influencia de un tratamiento isotÉrmico y un temple...
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INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO ISOTÉRMICO Y UN TEMPLE DESDE TEMPERATURAS
INTERCRITICAS EN EL DESGATE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM-G76.
FRANCISCO ANDRÉS LIZARAZO GUERRERO
SNEIDER JOHAN AREVALO CORREDIN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE ING. MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
2
INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO ISOTÉRMICO Y UN TEMPLE DESDE TEMPERATURAS
INTERCRITICAS EN EL DESGATE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM-G76.
FRANCISCO ANDRÉS LIZARAZO GUERRERO
20132375064
SNEIDER JOHAN AREVALO CORREDIN
20132375102
PROYECTO DE GRADO
TUTOR: INGENIERO CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE ING. MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
3
Nota de aceptación
__________________________
__________________________
__________________________
__________________________
__________________________
Firma Director Proyecto
Curricular Ingeniería Mecánica
__________________________
Ing. Carlos Bohórquez
Firma Tutor Proyecto
__________________________
Firma Jurado 1
__________________________
Firma Jurado 2
4
CONTENIDO
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS ................................................................................................................ 7
RESUMEN ............................................................................................................................................ 9
ABSTRACT ............................................................................................................................................ 9
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 10
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................................ 11
1.1 JUSTIFICACIÓN................................................................................................................... 11
1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 12
1.2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................... 12
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 12
2 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................................................... 13
2.1.1 INFLUENCIA DE LOS TRATAMIENTOS DE REVENIDOS INTERCRÍTICOS EN LA
CONCENTRACIÓN DE NÍQUEL CORRESPONDIENTE A PARTÍCULAS DE AUSTENITA RESIDUAL EN
UN ACERO CON 9 % NI .............................................................................................................. 13
2.1.2 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS
EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO SAE 1045 -“ .................................................... 13
2.1.3 ESTUDIO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE EROSIVO EN SECO DE MATERIALES DE
INGENIERÍA ................................................................................................................................ 14
2.1.4 INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH HEATING IN THE INTERCRITICAL
TEMPERATURE RANGE ON THE PROPERTIES OF STEELS 60С2А AND 60С2ХФА ....................... 15
2.1.5 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO
AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL ........................................................................................ 16
2.1.6 ESTUDIO DE LOS TIPOS DE CRÁTERES OBTENIDOS EN EL IMPACTO DE PROYECTILES
5,56 ASSL 09, SOBRE BLANCOS DE ACERO AISI-SAE 1045W. .................................................... 16
2.1.7 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO
AISI/SAE1045 ............................................................................................................................. 18
2.1.8 CORRELACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA, LA DUREZA Y LA SUPERFICIE DE
FRACTURA CON LA RESISTENCIA A LA FATIGA DEL ACERO 1045. ............................................. 18
2.1.9 ESTUDIO DEL DESGASTE POR EROSIÓN EN ALEACIONES DE BAJA DENSIDAD ......... 19
2.1.10 DESARROLLO DE UNA METODOLOGIA PARA PRUEBAS DE EROSION ....................... 21
2.1.11 “EVALUACIÓN DEL DESGASTE EROSIVO POR PARTÍCULAS SOLIDAS EN UN ACERO
AISI/SAE 1020” .......................................................................................................................... 22
2.2 .TRATAMIENTOS TERMICOS .............................................................................................. 22
2.3 TEMPLE DE LOS ACEROS.................................................................................................... 22
5
2.4 REVENIDO DE LOS ACEROS ............................................................................................... 23
2.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ISOTÉRMICOS. ...................................................................... 24
2.5.1 AUSTEMPERADO ....................................................................................................... 24
2.6 DESGATE ............................................................................................................................ 25
2.7 MECANISMOS DE DESGASTE ............................................................................................. 25
2.7.1 TIPOS DE DESGASTES................................................................................................. 26
2.7.1.1 DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO ................................................................. 26
2.7.1.2 DESGASTE ABRASIVO ............................................................................................ 26
2.7.1.3 DESGASTE POR CAVITACIÓN ................................................................................. 26
2.7.1.4 DESGASTE ADHESIVO ............................................................................................ 26
2.7.1.5 DESGASTE EROSIVO ............................................................................................... 27
2.7.2 EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN EL DESGASTE ......................................... 28
2.8 CLASES DE ACEROS ............................................................................................................ 29
2.9 CAMBIOS ESTRUCTURALES TÍPICOS DEL ACERO ............................................................... 29
2.9.1 REACCIÓN EUTECTOIDE. ........................................................................................... 31
2.9.1.1 SOLUCIONES SÓLIDAS ........................................................................................... 32
2.9.2 COMPUESTOS ............................................................................................................ 32
2.9.3 AUSTENITA ................................................................................................................ 32
2.9.4 PERLITA ...................................................................................................................... 33
2.9.5 MARTENSITA ............................................................................................................. 34
2.9.5.1 MARTENSITA REVENIDA ........................................................................................ 35
2.9.6 BAINITA ..................................................................................................................... 37
3 METODOLOGÍA .......................................................................................................................... 38
3.1 DISEÑO EXPERIMENTAL .................................................................................................... 38
3.2 CALCULO DE TEMPERATURAS ........................................................................................... 41
3.2.1 TEMPERATURA DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA ...................................... 42
3.3 TRATAMIENTOS TERMICOS ............................................................................................... 43
3.4 ENSAYO DE DUREZA .......................................................................................................... 45
3.5 ENSAYO DE DESGASTE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM- G76. .................................... 47
3.5.1 CONDICIONES DEL ENSAYO. ...................................................................................... 47
3.5.2 DIMENSIONES DE LAS PROBETAS .............................................................................. 50
3.5.3 PREPARACIÓN DE LA PROBETA ................................................................................. 50
3.5.4 PESO DE LAS PROBETAS ............................................................................................ 51
6
3.6 LIMPIEZA DE LOS SISTEMAS DE LA MAQUINA .................................................................. 53
3.6.1 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE LAS PARTÍCULAS. ................................................... 53
3.6.2 SISTEMA DE INYECCIÓN DE PARTÍCULAS .................................................................. 54
3.7 CALIBRACIÓN DEL TRIBÓMETRO ....................................................................................... 55
3.7.1 PRESIÓN DEL AIRE ..................................................................................................... 55
3.7.2 VELOCIDAD DE SALIDA DEL AIRE ............................................................................... 56
3.7.3 FLUJO DE SALIDA DEL ABRASIVO. ............................................................................. 57
3.8 REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE DESGASTE POR EROSIÓN. ................................................. 58
3.9 ENCAPSULACIÓN DE PROBETAS ........................................................................................ 62
3.10 METALOGRAFIA .................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
4 RESULTADOS Y ANÁLISIS ........................................................................................................... 64
4.1 CUADROS COMPARATIVOS ............................................................................................... 66
5 CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 73
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 74
7
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS
Fig. 1. Temperaturas de austenización para el temple, indicadas en el diagrama Fe-C ................... 23
Fig. 2. Efecto del revenido en la dureza de un acero de 0,62 % C templado, realizado durante 1
hora a varias temperaturas ............................................................................................................... 24
Fig. 3. Representación esquemática sobre un diagrama TTT del tratamiento de Austemperado ... 25
Fig.4. Erosión de una superficie según el ángulo de impacto a) normal y b) diferente de 90°. ....... 28
Tabla 1: Fases y micro constituyentes de importancia metalúrgica. ................................................ 30
Tabla 2. Definiciones de temperaturas de transformación de hierro y aceros. ............................... 31
Fig. 5. Microestructura de dos fases correspondiente a la Perlita en un acero con 0.8 %de C, 500x.
........................................................................................................................................................... 33
Fig. 6. Diagrama TTT para un acero eutectoide en comparación con el diagrama de fases Fe-𝐹𝑒3𝐶.
........................................................................................................................................................... 34
Fig. 7 Microestructura acicular o en forma de agujas de la martensita 1000 x. ............................... 36
Fig. 8. Microestructura de la martensita revenida de un acero con 0.50 % de carbono. ................. 36
Fig. 9. Diagrama TTT. De revenido de la martensita. ........................................................................ 37
Fig. 10 (a) Bainita superior (placas grises tipo pluma) (x600). (b) Bainita inferior (agujas Oscuras)
(x400). ............................................................................................................................................... 37
Tabla 3. Numero de variables ........................................................................................................... 39
Tabla 4.Modelo bifactorial de efectos fijos ....................................................................................... 40
Tabla 5.Determinación número de réplicas utilizando como factores temperatura-tiempo ........... 40
Tabla 6. Composición química para acero AISI / SAE 1045. .............................................................. 41
Fig. 11. Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento. ............................................ 42
Fig. 12 Mufla LEF205P ...................................................................................................................... 43
Fig. 13. tiempos y secuencias de los tratamientos térmicos para el temple de 30 min con todos los
tiempos de revenido ......................................................................................................................... 43
Fig. 14. tiempos y secuencias de los tratamientos térmicos para los isotérmicos con todos sus
tiempos.............................................................................................................................................. 44
Fig. 15. Probetas dentro de la mufla ................................................................................................. 44
Fig. 16. Durómetro ............................................................................................................................ 46
Tabla 7. Promedio de los valores obtenidos en el ensayo de dureza. .............................................. 46
Grafica 1. Variación de la dureza según el tratamiento térmico a que se sometido el acero. ......... 47
Fig 17. Tribometro,para ensayos de erosion según la norma ASTM-G76. ............................... 49
Fig 18. Tribometro,para ensayos de erosion según la norma ASTM-G76. ........................................ 49
Fig. 19 Dimensiones de la probeta .................................................................................................... 50
Fig. 20. Probeta pulida con lija 400. .................................................................................................. 50
Fig. 21. Gramera scientech, unidad de medida milésimas de gramo. .............................................. 51
8
Tabla 8. Peso de las probetas ates del ensayo de desgaste erosivo. ................................................ 52
Fig. 22. Sistema de alimentación tribómetro. ................................................................................... 53
Fig. 23. Sistema de inyección tribómetro. ......................................................................................... 54
Fig. 24. Manómetro del sistema de inyección. ................................................................................. 55
Fig. 25. Manómetro de salida del compresor. .................................................................................. 55
Fig. 26. Anemómetro. ........................................................................................................................ 56
Tabla 9. Medición de velocidad......................................................................................................... 56
Fig. 27 Caracterización del corridon marrón X100. ........................................................................... 57
Tabla 10. Datos de comportamiento de la masa en función del tiempo .......................................... 57
Grafico 2. Comportamiento de la masa en función del tiempo. ....................................................... 58
Fig.28. Probetas evidenciando la huella que dejo el impacto de las partículas. ............................... 59
Tabla 11. Relación de los cambios de masa de las probetas antes y después del ensayo de desgaste
por erosión. ....................................................................................................................................... 60
Tabla 12. Resultados del valor medio de erosión (𝑚𝑚3/g). ............................................................. 62
Fig. 29. Maquina encapsuladora de probetas ................................................................................... 62
Fig. 30 Probetas encapsuladas ......................................................................................................... 63
Fig. 31. Microscopio metalográfico invertido ................................................................................... 63
Fig. 32 Microscopio electrónico de barrido ...................................................................................... 64
Grafica 3. Perdidas de masa en probetas.......................................................................................... 64
Tabla 13. Comparación de los resultados obtenido ......................................................................... 65
Fig.33. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 Sin tratamiento térmico. ........................................... 71
Fig. 35. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 con temple 30 min, revenido 15 minutos................. 71
Fig. 34. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 con Temple 30 minutos. ........................................... 71
Fig. 36. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 Con Temple 30 min y revenido 60 minutos. ............. 71
Fig. 37. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 con tratamiento Isotérmico 30 minutos. .................. 71
9
RESUMEN
Este proyecto consiste en el análisis y estudio de los cambios de fase en un acero al carbono
conocido como AISI/SAE 1045, para identificar los efectos micro estructurales que presenta
el material al ser tratado térmicamente, para ser expuesto a un ensayo de erosión por
pinzamiento de partículas sólidas.
Los tratamientos térmicos se realizaron a temperaturas intercriticas las cuales fueron de
770° C para luego ser enfriados en agua a temperatura ambiente, además se hizo un alivio
de contracciones al material al volverlo a llevar a una determinada temperatura de 550° C
en diferentes tiempos. Para revisar los resultados de los tratamientos antes mencionados
se le realiza un estudio de metalografía tanto óptica como electrónica para evidenciar el
cambio de fases que sufre el material estudiado.
El ensayo de erosión se realiza mediante el método de prueba estándar expuesto en la
norma ASTM –G76, para establecer cual tratamiento térmico mejoro las propiedades del
material oponiendo mayor resistencia al desgaste por erosión, esto se evidencio
registrando el cambio de masa de la muestra antes y después de ser sometida a este ensayo.
ABSTRACT This project involves the analysis and study of phase changes in carbon steel known as
SAE / AISI 1045, to identify the microstructural effects that presents the material to be heat
treated, and then be exposed to an impingement erosion test solid particles guided by the
ASTM G76 standard.
Heat treatments were performed intercritical temperatures, which were 770 ° C before
being cooled in water at room temperature was also contractions relief material to bring it
back to a certain temperature of 550 ° C at different times. To review the results of the
above treatments she underwent a process of both optical as well as electronic
metallography, this to ensure that the phase change is in the material studied
The erosion test is performed using the standard test method disclosed in the above
standard, and this is where by loss of mass in each of the samples is determined which is
the best phase behavior that comes from the treatments.
10
INTRODUCCIÓN
En el mundo de hoy, la erosión es un efecto que se presenta por diversas condiciones como
la temperatura, la velocidad de impacto y otros factores que afectan la vida útil de las
herramientas o superficies por las que se transportan diferentes fluidos, como resultado de
estos efectos los materiales que se utilizan para su elaboración son poco durables, este
desgaste ocurre cuando las partículas que se encuentran dentro de un fluido chocan con las
paredes del medio de transporte que las rodean y al impactar causan daño en la superficie.
Por esta razón se requiere realizar el estudio con un material con diferentes tratamientos
térmicos para saber cuál es más efectivo y mejora las propiedades del material para evitar
o tratar de disminuir el desgaste por erosión.
El acero AISI/SAE 1045 es un material con el cual se fabrican gran cantidad de piezas
mecánicas en el sector industrial y automotriz debido a que es económico y se encuentra
abundantemente en el mercado además podemos modificar sus propiedades mecánicas al
someterlo a diversos tratamientos térmicos.
El desgaste de los componentes de las maquinas es un problema que ha afectado a la
industria desde sus inicios ya que este fenómeno genera pérdidas tanto económicas como
de tiempo en el cambio de las partes que se ven afectadas, en este proyecto nos enfocamos
en el estudio de desgaste erosivo ya que en nuestro país contamos con poca documentación
sobre este tema.
Los tratamientos térmicos son de gran importancia ya que producen un cambio en el
porcentaje de las fases de la microestructura del acero para mejorar algunas propiedades,
teniendo encueta lo anterior buscaremos hallar una relación entre estos cambios para
establecer si mejoran la resistencia al desgaste erosivo del acero AISI/SAE 1045.
11
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Qué relación tiene el cambio microestructural que presenta un acero AISI/SAE 1045 al ser
sometido a un tratamiento isotérmico, un temple y un revenido, con los cuales se busca
establecer si estos en realidad mejoran la resistencia al desgaste por erosión del material.
Conociendo que un material tratado térmicamente tiende a cambia algunas de sus
propiedades, se buscara relacionar el cambio que presentan las fases de la microestructura
del acero para dar a conocer cuál de estos tiene mejor comportamiento al enfrentarse al
desgaste erosivo, se tratara de relacionar la secuencia de tiempos, temperaturas y tipos de
tratamiento para encontrar cuál de estos tiene mayor influencia sobre el acero y en los
cambios de sus cualidades.
