Informe 3

En este trabajo utilizamos acero AISI SAE 1045 con la siguiente composición y propiedades

Acero 1045

C 0,45

P 0,04

S 0,05

Mn 0,8

Si 0,25

El acero fue sometido a un tratamiento de temple realizado en forma deficiente, por lo cual se intenta recuperar las piezas con los siguientes tratamientos de ablandamiento: 1.- Normalizado. 2.- Recocido de austenitización completa. 3.- Recocido de austenitización incompleta. 4.- Recocido subcrítico, de alivio de tensiones. Observación: El tratamiento N°4 se realizó sobre muestras previamente normalizadas según el tratamiento N°1. Las durezas obtenidas para el acero en la condición templado deficientemente, son las siguientes: Acero 1045

Dureza HRc Med 1 Med 2 Med 3 53 55 54 Dureza media 54 HRc

Micrografia*****************************************

1.- NORMALIZADO En este tratamiento, se mantuvo la pieza a la temperatura escogida (en el campo austenitico) por un tiempo de 1 hora, esta temperatura fue de ¿????? dado que la temperatura crítica superior A3 y Acm para el acero 1045 es aprox. 780 generalmente se considera que los tratamientos de normalizado se realizan a temperaturas algo alejadas de la temperatura crítica superior porque el interés principals suele ser austenizar con celeridad (sin un control riguroso del tamaño de grano); pare enfriar al aire enseguida. Las durezas obtenidas posterior al normalizado fueron:

Acero 1045

Med 1 21

Dureza HRb Med 2 Med 3 21 21 Dureza media 21 HRc

La normalización produce un acero más duro y más fuerte que el obtenido por recocido convencional. La normalización se puede utilizar para mejorar la maquinabilidad (de piezas templadas o endurecidas previamente), modificar y refinar la estructuras dendríticas de piezas de fundición, y refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar las respuestas en las operaciones de endurecimiento. El enfriamiento en aire del normalizado, afecta de varias formas la transformación de la austenita y la microestructura resultante. Como este enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, no puede utilizarse los diagramas de equilibrio para predecir las proporciones de ferrita o cementita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Hay menos tiempo para la formación del constituyente proeutectoide, por lo que se debiera obtener mayor cantidad de perlita respecto a lo indicado por el diagrama de equilibrio Fe-C y respecto al tratamiento de recocido convencional. En los aceros hipereutectoides, la normalización reducirá la cantidad y/o continuidad de la red de cementita proeutectoide, y en algunos casos puede eliminarse por completo. Como la presencia de esta red de cementita en los aceros hipereutectoides reduce la tenacidad, los aceros normalizados deben mostrar un aumento en tenacidad al compararlos con aceros recocidos convencionalmente. Aparte de influir en la cantidad del constituyente proeutectoide que se formará, también afectará las temperaturas de transformación de la austenita y la fineza de la perlita. Se puede decir que dichas temperaturas son menores, y que la perlita es más fina al comparar con el recocido convencional.

1045-500x

W10V-500x

Acero 1045 Se observan zonas ferrito-perlíticas, como es de esperar al normalizar la pieza, debido a que el enfriamiento relativamente lento (al aire) permitió la formación de ferrita proeutectoide (es la que aparece en tono claro ubicada hacia lo que fue bordes de grano de la austenita) y posteriormente perlita (es la que aparece en tono más oscuro que la ferrita proeutectoide). Se observa una perlita más bien fina, es decir, un espaciado interlaminar pequeño. Por otra parte, la dureza obtenida es algo mayor a la esperada teóricamente: Según referencia "Trat. Térmicos" de J. Apraiz, Dureza de ferrita: 48 HRb Dureza de perlita normalizada: 98 HRb Para obtener una dureza de 93 HRb (dureza experimental), las cantidades relativas de perlita y ferrita debieran ser 90% y 10% respectivamente. Sin embargo, en la foto se aprecia menos de 90% de perlita (más ferrita).

