
frágil (tratamiento # 1) que aquellas que se sometieron al proceso de revenido una vez
finalizado el temple, de ahí la importancia de este ultimo tratamiento.
Figura 29. Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #1)
Tratamiento térmico #1
Tratamiento térmico #4
Tratamiento térmico #3
Tratamiento térmico #2
44
Figura 30.Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #3)
Como se aprecia en las fotografías, las fracturas en las probetas del tratamiento # 1
son fracturas totalmente frágiles, mientras que las fracturas presentes en las probetas con
revenido o temple en aceite, que era un medio mucho menos severo que la salmuera,
tienden a presentar fracturas más dúctiles.
2.2.3 Mediciones de dureza
Para las pruebas de dureza se siguieron los mismos procedimientos utilizados para las
pruebas de dureza del material sin tratamiento térmico, aunque en algunas muestras fue
necesario utilizar la escala de dureza Rockwell C (HRC) ya que el material adquirió una
mayor dureza la cual no es posible reportar en la escala Rockwell B (HRB), se puede
observar que en las muestras sometidas al tratamiento # 1 presentan un aumento en la
dureza, mientras que las sometidas al tratamiento # 3 presentan una disminución en su
Tratamiento térmico #1
Tratamiento térmico #2
Tratamiento térmico #3
Tratamiento térmico #4
45
dureza, este tipo de comportamiento será analizado mas adelante. A continuación se
presentan los resultados obtenidos de dureza:
Tabla 18. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell C) Placa # T T Media Des. Estandar
2 1 27,5 20,6 27,4 18,9 21,9 23,26 3,97
2 2 8,08 13,5 5,26 11,7 7,14 9,136 3,38
3 1 9,73 9,45 5,73 12,2 11,8 9,782 2,57
HRC ( 150 Kgf.)
Tabla 19. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell B)
Placa # T T Media Des. Estandar
2 3 72,5 76,6 75,3 78,9 74,9 75,64 2,35
2 4 75 74,3 72,7 66,3 70,4 71,74 3,52
3 2 80,4 80,9 77 77,1 78,2 78,72 1,83
3 3 71,2 72,1 71,6 68,7 76,8 72,08 2,95
3 4 68,4 68,4 69,2 68,6 68,2 68,56 0,38
HRB (100 Kgf.)
Figura 31. Durometro Wilson Rockwell serie 600 utilizado en las mediciones
46
Podemos observar que los valores de dureza obtenidos del tratamiento # 1, temple en
salmuera, son mucho más elevados que los obtenidos en los otros tratamientos, además se
aprecia como el tratamiento de revenido aunque genera un material mas tenaz disminuye
los valores de las durezas. Estos valores de dureza están muy relacionados a los valores y
tipos de fractura obtenidos en el ensayo de impacto, esta correlación será analizada mas
adelante en las conclusiones.
2.2.4 Mediciones de Micro-dureza
Una vez realizados los tratamientos térmicos sobre las muestras se procedió a medir
las micro-durezas de estas, obteniéndose los siguientes valores:
Tabla 20. Resultados de mediciones de micro-dureza según tratamiento térmico (escala vickers)
Placa # T T
Comparacion
Dureza Media des. estandar
2 1 246 251 254 250 248 24 HRC 249,8 3,03
2 2 216 221 214 220 218 97 HRB 217,8 2,86
2 3 151 136 137 140 146 77 HRB 142,0 6,36
2 4 126 128 130 125 129 70 HRB 127,6 2,07
3 1 204 214 223 220 219 97 HRB 216,0 7,45
3 2 203 203 219 210 205 95 HRB 208,0 6,78
3 3 150 150 135 149 140 78 HRB 144,8 6,91
3 4 129 127 126 130 129 70 HRB 128,2 1,64
Mediciones de microdureza (vickers)
47
Figura 32. Durometro Rothenow utilizado para la medición de micro-durezas
Figura 33, Medición de micro-dureza sobre una de las muestras. 2.2.5 Estudio metalográfico
Para el estudio metalográfico del material después de los tratamientos térmicos
explicados anteriormente se sigue el mismo procedimiento utilizado en las muestras sin
tratamiento térmico, una vez listas las muestras se procedió a realizar el pulido de las
mismas y el ataque químico con nital al 1 %, nuevamente se tomaron micrografías en el
sentido transversal y longitudinal de la placa.
48
o Tratamiento térmico # 1
En las figuras 34 a 41 puede observarse, que debido al temple en salmuera se produjo
una notable disminución del tamaño de grano y una alta presencia de perlita fina (zonas
oscuras) distribuida uniformemente, lo cual explica las mediciones de dureza y micro-
dureza mas altas que en el material sin tratamiento térmico.
