avances en tratamientos termicos

Introduccin a los Aceros

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INTRODUCCIN A LOS ACEROSIng. Javier Mendoza del Solar & Ing. Miguel Carrin Castilla

Aceros Bohler del Per [email protected] [email protected]

En este documento definiremos en primer lugar lo quees un acero y tratamiento trmico, luego detallaremoslos procesos de fabricacin de aceros especiales in-cluyendo procedimientos contemporneos de alta tec-nologa, posterior mente se explicara la influencia delos elementos aleantes en el comportamiento mecni-co y fsico de los aceros y finalmente se expondrnlas principales normas internacionales en la especifi-cacin del acero por su composicin.

1. DEFINICIONES GENERALES

El acero es sin duda el material de ingeniera msutilizado por la humanidad. El nombre de aceroengloba un basto grupo de materiales que en muchoscasos tienen aplicaciones especficas y en general tie-nen en el tratamiento trmico una etapa imprescindi-ble para su utilizacin.Se denomina acero, a la aleacin de Hierro (Fe) yCarbono (C). A esta aleacin bsica, se suele adicio-nar otros elementos que confieren al acero propieda-des especiales.De la misma forma, por "Tratamiento trmico" se en-tiende una gran variedad de opciones, cada cual consu aplicacin especfica, en funcin de las propieda-des finales deseadas.

2. FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALES

Las etapas generales del proceso son:

Metalurgia primaria:l Fundicin en hornos elctricos.l Desgasificacin en vaco.l Desgasificacin por arco bajo vaco (VAD).l Descarburacin con O2 bajo vaco (VOD).

Metalurgia secundaria:l BEST (Bhler Electro Slag Topping)l ESR (Electro Slag Remelting)l VAR (Vacuum Arc Furnace)l Forja al ncleo prensas especiales, prensa de 4000TN, conformacin especial de los martillos de forjado.

Aceros pulvimetalurgicos:l Fundicin.

l Produccin de polvo.l Espolvoreado al vaco.l Encapsulado.l Proceso HIP (Compactacin Isosttica en

Caliente).

Figura 1: Flujo de materiales en la fabricacin deaceros finos.

3. INFLUENCIA DE ELEMENTOS ALEANTES

Los constituyentes de aleacin son generalmente dis-tribuidos en carburos, austenta y ferrita formando di-ferentes elementos. Es adems importante conside-rar el propsito de su adicin en el acero.Segn su contenido cada elemento aleante otorgapropiedades especficas al acero. Cuando varios ele-mentos estn presentes, el efecto puede ser mayor,un hecho que es muy utilizado en la tecnologa dealeacin moderna. Hay sin embargo, composiciones

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6

Tabla 1: Efecto de los elementos de aleacin en las propiedades del acero

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V arias flech as = E fec to severo

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de aleacin para las cuales los elementos individua-les no ejercen su influencia con respecto a una ciertapropiedad en la misma direccin, sino se contrarres-tan el uno al otro.La sola presencia de los elementos aleantes creanlos requisitos previos para las propiedades deseadas,pero son las operaciones de procesamiento y trata-miento trmico los que permiten lograrlos. Los princi-pales efectos de los elementos de aleacin se pue-den observar de manera cualitativa en la Tabla 1.

4. CLASIFICACIN DE ACEROS EN FUNCIN DESU COMPOSICIN QUMICA

Existen innumerables tipos de aceros, pero en gene-ral se pueden clasificar en:

Aceros al carbonoSon aceros que slo tienen carbono y no poseen otroselementos de aleacin (en proporciones significativas).l Aceros de bajo carbono (%C < 0,25)l Aceros de medio carbono (0.25 < % < C 0,55)l Aceros de alto carbono (2 >% C > 0,55)

Aceros aleadosSon aceros que poseen adems del carbono, otroselementos de aleacin.l Aceros de baja aleacin

(elementos aleantes < 5%).l Aceros de alta aleacin

(elementos aleantes > 5%).

4.1 Normas internacionales

A continuacin presentaremos las principales normasnorte americanas (AISI, SAE, UNS) y europeas (DIN,Numero estndar).

4.1.1 Normas americanas

Norma AISI (American Iron and Steel Institute - EE.UU.)y SAE (Society of Automotive Engineers - EE.UU.)Especificaciones realizadas con 4 nmeros. Ademsde los nmeros las especificaciones AISI pueden in-cluir un prefijo literal para indicar el proceso de manu-factura. Las especificaciones SAE emplean las mis-mas designaciones numricas que las AISI, pero eli-minando todos los prefijos literales.

XX : %C x 100Y : En el caso de aceros de aleacin simple, indi-

ca el porcentaje aproximado del elemento pre-dominante de aleacin.

Z : Tipo de acero (o aleacin).

Si Z es igual a:

1 : Aceros al Carbono (corriente u ordinario).2 : Aceros al Nquel3 : Aceros al Nquel-Cromo4 : Aceros al Molibdeno, Cr-Mo , Ni-Mo, Ni-Cr-Mo5 : Aceros al Cromo6 : Aceros al Cromo-Vanadio7 : Aceros Al Tungsteno-Cromo8 : Aceros al Ni-Cr-Mo etc.

Definicin de letras adicionales:

E . . . . Fusin en horno elctrico bsico.. . . . H Grados de acero con templabilidad garanti-

zada.C . . . . Fusin en horno por arco elctrico bsico.X . . . . Desviacin del anlisis de norma.TS . . . Norma tentativa.. . B . . Grados de acero con un probable contenido

mayor de 0.0005% boro.. . . LC Grados de acero con extra-bajo carbono

(0.03% max.).. . . F Grados de acero automtico.

Ejemplos:

1 : Acero corriente u ordinarioAISI 1020 0 : No aleado

20 : 0,20 %C

AISI C 1020 C : Letra que indica que el pro-ceso de fabricacin fueSIEMENS-MARTIN-bsico.

Puede ser: B : Bessemer - cidoE : Horno Elctrico - bsico

1 : Acero corriente u ordinarioAISI 1045 0 : No aleado

45 : 0,45 %C

3 : Acero al Nquel-CromoAISI 3215 2 : 1,6 %Ni, 1,5 %Cr

15 : 0,15 %C

4 : Acero aleado (Cr-Mo)AISI 4140 1 : 1,1 %Cr0,2 %Mo

40 : 0,40 %C

Generalmente la composicin de los aceros noes exacta, existe un rango de tolerancia aceptableen referencia a los valores indicados en normas ocatlogos.

AISI ZYXX

Avances en tratamientos trmicos

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Tolerancias en la composicin del acero AISI 4140:

C : 0,38-0,43 %Mn : 0,75-1,00 %Cr : 0,80-1,10 %Mo : 0,15-0,25 %Si : 0,15-0,35 %P : 0,035 %S : 0,040 %

La norma AISI, especifica a los aceros inoxidables uti-lizando 3 nmeros:

Inoxidables martensticos:l 4XX : Base Cr. Medio-alto carbono.l 5XX : Base Cr, Mo. Bajo carbono.

Ejemplos : 410, 416, 431, 440, 501, 502, 503, 504.Inoxidables ferrticos:l 4XX : Base Cr. Bajo carbono.

Ejemplos : 430, 442, 446.Inoxidables austenticos:l 3XX : Base Cr, Ni. Bajo carbono.l 2XX : Base Cr, Ni, Mn. Bajo carbono.

Ejemplos : 302, 304, 316, 303, 202.Para los aceros para herramientas, la norma AISI aformulado cdigos especficos:

UNS (sistema de numeracin unificado)Axxxxx aluminio y aleaciones de aluminioCxxxxx cobre y aleaciones de cobreExxxxx tierras raras y metales similares y aleacionesFxxxxx hierro fundidoGxxxx aceros aleados y al carbono AISI y SAEHxxxx aceros con templabilidad garantizada AISI Y SAEJxxxxx aceros fundidos (excepto aceros para herra-

mientas)Kxxxxx diversos aceros y aleaciones base hierroLxxxxx metales y aleaciones de bajo punto de fusinMxxxxx varios metales y aleaciones no ferrosasNxxxxx nquel y aleaciones de nquelPxxxxx metales preciosos y aleacionesRxxxxx metales y aleaciones reactivas y refractariasSxxxxx aceros resistentes a la corrosin y temperatura

(incluyendo inoxidables), aceros para vlvulasy super aleaciones base hierro

Txxxxx acero para herramientas, forjado y fundidoWxxxx metal de aportacin de soldaduraZxxxxx Zinc y aleaciones de Zinc

4.1.2 Designacin sistemtica del grado de acerode acuerdo con UNS (Unified Numbering System)Estructura de numeracin en aceros:

Grupo de Material

Nmeros de identificacin

Y

Grupo Smbolo

Alta velocidad T

Base Tugsteno (%W: 11,75-19,0).

(rpidos) M Base Molibdeno (%Mo: 3,25-10,0). Trabajo en caliente H

Base Cr, W, Mo.

Trabajo en fro A

Media aleacin, temple al aire.

D Alto Cr, Alto C. (%Cr: 11,5-13,5). O Templables al aceite. Resistencia al Impacto S

Medio carbono, al Si.

Propsitos especficos L

Baja aleacin, medio-alto carbono.

F Alto carbono, al W. Moldes P Baja aleacin, bajo carbono. Templables en agua W

Alto carbono.

UNS SAE Tipos de acero

G10XX0 G11XX0 G12XX0 G15XX0

10XX 11XX 12XX 15XX

Aceros de carbono Aceros no aleados (Mn 1.0% max.) Aceros automticos (aleado al S) Aceros automticos (aleado al S y P) Aceros no aleados (Mn 1.0 - 1.65%)

G13XX0 G23XX0 G25XX0 G31XX0 G32XX0 G33XX0 G34XX0 G40XX0 G41XX0 G43XX0 G44XX0 G46XX0 G47XX0 G48XX0 G50XX0 G51XX0 G50XX6 G51XX6 G52XX6 G61XX0 G71XX0 G72XX0 G81XX0 G86XX0 G87XX0 G88XX0 G92XX0 G93XX0 G94XX0 G97XX0 G98XX0

13XX 23XX 25XX 31XX 32XX 33XX 34XX 40XX 41XX 43XX 44XX 46XX 47XX 48XX 50XX 51XX 50XXX 51XXX 52XXX 61XX 71XXX 72XX 81XX 86XX 87XX 88XX 92XX 93XX 94XX 97XX 98XX

Aceros aleados Acero Manganeso Acero Nquel Acero Nquel Acero Nquel-Cromo Acero Nquel-Cromo Acero Nquel - Cromo Acero Nquel - Cromo Acero Molibdeno Acero Molibdeno - Cromo Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Molibdeno Acero Nquel - Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Molibdeno Acero Cromo Acero Cromo Acero Cromo Acero Cromo Acero Cromo Acero Cromo-Vanadio Acero Tungsteno-Cromo Acero Tungsteno-Cromo Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero silicio-manganeso Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno Acero Nquel-Cromo-Molibdeno

XXXXX


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ACEROS DE BAJA ALEACION

(Elementos aleantes < 5%)

ACEROS DE ALTA ALEACION

(Elementos aleantes >5%)

q %C x 100 q Smbolos de los

elementos de aleacin1.

q % de los elementos de aleacin2.

