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ANLISIS DE LA MICRODUREZA EN EL ACERO AISI-SAE 4140 TRATADO

TRMICAMENTE CON PROBETAS EN MUFLA Y LSER PULSADO

MULTILNEA Nd: YAG.

YEIMI ALEXANDRA DONATO GONZLEZ

LILIAM CRISTINA RAMREZ CONTRERAS

ESCUELA TECNOLGICA INSTITUTO TCNICO CENTRAL

INGENIERA EN PROCESOS INDUSTRIALES

TRABAJO DE GRADO

BOGOT D.C.,

2016

ANLISIS DE LA MICRODUREZA EN EL ACERO AISI-SAE 4140 TRATADO

TRMICAMENTE CON PROBETAS EN MUFLA Y LSER PULSADO

MULTILNEA Nd: YAG.

YEIMI ALEXANDRA DONATO GONZLEZ

LILIAM CRISTINA RAMREZ CONTRERAS

Trabajo de Grado como requisito para optar por el ttulo de:


Asesor Tcnico

DARIO FERNANDO ANDRADE ZAMBRANO

INGENIERO FSICO

MAGISTER EN INGENIERA DE MATERIALES Y PROCESOS

ESCUELA TECNOLGICA INSTITUTO TCNICO CENTRAL


TRABAJO DE GRADO

BOGOT D.C.,

2016

Nota de Aceptacin

_________________________________

_________________________________

_________________________________

________________________________

Presidente del Jurado

_______________________________

Jurado

Bogot, D.C., 21 de noviembre de 2016

DEDICATORIA

Con todo nuestro corazn dedicamos este proyecto a Dios, quien inspiro nuestro

espritu para continuar cuando nos sentamos rendir. Agradecindole por cada

bendicin recibida a lo largo de este tiempo y por permitirnos culminar con xito

esta etapa de nuestra vida.

A esas personas importantes de nuestras vidas padres e hijos- que nos brindaron

su cario, apoyo, comprensin, paciencia y nimo. Por entender que el xito

demanda sacrificios y tiempo, los cuales sern recompensados con las

bendiciones venideras, por la dedicacin, esfuerzo y fe puesta en esta tesis.

Con todo nuestro amor para:

Yolanda y Alfonso Alcira y Gerardo

Padres

Michel Alejandra y Lan Gabriel

Hijos

AGRADECIMIENTOS

Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos los que nos apoyaron

y son parte de su culminacin. Nuestros ms sinceros agradecimientos estn

dirigidos a:

El Centro Internacional de Fsica de la Universidad Nacional de Colombia, por su

confianza y disposicin para poder desarrollar parte de nuestro proyecto en el

Laboratorio de Lser.

A la Escuela Tecnolgica Instituto Tcnico Central por permitirnos estudiar y ser

profesionales, adems de facilitarnos el Laboratorio de Tratamiento Trmicos que

aun sin estar es sus mejores condiciones nos permiti culminar la investigacin.

A nuestros docentes de carrera que con su conocimiento, enseanza, experiencia

y consejos, aportaron un granito de arena para el desarrollo de este proyecto de

investigacin, en especial a los docentes: Omar Barrera, Luis Antonio Zabala, Jorge

Enrique Hower, Alfonso Pulido, Benjamn Rodolfo Quintero.

Agradezco principalmente a nuestro Director de proyecto y amigo Mtr. Dario

Fernando Andrade Zambrano por su dedicacin, orientacin, motivacin y gestin

para con nosotras a lo largo de este ao. Por su gran inters en el proyecto de

grado, sus sugerencias y aportes que son invaluables, pues nos sirven para toda la

vida.

A todas las personas que aportaron y no alcanzamos a nombrar. Gracias por

acompaarnos en este momento tan importante de nuestro proceso de formacin

profesional.

Muchas gracias y que Dios les bendiga siempre.

Pgina | 6

TABLA DE CONTENIDO

pg.

INTRODUCCIN ................................................................................................... 21

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................... 23

1.1 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA ........................................................... 23

1.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA .......................................................... 24

1.3 HIPTESIS ............................................................................................. 24

2. JUSTIFICACIN ..................................................................................... 25

3. OBJETIVOS ............................................................................................ 26

3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 26

3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................... 26

4. MARCO REFERENCIAL ........................................................................ 27

4.1 ANTECEDENTES.................................................................................... 27

4.2 MARCO CONCEPTUAL .......................................................................... 32

4.2.1 Acero. ................................................................................................... 32

4.2.2 Tipos de Acero. .................................................................................... 36

4.2.3 Diagrama Hierro Carbono. ................................................................ 38

4.2.4 Estructura de los materiales. ................................................................ 42

4.2.5 Propiedades de los materiales. ............................................................ 52

4.2.6 Procesamiento de los materiales. ........................................................ 53

4.2.7 Dureza. ................................................................................................ 59

4.2.8 Pelculas delgadas y recubrimientos. ................................................... 63

4.2.9 Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin LSER. ... 71

4.2.10 Ablacin lser-materia. ..................................................................... 73

5. MARCO METODOLGICO .................................................................... 79

5.1 TIPO DE ESTUDIO .................................................................................. 79

5.1.1 Unidad de Anlisis. .............................................................................. 79

5.1.2 Unidad de Estudio. ............................................................................... 79

5.1.3 Unidad de Tiempo. ............................................................................... 80

5.1.4 Unidad Geogrfica. .............................................................................. 80

5.2 METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN .............................................. 82

5.3 PARTICIPANTES .................................................................................... 83

Pgina | 7

5.4 INSTRUMENTOS Y EQUIPOS ................................................................ 83

5.4.1 Instrumentos. ....................................................................................... 83

5.4.2 Equipos. ............................................................................................... 83

5.5 METODOLOGA DE LA INGENIERA DEL PROYECTO ......................... 87

5.5.1 Descripcin de la metodologa en contexto. ........................................ 87

5.5.2 Herramientas tecnolgicas. .................................................................. 87

6. DESCRIPCIN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO

SUPERFICIAL CON LASER PULSADO ND: YAG Y METALOGRAFA ............. 89

6.1 PREPARACIN DE LA PROBETA .......................................................... 89

6.1.1 Seleccin de la probeta. ....................................................................... 89

6.1.2 Pulido de la muestra. ........................................................................... 89

6.2 PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO CON LASER PULSADO ND:

YAG ........................................................................................................ 92

6.3 PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO EN MUFLA ........................... 96

6.4 TOMA DE MICRODUREZA ..................................................................... 97

6.5 ATAQUE QUMICO ................................................................................. 98

6.5.1 Mecanismo del ataque. ...................................................................... 101

6.6 TOMA DE MICROESTRUCTURA ......................................................... 101

7. RESULTADOS Y ANLISIS ................................................................ 104

7.1 PROBETA SIN TRATAMIENTO ............................................................ 104

7.2 ANLISIS DE MICRODUREZA ............................................................. 105

7.3 ANLISIS DE MICROESTRUCTURA .................................................... 109

7.3.1 Probetas tratadas en mufla ................................................................ 109

7.3.2 Probetas tratadas en lser ................................................................. 112

8. CONCLUSIONES ................................................................................. 115

9. RECOMENDACIONES ......................................................................... 117

BIBLIOGRAFA ................................................................................................... 118

ANEXOS .............................................................................................................. 123

Pgina | 8

ABREVIACIONES

Armstrong

C Grados Celsius

C Carbono

c Chauffage (francs) Calentamiento "Ac"

cm centmetros

Cr Cromo

Et al: entre otros

E Energa

Fe Hierro

hv Energa de un fotn

Hz Hertz

IR Infrarroja

J Julios

Kg Kilogramos

m metros

M masa

mJ mili Julio (10-3 J)

mm milmetros

Mo Molibdeno

mrad mili radianes

Nd: Neodimio

Nd: YAG Granate de itrio y aluminio dopado con neodimio

nm: nanmetro

ns nanosegundo

r Refroidissement (francs) Enfriamiento "Ar"

rpm Revoluciones por minuto

Q Energa

UV Ultravioleta

W Watts

Pgina | 9

SIGLAS

AFM Microscopa de fuerza atmica

AISI: Instituto Americano del hierro y el acero

ASME: Sociedad americana de ingenieros mecnicos

ASTM: Asociacin amrica para ensayos de materiales

BCC Cbica centrada en el cuerpo

CVD Deposicin qumica fases vapor

EELS Energy loss spectroscopy (ingls) Espectroscopia de prdidas de

energa

FCC Cbica centrada en caras

HBN Hardness Brinell Number (Ingls) Nmero de dureza Brinell

HRC Hardness Rocknell Series A, B, C (HRA, HRB y HRC) (Ingls)

Numero de dureza Rocknell serie A, B, C

HV VHN Hardness Vickes (Ingls) Nmero de dureza Vickers

ISS Ion scattering spectroscopy (Ingls) Espectroscopia de dispersin

de iones

PIXE X-ray emission induced by protons (ingls) Emisin de rayos X

inducida por protones

PLD Deposicin por lser pulsado

PSD Desorption stimulated photons (Ingls) Desorcin estimulada de

fotones

PVD Deposicin fsica en fase vapor

RBS Rutherford backscattering spectroscopy (Ingls) Espectroscopia

Retrodispersin de Rutherford

SAE: Sociedad de ingenieros automotores

SAM Scanning Auger Microscopy (Ingls) Microscopa de barrido Auger

SEM Scanning electron microscopy (Ingls) Microscopa electrnica de

barrido

SIM Scanning ion microscopy (Ingls) Microscopa inica de barrido

SIMS Secondary ion mass spectroscopy (Ingls) Espectrometra de

masas de iones secundarios

SIMS Secondary ion mass spectroscopy (Ingls) Espectroscopia de

masas de iones secundarios

STEM Transmission electron microscopy combined (Ingls) Microscopa

electrnica de transmisin y barrido

STM Scanning tunneling microscopy (Ingls) Microscopa de barrido de

tnel

Pgina | 10

TEM Microscopa electrnica de transmisin

TEM Transmission electron microscopy (Ingls) Microscopa electrnica

de transmisin

XAS Absorption Spectroscopy X-ray (Ingls) Espectroscopia de

absorcin de rayos X)

XPS Photoelectron Spectroscopy X-ray (Ingls) Espectroscopia de

fotoelectrones por rayos X

XRD Difraccin de rayos-X

Pgina | 11

LISTA DE TABLAS

pg.

