tema 2-07.0 tratamiento termico de los metales

7/23/2019 Tema 2-07.0 Tratamiento Termico de Los Metales

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INGENIERÍA DE SOLDADURA

PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES

TEMA 7: TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOSMETALES

2

Es un proceso de calentamiento, permanencia en un horno a unadeterminada temperatura y finalmente enfriamiento.

El objetivo es obtener propiedades deseadas generalmente mediante elcambio de la microestructura.

Se pueden modificar:

Propiedades mecánicas: resistencia a la tracción, dureza, ductilidad,tenacidad, etc.

Propiedades tecnológicas: maquinabilidad

Homogenizar la composición química o microestructura

Incrementar su resistencia a la corrosión

Se aplican siempre en estado sólido, nunca se llega al estado líquido

TRATAMIENTO TÉRMICO

3

TRATAMIENTO TÉRMICO – ETAPAS

Calenta-miento

Permanencia atemperatura

Enfria-miento

T (°C)

tiempo (s)

Tc1º 2º 3º

Tipos de enfriamiento:-Lento (en horno)- Aire quieto- Aceite- Agua

Temperatura (Tc): dependegeneralmente de la composiciónquímica

Tiempo (t): dependegeneralmente del espesor

Tc: temperatura de calentamiento

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TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO

γ

γ

+Fe3Cpγ+αp

α

P+

Fe3Cp

P+αp

0,8 2,0 % C

723 ºC

910 ºC

1130 ºC

A3

A1

Acm

A3,1

T °C

723 ºC



5


910 ºC

723 ºC

0,45 % C 0,8 % C

A3

A1

Tc = 805 °C (+ 50 °C)

C8,0

72391045,08,0C723A 3 °

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

6


A1 (°C)=723°C - 22 %C + 2 %Si - 7 %Mn + 14 %Cr + 13 %Mo-13 %Ni+20 %V

A3 (°C)=902°C - 255 %C + 19 %Si - 11 %Mn + 5 %Cr + 13 %Mo-20 %Ni+55 %V

Estas relaciones valen para aceros dentro del siguiente rango devariaciones de composición química:

%C [0,07 - 0,55], %Si [0,10 - 0,40], %Mn [0,30 - 0,60], %Cr [0,4 - 3,0],%Mo[0,15 - 0,50], %Ni [0,90 -2,2] y %V[0,10 - 0,20].

7


0,201,0---0,250,040,0350,820,454145

---------0,250,050,040,700,451045

%Mo%Cr %Ni%Si%S%P%Mn%CAISI

AISI 1045 (°C)

A3 = 902°C - 255 (0,45) +19 (0,25) - 11 % (0,7) = 783°C

AISI 4145 (°C)

A3 = 902°

C -255 (0,45) + 19 (0,25) - 11 % (0,82) + 5 (1,0) +13 (0,2) = 800°

C

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EFECTO TEMPERATURA Y TIEMPO: ELEVADOS

SobrecalentamientoCuando un acero es sometido a temperaturas mucho más altas que losrecomendados o a tiempos excesivamente largos se sobrecalentará. Unacero sobrecalentado presentará después del tratamiento un tamaño degrano grueso (grande). Su resistencia mecánica no se afectará mucho, perosi su ductilidad y tenacidad, quedando el acero quebradizo. Un acerosobrecalentado puede ser recuperado (regenerado) mediante un tratamientotérmico de normalizado.

QuemadoCuando el sobrecalentamiento se da a temperaturas cercanas a la líneasolidus, el acero presentará oxidación en sus límites de grano,produciéndose el quemado del acero. Un acero quemado no puede serregenerado por medio de tratamientos térmicos y es chatarra.



9

T °C

1 535

1 492

1 400

910

723

1130

0,008 0,8 2,0 % C

Liquido

γ + L

γ

γ + Fe3C

α + γ

α

α + Fe3C

δ + Lδ

δ + γ

723

Oxido Acero Quemado

• Oxido en sus limites de granos.

• Es chatarra.

Acero Sobrecalentado

• Crecimiento del granoaustenítico.

• El acero puede ser recuperadocon un normalizado.

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Tratamientos térmicos de recocido

Recocido de regeneración o total

Recocido contra acritud Recocido de alivio de tensiones

Recocido de globulización(globulizado)

Normalizado

Temple

Revenido

Austempering

Martempering

bonificado

11

RECOCIDO DE REGENERACIÓN (TOTAL)

tiempo

- Enfriamiento lento en elhorno (en equilibrio)

- Microestructura “ similar”al diagrama Fe-Fe3C

A3 ó A3,1

T ºC

50 °C

½ a 1 hora por cada 25 mm

Antes del enfriamiento

- 100 % austenita- Todo el C está disuelto en la γ

- Granos poligonales

?