1.1 JUSTIFICACIÓN Surge la necesidad de realizarle un estudio al acero AISI/SAE 1045 para establecer como es
afectado al someterlo al desgaste por erosión, ya que en nuestro país no se cuenta con la
suficiente información en las bases de datos del comportamiento que este material tiene al
sometido a condiciones de desgaste, a nivel mundial se han realizado varios estudios
tratando de entender y dar solución a esta problemática que ocasionan demasiadas
perdidas en la industria las cuales son económicas debido al gran costo de algunos aceros
que son utilizados para elaborar herramientas, máquinas y partes que las componen, para
reducir estos costos se han implementado gran cantidad de tratamientos térmicos a estos
materiales buscando mejorar algunas de sus propiedades las cuales se dan por el cambio
microestructural que sufre el acero al momento de ser tratado térmicamente, se buscara
reunir la suficiente información para documentar la relación que tienen los tratamientos
térmicos respecto a los cambios que se presentan en los porcentajes de faces que
componen la microestructura del material y si estos ayudan a mejorar la resistencia al
desgate erosivo.
El desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad de elementos de máquinas
en las industrias minera y alimenticia, como también turbinas hidráulicas, implementos
agrícolas, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas, al igual que piezas específicas
usadas en las industrias petrolífera y petroquímica, entre otras muchas aplicaciones. Con
este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de material y la consecuente falla de las
piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en virtud del tiempo asociado a la
reparación de equipos y substituciones de los componentes desgastados y esto nos da una
buena base para generar piezas que estén expuestas este desgaste para así poder darle una
vida superior a la que manejan las herramientas hoy en día con los recubrimientos usados
por las industrias.
12
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar un tratamiento isotérmico y un temple desde temperaturas intercriticas en el
desgate erosivo según la norma ASTM-G76.
1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Establecer las temperaturas intercriticas del acero AISI/SAE 1045.
Establecer la secuencia de tiempo para realizar los tratamientos térmicos basados
en las temperaturas intercriticas.
Desarrollar la prueba de desgaste por erosión utilizando el tribómetro que se
encuentra en el laboratorio según la norma ASTM-G76.
Analizar la microestructura del acero AISI/SAE 1045 después de ser sometido al
tratamiento térmico y a la prueba de desgaste por erosión.
Relacionar los cambios que sufre la microestructura del acero al realizar los
tratamientos térmicos y como se verá afectada la resistencia al desgaste.
13
2 MARCO CONCEPTUAL En esta investigación que se planteó anteriormente hay antecedentes que se tienen que
evaluar las soluciones que se han propuesto en diferentes momentos para no caer en los
mismos errores o que sirvan de guía para encontrar los mejores resultados y aspectos que
no han sido abordados o para los cuales todavía no se logra una solución aceptable. A demás
se necesita afianzar la investigación y adsorber toda la información posible para ello se
contara con 10 artículos e diferentes investigaciones relacionadas con el tema.
2.1.1 INFLUENCIA DE LOS TRATAMIENTOS DE REVENIDOS INTERCRÍTICOS EN LA
CONCENTRACIÓN DE NÍQUEL CORRESPONDIENTE A PARTÍCULAS DE AUSTENITA
RESIDUAL EN UN ACERO CON 9 % NI
El autor nos hace referencia que a un revenido que se la aplica a un acero con un 9% de Níquel el cual llevado a una temperatura entre los 540 y 670° C a más de una hora de revenido las partículas evidenciaban la propagación de austenita la cual se obtenía una concentración adecuada de níquel, pero si el tratamiento no duraba más de una hora el efecto no era muy significativo pero en resumidas cuentas el autor argumenta “Los resultados obtenidos concuerdan con las observaciones de algunos investigadores, según los cuales, revenidos por tiempos muy prolongados a 600 °C o revenidos a temperaturas mayores son perjudiciales para la estabilización de la austenita. De esta manera, en función de las velocidades de difusión del carbono y del níquel, revenidos realizados a temperaturas menores de 600 °C (540 °C) o mayores (670 °C) afectan directamente la concentración de estos elementos (y de otros secundarios como el silicio y el manganeso) en las partículas de austenita, afectando su estabilidad”1 Aquí se puede ver que pese a la investigación que se promovió fue de la gran satisfacción ver resultados que fueron muy acertados y el autor llega a la misma conclusión que tuvieron los autores quienes consulto además se pudo evidenciar que el níquel a una temperatura más alta de revenido es difícil que sea estable ya que la concentración de níquel en las partículas de austenita residual es insuficiente.
2.1.2 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DESDE TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS
EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO SAE 1045 -“
El autor de este artículo habla sobre las diferentes características que tiene un acero bajo
las pruebas de resistencia como por ejemplo las de tensión dureza lo que decía el autor es
“En este trabajo se analiza el efecto sobre la resistencia a la tensión, límite de elasticidad,
ductilidad y dureza de los tratamientos térmicos desde temperaturas intercríticas (IHT) en
un acero SAE 1045. El tratamiento se lleva acabo seleccionando cuatro temperaturas
comprendidas entre A1 y A3, para posteriormente realizar un temple en agua. Basado de
un modelo experimental se obtiene el número de probetas necesarias para tener validez
estadística. Se fabricaron las probetas de acuerdo a la norma ASTM. Los valores
1 S. J. Casarin et al. / Influencia de los tratamientos de revenidos intercríticos en la concentración de níquel... Consejo
Superior de Investigaciones Científicas España Rev. Metal. Madrid, 35 (3), 1999
14
encontrados experimentalmente se comparan con los que se obtienen mediante el
modelado matemático del cambio en la microestructura del material. Los resultados
muestran la variación en la estructura formada por ferrita y martensita en diferentes
porcentajes acorde con la temperatura desde la que se realiza el tratamiento y la influencia
de esta estructura en las propiedades finales del acero. Mostrando relación con las
referencias pues los valores de esfuerzos de fluencia disminuyen pero aumentan las
deformaciones.”2
El autor afirma que llevando el material a temperaturas intercriticas y enfriándolo
rápidamente la austenita se convierte en martensita en el diagrama FE-C y este proceso
tiene el nombre de doble fase (DF)
Este artículo concluye que la relación que tiene los aceros con un tratamiento térmico sirve
para aumentar las características que hoy en día son muy importantes para la industria en
especial la automotriz. La transformación de (DF) puede conllevar a tener dificultades
también por las fuerzas internas tan altas del material ya que puede a tener fisuras.
2.1.3 ESTUDIO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE EROSIVO EN SECO DE MATERIALES DE
INGENIERÍA
La idea de este proyecto fue realizar unas pruebas en materiales de ingeniería para
determinar el desgaste producido por la erosión en seco a partir de los diferentes ángulos
de impacto y con ayuda de la microscopia electrónica se requiere para visualizar los efectos
de las pruebas.
El proyecto se basa en lo que dice el autor “El desgaste erosivo ha sido un problema que por siglos ha afectado gran cantidad de elementos y equipos industriales, incluso la misma naturaleza ha sufrido por siempre el rigor de este tipo de fenómeno. Pero fue sólo a partir de los años 60, con base en estudios realizados en países industrializados acerca de las pérdidas generadas por este tipo de degradación”3 “Históricamente los estudios de los mecanismos de desgaste que actúan en la erosión fueron centrados en materiales dúctiles, más o menos hasta los años 70, cuando algunas publicaciones de investigaciones sistemáticas sobre la erosión de materiales frágiles comenzaron a aparecer, siendo que muchos de los investigadores en el transcurso de sus estudios se han interesado más en los mecanismos de remoción del material, que en las
2 Carlos A Bohórquez influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045 Mecánica Computacional Vol XXXI, págs. 3577-3587 2012 Asociación Argentina de Mecánica Computacional http://www.amcaonline.org.ar 3 García Velásquez, Johnny; Mejía Jaramillo, Edgar; Mesa, Dairo Hernán ESTUDIO DE LA RESISTENCIA AL
DESGASTE EROSIVO EN SECO DE MATERIALES DE INGENIERÍA 11 de Octubre de 2004 Universidad Nacional de Colombia
15
características del flujo de los fluidos, donde posiblemente puede estar la clave para la solución a muchos problemas prácticos.”4 Por estas razones se puede concluir que las pruebas de desgaste que se hacen para verificar como afecta la erosión en diferentes materiales y para nuestro proyecto nos ayuda a tener una cierta visión de cómo se puede comportar nuestro material en frio pero nos deja la incertidumbre para las pruebas con las probetas tratadas térmicamente.
2.1.4 INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH HEATING IN THE INTERCRITICAL
TEMPERATURE RANGE ON THE PROPERTIES OF STEELS 60С2А AND 60С2ХФА
“The objective of this paper was to explore the possibility of getting in the studied steels mechanical properties, abrasion and shock abrasive wear resistance, which are not usually implemented in them, to expand their field of application. Heat treatment, substantially different from the standard was used, including heating in the intercritical temperature range (ICTR), allowing to obtain multiphase structure consisting of martensite and lower bainite, ferrite, a small amount of carbides and residual austenite, which is converted into martensite of deformation under load (the effect of self-hardening while testing properties during loading)”5 “Considering that for steels 60С2А and 60С2ХФА critical points are, respectively, as follows: Ас1 = 750 °С, Ас3 = 820 and Ас1 = 760, Ас3 = 837, 60С2А heating was performed at 790 and 60С2ХФА at 800 °С. Holding at these temperatures varied from 20 to 90 minutes. Hardening in oil and subsequent tempering was carried out at 250°C for 1 hour or isothermal hardening from the ICTR with holding at 350°C, 10, 30, 60 min. For performing the latter method was applied, which consists in that after heating and holding in ICTR the samples were cooled in water to a temperature of the isotherm in the area of lower bainite and not in molten salts, as it is usually done, and then they were kept at a predetermined temperature in the furnace and cooled in the air.”6 En este artículo se aplicó la estrategia de desgaste abrasivo por medio de un disco giratorio que muestra que el los dos tipos de aceros estudiados se enfrentaron a temperaturas intercriticas para el temple además también se les hizo un revenido el cual ayudo a que su estructura y se pudo ver que los resultados fueron que en un tiempo de 20 a 90 mejora sus propiedades mientras que después de los 90 minutos las características no mejoran mucho.
4 García Velásquez, Johnny; Mejía Jaramillo, Edgar; Mesa, Dairo Hernán ESTUDIO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ROSIVOEN SECO DE MATERIALES DE INGENIERÍA 11 de Octubre de 2004 Universidad Nacional de Colombia 5 L.S. Malinov, I.E. Malysheva, D.V. Malinova INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH HEATING IN THE INTERCRITICAL TEMPERATURE RANGE ON THE PROPERTIES OF STEELS 60С2А AND 60С2ХФА Pryazovskyi State Technical University Metallurgical and Mining Industry, 2012 6 L.S. Malinov, I.E. Malysheva, D.V. Malinova INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH HEATING IN THE INTERCRITICAL TEMPERATURE RANGE ON THE PROPERTIES OF STEELS 60С2А AND 60С2ХФА Pryazovskyi State Technical University Metallurgical and Mining Industry, 2012
16
2.1.5 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO
AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL
“Se realizó un experimento del tipo “mover un factor a la vez” (OFAT) para evaluar
diferentes combinaciones de temperatura y tiempo en los tratamientos térmicos de temple
y revenido del acero AISI-SAE 1045 a escala industrial. La evaluación se realizó con base en
el análisis de la microestructura y dureza obtenidas en cada tratamiento térmico. Los
resultados obtenidos sugieren que en condiciones industriales la temperatura
recomendada para austenización del acero AISI/SAE1045 es 870°C y que puede existir una
relación entre la temperatura de austenización y la tetragonalidad de la martensita
obtenida al templar aceros simples al carbono.”7
“Los resultados obtenidos en este trabajo sugieren que en condiciones industriales la temperatura recomendada para austenización del acero AISI/SAE1045 es 870 °C, dado que al templar el acero desde dicha temperatura se obtiene una dureza superficial satisfactoria (dentro del rango de dureza máxima para un acero al carbono con 0,45% en peso de carbono) con la menor cantidad de austenita retenida y la mayor tetragonalidad de la martensita producida.”8
2.1.6 ESTUDIO DE LOS TIPOS DE CRÁTERES OBTENIDOS EN EL IMPACTO DE PROYECTILES
5,56 ASSL 09, SOBRE BLANCOS DE ACERO AISI-SAE 1045W.
Este artículo nos habla de la utilización de láminas de acero AISI-SAE 1045 como blancos de
impacto de proyectiles 5,56 SS109, ya que las características de este acero evidencian que
es un material eficiente al ser utilizado para la elaboración de un blindaje balístico, se
utilizaron 7 tipos de chapas de dimensiones de 200x200x6.35mm, con diferente
tratamiento térmico para cada una como se muestra a continuación.
“LBl: Chapa comercial para blindaje en estado bonificado, fabricada por laminación y temple continúo.
LSAE1045R: Chapa AISI-SAE 1045 en estado recocido.
LSAE1045D1: Chapa AISI-SAE 1045 Dúplex N°1, templada en aceite desde 760 °C y revenida a 180 °C durante 2 h.
-LSAE1045D2: Chapa AISI-SAE 1045 Dúplex N° 2, templada en agua desde 750 °C, sin revenido posterior.
LSAE1045B1: Chapa AISI-SAE 1045 bonificada N° 1, templada en aceite desde 875 °C y revenida a 180 °C durante 2 h.
LSAE1045B2: Chapa AISI^SAE 1045 bonificada N^ 2, templada en agua desde 900 °C y revenida a 180 ^C durante 2 h.
7 David Mazuela Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO
PARA EL ACERO AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL revistas.utp.edu.co › Inicio › Vol. 3, núm. 49 (2011)
8 David Mazuela Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL revistas.utp.edu.co › Inicio › Vol. 3, núm. 49 (2011)
17
LSAE1045B3: Chapa AISI-SAE 1045 bonificada N° 3, templada en agua desde 860 °C y revenida a 300 °C durante 2 h.
LSAE1045C: Chapa AISI-SAE 1045 cementada, carburada a 875 °C durante 6 h (alcanzándose un contenido de carbono sobre las superficies de 0,98 %), templada en aceite desde 875 °C y revenida a 180 °C durante 2 h.”9
“Los ciclos de tratamiento térmico mediante los cuales se obtuvieron las chapas 1045 bonificadas y la carburada, se eligieron de tal forma que se alcanzara un nivel de dureza comparable con el de la Chapa LBL En la tabla II se encuentran los promedios de durezas superficiales y del núcleo, de cada Una de las chapas impactadas. Los proyectiles utilizados para impactar las chapas fueron de calibre 5,56 SS109, poseen una cabeza ojival y se encuentran constituidos, en su núcleo, por una punta de acero bonificado AISI-SAE 1040 (50 HRC) y un cuerpo de plomo antimonios. Este núcleo está envuelto por una camisa de latón. Cu 90 % - Zn 10 %, localizándose entre la punta de acero del núcleo y la camisa, una pequeña cámara de aire.”10 Para realizar la prueba se utilizaron unos soportes para fijar cada placa o chapa de acero AISI-SAE 1045 para que fueran impactadas por el proyectil y poder mirar el cráter u orificio que se produce al momento de hacer contacto el proyectil con la chapa utilizada como blanco. “Los impactos se realizaron a una temperatura promedio de 18 °C y a una distancia de 25 m de la boca de fuego del cañón, siendo la velocidad lineal media del proyectil de 925,7 m/s, lo cual indica que se está muy cerca del límite superior del régimen de altas velocidades.”11 Después de realizar los impactos se procedió a realizar las pruebas metalográficas para realizar el análisis metalográfico y realizar una inspección del cráter que dejo el proyectil sobre la estructura micrográfica del acero AISI/SAE 1045, después de obtener estos resultados se llegó a concluir que la chapa tuvo mayor eficiencia frente a los impactos del proyectil fue la de acero AISI-SAE 1045, en estado bonificado.
