informe metalografia

UNEXPO “ANTONIO JOSE DE SUCRE”NUCLEO GUARENAS

LABORATORIO DE MATERIALES

OSECHE LAURA EXP.9720384

PRACTICA TRATAMIENTOS TERMICOS Y METALOGRAFIA



TABLA DE CONTENIDOMARCO TEORICO

TEMPLE Y RECOCIDO 3

TRATAMIENTOS ISOTERMICOS

Martempering y Austempering 4

DIAGRAMAS DE FASES Y DIFERENTES MICROESTRUCTURAS 5

ACERO SAE 1045

Descripción y características 9

Diagramas de microestructuras 10

CUADRO DE RESULTADOS PRÁCTICOS 12

ANALISIS RESULTADOS 13

CONCLUSIONES 14

BIBLIOGRAFÍA 15

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INTRODUCCIÓNEn los materiales de ingeniería pueden ocurrir muchos tipos de transformaciones en estado sólido y pueden controlarse con los tratamientos térmicos adecuados, los que están diseñados para proporcionar una distribución óptima de dos o más fases en la microestructura. Los cambios en la naturaleza, cantidad, tamaño, distribución y orientación de las fases resultantes permiten observar una gran variedad de estructuras y propiedades en los materiales.

El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza.

Esta práctica tiene como principal objetivo el de observar las microestructuras de una muestra de acero SAE 1045 por efecto del estudio metalográfico. El informe contiene una breve teoría que permitirá durante la elaboración de la práctica el fácil reconocimiento de las diferentes fases y sus microestructuras correspondientes al estudio.

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MARCO TEORICOTEMPLE

Es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica". El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la austenita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados.

El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la crítica para obtener martensita.

La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes".

Los factores que influyen en la práctica del temple son:

El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple. El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor

templabilidad el de grano grueso. El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una

velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.

Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero.

Recocido: con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objeto principal es ablandar el material; otras veces también se desea regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Consiste en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: recocidos con austenización completa, recocidos con austenización incompleta, y recocidos subcríticos.

Recocidos de austenización completa o de regeneración: en este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.

Recocidos de austenización incompleta (globulares): consisten en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y la inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se persigue con estos recocidos es obtener la menor dureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado dé las piezas.

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Recocidos subcríticos: el calentamiento se hace por debajo de la temperatura critica inferior, no teniendo tanta importancia la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan tensiones internas del material y se aumenta su ductilidad.

Revenido: es un tratamiento que se les da a las piezas de acero que han sido previamente templadas. Con este tratamiento, que consiste en un calentamiento a una temperatura inferior la crítica, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, quedando además el acero con la dureza o resistencia deseada.

Normalizado: Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 100ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido.

Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura. Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono. A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente. Esta variación será más acusada cuanto más cerca del núcleo realicemos el ensayo.

TRATAMIENTOS ISOTERMICOS

Martempering y Austempering:

Ambos procesos buscan obtener unas mejores propiedades en el acero.

El Martempering consiste en llevar el acero hasta temperatura de austenización y enfriarlo en un medio bien sea sales a temperatura por encima de la temperatura de transformación martensitica, inmediatamente la pieza ya haya homogenizado su temperatura se enfría en un medio de menor velocidad de enfriamiento que el primero.

El Austempering consiste en llevar el acero hasta la temperatura de austenización, enfriarlo en un medio a temperatura por encima de la temperatura de transformación martensitica del acero, dejarlo allí por un largo tiempo con el fin de alcanzar la transformación bainitica con lo que se consigue una herramienta con excelente tenacidad.

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DIAGRAMA FASE HIERRO – CARBONO:

DIAGRAMA ESQUEMATICO MICROESTRUCTURA ACERO EUTECTOIDE (0.77%):

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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LAS MICROESTRUCTURAS DE ACERO HIPOEUTECTOIDE:

MICROESTRUCTURA INTERNA FERRITA alfa α (0 hasta 0,022%C): Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono. La máxima solubilidad es 0,022% de C a 727°C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente.

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FERRITA DELTA Δ (0 HASTA 0,09%C): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

MICROESTRUCTURA INTERNA CEMENTITA (0,022% A 6,67%C). Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por debajo de 727°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. Las zonas oscuras corresponde a cementita que es el mayor constituyente en la fundición blanca, las zonas claras corresponden a perlita.

MICROESTRUCTURA PERLITA: Es la mezcla eutectoide que contiene 0,77 por ciento de C y se forma a 727°C a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y cementita. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. La figura muestra Aleación Fe - %C, (bajo %C) las zonas oscuras corresponden a perlita y las claras a ferrita, en mayor proporción por ser un acero de bajo carbono.

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MICROESTRUCTURA DE LA AUSTENITA: La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, la cantidad de carbono disuelto, varía de 0 a 2.1 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C.

