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Invest Apl Innov 1(2), 2007

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Influencia de la temperatura de revenido en la tenacidad del acero SAE 1045 mediante ensayo de impacto

Influence of the temperature of anneling in the fracture toughness of the steel SAE 1045 by means of test of impact

Jorge Rodríguez Llapa, Manuel Vizcarra Bellido

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es la evaluación del com-

portamiento del acero SAE1045 cuando estan previa-

mente expuesto a un tratamiento térmico de templado y

revenido, es sometido a un ensayo de impacto. Para esto

se mecanizó las probetas de acuerdo con normas ASTM,

posteriormente se procedió a realizar un tratamiento

térmico de temple y revenido a dichas probetas en un

horno eléctrico con control electrónico de temperatura;

finalmente se deja enfriar las probetas a temperatura am-

biente y se mide la dureza obtenida. Para el estudio de la

influencia de la temperatura en el revenido del acero SAE

1045 se realiza el ensayo de impacto a las probetas reve-

nidas a diferentes temperaturas (500, 600 y 700º C). De

este estudio se deduce que efectivamente el aumento de

la temperatura de revenido, incrementa la tenacidad del

acero, pero sacrifica la dureza y permite conocer patrones

falla por impacto de componentes mecánicos siguiendo

las normas de ensayos de materiales de la ASTM.

ABSTRACT

The target of the present work is the evaluation of the

behavior of the steel SAE1045 when been previously ex-

posed to a thermal treatment of quench and anneling, it

is to subject a test of impact. For this the specimen test

were mechanized in accordance with norms ASTM, later

one proceeded to realize a thermal treatment of quench

and anneling to the above mentioned specimen test in

an electrical oven with electronic control of temperature;

finally it allows itself to air cool the specimen test to tem-

perature enviroment and the obtained hardness measu-

res itself. For the study of the influence of the tempera-

ture in the anneling of the steel SAE 1045, carries out the

test of impact to the anneling specimen test for different

temperatures (500, 600 and 700º C). Of this study it is de-

duced that really the increase of the temperature of an-

neling, increases the fracture toughness of the steel, but

sacrifices the hardness and allows to know that it failure

patterns for impact of mechanical components following

the norms of test of materials of the ASTM.

PALABRAS CLAVES

Ensayo de impacto, templado, revenido, patrón de falla,

tenacidad.

KEY WORDS

Impact test, quench, anneling, failure pattern, fracture

toughness.

INTRODUCCIÓN

Nuestro país se encuentra en una fase de desarrollo muy

amplia en cuanto a proyectos de ingeniería. La calidad

de los aceros (en cuanto a sus propiedades mecánicas) a

emplear es determinante en el éxito o fracaso de dichos

proyectos, que en algunos casos pueden llegar a miles de

millones de dólares de pérdidas.

El desconocimiento del comportamiento de los aceros so-

metidos a diferentes temperaturas de trabajo implica que

las estructuras o construcciones mecánicas colapsen. Un

claro de ejemplo de la influencia de la temperatura en el

cambio de las propiedades mecánicas fue el hundimiento

del Titanic sólo por mencionar uno.

El ensayo de impacto permite evaluar la energía absorbi-

da en la zona elástica de la curva esfuerzo deformación

en una probeta de acero, bajo ciertas condiciones, carac-

terizándose dicha energía en una fractura que puede ser

frágil o dúctil. Este ensayo ha sido empleado desde hace

60 años para evaluar las propiedades mecánicas de los

materiales. El ensayo de Charpy es muy importante ya que

nos permite relacionar el aspecto empírico con el com-

portamiento del material durante su vida útil en función

de su calidad.

La metodología de trabajo para el presente ensayo fue

la siguiente: se prepararon nueve probetas normalizadas

según la norma de la ASTM (American Society for Testing

and Materials- sección ensayos de impacto), luego se pro-

cedió a templar en aceite las probetas, se dejó enfriar a

temperatura ambiente y se realizó el revenido de dichas

probetas a diferentes temperaturas (500ºC, 600ºC y

700ºC) dejándolas enfriar de forma natural al medio am-

biente.

