metalurgica mecanica pdf ejercicios

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UNIDAD 7Endurecimiento por aleación. Aleacio-nes con transformación martensítica

7.1 CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN

1 - La composición de la martensita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La temperatura de austenización. c) El medio de enfriamiento. d) La posición relativa de Ms y Mf.

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

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

4 - La transformación martensítica tiene lugar en los materiales que presentan: a) Transformación eutéctica b) Transformación eutectoide c) Transformación alotrópica d) Sólo ocurre en los aceros

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

6 - Los elementos de aleación en general: a) Mejoran la templabilidad b) Mueven a la derecha la curva de las S c) Hacen descender la curva Ms

d) Todas son correctas

Cuestiones y ejercicos de Fundamentos de Ciencia de Materiales

122

7 - Los elementos de aleación en los aceros se adicionan para: a) Elevar la temperatura de la transformación martensítica. b) Aumentar la dureza por solución sólida. c) Mejorar la templabilidad. d) Posibilitar la eliminación del revenido.

8 - El campo de aplicación de la transformación martensítica es el de: a) Metales o aleaciones enfriadas bruscamente. b) Aleaciones hierro-carbono. c) Metales o aleaciones con cambios alotrópicos. d) Aleaciones insolubles en estado sólido.

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

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

11 - La misión fundamental de los revenidos a alta temperatura, es: a) Ganar tenacidad b) Rebajar las características estáticas c) Hacer el material apto para aplicaciones dinámicas d) Todas son correctas

12 - ¿Cuáles de los siguientes procesos no requiere la difusión?: a) Envejecimiento b) Transformación martensítica c) Recocido de homogeneización d) Revenido

13 - Las exigencias de precipitación de dos fases en la transformación bainítica favorece: a) La forma laminar alternada. b) La forma globular diseminada. c) La formación de granos alternados de las dos fases. d) Es invariante.

14 - El tamaño crítico del núcleo de perlita disminuye con: a) Las tensiones térmicas del enfriamiento. b) El grado de subenfriamiento bajo la temperatura del eutectoide. c) La existencia de núcleos extraños. d) La mayor existencia de bordes de grano.

15 - La dilatometría puede ser usada para determinar los puntos de transformación perlítica ybainítica pues cuantifica fundamentalmente entre los componentes y productos: a) Sus diferentes coeficientes de dilatación. b) Los diferentes calores específicos.

Unidad 7 - Endurecimiento por aleación. Aleaciones con transformación martensítica

123

c) Los coeficientes de conductividad térmica. d) Los diferentes volúmenes específicos.

16 - La diferencia más importante entre las bainitas superior e inferior está en: a) Las temperaturas del tratamiento isotérmico. b) La forma de la fase α proeutectoide. c) La forma de agujas o nódulos de su microestructura. d) El color de la estructura en el microscopio óptico.

17 - Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) La velocidad de enfriamiento. c) El contenido en carbono. d) El tamaño de grano de la austenita.

18 - Los tiempos de inicio y terminación de la transformación perlítica son crecientes con: a) La temperatura. b) Los elementos de aleación. c) La acritud previa. d) Los solutos intersticiales.

19 - El elemento de aleación que más influye en la posición hacia la derecha de las curvas de lasS de transformación isotérmica es: a) Manganeso. b) Silicio. c) Níquel. d) Cromo.

20 - Las características resistentes de la estructura martensítica se multiplican, sobre las de laaustenita original, por un factor del orden de: a) 1.5 a 2. b) 2 a 4. c) 4 a 10. d) Más de 10.

21 - Las microestructuras de listón o placa de la martensita tienen similitud en: a) Tamaño. b) Apariencia. c) Coloración. d) Plaquetas finísimas deslizadas o macladas.

22 - El plano habitual de la martensita está definido por: a) El plano de más fácil deslizamiento en la austenita. b) El plano común de coherencia entre la austenita y martensita. c) El plano incoherente de formación de la martensita. d) El plano interfase entre la austenita y martensita.

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

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


124

temple. c) Las variaciones atómicas obligadas por el cambio de red cristalina en la transformación

alotrópica. d) Las posiciones de los átomos durante la transformación martensítica.