Tabla 1. Historia de los aceros ............................................................................... 32

Tabla 2. Transformacin Austenita-perlita y viceversa .......................................... 40

Tabla 3. Comparativo Hierros alfa, gamma y beta ................................................. 41

Tabla 4. Propiedades de los materiales. ................................................................ 53

Tabla 5. Problemas y causas en el temple ............................................................ 57

Tabla 6. Datos ensayos de microdureza ................................................................ 62

Tabla 7. Aplicaciones y requerimientos de las capas delgadas ............................. 64

Tabla 8. Tcnicas de anlisis y observacin de superficies de capas delgadas .... 69

Tabla 9. Frmulas para calcular tasa de la energa lser absorbida ...................... 74

Tabla 10. Anlisis de la solucin de ecuacin de conduccin de calor .................. 77

Tabla 11. Variables del Proyecto ........................................................................... 79

Tabla 12. Equipos y herramientas ......................................................................... 84

Tabla 13. Proceso de desbaste y pulido de la probeta .......................................... 92

Tabla 14. Tratamiento trmico en mufla de probetas de acero AISI/SAE 4140 ..... 97

Tabla 15. Reactivo de ataque (composicin y efectos). ......................................... 98

Tabla 16. Procedimiento de toma de microdureza ................................................. 99

Tabla 17. Procedimiento de observacin de micro estructuras y toma de

micrografas ......................................................................................................... 103

Tabla 18. Composicin Qumica (% en peso) ...................................................... 124

Tabla 19. Propiedades Fsicas: ............................................................................ 124

Tabla 20. Propiedades Mecnicas-1 .................................................................... 125

Tabla 21. Propiedades Mecnicas-2 .................................................................... 125

Tabla 22. Equivalencias ....................................................................................... 125

Tabla 23. Tratamiento Trmico ............................................................................ 125

Tabla 24. Densidades pticas de gafas o caretas de seguridad. ......................... 134

Pgina | 12

LISTA DE FIGURAS

pg.

Figura 1. Resultado modelacin del acero AISI W112 ........................................... 30

Figura 2. Convertidor Bessemer ............................................................................ 33

Figura 3. Acero ...................................................................................................... 34

Figura 4. Produccin del Acero .............................................................................. 35

Figura 5. Tipos de acero segn AISI/SAE.............................................................. 36

Figura 6. Clasificacin de los aceros ..................................................................... 37

Figura 7. Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)......................................................... 40

Figura 8. Partculas elementales del tomo ........................................................... 43

Figura 9. Estructura cristalina ................................................................................ 44

Figura 10. Estructura Cristalina BCC ..................................................................... 45

Figura 11. Estructuras Cristalinas .......................................................................... 46

Figura 12. Tamao de grano.................................................................................. 47

Figura 13. Lmite de grano ..................................................................................... 48

Figura 14. Ferrita (cristales blancos) ...................................................................... 49

Figura 15. Cementita (red blanca) ......................................................................... 50

Figura 16. Perlita (cristales oscuros) ...................................................................... 51

Figura 17. Austenita ............................................................................................... 51

Figura 18. Martensita ............................................................................................. 52

Figura 19. Temperaturas de transformacin .......................................................... 54

Figura 20. Grafica tiempo y temperatura................................................................ 56

Figura 21. Velocidades de enfriamiento ................................................................. 57

Figura 22. Diagrama TTT. Isotrmico .................................................................... 59

Figura 23. Penetrador Vickers ............................................................................... 61

Figura 24. Angulo tangente del penetrador ............................................................ 62

Figura 25. Designacin numero dureza Vickers. ................................................... 62

Pgina | 13

Figura 26. Sectores econmicos que aplican capas delgadas. ............................. 64

Figura 27. Regiones interaccin recubrimiento/substrato ...................................... 66

Figura 28. Tcnicas de preparacin de capas delgadas ........................................ 67

Figura 29. Intervalo de espesores en las diferentes tcnicas. ............................... 68

Figura 30. Temperaturas tpicas de preparacin ................................................... 68

Figura 31. Resolucin espacial de diversas tcnicas de anlisis y espesor de la

superficie................................................................................................................ 71

Figura 32. Fotn ..................................................................................................... 72

Figura 33. Emisin estimulada y espontanea ........................................................ 72

Figura 34. Dimensiones del cabezal ptico del lser (mm) .................................... 73

Figura 35. Mecanismos principales proceso ablacin lser-materia ...................... 76

Figura 36. Transicin de interbandas ..................................................................... 77

Figura 37. Esquema de la evolucin temporal de la temperatura superficial ......... 78

Figura 38. Logo del CIF ......................................................................................... 81

Figura 39. Logo del ETITC ..................................................................................... 81

Figura 40. Probeta acero AISI/SAE 4140............................................................... 89

Figura 41. Huellas de direccin en proceso de pulido grueso................................ 90

Figura 42. Proceso de desbaste manual ............................................................... 91

Figura 43. Pulido fino ............................................................................................. 91

Figura 44. Patrn de huella de quemado. .............................................................. 92

Figura 45. Ubicacin porta muestra en la mesa ptica .......................................... 93

Figura 46. Fuente de alimentacin ......................................................................... 93

Figura 47. Ataque con lser pulsado de Nd: YAG ................................................. 95

Figura 48. Huella del proceso de ablacin lser-materia. ...................................... 95

Figura 49. Patrn de huella de quemado a 25 000 pulsos ..................................... 96

Figura 50. Mufla ..................................................................................................... 96

Figura 51. Ataque qumico con Nital .................................................................... 101

Figura 52. Microestructura de probeta sin tratar 500X ......................................... 104

Figura 53. Anlisis resultado microdureza mufla ................................................. 106

Figura 54. Comportamiento de Dureza en mufla segn medio de enfriamiento .. 106

Pgina | 14

Figura 55. Microdureza en funcin de la energa lser Nd: YAG. ........................ 108

Figura 56. Proyeccin micro dureza en funcin de la energa lser .................... 108

Figura 57. Microestructura probetas en mufla entre 7,7 J a 29,5 J. ..................... 109

Figura 58. Microestructuras probetas mufla a 35,3 J segn medio de enfriamiento

............................................................................................................................. 110

Figura 59. Microestructura probetas tratadas en lser a 7,7 J ............................. 112

Figura 60. Microestructura probetas tratadas en lser a 10,8 J ........................... 112

Figura 61. Microestructura probetas tratadas en laser a 13,9 J ........................... 113

Figura 62. Microestructura de probetas tratadas en laser a 17 J ......................... 113

Figura 63. Micrografa caracterstica del ataque lser. ........................................ 114

Figura 64. Acero AISI/SAE 4140 .......................................................................... 125

Figura 65. Ubicacin laser Nd: YAG en las radiaciones electromagnticas ........ 126

Figura 66. Diagrama del Nd: YAG y cmara de bombeo (Vista transversal) ....... 127

Figura 67. Diagrama de funcionamiento del lser. ............................................... 128

Figura 68. Funcionamiento normal del pulso ....................................................... 129

Figura 69. Modo pulsado de funcionamiento del lser ......................................... 129

Figura 70. Diagrama caracterstica del pulso lser Q- Switched modo pulsado. . 130

Figura 71. Diagrama simplificado de un lser Nd: YAG Q-Switched. .................. 131

Figura 72. Distribucin del cabezal ptico del Brilliant B ...................................... 135

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LISTA DE ANEXOS

pg.

Anexo A. Ficha Tcnica Acero AISI/SAE 4140 .................................................... 124

Anexo B. Descripcin del equipo lser y su funcionamiento ................................ 126

Anexo C. Curso-grama analtico .......................................................................... 137

Anexo D. Ficha de registro nmero de pulso lser Nd: YAG ............................... 139

Anexo E. Ficha de registro pesos de las probetas ............................................... 140

Anexo F. Conversin temperatura a energa ....................................................... 141

Anexo G. Ficha de cantidad de energa por pulsos ............................................. 142

Anexo H. Ficha de registro microdureza proceso ablacin lser - materia .......... 143

Anexo I. Ficha de registro microdureza proceso mufla ........................................ 145

Anexo J. Ficha de promedios micro durezas Vickers .......................................... 147

Anexo K. Mtodo de prueba estndar para Knoop y Vickers dureza de los

materiales. ........................................................................................................... 148

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GLOSARIO

ABLACIN: Fs. Irradiacin con un lser para remover parte de la superficie de un material, sea esta un slido o lquido. AMPLIFICACIN: V. Amplificar. Aumentar la amplitud o intensidad de un fenmeno fsico mediante un dispositivo o aparato. BONIFICADO: Tratamiento trmico compuesto de un temple y sucesivo calentamiento (generalmente revenido) para mejorar las propiedades mecnicas de una aleacin metlica. CALOR ESPECFICO: Fsica Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado de temperatura. CARACTERIZACIN: Establecer las propiedades y caractersticas propias de un algo, que lo haga diferente de los dems. COMPRESION: Fs. Es el resultante de las tensiones o presiones que existen dentro de un slido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reduccin de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada direccin (coeficiente de Poisson). CORPUSCULAR: Corpsculo. Porcin muy pequea, generalmente microscpica, de materia. CUANTO: Fs. Valor mnimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema fsico, como la mnima variacin posible de este parmetro al pasar de un estado discreto a otro. CRUCIBLE: El acero crucible, denominado tambin acero de crisol, es un tipo de acero elaborado mediante un nmero de diferentes tcnicas fundamentadas en el lento proceso de calentamiento y enfriado del hierro puro en un crisol y siempre en presencia de carbono. DEFORMACIN PLSTICA: Deformacin de un material plstico producida por una fatiga superior al lmite elstico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. Tambin llamada fluencia plstica. DEPOSICIN EN CAPA FINA: Tcnica que se deposita una fina capa de un material sobre un substrato o sobre capas anteriormente colocadas.

