elementos practicos parcial 2

121

UNIDAD 7Endurecimiento por aleacin. Aleacio-nes con transformacin martenstica

7.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIN

1 - La composicin de la martensita vara con: a) El contenido en carbono del acero. b) La temperatura de austenizacin. c) El medio de enfriamiento. d) La posicin relativa de Ms y Mf. R:A)

2 - Por qu se evita el revenido de aceros entre 200 y 400 C?: a) Por la bajada de dureza. b) Por la bajada de ductilidad. c) Por la bajada de tenacidad. d) Por la bajada de alargamiento. R: C)

3 - La obtencin de estructuras 100% martensticas en un acero requiere que: a) Ms se encuentre por encima de la temperatura ambiente. b) La velocidad de enfriamiento sea superior a la velocidad crtica. c) El acero sea aleado. d) a y b.

R:D)

4 - La transformacin martenstica tiene lugar en los materiales que presentan: a) Transformacin eutctica b) Transformacin eutectoide c) Transformacin alotrpica d) Slo ocurre en los acero R:C)

5 - El normalizado consiste en enfriar: a) Lentamente en el interior del horno b) Al aire ambiente c) Bruscamente en aceite d) Bruscamente en agua R: B)

6 - Los elementos de aleacin en general: a) Mejoran la templabilidad b) Mueven a la derecha la curva de las S c) Hacen descender la curva Ms d) Todas son correctas R:D)

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

122

7 - Los elementos de aleacin en los aceros se adicionan para: a) Elevar la temperatura de la transformacin martenstica. b) Aumentar la dureza por solucin slida. c) Mejorar la templabilidad. d) Posibilitar la eliminacin del revenido. R:C)

8 - El campo de aplicacin de la transformacin martenstica es el de: a) Metales o aleaciones enfriadas bruscamente. b) Aleaciones hierro-carbono. c) Metales o aleaciones con cambios alotrpicos. d) Aleaciones insolubles en estado slido. R: C)

9 - La dureza de la martensita del acero es debida a: a) El contenido en carbono. b) El contenido en elementos de aleacin. c) El contenido en azufre. d) La temperatura de austenizacin. R:A)

10 - Al incrementar el contenido en elementos de aleacin en los aceros: a) Se reduce la temperatura eutectoide. b) Disminuyen Ms y Mf. c) Aumenta el contenido en carbono del eutectoide. d) Aumenta la velocidad crtica de temple. R:D)

11 - La misin fundamental de los revenidos a alta temperatura, es: a) Ganar tenacidad b) Rebajar las caractersticas estticas c) Hacer el material apto para aplicaciones dinmicas d) Todas son correctas R:D)

12 - Cules de los siguientes procesos no requiere la difusin?: a) Envejecimiento b) Transformacin martenstica c) Recocido de homogeneizacin d) Revenido R: B)

13 - Las exigencias de precipitacin de dos fases en la transformacin baintica favorece: a) La forma laminar alternada. b) La forma globular diseminada. c) La formacin de granos alternados de las dos fases. d) Es invariante. R: A)

14 - El tamao crtico del ncleo de perlita disminuye con: a) Las tensiones trmicas del enfriamiento. b) El grado de subenfriamiento bajo la temperatura del eutectoide. c) La existencia de ncleos extraos. d) La mayor existencia de bordes de grano. R: B)

15 - La dilatometra puede ser usada para determinar los puntos de transformacin perltica ybaintica pues cuantifica fundamentalmente entre los componentes y productos: a) Sus diferentes coeficientes de dilatacin. b) Los diferentes calores especficos.

Unidad 7 - Endurecimiento por aleacin. Aleaciones con transformacin martenstica

123

c) Los coeficientes de conductividad trmica. d) Los diferentes volmenes especficos. R: D)

16 - La diferencia ms importante entre las bainitas superior e inferior est en: a) Las temperaturas del tratamiento isotrmico. b) La forma de la fase a proeutectoide. c) La forma de agujas o ndulos de su microestructura. d) El color de la estructura en el microscopio ptico. R: C)

17 - Los tiempos de inicio y terminacin de la transformacin perltica son crecientes con: a) La temperatura. b) La velocidad de enfriamiento. c) El contenido en carbono. d) El tamao de grano de la austenita. R: D)

18 - Los tiempos de inicio y terminacin de la transformacin perltica son crecientes con: a) La temperatura. b) Los elementos de aleacin. c) La acritud previa. d) Los solutos intersticiales. R: B)

19 - El elemento de aleacin que ms influye en la posicin hacia la derecha de las curvas de lasS de transformacin isotrmica es: a) Manganeso. b) Silicio. c) Nquel. d) Cromo. R: A)

20 - Las caractersticas resistentes de la estructura martenstica se multiplican, sobre las de laaustenita original, por un factor del orden de: a) 1.5 a 2. b) 2 a 4. c) 4 a 10. d) Ms de 10. R:C)

21 - Las microestructuras de listn o placa de la martensita tienen similitud en: a) Tamao. b) Apariencia. c) Coloracin. d) Plaquetas finsimas deslizadas o macladas. R: D)

22 - El plano habitual de la martensita est definido por: a) El plano de ms fcil deslizamiento en la austenita. b) El plano comn de coherencia entre la austenita y martensita. c) El plano incoherente de formacin de la martensita. d) El plano interfase entre la austenita y martensita. R:B)

23 - Las distorsiones de Bain indican: a) Las tensiones de compresin y cortante que se observan en la formacin de las placas de

martensita. b) Las deformaciones trmicas que aparecen asociadas al proceso de enfriamiento en el