9 Álvaro Castro, Edgar Espejo y Leonardo Martínez, Estudio de los tipos de cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SSl 09, sobre blancos de acero AISI-SAE 1045. Rev. Metal. Madrid 36 (2000) 24-32. Consultado de file:///C:/Users/HP/Downloads/553-569-1-PB.pdf. 10 Álvaro Castro, Edgar Espejo y Leonardo Martínez, Estudio de los tipos de cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SSl 09, sobre blancos de acero AISI-SAE 1045. Rev. Metal. Madrid 36 (2000) 24-32. Consultado de file:///C:/Users/HP/Downloads/553-569-1-PB.pdf. 11 Álvaro Castro, Edgar Espejo y Leonardo Martínez, Estudio de los tipos de cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SSl 09, sobre blancos de acero AISI-SAE 1045. Rev. Metal. Madrid 36 (2000) 24-32. Consultado de file:///C:/Users/HP/Downloads/553-569-1-PB.pdf.
18
2.1.7 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO
AISI/SAE1045
“El acero bajo especificación AISI/SAE 1045 es un acero simple al carbono con un porcentaje en peso de dicho elemento que oscila entre 0,42% y 0,5%, razón por la cual también es clasificado como un acero de medio carbono. En Colombia, este material es utilizado de manera frecuente como acero de construcción mecánica para la fabricación de piezas forjadas a las cuales se les confieren las propiedades mecánicas requeridas mediante tratamientos térmicos de temple y revenido”.12 Los autores de este artículo variaron algunos parámetros en el temple y revenido del acero AISI/SAE 1045 que ya se habían establecido en la industria, se realizaron varias combinaciones variando tiempos y temperaturas durante este proceso. Para el tratamiento térmico de temple se evaluaron tres temperaturas de autenticación: 820°C, 870°C y 930°C, Elegidas de acuerdo con los rangos recomendados por diferentes proveedores locales de acero AISI/SAE 1045 El tratamiento de revenido se llevó a cabo a 150°C, 400°C y 630°C, con tiempos de sostenimiento de 1 y 3 horas.13 Después de establecer esta temperaturas se realizaron las pruebas de dureza y se realizó el análisis microestructura por medio de difracción de rayos X para para identificar las fases y componentes que presenta el material después del tratamiento térmico a las diferentes temperaturas que se realizó. Después de comparar los datos obtenidos en cada temperatura se evidencio que la temperatura que presenta un mejoramiento o aumento de las propiedades del material es la de 870°C ya que se aumenta la dureza superficial estando esta entre los límites del rango de dureza que para este material es de 0,45% de carbono y con menor cantidad de austenita retenida.
2.1.8 CORRELACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA, LA DUREZA Y LA SUPERFICIE DE
FRACTURA CON LA RESISTENCIA A LA FATIGA DEL ACERO 1045.14
Los autores de este articulo buscaron relacionar los cambios que sufre la estructura, la dureza y la resistencia a la fatiga del acero AISI/SAE 1045 al cual se le realizan diferentes
12 David Mazuera Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas. evaluación de los parámetros de temple y revenido para el cero AISI/SAE 1040 a escala industrial. 13 David Mazuera Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas. evaluación de los parámetros de temple y revenido para el cero AISI/SAE 1040 a escala industrial. 14 Jonnathan Muñoz Cubillos y John Jairo Coronado Marín, Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies (GIFS). Universidad del Valle, consultado de http://blade1.uniquindio.edu.co/uniquindio/revistainvestigaciones/adjuntos/pdf/7258_Art%204%20galera.pdf.
19
tratamientos térmicos, para los cuales se tomaron temperaturas de 850°C para realizar el temple, de 300°C y 600°C para realizar el revenido del material. Para realizar el revenido del acero se elevó la temperatura del horno a 300°C y 600°C respectivamente para cada tratamiento, luego se mantuvo esta temperatura durante 2 horas y se procedió a enfriar el material en agua a temperatura ambiente. De los resultados obtenidos por los autores se puede decir que el material templado sin revenir presenta un esfuerzo último y dureza mayor que cuando se le hace un revenido.
2.1.9 ESTUDIO DEL DESGASTE POR EROSIÓN EN ALEACIONES DE BAJA DENSIDAD
El autor de esta tesis plantea la opción de sustituir el acero H13 por aluminio con un
recubrimiento, en la actualidad el H13 es usado en la fabricación de cajas de corazones ,se
busca hacer esta sustitución para bajar costos en la industria en cuanto perdidas
económicas causadas por el desgaste por erosión de estos mecanismos.
“El objetivo general que plantea el autor es “Obtener los valores de desgaste por erosión
de la aleación de aluminio 6061 con recubrimiento cerámico Keronite con espesores de 80,
110, 120 y 150 micrómetros a ángulos de impacto del erodente de 20°, 40°, 60° y 90°.”15
“La erosión de una superficie, se produce de tres formas: 1. Por choque de partículas sólidas.
2. Por choque de líquidos y lodos (partículas inmersas en líquidos).
3. Por cavitación. “La erosión por partículas sólidas es la pérdida de material en su superficie debido a los repetidos impactos de pequeñas partículas sólidas inmersas en un medio gaseoso. Ambrosini L. y Bahadur S. encontraron que la erosión tiende a incrementarse con un
incremento en la dureza o resistencia tensil y decrece con el aumento de la ductilidad.
Consecuentemente la relación entre la dureza y la resistencia a la erosión necesita ser
clarificada. Levy y Jahanmir concluyeron que es la ductilidad del acero (SAE 1075), más que
la dureza, la que gobierna la cantidad de erosión. Un revés al hallazgo de que la ductilidad
mejora la resistencia a la erosión ha sido observado y reportado por Foley y Levy. Parece
haber un límite en el cual puede ser tratada el descenso de resistencia por ductilidad en
ganancia en resistencia a la erosión. McCabe y Sargent mencionan que Finnie y coautores
mostraron que el trabajo en frío previo a la erosión no tiene efecto en la resistencia a la
erosión de los materiales dúctiles, lo cual los conduce a concluir que la dureza Vickers no
puede ser usada para estimar la resistencia a la erosión. De hecho, fue encontrado por
15 Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león.
20
Sheldon y Kanhere que el aluminio 6061 trabajado en frío se erosiona más rápido que el
aluminio recocido de la misma composición arriba de una velocidad crítica de impacto.”16
“La velocidad de la partícula impactante es la variable más importante en la erosión, por lo tanto es necesario determinar la velocidad de las partículas en las pruebas que se lleven a cabo. Existen métodos para medir la velocidad de partícula erodente la ASTM G76, recomienda tres tipos: 1. Fotografía de alta velocidad.
2. Velocímetro láser doppler
3. Método de doble disco. “17
El autor del artículo realizo la prueba de erosión basándose en la norma ASTM-G76 siguiendo los siguientes parámetros que esta norma establece, a continuación enunciados. “Estándar de erosión G76 de la ASTM, Método estándar para la realización de pruebas de erosión por el impacto de partículas sólidas utilizando un flujo de gas.
1. Temperatura ambiente. 2. Boquilla de 1.5 mm de diámetro interno. 3. Distancia de boquilla a probeta 10 mm. 4. Aire seco (-40 °C de punto de rocío). 5. 1.38 bar (20 psi) de presión. 6. Alúmina como erodente el cual se cambió a arena sílica. 7. Partículas abrasivas de tamaño promedio 50 µm. 8. Alimentación de erodente 2 g/min. 9. Medición de velocidad de partícula. 10. 5 minutos como tiempo de exposición. 11. Ángulo de 90 grados.”18
“Estos ensayos se realizaron únicamente al ángulo de impacto de 90° a una presión de 1.38 bar (20 Psi), se utilizaron 10 g de arena sílica (SiO2) como erodente por prueba, el erodente utilizado fue alimentando dos gramos cada minuto por un espacio de cinco minutos. Las partículas utilizadas fueron de 50 µm de tamaño promedio tal como lo pide el método estándar para la realización de pruebas de erosión por el impacto de partículas sólidas
16 Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león. 17Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león. 18 Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león.
21
utilizando un flujo de gas, otras de las condiciones fue la de utilizar una boquilla de diámetro interno de 1.5 mm con separación de 10 mm de la probeta y la boquilla.”19 El autor realizo la prueba de erosión basado en la norma ASTM-G76y en la metodología
NEMAK realizo la comparación de los resultados obtenidos y los compararon con los
resultados del acero H13 y recubrimiento que se le dio al aluminio por oxidación
electrolítica de plasma , se puede llegar a decir basados en la conclusión dada por el autor
que este último no es recomendable para utilizarlo como remplazo del acero H13 en la
fabricación de piezas mecánicas debido a que este recubrimiento es frágil y no mejora en
nada la resistencia al desgaste por erosión y los costos siguen aumentando en la producción
industrial de estos mecanismos.
2.1.10 DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA PARA PRUEBAS DE EROSIÓN
El autor de este artículo plantea como objetivo la construcción de una maquina tribológica
para realizar los ensayos de desgaste por erosión para diferentes tipos de aceros que han
sido sometidos a diferentes tipos de tratamientos térmicos para este caso se utilizó un acero
H13.
“La palabra tribología se deriva del griego Tpipoo, o tribos, que significa frotar, Deslizar o tallar. La definición formal de tribología es: "la ciencia y tecnología de Las superficies interactuando en movimiento relativo y de los temas y prácticas Relacionadas”20 “La clasificación del desgaste toma dos aspectos en consideración; el primero es basado en como ocurre el desgaste en las piezas o componentes, como pueden ser picaduras, degradación, y estriación entre otras. El segundo aspecto, mayormente utilizado, toma en consideración las bases del mecanismo o acción tribológica. Dentro de los principales mecanismos de desgaste se encuentran: abrasión, adhesión, corrosión, erosión, fatiga, fretting, oxidación.”21
“La velocidad recomendada por el estándar ASTM G 76 es de 30 ± 2 ms-1 y debe ser medida a la distancia de impacto. Algunos de los métodos aceptados para medir la velocidad de impacto de las partículas son: fotografía de alta velocidad, velocímetro láser y doble disco. Por razones económicas este último es el más utilizado.”22
19 Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león. 20 Álvaro Manuel Treviño, Desarrollo de una metodología para pruebas de erosión, tesis de grado 2004. universidad autónoma nuevo león. 21Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león 22 Álvaro Manuel Treviño, Desarrollo de una metodología para pruebas de erosión, tesis de grado 2004. universidad autónoma nuevo león.
22
De los resultados obtenidos por el autor en el que se evidencio menor desgaste en las
probetas durante el ensayo de erosión fue cundo se incrementó la dureza del material por
medio del tratamiento térmico y realizar los impactos con un Angulo de 20°.
2.1.11 “EVALUACIÓN DEL DESGASTE EROSIVO POR PARTÍCULAS SOLIDAS EN UN ACERO
AISI/SAE 1020”23
La autora de este documento realizo el diseño y elaboración de un tribómetro para realizar
desgate erosivo por partículas sólidas, el cual se construyó con objetivo de terminar la
pérdida de masa del acero AISI/SAE 1020, teniendo en cuenta los parámetros de la norma
ASTM-G76
Para realizar el ensayo de desgaste por erosión se utilizaron 4 probetas de acero ISI/SAE
1020, las cuales fueron sometidas al ensayo bajos las condiciones que sugiere la norma
ASTM G-76, estas muestras se les realizo el ensayo tomando tiempos de (2, 4, 8,12) minutos
como lo sugiere la norma para evaluar el comportamiento frente al desgaste por erosión,
las partículas que se usaron para impactar el material fue alúmina de 150 μm y 75 μm.
Los resultados obtenido por el autor de este documento nos evidencia que el acero
AISI/SAE 120 sufre mayor pérdida de masa cuando se utiliza alúmina de 75 μm para
impactarlo, además se puede ver un cambio significativo en el desgaste erosivo del material
después de 6 minutos de realizar el ensayo.
2.2 .TRATAMIENTOS TERMICOS Los principios básicos acerca de las alteraciones de fase que ocurren en los aceros, se
pueden aplicar para describir transformaciones específicas de importancia industrial. No es
realista describir la vasta cantidad de materiales y tratamientos térmicos que se usan
actualmente en la industria. Sin embargo, si se escoge con cuidado una cantidad limitada
de ejemplos en los que existan muchos datos que relacionen el efecto del tratamiento
térmico sobre la microestructura, se puede desarrollar una idea y una confianza en la
aplicación de los principios básicos de esta técnica
El acero es uno de los materiales estructurales más importantes que se usan hoy día.
También es un sistema de aleación muy estudiado, por la diversidad de microestructuras
que se desarrollan cuando se tratan térmicamente estas aleaciones. Este sistema muestra
la mayor parte de los tipos principales de transformaciones de fase.
2.3 TEMPLE DE LOS ACEROS Es una operación que se realiza calentando a una temperatura por encima del punto de
transformación Ac3 o Ac1, enfriando con tal velocidad que se produzca un considerable
aumento de la dureza, superficialmente o hasta el núcleo de la pieza, lo que se debe en
23 Deisy Johanna Torres Martínez, Evaluación del desgaste erosivo por partículas sólidas en un acero AISI/SAE 1020. Tesis de grado universidad distrital francisco José de Caldas.
23
general a la formación de martensita en la figura 1 se muestra una franja de temperatura
utilizada para austenización en el diagrama Fe-C
Fig. 1. Temperaturas de austenización para el temple, indicadas en el diagrama Fe-C24
Después del calentamiento, se austeniza la estructura del acero a una temperatura superior
a Ac3. En el enfriamiento rápido posterior se transforma la austenita en martensita.
La formación de martensita está influida, además por la temperatura de temple, el tiempo
de mantenimiento a ella y la forma de enfriamiento. Si la temperatura de temple es
demasiado alta, se forma una martensita de agujas gruesas como consecuencia de la falta
de gérmenes y lo mismo ocurre si el tiempo de mantenimiento es demasiado largo.
La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos, ha de ser
superior a la velocidad crítica. Este enfriamiento brusco aumenta las tensiones térmicas y
de transformaciones engendradas en el acero, y en las piezas de forma complicada existe
el peligro de figuración.
2.4 REVENIDO DE LOS ACEROS
La martensita obtenida en el temple tiene elevada dureza, pero lamentablemente, las tensiones alrededor de los átomos de C atrapados en la red cristalina del Fe, producen fragilidad en las piezas templadas. Esto no sólo puede anticipar la fractura en servicio, sino que las partes pueden fisurarse espontáneamente, simplemente estando almacenadas. Es necesario reducir la fragilidad; para ello se las somete a un calentamiento inmediatamente posterior al temple, denominado revenido. Como consecuencia se observará una disminución en la dureza final de las piezas, que se debe corresponder con las especificaciones. 24 Ciencia e Ingeniería de los Materiales - Donald Askeland - 3edicion ,capitulo 11
24
Una característica necesaria para incrementar el tamaño y disminuir el número de partículas dispersas, es mantener la temperatura constante por un intervalo prolongado, después de templar. Al incrementar la temperatura para un tiempo dado, la dureza de un acero al C se reduce de una manera definitiva, como se observa en el gráfico dureza vs temperatura de revenido, para 1 hora, en un acero templado de 0,62 % C (Fig. 2).
