EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA MICROESTRUCTURA Y EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO AISI 1045

Edilberto Antonio Flórez Tavera1, Osmaider Javier Fuentes Vidal1, Luis Armando Espitia

Sanjuán1*

1 Grupo de investigación en ingeniería, ciencia y tecnología, programa de Ingeniería Mecánica - Universidad de Córdoba, Carrera 6 No. 76 -103 Montería - Córdoba - Colombia

*e-mail: luisespitia@correo.unicordoba.edu.co

RESUMEN

Muestras de acero AISI 1045 fueron tratadas térmicamente usando los tratamientos de recocido,

normalizado temple y revenido, este último a seis temperaturas diferentes. Después de los

tratamientos térmicos, las muestras fueron caracterizadas microestructuralmente usando

microscopia óptica y mediciones de dureza en escala Vickers. Se realizaron ensayos de tensión

bajo norma ASTM E 8M y de las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria

se calcularon los valores de módulo elástico, resiliencia, tenacidad, esfuerzo de fluencia, esfuerzo

último, porcentaje de elongación y porcentaje de reducción de área. En todos los casos, la

condición de estado de entrega del acero se utilizó como punto de comparación. Los resultados

mostraron que los tratamientos térmicos modificaron tanto la microestructura como las propiedades

mecánicas del acero AISI 1045. En las condiciones de estado de entrega, recocido y normalizado

se observó una microestructura constituida por ferrita y perlita. Los tratamientos térmicos de temple

y revenido produjeron martensita en forma de ripas, característica de aceros de medio carbono. El

esfuerzo último osciló entre 515 MPa y 1314 MPa, así mismo, el esfuerzo de fluencia varió en el

intervalo de 270 MPa hasta 1000 MPa. Los valores de resiliencia, tenacidad, porcentaje de

elongación y porcentaje de reducción de área oscilaron en los rangos de 0,53 - 3,90 J/mm3, 23,80 -

207,30 J/mm3, 4,40 - 24,40 % y 1,22 – 14,83 % respectivamente. Los valores de módulo elástico

no presentaron variaciones significativas presentando un valor promedio de 227 GPa.

Palabras Claves: Acero AISI 1045, Propiedades Mecánicas, Tratamiento Térmico.

1. INTRODUCCIÓN

Las aleaciones ferrosas, cuyo principal componente es el hierro, son las que más se producen y

las que tienen mayor interés como material para el diseño y la construcción en ingeniería, debido a

la buena combinación de propiedades como resistencia, tenacidad y ductilidad a costos

relativamente bajos [1]. Dentro de las aleaciones ferrosas se destacan dos categorías los aceros y

las fundiciones. Los aceros son aleaciones versátiles y de amplia aplicación en el campo de la

ingeniería. Sus propiedades mecánicas están determinadas principalmente por el contenido de

carbono y por los elementos aleantes empleados durante el proceso de fabricación, sin embargo,

es posible modificar propiedades específicas a través de tratamientos térmicos [2]. En el sentido

más amplio, los tratamientos térmicos son procesos en función de temperatura y tiempo aplicados

a metales y aleaciones con el fin de obtener propiedades mecánicas específicas a través de la

modificación de su microestructura. Estos procesos constan básicamente de tres etapas, una de

calentamiento en el cual se eleva la temperatura del material a un valor específico, un

sostenimiento en tiempo y temperatura determinado por la geometría y la composición del material,

y una etapa final de enfriamiento que en función de la microestructura deseada establece el medio

de enfriamiento que va a extraer calor [3,4]. Un ejemplo claro de una aleación ferrosa a la que se le

puede modificar sus propiedades mecánicas por tratamiento térmico es el AISI 1045. Este acero

simple al carbono cuyo porcentaje de carbono es de 0,45 %, se emplea típicamente en la

fabricación de partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad como por ejemplo, manivelas,

pernos, bulones, engranajes de baja velocidad, entre otros [5]. En este trabajo, se evaluó el efecto

de los tratamientos térmicos de recocido, normalizado, temple y revenido en la microestructura y en

las propiedades mecánicas del acero AISI 1045. La caracterización microestructural se realizó

usando microscopía óptica y mediciones de dureza en escala Vickers. Las propiedades mecánicas

se calcularon a partir de curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria obtenidas

a partir de ensayos de tensión bajo norma ASTM E8. Los resultados son presentados en función

del tratamiento térmico estableciendo relaciones entre microestructura y propiedades mecánicas.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Material

A partir de una barra de acero AISI 1045 con diámetro de 19,05 mm y longitud de 6 m se

maquinaron cilindros de 190 mm de longitud. La composición química del acero AISI 1045 medida

a partir de espectrometría de emisión óptica se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Composición química nominal y medida por Espectroscopia de Emisión Óptica del Acero

AISI 1045 en Estado de Entrega.