124

temple. c) Las variaciones atmicas obligadas por el cambio de red cristalina en la transformacin

alotrpica. d) Las posiciones de los tomos durante la transformacin martenstica. R: A)

24 - La velocidad crtica de temple que se requiere para alcanzar las transformaciones sindifusin del soluto debe ser: a) Enfriamiento alto; por ejemplo, agua agitada. b) Enfriamiento continuo alto, suficiente para no cortar a la nariz perltica de las curvas de

las S. c) Enfriamiento en fluido aceite o agua. d) Enfriamiento menor que el necesario para no formar estructuras perlticas. R:B)

25 - La velocidad crtica de temple depende de: a) Temperatura de austenizacin. b) Elementos de aleacin. c) Contenido en carbono. d) Del fluido de enfriamiento. R: B)

26 - Una transformacin martenstica se denomina atrmica porque: a) No depende de la temperatura. b) No es isotrmica. c) Es invariante con la energa interna. d) Depende de la variacin de temperatura. R: D)

27 - La cantidad de transformado martenstico a una temperatura intermedia entre Ms y Mf detransformacin aumenta con: a) El aumento del dimetro del grano. b) De los elementos de aleacin. c) El aumento del contenido en carbono. d) Es invariante. R: D)

28 - Si se detiene la transformacin martenstica a una temperatura intermedia Mi, Ms < Mi < Mf,resulta: a) Estructura martenstica con austenita que evolucionar a bainitas. b) Estructura martenstica en matriz austentica. c) Estructuras martensticas placadas con estructuras austenticas. d) Estructuras martensticas con perlitas transformadas. R: B)

29 - El grado de endurecimiento de la transformacin martenstica depende directamente delcontenido de: a) Martensita. b) Austenita. c) Perlita. d) Elementos de aleacin. R: A)

30 - El endurecimiento del acero por transformacin martenstica aumenta: a) La estriccin. b) El grado de endurecimiento I = Le/sr.


125

c) La resiliencia. d) El alargamiento de rotura. R: B)

31 - Las aleaciones con transformacin martenstica reversible se fundamentan en que stasucede por formacin de: a) Deslizamientos. b) Maclas y deslizamientos. c) Maclas. d) Es invariante. R: C)

32 - Las aleaciones con memoria de forma controlan la temperatura de variacin de forma por: a) Las temperaturas en las que se educan. b) La composicin de la aleacin. c) Las deformaciones que se aplican en la educacin. d) El soluto sobresaturado. R: B)

33 - Las temperaturas de revenido deben cumplir las condiciones siguientes: a) Superiores a Ms e inferiores a A1. b) Superiores a temperatura ambiente e inferiores a A1. c) Superiores a Mf e inferiores a A3. d) Inferiores a Ms y superiores a Mf. R:B)

34 - Los tiempos de revenido deben seleccionarse atendiendo a: a) Hasta alcanzar la dureza deseada. b) El mnimo que alcance el entorno de la resistencia adecuada a la temperatura. c) Segn el alargamiento requerido. d) Del orden de una hora. R: D)

35 - El revenido es conveniente aplicarlo a los aceros templados porque: a) Mejora la resistencia a la corrosin. b) Disminuye sus caractersticas resistentes. c) Aumenta sus parmetros de ductilidad y su tenacidad. d) Aumenta la dureza. R: C)

36 - La seleccin de las temperaturas del revenido debe realizarse atendiendo a: a) Las zonas que mejoran la ductilidad y tenacidad. b) Las zonas que obtienen mayor resistencia esttica. c) Las zonas que evitan la fragilizacin. d) Segn aplicaciones. R:D)

37 - Asigna cual es la causa de la fragilidad del revenido entre los procesos genricoscaractersticos que disminuyen la tenacidad de los materiales metlicos: a) Disminucin de la ductilidad consecuencia del endurecimiento. b) Precipitacin de fases frgiles en bordes de placas de martensita. c) Precipitacin de fases frgiles en alineaciones de monocristales, dislocaciones en planos

de deslizamiento. d) Endurecimiento propio de la estructura. R:B)

38 - La influencia de los elementos de aleacin, Cr, Mo, V, en los aceros de herramientasrevenidos a 500C, se puede hipotetizar en la forma: a) A - Mantienen la dureza en compromiso con una mejora de la resiliencia. b) B - Mejoran la dureza y mantienen la resiliencia.


126

c) C - Mejoran dureza y resiliencia. d) Mejoran la dureza a costa de perder resiliencia. R: B)

39 - La gama de temperaturas en la que se localiza la fragilidad del revenido puede controlarsecon: a) Los tiempos del revenido. b) El contenido de elementos de aleacin en general. c) El contenido en silicio. d) Las tensiones originadas durante el temple.. R:C)

40 - Los diversos procesos de regeneracin en el acero, recocidos de austenizacin, contraacritud o revenidos muestran como caracterstica comn: a) La cualidad de la microestructura en base de ferrita y perlitas. b) La cualidad y la forma de los constituyentes de la microestructura. c) Los niveles de temperatura aplicados. d) El estado original de la aleacin. R: A)

41 - Los diversos procesos de regeneracin en el acero muestran las diferencias entre ellos comoconsecuencia de: a) La aleacin base. b) El estado original de la aleacin. c) El tamao de los componentes microestructurales. d) Los diferentes enfriamientos en el proceso. R: B)

7.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIN

1. Transformacin martenstica. Justificacin.

2. Sobre un diagrama T.T.T. para un acero eutectoide indicar los constituyentes presentes encada zona.

3. De qu parmetros depende la dureza de un acero con estructura martenstica ?.

4. Por qu es necesario aplicar un revenido tras los tratamientos de temple con transformacinmartenstica?

5. Define el concepto de velocidad crtica de temple. De qu parmetro depende ?.

6. Dibuja la estructura de un acero con 0,4 % de C en estado: a) Normalizado. b) Recocido. c)Revenido a alta temperatura. d) Templado.

