ANALISIS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES

1

ANALISIS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES

MICROESTRUCTURALES DEL ACERO NAVAL ASTM A-131, SOMETIDO A

PRUEBA DE IMPACTO, CON TRATAMIENTO DE TEMPLE A

TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENIDO A 550 ºC.

JUAN CAMILO PINILLA ALGARRA

FREDY DANIEL DE LOS RIOS GARZON

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

MECÁNICA

CONSEJO CURRICULAR

BOGOTÁ, D.C.

2018

2

ANALISIS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES

MICROESTRUCTURALES DEL ACERO NAVAL ASTM A-131, SOMETIDO A

PRUEBA DE IMPACTO, CON TRATAMIENTO DE TEMPLE A

TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENIDO A 550 ºC.

JUAN CAMILO PINILLA ALGARRA

FREDY DANIEL DE LOS RIOS GARZON

Tutor

ING. BOHÓRQUEZ ÁVILA CARLOS ARTURO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

MECÁNICA

CONSEJO CURRICULAR

BOGOTÁ, D.C.

2018

3

Nota de aceptación

__________________________________________

__________________________________________

__________________________________________

__________________________________________

__________________________________________

______________________________

Presidente del jurado

_____________________________

Firma del jurado

_____________________________

Firma del jurado

Bogotá D.C. 2018

4

DEDICATORIA

Principalmente agradecemos a Dios por permitirnos culminar esta etapa profesional muy importante, igualmente a nuestras familias quienes fueron un apoyo incondicional durante todo este proceso, a nuestro tutor Carlos Arturo Bohórquez, quien nos aportó su conocimiento y experiencia para el desarrollo del proyecto. A la Universidad Distrital Facultad Tecnológica que nos facilitó sus instalaciones para llevar a cabo las practicas requeridas. Muchas Gracias.

5

TABLA DE CONTENIDO

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………………………..........8 2. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………..11 3. OBJETIVOS..............................................................................................................12

3.1 Objetivo General…………………………………………………………………..12 3.2 Objetivos Específicos……………………………………………………………..12

4. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………13

4.1 Metales…………………………………………………………………………………13

4.2 Aceros De Fase Dual…………………………………………………………………13

4.3 Acero……………………………………………………………………………………14

4.4 Características Acero ASTM 131……………………………………………………14

4.5 Tratamientos Térmicos……………………………………………………………….15

4.6 Tipos de Aceros……………………………………………………………………….16

4.7 Diagrama de Hierro Carbono………………………………………………………...19

4.8 Relación Entre Característica Física y Tamaño de Grano………………………..20

4.9 Acero hipoeutectoide………………………………………………………………….20

4.10 Diagrama TTT………………………………………………………………………21

4.11 Influencia de los Elementos en la Aleación de los Aceros…………………….21

4.12 Prueba De Impacto: Ensayo Charpy…………………………………………….23

5. DISEÑO METODOLOGICO………………………………………………………….25

5.1 Investigación…………………………………………………………………………....25

5.2 Probeta Normatividad………………………………………………………………….26

5.3 Equipos Y Herramientas Utilizados…………………………………………………..27

6. DESARROLLO DEL PROYECTO………………………………………………………33

6.1 Composición Química e Identificación Del Material…………………………………..33

6.2 Temple……………………………………………………………………………………..34

6.3 Revenido…………………………………………………………………………………..35

6.4 Prueba De Impacto Tipo Charpy………………………………………………………..36

6.5 Promedio Angular De Las Probetas Luego Del Impacto……………………………..39

6.6 Prueba de Dureza………………………………………………………………………...40

6.7 Metalografía……………………………………………………………………………….42

6.8 Microscopia Óptica……………………………………………………………………….44

6.9 Prueba de Microdureza…………………………………………………………………..51

6.10 Porcentaje de Fases…………………………………………………………………53

6.11 Microscopia Electrónica de Barrido………………………………………………...60

7. CONCLUSIONES………………………………………………………………………...69

6

RESUMEN

Esta investigación tiene como objetivo principal analizar la influencia de los tratamientos térmicos de temple y revenido a determinadas temperaturas, realizar análisis de dureza, microdureza, pruebas de impacto y estudio metalográfico, además de determinar la relación de este cambio con las propiedades mecánicas del acero naval ASTM A-131.

Para alcanzar este logro, se van a ejecutar tratamientos térmicos de temple utilizando una temperatura de austenización un tiempo de sostenimiento y un medio de enfriamiento. Posteriormente se realizarán tratamientos de revenido utilizando una alta temperatura y tres tiempos de sostenimiento. Se efectuarán también medidas de tenacidad y resistencia máxima. La composición química se estudió usando espectroscopia de emisión óptica (OES), la microestructura se efectuará por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM)

Para demostrar el análisis comparativo se fabricarán 18 probetas de las cuales 3 se dejarán sin ser tratadas térmicamente, posteriormente al material mecanizado restante se le realizara un temple y se dejaran 3 de estas para el análisis comparativo y finalmente a las probetas restantes se les aplicará un revenido a 550 ºC a diferentes tiempos (5, 10, 15, 30) dejando 3 muestras por cada tiempo.

Con lo anterior, se desea realizar un estudio de la microdureza y análisis metalográfico en busca de martensita en su estructura cristalina, todos estos resultados en clasificación se utilizarán para observar las propiedades mecánicas que adquiere un acero de uso naval ASTM A131, luego de todo el proceso.

7

INTRODUCCIÓN

En la actualidad y principalmente en el mundo de la producción industrial, se tiene como finalidad transformar las materias primas en productos elaborados, de forma masiva. Así pues, la calidad de los productos como lo son los metales se han convertido en uno de los factores principales del funcionamiento óptimo de un control ambiental. El mejoramiento constante de sus propiedades, han sido objeto de investigación que más se ha venido estudiando y desarrollando con el fin de obtener propiedades y comportamientos mecánicos más óptimos en los materiales. En base a lo anterior, radica la importancia de desarrollar diferentes tipos de análisis tanto destructivos como no destructivos que ayuden a la identificación de propiedades físicas, químicas y mecánicas del metal, lo cual cumpla con una serie de características fundamentales para una determinada aplicación.

Con referencia al tipo de material que utilicemos y la eficiencia que le podamos dar a este, también es de vital importancia comprender el comportamiento que tendrá en un futuro durante su vida útil, puesto que hay que tener en cuenta varios factores que afectaran sus propiedades iniciales en un momento dado, algunos de los agentes que influyen en gran medida al material son debidos a las condiciones climáticas de la zona de operación, el tipo carga al que será sometido, la exposición a sustancias o elementos que afecten su estructura molecular, el trato y cuidado del elemento en uso, entre otros. De este modo podremos caracterizar y especificar el tipo de aleación y tratamiento que utilizaremos para garantizar las especificaciones de diseño.

En este orden de ideas abordaremos proponer la investigación titulada ANALISIS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MICRO ESTRUCTURALES DEL ACERO NAVAL ASTM A-131, SOMETIDO A PRUEBA DE IMPACTO, CON TRATAMIENTO DE TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENIDO A 550 ºC, que continua con una línea de trabajo en este acero que se ha venido construyendo en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, específicamente por el área de Ingeniería Mecánica y por el docente e ingeniero Carlos Arturo Bohórquez. Todo esto con el fin de generar nuevos conceptos en el área de la mecánica y la metalurgia, además de proponer el mejoramiento de este metal por medio de tratamientos térmicos para un óptimo desempeño y control ambiental, y así regular sus propiedades que depende de su producción.

8

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la vida cotidiana tenemos una gran cantidad de herramientas, tecnologías y utensilios que necesitan en mayor o menor medida a los metales como parte de su conformación, como sostén a las distintas estructuras siendo muy importante su extracción y utilización, mucho más de lo que pensamos.

Actualmente se realizan procesos más óptimos para la obtención y fabricación de materiales, uno de estos procesos para lograr modificar las propiedades mecánicas de los aceros es el desarrollo de distintos tipos de tratamientos térmicos. Todo lo anterior mencionado se centra en encontrar la mayor capacidad de un metal en absorción de energías, cargas y resistencia a ambientes pesados para mejorar sus propiedades mecánicas y obtener una óptima vida útil.

El acero ASTM A-131 se caracteriza por su amplio uso en la industria en general, por tal motivo este proyecto se enfoca en las fases microestructurales y las propiedades mecánicas inherentes de este metal antes, durante y al final del tratamiento térmicos con el fin de complementar la información en los aceros de fase dual y mejorar su aplicación en la industria ya que su costo es elevado.

