David Espinosa

Informe No 2

Gr 4

21/11/2014

ESCUELA POLITCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Tecnologa de Conformado

Tema: Tratamientos Trmicos

Objetivos: Identificar el Diagrama General de Tratamientos Trmicos

Clasificar los tratamientos trmicos

Identificar el Diagrama FeC

Practica de Temple

Practica de Revenido

Marco Terico: El objetivo principal que conlleva los tratamientos trmicos es conocer las propiedades de los metales y la razn de cambio que tienen estos en su composicin qumica al calentarlos y enfriarlos para aplicar este principio para el uso prctico.

Los diagramas de fases de las aleaciones son de gran importancia porque existe una estrecha relacin entre microestructura y propiedades mecnicas y porque el desarrollo de la microestructura de una aleacin est relacionado con las caractersticas de su diagrama de fases. Por otro lado, los diagramas de fases aportan valiosa informacin sobre la fusin, el moldeo, la cristalizacin y otros fenmenos dentro de las tratamientos trmicos es importante conocer los diagramas de fase. Los diagramas de fase presin-temperatura en el equilibrio como el diagrama de fase PT del hierro. Una diferencia fundamental de ese diagrama de fase es que tiene tres fases slidas distintas y separadas: alfa () Fe, gamma () Fe, y delta () Fe. El hierro alfa y el hierro delta tienen estructuras cristalinas BCC, mientras el hierro gamma tiene una estructura FCC. Los lmites de fase en el estado slido tienen las mismas propiedades que los lmites de las fases lquida y slida.

Otro diagrama importante son las curvas de enfriamiento que pueden emplearse para determinar las temperaturas de transicin de las fases tanto para metales puros como para aleaciones. Una curva de enfriamiento se obtiene al registrar la temperatura de un material y compararla con el tiempo a medida que se enfra desde una temperatura en la cual se funde, mediante solidificacin y, finalmente, a temperatura ambiente. La curva de enfriamiento tambin puede proporcionar informacin relativa a la transformacin de las fases de estado slido en los metales.

Fig. 1: Curva de enfriamiento para un metal puro, [William F. Smith., 2006], pg.314.

Fig. 2 Posibles transformaciones de la descomposicin de la austenita, [Callister, 2004], pg.350.

Diagrama Eutectoide: La transformacin durante el enfriamiento de un lquido con la composicin eutctica en dos fases slidas con una microestructura caracterizada por un tamao de grano relativamente fino puede ser considerada como un tipo especial de reaccin qumica. La reaccin eutctica se puede escribir como

Enfriamiento L (eutctico) -------------- a +

Diagrama Peritctico: En la mayora de sistemas binarios los componentes puros presentan temperaturas de fusin bien diferenciadas. En algunos sistemas, sin embargo, los componentes forman compuestos estables que pueden tener una temperatura de fusin no tan clara. Se emplea el trmino peritctico para describir este fenmeno de fusin incongruente.

Diagramas Binarios Generales: Un compuesto qumico formado entre dos componentes en el caso de un sistema binario, ha sido un diagrama peritctico. La formacin de compuestos intermedios resulta bastante frecuente, no estando este fenmeno asociado nicamente a la reaccin peritctica.

El endurecimiento por precipitacin resulta del desarrollo de partculas de una nueva fase, por tanto la explicacin del procedimiento del tratamiento trmico se facilita mediante la utilizacin de un diagrama de fases. El diagrama de fases debe tener la forma mostrada en la Figura 2 para el hipottico sistema A-B. Un sistema de aleacin es endurecible por dispersin si su diagrama de equilibrio cumple las dos siguientes condiciones: que la solubilidad mxima de un componente en otro sea considerable, del orden de varios porcentajes; y que el lmite de solubilidad del componente principal disminuya rpidamente al descender la temperatura.

Fig. 3: diagrama de fases de una aleacin endurecible, [Callister, 2004], pg.350.

Un diagrama de fases binario de dos metales A y B completamente solubles el uno en el otro, usado para la deduccin de las ecuaciones de la regla de la palanca. A una temperatura T, la composicin de la fase lquida es wl y la de la fase slida ws. Para obtener las ecuaciones del sistema se considera un diagrama de fases binario en equilibrio de dos elementos A y B, que son completamente solubles el uno en el otro, como se lo representa en la figura 3.

Fig. 4: Diagrama fase binaria de dos metales A y B, [William F. Smith.2006], pg.319.