7. Bajo qu condiciones: material, temperatura de austenizacin, etc., podemos encontrarnosque, tras el temple, no se alcanza la dureza correspondiente al 100% de martensita,observndose mezclas de M + A.

8. En un proceso industrial de temple, en aceros con 0.4% C, comienza a detectarse una menordureza que en las piezas correspondientes a ese mismo acero con el tratamiento correcto. Serealiz un estudio de las piezas defectuosas y se determin:

a) Que la composicin del acero es la correcta.

b) Que la microestructura tras el temple presenta una mezcla de martensita con un 10 - 20%de ferrita.

Seale y justifique cul es la causa del fallo?


127

10. Cmo pueden obtenerse estructuras 100% martensticas enfriando al aire una pieza deacero? Justifique la respuesta.

11. Establece las diferencias que pudieran existir entre los productos en la transformacinbaintica hipereutectoide y la hipoeutectoide.

12. Justifica los efectos contrarios sobre la posicin de las curvas de las S de los elementosformadores de carburos en los aceros.

13. Indica, por bibliografa, los elementos que muestran efectos deformadores de las curvas delas S en los aceros.

14. Razona sobre las correlaciones que permiten admitir el diagrama TTT de transformacionesisotrmicas como apto para definir la velocidad crtica de temple.

15. Describe la evolucin de transformado martenstico que podemos esperar si no existieracambio en volumen entre las estructuras austenticas y martensticas.

16. Compara el proceso de transformacin martenstica con otros procesos de transformacinfundamentados en la nucleacin y crecimiento, anotando los factores similares de aquellosotros diferenciados.

17. Analiza la aplicabilidad de la transformacin martenstica si la velocidad de enfriamiento essuperior a la definida como velocidad crtica de temple.

18. Justifica los procesos que permitiran eliminar la austenita retenida en las estructuras deaceros aleados.

19. Clasifica las aleaciones y aplicaciones ms generales de las transformaciones con memoriade forma.

20. A partir del reconocimiento de las curvas de caractersticas estticas y de resiliencia en elrevenido de un acero delimita los campos de aplicacin y caractersticas de cada uno de ellos.

21. Con el diagrama DGv = f (T) obtenido en el Calormetro Diferencial de Barrido, justificar porcomparacin con los obtenidos para los procesos de recristalizacin y precipitacin desegundas fases.

22. Establece el modelo que relata la influencia de cada uno de los principales elementos en laresiliencia de un acero revenido.

23. Analiza las caractersticas que pueden esperarse en un acero de alto contenido de aleacinque despus del temple se le aplica el revenido para transformar la austenita retenida porlargos periodos de tiempo.


128

7.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS

Problema 7.1. La figura siguiente representala curva de las S correspondiente a un aceroaleado F-1204, austenizado a 850C.

En un enfriamiento continuo, ladisminucin de temperatura con el tiempopuede aproximarse mediante una ley de tipo:

q

q qt

=-k( - )0

dnde q0 es la temperatura del medio al que secede calor, en este caso, la temperatura dellquido de temple: 20C . Se pide determinar:

a) la constante k del enfriamientocorrespondiente a la velocidad crtica detemple, para dicho acero.

b) Si se pretendiese obtener estructurasbainticas, determine las temperaturas del bao a utilizar y el tiempo necesario para obtener100% bainita.

Problema 7.2. A partir de la curva de las S del acero aleado F-1260, determine hasta quedistancia del extremo templado en la probeta Jominy se obtendrn estructuras 100%

Martensticas.

Notas:

El acero ha sido austenizado a 850C. El aguaempleada en el ensayo Jominy tiene una temperaturade 20C.

El enfriamiento sigue una ley de tipo:

q

q qt

=-k( - )0

El diagrama Jominy muestra siempre una correlacinentre distancias al extremo templado y velocidades deenfriamiento en la probeta. La equivalencia aparecedirectamente en el eje de abcisas. El inferior muestralas distancias al extremo templado. El superiormuestra las velocidades de enfriamiento dq/dt,medidas a 704C.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+001,E+011,E+021,E+031,E+041,E+051,E+06

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

38

24151314

AC3 (0.4/min)

AC1 (0.4/min)

Dureza Rc

Austenita ycarburos

6520

7525

Ms

Principio detransformacin

Martensita

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIN ISOTERMA

Aparicin de la ferrita

Temperatura de austenizacin 850C

Aparicin de la perlita

Fin de transformacin

32

42

30


Bainita

55

242235

80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+001,E+011,E+021,E+031,E+041,E+051,E+06

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIN ISOTERMATemperatura de austenizacin 850C

AC3 (0.4/min)

AC1 (0.4/min)

Austenita ycarburos


Fin detransformacinBainita

Perlita

49

Dureza Rc

48 42

2017

22

10

59

Martensita

50%

90%


129

Problema 7.3. Utilizando el diagrama TTTcorrespondiente a un acero eutectoide, de lafigura, describe el tratamiento isotrmicocompleto y la microestructura despus decada paso requerido para obtener una durezade 32 Rc.