Una vez que todas las probetas alcanzaron la temperatura

ambiente se procedió a medir su dureza para verificar su

cambio de propiedades. Finalmente se realizó el ensayo

de impacto a estas probetas siguiendo los procedimien-

tos normalizados.

Mediante los resultados obtenidos se comprobó que a

una mayor temperatura de revenido del acero SAE 1045

se logra un incremento de la tenacidad del mismo, pero

disminuyendo su dureza, coincidiendo con los funda-

mentos teóricos de comportamiento de los aceros.

La presente investigación nos permitirá tener un mejor

conocimiento del comportamiento de los aceros en apli-

caciones industriales, como por ejemplo: los resortes de

válvulas de motores de combustión interna, los cuales

son sometidos a tratamientos térmicos de templado y re-

venido y adicionalmente nos permitirá realizar un mejor

diagnóstico de falla por impacto de componentes mecá-

nicos, ya que la probeta ensayada por impacto nos dará

un patrón de falla característico de rotura.

Ensayo de impacto

Este ensayo se caracteriza por evaluar la energía de im-

pacto que absorbe el material, cuya capacidad de resistir

el impacto de un golpe se suele llamar tenacidad. El ensa-

yo permite apreciar la influencia de ciertos factores en el

comportamiento mecánico de materiales en condiciones

de trabajo.

Este ensayo consiste en golpear mediante una maza

(martillo de impacto) una probeta que se sitúa en el so-

porte de la máquina de ensayo, la maza que está acopla-

da al extremo del péndulo se deja caer desde una altura

que controla velocidad de aplicación de la carga en el

momento del impacto, cuya energía absorbida por la pro-

beta produce su fractura, lo que se determina a través de

las diferencia de energía potencial del péndulo antes y

después del impacto.

La fabricación de las probetas debe ser hechas de acuer-

do a norma; en caso contrario esto provocaría concentra-

ción de esfuerzos, tensiones en zonas puntuales, no per-

mitiendo un adecuado análisis.

Otro aspecto importante es la temperatura ambiente y

condiciones de ejecución de la prueba; al momento de

realizar el ensayo es recomendable utilizar las pinzas con

las características que indica el estándar.

Al ser impactada la probeta por la maza, se va a producir

una fractura, básicamente puede ser de dos tipos: frágil y

dúctil, característica que depende de su capacidad para

absorber energía durante el ensayo. La fractura se da en

dos partes: la formación de la grieta y su respectiva pro-

pagación en función de la energía absorbida.

Tratamiento térmico

Es someter un material a un proceso térmico que tiene

por finalidad cambiar o alterar las propiedades del acero.

Es decir que, para un determinado contenido de carbono

se puede obtener un acero altamente resistente y frágil

o de una baja resistencia y elevada tenacidad, lo cual se

dará de acuerdo con la aplicación buscada.

Dentro de los tratamientos térmicos más usados se tiene:

templado, recocido, revenido y normalizado.

En la presenta investigación nos centraremos en el tem-

plado y revenido.

Templado: Tratamiento térmico donde se busca obtener

que el acero esté constituido por martensita. La veloci-

dad de enfriamiento es rápida para evitar la transforma-

ción de la austenita en ferrita y perlita.

Revenido: Al realizar un enfriamiento rápido en el templa-

do, la martensita obtenida es muy frágil, lo cual imposibilita

su uso, entonces se somete el material a un proceso de re-

venido de la martensita, lo cual permite mejorar las propie-

dades mecánicas del acero en la ductibilidad y tenacidad.

Procedimiento experimental

Material Analizado:

El material seleccionado para su estudio en este trabajo

Rodríguez, J. Vizcarra, M. – Influencia de la temperatura de revenido en la tenacidad del acero SAE 1045 mediante ensayo de impacto

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ha sido el acero SAE 1045 de fabricación nacional que tie-

ne las siguientes características:

Etapas del ensayo:

La primera etapa del ensayo consistió en el mecanizado

de 12 probetas para el ensayo de impacto, por lo cual se

procedió a maquinar dichas probetas utilizando máqui-

nas herramientas convencionales y respetando las di-

mensiones y tolerancias especificadas en la norma ASTM

E23-05 punto 7. La probeta elegida a mecanizar fue de

tipo A.