9

1.1 ESTADO DEL ARTE

Los aceros de fase doble se caracterizan por sus excelentes propiedades físicas incluyendo un límite elástico bajo, alto nivel de endurecimiento en frio, alta resistencia a la tensión, así como una buena aptitud para la distribución uniforme de las deformaciones. Su microestructura, ajustada con precisión, logra un balance entre capacidad de estampado y una alta resistencia al agrietamiento. Estos aceros son ideales para uso dentro de componentes de estructura compleja. Superficies galvanizadas garantizan la mejor protección anticorrosión, además, ciertos grados pueden ser utilizados para aplicaciones en exteriores. El balance logrado entre resistencia, conformabilidad y soldabilidad de los aceros de fase doble, representa un enorme potencial para el diseño ligero que además logra un óptimo rendimiento en caso de colisión. Actualmente las investigaciones se han enfocado en considerar las distintas etapas de fabricación con información de ingeniería de detalle proveniente de la modelación por el sistema Foran de la ingeniería básica. Esta ingeniería de detalle nos permite determinar la cantidad de material de acero naval con clasificación ASTM A131 que se requiere para la fabricación del bloque y la generación de información técnica como ingeniería de producción para el armado en los distintos procesos constructivos de un bloque. [1]

Como segundo objetivo se encuentra el proporcionar información sobre el método para clasificar y seleccionar los electrodos para los distintos procesos de soldadura al arco eléctrico, de acuerdo a las normas emitidas por la American Welding Society AWS, con un control del aseguramiento de calidad que cumpla con la normativa de casa clasificadora Lloyd´s Register y la aprobación satisfactoria del cliente de un producto terminado bajo los parámetros de plazo, costo y calidad establecidos contractualmente. [1] También encontramos investigaciones en Colombia de la soldabilidad y el comportamiento de un acero de uso naval ASTM A.131 grado DH 36 soldado bajo el proceso GMAW – pulsado, utilizando dos composiciones de gases de protección al 100%, como argón y dióxido de carbono (CO2), y distintos flujos de gas, con el objeto de determinar las condiciones de la zona afectada por el calor y metal base, se utilizaron técnicas de ensayos no destructivos para encontrar discontinuidades inherentes producto del proceso y ensayos destructivos para caracterizar micro estructuralmente, y a su vez analizar las propiedades mecánicas de las juntas soldadas, así como los criterios de aceptación y rechazo del código AWS D1.1 2010 para posteriormente calificar las soldaduras.[2]

En el año 2011, los estudiantes Juan Carvajal y Juan Romero realizaron la tesis titulada “análisis y evaluación de las propiedades mecánicas de resistencia en juntas soldadas bajo el proceso FCAW afectadas por elevadas temperaturas (incendios), aplicando métodos de ultrasonido y ensayos mecánicos”. Se utilizaron probetas de aceros ASTM A36 y ASTM A588, y estas fueron sometidas a diferentes temperaturas (300ºC, 600ºC y 900ºC), después son sometidas a enfriamientos rápidos por medio de agua, para ser analizadas por ensayos destructivos y mediante ensayos no destructivos se determinó la existencia de discontinuidades internes y externas. Esta investigación será muy útil al momento de analizar la confiabilidad de construcciones con acero estructural ASTM A 131 al analizar su microestructura y tamaño de grano después de un tratamiento térmico. [3] Recientemente, en estos aceros se han realizado investigaciones orientadas al desarrollo de las texturas durante los procesos de conformado termo mecánicas, donde principalmente se ha estudiado la influencia de los parámetros de proceso, como porcentajes de reducción, tiempo entre pasadas

10

de laminación, temperatura de tratamiento, entre otras, en las orientaciones resultantes. Todas estas investigaciones y proyectos acerca de este metal, nos proporcionan animo en la continuación del área de tratamientos térmicos y metalografía junto con el diseño mecánico que enlaza todos los conocimientos que hemos aprendido en nuestra carrera.

11

2. JUSTIFICACIÓN

A través de este proyecto de investigación se quiere determinar la influencia de un tratamiento de temple desde temperaturas intercríticas y un revenido a 550ºC sobre la energía absorbida en un ensayo de impacto según la norma ASTM E-23, para un acero ASTM 131. En los conocimientos obtenidos a través de nuestra carrera concluimos que la globalización de la economía mundial ha tenido un profundo efecto sobre la industria de metales ferrosos (y la seguirá teniendo).

A causa de la situación del mercado, esta industria está sufriendo cambios estructurales importantes, lo que ha llevado al desarrollo de nuevos conceptos en la producción de acero (nuevas técnicas de colada, de fundición directa, de reducción de fundición, de hornos de arco eléctrico etc.). Con lo dicho anteriormente se tiene como proyecto, realizar un análisis específico del comportamiento en el acero ya mencionado, para tomar conclusiones acerca del proceso y la metodología que es necesaria aplicar.

12

3. OBJETIVOS

3.1 Objetivo General

Establecer la influencia de tiempos de revenido a 550°C en la resistencia al impacto y microestructura general de un acero ASTM-131, al ser templado desde temperaturas intercríticas.

3.2 Objetivos Específicos

Efectuar un estudio de microdureza de fases y microscopia electrónica de barrido en las probetas del material después de aplicar la técnica metalográfica.

Evaluar la energía absorbida del acero ASTM 131 correspondiente a la variación del material sin ser alterado térmicamente, con temple y los diferentes tiempos de revenido a 550°C como son (5; 10; 15; 30 minutos).

Analizar los resultados obtenidos experimental y teóricamente.

13

4. MARCO TEÓRICO

4.1 Metales: se define como metal a todo material que cumple las siguientes

características físicas:

a) Alta conducción de calor.

b) Solido a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido).

c) Baja energía de ionización.

d) Baja electronegatividad.

4.2 Aceros De Fase Dual

Los aceros De fase dual (DP) (Al-Abbasi & Nemes, 2003) son elementos con una microestructura que consiste en una matriz de ferrita, en el cual las partículas de martensita se encuentran dispersos, han recibido una gran atención debido a su combinación útil de alta resistencia, alta velocidad de endurecimiento por deformación y ductilidad, todos los cuales son propiedades favorables para los procesos de formación. Investigación experimental sobre el efecto de la fracción de volumen de la fase más difícil, la morfología y distribución de fases en las propiedades mecánicas de los aceros de fase dual está bien establecida globalmente en la literatura. En el presente trabajo, un modelo micro mecánico se ha desarrollado para capturar el comportamiento mecánico de los materiales, la adopción de la conducta constitutiva de los componentes de la literatura. Enfoques analíticos se han utilizado en el pasado para modelar el comportamiento de los materiales de acero DP, pero los tratamientos teóricos se basan en la hipótesis de deformación uniforme a lo largo de los constituyentes, dejando de lado los gradientes de presión locales.

Esta hipótesis contradice las observaciones experimentales, reduce la comprensión de la mecánica y el mecanismo de deformación de materiales. Basado en el modelo micro mecánico de las células, las idealizaciones son investigados varios de los cuales el modelo de simetría axial se muestra para mostrar la capacidad intrínseca para capturar el comportamiento de los materiales previstos en términos de la tendencia de las curvas de tensión-deformación con una fracción de volumen cada vez mayor de la segunda fase y en términos de la deformación de los componentes. Los aceros doble fase que están siendo muy utilizados en la industria del automóvil (Cárdenas, Rodríguez, Belzunce, & Betegón, 2009), son aceros poco aleados que requieren un tratamiento intercrítico en el dominio austenita + ferrita seguido de un tratamiento lo suficientemente rápido como para que esa austenita se transforme en martensita. Estos tratamientos también se ven directamente afectados con respecto al contenido de carbono en su composición química ya que se evidencio con un ensayo miniatura de punzonado que entre más alto sea el contenido de Carbono mayor será su rigidez. En el artículo titulado ‘’Comportamiento a la fatiga de la dual phase hojas de acero al carbono de baja aleación’’ (Akay, Yazici, Bayram, & Avinc, 2009) se hacen una serie de tratamientos térmicos a algunos aceros con bajo contenido de carbono a los cuales

14

se les realiza pruebas de fatiga, tensión y análisis metalográfico muestran como con los aceros tratados a temperaturas intercríticas se tiene la ventaja de obtener una mayor dureza y una mayor resistencia a la tracción debido a la producción de martensita y ferrita, además un dato muy importante para resaltar es que entre mayor sea la martensita en el material mayor será su fragilidad. También cabe destacar que la iniciación de fisuras por fatiga se produce en la interface de ferrita-martensita especialmente en la parte de ferrita. [5]

4.3 Acero

El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono que puede variar entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Acero no es lo mismo que hierro. Y ambos materiales no deben confundirse. El hierro es un metal relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico (dA) de 2,48 Å, con temperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. La diferencia principal entre el hierro y el acero se halla en el porcentaje de carbono: el acero es hierro con un porcentaje de carbono de entre el 0,03% y el 1,075%. El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas, sobre todo su resistencia. [6]

4.4 Características Acero ASTM 131

El ASTM A 131 grado A, es un acero de bajo porcentaje de carbono hipoeutectoide utilizado en la industria naval. Sus características mecánicas y composición química requeridas están contenidas en la designación A 131/A 131M – 01 de las normas ASTM. La especificación estándar para acero estructural para barcos, utilizado tanto en construcción como en reparaciones, se encuentran designada en las Normas ASTM en la especificación ASTM A-131-82, y bajo la aprobación de la casa clasificadora Lloyd´s Register of Shipping (LRS). [7]

Este acero, utilizado principalmente en construcciones navales, se especifica en dos niveles de resistencia, cuyas propiedades mecánicas como la dureza y elongación se evaluarán por medio del ensayo de tensión y de Charpy. La clasificación de tipos de aceros ASTM A131 según su resistencia en la figura 1. Clasificación de acero ASTM A131. La composición y características físicas del acero ASTM A131 para las distintas resistencias que clasifican el acero se identifica en la Tabla 1.

15

Tabla 1. La composición y características físicas del acero ASTM A131

En la tabla 1 se puede observar las propiedades mecánicas en función de las composiciones químicas de los tipos de acero A131, donde los grado A, B, D, E, CS, DS son resistencias considerables y los grados AH32, DH32, EH32, AH36, DH36 y EH36 contienen resistencias mayores a 470 Mpa, y encontramos el mayor porcentaje de carbono en los aceros A131 de grado A con 0,23, B y D con 0,21 lo cual influye en la soldabilidad del material.Los aceros al carbono para el ámbito naval bajo la designación ASTM A 131-82 de la norma ASTM, presenta en su composición química del material, un porcentaje de carbono ya establecidos para aceros de resistencia normal y aceros de resistencia superior tanto del grado del material como el espesor. A su vez está establecido el porcentaje de carbono equivalente para el grado del acero y para el espesor de material.