Elementos en porcentaje en peso

C Mn P S Fe

Valor

nominal 0,430 - 0,500 0,600 - 0,900 0,040 Max 0,050 Max Balance

Valor

medido 0,438 0,704 0,042 0,020 Balance

2.2. Tratamientos térmicos

Los cilindros fueron sometidos a los tratamientos térmicos de normalizado, recocido, temple y

revenido a cinco temperaturas diferentes. Todos los tratamientos térmicos se realizaron en un

horno tipo mufla con rampa de calentamiento de 60 ºC/min. La Tabla 2 muestra las temperaturas,

tiempos y medios de enfriamiento empleados en cada tratamiento térmico.

Tabla 2. Parámetros de los tratamientos térmicos realizados.

Tratamiento

térmico Nomenclatura

Temperatura de

austenización (°C)

Tiempo de

sostenimiento

(min)

Forma de

enfriamiento

Recocido R 815 60 Dentro del horno

apagado

Normalizado N 888 60 Aire libre no

forzado

Temple T 850 30

Agua a

temperatura

ambiente

Revenido Nomenclatura Temperatura de

revenido

Tiempo de

sostenimiento

(min)

Forma de

enfriamiento

1 TyR 200 °C 200 °C 60 Aire libre no

forzado

2 TyR 300 °C 300 °C 60 Aire libre no

forzado

3 TyR 400 °C 400 °C 60 Aire libre no

forzado

4 TyR 500 °C 500 °C 60 Aire libre no

forzado

5 TyR 600 °C 600 °C 60 Aire libre no

forzado

El estado de entrega del acero se utilizó como material de referencia en todos los casos.

2.3. Caracterización microestructural

Se tomaron muestras del acero en estado de entrega y una por cada tratamiento térmico y fueron

preparadas metalográficamente acorde a la norma ASTM E3 (2017) [6] utilizando lijas de papel

número ASTM 80, 120, 220, 320, 400, 600, 1000 y 1200. Posteriormente, fueron pulidas en un

paño impregnado con alúmina con tamaño de partícula de 1 µm. En todos los casos, la

microestructura del acero se reveló utilizando nital al 5 % acorde a la norma ASTM E407 (2015) [7].

La observación de la microestructura se realizó en un microscopio óptico de luz reflejada dotado

con cámara digital de 10 Megapíxeles y software de adquisición de imágenes. Las medidas de

dureza Vickers se realizaron acorde a la norma ASTM E92 (2017) [8].

2.4. Ensayo de tensión y propiedades mecánicas

Las probetas para los ensayos de tensión se maquinaron en un torno tipo CNC cumpliendo con las

dimensiones del espécimen 1 establecidas en la norma ASTM E8M (2017) [9]. Los ensayos de

tensión se realizaron en una máquina universal marca MTS C45-305 con capacidad máxima

nominal de 300 kN. En todos los ensayos se utilizó un extensómetro con resolución de 0,001 mm y

velocidad de ensayo de 0,03 mm/s. A partir de las gráficas de esfuerzo normal en función de la

deformación unitaria para todas las condiciones del acero, se calcularon las siguientes

propiedades: esfuerzo de fluencia, esfuerzo último, módulo elástico, resiliencia y tenacidad.

3. RESULTADOS Y DISCUCIÓN

3.1 Caracterización microestructural

La Figura 1, muestra la microestructura del acero AISI 1045 en las condiciones de estado de

entrega, recocido y normalizado.

a) estado de entrega b) recocido

c) Normalizado

Figura 1. Microestructura del acero AISI 1045, a) estado de entrega, b) recocido y c) normalizado.

Microscopía óptica, 1000x.

Al observar las anteriores microestructuras, es posible notar la presencia de dos fases. Acorde a la

composición del acero, la fase clara corresponde a ferrita y la fase oscura corresponde a perlita. La

ferrita y la perlita son las fases estables que presentarían los aceros simples al carbono en

condiciones ambientales. La ferrita es una solución sólida intersticial con átomos de carbono

disuelto en una estructura cúbica centrada en el cuerpo de hierro α [10]. En cambio, la perlita está

constituida por láminas intercaladas de ferrita y de cementita. Los Valores de dureza medidos en el

acero en la condición de estado de entrega registró el mayor valor de dureza con 247±4 HV,

seguido de la condición normalizado con 200±5 HV y el acero en condición de recocido mostró el

menor valor de 173±15 HV.

Por otra parte, la Figura 2 muestra la microestructura del acero AISI 1045 tratado térmicamente

mediante temple.

Figura 1. Microestructura del acero AISI 1045 templado constituida por martensita fresca o blanca.

Microscopía óptica, 1000x.

