Influencia Del Tiempo De Revenido En Las Propiedades Mecánicas De

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INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO SAE 1045 CASTAÑEDA VARGAS JHOAN FERNANDO SILVA URUEÑA JAYSON UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO SAE 1045 CASTAÑEDA VARGAS JHOAN FERNANDO SILVA URUEÑA JAYSON TESIS PRESENTADA PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO MSc BOHÓRQUEZ CARLOS ARTURO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015 PÁGINA DE ACEPTACIÓN ____________________________ Firma del Tutor ____________________________ Firma del Jurado 25 de Septiembre de 2015 DEDICATORIA Primero que todo dedico este trabajo a Dios, que me brindó la fuerza y la sabiduría para culminar con éxito esta etapa de mi vida. A mi padre (Fernando Castañeda) por ser el más grande ejemplo a seguir y una de las mejores personas que conozco ya que con su orientación al éxito y su determinación logró brindarme este grandioso día. A mi madre (Olga Vargas) que es la luz de mis ojos, siempre fue mi guía y el apoyo necesario durante todo este tiempo. A mi abuelita (María Casteblanco) le dedico este triunfo por ser la persona que es conmigo por darme tanto cariño y amor Finalmente a mis hermanas (Jessica y Natalia) por estar conmigo siempre, a todos ellos les debo el hombre que soy ahora Jhoan Fernando Castañeda Vargas DEDICATORIA A Dios, por la confianza y la fortaleza que logró generar en mí en los momentos que más lo necesitaba; por otorgarme salud para poder llegar a este momento tan esperado. A mis padres (Josías Silva y Epifania Urueña), por el entendimiento, la dedicación, el esfuerzo y el apoyo incondicional que me han brindado en cada paso que he dado para cumplir las metas y los objetivos propuestos; por la educación y formación basadas en la ética, los valores y los principios fundamentales para poder ejercer mi profesión con orgullo y honradez. A mis hermanos (Leonardo Silva y Adriana Silva), por estar siempre presentes en cada una de las etapas transcurridas, por las enseñanzas basadas en el buen ejemplo y la experiencia que han adquirido. A mi novia (Liceth Galindo), por su comprensión, su valentía, sus consejos, su lealtad, por el amor y el cariño que me ha expresado durante todo este tiempo compartiendo juntos triunfos, derrotas, alegrías y tristezas siendo el soporte y la compañera fiel que no me permite desfallecer y me impulsa a salir siempre adelante. Finalmente a todas y cada una de las personas que han depositado en mí la confianza necesaria para dar por terminado este capítulo de mi vida. Jayson Silva Urueña AGRADECIMIENTOS Los autores, agradecen a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por el apoyo que nos han brindado durante el proceso de formación académica y profesional. A nuestro tutor, MSc Carlos Arturo Bohórquez, por su compromiso con nosotros, compartiendo sus conocimientos y experiencias permitiéndonos llevar a cabo el desarrollo de este trabajo de grado. Muchas gracias a todos. CONTENIDO 1 Introducción ................................................................................................................ 1 2 Objetivos..................................................................................................................... 2 3 4 2.1 Objetivo general .................................................................................................. 2 2.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 2 Planteamiento del problema ....................................................................................... 3 3.1 Definición del problema ....................................................................................... 3 3.2 Justificación ......................................................................................................... 3 Marco teórico .............................................................................................................. 7 4.1 Tratamientos térmicos ......................................................................................... 9 4.2 Factores de importancia en un tratamiento térmico ............................................. 9 4.3 Transformaciones de fase ................................................................................. 11 4.4 Temple .............................................................................................................. 14 4.5 Temple completo e incompleto .......................................................................... 16 4.6 Templabilidad .................................................................................................... 16 4.7 Revenido ........................................................................................................... 17 4.8 Tipos de revenido .............................................................................................. 17 4.9 Revenido rápido ................................................................................................ 18 4.10 Curva de la “s” ................................................................................................... 19 4.11 Tipos de fracturas de elementos metálicos (Fractografía).................................. 22 Fracturas súbitas ........................................................................................ 22 4.12 Acero SAE 1045 ................................................................................................ 25 Características de empleo .......................................................................... 25 Propiedades físicas .................................................................................... 25 Banda de templabilidad .............................................................................. 27 Tratamientos térmicos ................................................................................ 27 Diagrama de revenido ................................................................................ 28 Maquinabilidad ........................................................................................... 28 Conformabilidad ......................................................................................... 29 Soldabilidad ................................................................................................ 29 Aplicaciones ............................................................................................... 29 5 6 Materiales y métodos ................................................................................................ 30 5.1 Materiales .......................................................................................................... 30 5.2 Metodología ....................................................................................................... 31 Desarrollo del proyecto ............................................................................................. 32 6.1 Tratamientos térmicos ....................................................................................... 32 Descripción del proceso ............................................................................. 33 Temple ....................................................................................................... 33 Revenido .................................................................................................... 33 6.2 Prueba de tensión.............................................................................................. 34 6.3 Prueba de impacto tipo charpy .......................................................................... 37 6.4 Pruebas metalográficas ..................................................................................... 40 Micrografía ................................................................................................. 40 Microscopia electrónica por barrido ............................................................ 46 7 6.5 Prueba de micro dureza..................................................................................... 50 6.6 Modos de falla ................................................................................................... 51 6.7 Coeficiente de endurecimiento K y n de la curva plástica .................................. 54 6.8 Conclusiones ..................................................................................................... 55 Bibliografía................................................................................................................ 57 LISTA DE TABLAS Tabla 1 Composición química acero SAE 1045 ............................................................... 25 Tabla 2 Propiedades típicas a temperatura ambiente sin endurecimiento diámetro de la barra: 12 a 38 mm ........................................................................................................... 26 Tabla 3 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm .................................................................................................................................. 26 Tabla 4 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en agua redondo de 25 mm Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm ........................................................................................................................................ 26 Tabla 5 Tratamientos térmicos acero SAE 1045 .............................................................. 27 Tabla 6 Torneado ............................................................................................................ 29 Tabla 7 Datos de impacto: templado al agua y revenido a 870ºC .................................... 29 Tabla 8 Datos obtenidos prueba de impacto tipo charpy .................................................. 39 Tabla 9 Coeficiente de endurecimiento K y n ................................................................... 54 TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Microestructura de un acero SAE 1010 al que se le realizo un tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas de 760°C y 820°C respectivamente. (Movaheda. P, 2009) ............................................................................................................................. 4 Ilustración 2: Esquema de la interacción de los procesos en los tratamientos térmicos. .. 10 Ilustración 3: Diagrama hierro carbono donde se observan las fases presentes Hierro delta , Austenita , Cementita Fe3C, Perlita P, Ferrita α. y las temperaturas del eutectoide A1 720° y la temperatura de inicio de transformación de la Austenita A3 .............................. 12 Ilustración 4: Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento, la línea punteada denota el % de carbono del acero. ................................................................... 13 Ilustración 5: Diagrama esquemático TTT para un acero donde aparecen las diversas estructuras para diferentes velocidades de enfriamiento. ................................................ 14 Ilustración 6 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple ........... 14 Ilustración 7 Impacto de la tenacidad como una función de la temperatura de revenido de endurecido, de baja- aleación, aceros al carbono ............................................................ 