Los aceros poseen una clasificación desde el minuto de refinado del acero, composición química y propiedades mecánicas, pero todos son analizados y comparados con los mismos parámetros de ensayos para generar una comparación equitativa bajo los mismos parámetros de medición. Dentro de la gran variedad de aceros, se encuentran los aceros navales clasificados por la ASTM como los aceros ASTM A 131 quien presenta una clasificación en grados según la propiedad de resistencia, al igual de las equivalencias de clasificación por las distintas casas clasificadoras del ámbito naval

4.5 Tratamientos Térmicos

Se entiende por tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento, permanencia y enfriamiento de las aleaciones de metales en estado sólido, con el fin de cambiar su estructura y conseguir propiedades físicas y mecánicas necesarias. Se tratan térmicamente no solo las piezas semiacabadas (bloques, lingotes, planchas,

16

etc.), con el objetivo de disminuir dureza, mejorar la maquinabilidad y preparar su estructura para el tratamiento térmico definitivo posterior, sino también las piezas terminadas y herramientas para proporcionarles las propiedades definitivas exigidas. [7]

4.5.1 Temple

El temple se utiliza para obtener un tipo de aceros de alta dureza llamado martensita. Se trata de elevar la temperatura del acero hasta una temperatura cercana a 1000 ºC y posteriormente someterlo a enfriamientos rápidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire. La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composición química del acero y se denomina templabilidad. Al obtener aceros martensíticos, en realidad, se pretende aumentar la dureza. El problema es que el acero resultante será muy frágil y poco dúctil, porque existen altas tensiones internas.

4.5.2 Revenido

El revenido es el tratamiento térmico que sigue al temple. Recuerda que un acero templado es aquel que tiene una dureza muy alta (llamado martensita), pero tiene el inconveniente de ser frágil y poco porque tiene tensiones internas. El revenido consiste en calentar la pieza templada hasta cierta temperatura, para reducir las tensiones internas que tiene el acero martensítico (de alta dureza). De esto modo, evitamos que el acero sea frágil, sacrificando un poco la dureza. La velocidad de enfriamiento es, por lo general, rápida.

4.5.3 Recocido

El recocido consiste en calentar un material hasta una temperatura dada y, posteriormente, enfriarlo lentamente. Se utiliza, al igual que el caso anterior, para suprimir los defectos del temple. Se persigue: – Eliminar tensiones del temple. – Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad del acero. ¿Cómo se practica el recocido? – Se calienta el acero hasta una temperatura dada – Se mantiene la temperatura durante un tiempo – Se enfría lentamente hasta temperatura ambiente, controlando la velocidad de enfriamiento. Si la variación de temperatura es muy alta, pueden aparecer tensiones internas que inducen grietas o deformaciones. El grado de plasticidad que se quiere dotar al metal depende de la velocidad de enfriamiento y la temperatura a la que se elevó inicialmente.

4.5.4 Normalizado

Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformación mecánica, tales como una forja o laminación para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composición. El normalizado se practica calentando rápidamente el material hasta una temperatura crítica y se mantiene en ella durante un tiempo. A partir de ese momento, su estructura interna se vuelve más uniforme y aumenta la tenacidad del acero. [8]

4.6 Tipos de aceros

17

En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

4.6.1 Ferrita

Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación.

4.6.2 Cementita

Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.

4.6.3 Perlita

Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular. [9]

Figura 1 Perlita Fina (izq) y Gruesa (der)

18

4.6.4 Austenita

Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC.

También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.

Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.

Figura 2 Austenita

4.6.5 Martensita

Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipa BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llegar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). [9]

19

La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz.

Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además, es magnética.

Figura 3 Martensita

4.6.5.1 Martensita Revenida

La martensita revenida son finas partículas de la fase cementita en la matriz de la fase ferrita y se obtiene al someter la martensita a tratamiento térmico por revenido, posterior al temple, ya que su estructura varía en función de la temperatura y el tiempo de revenido y para que la martensita sea transformada en el revenido el sistema deberá ascender hacia las dos fases de equilibrio, ferrita y cementita. La martensita revenida se caracteriza por tenacidad y resistencia a la fatiga. [10]

4.7 Diagrama De Fases Hierro- Carbono.

Los diagramas de fase permiten que entendamos por qué las características de aceros cambian con el contenido del carbón y nos permiten hacer los aceros con las características que requerimos. En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, de forma que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos

20

críticos temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por métodos diversos.

4.8 Relación Entre Característica Física y Tamaño de Grano

La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.

4.9 Acero hipoeutectoide

Se denomina acero hipoeutectoide a los aceros que según el Diagrama hierro-carbono tienen un contenido en carbono inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 % de C). El acero hipoeutectoide está formado por una mezcla de ferrita más perlita.

4.9.1 Tipos de acero hipoeutectoide

Acero bajo en carbono

El procentaje de carbono estos aceros no supera el 0,2%, se llaman aceros ferríticos, son muy suaves, dúctiles, deformables y de baja resistencia.

Acero al carbono medio

A este grupo pertenecen la mayoría del acero comercial que se produce, su porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,2% y el 0,5%. Sus propiedades dependen de la cantidad de ferrita y perlita que tienen y varían sus prestaciones en un rango muy amplio.

Aceros de alto carbono

Estos aceros tienen un porcentaje de carbono comprendido entre el 0,5% y el 0,77%, se denominan aceros perlíticos. Se resistencia y dureza son elevadas pero su ductilidad y tencidad son bajas [11]

https://www.urbipedia.org/hoja/Perlita

21

Figura 4 Diagrama de Fases Hierro carbono

De esta forma, nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente. Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

4.10 Diagrama TTT

22

El diagrama Fe-C representa la transformación de la austenita cuando los enfriamientos son lentos o de equilibrio. Los productos finales de la transformación de la austenita en los aceros son la ferrita, cementita y la perlita. Los enfriamientos rápidos de la austenita para obtener martensita no siguen el diagrama de equilibrio Fe-C por ser productos que no están en equilibrio. En estos casos el empleo del diagrama de equilibrio Fe-C no tiene sentido y en su lugar deben utilizarse las curvas “S” o diagramas TTT en el estudio de los tratamientos térmicos de temple, normalizado y recocido.

Los diagramas TTT (tiempo, temperatura y transformación) representan el tiempo necesario para transformar de forma isotérmica la austenita a una temperatura subcrítica específica y el producto de dicha transformación. Según el procedimiento seguido en el enfriamiento de la austenita se distinguen las transformaciones isotérmicas (curvas TTT) y las transformaciones por enfriamiento continuo (Curvas TEC). [12]

Figura 5 Diagrama TTT

4.11. Influencia de los Elementos en la Aleación de los Aceros

Para mejorar las características y el comportamiento de los aceros al carbono y mejorar la resistencia y otras cualidades especiales es necesario añadir otros elementos en la aleación, cada uno con una propiedad diferente, los más sobresalientes son:

Influencia del Níquel: El níquel tiene la propiedad de aumentar la resistencia, límite elástico y dureza de los aceros a que se añade, sin aumentar su fragilidad, además facilita el temple de forma tal que, si un acero al carbono requiere un enfriamiento al

23

agua para su temple, añadiéndole níquel basta en general un enfriamiento en aceite.

Influencia del Cromo: El cromo aumenta considerablemente la dureza y resistencia de los aceros, aunque disminuye algo su tenacidad y disminuye también su sensibilidad de los aceros al revenido; es decir, que es necesario emplear revenidos a temperaturas más altas para lograr la misma disminución de dureza.

Influencia del manganeso: El manganeso tiene efectos muy semejantes al níquel, pero con la particularidad de necesitarse contenidos más pequeños de manganeso (aproximadamente la mitad), para lograr el mismo efecto que con un contenido determinado de níquel. No obstante, al elevarse el contenido excesivamente, produce fragilidad por lo cual se limita el porcentaje siendo raro en la construcción, el empleo de aceros que contenga más de 1.2% de manganeso.

Influencia del Wolframio: El wolframio proporciona al acero gran dureza y resistencia al desgaste, y aumenta su fragilidad, no obstante, la propiedad más interesante que confiere al acero este elemento, es la de aumentar su resistencia a elevadas temperaturas, es decir que a temperaturas elevadas tiene mayor dureza y resistencia que los aceros de composición igual que no lo contengan. [13]

4.12 Prueba De Impacto: Ensayo Charpy

En elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas, las que pueden aparecer circunstancialmente, su falla se produce generalmente, al no aceptar deformaciones plásticas o por fragilidad, aun en aquellos metales considerados como dúctiles. En estos casos es conveniente analizar el comportamiento del material en experiencias de choque o impacto. El ensayo de tracción estático nos da valores correctos de la ductilidad de un metal, no resulta preciso para determinar su grado de tenacidad o fragilidad, en condiciones variables de trabajo. Los ensayos de choque determinan, pues, la fragilidad o capacidad de un material de absorber cargas instantáneas, por el trabajo necesario para introducir la fractura de la probeta de un solo choque, el que se refiere a la unidad de área, para obtener lo que se denomina resiliencia.

Este nuevo concepto, tampoco nos ofrece una propiedad definida del material, sino que constituye un índice comparativo de su plasticidad, con respecto a las obtenidas en otros ensayos realizados en idénticas condiciones, por lo que se debe tener muy en cuenta los distintos factores que inciden sobre ella. Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de impacto es el de comprobar si una maquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo, muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones, por cambios bruscos de sección, maquinados incorrectos, fileteados, etcétera, o bien verificar el correcto tratamiento térmico del material ensayado.