MICROESTRUCTURA GRAFITO: Cuando las aleaciones hierro carbono, exceden el 2% de carbono se tiende a formar grafito, en la matriz de la aleación. Es especialmente cierto en la fundición gris, donde el grafito aparece en forma de escamas y es una característica predominante de la microestructura. En la Figura 9.0 se observa la una forma típica del grafito, la cual muestra la formación de este en forma de esferas.

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ACERO SAE 1045

Es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarias en condición de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada.

Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.

2. Normas involucradas: ASTM A108

3. Propiedades mecánicas:

Dureza 163 HB (84 HRb) Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI) Elongación 16% (en 50 mm) Reducción de área (40%) Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%)

4. Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in3)

5. Propiedades químicas:

0.43 – 0.50 % C 0.60 – 0.90 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx

6. Usos: los usos principales para este acero es piñones, cuñas, ejes, tornillos, partes de maquinaria, herramientas agrícolas y remaches.

7. Tratamientos térmicos: se da normalizado a 900°C y recocido a 790°C

Los valores expresados en las propiedades mecánicas y físicas corresponden a los valores promedio que se espera cumple el material. Tales valores son para orientar a aquella persona que debe diseñar o construir algún componente o estructura pero en ningún momento se deben considerar como valores estrictamente exactos para su uso en el diseño.

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MICROESTRUCTURA ACERO SAE 1045 FASE PERLITA

MICROESTRUCTURA ACERO SAE 1045 FASE FERRITA + PERLITA

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MICRO ESTRUCTURA DEL ACERO 1045 AISI SAE RECOCIDO: En estas imágenes podemos observar que hay presencia de perlita y ferrita, en algunas imágenes se nota una descarburación. Propiedades mecánicas muy bajas ya que este tratamiento es para ablandar las piezas o alivianar fracturas después de haber realizado un temple.

MICROESTRUCTURA ACERO SAE 1045 NORMALIZADO: En esta grafica hay presencia de perlita y ferrita, como se observa la microestructura esta fina y homogenizada.

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MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

PRACTICA TRATAMIENTOS TERMICOS:

Máquina de desbaste grueso de 80-180 Maquina universal de ensayo de materiales (Durómetro) Marca Wolpert Modelo D-6700

para ensayo de dureza Vickers Horno para tratamientos térmicos Marca CMS Modelo 801011370 5 probetas de Acero al Carbono 1045 Equipo de protección para manipular las piezas con el horno: delantal de cuero, guantes

de seguridad, careta. Una cubeta con aceite, una con agua (para realizar los templados) Hoja de reporte de laboratorio

PRACTICA METALOGRAFÍA

Máquina de desbaste grueso Máquina de desbaste fino Polvo de alúmina para realizar pulido de la muestra Nital al 2% para realizar el atacado o revelado de la microestructura Alcohol Isopropilico para detener la reacción del Nital al 2% Microscopio Metalográfico Marca Olympus Tokyo Modelo Óptico con luz polarizada 5 probetas tratadas en el ensayo anterior y una sin tratamiento. Total: 6 probetas de acero

al carbono 1045 Hoja de reporte laboratorio

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PROCEDIMIENTO APLICADO EN LA PRÁCTICA


1. Conocer e identificar las propiedades más importantes del material al cual se le va a realizar el tratamiento térmico, en este caso las propiedades del acero al carbono 1045 (veáse pág.9).

2. Se realiza un desbaste grueso en toda la pieza, a las 5 muestras3. Configurar el Durómetro de acuerdo con el material seleccionado, la escala adecuada para

llevar a cabo la práctica, en este caso es con ensayo Vickers. 4. Se debe acercar el tornillo al identador girándolo lentamente hasta que haga contacto con

la probeta. Cuando haga contacto, la máquina sugiere acercar mucho más la probeta de forma tal que se imprima la huella. Esperar 15 segundos y se observa el resultado.

5. 7. Realizar el procedimiento tres veces, ya que el cuarto resultado ya es confiable, el resultado obtenido sirve de punto de referencia para las muestras que luego de ser tratadas se compare si la dureza del material aumenta, disminuye o se mantiene uniforme.

6. Se procede a ingresar las probetas en el horno previamente encendido a una temperatura de 580°C, se dejan por un tiempo aproximado de 30 minutos

7. Al culminar el tiempo estimado se sacan las probetas y se procede a realizar los dos tipos de temple, el de agua sólo se sumerge la pieza y se deja templar allí y la de aceite se sumerge (ambas utilizando los equipos de seguridad adecuados) removiendo la pieza para que realice un enfriamiento rápido. A la tercera probeta se le aplica el normalizado que es dejándola que se enfríe a temperatura ambiente, a la cuarta probeta se aplica el proceso de recocido, la última probeta es sometida a un revenido a una temperatura de 250°C, la cual es primero templada en agua y luego de ser medida su dureza se regresa al horno.

8. Se miden las distintas durezas para cada probeta luego de haberse enfriado.9. Una vez terminada la prueba, se deben colocar todos los elementos utilizados en su

respectivo sitio, y se debe dejar el lugar limpio y en orden.