Figura 34. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal
Figura 35. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se aprecia un tamaño de grano fino.
Figura 36. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se aprecia una alta presencia de perlita.
Figura 37. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa la matriz ferrítica del material.
Perlita
Ferrita
49
Las figuras 38 a 41 son las micrografías del material en el sentido longitudinal
sometido al tratamiento #1 (temple en salmuera) donde se aprecia la notable disminución
del tamaño de grano.
Figura 38. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal
Figura 39. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección longitudinal donde se observa con claridad una disminución del tamaño de grano como consecuencia del temple en salmuera.
Figura 40. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal
Figura 41. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observa la alta concentración de perlita en una matriz ferrítica
Perlita
Ferrita
50
En las figuras 42 a 49 podemos ver las micrografías del material de la placa # 3
sometido al temple en salmuera, se aprecia una disminución del tamaño de grano y la
presencia de perlita fina, esto como consecuencia del rápido enfriamiento en la salmuera, lo
que genera las mediciones de dureza mas altas y un material mas frágil como se ve en los
resultados de los ensayos de impacto y tensión.
Figura 42. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa una microestructura con una orientación definida.
Figura 43. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección transversal
Figura 44. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la presenci a perlita
Figura 45. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se aprecian los granos de ferrita.
Perlita
Ferrita
51
En las figuras 46 a 49 podemos observar las micrografías del material en la dirección
longitudinal sometido al tratamiento térmico # 1, temple en salmuera, se aprecia una matriz
ferrítica con perlita muy fina.
Figura 46. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a del materi al a 100X en la dirección longitudinal
Figura 47. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa aunque un tamaño de grano pequeño menos uniforme
Figura 48. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa la presencia de perlita fina en una matriz ferrítica
Figura 49. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se aprecian algunas inclusiones.
Ferrita
Perlita
Inclusiones
52
o Tratamiento térmico # 2
En las figuras 50 a 57 se presentan las micrografías del material sometido al proceso
de temple en salmuera y revenido, este ultimo genera un leve crecimiento de grano, además
se observan colonias de perlita revenida en la forma de rosetas.
Figura 50. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal
Figura 51. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal
Figura 52. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la matriz ferrítica del material.
Figura 53. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se apreci an las colonias de perlita revenida.
Perlita Revenida Ferrita
53
En las figuras 54 a 57 se muestran las micrografías del material sometido al
tratamiento #2 (temple en salmuera y revenido) en el sentido longitudinal, donde se aprecia
una leve crecimiento de grano y la presencia de perlita revenida en una matriz ferrítica.
Figura 54. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa que aun después del revendo se mantiene un tamaño de grano pequeño.
Figura 55. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección longitudinal
Figura 56. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal
Figura 57. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal
54
En las figuras 58 a 65 se aprecian los efectos del proceso de revenido donde a
diferencia del proceso de temple se genera un material con granos ligeramente mas grandes,
esto produce una disminución en la dureza del material y aumenta de manera considerable
su ductilidad.
Figura 58. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa una microestructura orientada.
Figura 59. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal.
Figura 60. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan colonias de perlita revenida.
Figura 61. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal.
Perlita Revenida
55
Las figuras 62 a 65 muestran las micrografías del material en el sentido longitudinal,
donde se aprecia una microestructura orientada y la presencia de perlita en una matriz
ferrítica, además en la figura 65 se observa una fina dispersión de perlita en la matriz.
Figura 62. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal
Figura 63. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa una estructura con cierto grado de orientación
Figura 64. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa un tamaño de grano uniforme.
Figura 65. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observa una fina dispersión de perlita en la matriz de ferrita.
Perlita
56
o Tratamiento térmico # 3
En las figuras 66 a 73 se aprecia como el temple en aceite (50 °C) reduce el tamaño
de grano y genera una gran presencia de perlita fina en colonias no uniformes, lo que se
traduce en un material más duro y frágil, que según su aplicación puede tener ciertas
ventajas sobre el material sin tratamiento térmico.
Figura 66. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografia del material a 100X en la dirección transversal
Figura 67. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografia en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa la reducción del tamaño de grano como consecuencia del temple en aceite.
Figura 68. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografía del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la presencia de perlita en una matriz ferrítica
Figura 69. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografía del material a 1000 X en la dirección transversal
Perlita
57
Las figuras 70 a 73 son las micrografías del material sometido al tratamiento
térmico # 3 (temple en aceite) en la dirección longitudinal, en estas se observa una
disminución del tamaño de grano como consecuencia del enfriamiento, como también la
presencia de una perlita fina.