Pgruesa αp

AISI 1020Normalizado, bonificado,sobrecalentado, etc.

AISI 1020

Tc

12


γ

+Fe3Cp

γ

+αp

α

P+

Fe3Cp

P+

α

p

0,8 2,0 % C

723 ºC

910 ºC

1130 ºC

A3

A1 A3,1

T °C

AcmTemp. Calentamiento

0,2

100 %γ



13

RECOCIDO CONTRA ACRITUD: %C < 0,4

A1

TT ººCC

Enfriamientoal aire

540 - 650

tiempo

Antes del tratamiento: acritud Después del tratamiento: blando- Estructura deformada - Estructura recristalizada- Alta dureza - Baja dureza- Baja ductilidad - Alta ductilidad

½a 1 hora por cada 25 mm723 °C

14

RECOCIDO CONTRA ACRITUD

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

8 0 0

9 0 0

1 0 0 0

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

Grado de deformación (%)

T e m

p e r a t u r a d e r e c r i s t a l i z a c i ó n ( ° C )

15

RECOCIDO DE ALIVIO DE TENSIONES

FORMACIÓN DE TENSIONES RESIDUALES16


Tiene como objetivo reducir o eliminar la presencia de tensiones residuales(internas) presentes en el material como consecuencia de:

Deformación en frío localizada

Procesos de soldadura Mecanizado fuerte.

Se calienta a una temperatura menor a la de recristalización, por lotanto, no hay modificación microestructural.

La temperatura varía entre 450 y 650 °C.

El tiempo de permanencia en el horno es generalmente 1 hora por cadapulgada de espesor

Generalmente, las uniones soldadas de % C > 0,35 deben ser sometidas aeste tipo de tratamiento térmico postsoldeo.



17


2La temperatura no debe exceder la temperatura de revenido del acero.

704 -760732 -760

5Cr-1/2Mo

7Cr-1/2Mo9Cr-1Mo9Cr-1Mo plusV+Nb+N

677 -7602Cr-1/2Mo2 1/4Cr-1Mo3Cr-1Mo

621 -7181Cr-1/2Mo1 1/4Cr-1/2Mo

621 -7041/2Cr-1/2Mo°CAcero

Rango de temperatura2

Rangos de temperatura de alivio de tensiones recomendadas paraaceros Cr-Mo (tratamiento post-soldadura)

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RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN: %C > 0,8

Los aceros con un contenido en carbono mayor de 0,8 %, con recocidototal, presentarán en su microestructura una red de Fe3C, la cual es muydura y no permite mecanizar al acero hipereutectoide.

Para que se pueda mecanizar, se tendrá que cambiar la microestructuramediante un tratamiento térmico, de tal manera de romper la red decementita.

Para ello se le aplicará un Recocido de Globulización o Globulizado.

La temperatura de tratamiento térmico será por encima de la línea A3,1

(723 °C) o por debajo. También se puede emplear una temperatura queoscile entre la temperatura de 723 °C hacia arriba y hacia abajo.

El tiempo de permanencia es de 12 a 15 horas, seguido de un enfriamientolento en horno hasta los 500 °C, luego se puede enfriar al aire.

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γ

γ

+

Fe3Cp

γ

+αp

α

P+

Fe3Cp

P+αp

0,8 2,0 % C

723 ºC

910 ºC

1130 ºC

A3

A1

T °C

Acm

Temp. Calentamiento

0,2

A3,1

OscilanteDe austenización incompletaSubcrítico 20

RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

AISI 10140 enfriado lentamente El mismo acero globulizado

- Pertita - Matriz ferrítica- Cementita (Fe3C) reticular - Cementita globular

- No se puede mecanizar (duro) - Mecanizable (blando)

Red deFe3C

Perlita αMATRIZ

Fe3CGLOBULAR



21

NORMALIZADO

A3óAcm

A3,1

-Enfriamiento en aire-Microestructura con PERLITA FINA enmayor cantidad que con un recocidototal

T ºC

tiempo

50 °CtC = ½a 1 hora por cada 25 mm

90 (fina)62 (gruesa)Perlita

1038Ferrita

NormalizadoRecocido totalTratamiento Térmico: AISI 1050Microconstituyentes

100 % γ

22

NORMALIZADO

Ahorro de tiempo frente a un recocido en aceros de 0,15 - 0,4 %C.

Mejora la maquinabilidad en aceros con %C< 0,2.

Afina el grano de los aceros fundidos o forjados.

Favorece un temple posterior uniforme en aceros de medio y alto

carbono.

Desaparece la retícula de cementita primaria en aceros

hipereutectoides para un posterior recocido de globulización.