Clasificacin de los Tratamientos Trmicos

Los tratamientos trmicos convencionales para producir aceros martensticos suelen consistir en enfriamientos rpidos y continuos.

Templabilidad: La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composicin qumica y est relacionada con un parmetro denominado templabilidad.

Endurecimiento por Precipitacin: La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metlicas pueden aumentar por la formacin de partculas extremadamente pequeas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la original fase matriz.

Tratamiento Trmico de disolucin: El endurecimiento por precipitacin se consigue mediante dos tratamientos trmicos diferentes. El primero es un tratamiento trmico de disolucin en el que los tomos de soluto se disuelven para formar una disolucin slida monofsica y el segundo un tratamiento trmico de precipitacin, en la mayora de las aleaciones las velocidades de difusin son extremadamente lentas.

Tratamiento trmico de precipitacin: El tratamiento trmico de precipitacin consiste en calentar la disolucin slida sobresaturada a una temperatura intermedia T, dentro de la regin bifsica, temperatura a la cual la velocidad de difusin es apreciable. La fase precipitada i3 comienza a formarse como partculas finamente dispersas de composicin Cp., proceso que a veces se denomina "envejecimiento"

Mecanismos de Endurecimiento: Las aleaciones de aluminio de alta resistencia generalmente se endurecen por precipitacin. Aunque muchas de estas aleaciones tienen diferentes proporciones y combinaciones de elementos aleantes, quiz el mecanismo de endurecimiento ms estudiado corresponde a la aleacin aluminio-cobre.

Fig. 5: etapas de la formacin de precipitados de fase () , [Callister, 2004], pg.353

Conformacin Metlica: . Las tcnicas de conformacin metlica son los mtodos utilizados para formar o manufacturar productos metlicos tiles y suelen ir precedidos por procesos de afino, aleacin y, a menudo, tratamiento trmico que generan aleaciones con las propiedades deseadas.

Fig. 6: tcnicas de conformacin metlica, [Callister, 2004], pg.360

Diagrama Hierro-Carbono.

Las aleaciones frreas, cuyo principal componente es el hierro, son las que ms se producen y las que tienen mayor inters como material para la construccin de aparatos.

Aleaciones Frreas: Las aleaciones frreas, cuyo principal componente es el hierro, son las que ms se producen y las que tienen mayor inters como material para la construccin de aparatos. Este uso generalizado se debe a tres factores: en la corteza de la tierra abundan los compuestos de hierro, los aceros se fabrican mediante tcnicas de extraccin, afino, aleacin y conformacin relativamente econmicas y las aleaciones frreas son extremadamente verstiles, ya que se pueden adaptar para que tengan una gran variedad de propiedades fsicas y mecnicas

Aceros: Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros que tienen distintas composiciones y/o tratamientos trmicos. Las propiedades mecnicas de penden del contenido en carbono, que suele ser inferior al 1%. Los aceros ms comunes se clasifican segn el contenido en carbono: bajo, medio y alto en carbono. Adems, en cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentracin de otros elementos de aleacin.

Aceros bajos en carbono: La mayor parte de todo el acero fabricado es bajo en carbono. Este tipo de acero contiene menos del 0,25%C, no responde al tratamiento trmico para formar martensita y es endurecible por acritud. La microestructura consiste en ferrita y perlita. Como consecuencia, estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad.

Fig. 7: Clasificacin de varias aleaciones frreas., [Callister, 2004], pg.365

Aceros medios en carbono: Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tratados trmicamente mediante austenizacin, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecnicas. Se suelen utilizar en la condicin de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, slo tratables en piezas de delgada seccin y velocidades de temple muy rpidas.

Aceros altos en carbono: Los aceros altos en carbono normalmente contienen entre 0,60 y 1,4% C y son ms duros, resistentes y an menos dctiles que los otros aceros al car bono. Casi siempre se utilizan en la condicin templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte.

Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables resisten la corrosin (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmsfera. El cromo es el principal elemento de aleacin, en una concentracin mnima del 11%. Las adiciones de los elementos de aleacin en concentraciones significativas producen dramticas alteraciones en el diagrama de fases hierro-carburo de hierro

Fig. 8: diagrama de fases hierro-carbono con grafito en lugar de la cementita [Callister,2004], pg.370 Fundicin: Genricamente, las fundiciones se clasifican como aleaciones frreas con un contenido en carbono superior al 2,1%; sin embargo, en la prctica, la mayora de las fundiciones contienen entre 3 y 4,5% C y otros elementos de adicin.

