Instituto Politécnico NacionalUnidad Profesional Interdisciplinaria de Ingenierías Campus

Guanajuato

Actividad Complementaria Alumnos

Arreguín Ayala Juana Paola Bautista García J Jesús Becerra Olvera Isaac Saúl Cruz Vega Erick Ricardo Fernández Muños Oscar Flores Amezcua Armando Ulises Gómez Rojas Natalia González Félix Migue Enrique González Rivera Jorge Gutiérrez Gómez Francisco Manuel Hernández Bautista Carlos de Jesús Jiménez Hernández Alejandro Lara Conejo Jesús Alberto López Castellano Juan Alberto Mendiola Malagón Mirna Mercela Ortiz Reséndiz Ángel David Patiño Hernando Mauricio Rodríguez Méndez Cristian Rosas Iván Alonzo Verduzco Ramos Estefanía de Guadalupe Viurquis Hurtado Andrea Abigail

Profesor

Alonso Garibay

Grupo

5IM1

Fecha de entrega

1.  Defina tratamiento térmico del acero.

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y condiciones determinadas, a que se someten los aceros y otros metales y aleaciones para darles características más adecuadas para su empleo.Al empezar algún tratamiento térmico se debe iniciar a la temperatura ambiente la cual tampoco se deben introducir piezas de más de 200 mm de espesor o diámetro en hornos cuya temperatura sea superior a los 300 grados.La elevación de temperatura debe ser uniforme en toda la pieza y se logra aumentando la temperatura lo más lentamente posible.La temperatura como mínimo debe de ser un minuto por un milímetro de espesor o diámetro de la pieza.La temperatura máxima es indicada en las especificaciones del tratamiento térmico que se va aplicar.Al sobrepasar la temperatura máxima se corre el riesgo de aumentar el grado de la pieza. Si la elevación de la temperatura sobrepasa el límite cercano al punto de fusión los metales quedan con una estructura grosera y frágil debido a la fusión de las impurezas que rodea los granos. El metal que se dice que es quemado es imposible regenerarlo por ningún tratamiento.Clasificación de los tratamientos del acero se agrupan en cinco clases principales:

Aceros al carbono. Aceros aleados. Aceros de baja aleación ultrarresistentes. Aceros inoxidables. Aceros de herramientas. Aceros al carbono.

2.  ¿Qué es un diagrama de fases?

Gran parte de la información acerca del control de la estructura de las fases en un determinado sistema se presenta de manera simple y concisa en lo que se denomina un diagrama de fases, también denominado diagrama de equilibrio. Existen tres parámetros controlables externamente que afectan la estructura de las fases: temperatura, presión y composición. Los diagramas de fases se construyen graficando diferentes combinaciones de estos parámetros.

3.  Esboce y marque con claridad las diferentes regiones de un diagrama de fases Fe-Fe3C.

4.  ¿Qué es un diagrama TTT? Los diagramas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación) son una herramienta que nos permite estudiar los tratamientos térmicos como el temple.Para obtener el diagrama TTT tomamos varias probetas iguales y las levamos a temperaturas de austenización. Austenizamos completamente y luego introducimos las probetas en distintos baños a distintas temperaturas. Se mide los tiempos en función de la microestructura transformada y se observa las estructuras a medida que transcurre el tiempo.Inicialmente tendremos una estructura de 100% de Austenita, será el punto de inicio de la transformación para la primera temperatura T1 elegida. Al finalizar, luego de un determinado tiempo, la trasformación, obtendremos una estructura de 100% de perlita gruesa.T2<T1. Bajando a T2 repetimos el proceso, obtendremos el final Perlita fina.T3<T2. Bando a T3 obtendremos Bainita superior y T4 Bainita inferior.Luego si enfriamos a una determinada velocidad, a determinada temperatura, comenzará a aparecer Martensita – Ms Martensita de inicio de transformación (en este caso no es un enfriamiento isotérmico uniforme sino continuo). Luego aparecerá Mf – Fin de la transformación martensítica.Graficando temperaturas en ordenada y log de tiempo en abscisas y uniendo los puntos iniciales y finales de la transformación, obtenemos el diagrama TTT.La curva izquierda del diagrama se denomina nariz perlítica, la tangente a la nariz perlítica, representa la velocidad crítica de temple. Veamos que a medida que la nariz perlítica se corre a la derecha, la velocidad crítica es menor, esto implica más templabilidad.

5.  Esboce y marque con claridad las diferentes regiones de un diagrama TTT para un acero simple al carbono con 0.77% de carbono

6.  Describir los siguientes tratamientos térmicos de los aceros e indicar la microestructura final: recocido total, normalizado, temple y revenido.