4.12.1 Método De Ensayo.

Los ensayos dinámicos de choque se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos o martillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados por una masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose la experiencia en la mayoría de los casos, de dos maneras distintas el método Izod y el método Charpy. En ambos casos la rotura se produce por flexionamiento de la probeta, la diferencia radica en la

24

posición de la probeta entallada, como se muestra en la figura por lo que se los denomina flexión por choque

El péndulo de Charpy es un dispositivo utilizado en ensayo para determinar la tenacidad de un material. Son ensayos de impacto de una probeta entallada y ensayada a flexión en 3 puntos. El péndulo cae sobre el dorso de la probeta y la parte. La diferencia entre la altura inicial del péndulo (h) y la final tras el impacto (h') permite medir la energía absorbida en el proceso de fracturar la probeta. En estricto rigor se mide la energía absorbida en el aérea debajo de la curva de carga, desplazamiento que se conoce como resiliencia. La velocidad que adquiere la masa al golpear la probeta queda determinada por la altura del péndulo. Tras la rotura, la masa continúa su camino hasta llegar a una cierta altura, a partir de la cual se determina la energía absorbida. Así se medirá la energía absorbida por ese golpe. Las probetas que fallan en forma frágil se rompen en dos mitades, en cambio aquellas con mayor ductilidad se doblan sin romperse. Este comportamiento es muy dependiente de la temperatura y la composición química, esto obliga a realizar el ensayo con probetas a distinta temperatura, para evaluar la existencia de una "temperatura de transición dúctil-frágil". La energía absorbida por la probeta (en [J]), se puede medir calculando la diferencia de energía del péndulo antes y después del impacto, mediante la altura a la que llega el péndulo después de romper la probeta ecuación 1.1). El problema de este método es que resulta muy inexacto medir la altura a la que llega la masa, entonces como se sabe el ángulo inicial del péndulo (a) y la máquina registra el ángulo final (b), mediante relaciones trigonométrica se llega a relacionar la energía absorbida en función de los ángulos y el largo del brazo en la ecuación 1.2

Eabs= m.g.(h-h’) (1.1)

Eabs= m.g.(cosβ-cosα) (1.2)

Cuanta mayor sea la fragilidad del material y menor su tenacidad más fácilmente romperá el péndulo la probeta y mayor altura alcanzará tras el impacto. Materiales muy dúctiles y tenaces que son capaces de absorber grandes cantidades de energía de impacto pueden incluso resistir el choque sin llegar a romperse; en este caso el valor de la resiliencia queda sin determinar. [14]

1. Péndulo de Impacto Martillo (Hammer Nº4 masa = 13.333 Lb) 2. Galga para centrar probeta 3. Probeta de acuerdo a las medidas en el plano.

25

Figura 6 Montaje De Probeta Para Prueba De Impacto Tipo Charpy

5. DISEÑO METODOLÓGICO 5.1 Investigación

La secuencia de metodología utilizada para la realización de la investigación fue la siguiente:

5.2 Probeta Normatividad

26

Para el correcto desarrollo del proyecto y precisión en los resultados obtenidos se hizo uso de los siguientes materiales, instrumentos de medición y elementos de preparación de las probetas a estudiar:

El material que fue utilizado es acero ASTM A 131, fabricado bajo las condiciones de la norma de impacto ASTM E 23 tipo charpy 55x10 mm con una muesca exactamente a la mitad fabricada a 45° grados El mecanizado de las probetas fue estudiado y realizado por los estudiantes autores del proyecto. Para realizar las pruebas de encapsulamiento, metalografía, dureza y microdureza, se realizaron los cortes con segueta y marco manual para evitar una afectación de las propiedades microestructurales por el calentamiento que el proceso origina en caso de utilizar una cortadora metalográfica.

Figura 7 acercamiento Angulo probeta

Figura 8 Medidas respectivas probetas

27

5.3 Equipos Y Herramientas Utilizados

5.3.1 Mufla Electrica Labtech/LEF-P

La mufla eléctrica es un tipo de horno que puede alcanzar temperaturas muy altas para cumplir con los diferentes procesos que requieren este tipo de característica. Ha sido diseñada para una gran variedad de aplicaciones dentro de un laboratorio y pueden realizar trabajos como: procesos de control, tratamientos térmicos y secado de precipitados.

Cuenta con hornos pequeños con resistencias calefactoras ocultas. Está equipada con un control digital que se encarga de regular la temperatura. Adicionalmente cuenta con un Interruptor en la puerta que se encarga de cortar el suministro eléctrico para minimizar la exposición a altas temperaturas y el consumo innecesario de energía eléctrica, ésta función además previene el daño prematuro de los elementos calefactores. Puede alcanzar temperaturas de hasta 1200°C. También cuentan con temporizador programable.

Figura 9 Mufla Electrica Labtech

Las probetas fabricadas bajo la norma ASTM E 23 fueron enlazadas entre sí por medio de alambre dulce, este proceso permitió juntarlas dentro de la mufla para calentarlas y agilizó los tratamientos térmicos al disponer de unas pinzas para retirarlas, todo esto luego de establecer la temperatura y el tiempo del proceso indicado en el resumen.

5.3.2 Encapsuladora Metalografica O Prensa De Montaje Automático Metkon Ecopress 50.

Esta máquina eléctrica permite encapsular las muestras pequeñas de los diferentes materiales bajo una denominación estándar en el caso de las medidas, este proceso permite lijar y desbastar el material antes de realizar el proceso metalográfico. Su funcionamiento es completamente automático con controles de microprocesador, la presión hidráulica electro (no requiere aire), con controles del panel frontal de la superficie táctil y pantalla digital de tiempo de calentamiento, la temperatura, la temperatura de moldeo, enfriamiento, refrigeración ram arriba / abajo auto / manual, ciclo de arranque / parada , la configuración últimos parámetros retenidos en la

https://rita.udistrital.edu.co:23604/recursos/?p=398


28

memoria, con el medidor de presión de lectura directa, presión de moldeo hasta 300 bar, temperatura de hasta 200 º C, el tiempo de operación hasta 59:99 minutos, tiempo de ciclo corto. La energía térmica de temperatura controlada del ciclo de enfriamiento 1250W, automático, seleccionables tamaños de moldes de 25 mm a 50 mm, señal de advertencia audible, listo para funcionar. Los cortes pequeños que se le hicieron al material, se usaron específicamente en el encapsulamiento accionado por la máquina.

Figura 10 Procedimiento Encapsulado De La Probeta Y Baquelita

El procedimiento consiste en preparar las probetas como se mencionó anteriormente, garantizando que la superficie no contenga ningún tipo de líneas que impidan observar su microestructura; posteriormente se realiza un ataque químico con Nital el cual expone la superficie de una mejor manera y da mayor nitidez para la toma de la imagen; a continuación, se colocan una a una las probetas en el microscopio metalográfico trinocular invertido Axio Observer D1m disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital, en donde se puede observar y hacer toma de imágenes digitales a las estructuras metalográficas

5.3.3 Banco De Lijado

Se hizo uso del banco de lijado que se encuentra en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica, previo al pulido, donde se implementaron lijas de 400, 600, 1000, 1200, 1500 y 2000 para la preparación de las probetas, donde estas deben ser giradas cada 90° cada tres a cinco minutos aproximadamente hasta eliminar los rayones producidos por los diversos cortes realizados, dándoles un acabado más fino y sin marcas profundas en el material. El agua fue un elemento adicional e importante en el lijado y pulido ya que facilitan el proceso de deslizamiento abrasivo y la fricción.

29

Figura 11 Brilladora de Automatica

Figura 12 Banco de Lijado

5.3.4 Pulidora Metalográfica

La máquina de esmerilado y pulido ofrecen soluciones prácticas y económicas para la preparación de muestra metalográfica que se necesite. Posee dos discos giratorios que hace mover la muestra, controlado por un microprocesador. Estos discos pueden usarse con velocidades de rotación constantes, dobles o infinitamente variable con pantalla digital. Esto permite el ajuste de la velocidad óptima para cada proceso de preparación individual.

Las ruedas están montadas sobre cojinetes de bolas que permite la aplicación de altas presiones para preparar incluso especímenes grandes. Los rodamientos de bolas utilizadas proporcionan un funcionamiento libre de vibraciones. Sus instrumentos pueden ser utilizados para la molienda, lapeado y pulido con discos magnéticos y respaldados con paños y por intercambio rápido. Después del lijado se procede a pulir de manera eficaz la muestra del material para obtener el anhelado brillo espejo, este proceso se realiza con anterioridad al ataque químico.

5.3.5 Microscopio Metalográfico

El equipo Axio Observer D1m es un microscopio metalográfico invertido que permite efectuar el control de superficie y análisis óptico de metales. El objeto a estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz. Pertenece al laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Facultad

30

Tecnológica, y se utilizó en el proceso de toma fotográfica en las probetas a 2 formatos de zoom 50x y 100x para observar las fases del material.

Figura 13 Microscopio Óptico Figura 14 Durómetro GNEHM

5.3.6 Durómetro

El durómetro GNEHM Swiss Rock determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma automática y se puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador normalizado, que produce una huella sobre el material. En función de la profundidad y morfología de la muesca, se obtendrá la dureza del material.

El elemento que penetra en el material determina la clasificación del material en la escala Rockwell A, B O C, se definieron las durezas del acero ASTM A 131, de acuerdo a varios procedimientos y resultados para luego obtener un resultado promedio de datos.

5.3.7 Microdurometro Shimadzu Hmv-2.

Es un Instrumento de medición de dureza que permite obtener datos de microdurezas medidas en Vickers y Rockwell C, pequeñas zonas de muestras metálicas. determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma automática y se puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador normalizado, que produce una huella sobre el material.

En función de la profundidad y morfología de la muesca, se obtendrá la dureza del material. El microduròmetro genera una deformación plástica en una zona del material, esta deformación que se genera es proporcional a la dureza de las muestras. [15]


31

Figura 15 Microdurometro Shimadzu Hmv-2.