2.-RECOCIDO DE AUSTENITIZACIÓN COMPLETA

En este tratamiento, la pieza se mantuvo durante 1 hora a una temperatura de 860ºC considerandodado que generalmente los tratamientos de recocido convencional se realizan a temperaturas arriba y cercanas a las temperaturas crítica superior porque el interés principal suele ser, además de austenizar completamente, evitar el aumento del tamaño de grano. Los enfriamientos se realizaron dentro del horno, para obtener efectivas velocidades lentas de enfriamiento.

Las durezas obtenidas posterior al recocido fueron: Acero 1045

Dureza HRb Med 1 Med 2 Med 3 13 13 14 Dureza media 13 HRc

Como consecuencia de velocidades lentas de enfriamiento, debe esperarse obtener microestructuras y cantidades relativas de fases y microcostituyentes similares a las que predice el diagrama Fe-C (el cual está hecho considerando velocidades extremadamente lentas de enfriamiento, señalando así las estructuras de equilibrio). Por otra parte, se debiera obtener menor cantidad de perlita y más gruesa ésta comparado con el tratamiento de normalizado, producto de la menor velocidad de enfriamiento en el caso de recocido (sucede que menores velocidades de enfriamiento posibilitan mayor difusión del carbono, y así éste tiene la posibilidad de formar estructuras más gruesas que implican una menor energía libre del sistema). Además, la menor velocidad de enfriamiento hace que la temperatura de transformación de la austenita sea mayor comparado con el caso de normalizado.

1045-500x

W10V-500x

Acero 1045 Se observan zonas ferrito-perlíticas, como es de esperar al efectuar un recocido de austenitización completa; el enfriamiento lento (en el horno) permitió la formación de ferrita proeutectoide (es la que aparece en tono claro ubicada hacia lo que fue bordes de grano de la austenita previa) y perlita (es la que

aparece en tono más oscuro que la ferrita proeutectoide) en proporciones semejantes a las predichas por el diagrama Fe-C (45% ferrita y 55% perlita, según regla de la palanca). Se observa una perlita no tan fina (es posible distinguir las láminas de ferrita y cementita en la perlita) como en el caso del 1045 normalizado. Asimismo, observando con detenimiento estas dos fotos se infiere que en la recocida hay menor cantidad de perlita (relativo a la cantidad de ferrita). Por otra parte, la dureza obtenida no está lejos de lo esperado teóricamente: Según referencia "Trat. Térmicos" de J. Apraiz, Dureza de ferrita: 48 HRb Dureza de perlita recocida: 96 HRb Ponderando según las cantidades relativas de estos microconstituyentes (45 y 55% respect.), se obtiene una dureza de 76 HRb (experimentalmente se obtuvo 81 HRb).

3.-RECOCIDO DE AUSTENITIZACIÓN INCOMPLETA

En este tratamiento, se mantuvieron las piezas a la temperatura escogida (en el campo austenítico) por un tiempo entre 1/2 hora y 1 hora por pulgada de espesor como se acostumbra; para los dos aceros la temperatura escogida fue de 750ºC, dado que las temperaturas crítica superior A3 y Acm para los aceros 1045 y W10V (aprox. 780 y 790 ºC respectivamente) son semejantes, y por otra parte considerando que debe escogerse una Tº entre la crítica inferior A1 (723 ºC aprox.) y las críticas superior señaladas, tal que se caiga en la región bifásica austenita/fase proeutectoide y se obtenga por consiguiente austenitización incompleta. Junto a ello, el alejarse casi 40 ºC de la Tº A1 permite tener suficiente fuerza impulsora para que la austenitización incompleta se logre en los tiempos estipulados. Los enfriamientos se realizaron dentro del horno, para obtener efectivas velocidades lentas de enfriamiento. Las durezas obtenidas posterior al recocido fueron: Acero 1045 W10V

Dureza HRb 83 86

Como observación, las durezas anteriores son el promedio de 5 mediciones realizadas a cada muestra.