Fig. 2. Efecto del revenido en la dureza de un acero de 0,62 % C templado, realizado
durante 1 hora a varias temperaturas25
2.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ISOTÉRMICOS. El proceso de tratamiento a temperatura isotérmica a nivel estructural ocurre de la
siguiente manera: la austenita comienza a transformarse en ferrita y el exceso de carbono
que tiene la austenita que se debería presentar como cementita y ocurre los siguiente “no
lo hace por la inhibición que provoca la presencia de silicio, y se ve obligado a difundir hacia
la austenita restante, enriqueciéndola en carbono y deprimiendo la temperatura de
transformación martensítica hasta llegar a suspenderla. Queda entonces la estructura
compuesta por ferrita (bainítica) y austenita (estabilizada)” Este tipo de tratamientos se
realizan a temperatura constante de forma tal a obtener la microestructura deseada, la cual
puede ser consultada para un acero específico en su diagrama TTT. Los principales
tratamientos isotérmicos son: Austemperado y Martemperado
2.5.1 AUSTEMPERADO
Es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el acero a la temperatura de
austenización y después de sostenerlo un determinado tiempo, enfriarlo rápidamente hasta
una temperatura levemente superior a Ms en un baño de sal, este baño mantiene la
temperatura de la pieza constante. La reacción a esta temperatura produce una estructura
completamente bainítica, (bainita superior o inferior), luego el acero es enfriado al aire,
hasta la temperatura ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no
25 ( G.E. Totten, Steel Heat Treatment Metalurgy and Technologies, 2007)
25
excesivamente frágil. En la figura 3 se puede ver la diferencie entre el procesó de
Austemperado y el temple –revenido clásico
Fig. 3. Representación esquemática sobre un diagrama TTT del tratamiento de
Austemperado26
2.6 DESGATE. Hoy en día en Colombia, la necesidad de contar con aceros más resistentes al desgaste es
una realidad que toma cada vez más fuerza; la construcción de grandes obras de
infraestructura, el promisorio presente y futuro de la minería nacional y el crecimiento de
sectores como la siderurgia, los ingenios azucareros y la industria del vidrio, han impulsado
la demanda de mejores materiales con características de dureza superiores a 350 Brinell.
Aquí daremos una rápida descripción de las formas de desgaste y sus tipos para
relacionarnos más con el tema.
2.7 MECANISMOS DE DESGASTE El desgaste es un fenómeno el cual los elementos materiales sufren una deformación en
sus fronteras expuestas al ambiente ya sea por corrosión o por una de las diferentes causas
del desgaste por movimientos repetitivos o relativos entre las superficies de diferentes
entornos. En el caso de la transferencia de material desde una superficie a otra, la pérdida
de masa o volumen neto de la Inter fase sería cero, aunque una de las superficies sería
desgastada. Además, hay varios tipos de desgaste: adhesivo, abrasivo, químico, corrosivo...
El modo dominante de desgaste puede cambiar de uno a otro por razones que incluyen
cambios en las características superficiales del material y las respuestas superficiales
dinámicas causadas por el calentamiento por fricción, formación química de una película, y
el desgaste.
Casi todas las máquinas pierden su durabilidad y confiabilidad debido al desgaste, y las
posibilidades de las nuevas máquinas avanzadas se reducen debido a problemas de
26 Schaeffer, Saxena, Antolovich, Sanders y Warner. Ciencia y Diseño de Materiales de ingeniería, Ed.CECSA, México, 2000, 794p
26
desgaste. Por lo tanto, el control del desgaste se ha convertido en una necesidad fuerte de
la tecnología avanzada y confiable del futuro.
2.7.1 TIPOS DE DESGASTES
2.7.1.1 DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO
La norma ASTM G65 describe este tipo de desgaste cuando las piezas son sometidas a elevados esfuerzos, los cuales provocan la aparición y propagación de grietas bajo la acción repetitiva de estos. En el caso de piezas sometidas a deslizamiento, las capas superficiales sufren intensas deformaciones como resultado de la acción simultánea de las tensiones de contacto y de la fuerza de fricción. Los esfuerzos a los que están sometidos los materiales particularmente en las capas superficiales, promueven en la mayoría de los casos, alteraciones en la estructura cristalina y en el tamaño de grano.
2.7.1.2 DESGASTE ABRASIVO
La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el .grado de desgaste. Entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica.
2.7.1.3 DESGASTE POR CAVITACIÓN
La norma ASTM G32 da a conocer el desgaste por cavitación el cual es un problema
frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos, el cual genera gran dificultad para su
mantenimiento. El problema de la cavitación surgió con el desarrollo de los barcos a vapor
en el inicio de este siglo. Con la fabricación estos barcos, capaces de alcanzar mayores
velocidades, algunos de ellos comenzaron a presentar un desgaste severo y localizado en
sus hélices. Inicialmente se pensó que este desgaste se debía a la corrosión de los materiales
de las hélices, siendo esta la responsable por el daño en dichos materiales, aprovechando
su baja resistencia a la corrosión. Pero, al estudiarse el fenómeno más detalladamente, se
descubrió que las hélices no sufrían desgaste cuando no estaban en funcionamiento y que
este también ocurría en medios químicamente inertes. Así el desgaste solo podría ser
debido a un fenómeno que ocurría durante el flujo de los fluidos frente a los materiales por
los que pasaban.
2.7.1.4 DESGASTE ADHESIVO
La adhesión está asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos
entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La adhesión
conlleva además al soldado en frío de las superficies. Con respecto al desgaste adhesivo, el
papel principal lo juega la interacción entre las superficies y su grado de limpieza, es decir,
cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningún tipo de
impurezas, capas de óxido o suciedades, se permite que el área de contacto sea aumentada,
27
pudiéndose formar uniones adhesivas más resistentes la norma para realizar el estudio de
este desgaste es ASTM G83-96.
2.7.1.5 DESGASTE EROSIVO.
La norma ASTM G76 define el desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad
de elementos de máquinas en las industrias minera y alimenticia, así como: turbinas
hidráulicas, implementos agrícolas, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas, al igual
que piezas específicas usadas en las industrias petrolífera y petroquímica, entre otras
muchas aplicaciones. Con este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de material y la
consecuente falla de las piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en virtud del
tiempo asociado a la reparación de equipos y substituciones de los componentes
desgastados.
El conocimiento de los mecanismos de remoción de material involucrados durante el
desgaste erosivo, así como el reconocimiento y la caracterización de las diferentes variables
involucradas, son líneas muy importantes de investigación en la ingeniería actual, así su
estudio haya sido comenzado hace ya varias décadas
Según [ZUM GAHR, 1978]27, el desgaste erosivo se presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de partículas sólidas, líquidas o gaseosas que los impactan. Estas partículas pueden actuar solas o de manera combinada. La erosión afecta muchos materiales de ingeniería, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partícula. Las partículas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o húmedos pudiendo actuar en forma muy variadas tal como se muestra en la figura 4. Cuando el medio de trabajo es húmedo (por ejemplo, un medio con agua y partículas de arena), la erosión y la corrosión son fenómenos que actúan en forma sinérgica, provocando la degradación acelerada de los materiales.
27 F.J. GIL, A.CRESPO, J.M.MANERO, D.RODRIGUEZ Y J.A.PLANELL CREB. Departamento Ciencia de los
Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Barcelona.
Universidad Politécnica de Cataluña.
28
Fig.4. Erosión de una superficie según el ángulo de impacto a) normal y b) diferente de
90°.28
2.7.2 EFECTOS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN EL DESGASTE
La tecnología que día a día se ha ido desarrollando ha encontrado que los elementos
materiales y las aleaciones especiales deben tener un medio o mecanismo de defensa
contra los efectos del desgaste antes expuestos, con las nuevas tecnologías se ha necesitado
de materiales, que a través de modernos procesos de producción o de tratamiento térmico,
presenten una combinación especial de microestructura y propiedades mecánicas,
garantizando con esto, niveles de tolerancia, acabado superficial y desvíos de forma y lugar
cada vez mejores.
El proceso tecnológico hasta ahora más utilizado en la industria es el endurecimiento
superficial el cual se realiza mediante procesos de tratamiento térmico los cuales
involucran alteraciones de microestructuras y cambios de sus propiedades mediante el
endurecimiento de la superficie, esto sucede por la transformación martensítica, que
presenta el tratamiento de temple ya que queda muy duro y frágil, La martensita es una de
las fases en que hace que sea un mejor material para aceros, ya que tiene una buena
resistencia a la abrasión y deformación es importante en este tipo de aplicaciones.
La cementita se clasifica como una de las fases fuertes con respecto a el desgaste además
puede soportar fuerza de aplastamiento, erosión química, a la abrasión, y temperaturas de
hasta 3000 grados F (1600 C). Se forma naturalmente por la fundición de hierro blanco,
donde se precipita el hierro como carbono para formar partículas grandes. Se crea a partir
de la martensita de la austenita. A continuación, se calienta de nuevo, y se enfrió
lentamente de una manera controlada, y se forma cementita.
La bainita Posee algunas de la extrema dureza de la martensita, así como la estructura
resistente de perlita y se cree que esta fase también es muy buena para resistir el desgate
ya que posee condiciones de la martensita y la perlita que la colocan en un estado de casi
perfección para producir bainita en un acero hay dos condiciones únicas de temperatura
tienen que existir para la microestructura de bainita a formarse. Austenita debe ser enfriado
lo suficientemente rápido como para que la perlita no se forme y el enfriamiento en la
28 F.J. GIL, A.CRESPO, J.M.MANERO, D.RODRIGUEZ Y J.A.PLANELL CREB. Departamento Ciencia de los
Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Barcelona.
Universidad Politécnica de Cataluña
29
austenita también se debe retrasar el tiempo suficiente para evitar la formación de
martensita como se puede apreciar es una dura tarea producir este efecto en el material
pero al hacerlo tendremos un acero con excelentes propiedades.
Las demás fases de que los tratamiento le entregan a los aceros no tiene un buen
endurecimiento superficial lo que hacen es hacerles baños de diferentes compuestos como
formas de evitar el desgaste pero son procesos que no vienen al caso ya que en el presente
proyecto no se hizo ninguno de estos procedimientos.
2.8 CLASES DE ACEROS
El acero es una aleación binaria de hierro que contiene un porcentaje inferior al 2.1% de
carbono. Además podemos encontrar aceros con diversos tipos de aleaciones con otros
metales con los cuales se busca mejorar sus propiedades ya que estos son utilizados para la
elaboración de partes de máquinas de vehículos y algunas herramientas para el sector
industrial y el uso a diario de cualquier persona del común.
Los aceros al carbono se pueden clasificar en tres tipos o grupos los cuales son:
Eutectoides: Son aquellos aceros que contienen cerca de 0.8% de carbono y su estructura
esta principalmente constituida por perlita.
Hipoeutectoides: Estos aceros contienen una cantidad menor de 0.8% de carbono y su
estructura está formada por ferrita y perlita.
Hipereutectoides: Este tipo de acero contiene de 0.8% a 2% de carbono su estructura está
formada principalmente de perlita y cementita.
2.9 CAMBIOS ESTRUCTURALES TÍPICOS DEL ACERO
Los aceros tienden a cambiar su estructura interna al someterlos a tratamientos térmicos
los cuales se realizan a diferentes temperaturas buscando mejorar las propiedades del
material. En el punto eutectoide solo se encuentra presente una única fase la cual es Fe-ϒ
(austenita) que al ser enfriada en un fluido se transforma en dos nuevas fases la cuales son
Fe-α (ferrita) y Fe3(cementita) si el enfriamiento se realiza lentamente aparecerá un
constituyente llamado perlita el cual es un componente laminar intercalado entre
cementita y ferrita.29
Cuando se calienta un acero a elevadas temperaturas se busaca transformar toda su
estructura en una fase autentica, si tomamos el material y lo enfriamos lentamente la
austenita se va a transformar en perlita la cual es una fase de equilibrio a temperatura
ambiente, la cual presenta una estructura de recosido suave con pocas propiedades físicas,
si enfriamos el acero rápidamente la austenita se transformara en martensita la cual se
presenta como una fase martestable que es muy dura debido al carbono que se disolvió en
29 Metalografía y tratamientos térmicos, Basado en texto del Ing. Va Larre.
30
hierro, si realizamos un revenido podemos reducir la fragilidad del material y a su vez la
dureza.
Se pueden encontrar otras estructuras en los aceros dependiendo de las temperaturas a
que se lleven y la velocidad con que se enfríen algunas son bainita que se encuentra en
aceros aleados, perlita y martensita que son las que predominan en los aceros al carbono
eutectoides.
La tabla 1, muestra algunos micro-constituyentes de los aceros y la importancia
metalúrgica, los cuales se utilizaran a lo largo de este estudio.
Tabla 1: Fases y micro constituyentes de importancia metalúrgica.30
30 Tabla 1: fases y micro constituyentes de importancia metalúrgica, tomada y adaptada de ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating.
Fase (o micro-constituyente)
Estructura cristalina de las
fases
Características
Ferrita (Fe α) bcc Fase de equilibrio de baja temperatura, relativamente blanda
ferrita- (Fe δ) bcc Fase de equilibrio estable a alta temperatura, isomorfa con hierro α
Austenita (Fe ) fcc Fase de equilibrio estable a temperatura media, relativamente blanda
Cementita (Fe3C) ortorrómbica compleja
Fase metaestable, de alta dureza
Grafito Hexagonal Fase de equilibrio, estable
Perlita Microconstituyente metaestable; mezcla laminar de ferrita y cementita
Martensita bct (solución sobresaturada de carbono en ferrita)
Fase metaestable de alta dureza, morfología de placas o agujas, según él % de carbono
Bainita
_ _ _ _ _ _
Microconstituyente metaestable duro; mezcla no laminar de ferrita y cementita en escala extremadamente fina; la bainita superior se forma a temperaturas más altas y tiene aspecto plumáseo; la inferior se forma a temperaturas más bajas y su apariencia es acicular. La dureza aumenta cuando desciende la temperatura de formación.
31
En la tabla 2 se muestra la nomenclatura y temperaturas a las cuales ocurren las
transformaciones de fases para hierro y aceros.
Tabla 2. Definiciones de temperaturas de transformación de hierro y aceros.31
2.9.1 REACCIÓN EUTECTOIDE.
Al calentar una aleación que contenga 0,77% de C, por encima de 727°C o Ac1, se formara
una estructura que contendrá solo un compuesto llamado austenita y al enfriarla a 727°C
se comenzara a dar la reacio eutectoide
Ecuación 1:
ϒ0.77%𝐶 → 𝛼0,0218%𝐶 + 𝐹𝑒3𝐶6.67%𝐶
Como las dos fases que se forman tienen composición estas tienden a extenderse durante
la reacción, la mayor parte de carbono en la austenita se difunde a 𝐹𝑒3𝐶 (cementita) y la
mayoría de átomos de hierro se difunden hacia α, la redistribución de α y 𝐹𝑒3𝐶 se facilita
porque la distancia de difusión es corta y crese en forma de placas delgadas. La cementita
31 Tabla 2. Definiciones de temperaturas de transformación de hierro y aceros, tomada y adaptada de ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating.
Temperatura de transformación. Es la temperatura a la que se produce un cambio de fases. El término a veces se utiliza para determinar los límites de la temperatura donde ocurre la transformación. Los siguientes símbolos se utilizan para el hierro y aceros.
ACcm. En el acero hipereutectoide, la temperatura a la que se completa la solución de cementita en austenita durante el calentamiento.
Ac1. La temperatura a la que comienza a formarse la austenita durante el calentamiento.
Ac3. La temperatura a la que se completa la transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento.
AECM, Ae1, Ae3. Las temperaturas a la cual se dan los cambios de fase en equilibrio.
ARCM. La temperatura a la cual el acero hipereutectoide inicia la precipitación de cementita durante el enfriamiento.