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

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

25 - La velocidad crítica de temple depende de: a) Temperatura de austenización. b) Elementos de aleación. c) Contenido en carbono. d) Del fluido de enfriamiento.

26 - Una transformación martensítica se denomina atérmica porque: a) No depende de la temperatura. b) No es isotérmica. c) Es invariante con la energía interna. d) Depende de la variación de temperatura.

27 - La cantidad de transformado martensítico a una temperatura intermedia entre Ms y Mf detransformación aumenta con: a) El aumento del diámetro del grano. b) De los elementos de aleación. c) El aumento del contenido en carbono. d) Es invariante.

28 - Si se detiene la transformación martensítica a una temperatura intermedia Mi, Ms < Mi < Mf,resulta: a) Estructura martensítica con austenita que evolucionará a bainitas. b) Estructura martensítica en matriz austenítica. c) Estructuras martensíticas placadas con estructuras austeníticas. d) Estructuras martensíticas con perlitas transformadas.

29 - El grado de endurecimiento de la transformación martensítica depende directamente delcontenido de: a) Martensita. b) Austenita. c) Perlita. d) Elementos de aleación.

30 - El endurecimiento del acero por transformación martensítica aumenta: a) La estricción. b) El grado de endurecimiento I = Le/σr.


125

c) La resiliencia. d) El alargamiento de rotura.

31 - Las aleaciones con transformación martensítica reversible se fundamentan en que éstasucede por formación de: a) Deslizamientos. b) Maclas y deslizamientos. c) Maclas. d) Es invariante.

32 - Las aleaciones con memoria de forma controlan la temperatura de variación de forma por: a) Las temperaturas en las que se educan. b) La composición de la aleación. c) Las deformaciones que se aplican en la educación. d) El soluto sobresaturado.

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

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

35 - El revenido es conveniente aplicarlo a los aceros templados porque: a) Mejora la resistencia a la corrosión. b) Disminuye sus características resistentes. c) Aumenta sus parámetros de ductilidad y su tenacidad. d) Aumenta la dureza.

36 - La selección de las temperaturas del revenido debe realizarse atendiendo a: a) Las zonas que mejoran la ductilidad y tenacidad. b) Las zonas que obtienen mayor resistencia estática. c) Las zonas que evitan la fragilización. d) Según aplicaciones.

37 - Asigna cual es la causa de la fragilidad del revenido entre los procesos genéricoscaracterísticos que disminuyen la tenacidad de los materiales metálicos: a) Disminución de la ductilidad consecuencia del endurecimiento. b) Precipitación de fases frágiles en bordes de placas de martensita. c) Precipitación de fases frágiles en alineaciones de monocristales, dislocaciones en planos

de deslizamiento. d) Endurecimiento propio de la estructura.

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


126

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

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

40 - Los diversos procesos de regeneración en el acero, recocidos de austenización, contraacritud o revenidos muestran como característica común: a) La cualidad de la microestructura en base de ferrita y perlitas. b) La cualidad y la forma de los constituyentes de la microestructura. c) Los niveles de temperatura aplicados. d) El estado original de la aleación.

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

7.2 CUESTIONES DE HETEROEVALUACIÓN

1. Transformación martensítica. Justificación.

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

3. ¿ De qué parámetros depende la dureza de un acero con estructura martensítica ?.

4. ¿ Por qué es necesario aplicar un revenido tras los tratamientos de temple con transformaciónmartensítica?

5. Define el concepto de velocidad crítica de temple. ¿ De qué parámetro depende ?.

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

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

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

a) Que la composición del acero es la correcta.

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

Señale y justifique ¿cuál es la causa del fallo?


127

10. ¿Cómo pueden obtenerse estructuras 100% martensíticas enfriando al aire una pieza deacero? Justifique la respuesta.

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

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

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

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

15. Describe la evolución de transformado martensítico que podemos esperar si no existieracambio en volumen entre las estructuras austeníticas y martensíticas.

16. Compara el proceso de transformación martensítica con otros procesos de transformaciónfundamentados en la nucleación y crecimiento, anotando los factores similares de aquellosotros diferenciados.