Como consecuencia de velocidades lentas de enfriamiento, debe esperarse obtener microestructuras y cantidades relativas de fases similares a las que predice el diagrama Fe-C (el cual está hecho considerando velocidades extremadamente lentas de enfriamiento, señalando así las estructuras de equilibrio). El objetivo principal que se desea alcanzar a través de este tipo de tratamientos es el de obtener la menor dureza posible, y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de las piezas en los aceros hipereutectoides. En éstos se logra con bastante facilidad que la cementita y los carburos de aleación adopten una forma relativamente globular que da para cada composición una dureza muy inferior a cualquier otra microestructura, incluso la perlita laminar. Así, por ejemplo, un acero hipereutectoide que es sometido a un recocido con austenización completa queda con estructura laminar y con una mayor dureza que si se hubiese sometido a un recocido de austenización incompleta donde quedará con una estructura globular. Es común que para los aceros hipereutectoides se realicen recocidos de austenización incompleta, pues con ésta se evita la formación de película de cementita sobre bordes de grano austeníticos previos, dando así mayor tenacidad, además de evitar el crecimiento de grano que se produce a mayores Tº. Asimismo, los aceros hipereutectoides (ejemplo, aceros para herramientas) se someten a este tipo de recocidos con el fin de lograr una mayor maquinabilidad de ellos. Una estructura perlítica afecta la maquinabilidad ya que la cementita, dura y frágil, se encuentra en forma de láminas las cuales, junto con la película sobre bordes de grano mencionada, obstaculizan el paso de la herramienta. Sin embargo, cuando la cementita se presenta en forma nodular se minimiza su efecto sobre el paso de una herramienta. A continuación se presentan las fotomicrografías: (Obs.: el ataque se realizó con NITAL 5)

1045-500x

W10V-500x

Comentarios sobre las fotomicrografías: Acero 1045 Se observan zonas ferrito-perlíticas, como era de esperar, donde el enfriamiento lento llevó a la formación de fases y microconstituyentes de equilibrio (metaestable) señalados en el diagrama Fe-C. Este enfriamiento lento (en el horno) permitió la formación de ferrita proeutectoide (es la que aparece en tono claro) y perlita (es la que aparece en tono más oscuro que la ferrita proeutectoide) en proporciones semejantes a las predichas por el diagrama Fe-C (45% ferrita y 55% perlita, según regla de la palanca). Se observa una perlita más bien gruesa (es posible distinguir las láminas de ferrita y cementita en la perlita), como en el caso del 1045 con recocido de austenitización completa. Por otra parte, la dureza obtenida no está lejos de lo esperado teóricamente: Según referencia "Trat. Térmicos" de J. Apraiz, Dureza de ferrita: 48 HRb Dureza de perlita recocida: 96 HRb Ponderando según las cantidades relativas de estos microconstituyentes (45 y 55% respect.), se obtiene una dureza de 76 HRb (experimentalmente se obtuvo 83 HRb).

Acero W10V

Se observa una microestructura con los mismos microconstituyentes que en el caso del W10V con austenitización completa. Se aprecia matriz ferrítica (la que aparece en tono claro), a juzgar por la baja dureza obtenida; se observa la presencia de gran cantidad de cementita globulizada (en tono más claro); y la presencia de pequeñas colonias supuestamente perlíticas (las que se ven en tono oscuro) diseminadas en gran cantidad a través de toda la estructura. A diferencia del W10V con recocido de austenitiz. completa, la cantidad de perlita que se aprecia es mayor y consiguientemente la dureza es también mayor. En teoría se esperaba una microestructura perlítica (producto de la reacción eutectoide), con nódulos de cementita (producto del mantenimiento a la Tº escogida) tal como se explicó al comienzo. Respecto a lo que sucedió, hay dos alternativas: la primera, es que no se superó la Tº crítica inferior A1 (723 ºC aprox.), con lo cual la gran mayoría de la microestructura se transformó a ferrita y cementita globulizada (“esferoidización” por debajo de la Tº A1), quedando perlita remanente; y la segunda, es que se alcanzó efectivamente la Tº deseada. En este último caso, el mantener la pieza a 750 ºC dio origen a austenita y glóbulos de cementita (es decir, una “esferoidización” por sobre la Tº A1) ya que, tal cual lo indica el diagrama Fe-C de la empresa Struers, estuvo en la zona de tratamiento de esferoidización (680-760 ºC aprox.) en la región bifásica austenita/cementita. Y luego, en el enfriamiento lento dentro del horno la muestra permaneció un largo tiempo a las temperaturas de esferoidización bajo la Tº A1 (que genera glóbulos de cementita en matriz ferrítica), dando origen a la estructura globulizada observada. Lo anterior es factible gracias a la ya presencia de glóbulos de cementita que permiten que la transformación sea más bien en base a engrosar estos nódulos y no crearlos (no es imprescindible la nucleción de cementita (glóbulos) para conformar la estructura, y por lo tanto la energía y tiempo a dichas Tº requeridos son menores). Por último, conforme siguió el enfriamiento se formaron las colonias perlíticas (en tono oscuro), que era el microconstituyente base esperado en la microestructura. Para haber obtenido la microestructura esperada teóricamente, la pieza debió permanecer menor tiempo a las temperaturas de esferoidización bajo la Tº A1. (Para el primer supuesto, hay que preocuparse del lugar dentro del horno donde se pone la pieza y/o de la calibración de termocupla del horno).