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PRACTICA METALOGRAFÍA

Preparación de la muestra:

Para la elaboración de esta práctica no se realizó corte de la pieza ni embutido aunque sí se mostró en clases un ejemplo de éste.

1. Se realiza primero un desbaste grueso a una de las caras de cada una de las probetas a examinar, identificándolas según el tratamiento térmico aplicado para al final observarlas en el microscopio.

2. Utilizando un poco de agua se realiza sobre la siguiente máquina el desbaste fino y así con estos desbastes obtener en la cara desbastada una superficie con un rallado uniforme.

3. Para el proceso de pulido la probeta se ubica de forma firme y pareja sobre la máquina de desbaste fino, al que se le aplica el polvo de alúmina, realizando un movimiento circular para cubrir homogéneamente todo el material absorbente

4. Ir verificando el procesos hasta que las marcas de la pulida anterior desaparezcan y se empiece a ver una superficie espejo.

5. El atacado del material consiste en agregar un reactivo (ácido), con el fin de revelar la micro-estructura del material, en esta práctica se utilizó el Nital al 2% durante un tiempo determinado, en este caso por el técnico de la sala

6. Para detener el proceso de la reacción del ácido se debe aplicar alcohol a la pieza y dejarla secar

7. Cada probeta es colocada en el Microscopio óptico con luz polarizada que tiene un aumento de 600X a fin de mostrar la microestructura de la pieza y realizar el estudio adecuado de las diferentes características observadas para cada material, con la ayuda de material bibliográfico se observan las diferentes microestructuras a fin de lograr identificarles y estudiarles

8. Se toma nota de los resultados en la hoja de reporte y se discuten con el técnico de la sala.

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CUADROS DE RESULTADOS


N° MUESTRA

TRATAMIENTO TERMICO

TEMPERATURA DE TRATAMIENTO (°C)

MEDIO ENFRIAMIENTO

N° DUREZA PREVIA

(Hv)

N° DUREZA FINAL(Hv)

1 TEMPLE 850 AGUA 257 1052

2 TEMPLE 850 ACEITE 257 511

3 NORMALIZADO 850 AIRE 257 230

4 RECOCIDO 850 HORNO 257 180

5 REVENIDO 250 AIRE 1052 786

Representación grafica de datos de dureza vs tratamientos térmicos:

LEYENDA :

1. PATRON O PROBETA SIN TRATAMIENTO2. PROBETA TEMPLADA EN AGUA3. PROBETA TEMPLADA EN ACEITE4. NORMALIZADO5. RECOCIDO6. REVENIDO

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Diagrama Fe-Fe3

Temperatura de austenización: 850°CMaterial: Acero al carbono 1045

PRACTICA METALOGRAFÍA:Para esta práctica los valores previos de dureza utilizados pertenecen a datos de la práctica de laboratorio a la que no asistí, los mostrados en la tabla anterior pertenecen a la práctica recuperada. El microscopio utiliza una magnificación de 600X.

N° MUESTRA

TRATAMIENTO TERMICO

REALIZADO

N° DUREZA

(Hv)

MICROESTRUCTURA PRESENTE

%FASES PRESENTES

REPRESENTACIÓN GRÁFICA

1 SIN TRATAMIENTO

319 PERLITA FERRITA

6040

2 TEMPLE AGUA 635 MARTENSITA AUSTENITA

RETENIDA

9010

3 TEMPLE ACEITE 385 MARTENSITA BAINITA

9010

4 REVENIDO 350 MARTENSITA REVENIDA

100

5 NORMALIZADO 211 FERRITA PERLITA

5050

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6 RECOCIDO 137 FERRITA PERLITA

7525

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ANALISIS DE RESULTADOS


Claramente puede observarse en el diagrama de fases que la temperatura a la cual se austeniza el material utilizado es de 850°C, donde inicialmente presenta una dureza de 257 Hv que se toma como referencia para los resultados obtenidos para la grafica de barras.

El resultado obtenido en el templado en agua es de 1052 Hv lo que representa una gran diferencia en cuanto al patrón (250 Hv) lo que según lo estudiado en la teoría a mayor dureza menor ductilidad y tenacidad. De igual manera para los casos de templado en aceite y revenido.

Las probetas que fueron sometidas a medios de enfriamiento normalizado y recocido presentan una dureza cercana al patrón lo que puede deducirse que poseen ductilidad y dureza.

PRACTICA METALOGRAFÍA:

Los estudios metalográficos permiten observar la microestructura del material, haciendo posible llevar a cabo análisis de fallo de materiales, los cuales permiten eliminar las causas que los han originado, en el caso que en la industria se presente la oportunidad de hacerlo.

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CONCLUSIONES

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

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BIBLIOGRAFIA

CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES. Askeland D.International Thompson Editores, 1998.

FUNDAMENTOS DE MANUFACTURA MODERNA. Groover M., 1ra Edicion, 1997

CONSULTAS VIRTUALES:

http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201045.pdf

http://blog.utp.edu.co/metalografia/files/2010/10/Tratamientos-t%C3%A9rmicos_1.pdf

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