Ejemplo: 80 W Cr V 8

Acero de baja aleacin con 0,80 %C y 2,00 %W 2.

q Letra inicial: X q %C x 100 q Smbolos de los

elementos de aleacin q % de los elementos de

aleacin3.

Ejemplo: X 10 Cr Ni 18 8

Acero de alta aleacin con 0,10 %C; 18 %Cr y 8 %Ni 3.

1 Los elementos de aleacin y sus correspondientes

porcentajes se ordenan de forma decreciente en funcin al valor real de dichos porcentajes.

2 Para hallar el porcentaje real de los elementos

aleantes, dividir entre: 4 para Co-Cr-Mn-Ni-Si-W 10 para Al-Be-B-Cu-Mo-Pb-Nb-Ta-Ti- V-Z 100 para Ce-N-P-S

3 Porcentaje real de los elementos aleantes (no son

afectados por ningn factor).

Aceros rpidos

1. Letra inicial: HS

2. Nmero en secuencia W, Mo, V, Co expresando el contenido de cada elemento aproximado a nmeros enteros.

Ejemplo: HS 6-5-2

BHLER S600: 0,9C 4,3Cr 5,0Mo 1,9V 6,4W

Aceros aleados

*) En la UNS el tipo de numero, el pasado dgito cambio 0 a 1.**) En la UNS el tipo de numero, el pasado dgito cambio 0 a 4.

4.2 Normas europeas

4.2.1 Norma DIN (Deutsche Industrie Normen -Alemania):Aceros ordinarios o comunes

4.3 Sistema de Numeracin para material acordecon EN 10027-2 (Numero estndar: WNr)Estructura de la numeracin de aceros

La estructura de la numeracin del acero es a seguir:

12

3

123

4

1. xx xx(xx) Nmero de secuenciaDgitos en el corchete sonpara posibles usos en el fu-turo. Ver nota 2.

Nmero de grupo de acero. Ver tabla 1.

Nmero de grupo de material1 = aceros. ver nota 1.

UNS SAE Tipos de acero

GXXXX1 GXXXX4

XXBXX XXLXX

Carbono y Aceros aleados B indica boro *) L indica plomo **)

S2XXXX

S3XXXX

S4XXXX

S5XXXX

302XX (AISI 2XX)

303XX (AISI 3XX)

514XX (AISI 4XX)

515XX (AISI 5XX)

Aceros inoxidables Acero Nquel-Cromo-Molibdeno

Acero Cromo-Nquel

Acero Cromo

Acero Cromo

EX - -

Aceros de prueba SAE acero de prueba

Aceros estructurales

Aceros apropiados para

trat. trmico

Aceros para

herramientas

Smbolo para el carbono: C. %C x 100

Abreviatura: St. Resistencia mnima a la traccin en kg/mm2

Ejemplo: St 42

Acero al carbono con valor mnimo de resistencia a la traccin de 42 kg/mm2.

Ejemplo: C 35

Acero al carbono de 0,35 %C

Smbolo de la calidad: W

Ejemplo: C 100 W2

Acero de herramientas de 1,0 %C, calidad 2.

Utilizados generalmente como aceros estructurales.

CK 35 A los aceros con bajo P y S se les aade la letra K: P


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Nota 1:En los nmeros del 2 al 9 podran ser ubicados otrosmateriales.

Nota 2:La presente numeracin secuencial comprende dosdgitos. Un incremento en el numero de dgitos esnecesario para equilibrar el incremento en el gradosde acero a ser considerados.La base para el sistema EN 10020, los aceros se cla-sifican de acuerdo a su composicin qumica en ace-ros no aleados y aleados y la principal categora decalidad basada en sus principales propiedades y apli-caciones.Numeracin de aceros EN 10027-2 estabiliza y admi-nistra en aplicacin de la Verein DeutscherEisenhttenleute "OFICINA EUROPEA DE REGIS-TROS DE ACEROS"

Dirigirse a la tabla 2 a continuacin para determinarlos tipos de aceros especficos segn esta normaEN10020.En la tabla 2 se especifica la siguiente informacin encada recuadro:

a) Nmero de grupo de acero, en la parte superiorizquierda;

b) Caractersticas principales del grupo de acero;c) Rm = Resistencia a la traccin.

Los valores especificados de composicin qumica yresistencia a la traccin (Rm) son solo de orientacin.

De otro lado, la clasificacin de los materiales de losgrupos 2 y 3 metales bases de acuerdo a los metalesbases es dada en la siguiente tabla.

Clasificacin de materiales que pertenecen alos grupos 2 y 3 de acuerdo a los

metales base no ferrosos

Los nmeros denotan la fusin de lo metales y losequipos de procesos(no ms usado en la practica) yla condicin. En la industria aero-espacial, los siguien-tes dgitos son usados para indicar la condicin:

0 cualquier tratamiento o sin tratamiento trmico.1 normalizado2 recocido3 tratado trmicamente para mejorar maquinabilidad

o esferoidizacion4 templado y revenido o endurecido por precipitacin

para bajas resistencias5 templado y revenido o endurecido por precipitacin6 templado y revenido o endurecido por precipitacin

para obtener alta resistencia a la traccin7 conformado en fro8 conformado en fro a revenido a resorte9 tratado de acuerdo a instrucciones particulares.

4.4 Designacin de aplicacin ASTM:

Dado el uso generalizado de esta norma norte ameri-cana, la comentamos brevemente a continuacin.El libro anual de las normas de ASTM para el aceroconsiste en 8 volmenes. Contiene clasificaciones denormas formalmente aprobadas de ASTM, las guas,las prcticas, las especificaciones, los mtodos deprueba y terminologa y material relacionado. Estostrminos se definen en las comits tcnicos de regu-laciones que gobiernan la ASTM.

Cubren:

l Tuberas, tubos y acoplamientos de acerol Planchas de acero estructural en generall Planchas de acero para caldera y recipientes a pre-

sinl Aceros estructurales para mquinasl Aceros para propsitos especiales.

Los datos siguientes se dan en cada una de lasnormas:

l Nmero y ao de normal Gradol Composicin qumical Caractersticas mecnicas (Lmite de fluencia, Re-

sistencia a la traccin, tenacidad).

Cuando se juzga til se describen y otros datos comoel acero, mtodo de fabricacin, espesor de plancha,tratamiento trmico, entre otros.

La norma ASTM no especifica composicin, mas biendetermina la aplicacin o mbito de empleo. Por tan-to, no existe una relacin directa con las normas decomposicin.

Rangos de numeracin2.0000 a 2.17992.1800 a 2.19992.2000 a 2.24992.5000 a 2.29992.3000 a 2.34992.3500 a 2.39992.4000 a 2.49992.5000 a 2.59992.6000 a 2.69992.7000 a 2.99993.0000 a 3.49993.5000 a 3.59993.6000 a 3.69993.7000 a 3.79993.8000 a 3.9999

Metales base no ferrososCobreReservadoZinc, cadmioReservadoPlomoEstaoNquel, cobaltoMetales noblesMetales de alta fusinReservadoAluminioMagnesioReservadoTitanioReservado


11

Tabl

a 2:

GRU

POS

DE A

CERO

SEG

N N

ORMA

EN 10

020


12

Ejemplo:

A36: Especificacin de aceros estructurales alcarbono.

A285: Especificacin de aceros al carbono de bajae intermedia resistencia para planchas de re-cipientes a presin.

A325: Especificacin para pernos estructuralesde acero con tratamiento trmico y una resis-tencia a la traccin mnima de 120/105 ksi.

A514: Especificacin para planchas aleadas deacero templadas y revenidas con alta resis-tencia a la traccin, adecuadas para soldar.

Grupos de aplicacin

La primera letra de la norma indica el grupo de aplicacin

AXX: Especificaciones para aceros y hierros.BXX: Especificaciones para no ferrosos.CXX: Especificaciones para concreto, estructuras

civiles.DXX: Especificaciones de qumicos: Aceites,

pinturas, etc.EXX: Especificaciones de mtodos de ensayos.Otros

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

1. BOHLER; SPECIAL STEEL MANUAL. Kapfenberg- Austria. Edicin 2000.

2. American Society for Metals International;ADVANCED MATERIALES & PROCESSES: GEM2002, GUIDE TO ENGINEERED MATERALES. Di-ciembre 2001 Volumen 159, No 2.

3. BOHLER; MANUAL DE ACEROS BOHLER Lima-Per. Edicin 1999.

4. PUCP; Documentos de Metalurgia Mecnica. 1998.

Sugerimos visitar las siguientes pginas Web:

http: //www.bohlerperu.com/http: //www.bohlersteel.com/http: //www.bohler-uddeholm.com/http: //www.asminternational.org/http: //www.asminternational.org/MSTemplate.cfm? Site=Heat_Treating_Societyhttp: //www.astm.org/http: //www.key-to-steel.com


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ACEROS PULVIMETALURGICOS:

Fundicin. Produccin de polvo. Espolvoreado al vaco. Encapsulado. Proceso HIP (Compactacin

Isosttica en Caliente).

FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALESFABRICACIN DE ACEROS ESPECIALESFABRICACIN DE ACEROS ESPECIALES

ACEROS Y LOS TRATAMIENTOS TRMICOSHB LERACEROS ESPECIALES

GRUPO BHLER UDDEHOLM

ACEROS BOEHLER DEL PERU S.A.

INTRODUCCIN A LOS ACEROSINTRODUCCIN A LOS ACEROSINTRODUCCIN A LOS ACEROS

HB LERACEROS ESPECIALES

GRUPO BHLER UDDEHOLM

ACEROS BOEHLER DEL PERU S.A.

INTRODUCCIN A LOS ACEROSINTRODUCCIN A LOS ACEROSINTRODUCCIN A LOS ACEROS DEFINICIONES GENERALES FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALES INFLUENCIA DE ELEMENTOS ALEANTES NORMAS INTERNACIONALES

DEFINICIONES GENERALESDEFINICIONES GENERALES FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALESFABRICACIN DE ACEROS ESPECIALES INFLUENCIA DE ELEMENTOS ALEANTESINFLUENCIA DE ELEMENTOS ALEANTES NORMAS INTERNACIONALESNORMAS INTERNACIONALES

ACEROS Y LOS TRATAMIENTOS TRMICOS

El acero es sin duda el material de ingeniera ms utilizado por la humanidad. El nombre de acero engloba una basta grupo de materiales que en muchos casos tienen aplicaciones especficas y en general tienen en el tratamiento trmico una etapa imprescindible para su utilizacin.

DEFINICINDEFINICINDEFINICIN

Fe + C + ( E.A. )Fe + C + ( E.A. )


De la misma forma, por Tratamiento trmico se entiende una gran variedad de opciones, cada cual con su aplicacin especfica, en funcin de las propiedades finales deseadas.

DEFINICINDEFINICINDEFINICIN


METALURGIA PRIMARIA: Fundicin en hornos

elctricos. Desgasificacin en vaco. Desgasificacin por arco

bajo vaco (VAD). Descarburacin con O2

bajo vaco (VOD)



METALURGIA SECUNDARIA: BEST (Bhler Electro Slag

Topping) ESR (Electro Slag Remelting) VAR (Vacuum Arc Furnace) Forja al ncleo prensas

especiales, prensa de 4000 TN, conformacin especial de los martillos de forjado.



FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALES

FABRICACIN FABRICACIN DE ACEROS DE ACEROS ESPECIALESESPECIALES


EAF 50t

Horno Cuchara 1 Horno Cuchara 2VID VOD

VID

BEST Fundicin lingote HCC

VIM ESR PESR VAR

P45 SX55 Laminadora

Fundicin

Refinacin

Fundicin,Atomizado

Fundicinen vaco,Refundicin

Laminado en caliente,HIP

Tratamiento trmico,Mecanizado,Ensayos

Horno de Induccin

Atomizador

HIP

Gas

Laminado MultilneaTrefilado


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FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALESFABRICACIN DE FABRICACIN DE ACEROS ESPECIALESACEROS ESPECIALES







CLASIFICACIN DE ACEROS: ComposicinCLASIFICACIN DE ACEROS: CLASIFICACIN DE ACEROS: ComposicinComposicin

ACEROS AL CARBONO

ACEROS DE MEDIO C

ACEROS DE BAJO C

ACEROS DE ALTO C

ACEROS ALEADOS

ACEROS DE BAJA

ALEACION

ACEROS DE ALTA

ALEACION


ACEROS PARA ELEMENTOS DE MQUINAS

VELOCIDAD CRITICA DE ENFRIAMIENTOVELOCIDAD CRITICA DE ENFRIAMIENTORESISTENCIA AL CIZALLAMIENTORESISTENCIA AL CIZALLAMIENTOFORMADOR DE CARBUROS MUY DUROSFORMADOR DE CARBUROS MUY DUROSRESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL REVENIDORESISTENCIA AL REVENIDO> 11% RESISTENCIA A LA CORROSION > 11% RESISTENCIA A LA CORROSION

CrCr

ES EL PRINCIPAL ELEMENTO EN LOS ACEROS Y ES EL PRINCIPAL ELEMENTO EN LOS ACEROS Y TIENE LA MAYOR INFLUENCIA EN SUS TIENE LA MAYOR INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES.PROPIEDADES.RESISTENCIA, TENACIDAD Y TEMPLABILIDAD.RESISTENCIA, TENACIDAD Y TEMPLABILIDAD.ELONGACION, CONFORMADO, SOLDABILIDAD Y ELONGACION, CONFORMADO, SOLDABILIDAD Y MAQUINABILIDAD. MAQUINABILIDAD.

CC

ELEMENTOS ALEANTES EN ACEROS PARA MAQUINASELEMENTOS ALEANTES EN ACEROS PARA ELEMENTOS ALEANTES EN ACEROS PARA MAQUINASMAQUINAS




NORMALMENTE ADICIONADO JUNTO A OTROS NORMALMENTE ADICIONADO JUNTO A OTROS ELEMENTOS DE ALEACION.ELEMENTOS DE ALEACION.TEMPLABILIDADTEMPLABILIDADFRAGILIDAD DE REVENIDO (KRUPP)FRAGILIDAD DE REVENIDO (KRUPP)INHIBE CRECIMIENTO DE GRANOINHIBE CRECIMIENTO DE GRANORESISTENCIA A LA TRACCION Y LIMITE DE RESISTENCIA A LA TRACCION Y LIMITE DE FLUENCIAFLUENCIACARBURIGENOCARBURIGENO

MoMo

RESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL DESGASTELIMITE DE ELASTICIDADLIMITE DE ELASTICIDAD%%2: RESISTENCIA A LA CORROSION POR 2: RESISTENCIA A LA CORROSION POR TEMPERATURATEMPERATURADUCTILIDAD EN FRIO Y CALIENTEDUCTILIDAD EN FRIO Y CALIENTE

SiSi




TEMPLABILIDADTEMPLABILIDADLIMITE DE FLUENCIALIMITE DE FLUENCIAFRAGILIDADFRAGILIDAD%>4: TENACIDAD%>4: TENACIDAD%>12 + 2% C: RESISTENCIA A LA ABRASION POR %>12 + 2% C: RESISTENCIA A LA ABRASION POR IMPACTOIMPACTO

MnMn

RESISTENCIA AL CIZALLAMIENTORESISTENCIA AL CIZALLAMIENTOTENACIDAD EN ACEROS DE CONSTRUCCIONTENACIDAD EN ACEROS DE CONSTRUCCIONRESISTENCIA A LA CORROSION, EN RESISTENCIA A LA CORROSION, EN COMBINACION CON EL CROMO,: %>7 EN COMBINACION CON EL CROMO,: %>7 EN INOXIDABLES INOXIDABLES

NiNi




FORMADOR DE NITRUROSFORMADOR DE NITRUROSRESISTENCIA A LA CORROSION POR RESISTENCIA A LA CORROSION POR TEMPERATURA. ACERO FERRITICOTEMPERATURA. ACERO FERRITICO

AlAl

CARBURIGENOCARBURIGENORESISTENCIA AL DESGASTERESISTENCIA AL DESGASTEVELOCIDAD CRITICA DE ENFRIAMIENTOVELOCIDAD CRITICA DE ENFRIAMIENTOSOLDABILIDAD EN ACEROS DE CONSTRUCCIONSOLDABILIDAD EN ACEROS DE CONSTRUCCIONCRECIMIENTO DEL GRANOCRECIMIENTO DEL GRANO

VV


15

ACEROS Y LOS TRATAMIENTOS TRMICOSACEROS Y LOS TRATAMIENTOS TRMICOSHB LERACEROS ESPECIALES

NORMAS AMERICANAS AISI y SAE UNS

NORMAS EUROPEAS DIN EN

NORMAS AMERICANASNORMAS AMERICANAS AISI AISI y y SAESAE UNSUNS

NORMAS EUROPEASNORMAS EUROPEAS DINDIN ENEN

CLASIFICACIN DE ACEROS EN FUNCIN DE SU COMPOSICIN QUMICACLASIFICACIN DE ACEROS EN FUNCIN CLASIFICACIN DE ACEROS EN FUNCIN DE SU COMPOSICIN QUMICADE SU COMPOSICIN QUMICA


XX : %C x 100Y : En el caso de aceros de aleacin simple, indica

el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleacin.


XX : %C x 100Y : En el caso de aceros de aleacin simple, indica

el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleacin.


NORMA AISI (American Iron and Steel Institute EE.UU.) y SAE (Society of Automotive Engineers EE.UU.)NORMA AISI NORMA AISI ((American Iron and Steel InstituteAmerican Iron and Steel Institute EE.UU.) y EE.UU.) y SAESAE ((Society of Automotive EngineersSociety of Automotive Engineers EE.UU.)EE.UU.)

AISI ZYXXAISI ZYXX


NORMA AISI y SAENORMA AISI y SAENORMA AISI y SAE

Si Z es igual a:Si Z es igual a:11 :: Aceros al Carbono (corriente u ordinario).Aceros al Carbono (corriente u ordinario).22 :: Aceros al Aceros al NiquelNiquel33 :: Aceros al NquelAceros al Nquel--CromoCromo44 :: Aceros al Molibdeno, Aceros al Molibdeno, CrCr--MoMo , Ni, Ni--MoMo, Ni, Ni--CrCr--MoMo55 :: Aceros al CromoAceros al Cromo66 :: Aceros al CromoAceros al Cromo--VanadioVanadio77 :: Aceros Al Aceros Al TugstenoTugsteno--CromoCromo88 :: Aceros al NiAceros al Ni--CrCr--MoMoetc. etc.



EJEMPLOS:

AISI 10201 : Acero corriente u ordinario0 : No aleado20 : 0,20 %C

AISI 10451 : Acero corriente u ordinario0 : No aleado45 : 0,45 %C

EJEMPLOS:EJEMPLOS:

AISI 1020AISI 102011 :: Acero corriente u ordinarioAcero corriente u ordinario00 :: No aleadoNo aleado2020 :: 0,20 %C0,20 %C

AISI 1045AISI 104511 :: Acero corriente u ordinarioAcero corriente u ordinario00 :: No aleadoNo aleado4545 :: 0,45 %C0,45 %C

EJEMPLOS:

AISI 32153 : Acero al Nquel-Cromo2 : 1,6 %Ni, 1,5 %Cr15 : 0,15 %C

AISI 41404 : Acero aleado (Cr-Mo)1 : 1,1 %Cr 0,2 %Mo40 : 0,40 %C

EJEMPLOS:EJEMPLOS:

AISI 3215AISI 321533 :: Acero al NquelAcero al Nquel--CromoCromo22 :: 1,6 %Ni, 1,5 %1,6 %Ni, 1,5 %CrCr1515 :: 0,15 %C0,15 %C

AISI 4140AISI 414044 :: Acero aleado (Acero aleado (CrCr--MoMo))11 :: 1,1 %1,1 %CrCr 0,2 %0,2 %MoMo4040 :: 0,40 %C0,40 %C





EJEMPLOS:


C : 0,38-0,43 %Mn : 0,75-1,00 %Cr : 0,80-1,10 %Mo : 0,15-0,25 %Si : 0,15-0,35 %P : 0,035 %S : 0,040 %

EJEMPLOS:EJEMPLOS:


C : 0,38-0,43 %Mn : 0,75-1,00 %Cr : 0,80-1,10 %Mo : 0,15-0,25 %Si : 0,15-0,35 %P : 0,035 %S : 0,040 %


Estructura de numeracin en aceros:Estructura de numeracin en aceros:Estructura de numeracin en aceros:

Designacin sistemtica del grado de acero de acuerdo con UNS (Unified Numbering System)Designacin sistemtica del grado de acero de Designacin sistemtica del grado de acero de acuerdo con UNS (acuerdo con UNS (Unified Numbering SystemUnified Numbering System))

Grupo de MaterialGrupo de Material

Y XXXXXY XXXXX

Fxxxxx : Hierro fundidoGxxxxx : Aceros al carbono y aleados AISI y SAEHxxxxx : Aceros H AISI y SAETxxxxx : Aceros para herramientas Fundidos y Forjados

Fxxxxx : Hierro fundidoGxxxxx : Aceros al carbono y aleados AISI y SAEHxxxxx : Aceros H AISI y SAETxxxxx : Aceros para herramientas Fundidos y Forjados

Nmeros de identificacinNmeros de identificacin


NORMA UNSNORMA UNSNORMA UNS

G10XX0G10XX0 :: Aceros al Carbono Aceros al Carbono G23XX0G23XX0 :: Aceros al Aceros al NiquelNiquelG34XX0G34XX0 :: Aceros al NquelAceros al Nquel--CromoCromoG41XX0G41XX0 :: Aceros al Aceros al CrCr--MoMo , Ni, Ni--MoMo, Ni, Ni--CrCr--MoMoG43XX0G43XX0 :: Aceros al NiAceros al Ni--CrCr--MoMoG50XX0G50XX0 :: Aceros al CromoAceros al CromoG61XX0G61XX0 :: Aceros al CromoAceros al Cromo--VanadioVanadioG71XX0G71XX0 :: Aceros Al Aceros Al TugstenoTugsteno--CromoCromoG86XX0G86XX0 :: Aceros al NiAceros al Ni--CrCr--MoMoetc.etc.