17. Analiza la aplicabilidad de la transformación martensítica si la velocidad de enfriamiento essuperior a la definida como velocidad crítica de temple.

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

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

20. A partir del reconocimiento de las curvas de características estáticas y de resiliencia en elrevenido de un acero delimita los campos de aplicación y características de cada uno de ellos.

21. Con el diagrama ∆Gv = f (T) obtenido en el Calorímetro Diferencial de Barrido, justificar porcomparación con los obtenidos para los procesos de recristalización y precipitación desegundas fases.

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

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


128

7.3 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS PROPUESTOS

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

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

∂∂θ

θ θt

= -k( - )0

dónde θ0 es la temperatura del medio al que secede calor, en este caso, la temperatura dellíquido de temple: 20°C . Se pide determinar:

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

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

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

Martensíticas.

Notas:

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

• El enfriamiento sigue una ley de tipo:

∂∂θ

θ θt

= -k( - )0

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

38

24151314

AC3 (0.4°/min)

AC1 (0.4°/min)

Dureza Rc

Austenita ycarburos

6520

7525

Ms

Principio detransformación

Martensita

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA

Aparición de la ferrita

Temperatura de austenización 850°C

Aparición de la perlita

Fin de transformación

32

42

30


Bainita

55

242235

80

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMATemperatura de austenización 850°C

AC3 (0.4°/min)

AC1 (0.4°/min)

Austenita ycarburos


Fin detransformaciónBainita

Perlita

49

Dureza Rc

48 42

2017

22

10

59

Martensita

50%

90%


129

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

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

Problema 7.5. Utilizando el diagrama de transformación isotérmica del acero de composicióneutectoide, cuyas curvas han sido representadas anteriormente, especificar la naturaleza de lamicroestructura que se obtendrá ( en térmicos de microconstituyentes presentes y porcentajesaproximados) de una pequeña probeta que se ha sometido a los siguientes tratamientos. Suponersiempre, que la probeta se ha calentado a 800°C durante el tiempo suficiente para alcanzar unaestructura austenítica.

a) Enfriamiento rápido hasta 350°C, donde se mantiene durante 104 s, templando acontinuación a temperatura ambiente.

b) Enfriamiento rápido hasta 250°C, donde se mantiene durante 100 s, templando acontinuación a temperatura ambiente.

c) Enfriamiento rápido hasta 650°C, donde se mantiene durante 20 s, enfriamiento rápido a400°C manteniendo de nuevo 1000 s y templando a continuación a temperatura ambiente.

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

a) 100% perlita gruesa.

b) 50% martensita y 50 % bainita

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

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

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Ps

Bs

Pf

Bf

γγ

M + γγ

P+γγ

B+γγ

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

0,1 102101 105103 104

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

γγ + martensita

γγ + bainita

γγ + αα

αα + perlita

γγ + αα + perlita

Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

α


130

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

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

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

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

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

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

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

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

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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

Tem

per

atu

ra, °

C

A + CAustenita

A + P

M (inicio)

Perlita

Bainita

A + B

M (50%)M (90%)

A50%

0.1 1 10 102 103 104 105 106

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T iempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

1 10210 103 104

ferrita+

perlita+

bainita

ferrita+

perlita+

bainita+

martensita

ferrita+

bainita+

martensita

ferrita+

martensita

ferrita+

perlita

2°C/s

10°C/s

20°C/s

100°C/s

Ms

BsBs

Fs

Ps

Bf

Pf


131

continuo de la figura.

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

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

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

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

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

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

b) El tratamiento térmico y la cantidad de cada constituyente, después de cada fase del procesotérmico, para obtener una dureza en el acero de 30 Rc.

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

a) La microestructura al someter al acero al siguiente tratamiento térmico: (i) templeinstantáneo desde la región γ hasta 500°C, (ii) mantenimiento a esta temperatura durante 4s, y (iii) temple instantáneo hasta 250°C.

b) ¿Qué ocurriría si se mantiene la microestructura resultante durante un día a 250°C yposteriormente se enfría hasta temperatura ambiente?

c) ¿Qué ocurriría si la microestructura resultante de la parte a) se templa directamente hastala temperatura ambiente?