RECOCIDOEl tratamiento térmico del hierro y del acero conocido generalmente como recocido puede dividirse en varios procesos diferentes: recocido total, normalización, recocido de esferoidización, disminución de esfuerzos (recocido) y recocido de proceso.  Recocido totalEl recocido total se utiliza para ablandar completamente un acero endurecido, por lo general, con el fin de maquinar con más facilidad los aceros para herramientas que tienen más de 0.8 % de carbono. Los aceros de menor contenido de carbono se recosen también con otros propósitos. El recocido total se realiza calentando la parte en un horno hasta 50 °F (28

°C) arriba de la temperatura crítica superior y luego enfriándola muy lentamente en el horno o en un material aislante.Por medio de este proceso, la microestructura se vuelve perlita y ferrita gruesa, la cual es bastante blanda para maquinarse. Es necesario calentar a una temperatura más alta que la crítica, como en el recocido total, con el fin de recristalizar los granos que contienen los carburos de hierro (perlita y martensita) en aceros de bajo carbono y volver a formar los nuevos granos, completamente blandos a partir de los antiguos duros. Sin embargo, los granos de ferrita tensionados y deformados recristalizarán por debajo de la temperatura crítica a alrededor de 900 °F (482 °C) y se transformarán en granos completamente blandos.La imagen de la microestructura se muestra a continuación:

NORMALIZADOEl normalizado consiste en calentar rápidamente el material hasta una temperatura crítica (30–50ºC por encima de A3 o Am), manteniéndose durante un tiempo en ella. El enfriamiento posterior se realiza al aire, dando lugar a la recristalización y afino de la perlita.En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlíticos y martensíticos.Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido.Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da más dureza.Objetivo del normalizado:Mediante este proceso se consigue:

·         Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas.

·         Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado o temple). Se consigue que la estructura interna del acero sea más uniforme y aumentando la tenacidad.

Micro estructura del normalizado y recocido:

TEMPLADODefinimos temple como el tratamiento térmico del acero en el que se le confiere mayor dureza y resistencia a la tracción y elasticidad, mediante un enfriamiento rápido con una velocidad mínima llamada "crítica" en un medio de enfriamiento, tras haberlo calentado a temperaturas superiores a la crítica. Con el calentamiento de transforma toda la masa en austenita y después, por medio del enfriamiento rápido, la austenita se convierte en martensita, que es la microestructura de mayor dureza que puede alcanzar el acero.La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes". El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a esta temperatura y enfriamiento rápido. El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transformen en cristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriado rápidamente se transforma en martensita, estructura que da la máxima dureza a un acero hipoeutectoide.Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita. La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga el acero. De acuerdo con un diagrama de nombre Hierro Carbono se distingue una zona llamada hipoeutectoide a la cual pertenecen los aceros de porcentajes de carbono inferiores al 0,83% hasta 0,008% y otra superior a estas de nombre hipereutectoide.Factores que influyen en la práctica del temple

El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.

El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.

El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles. Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero.

REVENIDOLos aceros, después del proceso de temple, suelen quedar frágiles para la mayoría de los usos al que van a ser destinados. Además, la formación de martensita da lugar a considerables tensiones en el acero.Por esta razón, las piezas después del temple son sometidas casi siempre a un revenido (al conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado"), que es un proceso que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura crítica seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con enfriamiento lento hasta -300 ºC. En general los fines que se consiguen con este tratamiento son los siguientes:

Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.

Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.

Modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos:

o Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.

o Aumentar las características de ductilidad y las de tenacidad.

Los factores que influyen en el revenido son los siguientes: La temperatura de revenido sobre las características mecánicas. El tiempo de revenido (a partir de un cierto tiempo límite la variación

es tan lenta que se hace antieconómica su prolongación, siendo preferible un ligero aumento de temperatura de revenido).

La velocidad de enfriamiento (es prudente que el enfriamiento no se haga rápido).

Las dimensiones de la pieza (la duración de un revenido es función fundamental del tamaño de la pieza recomendándose de 1 a 2 horas por cada 25mm de espesor o diámetro).

La temperatura de revenido varía con el tipo de acero y el empleo y tipo de solicitaciones que haya de soportar la pieza. De una manera general cabe indicar los intervalos siguientes:

La duración del revenido es de gran importancia para que las transformaciones deseadas puedan producirse con seguridad. Generalmente es de 1 a 3 hrs.Microestructura del acero templado y templado + revenido

7.  ¿Qué es el endurecimiento por precipitación?El tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación pretende aumentar la resistencia y dureza de una aleación mediante la formación de precipitados finos a partir de una solución sólida. El cambio de las propiedades mecánicas de debe generalmente a cambios de fase que se evidencian en la formación de precipitados pero nunca involucran el cambio en la composición química del material. Este tratamiento consiste en 3 etapas:

1. Solubilización: se realiza un calentamiento para producir una solución sólida homogénea que contenga la máxima cantidad práctica de elementos solubles endurecedores en la aleación.