Véase que el temple produjo martensita fresca compuesta de tiras como hojas alargadas de hierba

o listones orientadas en direcciones paralelas y separadas. Esta morfología de la martensita es

característica de aceros templados con contenidos de carbono entre 0,2 y 0,6 % en peso.

La Figura 3, muestra los cambios de la martensita fresca en función de las cinco diferentes

temperaturas de revenido.

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 3. Microestructura del acero AISI 1045 templado y revenido a diferentes temperaturas, a)

200 ºC, b) 300 ºC, c) 400 ºC, d) 500 ºC, e) 600 ºC. Microscopía óptica. 1000x.

Es posible observar que a medida que aumenta la temperatura de revenido aumentó la cantidad de

zonas claras en la microestructura del acero. De acuerdo con la teoría, estas zonas se dan como

resultado del revenimiento de la martensita, proceso en el cual la martensita comienza a ceder

átomos de carbono creando ferrita y perlita, produciendo mayores cantidades a medida que

aumenta la temperatura de revenido y/o el tiempo de revenido. Por esta razón, la microestructura

del acero revenido a 600°C presenta la mayor cantidad de ferrita y perlita entre todas las

temperaturas de revenido.

3.2 Propiedades mecánicas

La Figura 4, muestra las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria del acero

AISI 1045 obtenidas a partir de los ensayos de tensión para los tratamientos térmicos de recocido

(R), normalizado (N), temple y revenido (T y R) a las 5 temperaturas diferentes.

Figura 4. Curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para el acero AISI 1045

con diferentes tratamientos térmicos.

Véase que en términos generales las propiedades mecánicas del acero fueron fuertemente

modificadas por los tratamientos térmicos. El esfuerzo último del acero AISI 1045 en función del

tratamiento térmico oscila aproximadamente entre 500 MPa y 1400 MPa, así mismo, el esfuerzo de

fluencia varía en el intervalo de 200 MPa hasta 1200 MPa siendo el menor valor de ambas

propiedades para el tratamiento térmico de recocido y el mayor para la condición templado y

revenido a 200 ºC. Nótese también que los valores tanto de esfuerzo último y de fluencia para la

condición de templado y revenido a las 5 diferentes temperaturas son mayores que para los

estados de entrega, recocido y normalizado. Esta tendencia era la esperada porque el tratamiento

térmico de temple aumenta la resistencia mecánica del acero producto de la transformación

martensítica. Este tipo de estructura genera que el acero mejore sus propiedades mecánicas como

por ejemplo aumento de dureza, resistencia a la tracción y a la fluencia [1,11]. Vemos también para

T y R a 200 ºC hasta T y R a 500 ºC tienen un área bajo la curva menor comparada con T y R 600

ºC, R, N y EE; esto indica que la tenacidad para los primeros estados es menor que para los

segundos.

La tenacidad en un material corresponde a la medida de la capacidad de absorber energía antes

de la fractura [12]. Por lo general un material tenaz es dúctil, esta última da una medida de la

cantidad de deformación que puede soportar el material antes de su fractura [11]. En la Figura 4,

se observa que el acero AISI 1045 recocido presenta una deformación máxima aproximada de

0,375 mm/mm y un valor mínimo de 0,027 mm/mm para el estado T y R a 400 ºC. Los demás

estados tienen valores de deformación entre estos dos extremos. Se puede afirmar entonces que

el tratamiento térmico de recocido ofrece mayor capacidad de deformación que el resto de

tratamientos y por ende mayor ductilidad. Otro aspecto destacable, es que la condición de

templado y revenido a 600 ºC presentó mayor ductilidad puesto que mostró la mayor deformación

comparado con las otras temperaturas de revenido. Por otra parte, se observa que todas las

curvas poseen una misma pendiente en la zona elástica, esto indica a su vez que para tanto el

estado de entrega y para los diferentes tratamientos térmicos aplicados al material presenta el

mismo módulo elástico. Esto se debe a que en un tratamiento térmico se busca modificar

microestructura, es decir el arreglo de los átomos en el espacio, pero sin alterar el tipo de enlace

entre los átomos. Recordemos que el módulo elástico es una medida de la resistencia a la

separación de los átomos contiguos, es decir, de las fuerzas de enlace interatómicas [1]. Por

consiguiente, se puede afirmar que el módulo elástico es igual para el estado de entrega como

para los diferentes tratamientos térmicos. La resiliencia a temperaturas entre 200 ºC y 400 ºC

aumentó de 2,26 J/mm3 a 3,87 J/mm3 y luego disminuye hasta 0,841 J/mm3 a 600 ºC. En el caso

de la tenacidad se presentó un aumento considerable a temperaturas entre 400 ºC y 600 ºC a esta

última alcanza un valor máximo de 207 J/mm3.

