influencia del tratamiento tÉrmico de temple y …
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INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045
BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO
20101074035
ÁLVARO SEGURA PERDOMO
20091074080
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045
BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO
20101074035
ÁLVARO SEGURA PERDOMO
20091074080
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO
TUTOR INGENIRO CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2015
NOTA DE ACEPTACIÓN
____________________________________
____________________________________
____________________________________
___________________________________
Tutor
___________________________________
Jurado
___________________________________
Jurado
Bogotá D.C. Agostos, 2015
CONTENIDO
Pag.
OBJETIVOS……………………………………………………………………………10
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….11
1 METODOLOGÍA…………………………………………..……………………..……12
1.1 PROBETAS Y TRATAMIENTO TÉRMICO…………………………………12
1.2 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA…………………………………….....15
2. RESULTADOS OBTENIDOS……………….……………………………………….16
2.1 CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y VELOCIDAD DE PROPAGACION
DEL SONIDO……………………………………...…………………………………16
2.2 MICRODUREZAS Y VELOCIDADES ACUSTICAS…………..……………18
3 CONCLUCIONES……………………………………………………………………..20
4 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………..21
.
LISTA DE TABLAS
Pag.
Tabla 1. TEMPERATURAS CRÍTICAS..………………………..…………………….14
Tabla 2. MEDIO DE TEMPLE Y TIEMPO DE REVENIDO…………..……………..15
Tabla 3. MICROGRAFÍAS AL 500X Y DESCRIPCIÓN DE SU
MICROESTRUCTURA PARA CADA PROBETA……………………………………17
Tabla 4. VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL
SONIDO………………………………………………………………………………….18
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Fig. 1. PROBETAS SAE 1045…………………………………………...................…12
Fig. 2. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO ACEROS HIPOEUTECTOIDES……….13
Fig. 3. DIAGRAMA TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE EN AGUA……………...14
Fig. 4. DIAGRAMA TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE EN ACEITE………...….15
Fig. 5. MICRODUREZAS……………………………………………......……………..18
Fig. 6.VELOCIDAD DE PROPAGACIOEN DEL SONIDO…………………….....…19
Fig. 7 COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL
SONIDO DE ACUERDO A LAS MICRODUREZAS DADAS ………………………19
GLOSARIO
AUSTENITA: Es la solución sólida de carbono en Fe (FCC), cuya máxima
solubilidad, 2 % C, se da a los 1130º C. Está presente en los aceros a
temperaturas superiores a Ac1. Por encima de Ac3 o Acm, los aceros comunes
son completamente austeníticos. Se la incluye dentro de las estructuras de temple
pues a partir de ella, cuando el enfriamiento es suficiente rápido para impedir la
difusión del carbono, se forma la estructura típica del temple, martensita.
ESTUDIO METALOGRÁFICO: estudio que se le hace a los materiales para
observar la microestructura constitutivas de un metal o aleación, relacionándolas
con las propiedades físicas, químicas y mecánicas.
FERRITA: Es una solución sólida de pequeñísimas cantidades de C en Feα. La
máxima solubilidad, a los 723º C, es de 0,025% de C. Debido a que este valor es
despreciable, se considera a la ferrita como Feα casi puro. También puede
disolver bajas cantidades de Si, P y otras impurezas (en aceros al carbono), y Ni,
Mn, Cr, Al, N, etc. (en aceros aleados).
MICRODUREZA: resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza
Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy
simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales.
PERLITA: Es un constituyente formado por láminas intercaladas de cementita y
ferrita, Fig. V.2, cuya composición química es 0,8 % C y 99,2 % Fe (12,4 % CFe3
y 87,6 % Fe). Aparece siempre que haya un enfriamiento lento, por debajo de los
720º C. Según la velocidad de enfriamiento estas láminas aparecen más o menos
separadas. Dentro de su normal lentitud, a mayor velocidad de enfriamiento,
menor distancia interlaminar.
TRATAMIENTO TÉRMICO: conjunto de operaciones de calentamiento y
enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de
permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido,
con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza,
la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento
térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.
También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.
ULTRASONIDO: es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima
del umbral de audición del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz).
OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Establecer la influencia del cambio en la microestructura del acero SAE 1045,
causado por el tratamiento térmico de temple y revenido, en la velocidad de
propagación del sonido, teniendo en cuenta el medio de enfriamiento, agua o
aceite, y las temperaturas del tratamiento.