17 Ilustración 8 Diagrama revenido rápido curva Dureza – Temperatura - Tenacidad .......... 18 Ilustración 9 Efecto de la Temperatura de Transformación de la austenita sobre el espaciamiento ínter laminar de la perlita. ......................................................................... 19 Ilustración 10 : Curva de la “s” ......................................................................................... 20 Ilustración 11 Tipos de fracturas de metales frágiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011)............................................................................................................ 22 Ilustración 12 Tipos de fracturas mixtas (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011) ............................................................................................................................... 23 Ilustración 13 Tipos de fracturas de materiales dúctiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011) ........................................................................................... 24 Ilustración 14 Banda de templabilidad ............................................................................. 27 Ilustración 15 Diagrama de revenido ................................................................................ 28 Ilustración 16 Probeta para ensayo de tensión (ASTM E8/E8M-11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials) ......................................................................... 30 Ilustración 17 Probeta para ensayo de impacto (ASTM E23-12C Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) ...................................................... 31 Ilustración 18 Maquina universal de ensayos UH 50 – A marca Shimatzu (Universidad Distrital, 2015).................................................................................................................. 35 Ilustración 19 Diagrama Esfuerzo (Mpa) vs Deformación (%) .......................................... 35 Ilustración 20 Esfuerzo máximo a la tensión .................................................................... 36 Ilustración 21 Porcentaje de cambio en el esfuerzo máximo a la tensión ......................... 37 Ilustración 22 Péndulo de impacto 5A -10700 marca Satec (Universidad Distrital, 2015). 38 Ilustración 23 Diagrama de tenacidad .............................................................................. 40 Ilustración 24 Probetas para prueba de micrografía ......................................................... 40 Ilustración 25 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sin tratamiento y la probeta con temple a 770°C......................................................................................... 41 Ilustración 26 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sometida a revenido a 450°C durante 5 y 10 min ............................................................................... 42 Ilustración 27 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 450°C y 550°C durante 15 y 5 min, respectivamente ....................................................... 43 Ilustración 28 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 550°C durante 10 y 15 min .............................................................................................. 45 Ilustración 29 Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV (Universidad de los Andes, 2015) ................................................................................................................... 46 Ilustración 30 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Estado de suministro ........................................................................................................................ 47 Ilustración 31 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Temple a 770°C . 47 Ilustración 32 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 5 minutos de sostenimiento. ............................................................................................... 48 Ilustración 33 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 10 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 48 Ilustración 34 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 15 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 49 Ilustración 35 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 5 minutos de sostenimiento. ............................................................................................... 49 Ilustración 36 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 15 minutos de sostenimiento. .......................................................................................... 50 Ilustración 37 Resultados prueba de dureza .................................................................... 50 Ilustración 38 Variación porcentual en la dureza con respecto al material en estado de suministro. ....................................................................................................................... 51 Ilustración 39 Fotos fractografía (Universidad Distrital, 2015) .......................................... 54 1 Introducción Hoy en día, en el mundo existen grandes avances en cuestiones de tecnología, uno de los campos de investigación y desarrollo que se han venido trabajando con más frecuencia es el del mejoramiento de las propiedades físicas, químicas y sobre todo mecánicas de los diversos tipos de materiales que se encuentran en la naturaleza. En la actualidad, es frecuente encontrar el uso constante de las distintas variedades de acero que se utilizan a nivel industrial además, se ha trabajado en dar mayor capacidad de respuesta ante situaciones críticas de operación y funcionamiento que se presente a diario en las plantas de fabricación de los distintos productos que se comercializan en el mercado, el desarrollo de mejores condiciones de trabajo reducen el costo operativo y aumentan la capacidad de producción. Una manera de lograr esa mejora que se busca en las propiedades mecánicas de los aceros, es realizando distintos tipos de tratamientos térmicos que influyen directamente en los materiales a los cuales se les realiza este proceso industrial. 1 2 Objetivos Objetivo general 2.1 Establecer la influencia de los tiempos de revenido en las propiedades de dureza y resistencia a la tensión de un acero SAE 1045 templado a temperaturas intercríticas. Objetivos específicos 2.2  Determinar las temperaturas a las cuales se va a realizar el temple del material, teniendo como base el rango de temperaturas A1 y A3 del diagrama Hierro Carbono  Fabricar las probetas en acero SAE 1045 siguiendo las normas establecidas por la ASTM E8  Realizar el tratamiento térmico correspondiente al temple del material a utilizar  Realizar el tratamiento térmico correspondiente al revenido del material a utilizar  Realizar pruebas de tensión, impacto dureza y metalográficas al material que ha sido utilizado en cada uno de los procesos  Calcular los coeficientes de endurecimiento K y n de la curva plástica para cada uno de los materiales a los cuales se les realizo las pruebas correspondientes  Analizar los resultados obtenidos experimental y teóricamente.  Elaborar el documento donde se consignen los resultados y el análisis de las pruebas realizadas 2 3 3.1 Planteamiento del problema Definición del problema Actualmente en Colombia se están realizando pruebas para investigar las propiedades mecánicas de los materiales con el fin de obtener mejores resultados de desempeño en los distintos campos de la industria. Hoy en día se llevan a cabo mejores procesos para la obtención y fabricación de los materiales más utilizados en la industria, una forma de lograr la modificación de las propiedades mecánicas de los aceros es implementando distintos tipos de tratamientos térmicos. ¿Qué influencia tiene el tiempo de revenido en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045? Con la implementación del tiempo de tratamiento térmico de revenido, se desea ampliar la información sobre el comportamiento de los aceros DUAL PHASE (SAE 1045) templado a temperaturas intercríticas, con base en los resultados y conclusiones finales obtenidos después del desarrollo total del proyecto. 3.2 Justificación Los materiales empleados en la fabricación de componentes de máquinas deben soportar más cargas de trabajo por lo que sus propiedades se han ido mejorando, así el esfuerzo de fluencia, el esfuerzo último y la elongación son cada vez mayores, sin que ello haya implicado un aumento de los precios de fabricación. Los tratamientos térmicos son una forma fácil y económica de cambiar dichas propiedades con el propósito de satisfacer las solicitudes mecánicas de su aplicación; un producto de estas transformaciones son los DP, Pouranvari indica que estos aceros (Dual Phase Steel) son una parte importante de los aceros de alta resistencia y baja aleación (High Strength Low Alloy Steels HSLA) estos materiales tienen una buena combinación de propiedades mecánicas (Movahed, Kolahgar, Marashi, Pouranvari, & Parvin, 2009) sugiere que las propiedades están relacionadas con la microestructura formada por el tratamiento térmico, una matriz ferrítica que brinda una buena ductilidad, mientras que las partículas de martensita soportan las cargas a las que se somete durante el servicio. Debido a su excelente resistencia y conformabilidad, los aceros DP ofrecen la posibilidad de mejorar el comportamiento como en partes de automóviles sin aumento de peso. En ese mismo sentido la manera de conseguir esta mezcla de propiedades son los tratamientos térmicos intercríticos; llamados así por el rango de temperaturas a los que se efectúan, para aceros de bajo contenido de carbono aleaciones con carbono inferior al 0,2%, se realiza un temple desde el intervalo de temperaturas de A1 y A3, 3 este tratamiento hace que la austenita presente se transforme en martensita, dando lugar a la aparición de una microestructura que remplaza la convencional de ferrita y perlita, como lo muestra la ilustración 1. En ella se puede apreciar que al aumentar la temperatura de tratamiento se aumenta la cantidad de martensita que se forma. (Al-Abbasi & Nemes, 2003) señala que el modelamiento micromecánico de los aceros DP, ha recibido poca atención, a pesar de su atractiva combinación de propiedades. Los interrogantes acerca de las combinaciones óptimas de las fases persisten y precisan de modelos predictivos para minimizar costosos métodos de prueba y error en el desarrollo de productos. En esta referencia se utilizaron modelos micromecánicos para explicar los mecanismos locales que rigen la deformación macroscópica, sin embargo solo tienen en cuenta los valores de las deformaciones plásticas y elásticas como se mencionó anteriormente. Ilustración 1: Microestructura de un acero SAE 1010 al que se le realizo un tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas de 760°C y 820°C respectivamente. (Movaheda. P, 2009) (Yoshida, Brenner, Bacroix, & Bouvier, 2011) anota que en los aceros DP existen dos mecanismos que pueden explicar el comportamiento ante el endurecimiento causado por la deformación: el primero es que la martensita se forma trayendo consigo un esfuerzo interno en el material debido a su cambio volumétrico, y el segundo es un contraste entre el comportamiento mecánico de la ferrita y la martensita por su naturaleza heterogénea, uno se forma por un proceso de difusión y el otro sin difusión. En ambos casos el modelo de elementos finitos consiste en una fase dura rodeado de una fase blanda. (Bhagavathi, Chaudhari, & Nath, 2011), muestra los beneficios de trabajar aceros DP, con diferentes contenidos de martensita, lo cual modifica no solo la resistencia a la tensión, sino también la resistencia a la corrosión, estos estudios son realizados de manera experimental. 