La Tabla 3 relaciona todos los valores de las diferentes propiedades mecánicas calculadas a partir

de las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para todas las condiciones

evaluadas en este trabajo.

Tabla 3. Resumen de propiedades mecánicas del acero AISI 1045 en función del tratamiento

térmico.

Tratamiento

Térmico

Dureza

HV

Módulo

Elástico

GPa

Esfuerzo

de

Fluencia

MPa

Esfuerzo

Último

MPa

Resilienci

a

J/mm3

Tenacidad

J/mm3

Elong

ación

%

Reducc

ión de

área

%

Estado de

Entrega 247,80 215,26 520,00 666,69 0,53 172,73 22,00 14,83

Recocido 172,93 230,15 270,33 515,72 0,16 116,56 24,40 1,22

Normalizado 200,33 230,92 393,50 654,81 0,34 107,38 20,80 4,93

Temple y

Revenido

200 °C

591,67 227,65 725,00 1259,08 2,23 64,10 4,40 1,15

Temple y

Revenido

300 °C

513,67 227,86 930,00 1314,09 3,45 75,21 3,86 0,96

Temple y

Revenido

400 °C

424,33 230,53 1000,00 1176,38 3,87 23,71 6,37 1,88

Temple y

Revenido

500 °C

341,80 231,39 845,00 974,75 3,14 43,76 15,53 7,51

Temple y

Revenido

600 °C

281,67 220,43 624,00 773,82 0,84 207,29 17,66 14,11

4. CONCLUSIONES

Los tratamientos térmicos modificaron la microestructura y las propiedades mecánicas del acero

AISI 1045.

En las condiciones de estado de entrega, recocido y normalizado se observó una microestructura

constituida por ferrita y perlita. Por otro lado, los tratamientos térmicos de temple y revenido

produjeron una microestructura de martensita revenida en tiras, microestructura típica de aceros de

medio carbono sometidos a temple y revenido.

Los tratamientos térmicos de temple y revenido realizados en el acero AISI 1045 registraron un

aumento en su esfuerzo de fluencia y esfuerzo último con respecto al acero en estado de entrega.

A partir de los gráficos de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para todos los

estados del acero AISI 1045 se pudo observar que el esfuerzo último osciló entre 515 MPa y 1314

MPa, así mismo, el esfuerzo de fluencia varió en el intervalo de 270 MPa hasta 1000 MPa siendo

el menor valor de ambas propiedades para el tratamiento térmico de recocido y el mayor para la

condición templado y revenido a 200 ºC.

El acero templado y revenido presentó un comportamiento mayormente dúctil para temperaturas

de revenido superiores a 300 °C, adicionalmente a medida que se aumentó la temperatura de

revenido se observó una tendencia de recristalización y crecimiento de grano de martensita fresca

hacia granos de ferrita y cementita.

5. RFERENCIAS

[1]. Willian F. Smith, Javad Hashemi. Fundamentos de la Ciencia e Ingemiería de Materiales. Mc Graw Hill, Mexico D.F, 2006.

[2]. Alfredo Guemes Gordon, Nuria Martin Piris. Ciencia de materiales para Ingenieros. Pearson Educación, Madrid, 2012.

[3]. Pat L Mangonon. Ciencia de Materiales: Seleccion y Diseño. Pearson Educacion, México, 2001.

[4]. Asdrúbal Valencia Giraldo. Tecnología del tratamiento térmico de los metales.Universidad de Antioquia, Medellín, 2009.

[5]. Vásquez Torres E L, Barrera García D A.Influencia del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas en las propiedades de tensión, impacto, tenacidad de fractura y coeficiente de endurecimiento del acero (DP) AISI/SAE 1045.Universidad Libre De Colombia, Bogotá, 2013.

[6]. ASTM E3-17. Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens. ASTM INTERNATIONAL. 2017.

[7]. ASTM E407. Standard Practice for Microetching Metals and Alloys. ASTM INTERNATIONAL. 2015.

[8]. ASTM E92-17. Standard Test Methods for Vickers Hardness and Knoop Hardness of Metallic Materials. ASTM INTERNATIONAL. 2017.

[9]. ASTM E8/E8M-16a. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM INTERNATIONAL. 2016.

[10]. Bhadeshia H.K.D.H., Honeycombe R.W.K.Steels Microestructure and Properties.Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006.

[11]. Groover Mikell P. Funndamentos de Manufactura Moderno. Mc Graw Hill, Mexico D.F, 2007.

[12]. Callister Jr., William D. Ciencia e ingenieria de los materiales. Reverté S.A., New York, 1995.

Agradecimientos

Los autores de este trabajo desean agradecer a la vicerrectoría de investigación y extensión por el

apoyo suministrado a este trabajo a través del proyecto de investigación número FI-05-16.