Ar1. La temperatura a la que la transformación de la austenita en ferrita o en ferrita más cementita se completa durante el enfriamiento.
Ar3. La temperatura a la que la austenita comienza a transformarse en ferrita durante el enfriamiento.
Ar4. Temperatura a la que la ferrita delta se transforma en austenita durante el enfriamiento.
Ms (o Ar ''). La temperatura a la que la transformación de austenita a martensita comienza durante el enfriamiento.
Mf. La temperatura a la que la formación de martensita durante el enfriamiento termina.
32
se forma en regiones que contienen gran cantidad de carbono que están distribuidas al azar,
por otra parte la ferrita lo hace en regiones que presentan poco carbono esto depende del
tiempo y la temperatura ala que se caliente el acero.
2.9.1.1 SOLUCIONES SÓLIDAS
“El hierro sufre dos transformaciones alotrópicas durante el calentamiento o el enfriamiento. Inmediatamente después de la solidificación, el hierro forma una estructura CC, llamada ferrita-δ. A un enfriamiento mayor, el hierro se transforma en una estructura CCC llamada ɤ, o austenita. Finalmente, el hierro vuelve a transformarse en una estructura CC a temperaturas aún inferiores; esta estructura se conoce como α, es decir ferrita. Tanto las ferritas como la austenita son soluciones sólidas de átomos de carbono intersticiales en el hierro. Dado que los huecos intersticiales en la red CCC son algo mayores que los huecos en la red CC, en la primera pueden acomodarse un mayor número de átomos de carbono. Por tanto, la solubilidad máxima del carbono en la austenita es 2.1 1 % C. en tanto que la solubilidad máxima del carbono en el hierro CC es muy inferior, es decir 0.021 8% C en α y de 0.09% C en δ. Las soluciones sólidas son relativamente blandas y dúctiles, pero son más resistentes que el hierro puro, debido al endurecimiento por solución sólida del carbono.”32
2.9.2 COMPUESTOS
Cuando se excede la solubilidad del carbono en el hierro, se da la formación de cementita ( 𝐹𝑒3𝐶) que es un compuesto estequiometrico. La cementita contiene aproximadamente 6.67% de carbono lo que hace que esta sea muy dura y frágil a la vez, si podemos controlar adecuadamente el tamaño, cantidad y forma se podrán modificar algunas propiedades del acero como el endurecimiento por dispersión y fragilidad del material.
2.9.3 AUSTENITA
La austenita tiene estructura fcc y es estable a temperaturas superiores de 910°C. Esta
estructura puede estar presente a temperatura ambiente si se estabiliza utilizando
elementos aleantes apropiados como (Ni, Cr).
La austenita es una solución sólida de carbono en Fe-ϒ (austenita) FCC, cuya máxima
solubilidad, 2 % C, se da a los 1130° C. Está presente en los aceros a temperaturas superiores
a Ac1. Por encima de Ac3 o Acm, los aceros comunes son completamente austeníticos. Se
incluye dentro de las estructuras del temple cuando el enfriamiento es suficiente rápido
para impedir la difusión del carbono se forma la estructura típica de este llamada
martensita. En aceros aleados o Hipereutectoides, se encuentra a temperatura ambiente
ya que no alcanzan a transformar completamente a martensita durante el temple; en este
caso se la denomina austenita retenida”.33
32 Ciencia e Ingenieria de los Materiales - Donald Askeland - 3edicion ,capitulo 11,pag 298 33 Metalografía y tratamientos térmicos, Basado en texto del Ing. Va Larre
33
2.9.4 PERLITA.
La formación de perlita se comienza a formar desde la temperatura eutectoide (727°C)
hasta aproximadamente 400°C, por debajo de esta última ya no se presenta esta estructura.
“Es un constituyente formado por láminas intercaladas de cementita y ferrita, Aparece
siempre que haya un enfriamiento lento, por debajo de los 720° C. Según la velocidad de
enfriamiento estas láminas aparecen más o menos separadas. Dentro de su normal lentitud,
a mayor velocidad de enfriamiento, menor distancia interlaminar.”34 En la figura 5 se puede
observar la microestructura perlitica de un acero que tiene 0,8 % de carbono.
La formación de las láminas de perlita depende de la difusión de los átomos de hierro y carbono, el crecimiento de estas laminillas se da en todas direcciones, cuando se realiza un temple por debajo de la temperatura eutectoide la austenita se sub-enfría ligeramente y se requiere prolongar el tiempo hasta que se formen núcleos estables de ferrita y cementita para facilitar el crecimiento de la perlita y que sus átomos se difundan con rapidez, produciendo una perlita gruesa, si se realiza un temple a tempera inferior se formara perlita fina ya que la difusión de los átomos es más lenta al igual que la velocidad de crecimiento y el tiempo requerido para su transformación se hace más corto, “La perlita más fina se forma en tiempos más cortos conforme se reduce la temperatura de transformación isotérmica hasta aproximadamente 550°C, que es la nariz o rodilla de la curva TIT.”35 En la figura 6. Se muestra la formación de estas fases.
Fig. 5. Microestructura de dos fases correspondiente a la Perlita en un acero con 0.8 %de
C, 500x.36
34 Metalografía y tratamientos térmicos, Basado en texto del Ing. Va Larre 35Ciencia e Ingeniería de los Materiales - Donald Askeland - edición ,pág. 304 36Microestructura de dos fases correspondiente a la perlita en un acero con 0.8 %de Carbono ,500X. tomado
de Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, pág. 323
34
Diagrama TTT de un acero eutectoide
Fig. 6. Diagrama TTT para un acero eutectoide en comparación con el diagrama de fases
Fe-𝐹𝑒3𝐶.37
2.9.5 MARTENSITA.
La martensita es una fase metaestable lo que quiere decir que es estable en el tiempo pero
al someterla posteriores calentamientos se descompondrá en fases más estables de α y
𝐹𝑒3𝐶 , para controlar la proporción de estas fases es necesario utilizar los tratamientos
térmicos.
“Se obtiene por enfriamiento rápido de la austenita, sin que actúe la difusión. Es una
solución sólida sobresaturada de C en hierro α, por lo que la estructura cristalina es
tetragonal centrada. Su elevada dureza aumenta con el porcentaje de C; no obstante,
cuando se supera el 0,75% C queda algo de austenita sin transformar, y el promedio de
dureza decrece ligeramente Por calentamiento a baja temperatura (encima de 150°C), la
estructura tetragonal inestable de la martensita tiende a transformarse en cúbica,
precipitando el C en forma de pequeñísimas partículas sub microscópicas.”38
“Para evitar la formación de perlita, bainita o micro constituyentes primarios, el acero debe ser templado, es decir, enfriado rápidamente desde la región de la austenita estable. La
37Diagrama TTT para un acero eutectoide en comparación con el diagrama de fases Fe-Fe3C. tomado de Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, pag 351 38 Ciencia e Ingeniería de los Materiales - Donald Askeland - edición
35
reacción martensítica empieza en un acero eutectoide cuando la austenita se enfría por debajo de 220°C, que es la temperatura de inicio de la martensita (Ms), La cantidad de martensita se incrementa conforme se reduce la temperatura. Cuando ésta pasa por debajo de la temperatura de terminación de la martensita (Mf) el acero deberá contener un 100 por cielito de Martensita. A cualquier temperatura intermedia, la cantidad de esta estructura no cambia cuando se incrementa el tiempo.”39 La formación de martensita se da al llevar el acero a elevadas temperaturas y luego ser sometido a un enfriamiento rápido en un fluido como agua o aceite, este proceso se conoce como temple, generalmente se hace a una temperatura superior a Ac1, para suprimir la difusión de austenita en las dos fases llamadas (ferrita y cementita), la composición de la martensita al final debe ser la misma de la austenita que procede ya que en este proceso no se altera su composición. Al terminar el proceso de enfriamiento en los intervalos ( 𝑀𝑠 − 𝑀𝑓) se deja de formar la
martensita y a su vez queda con un poco de asutenita retenida, si se realiza un enfriamiento por debajo de 𝑀𝑠 la cantidad de martensita que se forma tiende a incrementarse muy rápidamente como consecuencia de la formación de nuevas láminas, las láminas que se formaron inicialmente no crecen con el tiempo, como si lo hace la perlita.
Cuando el hierro gama (-Fe) se sub enfría a una temperatura de 911°C a 750°C se produce
una transformación (ϒ-) pero si se hace por debajo de 750°C se da la transformación
martensítica (-) que es una forma polimórfica de la martensita que se caracteriza por la ausencia de una distribución difusa de los componentes.
2.9.5.1 MARTENSITA REVENIDA.
La martensita revenida se obtiene por la necesidad de volver a calentar un acero que anteriormente fue sometido a un temple, se busca reducir la fragilidad que este presenta ya que este tiene una elevada cantidad de martensita en su estructura, para hacer el material más dúctil se lleva a una temperatura de equilibrio durante un tiempo determinado para formar un nuevo compuesto llamado martensita revenida que es una solución solida de Fe y C, de red tetragonal centrada en el cuerpo ,a este proceso se le conoce como revenido en la figura.7 y en la figura.8 se observa la microestructura de la martensita y martensita revenida.
39 Ciencia e Ingeniería de los Materiales - Donald Askeland - edición ,pág. 307
36
Microestructura acicular o en forma de agujas de la martensita.
Fig. 7 Microestructura acicular o en forma de agujas de la martensita 1000 x.40
Martensita revenida
Fig. 8. Microestructura de la martensita revenida de un acero con 0.50 % de carbono.41
En la figura 9 se observa como ocurre la formación de martensita y como se realiza un proceso de revenido para disminuir la fragilidad de está permitiendo la formación de martensita revenida.
40Microestructura acicular o en forma de agujas de la martensita 1000 x tomado de Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, pág. 355. 41 Microestructura de la matensita revenida de un nacero con 0.50 % de carbono. tomado de Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, pág. 359
37
Diagrama TTT. De revenido de la martensita.
Fig. 9. Diagrama TTT. De revenido de la martensita.42
BAINITA
“Es un constituyente intermedio entre la austenita y la martensita, propio del tratamiento isotérmico denominado Austempering. Se forma cuando la estructura previamente austenizada se mantiene un tiempo suficiente a temperatura constante, que puede variar entre 250 y 600° C aproximadamente. Si la temperatura está entre 500 y 550°C, se obtiene la bainita superior o plumosa, de aspecto arborescente, constituida por una matriz ferrítica conteniendo carburos (cementita en los aceros al C) en delgadas partículas.”43 En la figura 10 se pueden observar las estructura de la bainita superior y la bainita inferior.
Fig. 10 (a) Bainita superior (placas grises tipo pluma) (x600). (b) Bainita inferior (agujas Oscuras) (x400).44
42 Diagrama TTT. De revenido de la martensita. . tomado de Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, pág. 358 43 Metalografía y tratamientos térmicos, Basado en texto del Ing. Va Larre 44 Diagrama (a) Bainita superior (placas grises tipo pluma) (x600). (b) Bainita inferior (agujas Oscuras) (x400) Tomado de Ciencia e Ingeniería de los Materiales - Donald Askeland - edición ,pág. 305
38
3 METODOLOGÍA
3.1 DISEÑO EXPERIMENTAL El diseño experimental prescribe una serie de pautas relativas de qué variables hay que manipular, qué manera, cuántas veces hay que repetir el experimento con un grado de confianza predefinido con la necesidad de una relación de causa-efecto. La realización del diseño experimental permite a esta investigación obtener una estimación del error experimental, para determinar si las diferencias observadas en los datos son en realidad estadísticamente diferentes. La determinación del número de réplicas, se tienen en consideración si se tiene interés en detectar efectos pequeños, se necesitan más replicas que cuando se interesa en detectar efectos grandes. Para la realización del experimento, se tomaron dos factores, la temperatura y tiempo. Se hizo la elección de la muestra (número de réplicas) basado en un diseño experimental factorial de dos niveles, por medio de los parámetros, seleccionándolo en relación a que factor será sensible el diseño a diferencias potenciales, importantes entre los tratamientos. Para determinar el tamaño de la muestra, es necesario referirse las curvas de operación
característica en el apéndice V del texto diseño y análisis de experimentos45, con el fin de
hallar la probabilidad de aceptación de la hipótesis, por medio de los parámetros 𝜑246
Elección de la muestra Numero de réplicas, n.
Parámetros 𝜑2 Diferencia especificada entre las medias de 2 tratamientos cualesquiera
La ecuación número 2 muestra como hallar sensibilidad para el factor A, el utilizado para
esta investigación.
Ecuación 2. Sensibilidad para el factor A
𝜑2 =𝑛𝑏𝐷2
2𝑎𝜎2
A continuación se presenta el significado de cada variable de la ecuación 2.
n=Número de replicas
a= Número de variables factor (a)
b= Número de variables factor (b)
D= Diferencia de las medias
𝜎2= Desviación estándar
El valor de “n” es escogido según que factor de sensibilidad que requiera el diseño. El
número de variables “a” para el denominador en este caso el tiempo, corresponde a 4. Y el
45 Diseño y análisis de experimentos. Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A.2004. Pág. 647 Apéndice V. 46 Diseño y análisis de experimentos. Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A.2004.
39
número de variables “b” para el numerador que corresponde a la temperatura es igual a 2.
La tabla 3, muestra los diferentes factores de tiempo y temperatura utilizados.
FACTOR (b) TEMPERATURA
FACTOR (a) TIEMPO
15 770 550
30 770 550
45 770 550
60 770 550
NUMERO DE VARIABLES
4 2
Tabla 3. Numero de variables
La diferencia de las medias D y la desviación estándar 𝜎2 de dureza para el acero 1045 es asignada de acuerdo a experimentos previos, la desviación estándar es igual a 36.74295 Por otro lado la hipótesis nula deberá rechazarse con probabilidad, si la diferencia en el promedio es hasta de 110.2288. El valor D se halla mediante la ecuación 3 con la desviación estándar anteriormente mencionada, como se muestra a continuación: Ecuación 3. Diferencia de las medias
𝐷 = 3 𝑥 𝜎 𝐷 = 3 𝑥 36.74295
𝐷 = 110.2288
La selección de la confiabilidad del sistema α equivale a 0,05 ya que es la selección más utilizada y adecuado para hallar la probabilidad de aceptación. Luego de conocer cada variable, se procede a asignar cada una de ellas, entonces de la ecuación 2 se obtiene:
𝜑2 =𝑛𝑏𝐷2
2𝑎𝜎2
𝜑2 =𝑛𝑥2𝑥100.22882
2x4𝑥36.742952
𝜑2 = 2.25n
φ = √2.25𝑛
Teniendo el valor de φ es necesario hallar los grados de libertad del numerador V1 y del denominador V2 consultando la tabla 4, para el modelo bifactorial de efectos fijos, factor A en esta investigación. Con el fin de seleccionar la adecuada curva de operación característica.
40
Tabla 4.Modelo bifactorial de efectos fijos47
Con todas las variables halladas como lo muestra la tabla 3, se selecciona la curva característica de operación adecuada, del texto Diseño y análisis de experimentos48 la cual facilita el cálculo de β (varianza del modelo con efectos fijos) que se encuentra en el apéndice V
n ᵩ² ᵩ a b σ σ² D v1=a-1 v2=ab(n-1) β Poder
(1-B)*100%
2 4,5 2,121 4 2 36,74 1349,828 110,22 3 8 0,3 70
3 6,75 2,598 4 2 36,74 1349,828 110,22 3 16 0,050 95
4 9 3,000 4 2 36,74 1349,828 110,22 3 24 0,01 99
Tabla 5 Determinación número de réplicas utilizando como factores temperatura-tiempo
En la tabla 5 se relacionan todos los datos obtenidos después de realizar los cálculos respectivos encontrando que los números de réplicas ideales para el experimento son 4 ya que nos da un porcentaje del 99 % y por ello se tomó esa elección de probetas. Después de determinar el número de probetas se buscó el Tribometro para medir las
dimenciones del portaprobeta para asi cotizar en el mercado el material las cuales son de
50 x 45 mm y 6,5 mm de espesor asi que para mecanizar las probetas se utilizo 0.175175
𝑚2
La lamina de acero AISI / SAE 1045 con un espesor de 6,5 mm se compró en la compañía
general de aceros con su respectivo certificado de calidad y composición química para este
material la cual se describe en la siguiente tabla.