4 Según se ha visto los aceros DP son un ejemplo de modificación del material base en el que se mejoran las propiedades mecánicas significativamente, sin embargo encontrar de forma experimental: la composición de la estructura adecuada para cada requerimiento, la temperatura a la cual se debe realizar el tratamiento térmico y el tiempo de permanencia a la temperatura seleccionada, resulta muy dispendioso, costoso y con un alto grado de incertidumbre en los resultados. Ello sugiere la aplicación de un método diferente (Movahed et al., 2009). Es evidente entonces que el modelamiento matemático y la implementación computacional permiten no solo encontrar la mejor combinación de propiedades en tiempos relativamente cortos, sino que adicionalmente resulta muy favorable desde el punto de vista económico, pues elimina las dudas en el resultado final de las propiedades mecánicas. Sobre la base de las consideraciones anteriores y teniendo en cuenta las ventajas que ofrece el modelar los tratamientos térmicos, se buscaron referencias de trabajos que pudieran aportar para conseguir las metas trazadas al realizar esta investigación, primero a nivel local y luego a nivel regional y por ultimo a nivel global. En este orden de ideas se puede citar que en el país no hay referencias del modelamiento de este tipo de procesos, las referencias encontradas más cercanas muestran que en Brasil las investigaciones son mucho más recientes y de mayor profundidad (Silva, Pacheco, & Savi, 2004), algunas referencias halladas en Argentina y Chile (Camurri & Rodríguez, 2004), muestran trabajos sin relación entre ellos y no tratan los tratamientos térmicos con profundidad. En Europa, Norteamérica y Asia aparecen los citados en este documento, pero como se menciona anteriormente los modelos en algunas ocasiones son simplificados por la complejidad del problema o simplemente buscando estudiar alguna propiedad en particular. Lo novedoso del modelo planteado se puede mostrar en 4 aspectos importantes:  Se va a tener en cuenta la deformación ocasionada por la difusión de carbono.  La temperatura desde la cual se va a realizar el tratamiento de temple no es de austenización total, sino que por el contrario se hace desde temperaturas que involucran la presencia de austenita y ferrita, lo cual pude ocasionar la aparición de varias fases como: ferrita, austenita retenida, martensita, bainita, perlita. Lo que haría mucho más verídico el modelo planteado. 5  La inclusión en el análisis de procesos estocásticos para establecer las fases presentes después del tratamiento y la realización de un modelo multiescala, para analizar el fenómeno a nivel micro y macro.  Se hará una implementación computacional que permitirá obtener las propiedades finales de las piezas tratadas, antes de su fabricación, propiedades como: Dureza, esfuerzos internos, micro constituyentes. 6 4 Marco teórico Los aceros De fase dual (DP) (Al-Abbasi & Nemes, 2003) son elementos con una microestructura que consiste en una matriz de ferrita, en el cual las partículas de martensita se encuentran dispersos, han recibido una gran atención debido a su combinación útil de alta resistencia, alta velocidad de endurecimiento por deformación y ductilidad, todos los cuales son propiedades favorables para los procesos de formación. Investigación experimental sobre el efecto de la fracción de volumen de la fase más difícil, la morfología y distribución de fases en las propiedades mecánicas de los aceros de fase dual está bien establecida globalmente en la literatura. En el presente trabajo, un modelo micro mecánico se ha desarrollado para capturar el comportamiento mecánico de los materiales, la adopción de la conducta constitutiva de los componentes de la literatura. Enfoques analíticos se han utilizado en el pasado para modelar el comportamiento de los materiales de acero DP, pero los tratamientos teóricos se basan en la hipótesis de deformación uniforme a lo largo de los constituyentes, dejando de lado los gradientes de presión locales. Esta hipótesis contradice las observaciones experimentales, reduce la comprensión de la mecánica y el mecanismo de deformación de materiales. Basado en el modelo micro mecánico de las células, las idealizaciones son investigados varios de los cuales el modelo de simetría axial se muestra para mostrar la capacidad intrínseca para capturar el comportamiento de los materiales previstos en términos de la tendencia de las curvas de tensión-deformación con una fracción de volumen cada vez mayor de la segunda fase y en términos de la deformación de los componentes. Los aceros doble fase que están siendo muy utilizados en la industria del automóvil (Cárdenas, Rodríguez, Belzunce, & Betegón, 2009), son aceros poco aleados que requieren un tratamiento intercrítico en el dominio austenita + ferrita seguido de un tratamiento lo suficientemente rápido como para que esa austenita se transforme en martensita. Estos tratamientos también se ven directamente afectados con respecto al contenido de carbono en su composición química ya que se evidencio con un ensayo miniatura de punzonado que entre más alto sea el contenido de Carbono mayor será su rigidez. En el artículo titulado ‘’Comportamiento a la fatiga de la dual phase hojas de acero al carbono de baja aleación’’ (Akay, Yazici, Bayram, & Avinc, 2009) se hacen una serie de tratamientos térmicos a algunos aceros con bajo contenido de carbono a los cuales se les realiza pruebas de fatiga, tensión y análisis metalográfico muestran como con los aceros tratados a temperaturas intercríticas se tiene la ventaja de obtener una mayor dureza y una mayor resistencia a la tracción debido a la 7 producción de martensita y ferrita, además un dato muy importante para resaltar es que entre mayor sea la martensita en el material mayor será su fragilidad. También cabe destacar que la iniciación de fisuras por fatiga se produce en la interface de ferrita-martensita especialmente en la parte de ferrita. En el trabajo sobre “Comportamiento mecánico y la corrosión de los aceros bajos en carbono normal de doble fase’’ (Bhagavathi et al., 2011) se destacó, que las propiedades mecánicas de los aceros de fase dual pueden ser alteradas modificando su fracción de volumen de martensita. Esto se evidencio cuando se observó que la resistencia a la tracción, la dureza y la ductilidad disminuyeron con el aumento de la fracción de volumen de martensita, dado sus pruebas correspondientes. También se pudo contemplar la mayor resistencia a la corrosión de los aceros de fase dual se explica en función de las características micro estructurales en el que se ve claramente el volumen en el que se ha producido la martensita. El efecto de la temperatura de tratamiento térmico intercrítico en las propiedades de tracción y comportamiento en el trabajo de endurecimiento de la ferrita-martensita hojas de acero de doble fase fue un trabajo en donde se determinó unos resultados experimentales que mostraron a los aceros de doble fase con la misma cantidad de ferrita y martensita tienen excelentes propiedades mecánicas en términos de resistencia a la tracción, ductilidad y la energía de fractura (Movahed et al., 2009). Los aceros de doble fase representan una excelente alternativa en la producción de piezas automotrices que combinan alta resistencia mecánica, resistencia al impacto y elongación elevada, que además se fabrican con aceros de baja aleación, lo que representa reducción de costos y estructuras resultantes que combinan martensita y ferrita con granos de tamaño ultra fino. Lo anterior se logra a través de un estricto control de las condiciones de laminación: velocidad de deformación, velocidad de enfriamiento y aplicación de temple directo. El trabajo presenta los resultados al ensayar mecánicamente dos tipos de acero de doble fase y caracterizarlos micro estructuralmente. Aumentando los elementos de aleación especialmente de carbono, sube la resistencia mecánica del acero pero se pierden las propiedades plásticas del material. En los últimos años se han elaborado varios tipos de aceros que conjuntan éstas propiedades de plasticidad y alta resistencia. Éstos son los aceros HSLA, TRIP y aceros de doble-fase. Varias compañías automotrices, entre ellas Toyota, ya fabrican chasises en sus automóviles con 30% de más resistencia y disminución de peso. 8 4.1 Tratamientos térmicos Los Tratamientos Térmicos se refieren a una amplia gama de operaciones llevadas a cabo a elevadas temperaturas, con las cuales se transforman las propiedades de los metales y de las aleaciones para poder trabajarlos eficientemente o para conferirles determinadas características mecánicas o tecnológicas. Desde el momento en el que un material entra en la fabricación de la mayoría de los objetos metálicos sufre por lo menos un tratamiento térmico en alguna fase de su producción, puede considerarse que este tratamiento es parte importante de la moderna tecnología industrial. De lo antes expuesto podemos deducir que los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas, a que se someten los aceros (y otros metales y aleaciones), para darles características más adecuadas para su empleo; estos no modifican la composición química pero si otros factores como su constitución, estructura y estado mecánico. 4.2 Factores de importancia en un tratamiento térmico Es uno de los pasos principales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos. A través de los tratamientos se modifica la constitución del acero, variando el estado en el que se encuentra el carbono, y el estado alotrópico del hierro, se modifica la estructura, variando el tamaño de grano y el reparto de los constituyentes, el estado mecánico queda afectado por las tensiones a las cuales son sometidos los materiales luego de algunos TT, principalmente después de un temple, el producto sólido se expone parcial o totalmente a ciclos térmicos según lo amerite la ocasión, deben ser tomadas en cuenta tanto la temperatura de enfriamiento como la de calentamiento y de igual forma los medios en lo que se efectúen los tratamientos como tales. Otros factores que deben ser considerados son: la composición del material, la velocidad de calentamiento, duración del tratamiento. Casi todos los tratamientos se llevan a cabo en hornos especiales, que pueden ser de tipo continuo, con zonas a temperaturas diferentes por las que va pasando la pieza, o bien de tipo discontinuo. El enfriamiento puede tener lugar dentro o fuera del horno. 