2. Templado: enfriamiento rápido de la aleación para preservar una solución sólida sobresaturada que contenga los átomos del soluto y mantenga un cierto número de vacantes en la red cristalina que favorezcan el proceso de difusión durante el envejecimiento.

3. Envejecimiento: consiste en un proceso difuso activado a una temperatura determinada, en que los átomos del soluto difunden formando precipitados endurecedores. Cuando el proceso de precipitación se realiza a temperatura ambiente se denomina

envejecimiento natural, y cuando se emplea una temperatura superior a la del ambiente pero inferior a la solubilización sólida se conoce como envejecimiento artificial.

8.  ¿Se le puede dar tratamiento térmico a un acero inoxidable? Justifique su respuesta.

Tratamiento térmico: aceros inoxidables.

Los tratamientos térmicos en aceros inoxidables se realizan para producir cambios en las condiciones físicas, propiedades mecánicas, nivel de tensiones residuales y restaurar la máxima resistencia a la corrosión. Frecuentemente en el mismo tratamiento se logra una satisfactoria resistencia a la corrosión y óptimas propiedades mecánicas.

Entre las normalizaciones más consideradas se encuentran las de AISI (Instituto Americano del Hierro y el Acero, American Iron and Steel Institute) y las de SAE (Sociedad de Ingenieros de Automoción, Society of Automotive Engineers).

Martensíticos:

Los aceros inoxidables martensíticos, son fabriacdos con 11.5% a 18% de cromo, junto con cantidades cuidadosamente controladas de carbono para impartir a estos aceros la propiedad de endurecerse por tratamiento termico. Estos aceros pueden endurecerse por tratamiento termico, conforme se aumenta el contenido de carbono n estos aceros, se aumentan tambien las propiedades mecanicas que pueden obtenerse por tratamiento termico. La maxima resistencia a la corrosion en estos aceros, se obtiene cuando son templados a su maxima dureza.

Los aceros inoxidables martensíticos son Ferro-Magnéticos, se forjan y trabajan en caliente facilmente, se pueden trabajar en frio sin dificultad y pueden maquinarse satisfactoriamente.

Ferríticos:

Los aceros inoxidables ferríticos, son fabricados con 12% a 27% de cromo, con el carbono controlado al mas bajo porcentaje práctico, para disiminuir su efecti nocivo en la resistencia a la corrosión. Estos aceros practicamente no se endurecen por tratamiento termico. Estos aceros Ferro-Magnéticos, pueden endurecerse por medio de trabajo en frío.

Los aceros ferríticos pueden ser forjados, y trabajados en caliente algo más fácil que los aceros martensílicos y pueden ser enfriados al aire después de trabajarlos en caliente sin el peligro de que se agrieten.

Austeníticos:

Los aceros inoxidables austeníticos, son fabricados con 16% a 26% de cromo, y con 6% a 22% de niquel, y el contenido de carbono se encuentra presente como elemento residual y es controlado al límite mas bajo posible. Estos aceros no pueden endurecerse por tratamieto térmico. Los aceros inoxidables austeníticos, tienen consideradamente mejor resistencia a la corrosión que los aceros martensílicos y ferríticos y se caracterizan por su excelente resistencia mecánica y ressitencia a la oxidación a alevadas temperaturas.

Estos aceros en estado recosido no son Ferro-Magnéticos, pero llegan a hacerse parcialmente magnéticos después de trabajarse en frío.

Los aceros austeníticos pueden ser forjados, trabajados en caliente sin el peligro que se agrieten. Para el maquinado de este ipo de acero, se requiere cortes mas gruesos y velocidades mas bajas que los empleados en los aceros martensíticos y ferríticos.

Una característica de la mayoría de este grupi es su seceptibilidad a la corrosión intragranular después de prolongados calentamientos dentro de los intervalos de temperaturas de 400°- 900°C.

Con la finalidad de evitar una corrosión intrangranular es aconsejable recocer los aceros auteníticos a una temperatura de 1000°-1100°C con enfriamento rápido al agua.

9.  ¿Qué son los esfuerzos residuales? En una pieza no sometida a carga externa y expuesta a una temperatura

uniforme, las tensiones internas existentes se conocen como tensiones o esfuerzos residuales. Dichos esfuerzos se producen como consecuencia de procesos a los cuales se somete dicha pieza, tales como soldadura, laminado, tratamiento térmico, etc. Estos procesos pueden ser beneficiosos o perjudiciales. Muchas veces se pretende que la pieza tenga esfuerzos residuales de compresión, ya que al someter la pieza a tensión, esta

soportará los esfuerzos de manera más efectiva (muy parecido al principio del concreto pre-tensado).

