informe de difusion de carbono original
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I. TITULO: DIFUSIÓN DE CARBONO EN UN ACERO ASTM 570
II. OBJETIVOS:Demostrar que la segunda ley de ck gobierna el proceso de
difusión del carbono.
Evaluar las curvas de penetración del carbono hacia al
interior d el acero.
Calcular el espesor d e la capa de difusión en función de la
temperatura y el tiempo. Aplicar el fundamento teórico del proceso de difusión en el
acero (ASTM A 570 a 0.23% de carbono).
III. FUNDAMENTO TEORICO:
El proceso de carburización, es un proceso que sirve para
obtener piezas con alta dureza al desgaste, debido a la
saturación de la capa su percial del acero ASTM A 570 con
carbono, debido a la difusión intersticial desde la supercie
hasta el interior d el acero.
La cementación es el más antiguo de todos los
procedimientos de endurecimiento supercial, con siste en
aumentar el contenido de carbono en la supercie de las
piezas de acero rodeándolas con un medio carburante y
manteniendo todo el conjunto durante un cierto tiempo a
una elevada temperatura .Luego se templan las piezas y
quedan con gran dureza su percial.
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Se puede decir entonces que es u n proceso termoquímico de
enriquecimiento con carbono de la capa supercial de un
acero de bajo contenido de carbono (0,1%C a 0,35%C) yexcepcionalmente algunas veces se cementan también
aceros hasta de 0.4%C; cuyo objetivo principal es obtener
una gran dureza supercial y alta resistencia al desgaste;
conservando la tenacidad en el núcleo. Esto se logra al
templar y revenir la capa supercial, enriquecida con
carbono hasta una concentración de 0,8 - 1,0 % C. Una
concentración más alta de carbono produce un
desmejoramiento de las propiedades mecánicas de la pieza
cementada.
3.1 DIFUSION : Movimiento de átomos signica también
trasporte de masa.
3.2 DIFUSION DE CARBONO EN EL ACERO :
Consiste en el movimiento de átomos de carbono hacia la
zona central del acero.
Esta difusión se d a siempre que est á presente en el gradiente
de concentración ahora surge un problema que es h allar la
velocidad a la cual se mueve los átomos de carbono:
3.3 Métodos de cementación
La cementación puede real izarse p or ag entes só lidos, líquidos
y gaseosos, que desprenden carbono. Se desarrolla siempre,
no por un carbono en estado molecular, sino por átomos de
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carbono debido a que éstos son los únicos capaces de
difundirse dentro de la red fcc del Fe γ . Se tienen los
siguientes métodos de cem entación:
3.3.1 Cementación gaseosa
La atmósfera carburante está formada por la mezcla de un
gas activo y un gas portador. El gas activo generalmente es
metano (CH 4), aunque también puede utilizarse propano y
butano. El gas portador es una mezcla de óxido de carbono,
hidrógeno y nitrógeno, con pequeños porcentajes de vapor de
agua, anhídrido ca rbónico, etc.
3.3.2 Cementación líquida.
Se realiza en un baño de cianuro fundido. Es m ás u tilizado elcianuro sódico y en menor medida el cianuro potásico;
además de al gunos cloruros.
3.3.3 Cementación sólida.
En este proceso se em plea principalmente como cementante
al carbón vegetal, con la adición de un agente de activación
para mejorar la concentración de carbono y acelerar el
proceso d e cem entación; de lo contrario no se con sigue en la
periferia del acero concentraciones superiores al 0,65 % de
carbono. Como activadores destacan los carbonatos,
especialmente el carbonato de bario (BaCO 3) en una
proporción de 20-40 %. La mayor proporción de BaCO 3 se
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CO 2 + C → 2 CO
2 CO → C elem + CO 2
El óxido de bario reacciona con el dióxido de carbon o formado,
obteniéndose nuevamente BaCO 3:
BaO + CO 2 → BaCO 3
Y de esta manera se repite el ciclo de las reacciones.
3.4.1 Absorción del carbono elemental.
El carbono elemental es el que produce la cementación. Al
estar en contacto con el hierro gamma a elevada
temperatura, este carbon o se a bsorbe desde la supercie de
la pieza, por ex istir u n gradiente de concentración entre el
acero y la atmósfera carburante; formando austenitasaturada con carbono:
3 Fe + elemC → FeC
3.4.2 Difusión del carbono dentro del acero.
Finalmente el carbono se difunde en el acero, que se
encuentra austenizado, según las leyes que gobiernan la
difusión atómica.