La segunda etapa del ensayo fue realizar el tratamiento

térmico de templado a las probetas, lo cual se hizo en un

horno de inducción con control digital de temperatura,

logrando alcanzar las temperaturas recomendadas (800º

C, para asegurar la austenización de las probetas ensa-

yadas), eligiendo como medio de enfriamiento el aceite

para las probetas de la número 2 a la 9 y enfriando por

agua a la probeta número 1. A las tres probetas restantes

no se les realizó tratamiento térmico de templado, con el

fin de tener un valor normal de propiedades mecánicas.

La tercera etapa consistió en realizar un revenido a 9 pro-

betas en horno eléctrico, 3 probetas se revinieron a 500º

C, 3 probetas a 600 º C y finalmente 3 probetas a 700º C

(límite de revenido). El enfriamiento de las probetas fue

de forma natural hasta alcanzar la temperatura ambien-

te. Para medir las temperaturas de las probetas se utilizó

un medidor láser de temperatura con el objetivo de no

tocar las probetas y causar una variación de temperatura,

(la precisión de este instrumento es de 0,1 º C). Se eligió

dichos rangos de temperaturas por ser usuales en la in-

dustria.

La cuarta etapa del ensayo fue realizar la medición de du-

rezas a las 12 probetas aplicando el estándar ASTM E-92-

82 reaprobado 2003, en una máquina de ensayo con in-

dentadores normados para medición de dureza Vickers.

La fórmula de cálculo de dureza Vickers en función de las

características geométricas de la huella es:

HV = 2Psen(a/2)/d2 = 1.8544P/d2

Donde:P: Fuerza en kgf

d: Diagonal en mm.a: Ángulo del diamante.

La fuerza aplicada para el presente ensayo fué de 20kgf para las probetas revenidas y 50kgf para las probetas sin tratamiento.

La quinta etapa consistió en someter las 12 probetas a en-sayos de impacto por el método Charpy de acuerdo con la norma ASTM E23-05 punto 8.3, dentro de los parámetros de temperatura ambiente recomendados 20 ± 5 º C. El equipo utilizado cuenta con un certificado de calibración vigente al momento de realizar el ensayo, cabe mencio-nar que este equipo cuenta con un sistema de adquisi-ción de data de energía, el cual toma en cuenta la fricción del aire al momento que el martillo cae para impactar las probetas.

Tabla 1 - Composición química del acero SAE 1045.

Elemento

C

Mn

P

S

Acero SAE 1045

0,45%

0,75%

0,04%

0,050%

Tabla 2 - Propiedades mecánicas del acero SAE 1045.

Elemento

SAE 1045

Límite de Fluencia

kg/ cm2

4500

Resistencia a la

tracción en kg/ cm2

7500

Figura 1 - Probetas preparadas de acuerdo a ASTM E23-05. Tipo A.

Figura 2 - Posicionamiento de la probeta en la máquina de ensa-yo de impacto.

RESULTADOS

Los resultados obtenidos en los ensayos de impacto por el método Charpy a las probetas revenidas y al natural nos muestran lo siguiente:

Analizando los resultados se aprecia claramente que la resiliencia se incrementa a medida que aumenta la seve-ridad de revenido, los valores del acero al natural mues-tran un promedio de 54.18 J/cm2, el cual comparado con el promedio del primer revenido a 500ºC deja ver un gran salto en la capacidad de absorber la energía de impacto. Nótese que la dureza del acero con un revenido de 700ºC tiene un valor próximo al del acero al natural, sin embargo su resiliencia es notablemente mayor.

Analizando ahora los aceros revenidos se aprecia que mejora su tenacidad; comparando el revenido a 600ºC (113,16 J/cm2) con el de 500ºC (71,54 J/cm2) mejora su resi-liencia en 132% de valor apreciable, sin embargo el mayor salto en resiliencia se da en el revenido de 700ºC (183,51

J/cm2) con respecto al de 600ºC (113.16 J/cm2) obtenien-do una mejora de 89%, pero si comparamos el de 700ºC con el revenido de 500º el incremento es de 339%.