9 Los tratamientos térmicos y termoquímicos son una alternativa para cambiar las propiedades del material base transformando su microestructura. Este cambio se obtiene al modificar el tamaño, distribución, forma, composición y estructura cristalina de las fases, lo que resulta en la variación de propiedades mecánicas como: dureza, resistencia a la fluencia, ductilidad, resistencia al impacto, entre otras (C. Liu, Ju, & Inoue, 2002). El modelamiento de los tratamientos térmicos se puede analizar desde diferentes aspectos que interactúan entre sí como lo muestra la ilustración 2. Las relaciones existentes entre cada uno de ellos se explican a continuación: Ilustración 2: Esquema de la interacción de los procesos en los tratamientos térmicos. El cambio de temperatura durante el enfriamiento induce un esfuerzo causado por el cambio volumétrico de la transformación de fase ①; la influencia de la temperatura en la transformación de fase resulta en el cambio de la microestructura del material ②; la deformación local producto de este cambio está acompañada de un aumento de los esfuerzos internos ③. La existencia de estos esfuerzos y deformaciones tiene una influencia directa en la cinética de la transformación de 10 fases④. El calor latente generado debido a que la transformación de fase afecta la distribución de temperatura ⑤. Parte del trabajo realizado por la aparición del esfuerzo se convierte en calor que afecta la temperatura ⑥. Los efectos de la difusión de carbono en la transformación de fases ⑦, se reflejan en dos mecanismos: El primero referido al incremento del porcentaje de C permite realizar la transformación en un rango de temperaturas más bajas; y el segundo tiene que ver con los carburos que se han formado en la superficie del material tratado cuando se presentan elementos aleantes en el acero que exceden los límites de saturación de C en la matriz. La cinética de la difusión y la velocidad de la reacción de la superficie del carbono dependen de la morfología de la microestructura ⑧ y de los niveles de temperatura ⑨. El contenido de C afecta la conductividad térmica del material ⑩. La absorción de átomos de C desde la atmósfera del tratamiento conduce al cambio de parámetros reticulares (lattaice), que deben tenerse en cuenta cuando se establecen las ecuaciones constitutivas de las relaciones esfuerzo- deformación ⑪. El efecto que puede tener el estado de esfuerzos en la cinética de la difusión de carbono ⑫ (C. Liu et al., 2002). Existen varios tipos de tratamientos térmicos en los cuales se combinan varias de las interacciones que se mencionaron, en el caso de esta investigación se va tener en cuenta solamente las transformaciones de fase ② y ⑤ especificadas anteriormente. 4.3 Transformaciones de fase Son los cambios en la naturaleza de la fase o en el número de fases, como el resultado de la variación de condiciones de enfriamiento, todas estas modificaciones tienen su origen en la estructura inicial de acero, de su composición y de la temperatura desde la cual se realiza el tratamiento, como se puede observar en el diagrama hierro carbono Fe-C (Ilustración 3). Cada una de estas fases poseen propiedades mecánicas definidas y el resultado final de las mezclas se pueden calcular de acuerdo con la expresión (Menezes Nunes et al., 1991). 𝑋 = ∑ 𝑋𝐼 𝜉𝐼 Donde X es la propiedad en particular del material y  es la fracción volumétrica de la fase I (C. C. Liu, Xu, & Liu, 2003). 11  A3 A1 Ilustración 3: Diagrama hierro carbono donde se observan las fases presentes Hierro delta , Austenita , Cementita Fe3C, Perlita P, Ferrita α. y las temperaturas del eutectoide A1 720° y la temperatura de inicio de transformación de la Austenita A3 Para las temperaturas comprendidas entre A1 y A3 zona conocida como: de austenización parcial, de temperaturas Intercríticas o de doble fase; derivando su nombre por la presencia de ferrita y austenita (Ilustración 4) (Movahed et al., 2009). Las temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones 𝐴1 (°𝐶) = 727 + 13.4𝐶𝑟 − 1.03𝐶 𝐶𝑟 − 16.72𝑀𝑛 + 0.91 𝐶 𝑀𝑛 + 6.18 𝐶𝑟 𝑀𝑛 − 0.64𝑀𝑛2 + 3.14 𝑀𝑜 + 1.86𝐶𝑟 𝑀𝑜 − 0.73 𝑀𝑛 𝑀𝑜 − 13.66 𝑁𝑖 + 0.53 𝐶 𝑁𝑖 + 1.11 𝐶𝑟 𝑁𝑖 − 2.28 𝑀𝑛 𝑁𝑖 − 0.24 𝑁𝑖 2 6.34 𝑆𝑖 − 8.88 𝐶𝑟 𝑆𝑖 − 2.34 𝑀𝑛 𝑆𝑖 + 11.98 𝑆𝑖 2 Cuando se realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar por encima de A3 que se calcula de acuerdo con Gur. J 12 𝐴3 (°𝐶) = 912 − 203√𝐶 + 15.2𝑁𝑖 + 44.7𝑆𝑖 + 104𝑉 + 31.5𝑀𝑜 + 13.1𝑊 − 30𝑀𝑛 − 11𝐶𝑟 − 20𝐶𝑢 + 700𝑃 + 400𝐴𝑙 + 120𝐴𝑠 + 400𝑇𝑖 En las anteriores expresiones se puede observar la influencia de los elementos aleantes que disminuyen o aumentan estas temperaturas dependiendo del aumento o disminución del campo de estabilidad de la austenita, por esta razón el signo que los precede (Menezes Nunes et al., 1991) Ilustración 4: Representación de las zonas y temperaturas de tratamiento, la línea punteada denota el % de carbono del acero. Realizando un enfriamiento rápido desde este rango de temperaturas comprendidas entre A1 y A3 se obtienen aceros de doble fase DP (Dual Phase), que brindan una buena combinación de propiedades (Bhagavathi et al., 2011) como consecuencia de la aparición de martensita en una matriz ferrítica. Una variable importante para la consecución de este objetivo es la velocidad de enfriamiento, dependiendo de ella se obtendrán diversas combinaciones de estructuras como lo muestran los diagramas TTT (ilustración 5) (Kang & Im, 2007). 13 Ilustración 5: Diagrama esquemático TTT para un acero donde aparecen las diversas estructuras para diferentes velocidades de enfriamiento. 4.4 Temple Ilustración 6 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple Consiste en un calentamiento del material hasta una temperatura crítica seguido de un enfriamiento muy rápido, para impedir la transformación normal del constituyente 14 obtenido en el calentamiento. El objetivo central del temple es fundamentalmente, aumentar la dureza y resistencia mecánica. El constituyente obtenido es la martensita, la cual representa la sobresaturación distorsionada de los cristales de hierro alfa. El temple utiliza como medios de enfriamiento el agua, aceites, baños de plomo, mercurio y sales fundidas. Las temperaturas del temple son algo más elevada que la crítica superior Ac (entre 900950ºC). La obtención de la martensita se da con el enfriamiento rápido del acero desde la zona de la fase austenítica la cual se consigue con una consistencia dura y frágil. La profundidad del temple de un componente enfriado con rapidez depende de su templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero y de la misma forma está en función de la composición del acero y del tamaño de grano. Un acero de determinada templabilidad adquiere un grado de temple tanto mayor cuanto más elevada sea la velocidad de enfriamiento, que, a su vez, depende del medio de enfriamiento, del grado de agitación y del espesor de la pieza. El enfriamiento de la pieza se lleva acabo sumergiéndola caliente en un baño de inmersión que puede contener, en orden ascendente de eficacia, como los mencionados con anterioridad. Los aumentos en el contenido de carbono o de los elementos de aleación en el acero (Mn, Cr, Ni, Mo, V, W) proporcionan mayor templabilidad; algunos materiales (por ejemplo algunos aceros para herramientas) son tan altamente aleados que templan por completo al ser enfriados al aire. Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900°C y enfriándolos rápidamente en aceite o agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento. La temperatura se determina con un instrumento conocido como pirómetro. Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la templabilidad. El término temple también se utiliza para describir un proceso de trabajo en frío que aumenta la dureza del metal, sobre todo en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos. 15 Es importante señalar que debido a que el producto del temple es mayormente frágil, normalmente se le somete a otro proceso térmico (Revenido), el cual será desarrollado posteriormente. 4.5 Temple completo e incompleto El tiempo total que dura el tratamiento térmico se compone del tiempo de calentamiento hasta la temperatura dada (Tc) y el tiempo de permanencia a esta temperatura (Tp). Ttotal = Tc+Tp La magnitud de Tc depende de la aptitud del medio para calentar, de las dimensiones de las piezas y de la colocación en el horno. Tp depende de la velocidad de los cambios de fase, la cual está determinada por el grado de calentamiento por encima del punto crítico y por la difusión de la estructura inicial. En la práctica Tp puede tomarse como 1min x mm 2 para los aceros al carbono y 2 min x mm2 para los aceros aleados. El tiempo de calentamiento depende de muchos factores y puede oscilar entre 1 – 2 min para piezas pequeñas en baños de sales y muchas horas en piezas grandes en hornos de cámara. El tiempo de calentamiento exacto solo puede establecerse por la vía experimental para una pieza dada en las condiciones concretas, pero se puede calcular de forma aproximada para lo cual existen varios métodos. Se puede tomar 1 min x mm 2 en hornos de mufla y piezas de acero al carbono. Para aceros aleados debe incrementarse un 20 – 25%. 4.6 Templabilidad Se entiende por templabilidad la profundidad a la que penetra en la pieza la zona templada. La templabilidad incompleta se explica porque durante el temple, la pieza se enfriará más rápido en la superficie que en el centro. Es evidente que en la medida que disminuye la velocidad crítica de temple aumenta la profundidad de la capa templada, y si la Vc es menor que la velocidad de enfriamiento en el centro de la pieza, esta sección se templará completamente. Por consiguiente, cuanto menor sea Vc, tanto mayor será la templabilidad. Para valorar prácticamente la templabilidad se utilizará una magnitud llamada diámetro crítico (Dc). El diámetro crítico es el diámetro máximo para una barra cilíndrica que se templa en toda su sección en un medio de enfriamiento dado. Por consiguiente, para un acero dado a cada medio de enfriamiento le corresponde un diámetro crítico. Si es necesario que una pieza se temple en todo su espesor hay que elegir un acero tal que: Dc > Dpieza. 16 Una pieza templada se halla siempre en un estado de tensión estructural. El revenido es un medio necesario y radical para disminuir las tensiones residuales. El calentamiento del acero en el revenido aumenta la plasticidad, esto permite que, en los diversos volúmenes, las deformaciones elásticas se conviertan en plásticas, con lo cual disminuye la tensión. 4.7 Revenido Ilustración 7 Impacto de la tenacidad como una función de la temperatura de revenido de endurecido, de bajaaleación, aceros al carbono Es un tratamiento complementario al del temple, que generalmente sigue a éste. Al conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado". El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. El objeto del tratamiento de revenido es aumentar la tenacidad de las piezas, reducir las tensiones resultantes del temple y reducir la dureza. 4.8 Tipos de revenido  Revenido Bajo: Se realiza en el intervalo de temperatura de 150ºC a 250ºC. Se utiliza para todos los aceros de herramientas de alto contenido de carbono. Prácticamente no disminuye la dureza, pero disminuye las tensiones internas y parte de la austenita residual.  