Problema 7.4. Una excelente combinacin dedureza, resistencia y tenacidad en los acerosla proporciona la estructura baintica. Unode los tratamientos es austenizar a 750C unacero eutectoide, como el representado en lafigura anterior, enfrindolo rpidamentehasta una temperatura de 250C durante 15minutos, y finalmente enfriar hastatemperatura ambiente. Es posible con este tratamiento descrito obtener la estructura bainticarequerida?

Problema 7.5. Utilizando el diagrama de transformacin isotrmica del acero de composicineutectoide, cuyas curvas han sido representadas anteriormente, especificar la naturaleza de lamicroestructura que se obtendr ( en trmicos de microconstituyentes presentes y porcentajesaproximados) de una pequea probeta que se ha sometido a los siguientes tratamientos. Suponersiempre, que la probeta se ha calentado a 800C durante el tiempo suficiente para alcanzar unaestructura austentica.

a) Enfriamiento rpido hasta 350C, donde se mantiene durante 104 s, templando acontinuacin a temperatura ambiente.

b) Enfriamiento rpido hasta 250C, donde se mantiene durante 100 s, templando acontinuacin a temperatura ambiente.

c) Enfriamiento rpido hasta 650C, donde se mantiene durante 20 s, enfriamiento rpido a400C manteniendo de nuevo 1000 s y templando a continuacin a temperatura ambiente.

Problema 7.6. En un diagrama detransformacin isotrmica del aceroeutectoide, figura anterior, esquematizar ynombrar las etapas de temperatura tiempo queproducen las siguiente microestructuras:

a) 100% perlita gruesa.

b) 50% martensita y 50 % bainita

c) 50% perlita gruesa, 25% bainita y 25%martensita.

Problema 7.7 Utilizando el diagrama TTTcorrespondiente a un acero al carbono con un

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Ps

Bs

Pf

Bf

gg

M + gg

P+gg

B+gg

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

0,1 102101 105103 104

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

gg + martensita

gg + bainita

gg + aa

aa + perlita

gg + aa + perlita

Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

a


130

0,5% C, representado en la figura, Describir el tratamiento trmico y la cantidad de cadaconstituyente despus de cada fases del tratamiento para obtener una dureza en el acero de 23Rc.

Problema 7.8. Un acero al carbono, con un 0.5% de C, es calentado es calentado a 800Cdurante 1 hora, enfriado rpidamente a 700C mantenindolo a esta temperatura durante 50 s,enfriado de nuevo a 400C durante 20 s, y finalmente enfriado a temperatura ambiente. Cual esla microestructura final del acero tras el tratamiento?

Problema 7.9. Utilizando el diagramaTTT de la figura, correspondiente a unacero hipereutectoide con un 1.13% C,determinar la microestructura final,describiendo los microconstituyentespresentes, de una pequea probetasometida a los siguientes tratamientostrmicos. En todos los casos suponer quela probeta se ha calentado a 920Cdurante el tiempo suficiente paraconseguir la estructura austenticacompleta y homognea de partida.

a) Enfriar rpidamente a 250C,mantener durante 16 minutos ytemplar a temperatura ambiente.

b) Enfriar rpidamente a 650C,mantener a esta temperatura durante 3 s, enfriar rpidamente a 400C, mantener a estatemperatura durante 25 s y templar a temperatura ambiente.

c) Enfriar rpidamente a 350C, mantener durante 5 minutos y templar a temperaturaambiente.

d) Enfriar rpidamente a 675C,mantener durante 7 segundos ytemplar a temperatura ambiente.

e) Enfriar rpidamente a 775C,mantener durante 8 minutos ytemplar a temperatura ambiente.

Problema 7.10. Un acero al carbonoF1120, con un 0.18-0,23% de C, seenfra a una velocidad de 8C/s cuandose templa en aceite, y a 50C/s cuando setempla en agua. Cual es lamicroestructura producida por cada unode estos tratamientos descritos?.Considerar el diagrama de enfriamiento

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T ie m p o , s e g u n d o s

Tem

pera

tura

, C

A + CAustenita

A + P

M (inicio)

Perlita

Bainita

A + B

M (50%)M (90%)

A50%

0.1 1 10 102 103 104 105 106

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T iempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

1 10210 103 104

ferrita+

perlita+

bainita

ferrita+

perlita+

bainita+

martensita

ferrita+

bainita+

martensita

ferrita+

martensita

ferrita+

perlita

2C/s

10C/s

20C/s

100C/s

Ms

BsBs

Fs

Ps

Bf

Pf


131

continuo de la figura.

Problema 7.11. En la transformacin isotrmica de un acero al carbono para herramientas,austenizado 5 minutos a 900C, se han obtenido los siguientes valores:

T (C) 700 600 500 400 300 200 100 20Transf. Inicio 4,2 min 1 s 1 s 4 s 1 min 15 min - -Transf. Final 22 min 10 s 10 s 2 min 30 min 15 h - -Dureza HRC 15 40 44 43 53 60 64 66

Construya la grfica T.T.T. o curva de las S, e indique los constituyentes en cada una delas diferentes zonas.

NOTA: Considerar el valor de Ms de 185C y el valor de Mf de 35C

Problema 7.12. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono con un 0,5%C, representado en la figura del problema 7.7, describir:

a) la microestructura final, indicando los constituyentes de una probeta sometida a unaaustenizacin a 800C seguida de un enfriamiento brusco hasta 400C, donde se mantienedurante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hasta temperaturaambiente.

b) El tratamiento trmico y la cantidad de cada constituyente, despus de cada fase del procesotrmico, para obtener una dureza en el acero de 30 Rc.