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DESORCIN: Fs. Fenmeno por el cual un gas abandona un slido cuando este alcanza cierta temperatura. DIFUSIVIDAD: Trmica -Unidades mm2/s - es una propiedad especfica de cada material para caracterizar conduccin de calor en condiciones no estacionarias. ste valor describe que tan rpido un material reacciona a un cambio de temperatura. DUREZA: Propiedad fsica de los materiales que consisten en la resistencia a ser rayado o penetrado por otro, esto se da por la firmeza de las molculas que lo conforman. EPITALXIAL: Se refiere a la deposicin de una sobre capa cristalina en un substrato cristalino, donde hay registro entre la sobre capa y el substrato ERGIO: Unidad de medida de energa o trabajo, perteneciente al Sistema Cegesimal de Unidades (CGS), su smbolo es erg. ESPECTRO: Fs. Distribucin de la intensidad de una radiacin en funcin de una magnitud caracterstica, como la longitud de onda, la energa o la temperatura. ESPECTROSCOPIA: Fis. Es el estudio de la interaccin de la luz con la materia, en absorcin o emisin de energa radiante. FEMTO: Del noruego y dans femten quince. Significa una milbillonsima (1015) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo. f). FLUENCIA (Ingeniera de Materiales): Deformacin o alargamiento rpido que experimenta un material al aplicrsele un esfuerzo constante. Este fenmeno se presenta cuando las impurezas o los elementos minoritarios en la aleacin bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento y comenzando as la deformacin plstica. FLUENCIA (Lser): Densidad de energa del lser o energa emitida por pulso unidad de rea normal al haz. FOTOEMISIN: Fs. Expulsin de electrones de la superficie de un slido que es producida a causa de la energa de una radiacin electromagntica incidente. FOTN: Unidad bsica o partcula elemental, responsable de las manifestaciones cunticas del fenmeno electromagntico. Esta partcula porta todas las formas de radiacin electromagntica (rayos gamma, los rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio). El fotn viaja a una velocidad

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constante, no posee masa ni carga elctrica y posee propiedades de dualidad onda-corpuscular. HERTZ: Fs. Hercio Unidad de frecuencia del sistema internacional, que equivale a 1 ciclo por segundo. (Smb. Hz) IDENTADOR: Extremo de una mquina de ensayo de dureza en forma puntiaguda que presiona, con una carga determinada de antemano, sobre la superficie del material del que se desea saber la dureza. LSER: Es un dispositivo electrnico que genera un haz de alta intensidad. Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin. : LSER Nd: YAG: Sigla de Neodynium-doped y Itrium aluminium garnet, Es un dispositivo de emisin laser de estado slido que posee xido de itrio y aluminio cristalino cuya red hace de anfitrin ya que esta dopada con neodimio que hace de husped formado la especie (Nd: Y3Al5O12), una variedad de granate, su emisin caracterstica posee una longitud de onda de 1064 nanmetros, es decir, emite en el infrarrojo. LUMINANCIA: Densidad angular y superficial de flujo luminoso que incide, atraviesa o emerge de una superficie siguiendo una direccin determinada METAESTABLE: Adj. Fs. y Qum. Dicho de un sistema: Que se encuentra en equilibrio aparente, pero que puede cambiar a un estado ms estable. METALOGRAFA: Estudio de la microestructura de los metales o aleaciones que hacen relacin a sus propiedades fsicas, qumicas y mecnicas. MONOCROMTICO: Adj. De un solo color. NANO: Del latin nanus enano. Significa una milmillonsima (109) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo n). NANMETRO: Su smbolo es nm, es la unidad de medida de la longitud que equivale a una mil millonsima de un metro (1nm=10-9m), dimensiones en que se mide la radiacin ultravioleta, infrarroja y la luz. NEODIMIO: Elemento qumica de la tabla peridica, su smbolo es Nd y su nmero atmico es 60, pertenece a las tierras raras y a temperatura ambiente se encuentra en estado slido. ONDA ELECTROMAGNTICA: Fs. Forma de propagarse a travs del espacio los campos electromagnticos producidos por las cargas elctricas en movimiento y
http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_luminoso

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que, segn su intervalo de frecuencia, recibe denominaciones especiales; por ejemplo: ondas radioelctricas, microondas, ondas luminosas, rayos X, rayos gamma, etc. PICO: Significa una billonsima (1012) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo p). PLASMA: Es la cuarta fase de la materia, donde se proporciona a sus partculas cargas elctricas sin tener equilibrio electromagntico. PULSO ELECTROMAGNTICO: Fs. Dispersin de energa electromagntica de alta intensidad, en un periodo de tiempo determinado. PULSO: Fs. Variacin corta e intensa del valor de una magnitud RADIACIN ELECTROMAGNTICA: Radiacin electromagntica: est formada por la combinacin de campos elctricos y magnticos, que se propagan a travs del espacio en forma de ondas portadoras de energa. REFLECTANCIA: Fs. Propiedad de un cuerpo de reflejar la luz. SUBSTRATO O SUSRATO: Capa que est por debajo de otra. TENSIN: Fs. Es el estado de un cuerpo sometido a la accin de fuerzas opuestas

que lo atraen, como resultado de la cohesin electrosttica neta entre las partculas

de un slido cuando es deformado de forma que las partculas se separan unas de

otras apartndose de su posicin de equilibrio, en la cual esta fuerza se encuentra

balanceada por la repulsin a causa de las capas de electrones; como tal, es la

traccin que ejerce un slido al intentar recuperar su forma original ms comprimida.

WATTS: Vatio. Unidad de potencia del sistema internacional que da lugar a la produccin de 1 Julio por segundo. (Smb. W).
https://es.wikipedia.org/wiki/Capa_electr%C3%B3nica

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RESUMEN

El acero es uno de los mayores insumos utilizados en la industria. Teniendo en

cuenta sus mltiples aplicaciones, debe contar con diferentes propiedades; para

lograrlas, se utilizan los procesos de tratamientos trmicos (temple, revenido,

recocido, entre otros). En estos tratamientos se controla el calentamiento, el

enfriamiento y la temperatura para modificar su microestructura.

En los aos 80, se utiliz el lser1 pulsado Nd: YAG2, como la nueva tecnologa para

tratamientos trmicos; este proceso usa una longitud de onda de 1064 nm3 a 920

mJ4 con una duracin por pulso de 5,05 ns5, en este proceso los cambios de

microdureza se dan solo en la superficie. Aqu el calentamiento y enfriamiento es

extremadamente rpido.

Por esta razon el propsito de este proyecto es mostrar el proceso experimental

realizado en el acero AISI6/SAE7 4140, con el lser1 pulsado de Nd: YAG2 y

compararlo con probetas del mismo material tratadas con los tratamientos termicos

convencionales.

Tratamiento trmico, superficie, lser1, energa, Nd: YAG2, microdureza,

microestructura, acero.

1 Lser: Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin. 2 Nd: YAG: Granate de itrio y aluminio dopado con neodimio. 3 nm: Abrev. nanmetro 4 mJ. Abrev. miliJulio (10-3J) 5 ns. Abrev. nanosegundo 6 AISI sigla Instituto Americano del hierro y el acero 7 SAE: sigla de Sociedad de ingenieros automotores.

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INTRODUCCIN

Los tratamientos trmicos utilizan varios procesos de calentamiento y enfriamiento

para generar cambios en la estructura de un material. Estos procesos se dan en

tres etapas: aumento controlado de la temperatura (calentamiento), temperatura

constante por un tiempo determinado y enfriamiento a una velocidad establecida

(rpido o lento). El proceso de calentamiento se produce por conduccin donde la

transferencia de calor genera estados de excitacin molecular al interior del

material, estos procesos se dan en: el temple, recocido, revenido, entre otros.

El proceso con el lser1, cuando la radiacin electromagntica incide sobre la

superficie de un material, ocurren varios fenmenos: reflexin, absorcin, refraccin

y transmisin. Entre estos fenmenos, uno de los ms importantes es la absorcin

de la radiacin en los materiales. La energa lser1 absorbida por el material durante

la interaccin lser1 material es convertida en calor por degradacin de la energa

de excitacin primaria localizada. La conversin de la energa en calor y su posterior

conduccin dentro del material establece distribuciones de temperatura en el

material.

Dependiendo de la magnitud del ascenso de la temperatura, se originan varios

efectos en el material tratado: calentamiento, fusin, vaporizacin, formacin de

plasma. Estos efectos dependen de las caractersticas de la radiacin

electromagntica como la longitud de onda, su energa, tipo de emisin continua o

pulsada, entre otras, y, por otro lado, de las propiedades termo-fsicas del material

como su conductividad trmica y difusividad8 trmica.

Para este proyecto se utiliz el proceso de tratamiento trmico con lser1 para

generar de manera rpida, cambios en la microestructura de la superficie del acero

AISI6-SAE7 4140, logrando cambios en propiedades como dureza, resistencia a la

corrosin, al desgaste entre otros, este tipo de tecnologa nos brinda rplicas

idnticas. Adems por utilizar un proceso fsico se genera una tecnologa

8 Difusividad (trmica): Unidades mm2/s- es una propiedad especfica de cada material para caracterizar conduccin de calor

en condiciones no estacionarias. ste valor describe cun rpido un material reacciona a un cambio de temperatura.