5.3.8 Microscopio Electrónico de Barrido SEM

Un microscopio de barrido de electrones funciona con un haz de electrones producido por una fuente que puede ser un cañón termoiónico (filamento de tungsteno o de hexaboruro de lantano) o un cañón de emisión de campo

Al cañón se le aplica un potencial eléctrico que acelera el haz de electrones hacia una columna, éste es focalizado por medio de lentes electromagnéticas sobre la muestra (toda la trayectoria de los electrones debe estar en vacío, de lo contrario, los electrones colisionarían con las moléculas de aire y serán absorbidos). Los electrones chocan e interactúan con la muestra produciendo varias señales que podrán ser recogidas de acuerdo con la señal y con los detectores presentes. La magnificación de la imagen se produce por un conjunto de lentes electromagnéticas que mediante un tratamiento adecuado de las señales electrónicas son proyectadas en un tubo de rayos catódicos (CRT). [16]

Este proceso se realizó en la Universidad de los Andes sede principal Bogotá D.C, debido a que no se cuenta con este equipo en ninguna facultad de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por lo cual fue necesario realizar un pago adicional por su asesoría, alquiler y funcionamiento.

Al tener un funcionamiento electromagnético, permite identificar la estructura de forma más eficiente, las ventajas de realizar este proceso directamente en los objetivos del material son; su gran profundidad de campo que le da apariencia tridimensional a las imágenes permitiendo enfocar y observar amplias zonas de la muestra al mismo tiempo.

Puede producir imágenes de alta resolución (de hasta 3 nm), es decir, que detalles muy cercanos en la muestra pueden ser observados separadamente a alta


32

magnificación. Se pueden observar muestras de tamaños desde centímetros hasta muestras del orden de nanómetros.

Figura 16 Microscopio Electrónico De Barrido SEM

5.3.9 Probetas Con el objetivo de obtener los mejores datos para el análisis y comparación de las distintas pruebas se optó por la siguiente distribución para la obtención de datos:

3 probetas en estado de suministro (Para análisis metalográfico) 3 probetas templadas a 830 ºC 3 probetas con temple y revenido a 550 ºC y 5 minutos de sostenimiento de

temperatura 3 probetas con temple y revenido a 550 ºC y 10 minutos de sostenimiento de

temperatura

3 probetas con temple y revenido a 550 ºC y 15 minutos de sostenimiento de

temperatura

3 probetas con temple y revenido a 550 ºC y 30 minutos de sostenimiento de

temperatura

33

Figura 17 ensayo de impacto (ASTM E23-12C Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials)

Se utilizó una placa de acero ASTM- A131 laminado en caliente y pre- maquinada de aproximadamente 400mm de largo por 400mm de ancho y 12 mm de espesor para la fabricación de las probetas requeridas en el ensayo de impacto el cual se realizó en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Distrital.

6. DESARROLLO DEL PROYECTO

6.1 Composición Química e Identificación Del Material

El material se adquirió en la Compañía General de Aceros (CGA), empresa que cuenta con la existencia de este material y su fácil comercialización. Debido a que la compañía solo cuenta con una presentación en placas (15.88 y 9.53 mm) y no en secciones rectangulares del metal a estudiar, se le solicita a la comercializadora este acero con las siguientes condiciones: Secciones rectangulares calibre 9.53 mm, un ancho de 10 mm, un largo de 300 mm y el corte de las secciones en el mismo sentido de laminación de la placa origen. Para la identificación del material a estudiar se realizó un estudio de la composición química del material utilizado ASTM A131, dentro de las instalaciones de la Universidad Nacional de Colombia, el proceso se llama espectroscopia El servicio que presta el equipo Auger es la entrega de espectros que grafican la Energía cinética de los electrones Auger versus su intensidad. Con estos datos el usuario (analista) puede saber la composición elemental (elementos de la tabla periódica) que se encuentran en la superficie de la muestra (1 a 5 nanómetros). Una vez obtenida la composición química del material se procedió a

34

determinar la dirección laminar del grano del material la cual se eligió como objeto de estudio metalográfico, ya que las propiedades mecánicas del material pueden variar de manera mínima con respecto a la superficie que se encuentra a 90° de la cara que va en la dirección laminar. Con lo anterior se procedió a realizar el correspondiente estudio del material establecido y delimitado.

Elemento Contenido

Hierro 99,011 %

Carbono 0,22 %

Manganeso 0,465 %

Fosforo 0,02 %

Azufre 0,01 %

Silicio 0,183 %

Cobre 0,022 %

Níquel 0,017 %

Cromo 0,035 %

Vanadio 0,003 %

Molibdeno 0,008 %

Wolframio 0,006 %

Cobalto 0,003 %

Titanio 0,002 %

Estaño 0,001 %

Aluminio 0,0031 %

Niobio 0 %

Boro 0,0005 %

Plomo 0,005 %

Magnesio 0 %

Tabla 2 Composición Química Acero ASTM A-131

Fuente Propia

Una vez obtenida la composición química del material se procedió a determinar la dirección laminar del grano del material la cual se eligió como objeto de estudio metalográfico, ya que las propiedades mecánicas del material pueden variar de manera mínima con respecto a la superficie que se encuentra a 90° de la cara que va en la dirección laminar. Con lo anterior se procedió a realizar el correspondiente estudio del material establecido y delimitado.

6.2 Temple

Para el desarrollo del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas ha sido necesario obtener dichas temperaturas partir de las ecuaciones propuestas por (Movahed et al., 2009) y la ficha técnica del material:

𝐴1(°𝐶) =723-16,9[0.017]+29.1[0.183]+6,39[0.006]-10,7[0.465]+16,9[0.035]-290[0]

35

𝐴1 (°𝐶) =723.692

𝐴3(°𝐶) = 912 − 203√[0.22] +0[0.017]+ 44.7[0.183] + 104[0.003] + 31.5[0.008] + 13.1[0.006] − 30[0.4625]− 11[0.035] − 20[0.022] + 700[0.02] + 400[0.003] + 120[0]

+ 400[0]

𝐴3 (°𝐶) =826.107

Teniendo en cuenta los resultados de los cálculos y estableciendo las temperaturas intercríticas A1 y A3 que aplican para el acero ASTM A-131, se decide escoger la temperatura de 830°C la cual se encuentra cercana a la temperatura de austenización A3 pero se mantiene dentro del rango establecido inicialmente para realizar el tratamiento térmico de temple con un tiempo de sostenimiento de 30 minutos. El tratamiento térmico de revenido se realizará a 550°C con tiempos de sostenimiento de 5, 10, 15 y 30 minutos para cada una de las temperaturas. Los tratamientos se realizaron en el laboratorio de tratamientos térmicos de la Universidad Distrital el cual dispone de un horno aislado eléctrico Lab Tech LEF103PE con una cámara para medios de temple y revenido con capacidad aproximada de 3 litros. Para este trabajo el medio de temple usado fue agua a temperatura ambiente junto con sal marina acelerando el proceso de enfriamiento.

Figura 18 Probetas Templadas

6.3 Revenido

Este proceso se realiza a una temperatura de revenido 550°C y cuatro escalas de tiempo de sostenimiento 5, 10 15 y 30 minutos; la selección de estas temperaturas y de estos tiempos de sostenimiento, se hacen con el fin de establecer las modificaciones en las propiedades mecánicas que se pueden dar en el revenido medio y el revenido alto del material analizado. El procedimiento de la prueba consiste en agrupar tres probetas para cada temperatura y cada tiempo de sostenimiento, previamente templadas según la descripción hecha anteriormente, estas piezas se ubican sobre la base disponible en el laboratorio y se introducen en el horno a temperatura ambiente; posteriormente se programa el horno para que comience su fase de calentamiento hasta que alcance la temperatura deseada (una hora a 550°C aproximadamente).

36

El tiempo que demora la mufla en estabilizar la temperatura es aproximadamente 10 minutos y desde ese momento se da el tiempo de sostenimiento necesario (5, 10, 15 y 30 minutos dependiendo el caso). Finalmente, se sacan del horno todas las probetas y se dejan enfriar en agua de una forma menos brusca al temple, donde influye también el aire en el ambiente.

Figura 19, Tina de enfriamiento Figura 20. Mufla Electrica

6.4 Prueba De Impacto Tipo Charpy

Después de realizar el tratamiento térmico se procedio a ejecutar la prueba de impacto, según la norma ASTM E-23, lo cual se utilizó un péndulo Charpy Satec SI-1ª, con una masa del martillo de 6.048 Kg aproximadamente. En la tabla de composición química se observa un alto porcentaje de Manganeso en su determinación, lo que directamente se refleja en la dureza y energía de la prueba. Por tanto, se obtuvo que ninguna probeta se fracturo totalmente obteniendo resultados muy similares como se muestra en la imagen del resultado y en la tabla de datos. El ensayo de resiliencia sirve para determinar la fragilidad o resistencia que opone un material a la rotura. Esta resistencia o energia se conoce por el nombre de resiliencia y se expresa en Julios. Para realizar el ensayo se emplea el péndulo de caída que mide la energía residual existente después de la rotura de la muestra de material, es decir la diferencia entre la energía total desarrollada.

37

Figura 21 Probeta Templada y con Revenido a 550ºC 5 minutos

Figura 22, Figura 23 Pendulo prueba tipo charpy ASTM E23

Figura 23 Probetas Impactadas Figura 24 Probeta en prensa de péndulo

38

Respecto a los resultados obtenidos en la prueba por cada intervalo de tiempo en el proceso de revenido, en el temple y en la probeta sin tratamiento, se toma un resultado promedio por cada uno de los 3 intentos en cada tipo de probeta ya que son muy similares de forma cualitativa.