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

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

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

b) Tras la austenización, enfriar rápidamente hasta los 350°C, manteniendo 3 horas, para


132

enfriar de nuevo rápidamente hastatemperatura ambiente.

c) Tras la austenización, enfriar rápidamentehasta los 550°C, manteniendo 2 horas y 45minutos, posteriormente enfriar de nuevorápidamente hasta 400°C manteniendodurante 200 s y finalmente enfriar hastatemperatura ambiente.

d) Tras la austenización, enfriar rápidamentehasta los 650°C, manteniendo 17 minutos,para enfriar de nuevo rápidamente hasta400°C manteniendo 17 minutos más a esatemperatura enfriando finalmente hastatemperatura ambiente.

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

a) Tras la austenización a 820°C, se enfríarápidamente en baño de sales a 650°C,manteniéndose a esa temperatura durante100 segundos, enfriando de nuevobruscamente hasta temperatura ambiente.

b) Después de la austenización, se enfríarápidamente en horno de sales hasta los400°C, donde se mantiene durante 100segundos, para enfriar posteriormente deforma brusca hasta temperaturaambiente.

SOLUCION A LAS CUESTIONES DE AUTOEVALUACION:

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Temperatura eutectoideA

A

A + F

A + B

F + PA + F+ P

M

BM (inicio)

M (90%)

M (50%) M + A

50%

1 10 102 104 105 106103

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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

AustenitaFerrita

Perlita

Martensita

BainitaMs

50%

90%

0,1 1 10 102 103 104 105 106

Tiempo, segundos

Tem

pera

tura

, °C


133

7.4 PROBLEMAS Y EJERCICIOS PRACTICOS RESUELTOS

Solución al problema 7.1

a) La velocidad crítica de temple es aquellacuya curva de enfriamiento es tangente a lanariz. Es decir, la velocidad más lenta quepermite obtener estructuras 100%martensíticas.

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

A partir de la ecuación anterior:

∂∂θ

θ θt

= -k( - )0

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

a-

= -k t0 0

t

θ

θ θθ θ

∫ ∫∂

∂

de donde,

ln(-

-)= -kt0

a 0

θ θθ θ

Sustituyendo los valores conocidos:θa = 850°C temperatura de austenizaciónθ0 = 20°C temperatura del medio refrigeranteθ = 450°C,t = 19 seg

y despejando k se obtiene:

ln(450 - 20

850 - 20)= -19.k

de dónde k = 0,0346

b) La transformación a bainita requiere la utilización de un tratamiento isotérmico adecuado, talcomo se muestra esquemáticamente en la figura siguiente. En este caso, como ocurre con muchosaceros aleados, se observa que aparecen dos narices en la curva: una superior, denominada narizperlítica, y otra a menores temperaturas, denominada nariz bainítica. Atravesandoisotérmicamente esta nariz se alcanzan las estructuras bainíticas.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

38

24151314

AC3 (0.4°/min)

AC1 (0.4°/min)

Dureza Rc

Austenita ycarburos

6520

7525

Ms


Martensita

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIÓN ISOTERMA

Aparición de la ferrita

Temperatura de austenización 850°C

Aparición de la perlita


32

42

30


Bainita

55

242235

80


134

Así pues, el rango de temperaturas del baño isotérmico debe encontrarse entre:

• Temperaturas del baño : desde Ms a 430°C. La pieza deberá permanecer en el baño hastaque se completen las transformaciones a bainita.