Las investigaciones han demostrado que los esfuerzos residuales y su distribución son factores muy importantes que afectan la resistencia de las columnas de acero cargados axialmente. Una causa muy importante de los esfuerzos residuales es el enfriamiento desigual que sufren los perfiles después de haber sido laminados en caliente, por ejemplo, en un perfil W los extremos de los patines y la parte media del alma se enfrían rápidamente, en tanto que las zonas de intersección del alma con los patines lo hacen más lentamente. Las partes de la sección que se enfrían con más rapidez al solidificarse resisten posteriores acortamientos, en tanto que aquellas partes que están aún calientes tienden a acortarse aún más al enfriarse. El resultado es que las áreas que se enfrían más rápidamente que dan con esfuerzos residuales de compresión, en tanto que las áreas de enfriamiento más lento quedan con esfuerzos residuales de tensión. La magnitud de esos valores varía entre 10 y 15 ksi, En consecuencia una columna con esfuerzos residuales se comporta como si tuviese una sección transversal más pequeña. Otra causa de esfuerzos residuales puede ser también la soldadura. En los cálculos los factores de seguridad utilizados son en parte para tomar en cuenta este aspecto.

10.  Explicar brevemente la diferencia entre dureza y templabilidad.

La dureza obtenible en cualquier acero está asociada con una estructura totalmente martensítica. Esta microestructura puede obtenerse siempre que se supriman las transformaciones controladas por difusión de la austenita mediante enfriamientos suficientemente rápidos.Existen varios factores que afectan las velocidades de enfriamiento a través del material y la respuesta de un acero dado a esas velocidades de enfriamiento. Por lo tanto, la formación de la martensita y la dureza pueden variar considerablemente a través de una dada sección o entre secciones idénticas fabricadas con diferentes aceros. El concepto de templabilidad (hardenability) se asocia con estas últimas variaciones.La templabilidad se define como “la susceptibilidad a endurecer por enfriamiento rápido” o “como la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza producida por temple en aleaciones ferrosas”.

11.  Definir y realizar un esquema de la microestructura para martensita, perlita, bainita, cementita.

Martensita: La martensita es una estructura metaestable consistente en una solución sólida supersaturada de carbono en alpha.Es el nombre que recibe la fase cristalina, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión, a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material.Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita

y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado auténtico a altas temperaturas.El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7%C.

Características:El tipo de martensita depende del contenido de C que contenga el

acero:

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.  Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.  

Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.

Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita

Bainita:Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.

Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano más fino.En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un número convencional n, de acuerdo con la fórmula:

LogG=(n-1) log2Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100 aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el número de tamaño de grano de uno a ocho.

Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero para comparación a 100X

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. Aparece como:

Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos.

Componente de la perlita laminar. Componente de los glóbulos en perlita laminar.   Cementita alargada (terciaria) en las uniones de los granos

(0.25% de C)

Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados

Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita

12.  Explique, utilizando un esquema, la forma en que se mide la templabilidad en los aceros.

Método Grossman

Métodos para determinar la templabilidad.

Método Grossman o diámetro crítico

ideal.

Diámetro crítico ideal (Di): es el

diámetro de una barra enfriasa en un

medio de temple infinito para la cual

se forma 50% de martensita en el

centro.

Diámetro crítico real (Dc): es el diámetro

de una barra enfriada en un medio de

temple cualquiera para la cual se forma 50% de martensita en

el centro.

El método usa barras templadas de acero con

diámetro entre 0.5 y 2.5 in, en un medio de temple

conocido.se cortan transversalmente las muestras y se examinan

metalográficamente.la barra que contiene 50% de

martensita en el centro define el diametro crítico

real, Dc.

Método Jominy

Templar una probeta estandarizada de 1'' de diámetro y 4'' de largo desde temperatura de

austenitización.

Enfríar por su base inferior, la cual actúa como superficie

templante que enfría la probeta longitudinalmente hacia su extremo superior

por conducción.

Obteniéndose así una variedad de velocidades de

enfriamiento desde la máxima en el extremo

templado, a la mínima en el opuesto.

Método Jominy

Elementos que afectan la templabilidad de los aceros:

El tamaño de grano de la austenita. El contenido de carbono. Elementos de aleación.

13.  ¿En qué consiste la severidad de templado?Se llama severidad de temple al medio de enfriamiento y se designa con la letra H, a la capacidad del medio de enfriamiento para absorber la mayor cantidad de calor en el menor tiempo posible, como se puede mostrar en la tabla, el aceite tiene valores de severidad más bajos ya que el aceite enfría más rápido las piezas y al recircular el aceite es aún más rápido ya que en aceite se mantiene frio.

La severidad del temple depende fundamentalmente de la rapidez de enfriamiento, así es más severo un temple al agua que un temple al aceite, y esté es más severo que un temple al aire. 

14.  Mencione los principales medios de temple y su respectivo coeficiente H.

15.  Defina y explique apoyado de representación esquemática en qué consisten los tratamientos térmicos de martempering y austempering, respectivamente.