Revenido Medio: Se realiza a 350 – 450ºC. Es muy utilizado en muelles y resortes. Disminuye bastante la dureza y se eleva la tenacidad. Se obtiene una estructura de troostita de revenido. También se puede utilizar en herramientas que deban tener buena resistencia con suficiente elasticidad.  Revenido Alto: Se realiza a 500ºC – 650ºC. En este proceso, la martensita se transforma en sorbita de revenido. Esta estructura garantiza una mejor 17 combinación de resistencia y plasticidad del acero. En la sorbita de revenido la cementita adquiere forma granular, a diferencia de la obtenida en un normalizado. Como consecuencia de esto se eleva notablemente la resistencia con la misma dureza o aún más elevada con relación al acero normalizado. Este tipo de revenido se emplea para piezas de acero que estén sometidas a elevada fatiga o cargas de impacto. El temple del acero con un revenido alto se denomina termo mejoramiento o bonificado. 4.9 Revenido rápido Ilustración 8 Diagrama revenido rápido curva Dureza – Temperatura - Tenacidad Un revenido duro a un rango de temperaturas de 500 a 530°C y una resistencia a la tracción promedio de 105 a 110 Kgf/mm2 y una resilencia de 6 a 8 kgm/cm2. Es la culminación de todo proceso de templado y el más importante de todos, ya que con él se logran las características adecuadas a cada uno de las condiciones de trabajo. Consiste en poner a temperatura las piezas que han sido previamente templadas, con esto se logra, además de eliminar las tensiones acumuladas en el proceso del temple, la adecuación de las características mecánicas en función al trabajo que después va a ejecutar la pieza. Los aceros que pueden ser tratados se pueden dividir en dos clases:  Aceros al carbono: Con contenidos de carbono mayor que 0.30% y temple severo.  Aceros de baja aleacion: Tambien con contenidos de carbono superiores a 0.30 % y temple al aceite.  Aceros especiales: Existen diversos tipos de aceros con aleaciones tales que realzan cada una de las propiedades requeridas. 18 Mejora sustancialmente las propiedades de las piezas, permitiendo reducir las dimensiones y pesos y por lo tanto los costos. Cuanto mayor sea el tamaño de las piezas mayor debe ser la templabilidad del acero empleado; de lo contrario se obtienen temples imperfectos, dado que la velocidad de enfriamiento es menor en las capas interiores, y por lo tanto las durezas obtenidas son proporcionales a las velocidades. 4.10 Curva de la “s” Las curvas de las “S” conocidas también como diagrama tiempo - temperatura transformación TTT o simplemente curva en C, es un estudio exhaustivo sobre las diferentes reacciones que se presentan en determinado estudio, dicho estudio permite predecir estructura, propiedades mecánicas y así mismo el respectivo tratamiento térmico que requiere el acero analizado. Una de las reacciones que requiere un análisis completo con respecto a su desarrollo lo representa la reacción eutectoide en estado sólido, debido a la lentitud de la misma, provocando en el acero un enfriamiento por debajo de la temperatura eutectoide de equilibrio antes de que se inicie la transformación, provocando esto importantes consecuencias ya que una temperatura de transformación inferior dará una estructura más fina y resistente, lo cual afectará el tiempo requerido para dicha transformación, y alterará la organización de las dos fases. Ilustración 9 Efecto de la Temperatura de Transformación de la austenita sobre el espaciamiento ínter laminar de la perlita. El diagrama TTT o curva de las “S” de acuerdo a lo observado en el planteamiento anterior es consecuencia de la reacción eutectoide. A cualquier temperatura en particular, una curva sigmoidea representa la velocidad a la cual la austenita se transforma en una mezcla de ferrita y de cementita (Ilustración 9). 19 Para la nucleación se requiere un tiempo de incubación. La línea Ps representa el momento en el cual se inicia la transformación. La curva sigmoidea también da el tiempo en el cual se completa la transformación, este momento está dado por línea Pf. Cuando la temperatura disminuye de 727°C, se incrementa la velocidad de nucleación y al mismo tiempo se reduce la rapidez de crecimiento del eutectoide. En el caso de un acero eutectoide la rapidez máxima de transformación ocurre cerca de 550°C Ilustración 10 : Curva de la “s” Los resultados obtenidos en la transformación producen dos tipos de micro constituyentes, siendo los mismos Perlita (P) cuya formación se registra por encima de 550°C, y la Bainita (B) que se forma a temperaturas inferiores respectivamente. Uno de los aspectos de más prestancias en la determinación de las curvas de las “S” lo representa la nucleación dada en el proceso por lo que a continuación se ve el comportamiento de esta: Nucleación y Crecimiento de la Perlita: Al realizar el templado por debajo de la temperatura eutectoide, se produce un suben frio ligero en la austenita, y por otro lado se requieren tiempos prolongados antes de que se produzcan núcleos estables tanto para la ferrita como para la cementita. Al comenzar el crecimiento de la ferrita, los átomos son difundidos con rapidez, produciéndose de esta forma una perlita gruesa; dicha transformación es completada en el tiempo de (Pf). En el caso de que la austenita se temple a una 20 temperatura inferior a la estipulada la misma se sub enfría mucho más, provocando la rápida ocurrencia de la nucleación y por lo tanto Ps sería más corto. Sin embargo, la difusión es considerablemente más lenta, ya que la los átomos se difunden sólo a distancias cortas dando como resultado una estructura de perlita fina. Es bueno reconocer que a pesar de que las velocidades de crecimiento son más lentas el tiempo total que se requiere sufre una reducción para el logro de la transformación como tal, todo esto debido a la corta duración del tiempo de incubación. Como observamos la perlita más fina tiene formación en tiempos más cortos conforme se reduce la temperatura de transformación isotérmica hasta aproximadamente 550°C, la cual es la nariz o rodilla de la curva TTT. Nucleación y Crecimiento de la Bainita: Cuando se registra una temperatura justo por debajo de la nariz del diagrama TTT o Curva de las “S”, la difusión se produce de manera más lenta , y así mismo los tiempos totales de transformación sufren un incremento general. A parte de esto se observa una estructura distinta. En el caso específico de transformación a bajas temperaturas, las laminillas de Perlita requerirían ser extremadamente delgadas y, en consecuencia, el área entre ferrita y laminillas de Fe3C sería muy grande. La cantidad de energía asociada con la interface Ferrita - Cementita incide en el aumento de la energía total del acero ya que esta será muy grande; donde es preciso acotar que la energía interna del acero puede ser reducida a través de la precipitación de la cementita en forma de películas distintas y redondeadas en una matriz de ferrita. El micro constituyente formado en este proceso se le denomina Bainita (Bs), siendo tras la formación de la misma donde empieza la transformación y la misma termina con la finalización de la bainita (Bf) 21 4.11 Tipos de fracturas de elementos metálicos (Fractografía) Fracturas súbitas Ilustración 11 Tipos de fracturas de metales frágiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011) 22 Ilustración 12 Tipos de fracturas mixtas (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011) 23 Ilustración 13 Tipos de fracturas de materiales dúctiles (Universidad Nacional de Colombia, Grupo AFIS 2011) 24 4.12 Acero SAE 1045 Características de empleo SAE 1045 es un acero grado ingeniería de aplicación universal que proporciona un nivel medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los aceros de baja aleación. Frecuentemente se utiliza para elementos endurecidos a la llama o por inducción. Este acero puede ser usado en condiciones de suministro: laminado en caliente o con tratamiento térmico (templado en aceite y revenido; o templado en agua y revenido). Se caracteriza por ser un acero de baja templabilidad que puede ser endurecido totalmente en espesores delgados por temple en agua. En secciones más gruesas se pueden obtener un endurecimiento parcial de la sección de la pieza y el incremento de la resistencia será proporcional a la capa o espesor endurecido, al ser deformado en frio se presenta un incremento en la dureza y la resistencia mecánica. COMPOSICION QUIMICA Análisis típico en % C Mn P Max S Max Si Max % % % % % 0.05 0.2 0,43 0,6 0,5 0,9 0,04 0,4 Tabla 1 Composición química acero SAE 1045 Propiedades físicas Estos valores son obtenidos a partir de probetas bajo condiciones específicas de laboratorio y deben ser usados como referencia.  Densidad → 7.85 gr/cm3.  Módulo de elasticidad → 2 x 1011 Pa (24 x 106 PSI).  Conductividad térmica → 52 W/(mºC).  Calor específico J/(Kg°K) → 460  Coeficiente de Poisson → 0,3  Resistividad eléctrica (microhm-cm): A 32°F = 16.2 A 212°F = 22.3  Coeficiente de dilatación térmica/ºC 25 (20 - 100°C) 12.3 x 10-6 (20 - 200°C) 12.7 x 10-6 (20 - 400°C) 13.7 x 10-6 Propiedad Laminado en Normalizado Recocido Resistencia a la caliente 655 655 620 Punto de 413 413 379 fluencia MPa % de elongación 23 23 26 % de reducción de 44 45 53 área Dureza brinell 190 190 180 tracción MPa (3000 kg.) Tabla 2 Propiedades típicas a temperatura ambiente sin endurecimiento diámetro de la barra: 12 a 38 mm Temperatura Resistencia Punto de Elongación Reducción Dureza de revenido °C a la tracción Fluencia (en 50 mm) de área % Brinell MPa Mpa % 320 965 655 11 34 278 430 875 621 15 39 257 540 793 558 18 45 228 650 703 482 23 51 203 705 641 462 25 55 195 (3000 Kg.) Tabla 3 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm Temperatura Resistencia Punto de Elongaci Reducció Dureza Impacto de revenido a la tracción Fluencia ón (en n de área Brinell Izod ft - °C N/mm^2 N/mm^2 50 mm) % (3000 lb % Kg.) 320 1034 786 8 33 313 15 430 965 731 13 43 281 24 540 827 621 19 52 242 38 650 717 503 24 60 210 61 705 669 455 27 62 198 70 Tabla 4 Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en agua redondo de 25 mm Propiedades típicas a temperatura ambiente con temple en aceite redondo de 25 mm 26 Banda de templabilidad Ilustración 14 Banda de templabilidad Tratamientos térmicos TRATAMIENTO TEMPERATURA MEDIO DE TÉRMICO °C ENFRIAMIENTO Forja 850 - 1100 Arena seca Normalizado 856 - 900 Aire Recocido total 815 - 885 Horno Recocido 595 - 662 Horno luego posterior al aire trabajo en frío Temple (*) 815 - 870 Agua - aceite Revenido 450 - 600 Aire Tabla 5 Tratamientos térmicos acero SAE 1045 27 Diagrama de revenido Ilustración 15 Diagrama de revenido El tiempo de sostenimiento a esta temperatura es de 1 hora + 1 hora por pulgada de espesor o diámetro de la pieza. Posteriormente se enfría en el horno o al aire Maquinabilidad Puede ser mecanizado fácilmente en estado recocido, normalizado o templado, tomando como referencia al 12L14 (100% de maquinabilidad). El acero 1045 presenta la siguiente maquinabilidad:   En estado calibrado = 55% En estado recocido = 68 - 70% Este acero presenta un buen acabado superficial y su mecanizado