La evolución de la dureza va en sentido inverso a la tem-peratura de revenido, esto debido a que la martensita va aliviando sus tensiones y en temperaturas altas se trans-forma en otros constituyentes más estables, este análisis es tema de otra investigación.

CONCLUSIONES

Después de haber concluido satisfactoriamente los ensa-

yos de impacto, se llegó a las siguientes conclusiones:

• Se verificó que el incremento de la temperatura en el tratamiento térmico de revenido mejora la tenacidad en el acero SAE 1045 , de una capacidad de absorción de energía de impacto de 54,18 J/cm2 a 183.51 J/cm2 estando apto este material para trabajar en condicio-nes superiores de energía de impacto.

• Para el acero SAE 1045, se recomienda realizar un tem-ple en aceite, debido a que el temple en agua resul-ta ser muy severo para este material. En los ensayos Charpy realizados, la probeta numero 1 templada al agua se fisuró por la excesiva tensión interna, produc-to de la mayor velocidad de enfriamiento en agua.

• Observando las fracturas de las probetas se nota clara-mente que las revenidas a 500ºC presentan una frac-

Figura 3 - Probetas con Revenido a 500º C después de la prueba de impacto.

Figura 4 - Probeta sin tratamiento térmico después del impacto.

Resiliencia

(J/cm2)

Promedios

(J/cm2)

Dureza

Vickers Hv

Al natural

Revenido a 500ºC

Revenido a 600ºC

Revenido a 700ºC

49,20

69,78

115,96

176,48

59,15

73,31

115,96

198,21

54,18

71,54

107,56

175,84

54,18

71,54

113,16

183,51

212,80

441,00

321,00

286,00

Tabla 3 - Valores de resiliencia obtenidos en el ensayo Charpy.

Figura 5 - Curvas de Resiliencia de las probetas ensayadas a dife-rentes temperaturas de revenido del acero SAE 1045.

Figura 6 - Curvas de Resiliencia vs. Temperatura de Revenido del acero SAE 1045.

Influencia del revenido en laResilencia del Acero SAE 1045

250.00

200.00

150.00

100.00

50.00

0.001 2 3

Al naturalRevenido a 500ºC

Revenido a 600ºCRevenido a 700ºC

Evolución de la Reciliencia en función de la Temperatura de Revenido

200.00

150.00

100.00

50.00

0.001 2 3

Promedios

3

SinTratamiento

Revenidoa 500º C

Revenidoa 600º C

Revenidoa 700º C

Rodríguez, J. Vizcarra, M. – Influencia de la temperatura de revenido en la tenacidad del acero SAE 1045 mediante ensayo de impactoRodríguez, J. Vizcarra, M. – Influencia de la temperatura de revenido en la tenacidad del acero SAE 1045 mediante ensayo de impacto

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tura de 90º, lo cual indica que se trata de una fractura frágil, además que su superficie presenta un grano fino producto de un correcto procedimiento de tem-ple, mientras que las probetas sin revenido presentan una fractura parcial.

• La fractura de las probetas revenidas a 600ºC y 700ºC, presentan una fractura ondulada, lo cual indica la dis-minución de las tensiones internas, pero la superficie presenta una mayor rugosidad e incremento del ta-maño de grano, verificado por la disminución de la dureza de estas probetas.

• Las formas de las fracturas obtenidas en los ensayos Charpy nos pueden permitir establecer patrones tí-picos de falla de aceros que hayan sido sometidos a templado y revenido y que se utilicen en aplicaciones industriales.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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2. American Society for Testing Materials. ASTM. Section 3. Volume 03.01. Standard Terminology Relating to Methods of Mechanical Testing. Designation E6-03.

3. American Society for Testing Materials. ASTM Section 3. Volume 03.01. Standard Test Methods for Notched

Bar Impact Testing of Metallic Materials.Designation E23-05.

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5. José Antonio Pero-Sanz Elorz. Aceros. Metalurgia Físi-ca, Selección y Diseño. Editorial Dossat. Madrid. Espa-ña. 2004.

6. William F. Smith. Javad Hashemi. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Cuarta Edición. Edi-torial Mac Graw Hill. 2004.