Figura 70. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal
Figura 71. Micrografía placa # 2 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa un tamaño de grano pequeño y constante a lo largo de la microestructura.
Figura 72. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal
Figura 73. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan algunas inclusiones en el material.
Inclusiones
58
En las figuras 74 a 81 se pueden observar los efectos del temple en aceite, siendo
este un medio de temple menos drástico que la salmuera, genera un material que presenta
un relativo grado de dureza, sin perder de manera significativa su ductilidad, elemento muy
importante para los aceros estructurales. En las figuras se puede apreciar una matriz
ferrítica con presencia de perlita fina, estas dos fases están distribuidas uniformemente.
Figura 74. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal
Figura 75. Micrografía placa # 3 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa una estructura orientada.
Figura 76. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal
Figura 77. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa la presencia de perlita en una matriz ferrítica
Perlita
Ferrita
59
En las figuras 78 a 81 se aprecian las micrografías en el sentido longitudinal de las
muestras sometidas al tratamiento térmico # 3 (temple en aceite), en estas se observa un
tamaño de grano fino y una microestructura orientada.
Figura 78. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa que la microestructura posee una orientación especi fica.
Figura 79. Micrografía placa # 3 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal
Figura 80. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del materi al a 500 X en la dirección longitudinal
Figura 81. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del materi al a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan una gran cantidad de pequeñas inclusiones en el material.
Inclusiones
60
o Tratamiento térmico # 4
Las figuras 82 a 89 presentan los resultados de un temple en aceite y su posterior
proceso de revenido, generando un material con un menor grado de dureza y una mayor
ductilidad, esto debido a una mayor presencia de ferrita en el material.
Figura 82. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa un tamaño de grano pequeño y una estructura uni forme.
Figura 83. Micrografía placa # 2 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal
Figura 84. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal
Figura 85. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal.
61
Las figuras 86 a 89 presentan las micrografías en el sentido longitudinal del material
que fue sometido al tratamiento térmico # 4 (temple en aceite y revenido), en estas se
aprecia un crecimiento de grano y la presencia de ferrita acicular con colonias de perlita
revenida.
Figura 86. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal
Figura 87. Micrografía placa # 2 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa una estructura uniforme.
Figura 88. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se puede observar la presencia de perlita en una matriz ferrítica
Figura 89. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se pueden observar ciert as inclusiones en el material
Ferrita
Perlita
Inclusiones
62
En la figuras 90 a 97 se presentan las micrografías del material proveniente de la
placa # 3 sometido a un tratamiento térmico de temple en aceite y posterior revenido, como
consecuencia de esto se aprecia una estructura orientada y la presencia de perlita revenida
en una matriz ferrítica.
Figura 90. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal
Figura 91. Micrografía placa # 3 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal con una microestructura orient ada
Figura 92. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal
Figura 93. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se aprecia la presencia de perlita revenida.
Perlita
63
Las figuras 94 a 97 muestran las micrografías del material en el sentido longitudinal
después de ser sometido a un proceso de temple en aceite y posterior revenido, en estas se
aprecia una presencia de perlita revenida y un tamaño de grano mayor como consecuencia
del proceso de revenido.
Figura 94. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografia del material a 100X en la dirección longitudinal
Figura 95. Micrografía placa # 3 ; TT #4 Micrografia en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal
Figura 96. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografía del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se puede observar una mayor presencia de ferrita debido al revenido.
Figura 97. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografía del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan ciertas formaciones de perlita.
Ferrita Perlita
64
3. Discusiones
Teniendo en cuenta los ensayos y resultados a lo largo del proyecto se observa como
el acero ASTM A – 131 tiene el comportamiento esperado de un acero estructural, al
analizar los resultados del material sin tratamiento térmico se aprecia como el material
cumple con las exigencias de la norma, como son: composición química, modulo de
elasticidad, porcentaje de elongación en el ensayo de tensión y energía disipada en la
prueba de impacto tipo Charpy. También es importante resaltar los distintos
comportamientos entre placas posiblemente debido a las condiciones que el material más
antiguo ha debido soportar, generando así cambios en su estructura y propiedades.
Como complemento a la información contenida en la norma se realizó un estudio
metalográfico del material sin tratamiento térmico, en estas se aprecia que el material posee
una microestructura propia de un acero estructural, esto es presencia de perlita en una
matriz ferrítica, además de algunas inclusiones que podrían llegar a generar cierta
debilidad en el comportamiento del material. Como se observo este tipo de microestructura
en el material da como resultado mediciones de durezas y micro-durezas no muy elevadas
acompañadas de un comportamiento dúctil en el material como se observa en las pruebas
de tensión e impacto realizadas.