47 Diseño y análisis de experimentos. Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A.2004. Pág. 647 Apéndice 48 Diseño y análisis de experimentos. Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A.2004. Pág. 657 Apéndice
41
Composición química
%C %Mn %P %Si %S
0,47 0,61 0,021 0,24 0,008
Tabla 6. Composición química para acero AISI / SAE 1045.49
3.2 CALCULO DE TEMPERATURAS Con los valores de la anterior tabla se procedió a realizar el cálculo de las temperaturas
intercriticas para este material utilizando las siguientes expresiones tomadas del texto
“ASM Handbook Committee.”50
Ecuación 4. Ac1 °C =723−7.08 Mn+37.7 Si+18.1 Cr+44.2 Mo+8.95 Ni+50.1 V+21.7 Al+3.18 W+297 S−830
N−11.5 C Si−14.0 Mn Si−3.10 Si Cr−57.9 C Mo−15.5 Mn Mo−5.28 C Ni−6.0 Mn Ni+6.77 Si Ni
– 0.80 Cr Ni – 27.4 C V+ 30.8 Mo V −0.84 Cr2 – 3.46 Mo2 – 0.46 Ni2−28 V2 (1)
Revisando los compuestos químicos que tiene el material se llega a esta ecuación
Ac1 (°C) =723−7.08 Mn+37.7 Si+297 S −11.5 C Si−14.0 Mn Si
Ecuación 5.
AC3 (°C) = 912-203√%𝐶+15.2 (%Ni)+44.7 (%Si)+104(%V)+31.5 (Mo)+13.1 (%W)-30(%Mn)-
11(%Cr)-20(%Cu)+700(%P)+400(%Al)+120(%As)+400(%Ti)
Revisando los compuestos químicos que tiene el material se llega a esta ecuación
AC3 (°C) = 912-203√%𝐶+44.7 (%Si)-30(%Mn)+700(%P)
Los resultados de Ac1 y los de Ac3 son los siguientes:
A𝒄𝟏= 726,8° C
A𝒄𝟑 = 779,95° C
Como Ac1 es la temperatura en donde empieza la austenización del material y Cuando se
realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar por encima de Ac3
como se puede apreciar en la figura 11, por ello se toma una temperatura de 770° C para
el tratamiento de temple que será y 30 minutos respectivamente.
49 Tabla 3. Composición química del acero AISI/SAE 1045. Tomada de la certificación del material dada por la compañía general de aceros ubicada en la ciudad de Bogotá Colombia. 50 ASM, Handbook Committee. 1991. Heat Treating. Vol 4. Editorial ASM International.
42
Fig. 11. Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento.51
TEMPERATURAS DE INICIO DE LA TRANSFORMACIÓN BAINÍTICA
Ecuación 5
La temperatura a la cual comienza la transformación de la bainita se denomina 𝐵𝑠, en
función de la composición (en % en peso) para aceros endurecibles de baja aleación con
contenidos de carbono desde 0.1 a 0.55% se tomaron los valores de la tabla 6 para el
cálculo. Expresiones tomadas del texto. (Steel Forming and Heat Treating Handbook) 52
𝐵𝑠 °C =844 – 597 C – 63 Mn – 16 Ni – 78 Cr
𝐵𝑠 (°C)= 524,98° C
3.2.1 TEMPERATURA DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA
Ecuación 6
La temperatura de inicio de la transformación de la martensita se denomina por 𝑀𝑠, se
tomaron los valores de la tabla 3 para el cálculo
𝑀𝑠(°𝐶) = 538 − 350𝐶 − 37,7𝑀𝑛 − 37,7𝐶𝑟 − 18,9𝑁𝑖 − 27𝑀𝑜 𝑀𝑠(°𝐶) = 350.50° 𝐶
51 (Liedl. U, 2002) (Movahed. P, 2009). 52 STEEL FORMING AND HEAT TREATING HANDBOOK Antonio Augusto Groin This Version: 25 January 2012
43
3.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS. Hallados todos los valores de temperatura se realizaron los tratamientos térmicos en la
mufla eléctrica LEF205P representada en la figura 12 ubicada en el laboratorio de
tratamientos térmicos de la universidad distrital Francisco José de Caldas.
Fig. 12 Mufla LEF205P.
En esta mufla se hicieron 3 tratamientos térmicos los cuales fueron temple a 30, revenido
con un tiempo de 15, 30, 45, y 60 min y otro tratamiento isotérmico también a 15, 30 ,45 y
60 min como se representara en las figura 13 y 14.
Fig. 13. tiempos y secuencias de los tratamientos térmicos para el temple de 30 min con
todos los tiempos de revenido
44
Fig. 14. tiempos y secuencias de los tratamientos térmicos para los isotérmicos con todos
sus tiempos.
Para llevar a cabo el temple o el revenido se debe tener en cuenta que el aumento de la
temperatura interna del material sea igual a la externa, el tiempo de calentamiento para la
disolución del material y obtener la austenización varía de acuerdo al tamaño y forma de la
pieza. La pieza debe estar igual a la temperatura del medio, en este caso las probetas al ser
tan delgadas o con un bajo valor de espesor se desprecia ya que la mufla calienta todas las
superficies a la misma temperatura. En la figura 15 puede apreciar el lugar que ocupaba las
probetas en el horno
Fig. 15. Probetas dentro de la mufla
45
El tratamiento isotérmico se realizó al llevar las probetas desde una temperatura ambiental
a una temperatura de 770° C que vamos a llamarla 𝑇1, al llegar esta temperatura dentro del
horno, se mantuvo por un total de 30 min luego de esto se hizo la apertura de la puerta de
horno y se colocó una pieza de material metálico en forma de cubo con las siguientes
dimensiones 130x50 x70 mm dentro para que ayudara a disipar la temperatura para que
esta bajara a el nivel de 550° C el cual se llamará 𝑇2.
Este proceso se demoró un tiempo de 52 min en bajar la temperatura de 𝑇1 a 𝑇2 y se medía
la temperatura de las probetas con el termómetro de calor tipo pistola laser para esto se
apuntaban al centro de la probeta y cuando estuvieron cerca a la temperatura 𝑇2 se extrajo
la pieza metálica que se colocó dentro del horno y este se programó para mantener la
temperatura igual a 𝑇2 y después de estar a esta temperatura se dejó el tiempo programado
los cuales son de 15, 30, 45 y 60 minutos.
Todos estos estados que se realizan para este material se hace con el fin de poder estudiar
los efectos que tendrá cada grupo de probetas al colocarlo en la máquina de desgaste
erosivo a un tiempo de 10 minutos ya que en la norma se recomienda este tiempo para
encontrar un punto de equilibrio.
3.4 ENSAYO DE DUREZA
La dureza del acero en estado de suministro y tratado térmicamente fue tomada por medio
del durómetro de marca GNEHM SWISS ROCK 160 suministrado en el laboratorio de
metalografía de la universidad distrital francisco José de caldas sede tecnológica, el ensayo
se llevó a cabo teniendo en cuenta la norma ASTM-E18, la penetración del material se
realizó con un identador de punta de diamante se utilizó una carga de 100 kg para la escala
HRB y de 150 kg para HRC, después de obtenidos los resultados se pasaron a dureza HV
para tenerlos en una misma escala, estas cargas respectivamente actuaron por un periodo
de 10 segundos y se tomaron 5 mediciones sobre cada muestra los datos obtenidos se
muestran en la tabla 4 y en la gráfica 1 muestra la variación de la dureza del material para
cada tratamiento térmico al que fue sometido para cada uno de estos se utilizaron 4
probetas los cuales suman una cantidad de 20 de identaciones por tratamiento .
46
Fig. 16. Durómetro
N° probetas acero 1045 dureza (HV)
1 sin tratamiento 152
2 temple de 30 min 268
3 temple de 30 min +15 min de revenido 189
4 temple de 30 min +30 min de revenido 175
5 temple de 30 min+ 45 min de revenido 163
6 temple de 30 min+ 60 min de revenido 157
7 isotérmico 15 min 153
8 isotérmico 30 min 151
9 isotérmico 45 min 149
10 isotérmico 60 min 147
Tabla 7. Promedio de los valores obtenidos en el ensayo de dureza.
47
Grafica de dureza según el tratamiento térmico a que fue sometido el acero.
Grafica 1. Variación de la dureza según el tratamiento térmico a que se sometido el acero.
3.5 ENSAYO DE DESGASTE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM- G76. El ensayo de desgaste erosivo se realiza para determinar el valor medio de erosión que
pierde un material al someterlo a impactos por un abrasivo mezclado con una corriente de
aire a una presión constante y un tiempo determinado, para realizar este tipo de ensayo se
basó en la norma ASTM G76 la cual nos establece las condiciones o parámetros que se debe
seguir para realizar el procedimiento y que a su vez pueden ser modificados según como se
plante el desarrollo de este.
3.5.1 CONDICIONES DEL ENSAYO.
Las condiciones del ensayo son sugeridas por la norma ASTM-G76 las cuales se definen como estándar para realizar el ensayo de desgaste a continuación son enunciadas “1. El tubo de lanza será de 1,5 mm 6 0.075 mm interior diámetro de al menos 50 mm de largo. 2. El gas de prueba será de aire seco, - 50 ° C del punto de rocío o inferior. 3. partículas abrasivas deberán ser nominal de 50 micras angular A12O3, equivalente a los utilizados en la prueba interlaboratorio serie (ver Fig. 3). Abrasivo se utilizará una sola vez. 4. La velocidad de la partícula abrasiva será de 30 + 2 m·s, medido en la ubicación de la muestra. A esta velocidad el flujo de gas tasa será de aproximadamente 8 L · min-1 y la
sintratamien
totemple
temple y15 min derevenido
temple y30 min derevenido
temple y45 min derevenido
temple y60 min derevenido
isotérmico15 min
isotérmico30 min
isotérmico45 min
isotérmico60 min
dureza HV 152 268 189 175 163 157 153 151 149 147
152
268
189175
163 157 153 151 149 147
0
50
100
150
200
250
300
48
presión del sistema será de aproximadamente 140 kPa (20 psi) aunque la presión dependerá del diseño específico del sistema. 5. El tiempo de la prueba será de 10 minutos para alcanzar el estado de equilibrio condiciones. Tiempos más largos son permisibles siempre y cuando la final cráter erosión es más profunda que 1 mm. 6. El ángulo entre el eje de boquilla y el espécimen superficie será de 90 + 2 °. 7. La temperatura de ensayo debe ser el ambiente normal valor (típicamente entre 18 ° C a 28 ° C). 8. La velocidad de alimentación de partículas será de 2,0 + 0,5 g · min-1. Este corresponde a un flujo de partículas en la superficie de la muestra de alrededor de 2 mg · mm-2· S-1 bajo condiciones estándar. Partículas flujo determinación requiere la medición de la zona erosionada en la espécimen y está sujeto a un error considerable. A medida perfil ancho y la profundidad de un cráter de erosión producido utilizando condiciones establecidas se muestra en la figura. 4 e indica una típica anchura erosionado / relación profundidad. 9. La distancia desde superficie de la muestra a extremo de la boquilla será 10 + 1 mm. 10. Condiciones opcionales de la prueba. Cuando las condiciones o materiales distintos de los de la prueba dada en la Sección 9 se utilizan, la referencia a este método de ensayo debe especificar claramente todas las condiciones y materiales de prueba. Debería ser observado que otras condiciones, por ejemplo, velocidad partícula más grande lazos, pueden afectar negativamente a la precisión de medición.”53 El ensayo de desgaste por erosión se realizó utilizando el tribómetro que se encuentra en
las instalaciones de la universidad distrital francisco José de caldas en la sede tecnológica el
cual fue diseñado y elaborado por la estudiante de ingeniería DEISY JOHANNA TORRES para
obtener su título de ingeniería según la norma ASTM-G76 para realizar este tipo de pruebas,
en las figuras 17 y 18 se observa esta máquina.
53 Parámetros tomados de la Norma ASTM- G76
49
Fig 17. Tribometro,para ensayos de erosion según la norma ASTM-G76.
Fig 18. Tribometro,para ensayos de erosion según la norma ASTM-G76.
50
3.5.2 DIMENSIONES DE LAS PROBETAS
La norma ASTM G76, para ensayos de desgaste erosivo sugiere que la muestra o probeta
del material tenga las siguientes dimensiones de (10 x 30 x 2) mm, pero para nuestro caso
se tuvieron en cuenta las dimensiones del porta probetas de esta máquina y se determinó
que el tamaño de la probeta fuera (50x45x6.5) mm, como se muestra en la figura 19.
Fig. 19 Dimensiones de la probeta
3.5.3 PREPARACIÓN DE LA PROBETA
Una vez mecanizadas las probetas se procedió a pulirlas utilizando una serie de papel
abrasivo (lijas) numero 400 hasta dar un acabo uniforme para remover partículas e
impurezas del material para que la superficie sea uniforme como nos pide la norma en el
aparto 11.2. Este apartado nos pide que se haga una medición de rugosidad el cual no se
realizó porque se consideró que el acabo que se dio a la muestra era el adecuado para
realizar el ensayo en la figura 20 se puede apreciar como quedaron las probetas.
Fig. 20. Probeta pulida con lija 400.
51
3.5.4 PESO DE LAS PROBETAS
Las probetas posteriormente se limpiaron y se enumeraron teniendo en cuenta el
tratamiento térmico que se les realizo para ser pesadas como nos pide la norma antes de
realizar el ensayo de desgaste por erosión este procedimiento se realizó utilizando la
balanza analítica demarca scientech, referencia SA210D que se encuentra en el laboratorio
de química de la universidad distrital esta se observa en la figura 21, los resultados de las
masas obtenidas se muestran en la tabla 8.
Fig. 21. Gramera scientech, unidad de medida milésimas de gramo.
52
Tratamientos Térmicos Número muestras Masa antes en gr.
temple de 30 min
1 108,1646
2 108,0741
3 103,9365
4 108,3314
temple de 30 min +15 min de revenido
5 111,6210
6 109,2495
7 115,4370
8 116,9160
temple de 30 min +30 min de revenido
9 110,8020
10 111,5380
11 108,0859
12 108,5485
temple de 30 min+ 45 min de revenido
13 109,6903
14 108,2444
15 112,8060
16 105,7943
temple de 30 min+ 60 min de revenido
17 108,1285
18 109,5291
19 108,6884
20 107,3224
isotérmico 15 min
21 109,4291
22 109,3470
23 108,6089
24 109,4595
isotérmico 30 min
25 109,5231
26 111,0160
27 110,0141
28 110,2422
isotérmico 45 min
29 108,9580
30 109,4384
31 110,3585
32 109,2961
isotérmico 60 min
33 115,7310
34 110,7013
35 108,1385
36 109,6960
sin tratamiento
37 109,9515
38 109,7642
39 109,7920
40 111,3780
Tabla 8. Peso de las probetas ates del ensayo de desgaste erosivo.