16

PLANTA DE TRATAMIENTOS PLANTA DE TRATAMIENTOS TERMICOS TERMICOS -- LIMALIMA



Cubren:

Tuberas, tubos y acoplamientos de acero Planchas de acero estructural en general Planchas de acero para caldera y recipientes a presin Aceros estructurales para mquinas Aceros para propsitos especiales.

Cubren:Cubren:

TuberTuberas, tubos y acoplamientos de acero as, tubos y acoplamientos de acero Planchas de acero estructural en general Planchas de acero estructural en general Planchas de acero para caldera y recipientes a Planchas de acero para caldera y recipientes a presipresin n Aceros estructurales para mAceros estructurales para mquinas quinas Aceros para propAceros para propsitos especiales. sitos especiales.

Designacin de Aplicacin ASTMDesignacin de Aplicacin ASTMDesignacin de Aplicacin ASTM

NORMA DIN (Deutsche Industrie Normen Alemania):NORMA DIN NORMA DIN ((DeutscheDeutsche Industrie Normen Industrie Normen Alemania):Alemania):


AAAACCCCEEEERRRROOOOSSSSEEEESSSSTTTTRRRRUUUUCCCCTTTTUUUURRRRAAAALLLLEEEESSSS

AAAACCCCEEEERRRROOOOSSSS AAAAPPPPRRRROOOOPPPPIIIIAAAADDDDOOOOSSSSPPPPAAAARRRRAAAA TTTTRRRRAAAATTTT.... TTTTEEEERRRRMMMMIIIICCCCOOOO

AAAACCCCEEEERRRROOOOSSSS PPPPAAAARRRRAAAAHHHHEEEERRRRRRRRAAAAMMMMIIIIEEEENNNNTTTTAAAASSSS

1111.... SSSSmmmmbbbboooolllloooo ppppaaaarrrraaaa eeeellll ccccaaaarrrrbbbboooonnnnoooo:::: CCCC....2222.... %%%%CCCC xxxx 111100000000

1111.... AAAAbbbbrrrreeeevvvviiiiaaaattttuuuurrrraaaa:::: SSSStttt....2222.... RRRReeeessssiiiisssstttteeeennnncccciiiiaaaa mmmmnnnniiiimmmmaaaa

aaaa llllaaaa ttttrrrraaaacccccccciiiinnnn eeeennnnkkkkgggg////mmmmmmmm2222

EEEEjjjjeeeemmmmpppplllloooo:::: SSSStttt 44442222AAAAcccceeeerrrroooo ccccoooonnnn vvvvaaaalllloooorrrr mmmmnnnniiiimmmmooooddddeeee rrrreeeessssiiiisssstttteeeennnncccciiiiaaaa aaaa llllaaaattttrrrraaaacccccccciiiinnnn ddddeeee 44442222 kkkkgggg////mmmmmmmm2222....

EEEEjjjjeeeemmmmpppplllloooo:::: CCCC 33335555AAAAcccceeeerrrroooo aaaallll ccccaaaarrrrbbbboooonnnnoooo ddddeeee0000,,,,33335555 %%%%CCCC

3333.... SSSSmmmmbbbboooolllloooo ddddeeee llllaaaaccccaaaalllliiiiddddaaaadddd:::: WWWW

EEEEjjjjeeeemmmmpppplllloooo:::: CCCC 111100000000 WWWW2222AAAAcccceeeerrrroooo ddddeeee hhhheeeerrrrrrrraaaammmmiiiieeeennnnttttaaaassssddddeeee 1111,,,,0000 %%%%CCCC,,,, ccccaaaalllliiiiddddaaaadddd 2222....

UUUUttttiiiillll iiiizzzzaaaaddddoooossssggggeeeennnneeeerrrraaaallllmmmmeeeennnntttteeee ccccoooommmmooooaaaacccceeeerrrroooossss eeeessssttttrrrruuuuccccttttuuuurrrraaaalllleeeessss....

CCCCKKKK 33335555AAAA lllloooossss aaaacccceeeerrrroooossss ccccoooonnnn bbbbaaaajjjjoooo PPPPyyyy SSSS sssseeee lllleeeessss aaaaaaaaddddeeee llllaaaa lllleeeettttrrrraaaaKKKK:::: PPPP


17








Fundamentos de Tratamientos Trmicos

19

FUNDAMENTOS DE TRATAMIENTOS TERMICOS

Ing. Julio Uza TeruyaUniversidad Nacional de Ingeniera

Relacin entre las propiedades y estructuras formaciones. A su vez las transformaciones crean ydestruyen estas imperfecciones, modifican sus confi-guraciones todo lo cual se refleja en los cambios es-tructurales y los cambios de propiedades que se pro-ducen con los tratamientos trmicos.El volumen y las formas de las fases vienen delinea-das por superficies denominadas interfases cuyas for-mas estn tambin gobernadas por la termodinmicade superficie.

INTERFASES EN SOLIDOS

l Interfaz coherentel Interfaz elsticamente coherentel Interfaz semicoherentel Interfaz Incoherente

Energa Interfacial en interfases coherentesEnerga qumicaLa energa superficial especfica en la interfase USentre dos fases binarias' y '' donde X(') y X('') son las fracciones molaresdel componente 2 en a' y a''.

Las modificaciones de las propiedades se explican asu vez por las modificaciones estructurales que expe-rimentan los materiales.

Nocin de Estructura para efectos de lostratamientos trmicosTodo material est formado por fases cuyo nmero,composicin, estructura cristalina, forma, tamao, com-posicin y distribucin est caracterizado por las con-diciones impuestas de temperatura, composicin ypresin. Cualquier variacin a una o varias de estascaractersticas produce modificaciones en las propie-dades de los materiales

FasesLas fases y el nmero de fases presentes en un siste-ma estn gobernadas por leyes termodinmicas y serepresentan convenientemente mediante la utilizacinde los diagramas constitucionales de equilibrio expre-sados en trminos de P-T-X.Las distintas fases que se encuentran en los diagramasde equilibrio pueden agruparse de la siguiente manera

1. Soluciones slidas:1.2 Sustitucionales

1.2.1 desordenadas1.2.2 con orden de largo alcance1.2.3 con orden de corto alcance

1.3 Intersticiales

2. Fases Intermedias (Fases intermetlicas)2.1 Estructuras de compuestos normales de valencia2.2 Compuestos electrnicos2.3 Fases Laves2.4 Compuestos intersticiales

Aspectos estructuralesEn los materiales existen imperfecciones cristalinascomo los defectos puntuales (vacancias, intersticiales),las dislocaciones, las fallas de apilamiento y lasinterfases a travs de los cuales se produce la trans-

US = nZW[ ]2X( ') X( '') Donden es el nmero de tomos por unidad de rea en la

intefaseZ el nmero de coordinacin en la interfase

W = e12 - 12

(e11 + e22)

Energa de distorsinEsta energa juega un rol importante en las interfasescoherentes.La energa de distorsin elstica vara con d2(parmetro de desajuste)

Interfases en sistemas monofsicos

1. Borde de pequeo ngulo o paredes de celda.1.1 Rotacin1.2 Torsin

Sistemametlico +

Tratamientostermomcanicos

Cambios en laspropiedades del sistema


20

2. Bordes de grano de gran ngulo.3. Bordes de maclas.

UNION DE TRES INTERFASES

Ecuacin de Herring. Para tres granos en un plano:

TRANSFORMACIONES

Una transformacin es simplemente el reordenamientoatmico de largo alcance que modifica la cantidad,composicin, estructura, forma tamao, distribucin,etc, de las fases de un sistema.En esta definicin se excluye la transformacin pordeslizamiento pero se incluye la transformacin pormaclas, el de recristalizacin y el de crecimiento degrano. Un metal o aleacin ser tratado como un sis-tema, y un tratamiento trmico ser considerado comouna transformacin.

Forma de los granosLos granos dentro de un cristal debe llenar el espaciosin dejar vaco alguno y las fuerzas superficiales de-ben estar balanceadas de modo que el potencial ter-modinmico g x rea sea mnimo. Para que esto secumpla en poliedros de caras planas la concurrenciade tres aristas requieren de ngulos diedros de 120 ypara cuatro aristas ngulos de 109.5 no existiendoslidos con esta ltima caracterstica; pero lo que msse le aproxima es el cubo-octaedroEn un plano, la convergencia de los b.g. requiere delmites de grano cuyos radios de curvatura dependendel nmero de lados que tenga el grano; siendo cn-cavos los granos con menos de 6 caras, convexos paragranos con ms de 6 caras.

Migracin de los bordes de grano

v = ( )

uNB

x

u

NB m

o

m

o

Donde = espesor del borde de grano y m1

x

u

es funcin de:

- Energa impulsora de trabajo de deformacin- Energa impulsora de distorsin elstica- Energa impulsora de tensin superficial

B depende de:- Las impurezas en los bordes de grano- Las partculas de segunda fase en los bordes

de grano- Temperatura- Orientacin relativa de los granos

Estructura i Composicin i Transformacin

Estructura i Composicin i

Estructura f Composicin i

Estructura i Composicin f

Estructura f Composicin f

Deformacin recristalizacin

Reacciones de fases

+

13 + 12 cos1 + 23cos 3 - 0sensen 32312 =

+

Si ij son isotrpicas 0=

ij y 13 = 12 = 23 =

cos 1 = cos 2 = cos 3 1 = 2 = 3 = 120

12 + 23 cos2 + 13cos 0sensen 113223 =

+

23 + 13 Cos3 + 12Cos 12 0sensen 212313 =

+

ORDEN DE UNA TRANSFORMACIN

Transformaciones de primer ordenIncluya a la mayora de las transformaciones al esta-do slido

V = TP

)G(

= Volumen especfico

PTGS

= )(

Transformaciones de segundo orden

Tcp

= P2

2

T)G(

= calor especfico isobrico

K = T2

2

P)G(

= compresibilidad

Orden desorden

Ferromagnetismo Paramagnetismo

Clasificacin de las Transformaciones

Transformaciones

Con D ifusin (Civiles)

M aclas

M artensticas

S in Difusin (Militares)


21

Transformacin CivilLos tomos se mueven independientemente unos deotros y de manera aleatoria.

Transformacin MilitarLos tomos se mueven de manera coordinada. Comoejemplo se tiene la transformacin martenstica don-de en principio los tomos no intercambian de posi-cin con los tomos vecinos. Una caracterstica de latransformacin militar es que el desplazamiento de lostomos es una fraccin de una distancia interatmicay que tal movimiento puede relajarse de dos manerasposibles

ASPECTOS QUE COMPRENDE EL ESTUDIO DELAS TRANSFORMACIN DE FASES

1. Aspectos termodinmicoSe analiza las energas libres de las fases y los po-tenciales qumicos de los constituyentes en dichasfases.

2. Aspectos cristalogrficosEstructura de las fases, sus relaciones de orientacin,naturaleza de las interfases y anisotropa cristalina.

3. Aspecto cinticoVelocidad de transformacin leyes de crecimiento,cinticas en funcin del tiempo y de la temperatura.

ASPECTOS TERMODINMICOS

Energa Impulsora

Por el contrario suele suceder que es una funcindecreciente de la T. En tal caso la probabilidad de tran-sicin pasa por un mximo a un temperatura TE // < 111 >

En aceros se observa entre la matriz g y el productomartensita M.