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


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

De la ecuación:

ln(-

-)= -kt0

a 0

θ θθ θ

Sustituyendo los valores conocidos:θa = 850°C temperatura de austenizaciónθ0 = 20°C temperatura del agua de enfriamientoθ = 400°C,t = 110 seg

Podemos despejar k:

ln(400 - 20

850 - 20)= -110.k

de dónde k = 0,0071

Una vez conocido el valor de k, podemos calcular la velocidad de enfriamiento a cualquiertemperatura. Necesitamos conocer la velocidad a 704°C. Así, se tendrá, de la ecuación general deenfriamiento:

∂∂θ

θ θt

= k( - )0

Ve704°C = (dθ/dt)θ=704°C = 0,0071 (704-20) = 4,85 °C/seg

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

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


135


En la figura podemos observar ladureza Rockwell C como una función de latemperatura de transformación. La durezade 32 Rc se obtiene con estructurastransformadas a 650°C, donde Ps, inicio detransformación perlítica, es de 4 s y Pf,final de la transformación perlítica, sucedea los 40 s. El tratamiento térmico y lasmicroestructuras serán, por tanto, comosiguen:

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

2. Enfriamiento rápido a 650°C mante-niendo al menos 40 segundos. Despuésde 4 segundos se inicia la nucleación de la perlita a partir de la austenita inestable. Los granosperlíticos van creciendo hasta los 50 segundos, siendo la estructura final 100% perlita. Laperlita será de tamaño medio, al encontrarse entre las temperaturas de transformación a perlitasgruesas y finas.

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

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

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

Distancia al extremo de la probeta templada, mm

Du

reza

Ro

ckw

ell,

HR

c200 5 4

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

ENSAYO JOMINY

700

900

1000

12001300

800

1100

1700160015001400

180019002000

Car

ga

de

rotu

ra, M

Pa

MartensitaMartensita

+Bainita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pf

γγ

M + γγ

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+γγ

B+γγ

Perlita

Bainita


136


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

La estructura final obtenida será, portanto, de un 50% de bainita y un 50% de martensita, y por ello el tratamiento descrito no esadecuado al formar una estructura muy frágil, la martensítica. Para obtener una transformacióntotal a bainita debería permanecer el acero, a los 250°C, al menos durante 104 s, o alrededor de 3horas.


Las gráficas tiempo - temperaturase estos tratamientos están trazados en lafigura adjunta. En todos los casosconsideramos un enfriamiento rápidopara prevenir cualquier transformación.

a) A 350°C la austenita se transformaisotérmicamente en bainita; esta reacciónempieza a los 10 s y termina a los 500 s.Por lo tanto, a los 104 s el 100% de laprobeta es bainita y no ocurre posteriortransformación, aunque posteriormente lagráfica de enfriamiento pase por la zonade transformación martensítica.

b) La transformación bainítica, a 250°C,empieza después de 150 s, por estemotivo después de 100 s la probetamantiene el 100% de austenita. Al enfriar esta probeta a los 215°C la austenita empieza atransformarse instantáneamente en martensita. Al llegar a la temperatura ambiente casi el 100%de la microestructura es martensita.

c) En la transformación isotérmica a 650°C, la perlita empieza a formarse a los 7 s y después de20 s aproximadamente el 50% de la probeta se ha transformado en perlita. El enfriamiento rápidohasta 400°C está indicado por la línea vertical y durante este enfriamiento prácticamente no hay

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundosT

emp

erat

ura

, °C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pf

γγ

M + γγ

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+γγ

B+γγ Bainita

Perlita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pfγγ

M + γγ

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+γγ

B+γγ

Perlita

Bainita

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

50% bainita


137

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


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

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

b) Tras la austenización, se realiza unenfriamiento rápido a temperaturas entre los400°C y los 250°C que corresponden atemperaturas de transformaciones bainíticas, eltiempo correspondiente para obtener el 50% detransformación a bainitas. Si tomamos una temperatura de 250°C la transformación a bainitainiciará a los 150 s. Después de 15 minutos, o 900 s, se ha formado cerca del 50% de bainita,permaneciendo todavía un 50% de austenita inestable. Es precisamente esta austenita inestable laque se transforma a martensita al enfriar a temperatura ambiente. Con ello, la estructura finalobtenida será, de un 50% de bainita y un 50% de martensita.