El principal objetivo del austempering es obtener un aumento de la ductilidad y la resistencia al impacto junto a valores de dureza altos. Para los procesos de endurecimiento de los materiales ferrosos hay dos temperaturas importantes: primero se calienta el acero para sostenerlo a la temperatura dentro del rango de austenización (sobre los 900 °C), y se sostiene hasta que toda su masa alcance la temperatura. Segundo: se templa en un baño de sales a una temperatura constante entre 270°C y 400°C, el tiempo requerido para la transformación de bainita y finalmente se enfría hasta la temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos del tamaño y espesor de las piezas. Una de las aplicaciones más comunes donde los expertos recomiendan emplear el austempering es la fabricación de resortes, palas, flejes y, en algunos casos, en piñones, ya que brinda tenacidad y capacidad de soportar impactos, además, al lograr otorgarles a los materiales excelentes propiedades de resortabilidad.En el austempering se distinguen bá- sicamente tres importantes ventajas: Durabilidad de las piezas cuando estas están sometidas a altos

impactos Deformaciones mínimas en el material. No requiere un calentamiento posterior de revenido, es decir la pieza ya

adquiere las características mecánicas de ductibilidad, resortabilidad, resistencia al impacto y tenacidad, sin la utilización de procesos posteriores.

Menor grado de tensiones. Los expertos recomiendan el austempering, sobre todo en aceros con un mejor contenido de carbono entre 0.5 y 0.9 por ciento, internacionalmente se manejan los aceros ANSI 4140, 5160, 3340.

El Martempering: Al igual que en el austempering, en este tratamiento térmico luego que el metal o la pieza es llevada a altas temperaturas de austenización, también se enfría en un medio por encima de la temperatura de transformación martensítica (200°C a 220°C) la diferencia consiste en que en vez de dejarlo por espacio de 10 a 12 horas en ellíquido, la pieza de metal debe durar 1 o 2 horas máximo. El resultado de este proceso es una microestructura llamada martensita y que le confiere al acero excelente resistencia al desgaste.

Aplicaciones

Para la fabricación de engranajes del mecanismo diferencial de automóviles, dado que para este tipo de piezas se utilizaba el proceso clásico de cementación con temple en aceite, dichas piezas, fabricadas en acero cromo-molibdeno, eran enfriadas en aceite, utilizando además un procedimiento especial para evitar deformaciones en el material

Algunas de sus ventajas son: Reduce la susceptibilidad a la formación de fisuras durante el

tratamiento. Disminuye la deformación y aumenta la resistencia al impacto, si se

compara con otros medios de temple más severos. Limitaciones Espesor y la composición del acero Se logran durezas elevadas y por lo tanto resistencia al desgaste. Menor deformación en el material, comparado con el temple directo Tenacidad media con respecto al temple en otros medios. Según Robledo, el proceso del martempering es muy útil para todo tipo de acero que requiera endurecerse y al ser un tratamiento térmico que produce menores deformaciones en el material, resulta más apropiado que practicar el temple directo.

16.  Mencione los diferentes tipos de tratamiento superficial.Tipos de tratamientos superficiales

Tratamientos mecánicos

Entre los tratamientos mecánicos más comunes están los siguientes:

Granallado  Impacto con chorro de arena Impacto con láser Bruñido Endurecimiento por explosivo Revestimiento mecánico

Tratamientos térmicos superficiales

Muchos tratamientos térmicos pueden hacerse a nivel superficial, cambiando las propiedades hasta una profundidad determinada sin afectar al material del interior de una pieza. Algunos ejemplos son: recocido, temple, revenido, maduración y bonificado.

Revestimiento o deposición de material

Los procesos de revestimiento o deposición de material se emplean para recubrir superficies para obtener unas características determinadas como resistencia al desgaste o a la corrosión, o para reconstruir piezas.

La galvanoplastia y la galvanización: son procesos electrolíticos, mecánicos o de inmersión mediante los cuales se adhiere una capa superficial de otro metal resistente a la corrosión. El tipo de metal de la capa protectora suele dar nombre al proceso. Por ejemplo: cincado, con zinc; cobrizado, con cobre; niquelado, con níquel; cromado, con cromo o estañado (obtención de hojalata), con estaño.

Otros materiales que se pueden aplicar por galvanoplastia son el oro, la plata, el platino o el rodio.

Estos mosquetones tienen una superficie en aluminio anodizado, pudiendo tener diversos colores.

Rociado térmico, metalizado o proyección térmica con llama. Deposición de vapor Implantación iónica Electrodeposición Electroformado Inmersión en baño de metal fundido

Otros procesos de revestimiento o deposición de material son:

·         Revestimiento por difusión: son procesos termoquímicos como la cementación (C), la nitruración (Ni), la cianuración (CN), la carbonitruración (C y N) o la sulfinización (S).