Relacin Kurdjumov - Sach {111} // {110}M // M

Relacin Nishiyama {111} // {110}M

// M {111} // {110}M

Relacin de Habito o EpitaxiaUn ejemplo tpico es el crecimiento de pelculas porcondensacin de un vapor sobre una cristalina delmaterial subyacentesuperficie. Por extensin se apli-ca a orientaciones inducidas durante la transforma-cin al estado slido.

ETAPAS DE LA TRANSFORMACINHETEROGNEA

Nucleacin

Crecimiento

Los ncleos se forman a partir de singularidades (em-briones) en la matriz debido a fluctuaciones en su com-posicin y/o estructura.

Clasificacin de la nucleacin

Homognea o General

Heterognea o localizada continua

Teoria Clasica de la NucleacionLa velocidad de nucleacin viene dada por la veloci-dad con que se forman un ncleo de tamao crtico nca partir de una distribucin de tamao y por la difusinde los tomos adyacentes


22

CRECIMIENTO

Consiste en el desplazamiento de la interfase desdela regin transformada hacia la regin no transforma-da llevando consigo el avance de la transformacin.Tngase presente que el crecimiento puede estar su-cediendo an cuando en otras regiones no haya em-pezado la nucleacin. Como se ver luego la cinticaglobal depende tantos de la velocidad de crecimientocomo de la velocidad de nucleacin y estar gober-nada por la etapa mas lenta.

I. INTERFASES GLISSILESEste tipo interfaz separa regiones de la misma com-posicin pero diferentes estructuras como sucede conlas transformaciones martenstica. En una transfor-macin martensitica los tomos mediante un movimien-to cooperativo y coordinado cambian de un arreglo a

otro por proceso que es formalmente equivalente auna transformacin por corte homogneo. Estas re-giones cambian de forma y pueden ser puestas demanifiesto por la metalografa.Este tipo de interfaz se mueve bajo la accin de unafuerza impulsora y no requiere de activacin trmicani an a bajas temperaturas.

II. INTERFASES NON-GLISSILESLa interfaz se mueve pasando por configuraciones dealta energa y requieren de activacin. Su movimientodisminuye cuanto mas baja sea la temperatura detransformacin.

Teoria Cintica de la TransformacinUna manera conveniente de analizar la transforma-cin es a T = cte.La teora formal es independiente de los mecanismosde transformacinEl concepto de velocidad de nucleacin N se utilizapara detallar su mecanismo.

Expresin General del Volumen TransformadoConsideramos una regin transformada de dimensio-nes R1,R2,R3 donde Ri sin por decirlo as sus dimen-siones principales.La regin transformada solo es detectable al cabo deun tiempo = tiempo de induccin o incubacin.Experimentalmente la variacin de Ri con t es (Christianasume que es lineal).

=

kTG

expkT

GexpNN

mnc

Gn = FV GV + Fs + Fs + F + Fd Gd

FV: factor volumen FS.: factor superficie F: factor superficie deformacin : Energa de distorsin

y son > 0

Siendo : Gd < 0; donde :

GVac < Gdisloc < GB.G < Gsup. libre

Crecimiento con cambio de composicin

Cambio de fase con difusin a larga distancia

Cambio de fase con difusin a corta distancia

Existe flujo finito a distancias largas en relacin a las distancias interatmicas por lo menos en una de las fases participantes

Son reordenamiento atmicas localizados dentro de la interfase matriz / producto

Es el caso de la alotropa (metales puros) polimorfismo (soluciones slidas) y recristalizacin. En todas ellas hay cambio de estructura pero sin flujo de tomos que produzca redistribucin en la composicin qumica.

Crecimiento sin cambio de composicin

Crecimiento con cambio de estructura

Desplazamiento

Mediante un procedimiento de cizallamiento de la red u otra deformacin mas compleja sin que modifique el n de vecinos mas cercanos mantenindose la coherencia entre la matriz y el producto. Tal es el caso de la transformacin martensitica

Se destruye la estructura de la matriz para incorporar individualmente los tomos a una nueva red. El crecimiento es trmicamente activado por lo que se puede evitarse con el templado. Ej. Recristalizacin, transformacin en Fe-Ni.

Reconstruccin

o

o

Ri(t)Ri( )

o t

=t - o o o = 0

R1,R2,R3, sean los tres dimensiones principales de un ncleo al cabo de un tiempo t = o = 0. El volumen Vo del ncleo es

Vo = R1R2R3 = factor geomtrico

Ri = =

0i d

ddR


23

Transformacin Isotermica Homognea

V : Volumen transformado V0 : Volumen total Vo V : Volumen sin transformar

N

: Velocidad de nucleacin de la fase (ncleos de / unidad de volumen sin transformar x unidad de tiempo)

tkecte1 =

VV

0

?

??

t

Transform acin isotrmica hom ognea

V

(7.2)

Transformacion Isotermica Homogeneacon Ley de Crecimiento Lineal

Transformaciones Isotrmicos Heterogneos conLeyes de Crecimiento ParabolicoPara transformaciones donde toda la fase matriz nose transforma (ej. pp continua de una segunda fasedentro de una s.s metaestable) el grado de avance dela transformacin es igual a la relacin del volumenprecipitado V(t) al volumen precipitable V(); es decir

)kt(exp1 n= 3 n 4

Ecuaciones Empircas para Cinticas deTransformaciones HeterogeneasEsta transformacin es compleja dada la multiplicidadde mecanismos trmicamente activados que entran enjuego. Estas leyes son generalmente condensables dela siguiente manera:

)Kt(exp1 2/5=

mqP tTKdtd )1()( =

: Fracc. Volumen transformada T : Temperatura t : tiempo K(T)

: pseudo cte de velocidad

(11)

t

?

0.5

1.0

0 1 10 100

Cintica AtrmicaEn esta transformacin del cambio se inicia a una tem-peratura Ts independiente de la velocidad de enfria-miento. Ts solo depende de la energa impulsoraLa Transformacin progresa en el curso del enfriamien-to y se detiene si la temperatura se mantiene constan-te y la fraccin transformada solo depende del subenfriamiento (Ts - T) de acuerdo con la siguiente ex-presin

Y = 1- exp [-A(Ts - T)]T = Temperatura de transformacin

Transformaciones Tpicas en los tratamientoTrmicos

G

Transformaciones sin cambio de composicin que no requieren de difusin de larga distancia

Transformacin orden desorden

Transformacin masiva

Recristalizacin

Transformaciones polimrficasMetales puros y soluciones slidas

Cambio de estructura sin cambio de composicin.Este cambio de composicin puede involucrar modifi-caciones en los primeros nmeros de coordinacin(Sn) o en los segundos nmeros de coordinacin(SiO2)


24

Alotropa: Metales puros Como se nota las transformaciones polimrficas pue-den ocurrir mediante transformaciones masivas. Eneste caso la lnea de transformacin no cruza ningunarea bifsica y la transformacin masiva puede ocu-rrir sin la interferencia de otras transformaciones condifusin de largo alcance. Los cristales de la nuevafase presentan borde irregulares, algo zigzageantes.

Para el templado de Cu 24%at.Ga se produce la si-guiente transformacin sin cambio de composicin ysin cambio de forma(distorsin)

En esta transformacin una interfase bien definida semueve rpidamente a travs de la fase BCC, dejandotras ella un material transformado. La nueva fase seforma mediante un movimiento no sistemtico detomos a travs de una interfase desordenada. Comoprueba de ello se tiene el hecho que un grano de lanueva fase puede crecer a travs de los bordes degranos de la matriz de distintas orientaciones

La transformacin masiva es un proceso trmicamenteactivado que puede suprimirse mediante un enfria-miento rpido. En tal caso la matriz es retenida comouna fase metaestable o se transforma en otra fasemediante un mecanismo sin difusin (martenstica).

TRANSFORMACIN ORDEN DESORDEN

Super redesLa aleacin Cu 25% at. Au es una solucin slida des-ordenada FCC en donde los tomos de Cu y Au ocu-pan los retculos al azar . Por debajo de 390oC lostomos de Au ocupan los vrtices del cubo y los deCu ocupan los centros de las caras. Esto se conocecomo una transformacin de orden desorden.En la fase ordenada Cu3Au solo los tomos de Cuson los vecinos mas cercanos a un tomo de Au. Portanto los enlaces entre tomos diferentes (Au-Cu esmayor que en la estructura desordenada. La energade enlace puede estimarse a partir de la entalpa deformacin y que es negativa.

Donde

Luego un gran nmero de enlaces Au-Cu reduce laenerga libre dando una fase ordenada mas estableque la desordenada. Durante el ordenamiento hay latendencia al clustering o agrupamiento de tomos di-ferentes.La transformacin orden desorden se encuentran en

Polimorfismo:Soluciones slidas, compuestosintermetlicos

El enfriamiento muy rpido puede suprimir parcialmen-te esta transformacin y los cambios que se producenson del tipo martensticos.

Los cambios polimrficos ocurren a velocidades me-nores que las transformaciones L-S pero a velocida-des mayores que las transformaciones S-S con cam-bios de composicin.

Fe() Fe() Fe() Fe(l) 9100C 13900C 15360C

TRANSFORMACIN MASIVA

Cu-Zn, Cu-Al, Ag-Cd, Ag-Zn, Ag-Al, Fe-C, Fe-Ni, Fe-Cr, Fe-Co y Fe puro. Ocurre por calentamiento y en-friamiento

Nucleacin y crecimiento Polimorfismo

transformacin martenstica

Es la transformacin por nucleacin y crecimientotrmicamente activada de una solucin slidamonofsica en otra de la misma composicin por elmovimiento de una interfase incoherente que avanzaen todas direcciones mediante un proceso de difusinen la interfase. La transformacin polimrfica es uncaso lmite de una transformacin masiva.

MecanismoTransferencia aleatoria no cooperativa de tomos atravs de la interfaz matriz/productos, sin presenciade mecanismos de corte.Es una transformacin trmicamente activada queocurre por N y G. La cintica est controlada por difu-sin en la interfase.El crecimiento ocurre por desplazamiento de unainterfase incoherente de alta energa a una velocidadde 1-2 cm/s. No existe relacin de orientacin entre lamatriz y el producto.

Sistema %atm.soluto ToC(por templado) TransformacinAg-Al 23-28 600 BCC HCPCu-Zn 37-38 400-500 BCC FCCFe 700 FCC BCCFe Co 0-25 650-800 FCC BCC

1a Alotropa (Fe Fe) 1b polimorfismo (Al-Ag, 25% at. Al)

fase(BCC fase(HCP

US = NZW[ ]2X( ') X( '') W = e12

12

(e11 + e22)


25

muchos sistemas metlicos y en algunos compuestosinicos. En estos ltimos el intercambio de posicionesentre cationes y aniones es raro debido al gran incre-mento de energa que ello produce. Sin embargo elordenamiento se produce por el reacomodamiento delos cationes en las subredes de los cationes o de losaniones en sus correspondientes sub redes.

DominiosEn una estructura con orden de largo alcance (LRO)cada tomo de una especie ocupa una sub red. Pue-den existir regiones en donde las sub redes no coin-cidan. Cada regin en donde la orientacin de la subred sea la misma constituye un dominio. La interfaseentre dos dominios se denomina lmite de antifase dedominios..