Problema 7.13. Utilizando el diagrama TTT correspondiente a un acero al carbono eutectoide,con un 0,8% C, representado en la figura del problema 7.3, describir:

a) La microestructura al someter al acero al siguiente tratamiento trmico: (i) templeinstantneo desde la regin g hasta 500C, (ii) mantenimiento a esta temperatura durante 4s, y (iii) temple instantneo hasta 250C.

b) Qu ocurrira si se mantiene la microestructura resultante durante un da a 250C yposteriormente se enfra hasta temperatura ambiente?

c) Qu ocurrira si la microestructura resultante de la parte a) se templa directamente hastala temperatura ambiente?

a) Estimar la velocidad de enfriamiento necesaria para evitar la formacin de perlita en esteacero.

Problema 7.14. El diagrama de transformacin isotrmica de un acero aleado con un 2% de Ni,0,7% de Cr y 0,25% de Mo es el representado en la figura siguiente, describir la microestructurafinal, indicando los constituyentes, de una probeta sometida a los siguientes tratamientostrmicos:

a) Una austenizacin a 750C seguida de un enfriamiento brusco hasta 300C, donde semantiene durante 20 segundos tras los cuales vuelve a enfriarse bruscamente hastatemperatura ambiente.

b) Tras la austenizacin, enfriar rpidamente hasta los 350C, manteniendo 3 horas, para


132

enfriar de nuevo rpidamente hastatemperatura ambiente.

c) Tras la austenizacin, enfriar rpidamentehasta los 550C, manteniendo 2 horas y 45minutos, posteriormente enfriar de nuevorpidamente hasta 400C manteniendodurante 200 s y finalmente enfriar hastatemperatura ambiente.

d) Tras la austenizacin, enfriar rpidamentehasta los 650C, manteniendo 17 minutos,para enfriar de nuevo rpidamente hasta400C manteniendo 17 minutos ms a esatemperatura enfriando finalmente hastatemperatura ambiente.

Problema 7.15. El diagrama TTT, de un acerocon un 0,37% de carbono, es el representadoen la figura siguiente. Describir lamicroestructura final, indicando los constitu-yentes de la misma, tras ser sometido a lossiguientes tratamientos trmicos:

a) Tras la austenizacin a 820C, se enfrarpidamente en bao de sales a 650C,mantenindose a esa temperatura durante100 segundos, enfriando de nuevobruscamente hasta temperatura ambiente.

b) Despus de la austenizacin, se enfrarpidamente en horno de sales hasta los400C, donde se mantiene durante 100segundos, para enfriar posteriormente deforma brusca hasta temperaturaambiente.

SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION:

1 - a, 2 - c, 3 - d, 4 - c, 5 - b, 6 - d, 7 - c, 8 - c, 9 - a, 10 - d, 11 - d, 12 b, 13 a, 14 b, 15 d,16 c, 17 d, 18 b, 19 a, 20 c, 21 d, 22 b, 23 a, 24 b, 25 b, 26 d, 27 d, 28 b,29 a, 30 b, 31 c, 32 b, 33 b, 34 d, 35 - c, 36 d, 37 b, 38 b, 39 - c, 40 a, 41 b.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Temperatura eutectoideA

A

A + F

A + B

F + PA + F+ P

M

BM (inicio)

M (90%)

M (50%) M + A

50%

1 10 102 104 105 106103

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.37% C0,72% Mn1,05% Cr0,22% Mo

AustenitaFerrita

Perlita

Martensita

BainitaMs

50%

90%

0,1 1 10 102 103 104 105 106Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C


133

7.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS

Solucin al problema 7.1

a) La velocidad crtica de temple es aquellacuya curva de enfriamiento es tangente a lanariz. Es decir, la velocidad ms lenta quepermite obtener estructuras 100%martensticas.

Para este acero, la nariz viene definidapor los puntos: Temperatura: 450C, tiempo deenfriamiento: 19 segundos.

A partir de la ecuacin anterior:

q

q qt

=-k( - )0

puede determinarse el tiempo necesario paraalcanzar una temperatura dada. Se tendr:

a-

=-k t0 0

t

q

q qq q

de donde,

ln(--

)=-kt0a 0

q qq q

Sustituyendo los valores conocidos:qa = 850C temperatura de austenizacinq0 = 20C temperatura del medio refrigeranteq = 450C,t = 19 seg

y despejando k se obtiene:

ln(450-20850-20

)=-19.k

de dnde k = 0,0346

b) La transformacin a bainita requiere la utilizacin de un tratamiento isotrmico adecuado, talcomo se muestra esquemticamente en la figura siguiente. En este caso, como ocurre con muchosaceros aleados, se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior, denominada narizperltica, y otra a menores temperaturas, denominada nariz baintica. Atravesandoisotrmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainticas.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+001,E+011,E+021,E+031,E+041,E+051,E+06

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

38

24151314

AC3 (0.4/min)

AC1 (0.4/min)

Dureza Rc

Austenita ycarburos

6520

7525

Ms


Martensita

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIN ISOTERMA

Aparicin de la ferrita

Temperatura de austenizacin 850C

Aparicin de la perlita


32

42

30


Bainita

55

242235

80


134

As pues, el rango de temperaturas del bao isotrmico debe encontrarse entre:

Temperaturas del bao : desde Ms a 430C. La pieza deber permanecer en el bao hastaque se completen las transformaciones a bainita.

Para una temperatura de 400C, el tiempo de tratamiento: 2000 minutos, obtenindosebainita de dureza 32HRC.


Calculemos en primer lugar hasta que distancia en la probeta Jominy se obtiene 100%martensita. Para ello, se determina la constante de enfriamiento correspondiente a la velocidadcrtica de temple, definida por el enfriamiento que es tangente a la nariz baintica: Debenalcanzarse 400C en menos de 110 segundos.