·         Anodizado: oxidación superficial mediante adsorción del oxígeno de una solución ácida para generar una capa de protección formada por óxido del metal. Este proceso se puede emplear en metales en los que la capa de óxido del metal de la pieza constituye una barrera eficaz contra una ulterior corrosión, como en el caso del aluminio o del titanio. Pueden usarse colorantes orgánicos.

Recubrimiento de conversión Pavonado: aplicación de una capa superficial de óxido abrillantado,

compuesto principalmente por óxido férrico (Fe2O3). Esmaltado y recubrimiento cerámico u orgánico Pintura. Existen varios tipos de pintura anticorrosiva; entre los que se

encuentran aquellos compuestos con una base de minio de plomo. Encerado.

17.  ¿Cuál es el principio en que se basa el endurecimiento superficial de los aceros mediante carburizado y nitrurado? Explique ambos tratamientos termoquímicos. La cementación o carburización, es uno de los métodos más antiguos para producir un endurecimiento en la superficie de piezas de acero. En este tratamiento, el metal ferroso es expuesto a una atmósfera rica en

carbono lo que promueve la adsorción y posterior difusión del carbono en la superficie del metal.La principal razón de someter a las piezas a este tratamiento, es para endurecerlas, hacerlas resistentes al uso.Este proceso permite obtener piezas con el corazón blando y la periferia endurecida y se realiza cuando se requiere incrementar el contenido de carbono en la periferia de la pieza, como consecuencia la atmósfera reactiva (N2-MeOH) empleada en este proceso, deberá proteger al acero de la oxidación y proveer de carbono suficiente para incrementar su contenido en la superficie.Este incremento, se basa en la adsorción y posterior difusión del carbono en el acero a altas temperaturas, una vez que la penetración del carbono sea la deseada, se retira la pieza templándola o bien normalizándola.

La nitruración es un tratamiento termoquímico de enriquecimiento superficial, con nitrógeno y amoníaco en fase ferrítica sobre los aceros. Esto se consigue introduciendo dentro del propio material los elementos antes citados. Se incorpora Nitrógeno a la superficie del acero, compuesto principalmente por fase ferrítica, mediante el calentamiento en una atmósfera de amoníaco. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga. El tratamiento de nitruración ocurre a través de dos mecanismos. Un primer tratamiento de conversión química superficial, en el que tiene lugar la formación de una capa compuesta principalmente por nitruro de hierro (Fe2N).Un segundo tratamiento de difusión de Nitrógeno como solución sólida y de combinación con algunos elementos de aleación del acero (Cromo, Aluminio, Volframio, Molibdeno y Titanio, principalmente) para formar nitruros finamente dispersos, conduciendo a un endurecimiento estructural.

18.  Un acero 1025 debe carburizarse utilizando una atmósfera de gas que pueda producir 1.0% C en la superficie del acero. La profundidad de capa cementada se define como la distancia por debajo de la superficie que contenga por lo menos 0.5% C. Si el carburizado se efectúa a 1000°C, determine el tiempo requerido para producir una profundidad de capa cementada de 0.01 pulg.Primero obtenemos el coeficiente de difusión D, dada la temperatura a trabajar

Continuamos con obtener el valor de z, con la función de error y la tabla

Así obtenemos el valor de z que es 0.5205, convertimos 0.01 in a mm, igualamos y despejamos el tiempo:

19.  Diseñe los materiales y los tratamientos térmicos para una flecha automotriz y su tren de engranes.

La norma SAE (Society of Automotive Engineers) clasifica los aceros en distintos grupos, a saber:

Aceros al carbono Aceros de media aleación Aceros aleados Aceros inoxidables Aceros de alta resistencia Aceros de herramienta, etc.

Según la SAE el acero utilizado para una flecha automotriz y su tren de engranaje sería un acero de alta resistencia, dentro de la clasificación de la misma se encuentran diseñados y utilizados para aplicaciones donde se requieren resistencias a la cedencia y tensiones mayores que las que proporcionan los aceros formables de bajo carbono.

A continuación se listan los aceros pertenecientes a esta clasificación: Resistencia a la abolladura (DR- dent resistant).

-Endurecimiento por horneado (BH-bake hardenable).-Endurecimiento por horneado.

Alta resistencia endurecimiento por solución. Alta resistencia baja aleación (HSLA- High Strength low alloy). Alta resistencia recuperación por recocido. Alta resistencia avanzada.

-Doble fase (DP- dual phase).-Fase compleja (CP-complex phase).-Plasticidad inducida por transformación (TRIP-Transformation induced plasticity).-Martensíticos.En el caso de la flecha automotriz y de sus engranajes se utiliza una transformación de tipo TRIP.Aceros de Transformación Inducida mediante Plasticidad (aceros TRIP) La microestructura de los aceros de Transformación Inducida mediante Plasticidad (aceros TRIP) está constituida básicamente por cantidades variables de austenita en una matriz de ferrita; además de un mínimo de

5% en volumen de austenita retenida, están presentes fases de alta dureza, como la bainita y la martensita en cantidades variables, mostrándose esta estructura en forma esquemática en la figura 4.