Pgina | 22

competitiva y limpia: sin productos qumicos, ni residuos contaminantes y, por el

contrario, amigable con el medio ambiente; adems, es muy til para la industria, al

existir mltiples aplicaciones que buscan que la estructura interna del acero no sufra

cambios y contine flexible y su superficie sufra modificaciones en las fases que

favorezcan a su utilidad.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

Los tratamientos trmicos son procesos aplicados para modificar y mejorar las

caractersticas de los aceros o materiales utilizados (piezas, herramientas o

componentes en las mquinas y/o equipos industriales). Estas modificaciones

buscan que las piezas cuenten con caractersticas como resistencia al desgaste,

tenacidad, friccin, maquinabilidad, entre otras, y aunque se logran estos objetivos,

se afecta la pieza en su totalidad tanto interna como externamente y con bajo control

en la reproductividad de los resultados. Con el desarrollo tecnolgico de la

actualidad, donde las exigencias y requerimientos del material son an ms altas,

estos tratamientos no son suficientes para brindar solucin a este tipo de demandas.

En Colombia se vienen utilizando tratamientos trmicos fsicos (revenido, recocido,

normalizado y temple); Tratamientos que modifican toda la estructura del acero, y

los resultados obtenidos dependen de las diferentes variables (tiempo, temperatura

y/o transformacin), y estas variables son fcilmente afectadas por condiciones

externas en el proceso. Adems, algunos requieren procesos adicionales como el

enfriamiento en agua, aceite, soluciones salinas o al ambiente, para lograr los

cambios solicitados.

Ahora bien, no es fcil lograr estos resultados con estos tratamientos en piezas

tridimensionales o con geometras complejas, pues no se logran superficies

homogneas ni con espesores regulares. Adicional a esto, si varias piezas requieren

caractersticas idnticas, estos procesos no tienen la facilidad de reproducir dichas

caractersticas con los mismos resultados de calidad, durezas, fases y propiedades;

siempre existirn diferencias.

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1.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA

Qu tan significante es el cambio de dureza del acero AISI6/SAE7 4140, tratado

trmicamente con el proceso de lser1 pulsado Nd-YAG2, a los tratados con mufla

y a qu aplicacin industrial se puede optimizar utilizando los procesos

anteriormente mencionados, mejorando la reproducibilidad de los resultados

(dureza, resistencia al desgaste, resistencia a temperaturas, resistencia a la

corrosin) con un mayor control de las variables?

1.3 HIPTESIS

El proceso con laser1 es una tcnica de vanguardia en los tratamientos trmicos,

pues al modificar la estructura superficial de la pieza, logra marcar la diferencia con

los tratamientos convencionales, alcanzando un mayor control en la reproducibilidad

del proceso y un avance tecnolgico notable, en el control de las variables como la

energa y microdureza.

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2. JUSTIFICACIN

Este proyecto busca ser pionero en la ETITC, constituyendo un punto de partida

para el desarrollo de nuevas iniciativas de investigacin aplicada o bsica, para

promover as el desarrollo tecnolgico, la creacin de empresa y la fabricacin de

mquinas o equipos. Un trabajo que busca ser reconocido por su impacto,

beneficios, avance tecnolgico y nivel de investigacin, adems de ser una

herramienta de conocimiento y crecimiento profesional para las autoras, que

constituya un escaln ms en el proceso de formacin como Ingenieras de Procesos

Industriales.

En la dcada de los aos 60 se descubre un dispositivo que revoluciona los

procesos de tratamientos trmicos: el lser1. Pero es solo hasta los aos 80 que el

lser1 se comienza a utilizar para conocer realmente sus aplicaciones, y es, en ese

momento, cuando se determina uno de los mejores lseres: el de Nd: YAG2, un

lser1 pulsado que realiza procesos de tratamientos trmicos con excelentes

resultados en las piezas tratadas, modificando solamente la superficie de la pieza

sin alterar su estructura interna. Es ms, sus resultados son fcilmente

reproducibles en la cantidad de piezas que se requieran, por tanto, la calidad

obtenida es la misma en cada una de ellas; este resultado se logra gracias a que

las variables no son afectadas por condiciones externas. Estos resultados, en

correspondencia, potencializan las propiedades de los aceros y, por consiguiente,

sus aplicaciones en la industria. Para este tipo de tratamiento, se defini el acero

AISI6-SAE7 4140 (Acero al medio carbono aleado) como el ideal para desarrollar la

investigacin; este es un acero de aleacin que puede permitir una buena

penetracin de la dureza, homogeneidad de la misma y resistencia al desgaste.

Dentro de los resultados esperados, se lograr que piezas como los esprragos o

tornillos (piezas claves en una caldera, una turbina de vapor o plantas qumicas,

que necesitan caractersticas de resistencia de temperaturas que oscilan entre los

150C a 300C), puedan resistir temperaturas superiores a las que son expuestas

en las condiciones de operacin normales en los equipos de los que hacen parte,

ampliando as la vida til de la pieza y mejorando las condiciones de operacin de

la mquina. Finalmente, se busca brindar nuevos conocimientos y campos de

aplicacin con procesos limpios y econmicamente rentables y sostenibles.

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3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar el anlisis de los cambios de microdureza obtenidas en el acero AISI6/SAE7

4140 tratado trmicamente en: horno tipo mufla y con lser1 pulsado Nd: YAG2.

3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Describir el proceso de ataque con lser1 pulsado Nd: YAG2 en piezas de

acero AISI6-SAE7 4140.

Atacar probetas con lser1 pulsado Nd-YAG2, variando la cantidad de

energa.

Tratar trmicamente probetas a diferentes temperaturas en horno tipo mufla.

Analizar los cambios de microdureza y microestructura obtenidos en cada

tratamiento.

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4. MARCO REFERENCIAL

4.1 ANTECEDENTES

Las piezas, elementos y herramientas que conforman las mquinas y equipos que

se utilizan en la industria aviacin, aeroespacial, automotriz y petroleras, requieren

propiedades fsico-qumicas especiales como los son: la capacidad para soldarse,

dureza, tenacidad y resistencia a altas temperaturas, entre otras. En la dcada de

los 60 aparece el primer laser1 de alta energa y es hasta la dcada de los 80, que

se inicia el uso del lser1 en tratamientos trmicos para generar lminas delgadas

que cumplan las caractersticas ya mencionadas, las cuales son difciles de obtener

con las tcnicas convencionales. A continuacin se citan algunos artculos y tesis

relacionados con el tema de investigacin, Para documentar el estado del arte en el

campo de estudio.

A nivel internacional los documentos sobre la investigacin son suficientemente

amplios y entre los cuales se encuentran:

Los Sr. Salas, Garca, Fernndez, et al, autores del artculo titulado

Regmenes de ablacin9 lser1 en la elaboracin de pelculas delgadas,

(Venezuela, 2010) tenan la intencin de estudiar la interaccin lser1-

materia, para conocer la fsica involucrada. Mejorar los mecanismos de

ablacin9, de manera que sea posible optimizar el proceso de creacin de

pelculas delgadas, para esto analizaron los regmenes de ablacin9 (pulsos

cortos y largos), relacionando el tiempo (nano10, pico11 y femto12 segundos)

y la interaccin laser1-materia y buscando una ecuacin que permita estimar

la densidad de potencia para remover materia de la muestra (ablacin9 en

los diferentes regmenes). Con este anlisis se concluy que de acuerdo a

9 Ablacin: Fs. Irradiacin con un lser para remover parte de la superficie de un material, sea esta un slido o lquido 10 Nano: del latin nanus enano. Significa una milmillonsima (109) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el

submltiplo correspondiente. (Smbolo .n). 11 Pico: Significa una billonsima (1012) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo p). 12 Femto: Del noruego y dans femten quince. Significa una milbillonsima (1015) parte. Con nombres de unidades de

medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo. f).

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los regmenes y al proceso de deposicin, se determina la mnima fluencia13,

y que para materiales dielctricos, as como materiales con alta densidad de

enlaces y slidos con gran contenido de enlaces covalentes e inicos, se

requiere mayor fluencia13 de energa en el haz lser para que ocurra la

ablacin9. (SALA P., y otros, 2010)

Otro artculo de inters es el publicado por los seores Martinez, Ukar y

Lamikiz (Espaa, 2010) Simulacin del proceso de temple por lser1 en

piezas de geometra compleja, donde se busc determinar el espesor

endurecido y campo trmico en operacin de temple por lser1, haciendo uso

de un software. Para esto se hizo una simulacin del proceso real del temple

para estandarizar los parmetro dependientes: tipos de lser1, materiales,

condiciones de trabajo (prdidas globales del proceso, potencia conducida

para aumentar temperatura y parmetro de transformacin del material

(curvas de calentamiento)), y se realiz una serie de pulsos de distinta

duracin y potencia sobre la pieza con un lser1 de diodos de alta potencia

sobre el acero AISI D214, para obtener los parmetros que gobiernan las

ecuaciones de transformacin en estado slido y predecir el porcentaje de

fase austenizada junto con la profundidad de capa afectada trmicamente,

como resultado se obtuvo que la dureza del AISI D214 luego de los ajustes

de los parmetros fue de 62 HRC15, cuando en estado original posea una

dureza de 28 HRC15. (MARTNEZ , y otros, 2010)

En Venezuela (2001) Ricardo Castell autor del artculo Ablacin9 lser1.

estudio fundamental y aplicacin de los plasmas, buscaba obtener

informacin cuantitativa sobre parmetros caractersticos (densidades

electrnicas y temperaturas), de tales plasmas, as como tambin la

evolucin espacio-temporal de estados atmicos excitados de inters

especfico, por medio de una espectroscopia a dichos plasmas los cuales

eran de Ti16 y Zr16, generados por un lser1 pulsado con gas (Oxgeno o

Nitrgeno), que producen un revestimiento el cual modificaba las

caractersticas y propiedades superficiales de un material. Sus conclusiones

fueron que el estudio es fundamental en el desarrollo de modelos tericos,

13 Fluencia: La energa emitida por pulso por unidad de rea normal al haz. 14 AISI D2: es un acero de herramientas para trabajo en fro. (GGD METALS) 15 HRC: Hardeness Rockwell C-Dureza Rockwell C. 16 Ti: Titanio y Zr: Circonio.