4.-RECOCIDO SUB-CRÍTICO, DE ALIVIO DE TENSIONES

En este nuevo tratamiento las piezas, previamente normalizadas en forma idéntica a las del apartado Nº1 (de hecho fueron cortadas de éstas), se mantuvieron a la temperatura escogida (en el campo bifásico ferrita/cementita) por debajo de la Tº A1, por un tiempo entre 1/2 hora y 1 hora por pulgada de espesor como se acostumbra; para los dos aceros la temperatura escogida fue de 600ºC, tomando como referencia el diagrama Fe-C de la empresa Struers que señala el rango 550-650 ºC para recocidos subcríticos de alivio de tensiones (para cualquier %C del acero). Los enfriamientos se realizaron dentro del horno, para obtener efectivas velocidades lentas de enfriamiento. Las durezas obtenidas posterior al recocido fueron: Acero 1045 W10V

Dureza HRb 92 87

Como observación, las durezas anteriores son el promedio de 5 mediciones realizadas a cada muestra. Este proceso de recocido se realiza industrialmente como una manera de eliminar las tensiones residuales de los materiales posterior a un trabajo en frío. La principal característica de este proceso es que el acero es calentado a una temperatura bajo la crítica inferior A1.

En nuestro caso se espera que la estructura obtenida en el normalizado se relaje, es decir, que presente procesos de recuperación que den paso a una configuración de menor energía, eliminando así tensiones o esfuerzos residuales producidos durante el enfriamiento y transformaciones en el tratamiento de normalizado. Las mayores deformaciones o distorsiones elásticas internas de la estructura deben relajarse por deformación plástica (al aumentar la Tº disminuye el límite de fluencia y permite que ocurra deformación plástica de elementos que quedaron sometidos a gran deformación elástica). Con ello debe esperarse un aumento en ductilidad. En la microestructura, deberían mantenerse las mismas fases y no detectarse cambios apreciables en ella. Este proceso es útil para eliminar esfuerzos residuales o tensiones del material debido a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frío, y aumentar así su ductilidad. El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior como se dijo; no teniendo tanta importancia la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse al aire sin que se endurezca. En este tratamiento, las propiedades físicas y mecánicas que sufren cambios como resultado del trabajo en frío, tienden a recuperar sus valores originales. Éstas no recobran sus valores a la misma velocidad, lo cual indica la naturaleza complicada del proceso de recuperación. En aceros de poco contenido de carbono (menos de 0,40%) estirados en frío, se le conoce como “recocido contra acritud” y tiene por objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de estos aceros. Con el calentamiento a temperaturas en el rango mencionado (550-650 ºC), se destruye la cristalización alargada de la ferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire. Este tratamiento está dentro de lo que se conoce como “recocido de recristalización” el cual, según lo indica la empresa Struers en el diagrama Fe-C, comprende el mantenimiento a temperatura entre 500-680 ºC. A continuación se presentan las fotomicrografías: (Obs.: el ataque se realizó con NITAL 5)