Tabla 3 datos energía absorbida por probeta

Grafico 1 Energía Absorbida por el Acero según el Tiempo de Revenido a 550 °C

81,6

30,26

81,57 81,59 81,64 81,64

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Sin TT Solo Temple REV 5 min REV 10 min REV 15 min REV 30 min

ENER

GIA

EN

JO

ULE

S

Tratamiento Térmico Energía (J)

Sin Tratamiento Térmico

81.60

Solo temple (830ºC en 30 min)

30.26

Rev. 550ºC en 5min 81.57




39

Según el gráfico 1 se puede determinar que los procesos de temple y revenido tuvieron efecto en el material. Las probetas templadas fueron las más afectadas en la prueba de impacto, ya que por efectos de este proceso el material obtiene más rigidez, por lo tanto es más frágil y para las probetas revenidas se observa una variación de la energía, puesto que este revenido reduce la dureza y disminuye las tensiones internas aumentado la tenacidad y su plasticidad; la masa del martillo del péndulo de la máquina de impacto con el que se realizó la prueba, no es suficiente para fracturar estas probetas, lo cual produce una limitación de los valores cualitativos de cada uno de los revenidos y el material base.

6.5 Promedio Angular De Las Probetas Luego Del Impacto.

Luego de realizar la prueba de impacto se observa en el estereoscopio la fractura ocasionada, ya que no se puede observar toda la superficie por que las probetas no se rompieron en su totalidad. Inicialmente se toman las imágenes del material base

Se observa que en el material templado no se generan tantos micro vacíos como en el material base, lo que indica que el material no es tan dúcil. Además, en la prueba de impacto estas probetas casi rompieron, ya que la dureza y su fragilidad aumentaron por el temple realizado.

118º.79 Grados Sexagesimales Probeta Rev 5 Minutos

Figura 25 Microestructura x 10 aumentos del acero A-131 después de fracturarse.

40

120º.12 grados sexagersimales Probeta Rev 10 minutos

Figura 26 Microestructura x 10 aumentos del acero A-131 después de fracturarse.

Ya que la fractura en las probetas tratadas fue menor no se logra observar de igual manera los microvacios, pero se observa una pequeña zona donde se pueden identificar, al igual que en el material base esto produce que el material tenga una ductilidad mayor por lo tanto requiere de más energía para que se rompan.

6.6 Prueba de Dureza

Para determinar y desarrollar la toma de los datos se procede a utilizar el durómetro GNEHM Swiss Rock del laboratorio de metalografía en la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica, método para determinar la dureza, es decir, la 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 como se muestra en la figura 27. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

http://es.wikipedia.org/wiki/Material

http://es.wikipedia.org/wiki/Metal

http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n

41

Figura 27 Prueba de Dureza

Tabla 4 de datos prueba de dureza en HV Acero A131

TRATAMIENTO TÉRMICO

HV

SIN TRATAMIENTO TÉRMICO

110

SOLO TEMPLE (830ºC EN 30 MIN)

146

REV. 550ºC EN 5MIN 132




42

Grafico 2 datos de dureza según el Tiempo de Revenido a 550 °C

6.6.1 Análisis de Dureza

Estas diferencias de durezas se definen como el porcentaje de martensita en el material, debido al medio utilizado para el enfriamiento de las probetas. Como se evidencia en el grafico , el proceso del temple obtuvo la mayor dureza (146HV) con aproximadamente un 25% por encima del material base (110HV) y por otro lado el revenido de 550ºC durante 5, 10,15 y 30 minutos fue disminuyendo progresivamente a medida que aumentaba el tiempo de revenido hasta llegar a un decrecimiento del 28% en la muestra de 30 minutos de revenido (112HV), con respecto al temple, pero con un 4.4% por encima del material en estado de suministro; por lo que se infiere que la dureza tuvo una tendencia inversamente proporcional al tiempo de revenido.

6.7 Metalografía

Esta prueba en particular solicita una preparación especial de las probetas, las escogidas para este proceso son las que presentaron mayor unidad de dureza, realizada en el durómetro GNEHM Swiss Rock, después se procedió a ejecutar un corte pequeño con segueta manual para poder encapsular de forma estándar baquelita utilizando la encapsuladora Metalografica O Prensa De Montaje Automático Metkon Ecopress 50. ; todo esto con el fin de garantizar un brillo espejo adecuado y una ergonomía en el lijado las cuales se deben suministrar con un acabado superficial tipo espejo en la zona que es objeto de estudio como lo muestra la siguiente ilustración:

110

146

132 130

114 112

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Sin TT Solo Temple REV 5 min REV 10 min REV 15 min REV 30 min

HV



43

Figura 28 Construcción Probetas y Baquelitas

Las probetas que ya se encuentran encapsuladas con el material ASTM A131, para lograr un brillo espejo se proceden a desbastar cada una de ellas en un banco de lijado mencionado e ilustrado anteriormente, utilizando lijas calibre 80, 120, 220, 500, 600, 1000 y 1500.

El procedimiento consiste en preparar las probetas, garantizando que la superficie no contenga ningún tipo de líneas que impidan observar su microestructura; luego se realiza el ataque químico, que permite el estudio superficial de los metales para la caracterización microestructural del material, este proceso consiste en bañar la cara pulida con el reactivo utilizado, ácido nítrico (Nital) al 3%, y posteriormente es limpiada con alcohol.

Figura 29 Probetas Atacadas

44

Figura 29 Componentes para el ataque químico

REACTIVOS PARA EXAMEN MIRCROSCOPICO

Ácido Nítrico (Nital) Ácido Nítrico 5 cc Aceros y Hierros

Ácido Nítrico (Nital) Ácido Etílico 95 cc Aceros y Hierros

Tabla 5 Reactivos Ataque Químico

6.8 Microscopia Óptica

Los microscopios electrónicos cuentan con varios elementos básicos. Disponen de un cañón de electrones que emite los electrones que chocan contra el espécimen, creando una imagen aumentada. Se utilizan lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones, ya que las lentes convencionales utilizadas en los microscopios ópticos no funcionan con los electrones.

Posteriormente de realizar un ataque químico con Nital el cual expone la superficie de una mejor manera y da mayor nitidez para la toma de la imagen; a continuación, se colocan una a una las probetas en el microscopio metalográfico trinocular invertido Axio Observer D1m disponible en el laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital, a cada una de estas se les practico un análisis en el software AxioVision 4,8. Donde se evidencia la presencia de diferentes fases en los distintos tratamientos térmicos, se puede observar y hacer toma de imágenes digitales a las estructuras metalográficas que presenta cada una de ellas como se observa a continuación:

45

6.8.1 Probetas Sin Tratamiento Térmico

Figura 30 Microestructura x 500 aumentos del acero A-131 en estado de suministro.

Figura 31 Microestructura x 1000 aumentos del acero A-131 en estado de suministro.

Las propiedades mecánicas en los constituyentes microestructural varían ligeramente y continuamente con los cambios en el contenido de carbono, pero al no ser afectadas térmicamente el tamaño de grano es regular lo cual se puede observar directamente en la imagen 31. Estas correlaciones entre las propiedades y la microestructura han producido una generalización importante aplicable a las aleaciones heterogéneas.

46

6.8.2 Probetas con Temple a 830ºC

Figura 32 Microestructura x 500 aumentos del acero A-131 con un temple a 830ºC.

Figura 33 Microestructura x 500 aumentos del acero A-131 con un temple a 830ºC.

En las figuras 32 y 33 se observa que al elevarse la temperatura entre los puntos intercríticos, la perlita se transforma en una estructura austenítica, luego al enfriar drásticamente no se presenta difusión dentro del material y se empieza a marcar en forma de agujas, transformándose en una fase martensítica. Si aumenta la cantidad de ferrita blanda y dúctil, las aleaciones se hacen más blandas y dúctiles. Cuando la composición es tal que la fase continua es blanda y dúctil, la aleación tiende también a serlo; por otra parte, una fase continua dura y quebradiza dará como resultado una aleación de las mismas características

47

6.8.3 Probetas con Revenido a 550ºC durante 5 minutos

Figura 34 Microestructura x 500 aumentos del acero A-131 con un temple a 830ºC y revenido a 550ºC a 5 minutos.


Los metales de tamaño de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza, y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. Sin embargo, en los aceros de grano grueso se tendrán más bordes de grano donde se acumularán más tensiones. Por todo lo anterior se verifica que la dureza es inversamente proporcional al tamaño de grano, lo cual se observa en la figura 35 entendiendo la acción del revenido.

Fase

Ferrita Fase

Martensitica

Fase

Ferrita

Fase

Martensitica

48

6.8.4 Probetas con Revenido a 550ºC durante 10 minutos.



De acuerdo con las microestructuras de las figuras 36 y 37 ya se empieza a ver la difusión de carbono formando o definiendo los granos de ferrita y martensita revenida. Se observa fases ferrificas y martensiticas bien delimitadas, además de un reordenamiento de los granos en sentido vertical.

Fase

Martensitica

ma

ma

Fase

Ferrtica

Fase Ferritica

Fase

Martensitica

49




Estructura de ferrita y martensita bien detallada, en la Figura 39. En la micrografía se observan silicatos de tipo esferoidal distribuidos en grandes concentraciones en granos ferrìticos. Además, se observa la difusión del carbono que da paso a los nuevos granos de transformación del componente como lo es la martensita revenida

50




En las micrografías de la figura 40 y 41,a partir de los revenidos realizados, la martensita obtenida después del proceso térmico de revenido se transforma en martensita revenida aumentando el contenido de la zona oscura, la cual comparando

51

las micrografías entre los revenidos realizados, son pocos los cambios que se pueden observar posiblemente por la diferencia de tiempos en que se realizaron los revenidos y a su vez por la pequeña variación que se obtenía en la temperatura dada por la mufla ya que esta no se mantenía totalmente constante.

6.9 Prueba de Microdureza

En este proceso se utilizó el Microduròmetro SHIMADZU HMV-2, para su correcto funcionamiento y la toma real u organizada de los datos fue necesario realizar un ataque previo para si así poder identificar las zonas claras de las zonas oscuras, una vez determinada la zona la cual se quería conocer su dureza, con ayuda del indentador del microdurómetro se genera una pequeña deformación plástica la cual mide dichas durezas. Se tomaron un total de 5 datos por zona, de forma que se facilitara tener un valor promedio y exacto.