Pgina | 29

que la temperatura favorece a la reaccin entre un material removido de un

slido y un gas que forman compuestos, los cuales al adherirse a la superficie

de un material cambia sus propiedades fsicas y finalmente que los

parmetros del proceso tales como la temperatura del substrato17, la presin

del gas atmosfrico y la distancia blanco-substrato17 deben ser optimizados

para asegurar la elaboracin y adherencia de revestimientos cermicos

homogneos y de calidad. (CASTELL M., 2001)

El Artculo sobre Modelacin del endurecimiento superficial por lser1 del

acero AISI W11218 mediante el mtodo de elementos finitos, donde los

autores Coureaux, Sagar, Juy y Rodrguez (Espaa, 2009), buscaban

estimar el endurecimiento superficial por lser1 evaluando: la influencia de la

potencia, dimetro del haz, velocidad del barrido, microestructura y dureza

de la superficie tratada. Para esto se hizo una modelacin y una simulacin

experimental, con nueve casos teniendo en cuenta las variables: potencia

(W), dimetro (mm), velocidad (mm/s); tabulando los resultados y

comparando la profundidad endurecida experimental obtenida y la

profundidad endurecida modelada. Como resultados se obtuvieron:

martensita en la superficie hasta una determinada profundidad, dependiendo

las condiciones del tratamiento en la zona atacada, en la zona de transicin

de gnero martensita mas cementita secundaria y en la zona no afectada se

mantiene la estructura original (perlita globular), en conclusin La mejor

condicin de los tratamientos superficiales con lser1 evidenciada por la

relacin microdureza Vs. Profundidad del endurecimiento fue la combinacin

de potencia 100W, dimetro de 0,6 mm y la velocidad de barrido 1,0 mm/s,

obteniendo una profundidad endurecida de 0,25 mm y un ancho de 0,75 mm.

En esta combinacin se obtuvo una dureza por encima de los 1000 HV19

hasta una profundidad de 0,18 mm y una micro dureza de 400 HV19 hasta la

profundidad de 0,25 mm en una zona de transicin. En el resto del material

se presenta la estructura original no afectada por el calor con una dureza de

224 HV19 (COUREAUX MUSTELIER, y otros, 2009). (ver Figura 1)

17 Substrato: Capa que est por debajo de otra. 18 AISI W112: acero para fabricacin de herramientas de corte e implementos agrcolas. 19 HV: del Ingls Hardness Vickers Number (Nmero de dureza Vickers)

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Figura 1. Resultado modelacin del acero AISI W11218

Fuente: (COUREAUX MUSTELIER, y otros, 2009 pg. 56)

En el artculo Estudio del endurecimiento superficial por lser1 de

fundiciones grises, los autores Maco y Belzunce (Espaa, 1998) su objetivo

realizar un endurecimiento superficial con lser1 a tres fundiciones grises.

Teniendo en cuenta la variacin de microestructura, la profundidad

endurecida y la dureza obtenida, modificando la densidad de potencia y

velocidad de pasada, se utilizaron probetas en bloques sin tratamiento

trmico adicional, se recubrieron con pintura negra mate para garantizar la

absorcin de energa y evitar su perdida, luego fueron atacadas con lser1

de CO2 de 1800 W, la velocidad de pasada se fue aumentando de 50 en 50

unidades, dando como resultado una estructura ledeburitica y por debajo una

martensita, alcanzando una propiedad de dureza muy alta. (MACO, y otros,

1998)

Un artculo que describe el inicio del uso del lser1 en los procesos, es el

titulado Obtencin de capas delgadas por ablacin9 lser1 (Mxico, 1994),

sus autores Ponce, Fernndez, Jimnez y el at, queran dar a conocer las

tcnicas de ablacin9 lser1 para obtencin de capas delgadas, donde

hicieron una descripcin de los mtodos, principios fsicos y mecnicos del

proceso. Para su desarrollo utilizaron pastillas de grafito y selenio las cuales

fueron atacadas por un lser1 de Nd: YAG2 para realizar el experimento,

concluyeron que este lser1 es un sistema de alta energa, que proporciona

amplias gamas de evaporacin de diferentes materiales, adems lograron

evaporar selenio amorfo con buena calidad ptica y evaluar algunos

parmetros del plasma durante la evaporacin de grafito. (PONCE, y otros,

1994).

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En Colombia los documentos relacionados con la investigacin son pocos en su

mayora los encontrados son de la Universidad Nacional de Colombia de las sedes

de Medelln y Bogot, los cuales se mencionan a continuacin:

En el artculo ms reciente titulado Lattice-Boltzmann methodapplied to the

pattern formation on periodic Surface structures generated by multiline nano-

seconds lser19, los autores Fonseca, Alfonso y Andrade (Colombia, 2014)

validan por medio del mtodo de Lattice-Boltzmann y simulan la formacin

de patrones en superficies atacadas con lser1 pulsado de Nd: YAG2, se usan

muestras de silicio, las cuales fueron atacadas con un lser1 de Nd: YAG2 y

asistidas con soplado de gas de argn, como resultado se comprob que el

Mtodo de Lattice-Boltzmannque se puede reproducir bastante bien los

peridicos paralelos, estructuras, rayas y diagonales, encontrados

experimentalmente con el uso del lser1. (FONSECA., y otros, 2014)

En el artculo Refractiveindex of multiline nanosecond laser-induced periodic

Surface structures and poroussilicon sus autores Alfonso, Andrade y Arroyo

(Colombia. 2011), con el objetivo de estudiar el efecto del tratamiento con

lser1 Nd-YAG2 obleas de silicio mono cristalino, utilizando gas argn y otras

en un ambiente de atmosfera libre, el desarrollo experimental se realiz

atacando la pieza con el lser1 en los diferentes medios, y a travs de las

pruebas de reflectancia20 se comprob el porcentaje de energa reflejada. En

conclusin se tiene que en el ambiente con gas argn se refleja del 10% al

30% en la regin UV y del 60% al 80% en la regin IR, mientras en el

ambiente libre se presentaron estructuras y propiedades caractersticas del

silicio poroso. (ALFONSO ORJUELA, y otros, 2011)

Para finalizar en la tesis de doctora del Sr. Alirio Castillo titulada Produccin

y caracterizacin de pelculas en bicapas de BC/BC2N21 crecidas por la

tcnica de ablacin9 laser1 (Colombia, 2010) se buscaba encontrar un

mtodo de sntesis para preparar recubrimientos de fcil aplicacin, se

sintetizaron las pelculas de BC21, BC2N21 con un lser1 PLD22, usando un

substrato de silicio como base y una atmosfera de metano, tomaron como

variable la temperatura depositada al substrato, el resultado fue que luego de

20 Reflectancia: (fsica). Propiedad de un cuerpo de reflejar la luz. 21 BC: Carburo de boro y BC2N: Nitro carburo de boro 22 PLD: sigla de Pulsed laser deposition - Deposicin por lser pulsado

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la usar las diferentes tcnicas (TEM, AFM, XRD y SIMS)23 en las dos

pelculas, la temperatura modifica la composicin de la capa en una ms que

en la otra, variando su microestructura. (CASTILLO CUERO, 2011)

4.2 MARCO CONCEPTUAL

4.2.1 Acero.

La historia del acero no cuenta con informacin precisa del origen y fecha del

descubrimiento de los aceros, sin embargo en la siguiente tabla (Ver Tabla 1)

encontrara compilado algunos datos encontrados en diferentes fuentes.

Tabla 1. Historia de los aceros

FECHA DESCRIPCIN

3000 A.C. Primeros utensilios y adornos de hierro en Egipto

1500 A.C. Descubrieron el hierro para uso industrial (se mantuvo en secreto hasta 1200

A.C.) Medzamor, Armenia del Norte de Ararat.

1400 A.C. Aceros provenientes del Este de frica

1000 A.C. Los griegos conocan la tcnica de endurecer armas de hierro mediante

tratamientos trmicos

300 A.C. Produccin del acero wootz o damasco24 , en hornos de viento soplado por

los monzones. India y Sri Lanka.

200 A.C. Los indios fabricaban acero.

Los artesanos de la India dominaban un mtodo para producir acero. (Crisol)

202 A.C. y 220

D.C.

Distancia Han en la China antigua, derretan hierro forjado con hierro fundido

para producir acero y mejorar el carbn intermedio.

Siglo IV A.C. Armas como la falcata25 fueron producidas en la Pennsula Ibrica.

Siglo IV D.C Hierro forjado. Aleaciones de hierro fabricado por artesanos.

Aumento del tamao de hornos de fundicin e incremento del tiro para paso

de gases de combustin.

Siglo V En China se adoptan mtodos para la creacin de acero wootz.

Fuente: Elaboracin autores

23 TEM, AFM, XRD y SIMS. Tcnicas de anlisis y observacin de superficies. Ver tabla de abreviaciones. 24 Acero Damasco. Aceros de 15% de carbono, llamados aceros de ultra alto carbono. (MARTNEZ GMEZ, 2012) 25 Falcata. Del lat. [spatha] falcta [espada] en forma de hoz. f. Espada de hoja curva y con estras longitudinales usada por

los antiguos iberos.

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Tabla 1. (Continuacin)

FECHA DESCRIPCIN

Siglo IX al X El acero crucible26 Steel producible por aleaciones de acero, empleando

calor y enfriamientos. Merv

1740 Redescubrimiento del acero al crisol.

Benjamin Huntsman redescubri el procedimiento Indio (Crisol) acero de alta

calidad.

1856 Convertidor Bessemer. Produccin de acero en grandes cantidades (Ver

Figura 2)

1857 William Siemens descarburiza la aleacin de acero con ayuda de xido de

hierro.