1045-500x

W10V-500x

Comentarios sobre las fotomicrografías: Acero 1045 Se observan zonas ferrito-perlíticas (ferrita proeutectoide en tono claro y perlita en tono oscuro) en forma semejante a la pieza normalizada. Es efectivamente lo que se esperaba, donde a escala microscópica (fotomicrografías) prácticamente no hay cambios aparentes. A escala atómica debieron producirse procesos de recuperación y deformación plástica que aliviaron las tensiones o esfuerzos residuales producto del enfriamiento y transformaciones al normalizar la pieza. Por otra parte, la dureza obtenida es similar a la de la muestra normalizada. Esto debe ser así, pues las propiedades mecánicas tienen una relación directa con la microestructura, y en ésta no hubo cambios aparentes. Acero W10V En primer lugar, no se esperaba una fotomicrografía con microestructura tan diferente a la mostrada por el mismo acero normalizado. De todos modos, lo que se observa se puede interpretar como sigue: Dado que la dureza disminuyó de 102 a 87 HRb al efectuar este tratamiento a la pieza normalizada, lo que se aprecia en tono claro debe ser matriz ferrítica. Se observa también la presencia, presumiblemente, de perlita (en tono más oscuro) y de cementita hacia los bordes de grano ferríticos. Junto a lo anterior, se aprecian algunos carburos (presumiblemente de vanadio) hacia el centro de los granos de ferrita.

Tal como se espera por la baja T° de este tratamiento (600 °C), no hubo crecimiento de grano debido a que los carburos se encuentran hacia el centro de los granos ferríticos (y no en bordes de grano). Respecto a lo sucedido y observado, hay dos alternativas: la primera, es que la fotomicrografía no corresponda al acero y/o tratamiento considerados; y la segunda, es que hubo un notorio reacomodamiento de las fases (cambiando las cantidades relativas de los microconstituyentes). Finalmente podemos señalar que, en teoría, el tratamiento de ablandamiento más indicado para recuperar el acero 1045 debiera ser el recocido de austenitización completa, debido a que en general los tratamientos de normalizado producen, en aceros al C y de baja aleación, estructuras con mayor cantidad de perlita (relativo al microconstituyente proeutectoide) y más fina ésta, produciendo mayor dureza. Lo anterior es producto de que en el normalizado la velocidad de enfriamiento es mayor. Por otra parte, como en general los normalizados se realizan a temperaturas mayores que los recocidos (de austenitización completa), existe la posibilidad de un mayor crecimiento de grano, lo que es perjudicial en la mayoría de los casos. Por lo anterior, el menos indicado sería el normalizado sin alivio de tensiones (este último juega a favor, porque le otorga más relajación y disminuye su dureza la mayoría de las veces). En teoría, el tratamiento más indicado para el acero W10V sería el recocido de austenitización incompleta, debido a que con éste se obtienen en general estructuras con la cementita proeutectoide globulizada y no formando películas o envolturas sobre los bordes de grano austeníticos previos. Con ello se obtienen menores durezas y aceros mucho más maquinables. Asimismo el menos indicado podría ser el normalizado, por las razones referidas anteriormente (al analizar el 1045) cuando se le compara con el recocido (de austenitización completa). Sin embargo, en cuanto a la película o envoltura de cementita proeutectoide producida, el normalizado es más conveniente porque produce menor cantidad de ella.

A continuación se presenta un cuadro resumen de las durezas obtenidas experimentalmente para cada acero y tratamiento:

Dureza Tratamiento N°

1045

W10V

1 2 3 4

93 81 83 92

102 80 86 87

Juzgando según las durezas obtenidas experimentalmente, para ambos aceros el tratamiento más adecuado sería el recocido de austenitización completa (por obtenerse menor dureza en cada caso); y el menos indicado, el tratamiento de normalizado sin alivio de tensiones (por obtenerse mayor dureza en cada caso). Esto concuerda con lo indicado teóricamente.

BIBLIOGRAFIA.

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“ Tratamientos Térmicos ”. J. Apraiz. “ Fundamentos de Tratamientos Térmicos ”. Manuel Cabrera.