4.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS.
Establecer la secuencia de tiempos y temperaturas del temple y el revenido
menores a una hora.
Realizar las pruebas de ultrasonido sobre las probetas tratadas.
Establecer la relación entre los cambios microestructurales y la velocidad
de propagación del sonido.
RESUMEN
En la actualidad los aceros son requeridos en diversos campos de la industria y la
ingeniería como en las partes mecánicas de automotores, aeronáutica, etc. Es por
esto que los aceros tienen que adquirir propiedades mecánicas distintas según su
campo de aplicación y uso dentro del diseño. Estas propiedades cambian de
acuerdo la microconstituyentes del acero, cambiando éstos a la vez con
tratamientos térmicos1. Por ende, este trabajo de investigación está enfocado
hacía las variaciones en la microestructura de un tipo específico de acero. A un
conjunto de probetas de acero SA5E 1045 se le aplicó un tratamiento térmico de
temple y revenido distinto a cada una, seguido de un análisis microestructural y de
una sucesión de ensayos con ultrasonido para observar cómo influye el
tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido.
PALABRAS CLAVE
MICROESTRUCTURA, ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL, ULTRASONIDO,
TRATAMIENTO TÉRMICO, MICRODUREZA.
__________________
1DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA. CAPÍTULO 2 ANÁLISIS DE ESFUERZOS.
ABSTRACT
At present steels are required in various fields of industry and mechanical
engineering and automotive parts, aerospace, etc. That is why the steels have to
acquire different mechanical properties as its scope and use within the design.
These properties change according the microconstituents steel, while changing
these treatments térmicos1. Therefore, this research is focused variations in the
microstructure of a specific type of steel. A set of 1045 SA5E steel specimens was
applied a heat treatment of quenching and tempering to each other, followed by
microstructural analysis and testing of a succession of ultrasound to observe how
heat treatment influences the propagation velocity sound.
KEY WORDS
MICROSTRUCTURE, MICROSTRUCTURAL ANALYSIS, ULTRASOUND, HEAT
TREATMENT, MICRO HARDNESS.
11
INTRODUCCIÓN
En investigaciones previas se encontraron trabajos científicos en los que se
practicaron ensayos no destructivos, como los de ultrasonido a distintos aceros y
que fueron asociados con las propiedades mecánicas del material tratado. Por
ejemplo A. Villuendas, J. Jorba y A. Roca1 encontraron que en aceros como C45E
el módulo aumenta desde 199 GPa hasta 211 GPa, siendo el primer valor de un
temple a temperatura relativamente baja y el segundo un temple más un revenido
a 500°C. Ello indica una diferencia del módulo de elasticidad longitudinal del 6%.
El mismo procedimiento fue aplicado a aceros C22E y C55E, obteniendo una
diferencia máxima del 1 y 3% respectivamente y con unas temperaturas de temple
más revenido de 450°C y 550°C en el mismo orden. Como ya se mencionó, estos
valores fueron obtenidos a través de la velocidad con la que viajan las ondas
ultrasónicas en el material a analizar. Los resultados del anterior trabajo de
investigación fueron que en los tres aceros el módulo de YOUNG siempre fue el
más bajo para el temple; por los altos contenidos de carbono en los aceros C45E y
C55E, genera una mayor distorsión de la red cristalina y una mayor dureza del
material en estado de temple.
En la ingeniería es muy importante conocer las propiedades de un material para
saber cómo se comportará a la hora de ser utilizado en un diseño. Por ejemplo, las
propiedades de cierto material no cumplen con la necesidad del diseño, éstas se
pueden modificar a través de un tratamiento térmico; para el caso de materiales
metálicos o metálicos aleados. Estos tratamientos térmicos se realizan de acuerdo
a la composición química del metal y a sus características microestructurales. El
resultado del tratamiento térmico es una modificación microestructural del metal y
de sus propiedades mecánicas, propiedades que se pueden determinar por medio
de ensayos destructivos y no destructivos; siendo este último el tipo de ensayo
que se utilizó en este trabajo.
En este proyecto se realizó un tratamieto térmico; luego se preparó la superficie de
cada probeta para la toma de micrografías y microdurezas. Finalmente se efectuó
la prueba de ultrasonido.