1864 Horno de solera abierta. William y Friedrich Siemens. Mtodo para

precalentar el aire inyectado a los hornos.

1902 Paul Herolt invento el horno elctrico para la produccin de aceros.

1948 Se utiliza oxigeno bsico (L-D)27, para los procesos de refinado de acero en

Austria.

1950 Colada continua para producir perfiles laminados, mtodo tradicional de

moldeo.

1960 Produccin de acero a partir de chatarra en mini hornos que emplean

electricidad.

2007 Metales y metaloides en forma de ferro-aleaciones, unidos al acero para

mejorar las propiedades.


Figura 2. Convertidor Bessemer

Fuente: http://www.iesporza.educa.aragon.es/hmc/rev_ind_exe/convertidor_bessemer.gif

26 Acero crucible: acero elaborado en diferentes tcnicas basadas en el lento proceso de calentamiento y enfriado del hierro

puro en un crisol, es por ello que al acero crucible se le da el nombre de acero crisol. 27 El convertidor L-D es conocido por los topnimos austriacos Linz y Donawitz (un distrito de Leoben), donde se desarroll

esta tcnica. (MORO VALLINA, 2016 pg. 140)
http://www.iesporza.educa.aragon.es/hmc/rev_ind_exe/convertidor_bessemer.gif

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4.2.1.1 Definicin de Acero. El acero es una aleacin de hierro carbono

(mximo de 2% de carbono), al cual se le adicionan variados elementos de aleacin,

estos le confieren propiedades mecnicas especficas ideales para sus diferentes

usos en la industria (ver Figura 3). Los principales elementos de aleacin son:

Cromo, Tungsteno, Manganeso, Nquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre,

Azufre y Fosforo. (PEA PUERTA, y otros, 2013)

Figura 3. Acero

Fuente: http://acerobsv.com/imagenes/productos/Carbon.jpg

Para producir el acero se requiere mineral de hierro, carbn de coque y piedra

caliza, los cuales se funden en un alto horno; de este proceso resulta la escoria

(residuos) y el arrabio (alto contenido de carbono), este es transportado a los hornos

para disminuir su contenido de carbono al mezclarlo con ferroaleaciones, fundentes

o chatarra y as obtener el ACERO fundido.

Finalmente este acero lquido pasa a las coladas o moldes que le dan su forma final

para ser comercializado. (Ver Figura 4).
http://acerobsv.com/imagenes/productos/Carbon.jpg

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Figura 4. Produccin del Acero

Fuente: (MAMLOUK, y otros, 2009 pg. 93)

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4.2.2 Tipos de Acero.

Existen muchas formas de clasificar e identificar los aceros, pero existe una

normalizacin estandarizada expresa por cifras, letras y signos. Se usan dos

componentes para la identificar el tipo de material, uno es simblico y otro numrico.

El simblico hace referencia a las caractersticas qumicas, fsicas o tecnolgicas

del material, mientras que la numrica expresa una codificacin alfanumrica que

tiene un orden y clasificacin de elementos. Las normas AISI6/SAE7 clasifican los

aceros en diferentes grupos, segn su composicin d % de Carbono. (Ver Figura

5).

Figura 5. Tipos de acero segn AISI6/SAE7

Fuente: (KRAUSS, 2015)

Aceros al carbono.

La norma AISI6/SAE7 utiliza el siguiente esquema: AISI6/SAE7 10XX, donde XX

indica el contenido de Carbono (C), los dems elementos presentes no estn en

porcentajes de aleacin al ser pequeo su valor. Ms del 90% de los aceros son al

carbono. Pues contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de

manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. (MAMLOUK, y otros, 2009)

Aceros aleados.

Los que contienen adems de hierro y carbono, otros elementos que aumentan su

resistencia. En la Figura 6, se relaciona la clasificacin de los aceros segn su

porcentaje de carbono y otros compuestos.

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Figura 6. Clasificacin de los aceros

Fuente: (KRAUSS, 2015)

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4.2.2.1 Acero de cromo molibdeno. El Acero AISI6/SAE7 4140 est

clasificado dentro de los aceros Cromo-Molibdeno (Cr-Mo) por ser de baja aleacin

y medio carbono, se considera un acero de alta aleacin diseada para que tenga

buena resistencia y tenacidad. Se encuentra en dos formas: templado (4140) y pre-

templado el cual se trata trmicamente en la fundicin (4140HJ). (PEA PUERTA,

y otros, 2013 pg. 43)

Es un acero con una dureza en recocido (190 HBN28 91 HBN28) o pre-templado

247-301 HBN28 (24-32 HRC29). Su contenido de cromo le permite una buena

penetracin de la dureza y resistencia, el cromo forma carburos simples (Cr_7

C_3-Cr_4 C y complejos) {(FeCr)3 C}, que tienen alta dureza y resistencia al

deterioro, estos carburos de cromo al ser duros afinan el tamao de grano,

aumentando la tenacidad y la dureza. El molibdeno es fuerte formador de carburos,

los cuales se disuelven con la ferrita y ejerce un fuerte efecto de templabilidad y

aumento de la dureza, dndoles homogeneidad y resistencia a altas temperaturas.

Este acero responde bien al temple al aire y en aceite, elevando con esto sus

propiedades y obteniendo: resistencia al desgaste, torsin, flexin, traccin y

corrosin atmosfrica, capacidad para soldarse soldabilidad, tenacidad y

ductilidad. (ESTEVES, y otros, 1980 pgs. 38-39). En el Anexo A, muestra la ficha

tcnica del acero AISI6/SAE7 4140, utilizado para el desarrollo experimental del

proyecto.

4.2.3 Diagrama Hierro Carbono.

Los aceros trabajados en la industria no son 100% metales, son aleaciones. Dentro

de estas aleaciones est el hierro que se encuentra en mayor proporcin y el

carbono que de acuerdo al porcentaje contenido tiene influencia en las propiedades,

caractersticas y tratamientos del acero. Es por eso que el diagrama Fe-C30 es una

representacin grfica de las transformaciones de las aleaciones en

calentamientos, enfriamientos lentos.

La temperatura genera procesos de transformacin de disolucin y solidificacin de

los metales, cuando la concertacin que tiene la temperatura de solidificacin

28 HBN: Hardness Brinell Number (Ingls) Nmero de dureza Brinell. Ver tabla de abreviaciones 29 HRC: Hardness Rocknell Series A, B, C (HRA, HRB y HRC) (Ingls) Numero de dureza Rocknell serie A, B, C

30 Fe: Hierro y C: Carbono

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inferior a las dems concentraciones (APRAIZ BARREIRO, 2000), se le denomina

concentracin EUTECTICA, cuando la solucin aumenta la concentracin de

materia disuelta, se le denomina HIPEREUTECTICA y cuando la concentracin de

materia disuelta disminuye, se le denomina HIPOEUTECTICA.

4.2.3.1 En las aleaciones Hierro Carbono. El carbono se encuentra

combinado con hierro, formando carburo de hierro (Fe3C)31, o cementita, que

contiene 6,67% de carbono. Es un compuesto con propiedades definidas y

diferentes a las del hierro y el carbono.

En la aleacin Fe-C30, existe una aleacin eutctica (ledeburita), con 35,5% de Fe30,

64,5% de Fe3C31 y 4,3% de C30, la cual presenta el punto de solidificacin ms bajo.

(APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 24)

Al iniciarse la solidificacin se precipitan cristales de Fe30 con el Fe3C31, estas son

soluciones hipo-eutcticas, y en las soluciones hiper-eutcticas se precipitan

cristales de Fe3C31. El contenido de Fe3C31 vara entre 0 y 25.5% (1.7% de C30), el

Fe3C31 a altas temperaturas se va precipitando formado cristales de austenita que

con enfriamiento lento se va transformando en (Ver Figura 7):

Cristales de Austenita

Cristales de Hierro (Ferrita)

Cristales de Carburo de Hierro (Cementita) y

Cristales eutectoides con 0.90% de Carbono (Perlita)

31 Formula qumica del carburo de hierro (Fe3C)

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Figura 7. Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)

Fuente: Tratamiento Trmico de los Aceros. (APRAIZ BARREIRO, 2000)

Tabla 2. Transformacin Austenita-perlita y viceversa

TEMPERATURA CELSIUS

Calentamiento 725 a 740C

Enfriamiento 690 a 700C

Fuente: (APRAIZ BARREIRO, 2000)

Cuando ocurre este proceso de enfriamiento lento de la austenita, si esta contiene

ms de 0.90% de C30 aparecern primero cristales de cementita, mientras que si su

contenido es menor al 0.90% C30, aparecern inicialmente cristales de ferrita, hasta

que quede una composicin eutctoide (0.90% C30) y la masa restante ser una

composicin de los cristales iniciales. La solubilidad del Fe3C31 en el Fe30 es total

a 1145C donde la austenita es de 25.5% Fe3C31 (1,7% C30), en temperaturas poco

por encima de 721C no hay solubilidad y por debajo de 721C el Fe3C31 es insoluble

en el Fe30 (0,035% C30) Ver Tabla 2. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 14)

Estas temperaturas varan dependiendo de la velocidad con que se de cada una, el

hierro puro, no sufre transformacin a 721C. Una comparacin de las

caractersticas de cada uno de los hierro se muestra en la Tabla 3 (BAWA, 2007

pg. 402)

Pgina | 41

Tabla 3. Comparativo Hierros alfa, gamma y beta

HIERRO ALFA () HIERRO GAMMA () HIERRO DELTA ()

Hierro puro

%C bajo a T entre 898C -

910C

No disuelve el C30 ni el Fe3C 31

, si lo hace es en

concentraciones de 0,035% a

721C o 0.008% a

temperatura ambiente.

Disposicin atmica a T

ambiente (estado slido)

cubo en cuerpos centrados (

9 tomos 1 centro 8

vrtices) Parmetros del

sistema cristalino 2.85 a 2.90

32

Hierro () No magntico

aparece a 910 a 768C

Hierro () magntica aparece

por debajo de 768C.