De la ecuacin:

ln(--

)=-kt0a 0

q qq q

Sustituyendo los valores conocidos:qa = 850C temperatura de austenizacinq0 = 20C temperatura del agua de enfriamientoq = 400C,t = 110 seg

Podemos despejar k:

ln(400-20850-20

)=-110.k

de dnde k = 0,0071

Una vez conocido el valor de k, podemos calcular la velocidad de enfriamiento a cualquiertemperatura. Necesitamos conocer la velocidad a 704C. As, se tendr, de la ecuacin general deenfriamiento:

q

q qt

=k( - )0

Ve704C = (dq/dt)q=704C = 0,0071 (704-20) = 4,85 C/seg

Dicha velocidad de enfriamiento corresponde en el grfico Jominy a una distancia de 28mm (o 18/16 pulgadas). As pues, en el grfico Jominy existe martensita, con una dureza de unos59 HRC, desde el extremo templado hasta los 28 mm.

A partir de ese punto, aparecen estructuras de Martensita + Bainita, ya que durante elenfriamiento se entra dentro de la nariz. El grfico Jominy se muestra a continuacin:


135


En la figura podemos observar ladureza Rockwell C como una funcin de latemperatura de transformacin. La durezade 32 Rc se obtiene con estructurastransformadas a 650C, donde Ps, inicio detransformacin perltica, es de 4 s y Pf,final de la transformacin perltica, sucedea los 40 s. El tratamiento trmico y lasmicroestructuras sern, por tanto, comosiguen:

1. Austenizacin alrededor de 725C ymantenimiento durante 1 hora. El acerocontiene en esta fase 100% de austenita.

2. Enfriamiento rpido a 650C mante-niendo al menos 40 segundos. Despusde 4 segundos se inicia la nucleacin de la perlita a partir de la austenita inestable. Los granosperlticos van creciendo hasta los 50 segundos, siendo la estructura final 100% perlita. Laperlita ser de tamao medio, al encontrarse entre las temperaturas de transformacin a perlitasgruesas y finas.

3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como perlita.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Distancia al extremo de la probeta templada, mm

Dure

za R

ock

well,

HR

c200 5 4

Velocidad de enfriamiento a 704C,en C por segundo3100 20 1050

ENSAYO JOMINY

700

900

1000

12001300

800

1100

1700160015001400

180019002000

Carg

a d

e r

otu

ra, M

Pa

MartensitaMartensita

+Bainita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pfgg

M + gg

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+gg

B+gg

Perlita

Bainita


136


Utilizando el diagrama TTT delacero, examinamos el tratamiento trmicodescrito. Tras el calentamiento a 750C, lamicroestructura es 100% austenita.Despus del enfriamiento rpido a 250C,permanece la estructura austenita inestablehasta iniciar la transformacin a bainitainferior a los 150 s. Despus de 15minutos, o 900 s, se ha formado cerca del50% de bainita, permaneciendo todava un50% de austenita inestable. Esprecisamente esta austenita inestable la quese transforma a martensita al enfriar atemperatura ambiente.

La estructura final obtenida ser, portanto, de un 50% de bainita y un 50% de martensita, y por ello el tratamiento descrito no esadecuado al formar una estructura muy frgil, la martenstica. Para obtener una transformacintotal a bainita debera permanecer el acero, a los 250C, al menos durante 104 s, o alrededor de 3horas.


Las grficas tiempo - temperaturase estos tratamientos estn trazados en lafigura adjunta. En todos los casosconsideramos un enfriamiento rpidopara prevenir cualquier transformacin.

a) A 350C la austenita se transformaisotrmicamente en bainita; esta reaccinempieza a los 10 s y termina a los 500 s.Por lo tanto, a los 104 s el 100% de laprobeta es bainita y no ocurre posteriortransformacin, aunque posteriormente lagrfica de enfriamiento pase por la zonade transformacin martenstica.

b) La transformacin baintica, a 250C,empieza despus de 150 s, por estemotivo despus de 100 s la probetamantiene el 100% de austenita. Al enfriar esta probeta a los 215C la austenita empieza atransformarse instantneamente en martensita. Al llegar a la temperatura ambiente casi el 100%de la microestructura es martensita.

c) En la transformacin isotrmica a 650C, la perlita empieza a formarse a los 7 s y despus de20 s aproximadamente el 50% de la probeta se ha transformado en perlita. El enfriamiento rpidohasta 400C est indicado por la lnea vertical y durante este enfriamiento prcticamente no hay

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundosTem

pera

tura

, C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pfgg

M + gg

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+gg

B+gg Bainita

Perlita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pfgg

M + gg

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+gg

B+gg

Perlita

Bainita

(a)(b) (c)100% martensita 100% bainita50% perlita

50% bainita


137

transformacin de la austenita, aunque se crucen las zonas de transformacin perltica y baintica.A 400C empezamos a contar a partir del tiempo 0. Despus de 1000 s a esta temperatura el100% de la austenita que quedaba se transforma en bainita. Al templar a temperatura ambiente noocurre ningn cambio microestructural. Por este motivo la microestructura final a temperaturaambiente consiste en 50% de perlita y 50% de bainita.