Figura 42 Prueba De Microdureza Indentador Sobre Acero A131

Tratamiento Térmico Zona Oscura HV Zona Clara HV

Sin TT 490.5 304.4

Solo Temple 306.8 277.4

Rev 550ºC 5 min 303.4 207.5

Rev 550ºC 10 min 270.4 225.2

Rev 550ºC 15 min 311.4 207.4

Rev 550ºC 30 min 301.6 214

Tabla 6 datos obtenidos en la microdureza en HV

52

Gráfico 3: Microdurezas en Vickers (HV) para cada uno de los tratamientos térmicos del acero A-131.

6.9.1 Análisis De Microdureza

Debido a la dificultad con la toma de las microdurezas no se evidencia una tendencia puesto que en la microestructura del material el tamaño de grano es muy pequeño, no se puede tener certeza, si el indentador del microdurómetro está en la zona clara o en la zona oscura, esto más que todo para las muestras de 5, 10 y 15 minutos de revenido. Sin embargo, se puede hacer una discriminación parcial de las diferentes fases presentes en cada microestructura, según la dureza de cada una de estas.Con base en la gráfica obtenida a partir de las microdurezas se puede establecer que en todos los tratamientos realizados tuvo una equilibrio de dureza en las muestras tratadas a excepción del material base sin tratamiento en la zona oscura (zona dura), con lo cual se logra evidenciar junto a las micrografías obtenidas que la fase que se encuentra en la zona oscura es martensita, mientras que en la zona clara (zona blanda) se puede concluir junto a los resultados de las micrografías que la fase hallada en las probetas es ferrita puesto que la dureza es relativamente baja en comparación a la martensita. Analizando de forma intuitiva se confirma la dificultad y el error en el momento de realizar la prueba, mencionado anteriormente en el tamaño de grano pequeño que es poco definido

En el momento de hacer una comparación directa con el porcentaje de fases, y las imágenes que se mostraran en el proceso siguiente, se concluye que el indentador para la probeta sin tratamiento térmico obtuvo problemas en la definición de las zonas blandas y zonas oscuras, lo cual no define de forma correcta la presencia de martensita para el material al cual no se le realizo algún tratamiento térmico, Identificado como el porcentaje fase 1 u oscuro (rojo).

0

100

200

300

400

500

600

Sin TT Temple Rev 5 Rev 10 Rev 15 Rev 30

HV

Zona Oscura Zona Clara

53

Como se observa en el grafico 3, para la probeta sin tratamiento térmico la zona oscura de 490,5 HV pertenece a una fase perlítica y la zona clara de 304,4HV a una fase ferrítica, por otro lado, la probeta con solo temple la zona oscura de 306,8HV corresponde a la fase martensítica y la zona clara de 277,4HV a la fase ferritica y por último en los revenidos de 5, 10, 15 y 30 minutos la zona oscura es de fase martensítica revenida y la zona clara es de fase ferritica.

6.10 Porcentaje de Fases

Continuando con la metodología después de obtener las imágenes de cada una de las microestructuras se realizó la comparación de las fases presentes en el acero ASTM A131 con ayuda del software del microscopio metalográfico Axio Observer D1m y se mostraran para hacer una debida comparación y grafica a continuación:

6.10.1 Sin Tratamiento Térmico

Figura 43 Identificación de las fases en el material base del acero A-131 sin tratamiento térmico

54

Figura 44 Porcentaje de fases en el material base del acero A-131 sin tratamiento térmico

Como se observa en la micrografía de la figura 43 y como se detalla en la figura 44, el acero A-131 contiene un 64,11% de la fase 2 o zona clara (ferrita) y un 35,24% de la fase 1 o zona oscura (perlita) debido a que es un acero al carbono hipoeutectoide. Su estructura se define básicamente de esas dos fases, ya que se encontraba en condiciones ambientales.

6.10.1 Solo Temple a 830 ºC

Figura 45 Identificación de las fases en el material base del acero A-131 solo temple a 830ºC

Figura 46 Porcentaje de fases en el material base del acero A-131 solo temple a 830ºC

55

En este caso para la micrografía de la figura 45 y siguiendo el gráfico de la figura 46, el temple se tiene un 54,97% de la fase 2 o zona clara (ferrita) y un contenido de 44,24% de fase 1 o zona oscura (martensita), puesto que al elevar la temperatura la perlita (hierro alfa y cementita), se transforma en austenita y al enfriar drásticamente no se alcanzan a formar los granos de perlita nuevamente, es decir se transforma en esta fase.

6.10.3 Revenido 550ºC a 5 min

Figura 47 Identificación de las fases en el material base del acero A-131 Revenido 550ºC a 5 min

Figura 48 Porcentaje de fases en el material base del acero A-131 Revenido 550ºC a 5 min

56

Para el revenido de 5 minutos se analiza en la figura 47 y se observa el gráfico 6 una redistribución de la microestructura debido a que ésta trata de estabilizarse cada vez más, lo cual se ve un (34,61%) de la fase 2 o zona clara (ferrita), y una (64,15%) de fase 1 o zona oscura maclada (martensita revenida)




57

Continuando con el tratamiento térmico de revenido se observa nuevamente en la figura 49 y como se muestra en el gráfico de la figura 50, se presenta una disminución de 4.89% de la fase 2 o zona clara (ferrita) y un aumento de 3.22% de la fase 1 o zona oscura (martensita revenida) con respecto a los porcentajes del revenido a 500ºC durante 5 minutos que se muestran en el gráfico 6.




58

Para esta etapa del revenido en la figura 51 y observando los porcentajes del gráfico en la figura 52 nuevamente hay un incremento de 2.33% de la fase 1 o zona oscura (martensita revenida) y una disminución del 4.51% de la fase 2 o zona clara (ferrita) con respecto a los porcentajes del revenido a 500ºC durante 10 minutos que se muestran en el gráfico.




59

Finalmente, para el revenido de 30 minutos se estabiliza la microestructura de la figura 53 teniendo en cuenta el gráfico de la figura 54 con un porcentaje de 62.85% de la fase 2 o zona clara (ferrita) y un porcentaje menor de 36.66% de la fase 1 o zona oscura (martensita revenida). Los porcentajes de fases que se obtuvieron a partir de las micrografías con aumento x 200 que se realizaron a las probetas usadas para el

análisis metalográfico que se logra contemplar.

Tratamiento Térmico % Fase 1 % Fase 2

Sin TT 35.24 64.11

Solo Temple 44.24 54.97

Rev 550ºC 5 min 64.15 34.61

Rev 550ºC 10 min 67.37 29.72

Rev 550ºC 15 min 69.70 25.21

Rev 550ºC 30 min 36.66 62.85

Tabla 7: Porcentaje de las fases presentes en la miecroestuctura de cada uno de los tratamientos termicos del acero A-131.

60

Grafico 4 Porcentaje de las fases presentes en la miecroestuctura de cada uno de los tratamientos térmicos del acero A-131.

A partir de los porcentajes de fases compilados en la tabla 7, se puede observar que el acero ASTM A-131 contiene altos niveles de ferrita, ya que en el material base hay un 64.11% de esta zona y un 35.24% correspondiente a la fase perlítica y con respecto a las muestras que solo se les realizó el proceso de temple se observa un aumento de la martensita de alrededor de un 9% mientras que la zona clara (ferrita) tuvo un decrecimiento igual al 9%, luego en los revenidos se evidencia un aumento directamente proporcional de la martensita revenida con respecto al tiempo de este revenido , pero al final se logra estabilizar la microestructuras formando límites de granos bien definidos.

6.11 Microscopia Electrónica De Barrido

El microscopio electrónico de barrido es familiar a la mayoría de los investigadores dedicados a las ciencias físicas, puesto que se ha convertido en una herramienta fundamental dentro de la investigación principalmente en la microestructura de los materiales. Los parámetros que nos permiten conocer la calidad de un microscopio electrónico de barrido son: la profundidad de foco (que depende del instrumento), el ruido de la imagen (en el que influye un poco la muestra) y la resolución (en el que la muestra tiene una influencia alta). El microscopio electrónico de barrido tiene un tipo de funcionamiento diferente respecto al microscopio electrónico de transmisión.

Está basado en el hecho de barrer la muestra con un haz electrónico de sección transversal pequeña y de alta energía y generar una imagen punto a punto de ella que representará las características topográficas de la superficie de ésta.

35,24

64,11

44,24

54,97

64,15

34,61

67,37

29,72

69,7

25,21

36,66

62,85

0

10

20

30

40

50

60

70

80

FASE 1 FASE2

% D

E F

AS

ES

Título del eje

Sin TT Solo Temple Rev 5 min Rev 10 min Rev 15 min Rev 30 min

61

Por lo tanto, la imagen en el monitor del microscopio electrónico de barrido de barrido es un mapa de las intensidades de los electrones emitidos por la superficie de la muestra en observación, de la misma forma que la imagen de un microscopio óptico es un mapa de la luz reflejada de la superficie.

El microscopio ofrece un interfaz utilizador gráfico intuitivo (GUI), funciones automatizadas, control de la etapa, y los paquetes de usos sofisticados para la adquisición y la manipulación de la imagen, ofreciendo colectivamente la comodidad de uso realzada. El microscopio electrónico de barrido está equipado con un EDS Marca Oxford Instruments que permite determinar la composición química local en cada una de las muestras, observándose en ellas picos que son identificados con los elementos químicos presentes en las muestras.