Descripcin de la Prctica: Se us como materiales a los aceros: DF2,709, de construccin y de transmisin, en los cuales la dureza fue medida en la prctica anterior en la escala de dureza de Rockwell B.

Para la prctica de temple el medio de temple el ms utilizado es el agua, seguido del aceite y del aire y la relacin entre velocidad de enfriamiento y tamao y geometra de la muestra son otros factores que influyen en la formacin de martensita. Estas grficas y los datos de templabilidad permiten dibujar los perfiles de dureza a travs de la seccin.

Para la prctica se deben introducir aceros en la mufla elctrica, el acero DF2 debe estar en la primera caja sobre la cama de limalla y bajo los aceros 709, acero de construccin y acero de transmisin; el acero 709, de construccin y de transmisin en la segunda y en acero 709, de construccin y transmisin en la tercera a cada uno de los aceros se los coloco en una cama de limalla respectivamente, la propiedad que otorga esta sustancia es que soporta altas temperaturas, tiene alto contenido de carbono, protege a la muestra de acero, evita la oxidacin y la perdida de calor. A la limalla se la coloco con una cuchara en una caja metal que es una probeta y encima se coloc una capa de limalla, posteriormente se puso a los aceros cada uno en una caja diferente respectivamente y se aplic otra capa de limalla a las cajas de metal pero solo al acero DF2 que se lo coloco en la tercera caja se lo coloco encima de la limalla sin la proteccin de esta, a las cajas se las coloco sobre una planchas de material refractario.

Fig. 9: Acero DF2 sin la proteccin de limalla, [Fotografa]

A las cajas se las introdujo dentro de un horno de mufla elctrica que estaba a una temperatura interna de 930 oC.

Fig. 10: Horno de mufla, [Fotografa]

Se introdujo primero la tercera caja, despus la segunda y al ltimo a la primera, despus de ingresar las cajas en el orden establecido, se deben tomar unos 20 minutos para que tengan igual temperatura.

Despus se sacan las probetas y se lleva a enfriar cada uno de los aceros en las sustancias de agua, aceite y el medio ambiente.

Fig. 11: enfriamiento del acero DF2, [Fotografa]

Al acero de la tercera caja se lo introduce en agua y el tiempo de enfriamiento fue de 46 segundos, al acero de la segunda caja se lo introdujo en aceite(desgastado-menos inflamable) y su tiempo de enfriamiento fue de 104 segundos y posteriormente se dej que el acero de la tercera caja se enfriase a temperatura ambiente cuyo dato de enfriamiento fue de 10 minutos.

Para la prctica de revenido

Para ajustar las propiedades mecnicas del acero, puede disminuirse la fragilidad de este acero volviendo a calentarlo a una temperatura a la que sea posible la transformacin a las fases de equilibrio a y Fe3C. Calentando durante poco tiempo a una temperatura moderada, se obtiene un producto de elevada resistencia y baja ductilidad. Al calentar durante tiempos mayores se obtiene una mayor ductilidad (debido a que la cantidad de martensita restante es menor).

Para esta prctica primero se debe medir la dureza de los metales que se introdujeron en las sustancias liquidas para enfriar y la del acero enfriado en el medio ambiente, La dureza se la realiza con el durmetro utilizando el mismo principio que se us en la prctica de durezas, se realizan las mediciones en la escala de Rockwell C o si la medida es baja(20-80)se la realiza en la escala de Rockwell C. Posteriormente se procede a calentar a los metales con una capa de limalla y a una temperatura de 630 oC en un horno para que se d el proceso de revenido, se debe esperar 30 minutos y otra vez se mide las durezas de los metales despus de todo este proceso.

Tabla de Datos Obtenidos:

Tabla 1.Dureza inicial de los aceros

Dureza medida de los aceros

Acero

DF2

709

AC

AT

Medida 1

H94RB

H96RB

H72RB

H76RB

Medida 2

H96RB

H102RB

H78RB

H74RB

Medida 3

H92RB

H102RB

H78RB

H68RB

Tabla 2.Templado

ACERO

AGUA

ACEITE

AMBIENTE

709

H51RC

H64RC

H33RC

H54RC

H64RC

H37RC

H51RC

H65RC

H36RC

CONSTRUCCIN

H47RC

H90RB

H82RB

H50RC

H89RB

H84RB

H49RC

H89RB

H85RB

TRANSMISIN

H93RB

H84RB

H77RB

H92RB

H84RB

H79RB

H95RB

H78RB

H78RB

Tabla 3.Revenido

ACERO

AGUA

ACEITE

AMBIENTE

709

H27RC

H20RC

H32RC

H27RC

H22RC

H39RC

H22RC

H28RC

H40RC

CONSTRUCCIN

H87RC

H81RB

H80RB

H90RC

H85RB

H81RB

H88RC

H83RB

H80RB

TRANSMISIN

H80RB

H72RB

H74RB

H81RB

H75RB

H74RB

H80RB

H74RB

H77RB

Tabla de datos calculados:

Tabla 4. Promedio de la dureza inicial de los aceros y transformacin a Brinell

Dureza medida de los aceros

Acero

DF2

709

AC

AT

Medida 1

H94RB

H96RB

72RB

H76RB

Medida 2

H96RB

H102RB

78RB

H74RB

Medida 3

H92RB

H102RB

78RB

H68RB

Promedio

H94RB

H100RB

76RB

H72.66RB

En Brinell

HH204BS

H241BS

H139BS

H129BS

Tabla 5. Promedio de la dureza despus del templado y transformacin a Brinell

:

ACERO

AMBIENTE

DUREZA PROMEDIO

TRANSFORMACIN A BRINELL

709

AGUA

H52RC

H479BS

ACEITE

H64RC

H650BS

AIRE

H35RC

H313BS

CONSTRUCCIN

AGUA

H49RC

H450BS

ACEITE

H89RB

H176BS

AIRE

H84RB

H161BS

TRANSMISIN

AGUA

H93RB

H194BS

ACEITE

H82RB

H155BS

AIRE

H78RB

H144BS

Tabla 6. Promedio de la dureza despus del revenido y transformacin a Brinell

ACERO

AMBIENTE

DUREZA PROMEDIO

TRANSFORMACIN A BRINELL

709

AGUA

H25RC

H258BS

ACEITE

H23RC

H241BS

AIRE

H37RC

H329BS

CONSTRUCCIN

AGUA

H88RC

H176BS

ACEITE

H83RB

H155BS

AIRE

H80RB

H149BS

TRANSMISIN

AGUA

H80RB

H149BS

ACEITE

H74RB

H134BS

AIRE

H75RB

H134BS

Anlisis de Datos: Los datos obtenidos en la medicin de la dureza de los diferentes aceros comprueban que las propiedades constitutivas de los materiales utilizados son diferentes, se obtuvo que los aceros varan su dureza dependiendo de los cambios que lleguen a tener en su estructura molecular.

Conclusiones: La dureza de un acero se debe principalmente al contenido de pureza que este contenga, los aceros que se estudiaron en la prctica mostraban un grado de durabilidad aceptable.

La perlita y la bainita se forman durante el enfriamiento de la austenita, que es una solucin slida con red cbica centrada en las caras. La microestructura conocida como martensita revenida.

Durante el enfriamiento lento de un acero, este adquiere la propiedad de dureza y tenacidad ya que los tomos que conforman el metal tienen suficiente tiempo para agruparse nuevamente.

La limalla sirve para proteger a las muestras de acero del calor excesivo gracia a su alto contenido de carbono.

El revenido sirve para que el acero adquiera una condicin de ser ms blando y ms dctil.

El acero se oxida fcilmente si no se coloca una capa de limalla sobre este al momento de introducirlo en el horno de mufla elctrico.

Recomendaciones: Tener cuidado al momento de abrir el horno de mufla elctrica ya que internamente esta calentado a una temperatura considerable.

Tener precaucin al ,momento de introducir la muestra en el aceite ya que contiene un grado de inflamabilidad y genera una llama al ponerse en contacto con el calor excesivo.

Medir correctamente la dureza de los aceros en la escala recomendable.

Se debe dejar un espacio entre el ingeniero y el estudiante al momento de introducir las muestras de acero en las sustancias ya que puede ocurrir un accidente.

Conocer la teora sobre los tratamientos trmicos para saber lo que pasa cuando acurren los fenmenos de oxidacin posterior a el temple.

Bibliografa:

DONALD R.ASKELAND, (1998), Ciencia e Ingeniera de los Materiales, 3ra edicin, International Thomson Editores S.A.

JAMES F. SHACKELFORD, (2005), Introduccin a la Ciencia de Materiales para Ingenieros, 6ta edicin, Pearson Educacin, S.A.

CALLISTER, JR., William D. (2004), Ciencia e Ingeniera de los Materiales, 3ra edicin, EDITORIAL REVERT , S . A .

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