c) Tras la austenización, deberá realizarse un enfriamiento rápido a temperaturas entre los 650°Cy los 710°C que corresponden a temperaturas de transformaciones a perlitas gruesas, según elapartado a. Allí permanecerá hastacompletar el 50% de transformación. Porejemplo, para 650°C alrededor de 50 s.Después enfriaremos rápidamente hastatemperaturas entre los 400°C y los 250°C,según el apartado anterior, para obtener latransformación bainítica. El tiempocorrespondiente, a una temperatura de250°C, para obtener el 75% detransformación, de los cuales sólo el 25%será a bainitas, es de unos 5000 s.Finalmente se enfriará rápidamente hastatemperatura ambiente con lo que el restode la austenita inestable se transformará amartensita. Con ello, la estructura finalobtenida será, de un 50% de perlita gruesa,un 25% de bainita y un 25% de martensita.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Martensita

Austenita

A1

Dur

eza

Roc

kwel

l C

14

42

52

57

66

38

40

Ms

Mf

Pf

γγ

M + γγ

0,1 102101 105103 104

14

42

52

57

66

38

40

Ps

Bs

Bf

P+γγ

B+γγ

Perlita

Bainita

(a)

(b)

(c)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

γγ + martensita

γγ + bainita

γγ + αα

αα + perlita


Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

α


138


De la figura obtenemos una temperatura de austenización representada por la línea A3 de almenos 760°C. La dureza deseada de 23 Rc, se obtiene mediante transformación del acero a590°C, donde a 1 s se inicia la transformación a ferrita, Fs, a los 1.15 s se inicia la transformacióna perlita, Ps, y a los 5.5 s finaliza la transformación a perlita, Pf. Los tratamientos ymicroestructuras obtenidas serán las siguientes:

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

2. Enfriamiento rápido a 590°C manteniendo al menos 5 segundos. Empieza formándose ferritaprimaria precipitada de la austenita inestable después de 1 s. Más tarde, a los 1.15 s, inicia latransformación de perlita y la austenita se transforma completamente después de los 5.5segundos.

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


1. Después de 1 hora de austenización a800°C tendremos un 100% de austenita.

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

3. Inmediatamente después de enfriar a400°C, el acero sigue conteniendosolamente ferrita y austenita inestable. Labainita inicia su transformacióntranscurridos 3 s y después de 20 s, elacero contiene ferrita, bainita y restos deaustenita inestable.

4. Después del enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, la austenita que queda atraviesalas líneas Ms y Mf y se transforma a martensita. La microestructura final será ferrita, bainita ymartensita.


En todos los casos se iniciará con un calentamiento a 815°C, donde la micro-estructura será100% austenita.

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

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

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

γγ + martensita

γγ + bainita

γγ + αα

αα + perlita


Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

α


139

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

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

d) A la temperatura de 675°C obtenemos latransformación parcial de austenita acementita, tal como se describe en el diagrama de fases Fe-C y con la proporción de fases queallí se indica. y concluimos con una transformación Esta cementita estable, precipitará en elborde de grano de la austenita. Tras el temple hasta temperatura ambiente, esta austenita setransforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita con cementitaque actuará de matriz dándonos una estructura de máxima fragilidad. Es posible que no toda lacementita esté ubicada en los antiguos bordes de grano de la austenita al ser unatransformación rápida y posiblemente incompleta.

e) A la temperatura de 775°C, estamos entre las temperaturas de inicio y fin de transformacióneutectoide, por lo que obtenemos la transformación parcial de austenita a cementita es tal comose describe en el diagrama de fases Fe-C y debido al tiempo de 8 minutos, con la proporciónde fases que allí se indica. Tras el enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente, estaaustenita se transforma en martensita, por lo que la estructura resultante será de martensita concementita que actúa de matriz dándonos ahora sí una estructura de máxima fragilidad.


De la figura adjunta, unavelocidad de enfriamiento de 8°C/s,entre los 2°C/s y los 10 °C/s, cruza laslíneas de inicio de transformaciónferrítica, Fs, inicio de transformaciónperlítica, Ps, y las líneas de inicio y finde transformación bainítica, Bs y Bf.Por lo tanto, la estructura será unamezcla de ferrita, perlita y bainita.