Medida del orden de largo alcanceSe define el parmetro de Bragg-Williams S

Nucleacin y Crecimiento del orden

Un sistema desordenado siempre contiene orden decorto alcance las que pueden considerrseles comodominios muy pequeos. Los pequeos dominios quealcancen un tamao crtico pueden actuar como n-cleos para las fases ordenadas.El crecimiento de la fase ordenada consiste de unatransferencia de tomos a travs de la interfase des-de las regiones desordenadas. Su crecimiento puederepresentrsele

siendo S* y H* la entropa y la entalpa para la difu-sin a travs de la interfase y G(D O)el cambio deenerga libre molar para el ordenamiento.

La cintica de transformacin para fases esfricas or-denadas

: fraccin en volumen de fase ordenada formada

TRANSFORMACIONES DE PRECIPITACIN

Es una transformacin con difusin a larga distancia,de crecimiento termoactivado donde se produce la for-macin de una nueva fase a partir de una solucinslida sobresaturada.

S = x1xr

A

AA

rA : fraccin de sitios ocupados por los tomos A

la probabilidad de que el tomo A ocupe su red xA:fraccin de tomos A en la aleacin

S = 1 orden completo S = 0 desorden completo

Orden de corto alcance (SRO)Por encima de una temperatura Tc el LRO desaparecey la distribucin se hace desordenada. Sin embargo eldesorden perfecto no existe:Hay una tendencia a queun tomo se rodee de tomos de otra especie en unnmero mayor que el correspondiente a una distribu-cin aleatoria. Esto de denomina orden de corto al-cance.En la super red AuCu3 un tomo de Au (0,0,0) estrodeado de 12 tomos de Cu ( 1/2,1/2 ,0) e igualmenteun tomo de Cu est rodeado de 12 tomos de Au. Enel desorden perfecto un tomo un tomo de Au estrodeado de 3/4x12 = 9 tomos de Cu. Mediciones he-chas por encima de Tc(395C) indican que 10.3 to-mos de Cu rodean a un tomo de Au.El orden de corto alcance se mide por el parmetro

= qqqq

rm

r

q : nmero de enlaces A-B qr : nmero promedio de enlaces A-B en un arreglo desordenado qm : nmero mximo de enlaces A-B

= 0 para un arreglo desordenado = 1 para un arreglo con ordenado de corto alcance.

G

=( )

RTODG

kTH

expkS

expnNV

= 1 -

pi tGN34exp 3

3

0

(C0)

n fases

(C) + (C)

n+1 fases

ETAPAS DE LA PRECIPITACIN

Proceso de solubilizacin

Templado (s olucin sobresaturada)

Tratamiento de envejecimiento o precipitacin

Zonas Agrupamientos

Exceso vacancias

Cambios estructurales

Anillos de dislocaciones/fallas de apilam iento

Precipitados interm edios

tomos soluto

Precipitados de equilibrio

+


26

La formacin de zonas corresponde al primer incre-mento de dureza que ocurre durante el envejecimien-to y es atribuido a uno o ms de los tres siguientesmecanismos:

l Endurecimiento por dispersinl Endurecimiento por deformacin internal Endurecimiento qumicol Endurecimiento por mdulo elstico

Nucleacin de la perlitaBordes de granoFases alternadas y epitaxialmente

Espaciado interlamelar

(9)

Ni, Mn, Mo aumentan SCo reduce S

Crecimiento de la perlitaCrecimiento lateralCrecimiento radial

Cintica de la transformacin Perltica.

Diagramas T T T(Temperatura-Tiempo-Transforma-cin) Superposicin de los diagramas de transforma-cin isotrmica.

A temperaturas altas, inmediatamente debajo de TEla transformacin es lenta; la relacin N / G es peque-a (N es lenta y G alta,), con muchas colonias de pla-cas paralelas y ndulos atravesando los bordes degrano y alcanzando tamaos mayores que los granosoriginales de austenita. La nucleacin ocurre- aunqueno exclusivamente- en los bordes de grano. Se for-man entonces grupos de ndulos con crecimiento desimetra esfrica conteniendo muchas colonias de l-minas paralelas.

A temperaturas mas bajas la nucleacin parece ocu-rrir slo en los vrtices de los granos. La velocidad denucleacin en la vecindad de la nariz obedece a unaley del tipo:

(11)

k y n son constantes (para la fig. 8.26 n 2)

Conforme crecen los ncleos se produce la interfe-rencia con los otros ncleos ya existentes; la veloci-dad para la formacin de nuevos ncleos decrece, conlo que la velocidad de transformacin vuelve aretardarse.

Las dislocaciones y muy especialmente los precipita-dos actan como centros de nucleacin en el interiorde los granos de con lo que N se incrementa.

Otro hecho de tomarse en cuenta es que si aumenta

= t dNvexp

0

1 = = 1 exp( ktn)

Esferoidizacin de precipitadosEn la ltima etapa de la precipitacin (prolongadostiempos de envejecimiento) los precipitados indepen-dientemente de la forma que tengan empiezan a re-dondearse (los precipitados en forma de placas o agu-jas se fraccionan y redondean), minimizando la rela-cin superficie / volumen.

Se observa tambin la disolucin de las partculas maspequeas debido a su mayor presin de disolucin yconcurrentemente el crecimiento de las partculas masgrandes. El proceso de crecimiento de las partculasgrandes a expensas de las chicas se denomina "ma-duracin de Ostwald".

TRANSFORMACIN EUTECTOIDE

Es un precipitacin bifsica discontinua celular tpicadel estado slido (Ag - 49Cd, Ce - 4Mg, Cu - 11.8Al,Cu - 5.2Si, Ti - 22.7Ag, U - 0.3Cr y el mas importanteFe - 0.77C)

Transformacin PerlticaSe denomina as a la transformacin eutectoide enlos aceros. Simblicamente se representa:

(ferrita) Fe3C (cementita) + (austenita) (1)

Aspectos microestructurales de la perlital Orientacin de las fases precipitadas respecto a la

matrizl Nucleacin de la perlital Crecimiento de la perlital Espaciado interlamelar de la perlita. Efecto de los

aleantes

CINTICA DE LA PRECIPITACIN

Placa de cementita

[100]Fe3C paralelo a: [010]Fe3C paralelo a:

(001)Fe3C paralelo a Sistema 1

(211) [111]

[011]

Sistema 2

[113] (52 1)

[131]

( )TTHT2E

Emnimo

=

e1 kkn

=

N

= ktn


27

la T de austenitizacin, los defectos y los precipitadosdisminuyen con lo que disminuye tambin la N. Ensuma la lentitud de la transformacin a altas tempera-turas tiene dos causas: Alta energa impulsora y laaniquilacin de defectos y centros de nucleacin.As mismo el aumento de la temperatura deaustenitizado aumenta el tamao de los granos de ,disminuyendo la superficie de lo bordes de grano ypor lo tanto los centros de nucleacin.

La presencia de solutos sustitucionales influyen con-siderablemente en la cintica de la transformacinperltica desde que estos elementos difunden mas len-tamente que los intersticiales.

La presencia de solutos modifican las energas libres,las concentraciones de equilibrio de las fasescoexistentes, la difusin del C, la actividad del C y latemperatura eutectoide de equilibrio. Modifican tambin la particin de solutos entre laferrita y la cementita.

A altas T el G para la transformacin perltica espequea entonces los solutos tienden a particionarsede manera de liberar energa libre. Generalmente lospromotores de C como Mn, Cr y Mo tienden aparticionarse hacia la cementita y los no carburizantescomo Ni, Si , Co y Mn tienden a particionarse a laferrita. La particin ocurre por difusin. Desde que ladifusin en volumen de los elementos sustitucionaleses extremadamente lento, la difusin de esos elemen-tos ocurren mas probablemente a lo largo de lainterfase /perlita.

De otro lado la presencia de aleantes as como el con-tenido de C en la perlita afectan la temperatura detransformacin eutectoide ( TE o A1), segn se indicaen la fig E-11.

En lo referente al contenido de C esto significa quepara un mismo contenido de C la adicin de Ti, Mo,W, Si, Mn, Cr, Ni incrementan (El Ti en mayor grado yel Ni en menor grado) el % de perlita formada. Dichacurva no dice nada respecto a la distribucin del C enla ferrita o en la cementita secundaria.

Los aleante que elevan TE o A1 como Cr y Mo por locomn reducen la velocidad de crecimiento de la per-lita.

A bajas temperaturas G es alto por lo que los aleantesno necesitan particionarse para que la transformacinproceda. El crecimiento en esta etapa es controladapor la difusin del C.

La presencia del Mn tiende a incrementar el espacia-do interlamelar y reducir la actividad del C. A tempe-

ratura sobre los 670C el Mn se particiona a lacementita y el crecimiento est controlado por la difu-sin del Mn. A bajas T no hay particin del Mn y elcrecimiento es controlado por la difusin del C.

TRANSFORMACIONES POR CIZALLAMIENTO

Transformaciones de fases1. T.F.No Reconstructivas2. T.F. Reconstructivas

T.F.No Reconstructivas: Cuando el grupo de sime-tra de la nueva fase es un sub grupo del grupo co-rrespondiente a la matriz, ejemplo Orden Desor-den, ferroelctricas, magnticasT.F. Reconstructivas: Cuando el grupo de simetrade la nueva fase no es un sub grupo del grupo corres-pondiente a la matriz, ejemplo: Polimrficas,martensticas

CLASIFICACIN DE LAS TRANSFORMACIONESPOR CIZALLAMIENTO O SIN DIFUSINTransformacin cristalogrfica donde mediante unmecanismo de corte paralelo a un plano (plano dehbito) y a una direccin dada se producen desplaza-mientos cooperativos de tomos con recorridos me-nores a la de una distancia interatmica.

Tabla No 1

Tipo de transformacin

Deforma-cin

Micro- estructura Ejemplos

Martenstica 10-1 10-2 Placas semicoherentes

Martensitas ferrosa y no ferrosas

w 10-Feb Precipitados coherentes

Fase w similares en aleaciones b de:Ti,Zr,Cu,AuAg

Magneto- estrictivas

10-Mar Ausencia de interfases,dominios de macla

Aleaciones base Mn

Fases tipo A-15, V3Si, Nb3Sn

Para-ferroelctrica

10-May Dominios polarizados

Perovskita: BaTiO3, KNbO3

Efecto de estructura de banda

10-Abr Ausencia de interfases,dominios de macla

Condiciones necesarias y suficientes para definiruna transformacin martenstica (Cohen-Wayman)

1. Es una transformacin "militar" con cambio de for-ma (distorsin)

2. Es una transformacin sin difusin de largo al-cance (suele asumirse sin difusin)

3. Cintica y morfolgicamente controlado por laenerga de distorsin causada por los desplaza-mientos de corte.

Transformaciones masivas poseen solo la caracters-tica (1).Transformacin baintica posee (1) y (3) pero no (2).


28

Transformacin militarDeformacin homognea que modifica la red, con unmovimiento coordinado de tomos que produce unreacomodamiento de los mismos, dando por resulta-do un cambio de la estructura .

Las transformaciones de fases martensticas se verifi-ca mediante el tensor esfuerzo desviador.Existen transformaciones polimrficas (Ce cuando seenfra por debajo de 100oK) con cambios estructura-les mediante un proceso sin difusin que va acompa-ada de una contraccin de volumen del 16% pero sincorte.