La reacción general de la cementación, a la temperatura
de au stenización, será:
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Fe+ 2 CO → FeC + CO 2
Donde Fe γ C representa el carbono disuelto en la austenita.
3.5 MECANISMO DE DIFUSION DEL ACERO:
En la carburización en caja (sólida), el carbón disuelto en la
supercie del acero tendrá siempre una concentración que se
aproxima a la del equilibrio con el carbón pero a la
temperatura de cementación. El carbón penetra por difusión
atómica a través d e u n gradiente de con centración establecido
entre la supercie y el núcleo.
Existen dos tipos principales de difusión que mencionamos acontinuación.
A. Difusión sustitucional.Llamada también de vacancias, el par difusor está formado
por elementos atómicos A y B. Estos átomos son casi del
mismo tamaño, por lo que se disuelve uno en otro, como
solutos sustitucionales. Aquí hay difusión, tanto de átomos A
en B, como de átomos B
Llamada también de vacancias, el par difusor está formado
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lugares va cantes p ara su realización.
Nuestro interés radica en es te tipo de difusión, debido a que en
los aceros la difusión ocurre por el salto de los átomos desoluto (carbono), desde u n lugar intersticial a otro vecino.
La solución sólida por d ifusión intersticial, como la que forma
el carbono disuelto en la matriz de hierro, ocurre sólo si el
átomo de soluto tiene un diámetro menor que el del solvente.
Aquí se encuentran involucrados átomos pequeños como
carbono, hidrógeno y n itrógeno, ver g.2
Figura 2: Difusión intersticial
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3.5.1 Difusividad y energía de activación.
El coeciente de Difusión o Difusividad, D (cm 2/s), está dado
por la siguiente ecu ación de Arrhenius:
RT Qe D D −= 0 …….. (1)
Donde:
0
D
: Factor de frecuencia de los átomos que se difunden. Esuna constante pre exponencial (independiente de la
temperatura) para un sistema de difusión dado;
expresada en scm /2 .
Q: Energía de activación de la reacción, por mol; expresada
en Cal/mol.
R: Constante universal de los gases i deales; 1,987 Cal/mol
°K.
T: Temperatura absoluta; expresada en °K.
D: El coeciente de difusión expresa la rapidez con que se
realiza la difusión de un material en otro. Aunque este
coeciente depende de diversas variables (naturaleza del
soluto y de los átomos solventes, resistencia de enlace y
estructura del cr istal, et c.), la más importante es la
temperatura.
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3.5.2 Difusión en estado estacionario (Primera ley de
Fick).
En la difusión en estado estable o estacionario, el gradiente d e
concentración es constante en la unidad de tiempo. Este
gradiente ser á la concentración de soluto que cam bia sólo con
la d istancia entre dos p lanos d e diferente con centración.
La ecuación que expresa esta difusión, es la primera ley de
Fick:
xC
D J ∂∂−= ……… (2)
Donde:
J: Flujo neto de átomos que se difunden en la dirección x, a
través de un plano en la unidad de tiempo; expresado en
átomos/ scm .2 .
D: Coeciente de difusión o Difusividad; expresado
en scm /2 .
xC
∂∂
: Gradiente de con centración; expresado en
átomos/cm 3.cm átomos/cm 4
3.5.3 Difusión en estado transitorio (segunda ley de Fick).
Es el estado más común en la práctica. En la difusión en
estado no uniforme, el perl de concentración de las
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sustancias que se difunden cambia con el tiempo. Esto
signica que el ujo y el gradiente de concentración también
cambia con el tiempo. La segunda ley de Fick se reere a ladifusión en estado transitorio y se exp resa como:
∂∂
∂∂=
∂∂
xC
D xt
C ……… (3)
En muchos problemas prácticos, puede suponerse que D es
independiente de la concentración, la cual nos conduce a u na
visión simplicada de la ecuación anterior:
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xC
Dt C
∂∂=
∂∂
……… ( 4 )
Donde:
C: Concentración de la especie que se difunde, a una
distancia x de la supercie.
t: Tiempo; expresado en segundos.
En los casos de difusión en estado sólido, donde la
concentración sC de la especie que se difunde (soluto) en la
supercie de un material (solvente) permanece constante, la
solución de ést a ecuación diferencial puede expresarse com o:
=−−
t D
x fer
C C
C C
s
x s
.20………(5)
Donde:
C s: Concentración en la su percie, producida en
forma instantánea por la atmósfera.