Los aceros TRIP requieren de manera general de una permanencia isotérmica a temperaturas intermedias lo cual produce algo de bainita, también el contenido relativamente elevado de silicio y carbono da como resultado cantidades significativas de austenita retenida, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Procesamiento de fleje y lámina de un acero con efecto TRIP [7] Durante la deformación plástica, la dispersión de la austenita y la bainita crea una alta velocidad de endurecimiento por deformación tal y como sucede en los aceros DP, sin embargo, en los aceros TRIP al deformar plásticamente al acero, la austenita retenida se transforma progresivamente en martensita aumentando aún más la velocidad de endurecimiento por deformación y llevando a niveles superiores la resistencia del acero, en consecuencia, estos aceros son más fácilmente conformables que los aceros de fase dual, especialmente a altas coeficientes de deformación (valores de n > 0.2) con una resistencia mecánica similar, esto se ilustra en la figura 6 donde se muestra el

diagrama esfuerzo deformación de ingeniería para diferentes tipos de acero con una resistencia a la fluencia similar.

La cantidad de deformación a la cual inicia la transformación de la austenita en martensita puede ajustarse mediante el contenido de carbono. Con poco carbono, la austenita inicia su transformación inmediatamente después de la deformación, incrementando la velocidad de endurecimiento por deformación y la facilidad de conformado durante el proceso de estampado. Con contenidos mayores de carbono, la austenita retenida es más estable transformándose solamente a niveles de deformación más allá que los producidos durante su conformado. Esto es, la austenita aún existe en la parte ya terminada, pudiéndose transformar a martensita durante una deformación subsecuente, como un choque. Los aceros TRIP necesitan un contenido mayor de Si y/o Al y/o fósforo que los aceros de fase dual y son relativamente difíciles de producir.

20.  Describa el proceso de calentamiento por inducción y mencione cuáles son sus principales elementos dentro del proceso. Además, mencione las principales aplicaciones, ventajas y desventajas.

¿Qué es el calentamiento por inducción?

El calentamiento por inducción es un proceso que se utiliza para endurecer, unir o ablandar metales u otros materiales conductivos. En procesos modernos de fabricación, el calentamiento por inducción ofrece una atractiva combinación de velocidad, consistencia, control y eficiencia energética.

¿Cómo trabaja el calentamiento por inducción?

Cuando una corriente alterna se aplica al primario de un transformador, se genera un campo electromagnético. Según la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se coloca dentro del campo magnético, se induce una corriente eléctrica.

En una configuración básica de calentamiento por inducción, una fuente de alimentación genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente una bobina de cobre) y la pieza a calentar se sitúa dentro de

dicho inductor. El inductor actúa de primario del transformador y la pieza de circuito secundario. Cuando la pieza metálica  es atravesada por el campo magnético, se inducen corrientes de Foucault en dicha pieza.

Principales aplicaciones.

Temple por inducción. El temple por inducción utiliza calor inducido y enfriamiento rápido (duchado) para aumentar la dureza y durabilidad del acero.

Revenido por inducción. El revenido por inducción es un proceso de calentamiento que optimiza las propiedades mecánicas, como la resistencia y ductilidad de las piezas que ya han sido templadas

Braseado por inducción. El braseado es un proceso para unir materiales utilizando un material de aportación (y por lo general un anti-oxidante llamado fluxe) para unir dos piezas de metal sin fundir los materiales de base. Este proceso hace que el calor inducido funda la aportación y que ésta penetre en los materiales de base por capilaridad.

Recocido por inducción. Este proceso calienta metales que ya han sido sometidos a un importante proceso. El recocido por inducción reduce la dureza, mejora la ductilidad y alivia las tensiones internas.

Ventajas

Productividad. Las tasas de productividad pueden maximizarse porque la inducción es muy rápida: el calor se genera directa e instantáneamente en la pieza

Eficiencia energética. Este proceso es el único realmente eficiente desde el punto de vista energético.

Calidad del producto. Con inducción, la pieza tratada nunca entra en contacto directo con llama u otro elemento de calor, el calor se induce en la pieza directamente a través de una corriente alterna

21.  ¿Cómo se relaciona la frecuencia con la profundidad de penetración en el calentamiento por inducción?

La frecuencia está ligada íntimamente a la profundidad de la capa que se desea templar; cuanto mayor sea ésta, menor podrá ser la frecuencia.

Es la "Profundidad de penetración" que determina la efectiva profundidad de las corrientes parásitas en su generación de calor.