1VARIACION DEL MÓDULO DE YOUNG CON EL TRATAMIENTO TÉRMICO EN ACEROS AL CARBONO HIPOEUTECTÓIDES.
DEPARTAMENT DELS MATERIALS I INGENIYRA METAL-LURGICA, UNIVERSITAT POLITECNICA DE CATALUNYA. 2008.
12
1. METODOLOGÍA
Se tomó cierto número de probetas de acero SAE 1045 para realizar un
tratamiento térmico con distintas características (variando el tiempo del revenido y
el medio de enfriamiento en el temple), para obtener diferentes microestructuras y
propiedades mecánicas; luego definir que estructura se manifiesta en su
microestructura. Acto seguido, se realiza una microdureza a cada probeta,
aplicando finalmente un ensayo con ultrasonido para determinar que tanto influye
el tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido en el material,
además de hacer comparaciones entre la micro-dureza obtenida y la velocidad de
propagación del sonido con cada muestra.
1.1 PROBETAS Y TRATAMIENTO TERMICO
Como se mencionó, las probetas son de acero SAE 1045 y tienen dimensiones de
5cm x 5cm x 5cm.
La robustez de estas probetas se debe a los ensayos con ultrasonido, ya que a
mayor longitud de la probeta, mejor será la toma de datos del osciloscopio. En el
apartado V-A se explicará más detalladamente lo que se quiere dar a conocer.
Fig.1. Probetas SAE 1045.
Para definir las temperaturas de temple y revenido es necesario conocer el
diagrama de hierro- carbono (figura 2.), de donde se definieron las temperaturas
criticas AC! Y AC3 de acuerdo a los porcentajes de los elementos químicos que
contienen.
13
fig. 2. Diagrama hierro-carbono de aceros hipoeutectoides
La línea roja representa la temperatura critica AC3, en el cual la mayor parte de la
microestructura es austenita; mientras que la línea negra gruesa hace referencia a
la temperatura AC1, desde el cual aparece la ferrita y la austenita en la
microestructura del material.
A partir de las temperaturas críticas AC1 y AC3 se hallaron las temperaturas tanto
de temple como de revenido, encontrandolas en grados centígrados(°C) por medio
de las siguientes ecuaciones [1]:
AC1= 723 – 7.08Mn + 37.7Si + 18.1Cr + 44.2Mo + 8.95Ni + 50.1V + 21.7 Al +
3.18W + 297S + 830N – 11.5C Si – 14.0 Mn Mo – 5.28 C Ni – 6.0Mn Ni + 6.77Si
Ni – 0.8Cr Ni – 27.4C V + 30.8Mo V – 0.84Cr2 – 3.46 Mo2 - 0.46Ni2 – 28V2
(1)
AC3= 912 – 370C – 27.4Mn + 27.3Si – 6.35Cr – 37.2Ni + 95.2V + 190 Ti + 72.0 Al
+ 64.5 Nb + 5.57W + 332S + 276P +485N – 900B + 16.2C Mn 32.3 C Si + 15.4 C
Cr + 48.0C Ni + 4.32Si Cr – 17.3 Si Mo – 18.6Si Ni +4.80 Mn Ni + 40.5Mo V + 174
C2 + 2.46Mn2 – 6.86Si2 + 0.322Cr2 + 9.90Mo2 + 1.24 Ni2 + 60.2V2 (2)
Los porcentajes de elementos químicos se sacaron de la tabla anexa a este
documento que entregó la compañía que suministró las probetas1.
AC1
AC3
14
De las ecuaciones (1) y (2) los resultados son:
AC1 AC3
731 792 TABLA 1. TEMPERATURAS CRITICAS
Fue conveniente asegurar que durante el temple se alcanzara la temperatura en
donde hay presencia de austenita en casi toda la microestructura, es decir, mayor
a 792°C. Para asegurar que el material llegue a esta fase se le aumentan 50°C a
la temperatura AC3 [2]. Es decir, la temperatura a la que se realizó el temple fue
842°C.
Por otro lado, el tiempo de permanencia de la probeta en el horno es de 1 hora por
cada 2 mm de espesor[3]. Por lo tanto las probetas se dejaron en el horno a 842°C
durante 24 horas, para después enfriar la mitad con agua y el restante con aceite.