A los 50°C/s, la curva corta laslíneas de inicio de transformaciónferrítica, Fs, inicio de transformaciónbainítica, Bs, y la línea de inicio detransformación a martensita, Ms. Laestructura será, por lo tanto, una

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

T iempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

1 10210 103 104

ferrita+

perlita+

bainita

ferrita+

perlita+

bainita+

martensita

ferrita+

bainita+

martensita

ferrita+

martensita

ferrita+

perlita

2°C/s

10°C/s

20°C/s

100°C/s

Ms

BsBs

Fs

Ps

Bf

Pf

8°C/s50°C/s

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

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

Tem

per

atu

ra, °

C

A + CAustenita

A + P

M (inicio)

Perlita

Bainita

A + B

M (50%)M (90%)

A50%

0.1 1 10 102 103 104 105 106

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

(e)


140

mezcla de ferrita, bainita y martensita. Es posible también que todavía queda una pequeñacantidad de austenita retenida.

Solución al Problema 7.11

La construcción del diagrama no ofrece ninguna dificultad. Tan sólo deberá tenerse encuenta que la escala de abscisas es logarítmica respecto al tiempo. En la misma gráfica se indicanlos distintos constituyentes, así como las líneas singulares de inicio y fin de transformación.

Solución del problema 7.12.

a) Martensita + Bainita inferior

25 a 40% 60 a 75 %

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


a) La microestructura corresponderá,según el diagrama TTT a:

50% de perlita fina + 50% de austenitainestable

b) Cuando mantenemos un día a 250°C,

800

600

500

400

300

200

0

100

700

21 301584 21 301584 21 301584 60Segundos Minutos Horas

Tiempo

Tem

per

atu

ra °

C

Perlita

Bainita

Martensita

Ps

Austenita A1

Pf

Ms

Mf

BfBs

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Dur

eza

Roc

kwel

l C

Martensita

Mf

A1

62

54

49

30

39

23

A3

Ps

Pf

Fs

Ms

γγ + martensita

γγ + bainita

γγ + αα

αα + perlita


Bainita

BfBs

0,1 102101 105103 104

α

(a)

(b)


141

la estructura resultante será

50% de perlita fina + 50% de bainita

c) Cuando enfriamos rápidamente desdelos 250°C, obtendremos:

50% de perlita fina + 50% de martensita

d) Si consideramos un enfriamiento desdela región austenítica a 800°C, latemperatura a la que se corta la narizperlítica resulta de 538°C, a los 0,6segundos, con lo que la velocidad mínimade enfriamiento será:

sKs

C

t

Tv /437

6,0

538800=

°−=

∆=


a) La microestructura será de un 100% demartensita.

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

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

40% bainita superior + 60% martensita

d) Al permanecer 17 minutos a 650°C, un 25%de la austenita transforma a ferrita. El restoiniciará de nuevo la transformación despuésde permanecer otros 17 minutos a 400°Cdonde el 60% de esta masa pasará a bainitasuperior y el 40% restante a martensita, conlo que la transformación final será:

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


a) Al enfriar rápidamente a 650°C y mantener la temperatura durante 100 segundos, obtenemosuna transformación parcial a ferrita y perlita. La ferrita, que habría transformado toda la posible,

800

700

600

500

400

300

200

100

00,1 1 10 102 103

Tiempo, segundos

727°C

Perlita gruesa

Perlita fina

Bainita

Austenita

a)b)

104 105 106

Tem

pera

tura

, °C

γ + α + Fe3 C

α + Fe3C

γ inest.

Ms

M50

M90

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tiempo, segundos

Tem

per

atu

ra, °

C

Temperatura eutectoideA

A

A + F

A + B

F + PA + F+ P

M

BM (inicio)

M (90%)

M (50%) M + A

50%

1 10 102 104 105 106103

a) b)c) d)


142

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

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

b) Al enfriar rápidamente a 400°C ymantener igualmente 100 segundos,obtenemos una transformación a bainita deaproximadamente el 75%. El resto deaustenita se transformará también a martensita con el nuevo enfriamiento brusco, por lo quetendremos:

75% bainita + 25% martensita

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

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

AustenitaFerrita

Perlita

Martensita

BainitaMs

50%

90%

0,1 1 10 102 103 104 105 106

Tiempo, segundosTe

mpe

ratu

ra, °

C

a)

b)

metalurgica mecanica pdf ejercicios

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