Una vez realizados los ensayos sobre le material sin tratamiento térmico se realizaron
diferentes tratamientos sobre las muestras del material, estos son: 1) Temple en Salmuera, 2)
Temple en salmuera y posterior revenido, 3) Temple en aceite, 4) Temple en aceite y
65
posterior revenido. Para luego realizar los mismos ensayos que se realizaron sobre el
material sin tratamiento térmico.
Como era de esperarse los procesos enfriamientos rápidos (temple en salmuera o
aceite) producen un material mas duro y frágil, mientras los procesos de temple
acompañados de un posterior revenido generan un material que aunque puede presentar
valores de dureza mayores a los originales conserva en gran medida su comportamiento
dúctil, resistencia a la tensión e impacto que son características muy importantes para este
tipo de material.
Se aprecia, especialmente en los resultados de los ensayos de tensión e impacto, que
en los tratamientos de temple, sin importar el medio, se genera un material mas duro y en
consecuencia mas frágil, lo que puede ser beneficioso según la aplicación en la que se
utilice el material, sin embargo como este material se utiliza principalmente en aplicaciones
estructurales este tipo de características pueden ser poco deseables, aunque se puede dar la
aplicación donde este tipo de características sean las optimas. Cabe aclarar que debido a la
cantidad de carbono presente en el material (0.21 %, máx.) este no tiende a ser un acero
templable, es por esto que aunque se realicen procesos de enfriamiento rápido (ej. Salmuera)
este no modifica de manera drástica su estructura, como por ejemplo generar estructuras
martensíticas o bainíticas, sino que tiende a reducir su tamaño de grano y aumentar la
presencia de perlita sobre la matriz de ferrita. Es por esto que es importante generar
enfriamientos controlados después de los procesos de soldadura, pues debido a estos el
material puede cambiar sus propiedades y características alejándose de las originales.
66
Este tipo de comportamiento se hace evidente en los ensayos de tensión realizados a
las muestras con tratamientos térmicos, especialmente aquellas sometidas a procesos de
temple, pues los valores del modulo de elasticidad y el porcentaje de elongación son
notablemente menores lo que llevaría a un comportamiento totalmente distintos del
material. En los procesos de temple con revenido se observa también una disminución en
estos valores, sin embargo no es tan drástica como en los procesos de temple únicamente.
67
4. Conclusiones
o El material cumple con las exigencias de la norma ASTM A131/ A131M en cuanto
a los resultados de los ensayos de composición química, tensión e impacto.
o El estudio metalográfico realizado como complemento a la norma muestra una
estructura con presencia de perlita en una matriz ferrítica con algunas inclusiones
sobre el material.
o Como se puede observar en los resultados de los ensayos de tensión e impacto sobre
el material con tratamiento térmico; los enfriamientos severos en el material
generan un comportamiento frágil en el mismo esto puede generar problemas en sus
aplicaciones estructurales.
68
Referencias
• American Society for Testing and Materials; Annual book of ASTM standards ;
Philadelphia : ASTM
– Norma A131/A131 M Standard Specification for Structural Steel for Ships ,
Versiones 1994 y 2004
– Norma E 8 – 04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials
– Norma E 23 – 07ª Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing
of Metallic Materials
• Avner, Sidney H.; Introducción a la metalurgia física; 2a. ed. México, McGraw-
Hill, 1974
• Ross, Robert B.; Metallic Materials Specification Handbook; London E&FN Spom
Ltd.
• Harry Chandler, Editor; Heat treater’s Guide; 2ª Ed. ; ASM International
• G. T. Vander Voort, Editor; Atlas of time-temperature diagrams for irons and steels;
3ª. Ed.; ASM international 2004.
• Totten, George E.; Steel heat treatment handbook; 2ª Ed.; Boca Raton, FL: Taylor
& Francis, 2006.
• Base de datos electrónica : www.sciencedirect.com
• Samuels E. Leonard; Light Microscopy of carbon Steels; 2ª Ed; ASM International.
• Muckle, William ; Stength of ship’s structures ; Edward Arnold ltd. ; London ; 1967
69
Anexo 1. Norma ASTM A - 131 / A – 131M (1994)
70
Anexo 2. Norma ASTM A – 131 / A – 131M (2004)
71
Anexo 3. Reporte ensayo de composición química.
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