Las temperaturas a las cuales se hizo el revenido a cada probeta fueron de 500°C,
pues es menor que la temperatura crítica AC1, con tiempos de 15, 30 y 45 minutos
de permanencia dentro del horno y enfriadas a la intemperie. En las figuras 2 y 3
se muestran los diagramas de tratamientos térmicos para dichas probetas. Cabe
resaltar que se dejaron dos probetas solo con el temple, una con agua y la otra
con aceite.
°c
842 AC3
temple AC1
500 Agua 15 min 30 min 45 min
Fig. 3. Diagrama tratamiento térmico con temple en agua
1COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS
15
°c
842 AC3
temple AC1
500 aceite 15 min 30 min 45 min
Fig. 4. Diagrama tratamiento térmico con temple en aceite
La tabla 2 muestra el número de probetas con el medio de enfriamiento y el tiempo
de revenido.
Probeta Med temp t(min) reve
1 Agua -
2 Agua 15
3 Agua 30
4 Agua 45
5 Aceite -
6 Aceite 15
7 Aceite 30
8 Aceite 45 Tabla 2. Medio de temple y tiempo de revenido
1.2 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA
A cada probeta se le preparó una superficie a brillo espejo para atacar con nital
3% y así observar la microestructura de cada una en el microscopio digital que se
encuentra en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas. La preparación se basó en la norma ASTM E3-01 Standard
Practice for Preparation of Metallographic Specimens norma general para la
preparación de las probetas para pruebas metalográficas y una guía de los
ataques químicos utilizados para revelar las fases y microconstituyentes de
metales y aleaciones se pueden ver en la norma ASTM E407 - 07 Standard
Practice for Microetching Metals and Alloys.
16
2. RESULTADOS OBTENIDOS
2.1 Cambios Microestructurales y Velocidad de Propagación del Sonido
Uno de los principales objetivos en este estudio es establecer que tanto influyen
los tratamientos térmicos y los cambios microestructurales en la velocidad de
propagación del sonido en el material tratado. En la tabla 3 se muestran las
micrografías tomadas a cada probeta y la descripción de lo que se ve en dichas
micrografías, las cuales fueron tomadas después del tratamiento térmico.
PROBETA MICROGRAFÍA DESCRIPCIÓN
1
2
3
4
Micrografía típica de un acero
templado con agua. Se observa
sectores con concentraciones de
perlita y otros con martensita,
por lo que resulta ser un
material duro.
Muy semejante a la micrografía
de la probeta 1, pero se observa
un aumento en el contenido de
cementita a causa del revenido
realizado.
En toda la muestra se observa
ferrita, cementita y, en algunos
sectores, martensita. Aquí se ve
reflejado el cambio en la
microestructura a medida que el
tiempo de revenido aumenta.
No es una micrografía muy
distinta a la anterior. Se aprecian
áreas con perlita y otras con
cementita.
17
5
6
7
8
Tabla 3. Micrografías al 500x y descripción de su microestructura para cada probeta.
Las pruebas de ultrasonido se practicaron con la máquina USM 35X que se
encuentra en uno de los laboratorios de la UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.
Como la diferencia acústica entre el aire y el acero es tan alta (la del aire es de
0.00004x106 g/cm2s, mientras que la del acero es de alrededor de 5x106 g/cm2s)
[4], se utilizó un medio acoplante para disminuir fluctuaciones por el cambio de
medio de propagación de las ondas sónicas.
Para evitar los efectos de la zona Freznel (que es una zona de fluctuación de
intensidad producidas por la interacción entre los bordes de cristal y la superficie de la
Microestructura típica de un
acero templado en aceite con
sectores en donde hay presencia
de martensita, pero abunda la
perlita debido al enfriamiento
lento que se da en el aceite.
Se ve en los bordes de grano
ferrita y un alza en la presencia
de martensita en su
microestructura a causa del
revenido.
Se observa el cambio en su
microestructura gracias al
aumento del tiempo en el
revenido. Presencia de ferrita y
martensita y, en algunos
espacios, cementita
Disminución de cementita en su
microestrucutra, pero se
mantiene la presencia de ferrita
y martensita.
18
pieza) durante el ensayo de ultrasonido se hicieron las probetas de tal modo que
las ondas viajaran una gran longitud (5cm en comparación de la longitud de onda
que es de 2.4 x 10-5cm aprox) y así reducir el impacto de este fenómeno en la
toma de datos[5].