se caracteriza por presentar una larga vida útil de la herramienta de corte. Torneado: PROFUNDIDAD DE CORTE mm ACERO RÁPIDO Velocidad Avance m/min mm/rev HERRAMIENTA DE CARBURO Soldado Insertado Avance velocidad velocidad m/min m/min mm/rev Dureza, 125 a 175 HB 1 4 8 16 1 43 35 27 11 0.18 140 0.40 110 0.50 85 0.75 67 Dureza, 175 a 225 HB 40 0.18 130 28 180 140 110 85 0.18 0.50 0.75 1.00 160 0.18 4 8 16 30 26 20 0.40 0.50 0.75 100 78 60 125 100 78 0.50 0.75 1.00 Tabla 6 Torneado Conformabilidad SAE 1045 puede ser conformado fácilmente en caliente a temperaturas entre 980 y 1230°C. Este material no debe ser deformado en frío extensivamente sin realizar recocidos intermedios. Un recocido sub-crítico será suficiente excepto cuando un trabajo severo en frío ha de ser seguido por más trabajo en frío en cuyo caso se requiere de un recocido total. Soldabilidad El acero SAE 1045 está cerca al límite superior de aceros con porcentaje de carbono que pueden ser soldados satisfactoriamente por todos los métodos comunes. Sin embargo, precalentamiento y post-calentamiento pueden ser necesarios en función del espesor. Usualmente hay menos necesidad de precalentamiento y postcalentamiento con procesos de soldadura con gas que con métodos de soldadura por arco debido a que el proceso de soldadura por gas genera una zona afectada por el calor mayor que el proceso de arco eléctrico y por tal razón el enfriamiento es más lento. Se recomienda el uso de electrodos de bajo hidrógeno. Dureza Probeta Charpy (entalla en V), Joules, realizado a diferentes temperaturas Brinell - 73°C - 45°C - 18°C 10°C 40°C 65°C 95°C 225 7 a 15 11 a 20 27 a 40 51 a 65 55 a 70 63 a 74 70 a 81 300 ---- 8 a 12 10 a 16 13 a 24 19 a 36 27 a 40 36 a 47 Tabla 7 Datos de impacto: templado al agua y revenido a 870ºC Aplicaciones Este acero de medio carbono se usa cuando la resistencia y dureza obtenidas por el tratamiento térmico o por deformación en frio, son suficientes para satisfacer las condiciones de servicio requeridas. Es ampliamente utilizado en la industria automotriz (productos forjados y estampados). Se usa en partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad como: manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranajes de baja velocidad, acoplamientos, árboles, bielas, cigüeñales, ejes de maquinaria de resistencia media, piezas de armas, cañones de fusiles, espárragos, barras de conexión, tornillería grado 5, pernos de anclaje, fabricación de herramientas agrícolas, 29 mecánicas y de mano forjadas de todo tipo como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos, palas, barretones, llaves, etc. 5 5.1 Materiales y métodos Materiales  Se utilizó una barra redonda calibrada de 19.05mm de diámetro y 4000mm de longitud de acero SAE 1045 laminado en caliente para la fabricación de las probetas requeridas en el ensayo de tensión que se realizó en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital; cumpliendo con las recomendaciones previas en cuanto a las dimensiones que se deben tener en cuenta y se muestran a continuación: Ilustración 16 Probeta para ensayo de tensión (ASTM E8/E8M-11 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)  Se utilizó una placa de acero SAE 1045 laminado en caliente y premaquinada de aproximadamente 400mm de largo por 400mm de ancho y 12 mm de espesor para la fabricación de las probetas requeridas en el ensayo de impacto el cual se realizó en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital. 30 Ilustración 17 Probeta para ensayo de impacto (ASTM E23-12C Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials) Con el fin de obtener los mejores puntos de análisis y comparación de las distintas pruebas que se van a realizar se establece que la mejor distribución para la toma de datos debe ser la siguiente: 5.2  6 probetas en estado de suministro (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas templadas a 770 °C (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 450 °C y 5 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 450 °C y 10 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 450 °C y 15 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 550 °C y 5 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 550 °C y 10 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto)  6 probetas con revenido a 550 °C y 15 minutos de sostenimiento (3 para tensión y 3 para impacto) Metodología Al comienzo del proyecto se va a determinar las temperaturas a las cuales se van a realizar los tratamientos térmicos, estas deben estar entre A1 y A3 del diagrama hierro-carbono, se debe establecer el análisis de composición metalográfica, por lo tanto se va a aplicar teóricamente la regla de la palanca. 31 Para desarrollar este proyecto se va a tener en cuenta factores importantes ya antes mencionados sobre los aceros doble fase con el fin de obtener experimentalmente resultados que permitan identificar los cambios que se presentan después de realizar el revenido como tratamiento térmico sugerido, teniendo en cuenta las transformaciones de fase que pueden ocurrir. Las pruebas de tensión, impacto, dureza y metalográficas van a servir como soporte para establecer algunas diferencias entre los tratamientos térmicos aplicados a distintas temperaturas. Dados los resultados de las pruebas preestablecidas, se realizarán las comparaciones necesarias entre los datos teóricos y experimentales obtenidos, desarrollando gráficamente y demostrando de una forma clara los cambios existentes entre todos los procedimientos experimentales. 6 6.1 Desarrollo del proyecto Tratamientos térmicos Para determinar el tratamiento térmico de temple a temperaturas intercríticas se debe partir de las ecuaciones propuestas por (Movahed et al., 2009) y la ficha técnica del material: A1= 723-7.08*Mn +37.7*Si +18.1*Cr +44.2Mo +8.95*Ni +50.1*V +27.1*Al +3.18*W +297*S -830*N -11.5*C*Si -14.0*Mn*Si-3.1*Si*Cr -57.9*C*Mo -15.5*Mn*Mo -5.28*C*Ni -6*Ni*Mn +677*Si*Ni*0.8*NI*Cr -24.7*C*V + 30.28*Mo*V -0.84*Cr2 -3.6*Mo2 -0.46*Ni2 – 28*V2. *A1= 716.87ºC A3= 912 -370*C -27.4*Mn +27.3*Si -6.35*Cr -32.7*Ni +95.2*V +190*Ti +72*Al 64.5*Nb +5.57*W +332*S +276*P +485*N -900*B +16.2*C*Mn +32.3*C*Si +15.4*C*Cr +48*C*Ni +4.32Si*Cr-17.3*Si*Mo -18.6*Si*Ni +4.8*Mn*Ni +40.5*Mo*V+174*C2+ 2.46*Mn2 -6.86*Si2 +0.322*Cr2 +9.9*Mo2 +1.24*Ni2 -60.2*V2 *A3= 792.48ºC Teniendo en cuenta los resultados de los cálculos y estableciendo las temperaturas intercríticas A1 y A3 que aplican para el acero SAE 1045, se decide escoger la temperatura de 770°C la cual se encuentra cercana a la temperatura de austenización A3 pero se mantiene dentro del rango establecido inicialmente para realizar el tratamiento térmico de temple con un tiempo de sostenimiento de 30 minutos. El tratamiento térmico de revenido se realizará a 450°C y 550°C con tiempos de sostenimiento de 5, 10 y 15 minutos para cada una de las temperaturas. 32 Los tratamientos se realizaron en el laboratorio de tratamientos térmicos de la Universidad Distrital el cual dispone de un horno aislado eléctrico Lab Tech LEF103PE con una cámara para medios de temple y revenido con capacidad aproximada de 3 litros. Para este trabajo el medio de temple usado fue agua a temperatura ambiente. Descripción del proceso Temple Para este proceso se proporcionaron 15 probetas de las dimensiones descritas anteriormente, las cuales se dividieron en grupos de 5 que se ubicaron sobre una base disponible en el laboratorio; posteriormente se introduce dentro de la mufla a temperatura ambiente; la programación del calentamiento se realiza a 770°C de acuerdo a la temperatura seleccionada, el horno tarda aproximadamente dos horas en llegar a este punto, posteriormente se da un tiempo prudencial de 10 minutos para lograr que la temperatura se estabilice y poder continuar con el sostenimiento de la misma por 30 minutos teniendo en cuenta el diámetro mayor que en este caso es de 19.05mm. A continuación, se realiza la extracción de las probetas una a una sujetándolas de un extremo y llevándolas a una cuba que contiene agua a temperatura ambiente; mientras se introduce la probeta dentro del agua de forma vertical, se agita de forma circular garantizando la correcta refrigeración evitando que el agua de los alrededores este en contacto con la probeta demasiado tiempo. Revenido Este proceso se realiza a dos temperaturas de revenido 450°C y 550°C y tres escalas de tiempo de sostenimiento 5, 10 y 15 minutos; la selección de estas temperaturas y de estos tiempos de sostenimiento, se hacen con el fin de establecer los modificaciones en las propiedades mecánicas que se pueden dar en el revenido medio y el revenido alto del material analizado. El procedimiento de la prueba consiste en agrupar tres probetas para cada temperatura y cada tiempo de sostenimiento, previamente templadas según la descripción hecha anteriormente, estas piezas se ubican sobre la base disponible en el laboratorio y se introducen en el horno a temperatura ambiente; posteriormente se programa el horno para que comience su fase de calentamiento hasta que alcance la temperatura deseada (una hora hasta 450°C y una hora y veinte minutos hasta 550°C aproximadamente). El tiempo que demora la mufla en estabilizar la temperatura es aproximadamente 10 minutos y desde ese momento se da el tiempo de sostenimiento necesario (5, 10, 15 minutos dependiendo el caso). Finalmente, se sacan del horno todas las probetas y se dejan enfriar al aire. 33 Prueba de tensión 6.2 Para realizar esta prueba se usaron 15 probetas con su respectivo tratamiento térmico como se muestra a continuación:  3 probetas en estado de suministro  3 probetas templadas a 770°C  3 probetas con revenido a 450°C y 5 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 450°C y 15 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 10 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 15 minutos de sostenimiento Estos ensayos se realizaron en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital utilizando la máquina universal de ensayos UH 50 – A marca Shimadzu, esta máquina posee una válvula servo electrohidráulica que controla con precisión la velocidad de flujo de aceite a presión bombeada por una bomba de carga que alimenta el cilindro de carga; una carga aplicada a una muestra se detecta como un cambio de presión de aceite en el cilindro de carga y se traduce en una señal de voltaje de una celda de presión de alta precisión y amplificador de alto rendimiento. Esta señal analógica se convierte en una señal digital, que se calcula en términos de la escala completa, por lo tanto, el sistema de medición de la carga proporciona la digitalización de displeys analógicos de la carga aplicada en la unidad de KN (tf). Por último, cabe destacar que la maquina fue calibrada por la empresa Ingeniería de Control de Calidad División Laboratorio LTDA (ICCLAB LTDA) la cual generó el certificado de calibración número CFA-13-2034 efectuada el día 2 de febrero del año 2013 según la Norma ISO 7500-1 versión 2007, manteniendo la trazabilidad de los patrones de trabajo utilizados en las mediciones los cuales fueron certificados por el Laboratorio De Fuerzas Del Instituto Nacional De Metrología (INM) y Laboratorios Acreditados para prestación de servicios de calibración según la Norma ISO-IEC 17025. 