53
3.6 LIMPIEZA DE LOS SISTEMAS DE LA MAQUINA Se le realizó una limpieza a las partes de la maquina como se recomienda en el manual de
uso para retirar partículas de abrasivos antes usados y poder garantizar su correcto
funcionamiento.
3.6.1 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE LAS PARTÍCULAS.
Este sistema tiene como función suministrar y regular el paso o flujo de las partículas del
material abrasivo hacia el sistema de inyección.
El sistema de alimentación se desarmo por completo para realizar una adecuada limpieza a
cada una de sus partes soplándolas con el aire que suministra el compresor para remover
partículas que hubieran quedado de anteriores pruebas, luego se aplicó teflón en las roscas
de las uniones para evitar fugas de aire y se procedió a ensamblar de nuevo sus partes.
Fig. 22. Sistema de alimentación tribómetro.54
1. Punta cono alimentación.
2. Cono de alimentación.
3. Válvula de bola ½”.
4. Niple de ½”x2”.
5. Válvula de bola de ½”.
6. Bushing ½” a ¼”.
7. Tolva
54 tomado de manual de uso tribómetro para desgate erosivo por partículas sólidas. Elaborado por Deisy Johanna torres Martínez. Universidad distrital francisco José de caldas, año 2015.
54
3.6.2 SISTEMA DE INYECCIÓN DE PARTÍCULAS
La función de este sistema es realizar la mezcla de aire con las partículas abrasivas para
luego realizar el lanzamiento de estas hacia la muestra del material que es atacado.
Este sistema se sopló durante 2 minutos con el aire del compresor antes de ser desarmado
como nos recomienda el manual de uso de la máquina, luego se desacoplaron sus partes
para realizar una adecuada limpieza dentro del sistema, cada parte se sopleteo con el aire
del compresor para garantizar que no quedaran residuos dentro de estas luego se aplicó
teflón en las rosca de las uniones y se ensamblaron de nuevo todas las partes.
Fig. 23. Sistema de inyección tribómetro.55
1. Racor manguera roscado.
2. Tapón.
3. Venturi.
4. Boquilla.
5. Manómetro.
55 tomado de manual de uso tribómetro para desgate erosivo por partículas sólidas. Elaborado por Deisy Johanna torres Martínez. Universidad distrital francisco José de caldas, año 2015.
55
3.7 CALIBRACIÓN DEL TRIBÓMETRO Teniendo las muestras del material ya preparadas para realizar el ensayo de desgaste por
erosión se pasó a verificar que la maquina cumpliera con las condiciones requeridas en la
norma para realizar estas pruebas.
3.7.1 PRESIÓN DEL AIRE
Se encendió la máquina para verificar que la presión del aire suministrado por el compresor
dentro del sistema fuera de 20 psi, que es la presión que nos pide la norma para realizar
este tipo de ensayo.
La presión se fue modificando por medio de un tornillo del compresor el cual tiene como
función regular la salida del aire, al mismo tiempo se estaba mirando los manómetros fig.
24 y fig. 25 de la máquina para garantizar que se cumpliera con la presión requerida.
Fig. 24. Manómetro del sistema de inyección.
Fig. 25. Manómetro de salida del compresor.
56
3.7.2 VELOCIDAD DE SALIDA DEL AIRE
Para garantizar que se cumpliera con la velocidad requerida del aire solicitado en la norma
ASTM G76, Se utilizó un anemómetro de referencia DT-317 (fig. 26) para verificar que la
velocidad a la salida del aire si fuera de 30 ± 2 m/s, se realizaron 10 medidas para tener
certeza de los valores obtenidos, este instrumento se utilizó debido a que no se pudo
realizar ninguno de los métodos que nos recomienda la norma en el apartado 6.4 ya que
es necesario contar con ciertos instrumentos con los cuales no cuenta la universidad
distrital francisco José de caldas, y no son de fácil obtención por su elevado costo.
Fig. 26. Anemómetro.
En la siguiente tabla 9 se muestran los valores obtenidos utilizando el anemómetro para
medir la velocidad d salida del aire y el promedio de estas.
# mediciones velocidad (m/s)
1 30,5
2 29,8
3 31,2
4 30,01
5 30,28
6 31,7
7 31,05
8 29,05
9 31,01
10 30,25
promedio 30,485 Tabla 9. Medición de velocidad.
57
3.7.3 FLUJO DE SALIDA DEL ABRASIVO.
La norma ASTM G76, se recomienda que para el ensayo de desgaste por erosión se utilice
alúmina ( 𝐴𝑙2𝑂3) de grano de 50 micras, pero este tipo de compuesto con las anteriores
características no es fácil de conseguir en el mercado, se optó por utilizar otro tipo de
abrasivo llamado corridon marrón ver fig. 27, el cual tiene cualidades muy similares a la
alúmina, este cambio se pudo realizar ya que la norma dice que se puede utilizar cualquier
abrasivo que cumpla con el requerimiento de que tenga informidad el grano.
Fig. 27 Caracterización del corridon marrón X100.
Se depositó en la tobera de la maquina el abrasivo que en nuestro caso fue corridon marrón
de grano de 50 micras, se puso a funcionar la maquina durante varios periodos de tiempo
para realizar varias medidas de peso del abrasivo, para esto se colocó una bolsa en la
boquilla de la máquina para recoger las partículas abrasivas y Lugo se pesaron para sacar
un promedio de masa para verificar que estaban saliendo 2 gramos/min como nos pide la
norma. Los datos obtenidos se evidencian en la tabla 10.
# pruebas Tiempo(min) masa(gramos)
1 2 4,0569
2 4 7,9968
3 6 12,6798
4 8 16,7820
5 10 20,5876
6 12 24,4785
promedio 42 86,5816 Tabla 10. Datos de comportamiento de la masa en función del tiempo
58
Grafico 2. Comportamiento de la masa en función del tiempo.
Ecuación 7.
𝐹𝑝 =∑ 𝑚𝑎𝑠𝑎
∑ 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜=
86,5816
42= 2,0615 gr/min
Tomando los valores obtenidos del promedio del tiempo y la masa de las partículas de
abrasivo se pudo establecer que el flujo de abrasivo que sale por minuto es de 2,0615
gramos/minuto.
3.8 REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE DESGASTE POR EROSIÓN. La norma ASTM-G76 define en el apartado 11.4 que se debe hacer el ensayo de desgaste
tomando intervalos de tiempo para una muestra de 2, 4, 8,16 minutos, pero para nuestro
caso se realizó este procedimiento para realizar la calibración del equipo tomando tiempos
de 2, 4, 6, 8 ,10 minutos, esto se realizó para comparar el flujo de las partículas vs el tiempo
que se pueden ver en la gráfica 2.
Para poder establecer el comportamiento que presenta el acero AISI/SAE 1045 al ser
sometido a los tratamientos térmicos antes expuestos en este documento frente al ensayo
de desgaste erosivo por el choque de partículas sólidas se decidió tomar un único tiempo
de 10 minutos para cada muestra del material buscando evidenciar la influencia que tuvo
cada uno de estos frente a la resistencia al desgaste por erosión y saber con cual se dio la
menor pérdida de masa.
El tiempo de 10 minutos se estableció teniendo en cuenta el numeral 9.1.5 de la norma
ASTM-G76, el cual nos dice que este es un tiempo en el cual se alcanza un estado de
equilibrio de las condiciones de la prueba , además se tuvieron encuentra antecedentes y
datos obtenidos de otros autores que ha realizado este tipo de ensayo los cuales en su
experiencia han comprobado que se empiezan a dar cambios significativos de masa en las
4,0569
7,9968
12,6798
16,7820
20,5876
24,4785
0,00001,50003,00004,50006,00007,50009,0000
10,500012,000013,500015,000016,500018,000019,500021,000022,500024,000025,500027,0000
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4
GR
AM
OS
MINUTOS
TIEMPO VS MASA
59
muestras después de transcurrir un tiempo de 6 minutos de este ensayo como ha sucedido
con el acero 1020 y otros materiales.
Después de realizar la debida calibración de la máquina para garantizar las condiciones que
nos pide la norma, se procedió desarrollar el ensayo de desgaste por erosión de la siguiente
forma:
Se encendió la maquina durante un periodo de 10 minutos para estabilizarla y
verificar su calibración.
Se fijó la muestra en la porta probetas por medio de dos tornillos prisioneros a una
distancia de 10 mm de separación entre esta y la boquillas de la maquina como nos
pide la norma ASTM G76.
El impacto de las partículas se hizo a 90° para todas las probetas atacadas.
Se procedió a realizar el ataque de la probeta con la mezcla de aire y partículas del
abrasivo usado el cual fue corridon marrón durante un tiempo de 10 minutos.
Luego se retiró la probeta y se limpió muy bien para ser pesada de nuevo y poder
establecer la cantidad de masa que perdió durante el ataque.
En la figura 28 se muestra la marca o huella que dejo el impacto de las partículas sobre la
muestra del material
Fig.28. Probetas evidenciando la huella que dejo el impacto de las partículas.
Los datos de las masas obtenidas antes y después de la prueba de desgaste por erosión al
igual que su diferencia se muestran en la tabla 11.
60
Tratamiento Térmico
Número de muestras
Masa antes Masa después
Diferencia de masas
% Pérdida de masa
Promedio % pérdida de masa
temple de 30 min +15 min de revenido
5 111,621 111,608 0,013 0,01164655 0,00819
6 109,2495 109,2443 0,0052 0,00475975
7 115,437 115,428 0,009 0,00779646
8 116,916 116,906 0,01 0,00855315
temple de 30 min +30 min de revenido
9 110,802 110,797 0,005 0,00451255 0,00365
10 111,538 111,535 0,003 0,00268967
11 108,0859 108,08 0,0059 0,00545862
12 108,5485 108,5464 0,0021 0,00193462
temple de 30 min+ 45 min de revenido
13 109,6903 109,6899 0,0004 0,00036466 0,00217
14 108,2444 108,2435 0,0009 0,00083145
15 112,806 112,798 0,008 0,00709182
16 105,7943 105,7939 0,0004 0,00037809
temple de 30 min+ 60 min de revenido
17 108,1285 108,1272 0,0013 0,00120227 0,00196
18 109,5291 109,5277 0,0014 0,0012782
19 108,6884 108,6849 0,0035 0,00322021
20 107,3224 107,3201 0,0023 0,00214308
isotérmico 15 min
21 109,4291 109,4245 0,0046 0,00420364 0,00444
22 109,347 109,3386 0,0084 0,00768197
23 108,6089 108,6045 0,0044 0,00405123
24 109,4595 109,4575 0,002 0,00182716
isotérmico 30 min
25 109,5231 109,5119 0,0112 0,01022615 0,00439
26 111,016 111,0112 0,0048 0,0043237
27 110,0141 110,0133 0,0008 0,00072718
28 110,2422 110,2397 0,0025 0,00226773
isotérmico 45 min
29 108,958 108,9536 0,0044 0,00403825 0,00418
30 109,4384 109,4299 0,0085 0,00776693
31 110,3585 110,3554 0,0031 0,00280903
32 109,2961 109,2938 0,0023 0,00210438
isotérmico 60 min
33 115,731 115,725 0,006 0,00518444 0,00403
34 110,7013 110,698 0,0033 0,00298099
35 108,1385 108,1355 0,003 0,00277422
36 109,696 109,6903 0,0057 0,00519618
Tabla 11. Relación de los cambios de masa de las probetas antes y después del ensayo de
desgaste por erosión.
61
Con los resultados que se obtuvieron del ensayo se procedió a calcular el valor medio de
la erosión como dice la norma ASTM-G76, para expresar los resultados obtenidos los
cuales se registran en la tabla 12.
Ecuación 8:
𝑉𝑚𝑒 =
(𝑉𝑒
𝑇𝑓)
𝑑
𝑉𝑚𝑒=Valor medio de la erosión.
𝑉𝑒=velosidad de erosión.
𝑇𝑓 = Tasa flujo abrasivo.
D=Densidad de la muestra.
Tratamiento Térmico
Promedio masa (g) Duració
n (min)
Velocidad Erosión
(mg/min)
Tasa flujo Abrasivo (g/min)
Densidad
(g/𝒄𝒎𝟑)
Valor Medio Erosión
(𝒎𝒎𝟑/g)
sin tratamiento
0,0058 10 0,5775 2,058 7,85
0,03574678
temple de 30 min
0,0065 10 0,65 2,058 7,85
0,04023447
temple de 30 min +15 min de revenido
0,0093
10 0,93 2,058 7,85 0,0575662
5
temple de 30 min +30 min de revenido
0,0040
10 0,4 2,058 7,85 0,0247596
8
temple de 30 min +45 min de revenido
0,0024
10 0,2425 2,058 7,85 0,0150105
5
temple de 30 min+ 60 min de venido
0,0021 10 0,2125 2,058 7,85
0,01315358
62
Tratamiento
Térmico
Promedio masa (g)
Duración (min)
Velocidad
Erosión (mg/min)
Tasa flujo Abrasivo (g/min)
Densidad (g/𝒄𝒎𝟑)
Valor
Medio Erosión
(𝒎𝒎𝟑/g)
isotérmico 15 min
0,0049 10 0,485 2,058 7,85
0,03002111
isotérmico 30 min
0,0048 10 0,4825 2,058 7,85
0,02986636
isotérmico 45 min
0,0046 10 0,4575 2,058 7,85
0,02831888
isotérmico 60 min
0,0045 10 0,45 2,058 7,85
0,02785464
Tabla 12. Resultados del valor medio de erosión (𝑚𝑚3/g).
3.9 ENCAPSULACIÓN DE PROBETAS En este proceso se escogieron las probetas que menos pérdida de masa presentaron para
realizar el ensayo metalográfico, cada probeta se encapsulo utilizando la máquina
encapsuladora que se encuentra en el laboratorio de tratamientos térmicos de la
universidad distrital Francisco José de Caldas en el bloque 11, la cual se ve en la figura 29
las probetas se observan en la figura 30.
Fig. 29. Maquina encapsuladora de probetas
Marca metkon, referencia ecopress 50.
63
Fig. 30 Probetas encapsuladas
3.10 METALOGRAFÍA El estudio metalográfico se realiza para determinar la fracción de martensita, ferrita y
demás faces que presentes en el material estudiado y posibles causas del comportamiento
frente al desgaste erosivo al cual fue sometido, este ensayo se realizó de acuerdo a la norma
ASTM E562 se llevaron al microscopio metalográfico invertido de marca ZEIZZ,Ref.AXIO
OBSERVED D1M (figura 30) ubicado en la facultad tecnológica, bloque 4, segundo piso,
laboratorio de metalografía, , también se realizó utilizando el Microscopio Electrónico de
Barrido (MEB) de la universidad de los andes dando como un máximo de aumentos de 1500
para poder apreciar los Microconstituyente hasta 50 µm, más adelante se presenta una
selección de ellas con las cuales se busca determinar la fracción de cada
Microconstituyente, el ataque se realizó de acuerdo a la norma ASTM E407 con Nital AL 5%.
Fig. 31. Microscopio metalográfico invertido
64
Fig. 32 Microscopio electrónico de barrido
4 RESULTADOS Y ANÁLISIS En esta parte se revisaran los resultados que se obtuvieron de las diferente pruebas a las
que el Acero AISI/ SAE 1045 se sometio, en primer lugar se revisara las probetas después de
la prueba de desgaste erosivo los datos se pueden apreciar en la tabla 8. De esta
información se puede evidenciar la siguiente grafica en donde se plasman en forma de
barras la cantidad de pérdida de masa.