En todos los casos se iniciar con uncalentamiento a 750C, donde la micro-estructura ser 100% austenita.

a) Para obtener 100% de perlita gruesa sedeber enfriar rpidamente a temperaturas entrelos 650C y los 710C. Tras mantener untiempo superior a los 200 s, se enfriar atemperatura ambiente.

b) Tras la austenizacin, se realiza unenfriamiento rpido a temperaturas entre los400C y los 250C que corresponden atemperaturas de transformaciones bainticas, eltiempo correspondiente para obtener el 50% detransformacin a bainitas. Si tomamos una temperatura de 250C la transformacin a bainitainiciar a los 150 s. Despus de 15 minutos, o 900 s, se ha formado cerca del 50% de bainita,permaneciendo todava un 50% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable laque se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. Con ello, la estructura finalobtenida ser, de un 50% de bainita y un 50% de martensita.

c) Tras la austenizacin, deber realizarse un enfriamiento rpido a temperaturas entre los 650Cy los 710C que corresponden a temperaturas de transformaciones a perlitas gruesas, segn elapartado a. All permanecer hastacompletar el 50% de transformacin. Porejemplo, para 650C alrededor de 50 s.Despus enfriaremos rpidamente hastatemperaturas entre los 400C y los 250C,segn el apartado anterior, para obtener latransformacin baintica. El tiempocorrespondiente, a una temperatura de250C, para obtener el 75% detransformacin, de los cuales slo el 25%ser a bainitas, es de unos 5000 s.Finalmente se enfriar rpidamente hastatemperatura ambiente con lo que el restode la austenita inestable se transformar amartensita. Con ello, la estructura finalobtenida ser, de un 50% de perlita gruesa,un 25% de bainita y un 25% de martensita.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pf

gg

M + gg

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+gg

B+gg

Perlita

Bainita

(a)

(b)

(c)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

gg + martensita

gg + bainita

gg + aa

aa + perlita

gg + aa + perlita

Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

a


138


De la figura obtenemos una temperatura de austenizacin representada por la lnea A3 de almenos 760C. La dureza deseada de 23 Rc, se obtiene mediante transformacin del acero a590C, donde a 1 s se inicia la transformacin a ferrita, Fs, a los 1.15 s se inicia la transformacina perlita, Ps, y a los 5.5 s finaliza la transformacin a perlita, Pf. Los tratamientos ymicroestructuras obtenidas sern las siguientes:

1. Austenizacin a 760 + (30 a 55) = 790C a 815C y mantenimiento durante 1 hora. El acerocontiene en esta fase 100% de austenita.

2. Enfriamiento rpido a 590C manteniendo al menos 5 segundos. Empieza formndose ferritaprimaria precipitada de la austenita inestable despus de 1 s. Ms tarde, a los 1.15 s, inicia latransformacin de perlita y la austenita se transforma completamente despus de los 5.5segundos.

3. Enfriamiento al aire hasta temperatura ambiente. La microestructura permanece como ferritaprimaria y perlita.


1. Despus de 1 hora de austenizacin a800C tendremos un 100% de austenita.

2. Tras un enfriamiento rpido a 700C seinicia la transformacin a ferrita a los 20s y a los 50 s el acero contiene solamenteferrita y austenita inestable.

3. Inmediatamente despus de enfriar a400C, el acero sigue conteniendosolamente ferrita y austenita inestable. Labainita inicia su transformacintranscurridos 3 s y despus de 20 s, elacero contiene ferrita, bainita y restos deaustenita inestable.

4. Despus del enfriamiento rpido hasta temperatura ambiente, la austenita que queda atraviesalas lneas Ms y Mf y se transforma a martensita. La microestructura final ser ferrita, bainita ymartensita.


En todos los casos se iniciar con un calentamiento a 815C, donde la micro-estructura ser100% austenita.

a) Tal como se observa en la figura no hay transformacin a ninguna estructura mientras seencuentra a 250C. Tras el temple final se obtendr 100 de martensita.

b) A la temperatura de 650C obtenemos la transformacin parcial de austenita a cementita yconcluimos con una transformacin alrededor del 25% de perlitas gruesas. Tras el enfriamientoa 400C iniciamos la transformacin a bainita alrededor de los tres segundos y a los 25 s, slose ha transformado el 50% de la estructura restante, aproximadamente el 38%, y finalmente, el

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

gg + martensita

gg + bainita

gg + aa

aa + perlita

gg + aa + perlita

Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

a


139

resto se transforma con el ltimo temple a temperatura ambiente en martensita. Por lo tanto laestructura final obtenida ser de un 25% decementita y perlita gruesa, con un 38% debainitas superiores y el 38% restante demartensita.

c) Al enfriar a 350C no tenemos ningunatransformacin hasta iniciar latransformacin a bainitas intermedias a los30 s, obteniendo una estructura de bainitasintermedias que constituye el 50% a los 5minutos. El resto se transforma amartensita durante el temple hastatemperatura ambiente.

d) A la temperatura de 675C obtenemos latransformacin parcial de austenita acementita, tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y con la proporcin de fases queall se indica. y concluimos con una transformacin Esta cementita estable, precipitar en elborde de grano de la austenita. Tras el temple hasta temperatura ambiente, esta austenita setransforma en martensita, por lo que la estructura resultante ser de martensita con cementitaque actuar de matriz dndonos una estructura de mxima fragilidad. Es posible que no toda lacementita est ubicada en los antiguos bordes de grano de la austenita al ser unatransformacin rpida y posiblemente incompleta.

e) A la temperatura de 775C, estamos entre las temperaturas de inicio y fin de transformacineutectoide, por lo que obtenemos la transformacin parcial de austenita a cementita es tal comose describe en el diagrama de fases Fe-C y debido al tiempo de 8 minutos, con la proporcinde fases que all se indica. Tras el enfriamiento rpido hasta temperatura ambiente, estaaustenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante ser de martensita concementita que acta de matriz dndonos ahora s una estructura de mxima fragilidad.