Estos hierro cristalizan de la

misma forma y su capacidad

de disolucin del C30 es casi

igual.

Se encuentra en

temperaturas entre

898C -910C.

Disuelve el C30 o el

CFe331 a 1,7%

Disposicin atmica

cubos en caras

centradas (14 tomos

6 caras 8 vrtices)

Parmetros del sistema

cristalino 3,65 a 3.70 32

Se presenta en

temperaturas

entre 1535C y

1400C

Disposicin

atmica cubos en

cuerpos

centrados.

Parmetro del

sistema cristalino

2.93 32

No es interesante

este estado a nivel

industrial.


Puntos crticos de los aceros aleados:

Se clasifican los aceros en tres grupos, hipoutectoides, eutectoides e

hiperutectoides.

- Los aceros hipoutectoides son de poco uso, solo tienen un punto crtico

Ac32133, donde los componentes se transforman bruscamente en austenita,

en el enfriamiento ocurre lo contrario la austenita se transforma en perlita en

el mismo punto crtico Ar32134.

- Los aceros hipoutectoides son usados para la fabricacin de mquinas y

herramientas, tienen dos puntos crticos Ac133 (formacin brusca de austenita

32 Armstrog: Unidad de longitud que equivale a la diezmillonsima parte de un milmetro (1 =0,0000001 mm). el armstrog

se emplea para mediciones de tomos" 33 Chauffage (francs) Calentamiento "Ac" 34 Refroidissement (francs) Enfriamiento "Ar

Pgina | 42

eutctica) y Ac333 (estado austnitico completo), en el enfriamiento los puntos

crticos son los mismos Ac133 y Ac333.

- Los aceros hiperutecticos son usados en la fabricacin de herramientas, sus

puntos crticos no estn definidos pues los anlisis muestran variaciones en

las temperaturas (20 a 60C), lo que no permite definir exactamente los

puntos crticos en Ac33 y Ar34. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 39)

Procedimiento para determinar los puntos crticos:

Entre estos procedimientos encontramos: la temperatura, la absorcin o

desprendimiento de calor, la expansin o contraccin, cambio de dureza y tamao

de grano, propiedades magnticas entre otras. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 45).

Los usados en este proyecto fueron la medida de dureza y cambio de grano,

adems del mtodo metalogrfico, estos se explican brevemente a continuacin:

- Medida de dureza y cambio de grano: Se calienta el material a diferentes

temperaturas crecientes y escalonadas, luego utilizando un medio se enfran

rpidamente. Con esto proceso se obtiene la mayor dureza y el grano ms

fino.

- Mtodo Metalogrfico: Estudio de la estructura que se obtiene al enfriar

rpidamente la probeta del acero a temperaturas variables y ataque.

4.2.4 Estructura de los materiales.

Se explican los aspectos relacionados con la estructura atmica, cristalina y

microestructura, aspectos importantes y fundamentales por cada material, sus

propiedades y aplicaciones.

Estructura atmica

La unidad estructural de la materia es el tomo. La estructura atmica es como

estn formados los tomos que forman a los materiales, su disposicin geomtrica

y la interaccin entre ellos (HINOJOSA, 2007).

Pgina | 43

Las partculas que forman el tomo son:(Ver Figura 8 ):

- Electrones (carga negativa)

- Protn (carga positiva)

- Neutrn (carga neutra)

Figura 8. Partculas elementales del tomo

Fuente: http://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwy QcbI/AAAAAAAAADs/

54DCTJLQD3E/s1600/atomo.png

La unin de los tomos forma las molculas y la unin de las molculas crea las

distintas formas de la materia. Para mantener unidos estos elementos en el tomo,

existen enlaces como son: inico, covalente y metlico. En los metales se presenta

el enlace metlico, pues en estado slido, los tomos de los metales tienen una

ordenacin sistmica o estructura cristalina. Los tomos estn tan juntos que los

electrones externos de valencia son atrados por los ncleos de los tomos

cercanos. Con esto es claro que los electrones de valencia no pertenecen a un nico

ncleo sino que se extienden en forma de nube electrnica de carga de baja

densidad (GROOVER, 1997 pg. 98).

Los tomos y las molculas son los elementos de construccin de la materia y en

esta se pueden distinguir dos estructuras: la cristalina y la no cristalina. Como la

estructura cristalina es una caracterstica de los metales nos enfocaremos en su

explicacin.

Estructura cristalina

En esta estructura los tomos se disponen en orden geomtrico conocido como

malla o red espacial. Esta estructura se alcanza en los metales y la mayora de los

minerales. Como lo menciona E. Paul Demargo y et al: Estas mallas son

descriptibles mediante un conjunto fundamental que se repite peridicamente en el
http://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwyQcbI/AAAAAAAAADs/54DCTJLQD3E/s1600/atomo.pnghttp://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwyQcbI/AAAAAAAAADs/54DCTJLQD3E/s1600/atomo.png

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espacio (DEGARMO, y otros, 1988 pg. 82), este conjunto recibe el nombre de

celdas unitarias35. Las cuales son un arreglo ordenado de tomos en tres

dimensiones.

La estructura cristalina se refiere al tamao, la forma y la organizacin atmica

dentro de la red de un material (Ver Figura 9).

- Red. Conjunto de puntos ordenados de acuerdo a un patrn que se repite

en forma idntica.

- Punto de red. Punto que conforma la red cristalina. Cada punto es idntico

en cualquier otra parte del material.

- Celda unitaria35. Subdivisin de la red cristalina que conserva las

caractersticas de la red.

Figura 9. Estructura cristalina

Fuente: http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/CELDA.gif

Una de las estructuras comunes que adoptan los metales es el cristal cbico

centrado en el cuerpo BCC36 (Ver Figura 10), con este se ilustra el concepto.

35 Celda Unitaria: Volumen ms pequeo que presenta todas las caractersticas del cristal. (TIPLER, y otros, 2005). 36 BCC sigla en ingls Body Center Cubic - Cbico Centrado en el Cuerpo
http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/CELDA.gif

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Figura 10. Estructura Cristalina BCC36

Fuente: (GROOVER, 1997 pg. 33)

a) Celda unitaria35. Posicin de tomos en sistema tridimensional de ejes.

b) Modelo celda unitaria35. Apilado de los tomos

c) Patrn repetitivo de la estructura

Las celdas tienen espacios extremadamente pequeos del orden de 432 en el

borde o aproximadamente 10-7mm a este espacio se le denomina factor de

empaquetamiento, el cual es la fraccin de espacio ocupada por los tomos,

suponiendo que son esferas duras que se encuentran en contacto con su vecino

ms cercano.

Tipos de estructura cristalinas (Ver Figura 11).

Son comunes tres estructuras de retculas cristalinas entre los metales:

- Cbica centrada en el cuerpo (BCC)36

- Cbica centrada en la cara (FCC)37

- Hexagonal compacta (HCP)38

Algunos metales sufren cambios de estructura a diferentes temperaturas, por

ejemplo el hierro es BCC36 a temperatura normal y cambia a FCC37 a temperatura

por encima de 912C y vuelve a BCC36 a temperaturas superiores a 1400C.

Cuando un metal cambia de estructura, se dice que es alotrpico. (GROOVER, 1997

pg. 36)

37 FCC sigla en ingls Face Centered Cubic Cbico Centrado en Caras 38 HCP sigla en ingls Hexagonal closed packed Hexagonal Compacta

a b c

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Figura 11. Estructuras Cristalinas

Fuente:http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/3-Estructuras_Cristalinas.pdf

Tamao y lmite de grano.

A medida que un metal se solidifica, se forman pequeas partculas slidas, las

cuales poseen una estructura reticular propia del metal analizado. A estas partculas

se les adhieren otros tomos cercanos, generando el crecimiento del slido y

resultando un cristal con el mismo patrn repetido en el espacio. Los fragmentos

continuos de slidos se llaman cristales o granos y las superficies que los separan

se conocen como lmites de granos. (SHACKELFORD, y otros, 2010 pg. 432)

- Tamao de grano. Este puede variar desde unos pocos nanmetros a varios

milmetros. Un material de grano fino ser ms duro y resistente. La dureza

es inversamente proporcional al tamao de grano La norma ASTM39 E112-

13, establece Standart test methods for determining average grain size40, a

continuacin se muestra Figura 12 tomada del Anexo 1 Base ASTM39 del

nmero de tamao de grano. (CALLISTER, Jr., 2007 pg. 86)

39 ASTM - Asociacin amrica para ensayos de materiales 40 ASTM E112-13.Mtodo estndar para la determinacin del tamao de grano.

BCC FCC HCP
http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/3-Estructuras_Cristalinas.pdf

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Figura 12. Tamao de grano

Fuente: (ASTM International, 2013 pg. Anexo A1)

Las propiedades del tamao de grano son:

a) Mayor tamao de grano, menor conductividad elctrica, pues el lmite de

grano impide el movimiento de los electrones.

b) Menor tamao de grano, mayor resistencia mecnica. El lmite de grano fija

las dislocaciones impidiendo su movimiento.

- Lmite de grano. Este lmite separa dos pequeos granos o cristales que

tienen diferentes orientaciones cristalogrficas (Ver Figura 13), surge como

mecanismo de crecimiento del grano o cristalizacin. En estas zonas

estrechas los tomos no estn correctamente espaciados. En algunos sitios,

los tomos estn tan cerca unos de otros en el lmite de grano que crean una

regin de compresin41 y en otras reas estn tan alejados que crean una

regin de tensin42. (CALLISTER, Jr., 2007 pg. 83)

41 Compresin F. Presin a que est sometido un cuerpo por la accin de fuerzas opuestas que tienden a disminuir su

volumen. 42 Tensin Fs. Fuerza por unidad de rea en el entorno de un punto material sobre la superficie de un cuerpo.