C 0: : Concentración al inicio del proceso, en un
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tiempo t = 0.
C x : Concentración a una profundidad x de la
supercie, en un tiempo t.
T: Tiempo; expresado en segundos.
t D
x fer
.2: Es una variable que se expresa como fer(y);
representa la función de error de Gauss.
Para predecir la profundidad de penetración o el espesor d e
capa tratada (X), en función del tiempo de permanencia a latemperatura de op eración; se u sa la relación:
t D x .2= ……….. (6)
3.6 Factores que inuyen en la difusión.
a) Temperatura
La temperatura es el factor de gran inuencia en los
coecientes y en las velocidades de d ifusión. El coeciente de
difusión es u na función de la temperatura. La dependencia del
coeciente de difusión con la temperatura cumple la siguiente
expresión:
D = D o e -Q/RT
b) Tiempo
La profundidad de difusión del carbono es dependiente del
tiempo de cementación ya que el espesor de la capa depende
del tiempo, así:
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tD x .2=
c) Impurezas
La difusión del carbono en el acero se ve afectada por la
existencia de pequeñas cantidades de materiales adicionales
que se encuentran en el acero, ya que estas impurezas
perjudican el fenómeno de d ifusión
IV. MATERIALES Y EQUIPOS:
MATERIALES
Un acero ASTM 570, 3 probetas con dimensión de 2.5
largo , 2.15 ancho y 4.5 altura
Medio difusor, Carbón vegetal 2 Kg
Carbonato de B ario 1/ 2 kg
2 Cajas d e Difusión
Arcilla refractaria
Para Encapsulado
Alúmina
Paños de billar y pa na
Papel abrasivo (80-100-180-220-320-400-600-1000)
Reactivo de ataque para Análisis Metalográco (Nital
al 5%).
EQUIPOS:
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Cámara fotográca
Microscopio
Horno Eléctrico (tipo mua)Durómetro
Durómetro Microscopio
V. PROCEDIMIENTO:
• Coger la pieza y seccionar en tres partes con
dimensión de 2.5 largo , 2.15 ancho y 1. 5 altura
• El paso anterior es para eliminar la capa de aceite
que protege a estas piezas para q ue se pueda realizar
el proceso de ca rburización.
• Construimos las cajas cementantes con las siguientes
medidas de 20 cm largo, 15 cm ancho y 15 cm de
alto. Cada una con su respectiva tapa.
• Luego preparamos la mezcla carburante (carbón 5mm
de granulometría y carbonato de bario en un
proporción de 80 - 20%, respectivamente).
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• Colocamos las piezas en la caja siguiendo los
siguientes p asos:
• Primero colocamos una capa de la mezclacarburante, luego colocamos las piezas con una
distancia aproximada de 15mm esto para que las
piezas se puedan carburar cor rectamente, luego se
coloca otra capa de la mezcla, dejando un espacio
adecuado (9mm aprox.), luego se tapa y se sella
con arcilla refractaria.
• Introducir las cajas a l horno, la cual previamente fue
encendido alcanzando la temperatura de 900ºC).
• Una vez alcanzado la temperatura retirar las cajas a
diferentes tiempos 3hrs (y dejamos enfriar a
temperatura ambiente) y 5 hrs. Respectivamente
(dejándolo enfriar en el horno).
• Luego realizamos el análisis metalográco respectivo
de la siguiente m anera:
• Encapsulamos las probetas carburadas: la probeta
de suministro no la encapsulamos por ser de
dimensión grande y las dos probetas carburadas las
encapsulamos teniendo cuidado en preservar los
bordes.
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• Luego desbastamos con los papeles abrasivos
tratando de que la probeta quede completamente
nivelada.• Enseguida pulimos con alúmina y los paños
respectivos.
• Finalmente atacamos con nital al 5% previamente
preparado y observamos al microscopio y
fotograamos.
Características De La Muestra
Obtenidas según la norma internacional ASTM A 570.
Composición Química Del acero
Elemento C(max) S(max) P(max) Mn(max) Cu(min)
Composición 0.23 0.05 0.04 0.90 0.20
VI.- CIRCUITO EXPERIMENTAL:
Seccionamiento de la Pieza:
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Proceso de C ementación:
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Tapa
Arcillaselladora
Probeta
Mediodifusor
Caja decarburización
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Desbaste de la Probeta:
Pulido:
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TABLA DE DUREZA:
DISCUSION DE RESULTADOS DE LA DUREZA:
Al comparar la dureza del suministro (146 HRC) con la
probeta sometida a una carburización durante 3 horas
(210 HRC) se puede observar que aumento en un 43%, esto
indica la ecacia d el tratamiento resp ectivo.
Al comparar la dureza de la probeta sometida a unacaburización durante 3 horas (210 HRC) con la probeta
sometida a 5 horas (249.5 RC) se observa un incremento
de la dureza, esto implica que el tiempo es un factor
inuyente en el proceso.
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Probetas DurezaHRC
Suministro 146.6Carburización (3h) 210Carburización (5h) 249.5
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VII.- RESULTADOS:
7.1 calculo teórico del espesor de la corona dedifusión
Según la ecuación:
Donde:
Datos:
Q = 34 000 cal/mol T° = 910 + 273 =1183°K
R = 1.987 cal/mol. °K D o= 0.22 cm 2/seg
t = 3 h oras =3 3600 seg
Calculo de factor d e frecuencia los á tomos q ue se d ifunden
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Calculo de “x” (espesor de la capa) con la ecuación (1).
=
Espesor teorico a 3 h oras =0.663 mm
Espesor experimental a 3 h oras = 0 .56 mm
• Para 5 h oras tenemos:
=
Espesor teorico a 5 horas =0.855 mm
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Espesor experimental a 5 h oras = 0 .81 mm
7.2 Tabulación de datos teóricos de Temperatura yespesor:
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• GRAFICA TEMPERATURA VS. ESPESOR (3HORAS)
• GRAFICA TEMPERATURA VS. ESPESOR (5 HORAS)
INTERPRETACIÓN:Conforme va incrementando la temperatura el carbono vapenetrando cada vez más en el interior de la estructura delacero, sin embargo el espesor a en la probeta de 3 h. llega a0.66 mm. y 0.86 mm. en el de 5 h. teóricamente.
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7.3 Tabulación de datos Teóricos de Tiempo vs. Espesor:
INTERPRETACIÓN: El tiempo es una variable muy importante pues a medida
que au menta el espesor de la capatambién lo hace.7.4 Flujo de átomos de carbono hacia elinterior de la pieza de acero.
Se sabe que:
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tiempo(s)espesorde capa
(mm)0 0
300 0.110441000 0.201641700 0.262912400 0.312383000 0.349263600 0.382594200 0.413254800 0.441785400 0.468586000 0.493926600 0.518037200 0.541077800 0.563168400 0.584429000 0.604939600 0.62477
10200 0.6440010800 0.6626711400 0.6808312000 0.6985112600 0.7157613200 0.7326113800 0.7490714400 0.7651815000 0.7809615600 0.7964316200 0.8116016800 0.8264917400 0.8411218000 0.85550
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Concentración de peso en la su percie: 1.1%CConcentración de peso en el núcleo: 0.23%CDensidad del acero: 7850 g/cm 3
Ahora:C1=1.1%*7.850=0.0864 g/cm 3
C2=0.23%*7.850=0.0181 g/cm 3
• Hallamos el gradiente de con centración, cuando:
T=3h=10800seg. ; X 1=0.0cm. ; X 2=0.066cm.
En la ecu ación:
Ademas:
• El ujo de átomos será:
J= -D*A*
J= 2.8383*
• Hallamos el gradiente de con centración, cuando:
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A = 2.5 cm 2.!5 cm = 5."#5cm 2
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T=5h=10800seg. ; X 1=0.0cm. ; X 2=0.086cm.
En la ecu ación:
• El ujo de átomos será:
7.5 Evaluación de la curva de penetración en el carbono
Por la segunda ley de Fick sabemos que:
= fer ( )
Donde:C s=concentración en la su percie =1.1% CC x = concentración a u na d istancia d e difusión.C0= concentración original=0.23% C
Lo que se u sara para trazar la cu rva de penetración es u ndespeje de la segu nda ley de Fick:
C x =C S - ( )*fer ( )
• Para la probeta de 3 h oras tenemos:
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fer ( ) = fer ( ) = fer (0.85)
C x =1.1- (1.1-
0.23)*0.7695C x =0.4305
C x =1.1-(1.1-0.23)*0.7695C x =0.4305
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Z F(Z)
0.80 0.74210.85 y0.90 0.7969
X(mm) Z Fer(Z) CONCENTRACION
0.56 0.85 0.7695 0.430.46 0.70 0.6778 0.510.40 0.60 0.6039 0.570.33 0.50 0.5205 0.650.27 0.40 0.4284 0.730.23 0.35 0.3794 0.770.20 0.30 0.3286 0.810.17 0.25 0.2763 0.860.13 0.20 0.2227 0.91
0.11 0.17 0.19 0.930.09 0.13 0.1459 0.970.07 0.10 0.1125 1.000.05 0.07 0.0789 1.030.03 0.04 0.0451 1.060.01 0.02 0.0226 1.080.00 0.00 0 1.10
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INTERPRETACION: Curva de Penetración para u n acero ASTM 570, carburizada durante 3 horas a 900° C.