23

TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO: NORMALIZADO

γ

+Fe3Cp

α

P+

Fe3Cp

P+

α

p

0,8 2,0 % C

723 ºC

910 ºC

1130 ºC

A3

A1 A3,1

T °C

Acm

Temp. Calentamiento

0,2

100 % γ

γ

+αp

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NORMALIZADO

Tabla. Propiedades de la perlita fina y gruesa

Tipo de perlita Resistencia aTracción(kg/mm2)

Dureza Brinell(HB)

Gruesa(Recocido total)

60 180

Fina(Normalizado)

85 250



25

RECOCIDO TOTAL - NORMALIZADO

1702860Normalizado

1493053Recocido1040

2291879Normalizado

1792364Recocido1060

1493253Normalizado

1263147Recocido1030

1313545Normalizado1113640Recocido1020

Dureza(HB)

Elongación(%)

σmáx

(kg/mm2)

TratamientoTérmico

AISI

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TEMPLE

Enfriamiento rápido-Aceite-Agua-Salmuera

tiempo

50 °C

tC = ½a 1 hora por cada 25 mm

A3 óA3,1

T °C

Antes del tratamiento Templado- Se recomienda que este normalizado - Alta dureza- Microestructura: - Muy frágil

Perlita fina - Objetivo: obtener 100 % deFerrita martensita clara

AISI 1040

100 % γ

27


γ

+Fe3Cp

α

P+

Fe3Cp

P+

α

p

0,8 2,0 % C

723 ºC

910 ºC

1130 ºC

A3

A1 A3,1

T °C

0,2

γ

+αp

100 % γ

γ

Fe3C

28


100 % γ

γ

Fe3C

100 % Martensita Martensita + Fe3C

Acero: hipoeutectoide Acero: hipereutectoide

Enfriamiento en agua



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MARTENSITA

Martensita de alto carbono Var iación de la durezaestructura acicular de la martensita

DEPENDE SOLO DEL % C30

MARTENSITA

La dureza de la martensita depende fundamentalmente del %Cdel acero, amayor %C mayor será su dureza y será el valor de dureza máximo que esposible alcanzar después del temple.

La siguiente ecuación permite estimar la dureza de la martensita:

( )HRC20C60martensitaladeDureza +=

para un %C< 0,6%

31

TEMPLABILIDAD

HRC

Distancia

55

AISI1040 AISI4340

Variación de dureza

Menortemplablidad

Mayortemplablidad

Menorpenetración del

temple

Mayorpenetración del

temple

32

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

200 300 400 500 600Temperatura de revenido ( ºC )

D u r e z a H R

C

AISI 1035 AISI 1080 AISI 10100

REVENIDO – CURVAS DE REVENIDO

Según la dureza o resistencia mecánica final deseada se elije latemperatura de revenido.

En un acero al carbono a mayor temperatura de revenido menor dureza yresistencia mecánica; pero mayor ductilidad.

Temperaturade revenido



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RECOCIDO TOTAL – NORMALIZADO – BONIFICADO

2692380Revenido 540 °C





1702860Normalizado

1493053Recocido

1040

Dureza

(HB)

Elongación

(%)

σmáx

(kg/mm2)

Tratamiento

TérmicoAISI

34

S O

L D A D U R A

P O R

F U S I Ó N

(723 °C)

35

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ALUMINIO

36

ALEACIONES DE ALUMINIO

No tratable térmicamente

Tratable térmicamente, no recomendable para el soldeo




Tratable térmicamente

Tratable térmicamente

Tratables y no tratables térmicamente

Al (99 % mín.)

Al - Cu

Al - Mn

Al - Si

Al - Mg

Al - Mg - Si

Al - Zn

Otros

1XXX

2XXX

3XXX

4XXX

5XXX

6XXX

7XXX

8XXX

CaracterísticasAleanteprincipal

Serie



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ALEACIONES DE ALUMINIO: Al - Cu

α

α + β

α

+ L

Porcentaje de Cu

T °C

Al

α

β

(CuAl2)

5,65 % de Cu

Enfriamiento en equilibrio

38

TRATAMIENTO TÉRMICO: T6

T °C

tiempo

solubilizado

Temple(enfriamiento

en agua)

(1 a 2 horas)

(6 a 8 horas)

Envejecimiento artifi cial = T6

Enfriamientoen aire

Temperatura

540 °C510 °C

100 °C200 °C

α

β (CuAl2) α

(sobresaturada)α

(matriz)

β

(finamente disperso)

39

TRATAMIENTO TÉRMICO: T6

Antes del tratamiento T6 Después del temple Envejecido artif icialmente-Enfriado en equilibrio - Enfriamiento en agua - En horno durante 6 a 8 h-β precipitado en limites de - Solubilizado y temple - Precitación deβ

de grano deα - β se disuelve enα- Soluciónα sobresaturada

α

β

β

α

(Sobresaturada)α

40

PROPIEDADES CON T4 y T6

11340310 AA6082 –T6

19260170 AA6082 –T4

14310270 AA6061 –T6

21235140 AA6061 –T4

Alargamiento

(%ε

)

σmáx

(MPa)

σ0,2

(MPa)Aleación



41

DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓNISOTÉRMICA

42

INTRODUCCIÓN

Enfriamiento lento

Enfriamientoen aire

Enfriamientoen agua

100 % Perlita gr uesa

100 % Perlita fin a

100 % Martensita

100 % Austenit a

AISI1080

43

El diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro (Fe-Fe3C) no es de granutilidad en el estudio de los aceros enfriados bajo condiciones fuera deequilibrio.