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Figura 13. Lmite de grano

Fuente: http://cienciaymateriales.blogspot.com.co/2013_04_01_archive.html

Microestructura.

Los aceros estn formados por cristales y/o zonas amorfas, lo que difiere en sus

propiedades fsicas; a este conjunto de cristales o amorfos se les denomina fases y

al conjunto de fases que conforma un material se le denomina microestructura. Un

acero puede tener hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita,

cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita,

steadita y grafito. A continuacin se describen las principales, con sus

caractersticas y propiedades. (BAWA, 2007 pgs. 401-402)

- Ferrita: es hierro alfa () o hierro casi puro con un porcentaje bajo de silicio,

fosforo y otras impurezas (Ver Figura 14). En los aceros aleados se forma

una solucin solida con cromo, aluminio, nquel, etc.

Cristalizan en sistemas cbicos centrado en caras (FCC)37 3636, se transforma en

austenita a 912C, tiene una resistencia de 28 Kg/mm2 aprox., y una dureza de 95

HV19, es la fase ms blanda, dctil, maleable y magntica por debajo de 768C.

(PEA PUERTA, y otros, 2013 pgs. 30-31)
http://cienciaymateriales.blogspot.com.co/2013_04_01_archive.html

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Figura 14. Ferrita (cristales blancos)

Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita

Como lo menciona Jose Apraiz la ferrita, puede aparecer como (APRAIZ

BARREIRO, 2000 pgs. 105-122):

a) Elemento proeutectoide en forma de cristales mezclados con la perlita

< 0,55% C30, formando una malla que limita el grano de perlita 0,55-

0,85% C30 y agujas o bandas aculares, en la direccin del plano

cristalogrfico de austenita.

b) Elemento eutctoide de la perlita, forma laminas paralelas separadas por

lminas de cementita.

c) En los aceros de herramientas (0,9-1,4% C30), aparece como matriz que

rodea los glbulos de cementita.

d) Elementos hipoutectoides templando, mezclada con martensita, formado

zonas blancas irregulares o agujas finas.

- Cementita: Carburo de hierro (Fe3C31) 6,67% C30 y 93,33% Fe30 en peso, es

el constituyente ms duro y frgil, presenta mayor dureza por encima de 960

HV19 y cristaliza en forma de paraleleppedo ortorrmbico, es magntico

hasta los 210C, en adelante los pierde (Ver Figura 15). (PEA PUERTA, y

otros, 2013 pgs. 30-31).
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita

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Figura 15. Cementita (red blanca)


Luego del ataque aparece como (APRAIZ BARREIRO, 2000 pgs. 105-122):

a) Cementita proeutectoide en acero 0,90% C30, formando una red que

envuelve los granos de perlita.

b) Como parte de la perlita, llamada cementita perltica o eutctoide,

formando lminas paralelas separadas por ferrita tambin laminares.

c) Cementita globular en forma de granos o globulares redondos dispersos

en la matriz de ferrita.

d) Aceros hiperutectoides templados, aparece cementita rodeada de

martensita y otros elementos

e) Cementita terciaria, forma alargada en las uniones de los granos de

carbono inferior a 0,25%.

- Perlita: Constituyente eutctoide, formado por capas alternas de hierro alfa

() ferrita y carburo de hierro (Fe3C31) cementita, 13,5% Fe3C31 y 86,5% Fe30

y 0,9% C30 y 99,1% Fe30, tiene resistencia de 80 Kg/mm2, es ms blanda y

dctil que la cementita, pero ms dura y resistente que la ferrita (Ver Figura

16). Tiene una dureza de 200 HV19. (PEA PUERTA, y otros, 2013 pgs. 30-

31).

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Figura 16. Perlita (cristales oscuros)


- Austenita: Su nombre se da en memoria del metalrgico Ingls Robert

Austen, es una solucin slida de C30 o Fe3C31 en hierro gamma (),

solubilidad entre 0 a 1,7% C30 a 1130C. Aparece como constituyente de

todos los aceros cuando se supera la temperatura crtica (Ac333 o Accm33), su

composicin es variable, inestable y densa, es una fase dctil, blanda y tenaz.

No es magntico, su resistencia es de 88 a 105 kg/mm2 aprox., y su dureza

est en 305 HV19 Ver Figura 17. (BAWA, 2007 pgs. 401-402)

Figura 17. Austenita

http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitahttp://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita

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- Martensita: Su nombre se da en honor al metalrgico Alemn Martens, es el

constituyente tpico de los aceros templados, formado por una solucin slida

sobresaturada de C30 o Fe3C31 en hierro alfa (), se obtiene por enfriamiento

acelerado desde altas temperaturas, cristaliza en sistema cbico centrado en

cuerpos (BCC)36, sus propiedades fsicas varan segn sus composicin,

aumentando su dureza, resistencia y fragilidad, es el constituyente ms duro,

maneja resistencias de 170 a 250 Kg/mm2 y durezas desde 513 HV19 hasta

937 HV19 ver Figura 18. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pgs. 105-122)

Figura 18. Martensita


4.2.5 Propiedades de los materiales.

Las propiedades de un metal dependen de su estructura atmica, su estructura

cristalina y su microdureza, esto permite conocer su comportamiento y reaccin ante

estmulos externos. (DEGARMO, y otros, 1988 pgs. 36-80)

a) Elasticidad (estructura atmica)

b) Propiedades magnticas (estructura cristalina)

c) Propiedades mecnicas (microestructura)

Las propiedades de los metales se clasifican en: fsicas, mecnicas y tecnolgicas.

Las propiedades fsicas y mecnicas pueden ser importantes al elegir un material

para determinar su aplicacin. En la siguiente tabla agruparemos las principales

propiedades por cada una. (Ver Tabla 4).

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Tabla 4. Propiedades de los materiales.

PROPIEDADES FSICAS PROPIEDADES

MECNICAS

PROPIEDADES

TECNOLGICAS

- Color

- Densidad

- Peso especifico

- Calor especifico

- Coeficiente dilatacin

trmica

- Temperatura de fusin

y solidificacin

- Conductividad trmica

y elctrica

- Resistencia a la

corrosin

- Resistencia

- Dureza

- Elasticidad

- Plasticidad

- Tenacidad

- Fragilidad

- Resiliencia

- Fluencia

- Fatiga

- Ductilidad

- Fusibilidad

- Colabilidad

- Soldabilidad

- Endurecimiento por

temple

- Facilidad de

mecanizado


4.2.6 Procesamiento de los materiales.

Estos procesos utilizan energa para alterar la forma, las propiedades fsicas o el

aspecto de una pieza de trabajo a fin de agregar valor al material.

Las formas de energa, incluyen la mecnica, trmica, elctrica o qumica. Esta

energa se proporciona de forma controlada. En la mayora de los casos se requiere

ms de una operacin para transformar el material inicial a su forma final.

(GROOVER, 1997 pg. 13). Existen tres categoras en estos procesos:

a) Formado

b) Para mejorar propiedades

c) Procesos de superficie

El proceso de formado altera la geometra del material (fundicin, forjado y

maquinado), los procesos para mejorar las propiedades agregan valor al material,

mejorndolo sin afectar su forma (tratamiento trmico) y finalmente el proceso de

superficies el cual mejora su aspecto (limpieza, tratamiento de superficies,

recubrimientos y procesos de deposicin de partculas delgadas). (GROOVER,

1997 pg. 15).

Pgina | 54

Como el objetivo del proyecto es mejorar las propiedades del material sin afectar su

forma, nos enfocaremos en la explicacin de los procesos de tratamientos trmicos,

mientras que los tratamientos de superficies seran tratados en un ttulo posterior.

(Ver 4.2.8).

Tratamientos trmicos.

Consisten en calentar y mantener por cierto tiempo a una temperatura

determinada el material. Luego enfriarlo controladamente, para conseguir

determinados cambios en su estructura cristalina, como, fases y tamao de

grano. La composicin qumica no resulta afectada y se obtienen unas

caractersticas mecnicas especficas, con garantas en los trabajos

demandados. (APRAIZ BARREIRO, 2000) Los tratamientos trmicos ms

comunes son (Ver Figura 19).

Figura 19. Temperaturas de transformacin

Fuente: http://www.tornillosorquidea.com.ve/tratamientostermicos.html

Se utilizaron los mencionados en la Figura 19, una breve explicacin de cada uno

de ellos se plasma en los siguientes prrafos:

a) Revenido: es un tratamiento que se aplica a los aceros despus que han

sido templadas. Consiste en calentar el material a una temperatura inferior

de la Ac133, buscando la eliminacin de tenciones creadas en el temple, se

mejora la tenacidad, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros

templados. (APRAIZ BARREIRO, 2000).

b) Recocido: el objetivo principal de este tratamiento es ablandar el acero;

como tambin, es utilizado para regenerar su estructura o eliminar

tenciones internas. Consiste en calentar el material a temperaturas
http://www.tornillosorquidea.com.ve/tratamientostermicos.html

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adecuadas segn su composicin qumica, luego se mantiene esta

temperatura por un tiempo determinado y luego se realiza un enfriamiento

lento el cual normalmente se realiza dentro de un horno. Se clasifican en

tres tipos de recocidos: recocido de austenizacin completa o de

regeneracin, recocidos subcrticos, recocidos de austenizacin

incompleta o globulares. (APRAIZ BARREIRO, 2000)

c) Normalizado: por medio de este tratamiento se eliminan tensiones internas

y se uniformiza el tamao de grano del acero, consiste en llevar el material

a una temperatura ligeramente ms elevada a la crtica superior, segn la

composicin del material, luego se mantiene por un tiempo dicha

temperatura y posteriormente se deja enfriar al medio ambiente. Esto se

realiza con el fin de dejar el acero con una estruc

anÁlisis de la microdureza en el acero aisi-sae … liliam... · anÁlisis de la microdureza en el...

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