Grafica 3. Perdidas de masa en probetas
De esta grafica se puede apreciar que las probetas que menos pérdida de masa presentaron
fueron las que se les realizaron un temple de 30 min y revenido de 30 a 60 min, por otro
lado se puede apreciar que el tratamiento de temple por 30 minutos con el de revenido por
15 minutos fueron las que más pérdida de masa obtuvieron esto hace pensar que en estos
sintratamien
to
temple de30 min
temple de30 min
+15 minde
revenido
temple de30 min
+30 minde
revenido
temple de30 min+
45 min derevenido
temple de30 min+
60 min derevenido
isotérmico15 min
isotérmico30 min
isotérmico45 min
isotérmico60 min
Series1 0,0357468 0,0402345 0,0575663 0,0247597 0,0150106 0,0131536 0,0300211 0,0298664 0,0283189 0,0278546
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Valor Medio Erosión
65
tratamientos no se formaron las fases que se recomiendan para el desgaste como lo es la
perlita y la bainita esto hace que estas probetas obtuvieron una fases de martensita que es
las que más degaste sufren. También se puede decir que los tratamientos isotérmicos no
combaten el desgaste erosivo de una manera radical ya que presentaron una pedida
porcentual de masa muy parecida a la del material base.
También revisando la dureza que se tomó a cada grupo de probetas estuvo bien orientada
y los resultados son los esperados ya que se vio una gran dureza en las probetas que fueron
sometidas a temple pero a medida que los tiempos de revenido eran más prolongados la
dureza iba descendiendo y en los tratamientos isotérmico sucede lo mismo dándose una
pérdida de dureza más alta que la del material base que se observa en los dos ultimo grupos
En la tabla 13. Se registran los resultados obtenidos con los cuales se quiere revisar el
comportamiento del desgaste y la dureza, en la gráfica 4 podemos evidenciar este
comportamiento.
N° probetas acero AISI/SAE 1045 dureza
(HV) Valor Medio Erosión
(𝑚𝑚3/gr) 1 sin tratamiento 152 0,03574678
2 temple de 30 min 268 0,04023447
3 temple de 30 min +15 min de revenido 189 0,05756625
4 temple de 30 min +30 min de revenido 175 0,02475968
5 temple de 30 min+ 45 min de revenido 163 0,01501055
6 temple de 30 min+ 60 min de revenido 157 0,01315358
7 isotérmico 15 min 153 0,03002111
8 isotérmico 30 min 151 0,02986636
9 isotérmico 45 min 149 0,02831888
10 isotérmico 60 min 147 0,02785464
Tabla 13. Comparación de los resultados obtenido
66
Grafica 4. Comportamiento de la dureza vs. Valor medio de la erosión.
Aquí se puede observar que a mayor dureza la resistencia al desgaste es menor esto sucede
porque los aceros que son tratados térmicamente para mejorar su dureza pierden
ductilidad y se vuelven más frágiles y menos resistentes a los impactos.
4.1 CUADROS COMPARATIVOS
En el cuadro comparativo anterior se observa en la micrografía la presencia de dos fases las
cuales son austenita que es la parte clara y perlita que es la parte oscura es menor como lo
muestra el grafico de fase ya que hay más presencia de austenita lo cual provoca que el
material tenga una dureza baja y por esta razón hay una pérdida de masa considerable.
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
0 2 4 6 8 10 12
DUREZA V.S VALOR MEDIO EROSION
Dureza (HV) Valor medio erosion (mm^3/g)
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
152 HV 0,035747
SIN TRATAMIENTO
67
Esta micrografía muestra una estructura característica del temple ya que podemos evidenciar la
presencia de martensita la cual presenta un color oscuro y de ferrita la cual es de color claro, debido
estas fases se dan por llevar el material a una elevada temperatura y luego enfriarlo rápidamente
en nuestro caso se realizó el temple a 770°C.
Teniendo en cuenta los porcentajes arrojados en el análisis de fases se pueden evidenciar mayor
cantidad de martensita que de ferrita, lo cual hace que el acero tenga una alta dureza y resistencia
pero a la vez se hace más frágil facilitando el desprendimiento de material al ser sometido a desgaste
por erosión ya que al ser impactado por las partículas tiende a perder masa fácilmente.
Se puede observar en la micrografía la presencia de martensita, ferrita y como consecuencia del
revenido que se realizó durante 15 minutos a una temperatura de 550 °C, algo de martensita
revenida y de perlita, lo cual hace que el material disminuya un poco su dureza y que siga
presentando buena resistencia mecánica y mejore su ductilidad haciéndose menos frágil.
Al hacer una comparación entre los porcentajes de las fases presentes se evidencia la gran cantidad
de martensita y a su vez martensita revenida, la cual es una fase meta estable que hace que el
material mejore algunas propiedades, al ser un poco más dúctil el material mejora la resistencia a
ser sometido al desgaste por erosión disminuyendo en algo la pérdida de su masa frente a la perdida
que presentó cuando solo se había sometido al temple.
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
TEMPLE
268 HV 0,040234
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
TEMPLE Y 15 MINUTOS DE REVENIDO
189 HV 0,057566
68
En esta micrografía podemos ver la presencia de martensita que se conserva del temple, perlita
gruesa que se formó a la temperatura de 770°C, también se evidencia algo de bainita, que ese
empieza a formar por consecuencia del tratamiento de revenido en el material a 550°C, estos
compuestos hacen que el material sea más dúctil. La bainita la cual presenta una combinación que
mejoran la resistencia y la ductilidad del material convirtiéndolo menos frágil pero a la vez reduce
la dureza haciendo que se oponga más al desgaste erosivo por el choque de las partículas.
En la gráfica se puede identificar las fases el color rojo representa la bainita y perlita en la micro
estructura y el color verde representa la ferrita que posee el material y por esta razón la dureza
disminuye y del mismo modo se reduce la pérdida de masa
Al realizar un revenido durante 45 minutos podemos observar la formación de perlita fina que se
forma por la temperatura de revenido de 550°C, también aumentando la presencia de bainita que
se ve en forma de agujas muy finas, dando al material un equilibrio entre la resistencia y dureza ya
que su estructura fina aumenta la ductilidad del acero reduciendo el riesgo de grietas y aumentando
la resistencia al impacto y al desgaste
En la gráfica se puede identificar las fases el color rojo representa la bainita y perlita en la micro
estructura y el color verde representa la ferrita que posee el material y por esta razón disminuye la
dureza y la fragilidad reduciendo la pérdida de masa.
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
TEMPLE Y 30 MINUTOS DE REVENIDO
175 HV 0,024760
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
TEMPLE Y 45 MINUTOS DE REVENIDO
163 HV 0,015011
69
En esta comparación se evidencia que hay un alto porcentaje de bainita y martensita
revenida este porcentaje se representa de color verde y por consecuencia reduce altamente
la pérdida de masa debido a una mejor organización de la estructura del material a pesar
de que su dureza es baja.
Al realizar el tratamiento isotérmico llevando el material a temperatura de 770°C, y
sostenerlo durante 30 minutos se da la formación de perlita gruesa que presenta forma de
láminas separadas y luego haciendo descender la temperatura del material a 550°C se da la
estructura de la bainita que presenta forma de agujas delgadas, también se ve algo de
perlita fina, formando una estructura frágil pero a la vez se hace más resistente al desgaste.
En la gráfica se evidencia que la fase dominante es ferrita, a pesar que la bainita y la perlita
tienen un alto porcentaje su resistencia no es la deseada porque esta es muy parecida al
material base.
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
TEMPLE Y 60 MINUTOS DE REVENIDO
157 HV 0,013154
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
153HV 0,030021
ISOTERMICO DE 15 MINUTOS
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
ISOTERMICO DE 30 MINUTOS
151 HV 0,029866
70
La micrografía evidencia la formación de perlita y bainita fina debido al tiempo transcurrido
fue más extenso para su formación, el porcentaje de esta formación microestructural es
más elevado aumentando su resistencia al desgaste erosivo respecto al material base a
pesar que su dureza no tuvo un cambio representativo
La micrografía evidencia la formación de perlita y bainita fina debido al tiempo transcurrido
fue más extenso para su formación, reduciendo la separación entre sus laminas y estructura
en forma de aguja, el porcentaje de esta formación microestructural es más elevado
aumentando su resistencia al desgaste erosivo respecto al material base a pesar que su
dureza no tuvo un cambio representativo.
Se evidencia un equilibrio en las fases presentes en el material ya que se observa una mejor
organización estructural y según el porcentaje hay más concentración de bainita mas perlita
representada por el color verde a pesar que su dureza es la más baja de todas las probetas
su comportamiento frente al desgaste no es muy representativo.
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
ISOTERMICO DE 45 MINUTOS
149 HV 0,028319
DUREZA mm ³ /gr MICROGRAFIA % DE FASES
147 HV 0,027855
ISOTERMICO DE 60 MINUTOS
71
Fig.33. Micrografía del acero AISI /SAE 1045
Sin tratamiento térmico.
Fig. 35. Micrografía del acero AISI/SAE 1045
con temple 30 min, revenido 15 minutos.
Fig. 34. Micrografía del acero AISI /SAE 1045
con Temple 30 minutos.
Fig. 36. Micrografía del acero AISI/SAE 1045
Con Temple 30 min y revenido 60 minutos.
Fig. 37. Micrografía del
acero AISI /SAE 1045
con tratamiento
Isotérmico 30 minutos.
72
Teniendo como referencia las imágenes de la micrografía del acero AISI/SAE 1045 las cuales
se realzaron a un aumento de 1500X, podemos hacer una comparación de los compuestos
que están presente en el material en estado de suministro y de este después de ser tratado
térmicamente.
La figura 33 muestra la micrografía del acero AISI/SAE 1045, sin realizarle ningún
tratamiento y podemos observas que su estructura se compone principalmente de
ausentita que presenta un color claro y de perlita que tiene forma de láminas o de una
huella digital. En la figura 34 vemos la micrografía del material sometido a un temple de 30
minutos en la cual podemos observar que su estructura está compuesta de ferrita la cual
presenta un color claro y de martensita que tiene un color más oscuro, esta se forma al
calentar el material a una temperatura de 770°C, la cual se encuentra dentro del rango de
las temperaturas intercriticas y luego enfriarlo rápidamente en agua. En la figura 35 y 36
observamos la micrografía del material sometido a temple a temperatura de 770°C y
revenido a 550°C durante 15 y 60 minutos respectivamente, en las dos imágenes se puede
ver la presencia de ferrita y de martensita y algo de martensita revenida. La figura 36 nos
muestra la micrografía del acero sometido a un tratamiento isotérmico durante 30 minutos,
podemos observar que las fases presentes en esta estructura son perlita, vainita superior
martensita revenida que se ve en forma de agujas.
En las figuras 38 y 39, podemos evidenciar la huella resultante del choque de las partículas
sobre la zona impactada de la probeta del material.
Fig. 38. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 Fig. 39. Micrografía del acero AISI /SAE 1045 Huella hecha por las partículas. Huella hecha por las partículas.
73
5 CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos del cálculo de las temperaturas intercriticas se
establecieron las temperaturas de 770°C y 550°C, las cuales facilitan la presencia de
las diferentes fases como martensita, bainita, perlita y ferrita en la microestructura
del material.
Con la realización de la prueba de desgaste erosivo se pudo evidenciar que el
material sometido a diferentes tratamientos térmicos no presenta un alto
porcentaje de pérdida de masa.
Al relacionar la pérdida de masa con los diferentes tratamientos térmicos se puede
decir que el material presento una mejor resistencia al desgaste por erosión al
someterlo a un temple de 30 minutos y un revenido de 60 minutos ya que el acero
obtiene una mejor organización en su estructura.
El acero AISI/SAE 1045 al ser sometido a un temple presenta una estructura rica en
martensita la cual aumenta la dureza, pero al ser sometido a la prueba de desgaste
por erosión no opone mayor resistencia al ser impactado por las partículas del
abrasivo utilizado facilitando el desprendimiento de masa por la elevada fragilidad
que este presenta.
Tomando como referencia las gráficas resultantes de los datos obtenidos en la
prueba de dureza y de la pedida de masa del material sin y con tratamiento térmico,
podemos llegar a decir que no se establece una relación directa entre la dureza y la
pérdida de masa, esto se da por la presencia de los diferentes compuestos que se
forman al realizar los tratamientos térmicos.
74
BIBLIOGRAFÍA
Manufactura, ingeniería y tecnología, Escrito por Steven R. Schmid,
revistademetalurgia.revistas.csic.es/index.php/revistademetalurgia/.../51 REVISTA
DE METALURGIA, 43 (1) ENERO-FEBRERO, 50-62, 2007 ISSN: 0034-8570
Mejora de la resistencia al desgaste de titanio y sus aleaciones utilizados para
prótesis articulares Biomecánica, 10 (2), 2002, pp. 20-37 F.J. GIL, A.CRESPO,
J.M.MANERO, D.RODRIGUEZ Y J.A.PLANELL
CREB. Departamento Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Escuela
Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Barcelona. Universidad Politécnica de
Cataluña)
Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - James Shackelford, 3
edición
ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating
Metalografía y tratamientos térmicos, Basado en texto del Ing. Va Larre
fundamentos-de-la-ciencia-e-ingenieria-de-materiales-4ta-edicic3b3n-william-f-
smith-javad-hashemi.
Copilacion de microestructuras de piezas de acero al carbono de uso frecuente en
el salvado, tesis de grado para optar como ingeniero mecánico por ERICK
ALEXANDER MEJÍA PORTILLO, OCTUBRE 2007 ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR,
C.A.
HIBBELER, Russell. 1994. Mecánica de Materiales. DF, México: Editorial Continental
S.A.
CALLISTER, William. 2002. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales.
DF, México: Editorial Reverté S.A.
STURLA, Antonio. 2002. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Buenos Aires,
Argentina: Editorial Nueva Librería.
S. J. Casarin et al. / Influencia de los tratamientos de revenidos intercríticos en la
concentración de níquel... Consejo Superior de Investigaciones Científicas España
Rev. Metal. Madrid, 35 (3), 1999
Carlos A Bohórquez influencia del tratamiento térmico desde temperaturas
intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045 Mecánica
Computacional Vol XXXI, págs. 3577-3587 2012 Asociación Argentina de Mecánica
Computacional http://www.amcaonline.org.ar
García, et al ESTUDIO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ROSIVOEN SECO DE
MATERIALES DE INGENIERÍA 11 de Octubre de 2004
L.S. Malinov, I.E. Malysheva, D.V. Malinova INFLUENCE OF HEAT TREATMENT WITH
HEATING IN THE INTERCRITICAL TEMPERATURE RANGE ON THE PROPERTIES OF
75
STEELS 60С2А AND 60С2ХФА Pryazovskyi State Technical University Metallurgical
and Mining Industry, 2012
David Mazuela Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS
DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL
revistas.utp.edu.co › Inicio › Vol. 3, núm. 49 (2011)
Álvaro Castro, Edgar Espejo y Leonardo Martínez (2000). Estudio de los tipos de
cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SSl 09, sobre blancos de acero
AISI-SAE 1045.rev Metal. Madrid 36(2000).
David Mazuera Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas. evaluación de los parámetros de
temple y revenido para el cero AISI/SAE 1040 a escala industrial.
del articulo correlación de la microestructura, la dureza y la superficie de fractura
con la resistencia a la fatiga del acero 1045.
Mario Ernesto Treviño torres, estudio del desgaste por erosión en aleaciones de baja
densidad, Tesis degrado, universidad autónoma de nuevo león.
Álvaro Manuel Treviño, Desarrollo de una metodología para pruebas de erosión,
tesis de grado 2004.universidad autónoma nuevo león.
TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS
http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase9ttteoria.pdf
Metalografía y Tratamientos Térmicos,
http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/1
0-Temple_y_Revenido_v2.pdf
Tratamiento isotérmico de los aceros aleados al silicio Tipo SAE 92XXJ.L. Páez F.
Fuentes y A. Battagliese