34 Ilustración 18 Maquina universal de ensayos UH 50 – A marca Shimadzu (Universidad Distrital, 2015) DIAGRAMA ESFUERZO vs DEFORMACIÓN 1600,00 1400,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 0 0,402 0,8 1,202 1,602 2 2,4 2,8 3,198 3,598 3,996 4,396 4,796 5,196 5,596 5,994 6,394 6,874 7,27 7,676 8,074 8,474 8,874 9,274 9,68 10,078 10,48 10,88 11,28 11,68 12,082 12,482 12,88 ESFUERZO MPa 1200,00 DEFORMACIÓN % Temple 770°C Revenido 450°C 5' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 15' Sin Tratamiento Revenido 550°C 5' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 15' Ilustración 19 Diagrama Esfuerzo (Mpa) vs Deformación (%) 35 En la gráfica esfuerzo vs deformación se puede observar los cambios significativos del esfuerzo máximo a la tensión en las diferentes temperaturas de revenido, teniendo como base de comparación el material en estado de suministro, la probeta templada genera una curva en la cual al momento de alcanzar el límite de fluencia se genera inmediatamente la fractura, esto supone a que al realizar el tratamiento térmico el espécimen sufre un cambio de fase en el que hay presencia de Martensita y Ferrita evidenciando en la gráfica su fragilidad; la probeta con revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento presenta un comportamiento atípico con relación a las demás especímenes debido a que alcanza un límite de fluencia bastante alto y se fractura sin generar deformación plástica, presentando una conducta similar a la de temple; la curva que mejor comportamiento presenta es la de revenido a 450°C y 15 minutos de sostenimiento debido a que su límite de elasticidad es el más alto, enseña una mayor deformación con respecto a las demás curvas hasta su fractura. ESFUERZO MÁXIMO A LA TENSIÓN MPa 1439,44 1414,72 1600,00 1219,56 1298,49 1400,00 1145,83 993,60 1200,00 1073,83 908,60 1000,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0,00 1 Temple 770°C Revenido 450°C 5' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 15' Sin Tratamiento Revenido 550°C 5' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 15' Ilustración 20 Esfuerzo máximo a la tensión Observando el grafico anterior, se puede determinar que la probeta con mayor esfuerzo máximo fue la de revenido a 450°C y un tiempo de sostenimiento de 15 36 minutos obteniendo un valor de 1439.44MPa y el espécimen con el menor esfuerzo máximo fue el de revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento con un valor de 993.6Mpa, sin tener en cuenta la de estado de suministro. PORCENTAJE DE CAMBIO DEL ESFUERZO MÁXIMO A LA TENSIÓN 58,4% 55,7% 26,1% 60,0% 42,9% 18,2% 50,0% 40,0% 34,2% Revenido 550°C 15' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 5' Revenido 450°C 15' 9,4% Revenido 450°C 10' 30,0% 20,0% 10,0% Revenido 450°C 5' Temple 770°C 0,0% % Ilustración 21 Porcentaje de cambio en el esfuerzo máximo a la tensión De acuerdo a la gráfica previa el porcentaje de cambio no es proporcional a los diferentes tratamientos térmicos, el tratamiento con menor cambio de esfuerzo máximo es el de revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento y las que presentaron similitud en cuanto a su porcentaje de cambio son las de revenido a 450°C, 15 minutos de sostenimiento y la de revenido a 550°C con 5 minutos de sostenimiento. Prueba de impacto tipo charpy 6.3 Para esta prueba se utilizaron 15 probetas a las cuales se les realizo el tratamiento térmico respectivo y cuya distribución se presenta a continuación:  3 probetas en estado de suministro  3 probetas templadas a 770°C  3 probetas con revenido a 450°C y 5 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 450°C y 10 minutos de sostenimiento 37  3 probetas con revenido a 450°C y 15 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 10 minutos de sostenimiento  3 probetas con revenido a 550°C y 15 minutos de sostenimiento Estas pruebas se realizaron en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital, el cual dispone de un péndulo de impacto 5A-10700 marca Satec, este equipo utiliza un brazo de peso que se eleva a una altura concreta y se deja caer de forma radial sobre la muestra produciendo el impacto sobre la probeta. Ilustración 22 Péndulo de impacto 5A -10700 marca Satec (Universidad Distrital, 2015) Esta máquina determina la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario al introducir la fractura de la probeta de un solo choque, para obtener lo que se denomina resiliencia energía en Joules. Los resultados obtenidos en las pruebas fueron los siguientes: ENSAYO DE IMPACTO TIPO CHARPY PROBETAS ENERGIA ENERGIA TENACIDAD EN REGISTRADA (Joules) PERDIDAS (Joules) (Joules) 1 ESTADO DE SUMINISTRO 0.283 12.36 38 12.077 2 3 PROMEDIO 0.437 12.21 0.482 11.75 0.482 12.107 TEMPLE 770°C 1 0.437 2.219 2 0.437 4.748 3 0.411 7.202 PROMEDIO 0.428 4.723 REVENIDO 450° Y 5 MINUTOS 1 0.483 27.4 2 0.437 10.52 3 0.436 9.649 PROMEDIO 0.452 15.856 REVENIDO 450° Y 10 MINUTOS 1 0.437 36.62 2 0.437 21.35 3 0.411 23 PROMEDIO 0.428 26.990 REVENIDO 450° Y 15 MINUTOS 1 0.436 30.99 2 0.411 40.69 3 0.463 8.735 PROMEDIO 0.437 26.805 REVENIDO 550° Y 5 MINUTOS 1 0.026 9.805 2 0.437 49.92 3 0.463 20 PROMEDIO 0.309 26.575 REVENIDO 550° Y 10 MINUTOS 1 0.437 43.59 2 0.437 40.08 3 0.488 81.57 PROMEDIO 0.454 55.080 REVENIDO 550° Y 15 MINUTOS 1 0.411 15.41 2 0.411 62.23 3 0.462 12.02 PROMEDIO 0.428 29.887 11.773 11.268 11.706 1.782 4.311 6.791 4.295 26.917 10.083 9.213 15.404 36.183 20.913 22.589 26.562 30.554 40.279 8.272 26.368 9.779 49.483 19.537 26.266 43.153 39.643 81.082 54.626 14.999 61.819 11.558 29.459 Tabla 8 Datos obtenidos prueba de impacto tipo charpy 39 TENACIDAD (Joules) ESTADO DE SUMINISTRO TEMPLE 770°C REVENIDO 450°C 5 MINUTOS REVENIDO 450°C 10 MINUTOS REVENIDO 450°C 15 MINUTOS REVENIDO 550°C 5 MINUTOS REVENIDO 550°C 10 MINUTOS REVENIDO 550°C 15 MINUTOS 54,626 11,706 4,295 15,404 26,562 26,368 26,266 29,459 Ilustración 23 Diagrama de tenacidad Con respecto a las pruebas de impacto tipo Charpy se determina que la probeta con tratamiento térmico de temple es la que posee menor tenacidad obteniendo un valor de 4.295J logrando tener bastante similitud con el comportamiento en la gráfica esfuerzo deformación debido a la fragilidad que obtiene con este tratamiento; cabe resaltar que el espécimen con un comportamiento fuera de lo normal con relación a las demás probetas con revenido fue la de 550°C y 10 minutos de sostenimiento; el resto de las probetas presentan una conducta parecida entre sí en sus valores de tenacidad. 6.4 Pruebas metalográficas Micrografía Esta prueba en particular solicita una preparación especial de las probetas, las cuales se deben suministrar con un acabado superficial tipo espejo en la zona que es objeto de estudio como lo muestra la siguiente ilustración: Ilustración 24 Probetas para prueba de micrografía 40 SIN TRATAMIENTO TEMPLE A 770 °C AU M EN TO S PR OB ET A El procedimiento consiste en preparar las probetas como se mencionó anteriormente, garantizando que la superficie no contenga ningún tipo de líneas que impidan observar su microestructura; posteriormente se realiza un ataque químico con Nital el cual expone la superficie de una mejor manera y da mayor nitidez para la toma de la imagen; a continuación, se colocan una a una las probetas en el microscopio metalográfico trinocular invertido Axio Observer D1m disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital, en donde se puede observar y hacer toma de imágenes digitales a las estructuras metalográficas que presenta cada una de ellas como se observa a continuación: 200 X 500 X 1000 X Ilustración 25 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sin tratamiento y la probeta con temple a 770°C 41 AU M EN TO S PR OB ET A La figura anterior muestra la comparación de la microestructura entre la probeta sin tratamiento y la probeta con temple a 770°C en las que podemos observar las diferencias en cuanto a tamaño de grano y distribución dentro del área que se analiza, por una parte en la probeta sin tratamiento se evidencia la distribución homogénea de ferrita y perlita comparada con la probeta templada en la que se ve una gran disminución en la concentración de ferrita y dando lugar a la aparición de la martensita en gran cantidad debido a que el temple se realizó a una temperatura intercrítica. REVENIDO A 450 °C 5 min REVENIDO A 450 °C 10 min 200 X 500 X 1000 X Ilustración 26 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta sometida a revenido a 450°C durante 5 y 10 min 42 AU M EN TO S PR OB ET A La figura anterior deja en evidencia que en la probeta de revenido a 450°C y 5 minutos de sostenimiento la presencia de martensita se da de manera más homogénea en la superficie con algunas apariciones de ferrita en menor proporción, el revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento presenta un equilibrio más elevado en cuanto a su distribución de grano entre ferrita y martensita. REVENIDO A 450 °C 15 min REVENIDO A 550 °C 5 min 200 X 500 X 1000 X Ilustración 27 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 450°C y 550°C durante 15 y 5 min, respectivamente 43 En la figura previa se observa que con el tiempo de sostenimiento de 15 minutos en el revenido a 450°C se mantiene la distribución de grano homogénea con una ligera disminución de martensita; mientras que en el revenido a 550°C y un tiempo de sostenimiento de 5 minutos hay mayor definición de los granos, presentando un aumento de tamaño de grano considerable de ferrita y martensita. 44 PR OB ET A EN TO S AU M REVENIDO A 550 °C 10 min REVENIDO A 550 °C 15 min 200 X 500 X 1000 X Ilustración 28 Cuadro comparativo de la microestructura entre la probeta con revenido a 550°C durante 10 y 15 min En la anterior figura se puede observar mayor presencia de martensita con un tiempo de sostenimiento de 15 minutos con respecto al de 10 minutos, la ferrita se 45 muestra con un tamaño de grano menor pero más definido en comparación con los granos de martensita. Microscopia electrónica por barrido Ilustración 29 Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV (Universidad de los Andes, 2015) La microscopía electrónica de barrido (MEB) es una técnica de análisis superficial, que consiste en enfocar sobre una muestra electrodensa (opaca a los electrones) un fino haz de electrones acelerado con energías de excitación desde 0.1kV hasta 30kV. El haz de electrones se desplaza sobre la superficie de la muestra realizando un barrido que obedece a una trayectoria de líneas paralelas. La variación morfológica de la muestra entrega diversas señales (electrones secundarios, electrones retro dispersados, emisión de rayos X, etc.) que son recogidas por distintos detectores; los cuales permiten la observación, caracterización y microanálisis superficial de materiales tanto orgánicos como inorgánicos. Esta prueba fue realizada en el laboratorio de microscopia de la Universidad de los Andes el cual dispone de un microscopio JEOL, modelo JSM 6490-LV de última generación que opera en los modos de alto y bajo vacío, tiene integrados cuatro detectores que permiten la obtención de imágenes de electrones secundarios (tridimensionales), imágenes de electrones retrodispersados (topográficas, composicionales y de sombra) e imágenes de mapas de puntos EDS (mapping). El detector de espectroscopia por dispersión de energía (EDS) permite además la realización de microanálisis cualitativos y cuantitativos. 