7. Donald Askeland. Pradeep Phule. Ciencia e Ingeniería de Materiales. Editorial Thomson. Cuarta Edición. 2004.

8. José Antonio de Saja Sáez. Miguel Rodríguez. Maria Luz Rodríguez. Materiales. Estructura, propiedades y aplicaciones. Editorial Thomson. 2005

9. Fernández. Cano.Sanz.Trucoli Tecnología Industrial II. Bachillerato. Editorial Anay. 2001

10. Zwick Roell. Instruction Manual for Pendulum Impact Testers. 2006.

11. American Society for Testing Materials. ASTM Section 3. Volume 03.01. Standard Test Methods for Vickers Hardness of Metallic Materials. Designation E92-82.

Medición de flujo en líquidos con válvulas de controlLiquid Flow Measurement with Control Valves

Henry Gómez Urquizo

RESUMEN

Los medidores de flujo para conductos cerrados más co-

nocidos son los de placa orificio, los cuales aprovechan

la diferencia de presión que se produce a través de una

restricción en el conducto para medirla y luego calcular

el flujo que produce la caída de presión. De otro lado,

una válvula de control utiliza un tapón y un asiento para

estrangular el área y variar el caudal; es decir, la válvu-

la tiene un orificio cuya sección transversal es constante,

pero por la acción del obturador el paso es variable. Este

arreglo es semejante a la disposición física que se tiene en

un medidor de flujo tipo placa orificio.

Por lo tanto, las ecuaciones que permiten calcular el flujo

por un medidor placa orificio, también serían válidas para

calcular el flujo a través de una válvula de control. En esta

investigación se han establecido las relaciones matemá-

ticas del flujo en función de la posición del vástago y la

presión diferencial, teniendo en cuenta cómo afecta la

instalación sobre el comportamiento de la válvula en una

aplicación a presión variable. Estas relaciones matemá-

ticas, se han probado experimentalmente, aplicándolas

a un sistema modular con diferentes válvulas de control

para medir el flujo con agua en condiciones semejantes a

las industriales. Los resultados obtenidos muestran que

nuestra hipótesis es válida en un rango específico y en

condiciones especiales.

ABSTRACT

The well known flowmeter for tubing are plate orifice,

these one use the differential pressure through a restric-

ted tube, to measure and after that compute de flow rate

produced by differential pressure. In the other side, a

control valve uses a plug and a seat arrangement to res-

trict the area and vary the flow rate; that means, we have

in the valve an orifice which transversal section is cons-

tant, but because the plug action the passing is variable.

This arrangement looks like the physical arrangement in a

plate orifice flowmeter. This way, the equations to compu-

te the rate flow in a plate orifice flowmeter, will be valid to

compute the flow rate thought a control valve. In this pa-

per, we have defined the flow rate mathematical relations

as a functions of spindle stroke and differential pressure,

taking into account how the installations on control valve

performance affects in application with variable pressure.

These mathematical relations we have tested experimen-

tally, applying to a modular system with different control

valves to measure the water rate flow in conditions like in-

dustry. The outcomes obtained show that our hypothesis

is valid for specific range and special conditions.

PALABRAS CLAVES

Capacidad de válvula, característica inherente, caracterís-

tica instalada, medición de flujo.

KEY WORDS

Valve capacity, inherent characteristic, installed characte-

ristic, flow measurement.

INTRODUCCIÓN

Para controlar el flujo de líquidos a través de tuberías se

requiere por lo general de tres tipos de instrumentos: el

medidor de flujo, el controlador de flujo y la válvula de

control. Independientemente de la tecnología utilizada

por el medidor de flujo, este finalmente convierte algún

parámetro físico proporcional al flujo a una señal estanda-

rizada que se transmite al controlador; el cual mediante

el algoritmo de control apropiado, establece la diferencia

entre el valor deseado de flujo y el valor real para entre-

gar a la válvula de control otra señal que compense esta

diferencia.

Rodríguez, J. Vizcarra, M. – Influencia de la temperatura de revenido en la tenacidad del acero SAE 1045 mediante ensayo de impacto

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