El tiempo y la temperatura de la transformación de la austenita tiene unaprofunda influencia en los productos de transformación y lassubsecuentes propiedades del acero.

La austenita es inestable por debajo de la temperatura crítica inferior a A1

(723 °C)

Es necesario saber cuanto tiempo necesita para empezar a transformarsea una temperatura menor a la crítica inferior, cuánto tiempo precisarápara

estar completamente transformada y cuál será la naturaleza del productode transformación.

INTRODUCCIÓN

44

CURVAS TTT (TI ó S): AISI 1080

Mf

Ms

723 °C A1

Austenita estable ( γ )

Austenitainestable

( γ )

Austenitainestable

( γ )

Austenita

Martensita

Temperatura

Inicio de latransformación dela austenita

Fin la

transformación dela austenita

Perlita gruesa(15 HRC)

Perlita fina

Bainita superior

BainitaInferior

(60 HRC)

Martensita (64 HRC)

γ ⇒

Perlita

γ ⇒ Bainita

(40HRC)

tiempo



45

C U R V A S

D E E N F R I A M I E N T O

C O N T I N U O

Austempering

(100 % Bainita)

tiempo

Austenita

Martensita

M50

M90

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CURVAS TTT (TI ó S)

Tabla. Propiedades de la bainita superior e inferior

Tipo debainita

Resistencia a latracción

(kg/mm2

)

Dureza Brinell(HB)

Alargamiento(%)

Superior 88 - 140 250 - 400 10 - 20

Inferior 140 - 175 400 - 500 5 - 10

La bainita al igual que la perlita es un microconstituyente y contiene dosfases: ferrita y cementita.

La microestructura es mucho mas fina que la perlita y, no puedeapreciarse la ferrita y la cementita en un microscopio metalográfico.

La bainita es más dura que la perlita y más tenaz que la martensita dedureza equivalente.

47

MARTEMPERING: 100 % de MARTENSITA

Temple convencional Martempering

(luego revenido) (luego revenido)

EN AMBOS 100 % DE MARTENSITA48

CURVAS TTT: ACERO HIPOEUTECTOIDE



49

CURVAS TTT: ACERO HIPEREUTECTOIDE

50

Es una solución sólida sobresaturada de carbono.

El contenido en carbono es variable.

Su dureza, resistencia mecánica y fragilidad aumentan con el contenido

en carbono.

Después de los carburos y la cementita, es el constituyente más duro de

los aceros.

Tiene una resistencia a la tracción que varía entre 170 y 250 kg/mm2, una

dureza entre 50 a 68 HRC y un alargamiento que oscila entre 0,5 y 2,5 %.

Presenta un aspecto acicular, formando agujas en zigzag, con ángulos de

60°.

MARTENSITA

51

La martensita cristaliza en el sistema tetragonal centrado en el cuerpo,cuya estructura difiere muy poco de la cúbica centrada en el cuerpo de laferrita.

La probable posición de los átomos de carbono en la celda tetragonal decuerpo centrado de la martensita, se puede ver en la figura.

MARTENSITA

Fe

C

c

a

Celda unitaria de la martensita

52

La transformación de la austenita en martensita es sin difusión y se formainstantáneamente, por tanto, no hay cambio en la composición química.

La austenita cambia instantáneamente su estructura cristalina.

La transformación depende sólo de la disminución de la temperatura y esindependiente del tiempo, a este tipo de transformación se le llama“atérmica”.

Por lo tanto, si la temperatura, en un acero, se mantiene por debajo de lalínea MS la transformación a martensita se detendrá y no avanzaránuevamente, a menos que la temperatura disminuya, hasta alcanzar la

línea MF. La posición de la línea MS no variará al modificar la velocidad de

enfriamiento.

TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA



53

La martensita es la estructura más dura que se forma a partir de laaustenita.

La martensita tiene una dureza muy elevada la que dependerá delcontenido de carbono.

La siguiente figura muestra la influencia del carbono en las temperaturasMS y MF.

TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA

54

INFLUENCIA DEL CARBONO EN MS y MF

T (°C)600

400

200

0

MS

MF

0,0 0,5 1,0 %C

tema 2-07.0 tratamiento termico de los metales

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