De la figura adjunta, unavelocidad de enfriamiento de 8C/s,entre los 2C/s y los 10 C/s, cruza laslneas de inicio de transformacinferrtica, Fs, inicio de transformacinperltica, Ps, y las lneas de inicio y finde transformacin baintica, Bs y Bf.Por lo tanto, la estructura ser unamezcla de ferrita, perlita y bainita.

A los 50C/s, la curva corta laslneas de inicio de transformacinferrtica, Fs, inicio de transformacinbaintica, Bs, y la lnea de inicio detransformacin a martensita, Ms. Laestructura ser, por lo tanto, una

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T iempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

1 10210 103 104

ferrita+

perlita+

bainita

ferrita+

perlita+

bainita+

martensita

ferrita+

bainita+

martensita

ferrita+

martensita

ferrita+

perlita

2C/s

10C/s

20C/s

100C/s

Ms

BsBs

Fs

Ps

Bf

Pf

8C/s50C/s

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T ie m p o , s e g u n d o s

Tem

pera

tura

, C

A + CAustenita

A + P

M (inicio)

Perlita

Bainita

A + B

M (50%)M (90%)

A50%

0.1 1 10 102 103 104 105 106

(b) (a)(c)(d)

(e)


140

mezcla de ferrita, bainita y martensita. Es posible tambin que todava queda una pequeacantidad de austenita retenida.

Solucin al Problema 7.11

La construccin del diagrama no ofrece ninguna dificultad. Tan slo deber tenerse encuenta que la escala de abscisas es logartmica respecto al tiempo. En la misma grfica se indicanlos distintos constituyentes, as como las lneas singulares de inicio y fin de transformacin.

Solucin del problema 7.12.

a) Martensita + Bainita inferior

25 a 40% 60 a 75 %

b) Enfriar bruscamente hasta los 500C y mantener al menos durante 8segundos, despus enfriar a temperaturaambiente.


a)La microestructura corresponder,segn el diagrama TTT a:

50% de perlita fina + 50% de austenitainestable

b) Cuando mantenemos un da a 250C,

800

600

500

400

300

200

0

100

700

21 301584 21 301584 21 301584 60Segundos Minutos Horas

Tiempo

Tem

pera

tura

C

Perlita

Bainita

Martensita

Ps

Austenita A1

P f

Ms

Mf

BfBs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

gg + martensita

gg + bainita

gg + aa

aa + perlita

gg + aa + perlita

Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

a

(a)

(b)


141

la estructura resultante ser

50% de perlita fina + 50% de bainita

c) Cuando enfriamos rpidamente desdelos 250C, obtendremos:

50% de perlita fina + 50% de martensita

d) Si consideramos un enfriamiento desdela regin austentica a 800C, latemperatura a la que se corta la narizperltica resulta de 538C, a los 0,6segundos, con lo que la velocidad mnimade enfriamiento ser:

sKs

C

tT

v /4376,0

538800=

-=

D=


a) La microestructura ser de un 100% demartensita.

b) Tras mantener durante 3 horas a 350Ctenemos una transformacin completa de laaustenita a bainita del tipo inferior.

c) Tras mantener durante 2 horas y 45 minutosa 550C, la austenita no ha sufrido ningunatransformacin por lo que al enfriar hastalos 400C y mantener 200 segundos, setransformar un 40% de la masa en bainitadel tipo superior, transformando el resto amartensita en el ltimo enfriamiento. Portanto, la transformacin final ser:

40% bainita superior + 60% martensita

d) Al permanecer 17 minutos a 650C, un 25%de la austenita transforma a ferrita. El restoiniciar de nuevo la transformacin despusde permanecer otros 17 minutos a 400Cdonde el 60% de esta masa pasar a bainitasuperior y el 40% restante a martensita, conlo que la transformacin final ser:

25% ferrita + 45% de bainita superior + 30% martensita


a) Al enfriar rpidamente a 650C y mantener la temperatura durante 100 segundos, obtenemosuna transformacin parcial a ferrita y perlita. La ferrita, que habra transformado toda la posible,

800

700

600

500

400

300

200

100

00,1 1 10 102 103

Tiempo, segundos

727C

Perlita gruesa

Perlita fina

Bainita

Austenita

a)b)

104 105 106

Tem

pera

tura

, C

g + a + Fe3C

a + Fe3C

g inest.

Ms

M50M90

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

Temperatura eutectoideA

A

A + F

A + B

F + PA + F+ P

M

BM (inicio)

M (90%)

M (50%) M + A

50%

1 10 102 104 105 106103

a) b)c) d)


142

vendr expresada por el porcentaje decarbono que al ser cercano al 0,4 % lecorresponder aproximadamente al 50%, ydel resto, el 25% se transformar a perlita,con el enfriamiento brusco posterior logramos transformar a martensita toda laaustenita que no se haba transformadopreviamente, por tanto tendremosfinalmente:

50% ferrita + 12,5% perlita + 37,5%martensita

b) Al enfriar rpidamente a 400C ymantener igualmente 100 segundos,obtenemos una transformacin a bainita deaproximadamente el 75%. El resto deaustenita se transformar tambin a martensita con el nuevo enfriamiento brusco, por lo quetendremos:

75% bainita + 25% martensita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0.37% C0,72% Mn1,05% Cr0,22% Mo

AustenitaFerrita

Perlita

Martensita

BainitaMs

50%

90%

0,1 1 10 102 103 104 105 106Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, C

a)

b)

elementos practicos parcial 2

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