46 Los resultados que se obtuvieron de esta prueba se observan a continuación: 3000x 5000x Ilustración 30 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Estado de suministro Esta imagen muestra más definida en alto relieve el grano de perlita acompañado en bajo relieve por los granos de ferrita. 3000x 5000x Ilustración 31 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Temple a 770°C Se evidencia la transformación de fase con el tratamiento térmico generando la aparición de martensita en mayor proporción con respecto a la ferrita. 47 5000x 3000x Ilustración 32 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 5 minutos de sostenimiento. En la figura previa la concentración de ferrita es más evidente en algunos puntos específicos, mientras que la martensita se distribuye a lo largo del área en estudio. 3000x 5000x Ilustración 33 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 10 minutos de sostenimiento. En la ilustración anterior se puede observar que aumenta el tamaño de grano de la ferrita y está mejor definida, aunque hay mayor presencia de martensita, adicional se puede distinguir algunas concentraciones de carbono dentro de los granos de ferrita. 48 5000x 3000x Ilustración 34 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 450°C y 15 minutos de sostenimiento. En la figura anterior se puede observar que hay mayor difusión de martensita en toda la microestructura y los granos de ferrita disminuyen considerablemente. 3000x 5000x Ilustración 35 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 5 minutos de sostenimiento. En la imagen previa la predominación de martensita sobre la ferrita continua al igual que en la figura pasada, basándose en una región especifica de la superficie analizada. 49 5000x 3000x Ilustración 36 Fotos prueba microscopia electrónica de barrido (MEB) Revenido 550°C y 15 minutos de sostenimiento. En la imagen anterior se puede observar un mejor contraste entre los granos de martensita y ferrita pudiendo ver claramente los límites entre ellos. 6.5 Prueba de micro dureza Este ensayo consiste en generar una deformación plástica con una carga e indentador estandarizado, el valor de la dureza dependerá de la profundidad de la muesca que se haya generado en el material (Universidad Distrital, 2015); la escala de dureza que se puede proporcionar está en el orden Rockwell A, B o C para lo cual se utilizó el microdurómetro HMV-2TL marca Shimadzu disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital. DUREZA ROCKWELL C Revenido 550°C 15' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 5' Revenido 450°C 15' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 5' Temple 770°C Sin Tratamiento 0,0 10,0 20,0 30,0 Zona Dura 40,0 50,0 Zona Blanda Ilustración 37 Resultados prueba de dureza 50 60,0 70,0 Generalizando la imagen se puede observar el aumento de la dureza en todos los tratamientos con respecto al material base, hay un comportamiento típico en la probeta con temple ya que su valor de dureza excede todo rango de valores con 63.7RC en su zona más dura, se evidencia que las zonas duras con mayor valor de dureza es la de revenido a 450°C y un tiempo de retención de 10 minutos con 52.7RC en la zona dura y 46.9 RC en la zona blanda, seguida de la probeta con tratamiento de revenido a 450°C y 15 minutos de retención con un valor de 51.5 RC en la zona dura y 38.0RC en la zona blanda, también cabe resaltar que el tratamiento que tuvo un menor valor de dureza es el revenido a 550°C y 15 minutos de retención con 29.9 RC en su zona dura y 29.4RC en la blanda. VARIACIÓN PORCENTUAL EN LA DUREZA Revenido 550°C 15' Revenido 550°C 10' Revenido 550°C 5' Revenido 450°C 15' Revenido 450°C 10' Revenido 450°C 5' Temple 770°C -20,0% 0,0% 20,0% 40,0% 60,0% Zona Dura 80,0% 100,0% 120,0% Zona Blanda Ilustración 38 Variación porcentual en la dureza con respecto al material en estado de suministro. Con base en esta grafica se puede establecer que el tratamiento térmico con mayor aumento de dureza en su parte dura como era de esperarse es el temple con un aumento del 108.1% con relación al material base y el tratamiento con mayor aumento en la zona blanda lo presentó el revenido a 450°C con 10 minutos de retención con un aumento de 108%. 6.6 Modos de falla Esta prueba se realizó con el estéreo microscopio trinocular Stereo Discovery.V8 disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital a una resolución de 200x; este equipo permite la toma de fotografías a elementos que han 51 sufrido fallas o desgaste mecánico y por medio de este se puede analizar visualmente la manera en la cual se generó la fractura de las probetas seleccionadas a continuación: PROBETAS MODOS DE FALLA 1 2 ESTADO DE SUMINISTRO FRACTOGRAFÍA Mixta dúctil - Frágil Mixta dúctil - Frágil Frágil Frágil Dúctil Dúctil TEMPLE A 770°C FRACTOGRAFÍA REVENIDO A 450°C Y 5 MINUTOS FRACTOGRAFÍA 52 REVENIDO A 450°C Y 10 MINUTOS FRACTOGRAFÍA Mixta dúctil - Frágil Mixta dúctil - Frágil Dúctil Mixta dúctil - Frágil Dúctil Mixta dúctil - Frágil Dúctil Dúctil REVENIDO A 450°C Y 15 MINUTOS FRACTOGRAFÍA REVENIDO A 550°C Y 5 MINUTOS FRACTOGRAFÍA REVENIDO A 550°C Y 10 MINUTOS FRACTOGRAFÍA 53 REVENIDO A 550°C Y 15 MINUTOS FRACTOGRAFÍA Dúctil Dúctil Ilustración 39 Fotos fractografía (Universidad Distrital, 2015) Es importante establecer que la fractura frágil es más evidente en la probeta que tiene un aumento considerable de dureza, como se muestra en el espécimen con temple a 770°C y 30 minutos de sostenimiento, en el que la superficie de grieta presenta un aspecto granular. La fractura mixta presente en la probetas de estado de suministro, revenido a 450°C con 10 minutos de sostenimiento y la de revenido a 550°C y 5 minutos de sostenimiento, supone un comportamiento acorde con lo que se evidencia en el análisis de micrografía, en las que las concentraciones de martensita y ferrita son bien definidas en toda la superficie de estudio. En lo que respecta a las probetas con fracturas dúctiles, se observa claramente la forma en que ocurre el desgarre del material por el aumento en los valores de tenacidad explicados anteriormente. 6.7 Coeficiente de endurecimiento K y n de la curva plástica PROBETA INDICE DE ENDURECIMIENTO (n) VALOR K (Mpa) SIN TRATAMIENTO 1.160 9267 TEMPLE 1.1750 5.3684 REVENIDO 450°C 5 MIN 0.0871 4.3410 REVENIDO 450°C 10 MIN 0.8392 5.5965 REVENIDO 450°C 15 MIN 0.7694 5.7373 REVENIDO 550°C 5 MIN 1.1962 142.391 REVENIDO 550°C 10 MIN 0.8870 5.4988 REVENIDO 550°C 15 MIN 1.2354 74.0060 Tabla 9 Coeficiente de endurecimiento K y n En la tabla anterior se puede observar la variación de los coeficientes de endurecimiento K y n de acuerdo a los diferentes tratamientos térmicos. 54 6.8 Conclusiones Realizando el tratamiento térmico de temple se puede concluir que la temperatura de 770°C se seleccionó dentro del rango de temperaturas intercríticas establecido con anterioridad, teniendo en cuenta que se debe hacer antes de la temperatura de austenización denominada A3 debido a que los cambios de fase desde este punto son diferentes. El establecimiento de las temperaturas de revenido permite enfocar el análisis de resultados en la variación de las propiedades mecánicas del material, ya que esto se puede conseguir realizando el tratamiento en dos tipos de revenido, revenido medio y revenido alto. Con base en el diagrama esfuerzo vs deformación se concluye que la curva del tratamiento térmico de revenido a 450 °C y 15 minutos de sostenimiento es la que mayor variación presenta con respecto a la probeta en estado de suministro. Los revenidos de 550 °C con 5 y 10 minutos de sostenimiento muestran un comportamiento similar en cuanto a su pendiente de elasticidad pero cambian al momento de presentarse el esfuerzo último a la tensión ya que la probeta con 5 minutos de sostenimiento no genera deformación plástica y se fractura antes de lo previsto. Todos los revenidos realizados a la temperatura de 450 °C aumentan su tenacidad y su deformación teniendo como referencia la probeta sin tratamiento. El revenido a 550 °C y un tiempo de sostenimiento de 15 minutos ofreció la mayor deformación plástica de toda la prueba. La tenacidad de todos los tratamientos térmicos de revenido fue mayor que el de la probeta sin tratamiento y la de temple presentó una disminución en su tenacidad de acuerdo a la teoría. En cuanto a los resultados de la prueba de dureza se concluye que existe similitud en los valores de dureza en la zona dura entre los revenidos de 450 °C y los tiempos de sostenimiento de 5 y 10 minutos. El tratamiento térmico de temple tiene un aumento del 108.1% en su zona dura con relación a la probeta sin tratamiento evidenciando el comportamiento establecido teóricamente. La variación porcentual entre el revenido de 450 °C y un sostenimiento de 15 minutos es similar a la del revenido a 550 °C y un sostenimiento de 10 minutos. 55 Los cambios de fase en todos los tratamientos térmicos están relacionados con la distribución de los granos dentro de la zona de estudio. El cambio de fase en el tratamiento térmico de temple evidencia la ausencia de perlita encontrada en el material base y la aparición de martensita en grandes cantidades, la ferrita sigue estando presente pero en menor proporción. Entre más tiempo de sostenimiento en el revenido a 450 °C la concentración de martensita disminuye gradualmente y se presenta una mejor distribución de los granos en la superficie analizada. Las probetas con revenido a 550 °C con tiempo de sostenimiento de 5 y 15 minutos proporcionan una mejor definición de los granos de ferrita en la estructura. Un coeficiente de endurecimiento por deformación alto significa un mayor endurecimiento en el material, lo que a nivel microestructural significa un mantenimiento de las dislocaciones creadas durante la deformación. Así mismo, se deforman los granos del material y se induce en el material esfuerzos residuales. Es decir, la estructura interna del material se ve afectada notablemente por la deformación inducida. 56 7 Bibliografía Akay, S. K., Yazici, M., Bayram, A., & Avinc, A. (2009). Fatigue life behaviour of the dual-phase low carbon steel sheets. Journal of Materials Processing Technology, 209, 3358–3365. doi:10.1016/j.jmatprotec.2008.07.038 Al-Abbasi, F. M., & Nemes, J. a. (2003). Micromechanical modeling of dual phase steels. International Journal of Mechanical Sciences, 45, 1449–1465. doi:10.1016/j.ijmecsci.2003.10.007 Bhagavathi, L. R., Chaudhari, G. P., & Nath, S. K. (2011). Mechanical and corrosion behavior of plain low carbon dual-phase steels. Materials and Design, 32(1), 433–440. doi:10.1016/j.matdes.2010.06.025 Camurri, C., & Rodríguez, D. (2004). Modelo Matemático Y Validación Experimental De La Transferencia De Calor Durante Las Diferentes Etapas Del Tratamiento Térmico De Bolas Para Molienda . CONGRESO CONAMET/SAM 2004, (1), 1–4. Cárdenas, E., Rodríguez, C., Belzunce, F. 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