Si bien la deformacin a red invariante reduce la dis-torsin en la regin transformada sin embargo la de-formacin es de tal magnitud que la formacin de lamartensita al igual que el maclado produce relievessuperficiales.l La deformacin en la matriz es homogneal La placa de martensita no ha sufrido rotacin.

Ausencia de difusin en la transformacin martenstical La rapidez con que se forma la martensita.l La baja temperatura de formacin.l La composicin de la martensita sensiblementeidntica a la matriz

Martensita de aceros al carbonoUbicacin de los tomos de C coinciden con la posi-cin de los huecos octaedrales del BCC (0 0 )( 0). Se le considerarse como una solucin slidasobresaturada de C en Fe (BCC) que origina unadistorsin BCC BCT, tanto mayor cuanto mayor esel contenido de C (ver figura).

La variacin de los parmetros a y c con el carbonoson:

c = ao + 0.118 x %Ca = ao - 0.015 x %C

dondeao = Parmetro de BCC

Clasificacin cristalogrfica de la martensita en losaceros

1. Martensita BCT2. Martensita BCC()3. Martensita Hexagonal o

Relaciones de orientacin y planos de hbito.

Tabla No 2Deformaciones asociadas con el cambio de forma y las relaciones de orientacin en algunas transformacioness martenstica

Sistema Transformacin Plano hbito Direccin de Componente Componente Relacin Orientacin Segnpor enfriamiento en la matriz corte corte de ij normal de ij matriz(p) martensita (m)

(1, 1, 1)p // (1, 0, 1)m Kurdjumov -[1, -1, 0]p // [1, 1, -1]m Sachs(1, 1, 1)p // (1, 0, 1)m Nishiyama[1, -2, 1]p // [1, 0, -1]m(1, 1, 1)p // (1, 0, 1)m[1, -2, 1]p // [1, 0, -1]m(1, 0, -1)p // (0, 0, 1)m[1, 1, 1]p // [1,1, 0]mTi BCC? HCP ~ ( 8, 9, 12 ) ~ [ 1, 1, -1 ] 0,22

Co FCC? HCP ( 1, 1, 1 )

0,19 0,09

Fe-30%Ni FCC? BCC ~ ( 9, 22, 33 ) 0,20 0,05 [ -1, - 5, 6 ] 2o

Fe-1,35%C FCC? BCT ( 2, 2, 5 ) [ -1, -1, 2 ]

Relacin de Relacin de OtrosKurdjumovSach Nishiyama FCC HCP{111} // {110}M {111} // {110}M {111} // {0011}M // M // M // M

PLANOS DE HBITO

Martensita de bajo C: {111}Martensita de alto C: {225} y {259}

Caractersticas de la transformacin martensticaen los acerosInsuprimibilidad de la transformacin

Ms(C) = 561-474%C-33%Mn-17%Cr-17%Ni-21%MoMf(C) = Ms - 215Carcter "anisotrmico"(no isotrmico)de la transfor-macin

NUCLEACINNucleacin homogneaImprobable debido a su alta energa de activacinG*= 6x103 eV (6x105 kJ/mol) ~105 kT

Heterogeneidad de la nucleacin martensticaLa nucleacin de la martensita ocurre preferentemen-te en los bordes de grano de la austenita y en los bor-des de macla.


29

La nucleacin es heterognea con valores tpicos de106 sitios de nucleacin por cm3 que es un valor pe-queo en relacin a los ~ 1023 sitios de nucleacinhomognea por cm3.

Con el progreso de la transformacin el nmero desitios de nucleacin por unidad de volumen incrementa.Esto est demostrado por el hecho que la matriz en lavecindad inmediata a una placa formada usualmentecontiene un gran nmero de placas de martensita porlo que se presume que se han creado sitios denucleacin en la regin disturbada circundante a laplaca. Los esfuerzos elsticos generados internamen-te contribuyen mecnicamente a la energa impulsoraactivando de esa defectos para la nucleacin que deotro modo no podran actuar a la temperatura en cues-tin. Esto se conoce como efecto autocataltico queresponsable de la creacin de sitios adicionales denucleacin y que incrementa con el incremento de frac-cin de martensita.

Raramente las placas se distribuyen de maneraaleatoria. A causa del efecto autocataltico muchasplacas tienden a formarse conjuntamente en un clus-ter. La transformacin progresa conforme mas clustersaparecen en la regin no transformada. De esta ma-nera una fraccin apreciable de volumen de martensitapuede formarse repentinamente. Esto se conoce comoun fenmeno explosivo.

Crecimiento de las placas de martensita.La aparicin de placas individuales de martensita se pro-duce en tiempos muy cortos e independiente de la tem-peratura lo que indica que no requiere de activacintrmica. Por ejemplo placas individuales de martensitaen aleaciones de Fe-Ni-C se forman en 10-7s.

La velocidad de crecimiento es ~105 cm/s en el rangode -20 C a -200 C. As la energa de activacin parael crecimiento es virtualmente cero. La velocidad decrecimiento es mucho mas elevada a lo largo de laplaca que a lo ancho. Debido a esta caracterstica lacintica de la transformacin est controlada por lavelocidad de nucleacin en vista que el crecimientoes muy rpido.

La transformacin progresa por la formacin de nue-vas placas y no tanto por el engrosamiento de las mis-mas. Luego la cintica global est gobernada esen-cialmente por la frecuencia de nucleacin.

La placa de martensita crece completamente inmedia-tamente despus de su nucleacin. El tamao com-pleto de una placa de martensita est determinada porlos obstculos a su crecimiento. Los obstculos al cre-cimiento longitudinal de una placa lo constituyen losbordes de grano, subgranos, otras placas de

martensita, precipitados. Conforme aumenta el volu-men de martensita transformado incrementa la defor-macin en la matriz al punto que puede deformar pls-ticamente a la matriz circundante. Se crean defectosen la matriz y se destruye la coherencia de la interfase,detenindose el engrosamiento de las placas. El au-mento de energa de distorsin disminuye la energalibra impulsora negativa de manera que al no dispo-nerse de energa libre se detiene el crecimiento. Elenfriamiento continuo puede incrementar la energaimpulsora lo que puede inducir a que prosiga el creci-miento.

Conforme aumenta el nmero de placas de martensita,la matriz queda dividida en regiones cada vez maspequeas encerradas entre las placas. Desde que lasplacas existentes impiden el crecimiento de las nue-vas placas, el tamao de las plazcas se hace progre-sivamente mas pequeas.

Volumen de matriz incrementar durante la

transformacin si pV >1, decrecer si pV


30

De (10.12) en (10.13)y haciendo

se transformar en un elipsoide:d(G) = (dG/ d T) d T

Reemplazando V = V(T) la ecuacin (10.14) se inte-gra directamente. Asumiendo que V =V= cte. e inte-grando (10.14) desde T = Ms donde Y = 0 a T

TTGVk

f1Y

4 dd

dd =

ln(1 f) = - k4TGV

d

d (Ms T)

f = 1 - ( )

TM

TGkVexp s4

d

d

La cintica global puede alterarse considerablementemediante deformacin plstica, esfuerzo aplicado ytiempo de retencin a la temperatura de transforma-cin.

TEORA DE LA TRANSFORMACINMARTENSTICA

Teora Wechsler-Lieberman-Reed

1. Transformacin de la red inicial a la red final(Distorsin de Bain).

2. Transformacin de corte a red invariante y con pla-no sin distorsin.

3. Rotacin de la martensita para producir el planoirrotacional.

=

800000121000121

Bij.

.

.

(4)

La distorsin de Bain explica:l La transformacin cristalogrfica sin necesidad de

difusin de Cl Las relaciones Kurdjumov-Sachs

Un punto xi de la red FCC se transformar en un puntode coordenadas xi' en la red martenstica segn

{111} // {110}M // M

xi = BijXj Entonces si tomamos una esfera en la red FCC

x12 + x2

2 + x3

2 = 1

11

x

1x

1x

3

3

2

2

2

2

1

1

2

=

++

++

+

'''

Cuyas intersecciones superficies cnicas

Deformacin con Plano InvarianteTal deformacin puede obtenerse mediante un cortesimple por deslizamiento o maclado. Una combinacinde una deformacin reticular homognea y una defor-macin no homognea de corte a red invariante pordeslizamiento o maclado dan cuenta de un cambio deforma a plano invariante:

Cambio de forma = deformacin reticular + deforma-cin a red invariante

B11 = 1 + 1

B22 = 1 + 2

B33 = 1 + 3

Donde

=

==

x

x

x

000000

x

x

x

xx

3

2

1

3

2

1

3

2

1

jij1

'

'

'

'

=

==

x

x

x

0000000

x

x

x

xx

3

2

1

2

1

3

2

1

jij1

'

'

'

'

X12 + X22 + X32 = 1

1x1

x

1

x23

2

2

2

1

1

2

=+

++

(11)

Sabemos por teora de deformacin que un estado decorte puro y plano equivale a un estado de traccin ycompresin.La matriz de corte pura y plana es la que produce elplano invariante

(12)

Se obtiene que una esfera de radio unitario en FCCque viene dada por:

se transforma

Obtenemos:

X1 = cte X2


31

La matriz de corte puro y plano es

=

000082.000012.1

M (19)

En la deformacin martenstica existen pequeasrotaciones.

Se supone Se observa

[001] // [001]M [1 01] // [111]M (111) // (011)M

Rotacin 9.10o

Rotacin 4.42o

Rotacin 0.86o

Resumiendo, siB: Matriz de distorsin de BainM: Matriz de corte a red invarianteR: Matriz de rotacin rgidaE: Matriz de distorsin reticular con plano invariante.