PROBETA VEL. (m/s)
1 4863
2 4847
3 4845
4 4836
5 4800
6 4799
7 4821
8 4824 Tabla 4. Velocidad de propagación del sonido.
En la tabla 4 se muestra que la velocidad acústica si difiere para cada probeta, es
decir, que el tratamiento térmico si tiene un impacto sobre la velocidad de
propagación del sonido en el material.
2.2 Microdurezas y velocidades acústicas
De acuerdo a la norma ASTM E29-82 [6], se le hicieron 5 ensayos de microdureza
Vickers a cada probeta (y se promedian los cinco datos en uno solo) con una
fuerza de 1961 N y con una duración de 30 segundos para cada identación.
En la siguientes figuras se observa el comportamiento de la microdureza y la
velocidad de propagación del sonido para cada una de las muestras,
respectivamente.
Fig. 5. Microdurezas
0
200
400
600
1 2 3 4 5 6 7 8MIC
RO
DU
REZ
A H
V
PROBETA
19
Fig. 6. Velocidad de propagación del sonido.
Fig. 7. Comportamiento de la velocidad de propagación del sonido de acuerdo a las microdurezas dadas.
De la figura 5 se puede observar que la microdureza de la probeta 1 es mayor que
la del resto debido a que su temple se produjo con agua. A demás también obtuvo
la mayor velocidad de propagación del sonido (fig. 6).
Por otro lado, de la figura 7 se difiere que las probetas que fueron enfriadas con
aceite tienen menor capacidad para transportar las ondas de sonido.
4750
4800
4850
4900
1 2 3 4 5 6 7 8VEL
SO
NID
O (
m/s
)
PROBETA
20
3. CONCLUSIONES
El efecto del tratamiento térmico en el material como se muestra en la fig.3
genera una organización diferente en la microestructura del material,
notando la diferencia entre las probetas enfriadas en agua y las probetas
enfriadas en aceite.
Las temperaturas encontradas por medio de las ecuaciones (1) y (2) son
bastante coherentes, teniendo como referencia el diagrama hierro –
carbono para aceros hipoeutectoides (fig. 2).
En las micrografías tomadas de las probetas templadas con agua se
observa que a medida que va aumentando el tiempo de revenido, las
concentraciones de cementita van decreciendo y, por lo tanto, la
microdureza en el material.
Para las probetas que fueron enfriadas con aceite además de disminuir las
microdurezas, también lo hicieron las concentraciones de perlita conforme
el tiempo de revenido aumentó.
Para las muestras que fueron templadas en agua, a medida que
disminuyeron las microdurezas también disminuyó la velocidad de
propagación del sonido, destacando que entre menos estén compactas las
moléculas del material, menos capacidad de transportar las ondas de
sonido tendrá.
El cambio en la microestructura es la razón más relevante que influye en la
velocidad de propagación del sonido, ya que entre mayor sea la presencia
de microconstituyentes de alta dureza y densidad, mayor será la velocidad
de propagación de las ondas de sonido.
21
4. BIBLIOGRAFÍA
Journal of achievements in materials and manufacturing engineering: “Critical
points of hypoeutectoid steel prediction of the pearlite dissolution finish
temperature Ac1f” vol. 49, dic. 2011.
H.E. Boyer, Chapter 1, Practical Heat Treating, 1st ed., American Society for
Metals, 1984.
http://www.dimf.upct.es/personal/MM_I/Practicas%20Materiales.pdf, feb. de
2015.
Curso de Ultrasonido Básico, Universidad Central de Venezuela, feb. 2015.
http://sistendca.com/DOCUMENTOS/Curso%20Ultrasonido%20Basico.pdf, feb.
2015.
ASTM E 92-82: Vickers and Knoop Hardness Tests Using a Diamond Indenter
on the Universal Materials Tester mod.
Monje, Carlos Arturo, Como presentar la monografía de grado o el informe de
investigación.
Aceros, estructuras y tratamientos térmicos. M.I. Felipe del Castillo Rodriguez.
Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las
propiedades mecánicas del acero sae 1045. Carlos A. Bohórquez.Universidad
Distrital Francisco José de Caldas sede tecnológica, Bogotá, Colombia.
NORMA ASTM E3-01 Standard Practice for Preparation of Metallographic
Specimens
NORMA ASTM E407 - 07 Standard Practice for Microetching Metals and
Alloys.