El valor de d está dado por la siguiente expresión:

Donde µo es la permeabilidad magnética del vacío; µ es la permeabilidad magnética relativa de la pieza que se calienta (disminuye cuando aumenta la temperatura); es la resistividad de la pieza de trabajo (aumenta con la temperatura); f es la frecuencia del campo magnético actuante producido por la corriente que recorre la bobina inductora.

Se deduce que cuando hay condiciones iguales entre la permeabilidad y resistividad relativa la frecuencia del campo magnético es el que inducirá a la corriente por la Ley de Faraday y por su parte la corriente inducida producirá un cambio de temperatura, dicha temperatura juega un rol importante ya que la permeabilidad magnética dependerá de esa temperatura; entonces de esta forma puede incrementarse la profundidad de penetración en la práctica del templado.

22.  Diseñe un proceso para la fabricación de una flecha de acero de 50mm de diámetro con excelente tenacidad en el núcleo y, además, muy buena resistencia al desgaste y a la fatiga. La dureza superficial deberá ser de por lo menos HRC 60 y la dureza a una profundidad de 1 mm por debajo de las superficie debe ser de aproximadamente HRC 50. Describa el proceso, dando detalles de la atmósfera para el tratamiento térmico, la composición, temperatura y tiempos del tratamiento.

Debido a la característica que tienen el ensayo Jominy para endurecer la superficie del material y variar la dureza del mismo a diferente profundidad se propone el uso de un ensayo Jominy en el cual se tienen las siguientes consideraciones:

1.   La relación entre distancia y velocidad de enfriamiento es la misma para el acero al carbono que para el acero aleado, porque la velocidad de transferencia es casi independiente de la composición

2.   A veces, la velocidad de enfriamiento térmico de la distancia Jominy: la unidad de distancia Jominy es 1/16 pulgada=1.6 mm.

3.   La velocidad de enfriamiento en el interior de la estructura de acero varía con la posición y depende del tamaño y de la geometría de la probetaAhora bien lo siguiente a determinar es un material que cumpla con las características deseadas, para ello se hace uso de gráficas con posible candidatos de entre los cuales se selecciona el que cumpla con una dureza superficial 50HRC y a una profundidad de 1mm una dureza de 60HRC

Se observa que el material que cumple es un acero aleado 8660, cuya composición aproximada es de 0.6 % C, 0,40 a 0,70 %Cr, 0,40 a 0,60 %Ni y 0,15 a 0,30 %Mo. Esta aleación se sabe además que es de las más usadas por tener media templabilidad. Además que se sabe que los Aceros cromo-níquel-molibdeno se emplean para piezas de gran resistencia. Con ello se demuestra que es adecuado el material usado

Por lo anterior el procedimiento será:

1.    Previo al tratamiento se normaliza la pieza de acero 8660, calentar la pieza entre 30 y 50 °C por encima de la temperatura crítica o bien 900ºC, sacar de la mufla y dejar enfriar al aire libre

2.   Calentar la pieza de acero 8660 hasta temperatura superior a la de fusión, en la mufla, durante  media hora, para asegurar que incluso el núcleo de la probeta resulte austenizado

3.    A continuación se transporta la probeta a un dispositivo de enfriamiento construido también según norma. El tiempo transcurrido desde que se extrae la probeta el horno hasta que se inicia su refrigeración no debe superar los 5 segundos

4.    El chorro de agua tiene una velocidad de flujo y una temperatura especificadas (25 ºC). De este modo, la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta

5.    Una vez enfriada plenamente la probeta se trabaja con fresadora, hasta una profundidad de 0.4 mm (para eliminar la posible de carburación superficial y para poder medir las durezas que presenta la probeta a partir del extremo templado

6.    Se determina la dureza a lo largo de los 50 primeros milímetros de la probeta

7.    Finalmente se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado para comprobar que la fecha cumple con la dureza

23.  Se diseña una probeta de acero de 60 mm de diámetro para templarla. Las durezas mínimas en la superficie y en centro deben ser de 55 y 38 HRC, respectivamente. ¿Qué acero es más adecuado: 1040, 5140, 4340, 4140, 8620, 8630, 8640 y 8660?

Empezamos por localizarnos entre los 38 y 55 HRC en la cual descartamos al acero 1040 debido a que La templabilidad del acero al carbono 1040 es baja porque la dureza desciende rápidamente a 30 HRC después de una distancia Jominy relativamente corta , en cambio las disminuciones de dureza en los otros cuatro aceros aleados son claramente más graduales  , después de ese paso el segundo es ubicar el porcentaje de martensita descartando así el acero 4340 ya que se localiza fuera del rango de los HRC que nos pide el problema , y al final observamos que el acero que se encuentra en el rango de mayor dureza es el 8640 por lo cual concluimos que el acero más adecuado para este temple  y las especificaciones de durezas es el acero 8640.

Bibliografía:http://www.ecured.cu/Martensita https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/Martensita.htm https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm#cementita http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#cementitan http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Tema1.TratamientosAceros.pdf