• Para la probeta de 5 h oras tenemos:
fer ( ) = fer ( ) = fer (0.95)
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Z F(Z)0.90 0.79690.95 y1.00 0.8427
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C x =1.1-(1.1-0.23)*0.8198C x =0.3868
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X(mm) Z Fer(Z) CONCENTRACION0.63 0.95 0.8198 0.390.60 0.90 0.7969 0.410.56 0.85 0.7695 0.430.46 0.70 0.6778 0.510.40 0.60 0.6039 0.570.33 0.50 0.5205 0.650.27 0.40 0.4284 0.730.23 0.35 0.3794 0.770.20 0.30 0.3286 0.810.17 0.25 0.2763 0.860.13 0.20 0.2227 0.910.11 0.17 0.19 0.930.09 0.13 0.1459 0.970.07 0.10 0.1125 1.000.05 0.07 0.0789 1.030.03 0.04 0.0451 1.060.01 0.02 0.0226 1.080.00 0.00 0 1.10
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INTERPRETACION: Curva de Penet ración para un acero ASTM 570, carburizada durante 5 horas respectivamente a
900°C.
7.6 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL (Metalografía delacero ASTM 570)
• Aumento 200X
PROBETA DE SUMINISTRO ASTM 570EXCESO DE FERRITA
• Aumento 500X
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SUMINISTRO ASTM 570SE OBSERVA EL EXCESO DE FERRITA
• Aumento 500X
NUCLEO 570 – 3HORASSE OBSERVA FERRITA Y PERLITA.
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• Aumento 50X:
CORONA ASTM 570- 3HORASSE OBSERVA LA CORONA O ESPESOR DE CAPA DE DIFUSION
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• Aumento:50X
CORONA ASTM 570 – 5 HORASSE OBSERVA LA CORONA O ESPESOR DE DIFUSION
• Amento 500 X
NUCLEO ASTM 570 – 5 HORAS
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SE OBSERVA PERLITA(COLOR OSCURO) Y FERRITA(COLOR BLANCO)
VIII.RECOMENDACIONES:• Se debe usar el carbón de madera y el carbonato de bario
en relación 4 es a 1, el segundo porque a l reaccionar con elcalor se descompone y funciona como activador en ladifusión.
• La granulometría del carbón de madera debe ser entre 3 -5mm.para facilitar la difusión intersticial d esde cualquier
punto de la caja hasta la supercie d e la probeta.• Se debe t rabajar con temperatura de hasta 1193°K pues a
mayor temperatura será mayor el tamaño de grano.• El ataque químico debe ser óptimo para no quemar la
probeta.• El encapsulado de la probeta debe ser en un aro de
tamaño lo sucientemente grande para que no se pase del
microscopio además para que se efectúe de maneraadecuada el desbaste.
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IX. CONCLUSIONES:
• Se a plicó el conocimiento de la teoría sobre d ifusión.• El proceso de difusión es gobernado por la ley de Fick
demostrado por X teórico =X experimental
• Queda demostrado por los cálculos y las grácas que elespesor de la capa aumenta según aumenta latemperatura y el tiempo.
• El contenido de carbono en la supercie de las probetascarburizadas es de ap roximadamente 1.1 %C, y disminuye
a medida que se analiza a una mayor profundidad de capa,hasta alcanzar el contenido de carbono presente en elnúcleo correspondiente al acero suministro (0.23 %C).
También se puede observar que la concentración decarbono para una misma profundidad de capa en laprobeta de acero tratada durante 5 horas, es m ayor que laconcentración de carbono de la probeta que solo fue
tratada durante 3 h oras.
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8/18/2019 Informe de Difusion de Carbono Original
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X. BIBLIOGRAFIA:
• Reed Hill,R.Principios de Metalurgia Física. Ed. ECSA. 2°
Edición.1986• http://www.scribd.com/doc/2469681/Metalograa-
Diagrama-fec• Askeland, D. (1985). Ciencia e Ingeniería de
Edit. Ibero América, México.