Entonces

E = R M B


32


33

FUNDAMENTOS DE TRATAMIENTOS TERMICOS

Ing. Julio Uza

Mayo/30/2005

Relacin entre las Relacin entre las propiedades y propiedades y

estructurasestructuras

Sistema metlico

Cambios en las propiedades del sistema

Tratamientos termomecnicos

+

1 Soluciones slidas:1 Soluciones slidas:1.1 Sustitucionales1.1 Sustitucionales

1.1.1 desordenadas1.1.1 desordenadas1.1.2 con orden de largo alcance1.1.2 con orden de largo alcance1.1.3 con orden de corto alcance1.1.3 con orden de corto alcance

1.2 Intersticiales1.2 Intersticiales

2. Fases Intermedias (Fases intermetlicas)2. Fases Intermedias (Fases intermetlicas)2.1 Estructuras de compuestos normales de valencia2.1 Estructuras de compuestos normales de valencia2.2 Compuestos electrnicos2.2 Compuestos electrnicos2.3 Fases Laves2.3 Fases Laves2.4 Compuestos intersticiales2.4 Compuestos intersticiales

FasesFases Aspectos EstructuralesAspectos Estructurales

DefectosDefectosCristalinosPuntualesCristalinosPuntualesLinealesLinealesSuperficialesSuperficiales

INTERFASES EN INTERFASES EN SOLIDOSSOLIDOS

Interfaz coherenteInterfaz coherenteInterfaz elsticamente coherenteInterfaz elsticamente coherenteInterfaz Interfaz semicoherentesemicoherenteInterfaz IncoherenteInterfaz Incoherente

Energa Interfacial en Energa Interfacial en interfases coherentesinterfases coherentes

Energa qumicaEnerga qumica( ) ( )[ ]2S ''X'XnZWU =

Energa distorsinEnerga distorsin

vara con vara con 22 (parmetro de (parmetro de desajuste)desajuste)

Para tres granos Para tres granos isotrpicosisotrpicos en un planoen un plano11 = = 22 = = 33 = 120= 120Radios de curvatura de lados cncavos losRadios de curvatura de lados cncavos losgranos con menos de 6 caras, convexosgranos con menos de 6 caras, convexospara granos con ms de 6 caras radio para granos con ms de 6 caras radio

infinito para 6 carasinfinito para 6 caras

Forma de los granosForma de los granosReordenamiento atmico de largo alcance Reordenamiento atmico de largo alcance que modifica la cantidad, composicin, que modifica la cantidad, composicin, estructura, forma tamao, distribucin, estructura, forma tamao, distribucin, etcetc, , de las fases de un sistemade las fases de un sistemaEn esta definicin se incluye la En esta definicin se incluye la transformacin por maclas, recristalizacin transformacin por maclas, recristalizacin y el de crecimiento de granoy el de crecimiento de granoNo se incluye deslizamientoNo se incluye deslizamiento

TRANSFORMACIONESTRANSFORMACIONES


34

Clasificacin de las Clasificacin de las TransformacionesTransformaciones

Transformacin Transformacin Civil:LosCivil:Los tomos tomos se mueven independientemente se mueven independientemente unos de otrosunos de otrosTransformacin Militar: Los Transformacin Militar: Los

tomos se mueven de manera tomos se mueven de manera coordinadacoordinada

Aceros para Elementos de Mquinas

35

ACEROS PARA ELEMENTOS DE MAQUINAS

Ing. Miguel Carrin CastillaAceros Bohler del Per [email protected]

1. INTRODUCCIN

Los aceros para elementos de maquinas son aquellosque por su aleacin y procesos de fabricacin, cum-plen con exigencias especficas de las partes y piezasutilizadas en la construccin de maquinarias. Por estarazn se les denominan ACEROS DE CONSTRUC-CION.

1.1 Caracteristicas

Estos aceros deben poseer, segn su aplicacin, va-rias de las siguientes propiedades mecnicas:l Tenacidadl Resistencia a la traccin.l Resistencia a la fatiga.l Resistencia a la torsin.l Resistencia a la corrosin.l Resistencia al desgaste.l Resistencia a altas temperaturas.

Algunas de estas propiedades slo se consiguen me-diante un tratamiento trmico posterior a la fabrica-cin de las piezas.

1.2 Clasificacin

Segn las propiedades mecnicas que presentan es-tos aceros especiales, luego del adecuado tratamien-to trmico, se les puede clasificar de la siguiente ma-nera:l Aceros de bonificacin.l Aceros de cementacin.l Aceros de nitruracin.l Aceros para muellesl Aceros resistentes a la abrasin.l Aceros inoxidables austenticos.l Aceros inoxidables Martensticos.l Aceros resistentes a la corrosin por temperatura.

2. DEFINICIONES

2.1 Ensayo de traccin:Es una de las propiedades ms importantes de losaceros para maquinaria. Este valor se determina enlaboratorio, durante esta prueba se somete a una pro-

beta de un acero determinado a fuerzas de traccinen los dos extremos de ella. Durante el ensayo la pro-beta ofrece una resistencia creciente a la traccin hastaque llega un momento en que ella empieza a estirar-se, luego a deformarse y finalmente se rompe o frac-tura.El ensayo mecnico de traccin es empleado paraobtener informacin bsica sobre la resistencia me-cnica de los materiales y su ductilidad.El objetivo del ensayo es determinar la relacin entrela carga (fuerza) de traccin aplicada y el alargamientoproducido en un material. La forma y magnitudes dela curva dependern de su composicin qumica, tra-tamiento trmico, deformaciones previas y temperatu-ra entre otros.

Figura 1: Curva general de fuerza vs. Alargamiento.Elaboracin propia.

Existen dos parmetros de suma importancia que seobtienen con este ensayo:

Resistencia a la traccin ( B):Es el cociente obtenido al dividir la carga mxima porla seccin transversal de la probeta:

B = Fmax / A0


36

Lmite de fluencia ( F ):Es la tensin a partir de la cual el alargamiento crecerpidamente sin que haya aumento sensible de la car-ga. En algunos aceros es difcil determinarla, por estarazn se le aproxima al Lmite elstico.

Lmite Elstico ( E):Es el mayor esfuerzo que al dejar de actuar, no produ-ce ninguna deformacin permanente.

2.2 Resistencia a la fatiga:La fatiga es un fenmeno que origina la fractura bajoesfuerzos repetidos o fluctuantes, con un valor mxi-mo menor que la resistencia a la traccin del material(0,25 - 0,5% en los aceros). Las fracturas por fatigason progresivas, empezando como fisuras diminutasque crecen bajo la accin del esfuerzo fluctuante. Lasfallas por fatiga son los tipos ms comunes de fractu-ra en mquinas y probablemente constituyen el 90%de todas las fracturas.Las roturas por fatiga son muy caractersticas y pre-sentan en la fractura dos zonas muy diferentes:

En la figura se observa cmo disminuye la resistenciaa la fatiga de los aceros cuando el material tiene de-fectos superficiales, un mecanizado basto o se ha pro-ducido un ataque qumico.De otro lado los cambios de secciones deben hacer-se siempre suaves y bien pulimentados, evitando aris-tas o radios muy pequeos.La resistencia a la fatiga se ve incrementada notable-mente con tratamientos termo-qumicos de endureci-miento superficial tales como la cementacin y lanitruracin.

Figura 2: Variacin de la resistencia a la fatiga enfuncin de entalle.

Las partes oscuras de la fractura (marcas de playa oconcha de almeja) corresponden a zonas en las queha habido un fuerte frotamiento de una cara contraotra antes de producirse la rotura y corresponden a lazona donde comenz a fallar el material y, en cambio,la estructura ms cristalina y limpia corresponde a laparte que se rompi al final.En el diseo de elementos de mquinas se deben pres-tar especial atencin a las zonas de cambio de sec-cin, irregularidades superficiales, canales chaveterosy dems concentradores de tensiones donde se origi-na la falla por fatiga.

Figura 3: Variacin de la resistencia a la fatigaen funcin del medio corrosivo y el acabado

superficial.

0

20

40

60

80

100

40 60 80 100 120 140 160

Resistencia a la traccin en kg/mm2

Dism

inuc

in

de la

resi

sten

cia

a la

fa

tiga

%

rectificado espejo

rectificado normalmecan

izado

con en

talla circ

ularcon

cascar

illa

corros

in con

aguacor

rosin

con agua

salada

Influen

cia dem

edio co

rrosivo

Influen

cia del acabadosuperficial

3. ACEROS PARA MAQUINARIA

3.1 Aceros de Bonificacin:

Son aceros que desarrollan un alto lmite de fluencia yaltas resistencias a la traccin y a la fatiga, as comouna excelente tenacidad luego de haber sido someti-dos a un tratamiento trmico de templado y revenido(generalmente a temperaturas superiores a los450 C). Este tratamiento trmico es tambin llamadotratamiento de BONIFICACION.El criterio principal para la eleccin de uno de estosaceros es determinado por la resistencia y tenacidadobtenibles en funcin de la seccin transversal, ascomo tambin en funcin a las propiedades propor-cionadas por un tratamiento trmico a ncleo:

UNIFORMIDAD DE LAS PROPIEDADES MECANI-CAS A TRAVES DE TODA LA SECCION.

Aceros para Elementos de Mquinas

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Figura 4: Templabilidad en losaceros para bonificacin.

La resistencia a la traccin es determinada principal-mente por el contenido de carbono, mientras que latenacidad, la templabilidad (capacidad de bonificar ancleo) y la relacin entre lmite de fluencia y la resis-tencia a la traccin, depende de los dems elementosde aleacin.Para dimensiones pequeas, los aceros al carbonocumplen satisfactoriamente con las exigencias mec-nicas.Para elementos de mquinas con mayores seccionestransversales se hacen necesarias aleaciones concontenidos cromo. Nquel, molibdeno, entre otros.

3.1.1 Aplicaciones de los aceros de bonificacin

AISI 4340 H - VCNBHLER V155 :Piezas altamente exigidas de grandes secciones trans-versales para la industria automotriz, pesquera agr-cola, minera y pesada en general. Ejemplos: Ejes depropulsin, barras de conexin, ejes pin, ejes detorsin, cigueales, rotores, ejes de transmisin, per-nos SAE grado 8, grado 10.

AISI 4140 - VCLBHLER V320 :Elementos de mquinas de dimensiones medianas dealto lmite de fluencia y tenacidad. Ejemplos:Cigueales de prensas excntricas, engranajes de altavelocidad, ejes de bombas, ejes dentados, pernos SAEgrado 8, grado 10.

AISI 1045 - HBHLER V945 :Elementos de mquina de menores dimensiones ypocas exigencias mecnicas. Ejemplos: Ejes, rboles

de transmisin, pasadores, chavetas, pernos SAEgrado 2 (recocido), grado 5 (bonificado).

3.2 Aceros de Cementacin:

Son aceros con bajo contenido de carbono(de 0,05 a 0,25) que se utilizan en partes de mqui-nas y motores que deben tener una gran dureza su-perficial y simultneamente buena tenacidad o resis-tencia al impacto.Estas caractersticas aparentemente opuestas se ob-tienen cementando la superficie de las piezas. Du-rante el tratamiento de cementacin se aadetermoquimicamente carbono a la superficie, es decir,que se "carbura" la periferia de la pieza, luego se tem-pla y reviene. Se puede considerar que las piezas astratadas estn constituidas por dos aceros diferentes:uno en el ncleo con bajo contenido de carbono por lotanto tenaz y resistente, y otro en la capa cementadade alto contenido de carbono (0,8 a 1,00 %)con unadureza muy elevada que le otorga alta resistencia aldesgaste.

3.2.1 Clasificacin general de acerospara cementacin

Aceros al carbono:Aceros que slo contienen en cantidades apreciablescarbono, silicio y manganeso, adems de pequeosporcentajes de impurezas como fsforo y azufre. Secaracterizan fundamentalmente porque para conse-guir elevadas durezas se hace necesario el temple enagua lo que ocasiona apreciables deformaciones y lohace inconveniente para geometras complicadas. Deotro lado durante la cementacin de estos aceros seproduce un mayor crecimiento de los granos generan-do fragilidad.

Aceros aleados:Para la fabricacin de piezas de gran responsabili-dad, en la que se quieren evitar deformaciones y ob-tener elevadas resistencias en el ncleo central. Seconsiguen las mximas durezas (superiores a 60HRC), con temple de media severidad como el aceitee incluso baos isotrmicos para martempering. Secaracterizan adems por mantener una estructura delgrano fino lo que garantiza una elevada tenacidad.

3.2.2 Profundidad de cementacin

Existen factores que determinan el espesor de lacapa cementada entre los cuales se pueden desta-car los siguientes:

l El tipo de material que se va cementar.l Geometra: Espesor del diente (mdulo).l Tolerancia

20

25

30

35

40

45

50

55

60

avances en tratamientos termicos

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