Finalizando la metodología del proyecto se procede a realizar la microscopia electrónica de barrido a las mismas probetas encapsuladas en baquelitas, el proceso se ejecutó en la Universidad de los Andes Sede Bogotá (principal) y se utilizó el microscopio de referencia el microscopio JE0L JSM-6409LV con el cual se obtuvieron las siguientes imágenes como resultados:

6.11.1 Sin tratamiento Térmico

Figura 55: Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 3000 aumentos en estado de entrega.

62

Figura 56: Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 5000 aumentos en estado de entrega

6.11.2 Solo temple

Figura 57: Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 3000 aumentos con un temple de 830ºC

63

Figura 58: Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 3000 aumentos con un temple de 830ºC


Figura 59: Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 3000 aumentos con un temple de 830ºC y un revenido a 550ºC durante 5 minutos.

64




65

Figura 62 Microscopia electrónica de barrido del acero A-131 x 5000 aumentos con un temple de 830ºC y un revenido a 550ºC durante 10 minutos.



66




67


6.11.6 Análisis Prueba SEM

En las figuras 55 a la 60 se observa el grano bien delimitado de ferrita representado por la matriz oscura, mientras que la fase perlitica se representa por zonas claras. En las micrográficas 62 y 63 se observa la zona blanca alargada en forma de laminilla correspondiente a la perlita. Esta se encuentra en menor cantidad debido al bajo contenido de carbono, también se observa las zonas determinadas de la ferrita y la martensita revenida. En el análisis de las imágenes obtenidas en la microscopia electrónica de barrido, corrobora lo concluido en a la microscopia óptica que obedece al mismo patrón.

En el metal base se muestra en alto relieve los granos de perlita con la fase ferritica en bajo relieve. Con respecto a las muestras del tratamiento térmico de temple, se evidencia el cambio de fase, generando martensita en alto relieve con mayor proporción a la ferrita en bajo relieve. Para las muestras de tratamiento de temple y revenido a 550ºC durante 5, 10 y 15 minutos el contenido de martensita revenida en alto relieve aumenta en proporción directa al tiempo transcurrido del revenido, al mismo tiempo que los granos de ferrita disminuyen considerablemente, es decir una proporción inversa al tiempo de este tratamiento. De acuerdo con la microscopia de la probeta de temple y revenido a 550 ºC durante 30 minutos se observa más uniformidad entre los granos de martensita revenida en alto relieve y ferrita en bajo relieve, pero para este caso los granos de ferrita aparecen en mayor proporción ya que por el tiempo transcurrido la microestructura se estabiliza haciendo que los límites de grano estén bien definidos. Se observa también la estructura de ferrita y martensita bien detallada, en la micrografía 66 se observan silicatos de tipo esferoidal

68

distribuidos en grandes concentraciones en granos ferrìticos. Al observar las imágenes de la microscopia se evidencia que las zonas oscuras identificadas como martensita, aumentaron considerablemente luego del temple a 830ºC y revenido a 550ºC durante media hora en el material.

69

7 CONCLUSIONES

1. Se estableció la importancia del estudio de las propiedades microestructurales del material (Acero ASTM A 131) con el fin de definir el comportamiento mecánico de este antes y después de ser sometido a impacto. Estos parámetros definen la respuesta del material a las diversas condiciones de servicio a las cuales puede ser sometido

2. Se concluye que al aumentar el tiempo de revenido disminuye la dureza de la

martensita y sus fracciones volumétricas.

3. Al comparar las propiedades mecánicas obtenidas después de impacto con respecto a las suministradas antes de impacto, se establece que existen pequeñas diferencias en parámetros como esfuerzo de fluencia, esfuerzo máximo y esfuerzo de ruptura.

4. Se evidencia la influencia del revenido sobre la dureza y la tenacidad del material;

definido en el temple la dureza obtenida fue de 146 HV y la energía absorbida fue

de 30.26 Joules, y en las probetas con el revenido disminuyo de forma sifnificativa

llegando a ser 112 HV en la probeta de revenido 550ºC en 30 minutos, ya que que

a mayor temperatura y tiempo de duración del tratamiento de revenido, mayor será

la reducción en la dureza del material.

5. Se logra evidenciar junto a las micrografías obtenidas que la fase que se encuentra

en la zona oscura es martensita, mientras que en la zona clara (zona blanda) lo

que concluye que junto a los resultados de las micrografías que la fase hallada en

las probetas es ferrita puesto que la dureza es relativamente baja en comparación

a la martensita.

6. Se determinan las temperaturas intercritticas para llevar a cabo el temple a una

temperatura de 830ºC durante media hora y el revenido por encima de(temperatura

de comienzo de transformacion martensitica) escogiendo una temperatura de

550ºC durante intervalos de tiempo en aumento de 5 minutos, y el ultimo del mismo

tiempo del temple; es decir 30 minutos.

7. Se presentaron problemas en la medición de la microdureza para la probeta sin

tratamiento térmico, debido al tamaño de grano que impidió una correcta

penetración del identador, identificando las zonas claras y oscuras, solamente se

define de manera correcta en las demás probetas con temple y revenido, donde

se identifica la aparición de martensita por la inspección de zonas oscuras.

70

8 BIBLOGRAFIA [1] CRISTIAN GABRIEL GARRIDO SOTO VALDIVIA - CHILE 2009- ARMADO ESTRUCTURAL DE UN BLOQUE EN UNA CONSTRUCCION NAVAL. Recuperado de: http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2009/bmfcig241a/doc/bmfcig241a.pdf [2]. http://repository.unilibre.edu.co/handle/10901/7856 [3] Listar Tesis - Carrera de Ingeniería Mecánica por fecha de publicación Desarrollo de la metodología para el diseño y fabricación de partes estructurales de la carrocería de un auto Indy en materiales compuestos en base de fibra de carbono Medina Pilataxi, Marco Xavier (SANGOLQUÍ / ESPE / 2004, 2004

Recuperado de:

http://repositorio.espe.edu.ec/xmlui/handle/21000/63/browse

[4] Análisis del comportamiento mecánico de materiales compuestos con desarrollo de modelos para validación de resultados Donoso Mediavilla, Pablo Iván; Rodríguez Flores, Cristhian David (SANGOLQUÍ / ESPE / 2005, 2005) Recuperado de : http://repositorio.espe.edu.ec/xmlui/handle/21000/63/browse [5] INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO SAE 1045 CASTAÑEDA VARGAS JHOAN FERNANDO SILVA URUEÑA JAYSON, Universidad Distrital Recuperado de: http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/2267/1/SilvaUrue%C3%B1aJayson2015.pdf [6] ASOSIACION LATINOAMERICANA DE ACERO Alameda Santos, | CEP: 01418-200 - São Paulo – SP | Brazil - Tel: (+55) 11 3195 5491 Recuperado de: https://www.alacero.org/es/page/el-acero/que-es-el-acero [7] Tratamiento Termico Ecured ,MALISHEV, A. “Tecnología de los metales”. Séptima Edición; Mir Moscú; 1985 Recuperado de: https://www.ecured.cu/Tratamiento_t%C3%A9rmico_del_metal

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2009/bmfcig241a/doc/bmfcig241a.pdf

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2009/bmfcig241a/doc/bmfcig241a.pdf

http://repository.unilibre.edu.co/handle/10901/7856

http://repositorio.espe.edu.ec/xmlui/handle/21000/2557








http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/2267/1/SilvaUrue%C3%B1aJayson2015.pdf

http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/2267/1/SilvaUrue%C3%B1aJayson2015.pdf

https://www.alacero.org/es/page/el-acero/que-es-el-acero

https://www.ecured.cu/1985

https://www.ecured.cu/Tratamiento_t%C3%A9rmico_del_metal

71

[8]TRATAMIENTOS TERMICOS https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/tratamientos-termicos.pdf [9] ACEROS: ALEACIONES HIERRO-CARBONO Recuperado de : https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm [10] METALOGRAFÍA Temas para la educación Recuperado de : https://www.feandalucia.ccoo.es/docu/p5sd8732.pdf

[11] Urbiperdia, Aceros Acero hipoeutectoide archivo de arquitectura Recuperado de: https://www.urbipedia.org/hoja/Acero_hipoeutectoide

[12] Actividades Diagrama de fases hierro-carbono Recuperado de : http://cosmolinux.no-ip.org/uned/unedcurset23.html [13] INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO DE TEMPLE INTERCRÍTICO Y UN REVENIDO A 500 ºC EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO DE UN ACERO ASTM A-131 JULIÁN EDUARDO MONJE GARCÍA

JHON EDINSON GALEANO HERNÁNDEZ Universidad Distital FJC [14] (Guía Laboratorio Mecánica de Materiales) ENSAYO DE IMPACTO CHARPY UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS Recuperado de: http://udistrital.edu.co:8080/documents/19625/239908/ENSAYO+DE+IMPACTO.pdf ¨[15] Información de Laboratorios y Talleres de Mecánica UDFJC http://www1.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica/inicio [16] UNIANDES https://investigaciones.uniandes.edu.co/microscopio-electronico-de-barrido-meb/

https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/tratamientos-termicos.pdf

https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/tratamientos-termicos.pdf

https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm

https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm

https://www.feandalucia.ccoo.es/docu/p5sd8732.pdf

https://www.urbipedia.org/hoja/Acero_hipoeutectoide

http://cosmolinux.no-ip.org/uned/unedcurset23.html

http://udistrital.edu.co:8080/documents/19625/239908/ENSAYO+DE+IMPACTO.pdf

http://udistrital.edu.co:8080/documents/19625/239908/ENSAYO+DE+IMPACTO.pdf

https://www.udistrital.edu.co/dependencia/info/3087

http://www1.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica/inicio

https://investigaciones.uniandes.edu.co/microscopio-electronico-de-barrido-meb/

https://investigaciones.uniandes.edu.co/microscopio-electronico-de-barrido-meb/

Documents

ANALISIS Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES