Mego Sandoval,jonathan Junior; Vela Corcuera, Jhimy Manuel.pdf

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MATERIALES

TESIS “EFECTO DEL DOBLE REVENIDO SOBRE LA TENACIDAD DE LA ENTALLA A DIFERENTES VELOCIDADES DE CARGA DE IMPACTO EN EL RANGO DE 2.55 A 3.71 M/S, RESISTENCIA MECÁNICA , TENACIDAD ESTÁTICA Y DUREZA DEL ACERO AISI D2 AUSTENIZADO DURANTE 1 HORA A 1020°C Y REVENIDO A 500°C”

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO DE MATERIALES AUTOR

:

Br. JONATHAN JUNIOR MEGO SANDOVAL Br. JHIMY MANUEL VELA CORCUERA

:

Dr. Ing. NORBERTO DAMIAN ÑIQUE GUTIERREZ

COASESOR :

Mg. Ing. ALEXANDER YUSEPH VEGA ANTICONA

ASESOR

TRUJILLO – PERÚ 2013

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JURADO DICTAMINADOR

__________________________ Ing. Luis Aguilar Rodríguez Presidente

_________________________ Ing. William Guarniz Herrera Secretario

__________________________ Dr. Norberto Ñique Gutiérrez Vocal CIP 52434

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DEDICATORIA A Dios Todopoderoso por ser él dador de la vida, Gracias a este don soy parte de ella y me permite Tener conciencia de las cosas de mi entorno y De cómo hacerle frente a mi futuro venidero, Mediante una carrera profesional ganada con Sacrificio y mucho esmero. Por todo ello mi Agradecimiento a nuestro Padre Celestial.

A mis padres German y Rosa por su constancia, consejos, apoyo moral, emocional, espiritual y económico para poder trajinar y alcanzar los objetivos trazados en mi formación profesional.

A mi hermana Amanda y su esposo Omar por todos sus consejos y conocimientos respecto a la vida universitaria; ya que ellos son también profesionales de esta prestigiosa universidad. Como olvidar a mi pequeña y querida sobrina Luana Valeria con su inocencia y sus ocurrencias llenan de alegría nuestro hogar, pequeñas motivaciones que sirven de estímulo para seguir hacia adelante.

A mis abuelos, tíos paternos y maternos por sus consejos, experiencias y otras formas de ayuda, posibilitándome de esta manera mi educación profesional.

Gracias por todo JONATHAN MEGO

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DEDICATORIA A Dios, Todopoderoso por formar parte de una familia Amorosa y unida, Por iluminar mí camino y fortalecerme En todo momento de mi vida, por darme sabiduría para Elegir siempre lo correcto y saber dirigirme en la vida

A mi madre Margarita, por su total e incondicional apoyo y consejos durante el desarrollo de mí carrera y a mis hermanos María Luisa y Erick, por su compañía y ayuda, por soportar mi carácter y nunca abandonarme, los quiero mucho hermanos.

A Sarita Martínez Cabrera, por su infinita comprensión, tolerancia, apoyo, y por darme serenidad y tranquilidad en los momentos difíciles, por motivarme y siempre resaltar lo mejor de mí, por estar en todo momento a mi lado y llenar mi vida de amor... TE AMO

A todos los integrantes de la familia Cabrera Vigo, quienes cumplieron un papel determinante en la ejecución y culminación de la presente investigación, por brindarme su apoyo desinteresando en momentos que más necesitaba, Gracias por la solidaridad.

Gracias por todo JHIMY VELA

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AGRADECIMIENTO En primer lugar queremos expresar nuestro agradecimiento a la Escuela de Ingeniería de Materiales y a toda su plana docente, por los conocimientos y orientación impartidos durante nuestra formación profesional.

A nuestro asesor el Dr. Ing. Norberto Damián Ñique Gutiérrez, por la propuesta y la oportunidad de realizar este trabajo de investigación, por orientarnos, así como por su ejemplo de empeño y paciencia durante el desarrollo del presente trabajo de investigación.

Al laboratorio de Análisis Estructural y Ensayos Destructivos y el laboratorio de Metalúrgica Física de la Universidad Nacional de Trujillo, por su colaboración con los equipos, instrumentos e instalaciones para el desarrollo del presente trabajo.

Así mismo resaltar el apoyo y colaboración de nuestros compañeros de carrera que en todo momento nos brindaron su aliento y una mano amiga en el desarrollo y culminación del presente trabajo de investigación.

A las empresas ACEROS DEL PERU S.A.C. por intermedio del Ing. Ricardo León Vergara y nuestra compañera Giessy Vega Basauri se lograron realizar los tratamientos térmicos del acero, y SIDER PERU a través del Ing. Wesley Oliva Cuevas y Sra., por sus servicios prestados, los cuales fueron de gran ayuda para el desarrollo del presente trabajo de investigación.

Y por último a todas aquellas personas, amigos y familias que nos brindaron su apoyo y respaldo en la ejecución del presente trabajo de investigación.

Los Autores

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ÍNDICE Jurado dictaminador................................................................................... i Dedicatoria……………………….……………………………………………… ii Agradecimientos...…………………………………………………………….. iv Índice de contenidos................................................................................

v

Listado de figuras....................................................................................

vii

Listado de tablas………...…………………………….………………………. ix Resumen..................................................................................................... x Abstract....................................................................................................... xi

I. INTRODUCCIÓN 1.1. Realidad Problemática………………….……………………………... 1 1.2. Antecedentes Bibliográficos….….………………….………............. 5 1.3. Marco Teórico…………………….…………………………...…......... 9 1.3.1. Tratamiento Térmico de aceros para herramientas.......……. 9 1.3.1.2. Aceros para Trabajo en Frio….…………………....... 9 1.3.1.3. Temple y Revenido de los Aceros para Trabajo en Frío…………………………………………………………… 10 1.4. Problema………..…………………………………...……..….…......... 23 1.5. Hipótesis……………………………………………...……..…..……… 24 1.6. Objetivos.…………………………....……………...………….....……. 24

II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. Material de Estudio…..……………………………………..……..…..… 26 2.2. Métodos y Técnicas………………………..…………..………….......... 26 2.2.1. Preparación de Probetas...…....…………..………................ 28 2.2.2. Para las Probetas de Impacto.……..………….…................. 28 2.2.3. Para la Medición de Dureza Superficial…….......................... 29 2.2.4. Para la Medición de Resistencia a la Tracción....................... 29

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2.2.5. Para la preparación de probetas metalográficas….............. 30

III. RESULTADOS 3.1. Ensayos de tracción del acero AISI D2……….…………………….…. 31 3.2. Ensayo Dureza superficial del Acero AISI D2…….………….….…..... 33 3.3. Ensayo de Impacto del Acero AISI D2………....….……...................

34

3.4. Microestructura del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple.. 35 3.5. Microestructura del acero AISI D2 tratado por temple-revenido……... 36

IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 4.1. Microestructura del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple.. 38 4.2. Microestructura del acero AISI D2 tratado por temple-revenido…….. 38 4.3. Ensayo de Tracción del Acero AISI D2…………………………….…... 38 4.4. Ensayo de Dureza superficial del Acero AISI D2…...…………….…... 39 4.5. Ensayo de Impacto del Acero AISI D2…….……………………………. 40

V. CONCLUSIONES 5.1. Conclusiones………………………...………………..…………………… 41

VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 6.1. Referencias Bibliográficas ……..………………….…. ............................ 42

APENDICE Apéndice I………………………………………..………………………….…… 45

ANEXOS………………………………………….……………………………. ... 52

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LISTADO DE FIGURAS Fig. 1. (a) Rodillo enderezador (b) Microestructura analizada del rodillo enderezador, 100X. Fig. 2. Sección isotérmica de esquina rica en Fe del diagrama Fe-Cr-C a 870°C, se indica la composición de las aleaciones basadas solamente en los contenidos de Cr y C. Fig. 3. Esquema del tratamiento térmico para aceros para herramientas. Fig. 4. Esquema del tratamiento térmico criogénico para aceros para herramientas. Fig. 5. (a) Microfotografías del acero D2 templado y revenido y (b) Templado, tratado criogénicamente y revenido. Fig. 6. (a) Equipo utilizado para un ensayo Charpy de impacto. (b) Probeta según la norma ASTM E23-98 y probetas conformadas sin tratamiento. Fig. 7. (a) Equipo utilizado para un ensayo de tracción (Instrom-10T) (b) Mordazas de tipo cuña que contienen a la probeta (c) Probeta de tracción según la norma ASTM E809 (d) Curva de esfuerzo-deformación mostrando el comportamiento del material. Fig. 8. (a) Efecto de la temperatura de austenización sobre la dureza del acero AISI D2 y el tamaño de grano ASTM. (b) Efecto de la temperatura de austenización sobre la dureza en HRC y el porcentaje de austenita retenida del acero AISI D2. Fig. 9. Efecto del ataque sobre el revelado de la martensita (1000X). Fig. 10. Microestructura del acero AIDI D2 investigado (a) en estado de suministro (estructura ferrita y cementita) (b) en estado bonificado estructura martensita revenida con presencia de carburos. 800X. Fig. 11. (a) Probetas maquinadas antes del tratamiento (b) Probetas tratadas. Fig. 12. Probetas para las mediciones de dureza superficial e identaciones. Fig. 13. (a) Probetas tratadas y en suministro para el ensayo de tracción de acuerdo a la norma ASTM E8-90 (b) Probeta colocada en la máquina de tracción. Fig. 14. Curvas de esfuerzo y deformación del acero AISI D2 (a) Estado de suministro (b) Tratamiento térmico de temple (c) I Revenido (d) II Revenido, evaluación en la maquina Instron de la EIM-UNT. Fig. 15. Efecto de los tratamientos térmicos realizados al AISI D2 sobre la resistencia mecánica expresado en esfuerzo de fluencia (Y) y máxima a la tracción (UTS).

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Fig. 16. Efecto de los diferentes tratamientos térmicos realizados al acero AISI D2 sobre la dureza superficial promedio HRC. Fig. 17. Efecto de los diferentes tratamientos térmicos realizados al acero AISI D2 sobre la resistencia al impacto tipo Charpy con muesca en V a diferentes velocidades de carga de impacto. Fig. 18. Microestructura óptica del acero AISI D2 tratado por temple 800X. Fig. 19. Microestructura óptica del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple mostrando CP con morfología en placas y globulares en una matriz martensita (blanca) además un tamaño de grano promedio de 15 micras en promedio, Ataque 4% picral plus HCL. 1000X. Fig. 20. Microestructura óptica del acero AISI D2 Templado+ 1er Revenido. Ataque con Superpicral, revelando austenita retenido (blanca) 1000X. Dureza 58.2 HRC. Fig. 21. Microestructura óptica del acero AISI D2 Templado + 2° Revenido. Ataque con Superpicral, revelando austenita retenida (blanca) 1000X. Dureza 60.5 HRC. Fig. 22. Microestructura óptica del acero AISI D2 (a) Templado + 1°Revenido Dureza 58.2 HRC y (b) Templado + 2° Revenido, dureza 60.5 HRC. Ataque con 4% picral Plus HCl, el ataque revela carburos y martensita (blanca) 400X.

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LISTADO DE TABLAS Tabla 1: Tipos de escalas de medición de dureza en Rockwell. Tabla 2. Designación, composición y aplicaciones de aceros para herramientas. Tabla 3. Composición química de aceros serie D para trabajo en frio, alto carbono y alto cromo. Tabla 4: Composición Química del acero AISI D2. Tabla 5: Matriz de contrastación factorial. Tabla 6: Matriz de contrastación factorial. Tabla 7. Propiedades mecánicas a tracción del acero AISI D2 a diferentes tratamientos. Tabla 8. Datos obtenidos para el Ensayo de Dureza indicando los diversos Tratamientos Térmicos a los que fueron sometidos la probeta del Acero AISI D2. Tabla 9. Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre la dureza del acero AISI D2. Tabla 10. Datos obtenidos del ensayo de Impacto, indicando los Tratamientos Térmicos sometidas a diferentes cargas. Tabla 11. Cálculos para el análisis de varianza. Tabla 12. Análisis de varianza para el diseño factorial de dos factores. Tabla 13. Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los tratamientos térmicos sobre la Resistencia al Impacto a diferentes cargas. Tabla 14. Esfuerzo de fluencia obtenida en el Ensayo de Tracción indicando los diversos tratamientos térmicos a los que fueron sometidas las probetas de Acero AISI D2. Tabla 15. Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre el esfuerzo de fluencia del acero AISI D2 Tabla 16. Esfuerzos máximos a la tracción obtenidos en el Ensayo de Tracción indicando los diversos Tratamientos Térmicos a los que fueron sometidos la probeta del Acero AISI D2. Tabla 17. Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre el esfuerzo máximo a la tracción del acero AISI D2.

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RESUMEN Se ha estudiado el efecto del doble revenido a 450°C sobre la tenacidad de la entalla a diferentes velocidades de carga de impacto de 2.55, 3.24 y 3.71m/s, resistencia mecánica, tenacidad estática y dureza del acero AISI D2 austenizado durante 1 hora a 1020°C y revenido a 500°C.Los ensayos de dureza se realizaron bajo la norma ASTM E18-92 para lo cual se confeccionaron probetas de 25mm de diámetro y 6mm de espesor y se hizo uso del durómetro INDENTEC. Para los ensayos de tenacidad a la entalla se hizo uso de la norma ASTM E23-98, el ensayo fue Charpy con muesca en V. La norma ASTM E8-90 determino los procedimientos para el ensayo de tracción en una maquina INSTRON de 10 toneladas. Los tratamientos se realizaron en la empresa ACEPESAC ubicada en la ciudad de Lima estos consistieron en tratamientos de temple y revenido con enfriamiento en aceite y consideraciones establecidas por la empresa. Como indicador de la modificación de la estructura metalurgia producto de los tratamientos térmico, se hizo uso de metalográfica óptica. Los resultados mostraron que el acero AISI D2 tratado térmicamente presenta: (1) un incremento de su resistencia máxima a tracción de 1672.65 MPa mostrando estructura de carburos y martensita mediante un apropiado tratamiento térmico; el estado de suministro determino valores de 1499 MPa (2) una limitada ductilidad con valores de 0.82% suministro, 0.5% temple, 0.78% 1 er revenido y 0.82% 2do revenido terminando su característica de acero de alta resistencia (3) Su tenacidad estática observada en forma cualitativa es mayor para el 2 do revenido (4) en el caso de las probetas para tenacidad a la entalla todas mostraron rotura frágil al ser evaluadas a diferentes velocidades de carga de impacto se determinó que esta propiedad disminuyo mostrando valores de 22 y 24 Joules para el 1 er y 2do revenido y para el temple de 7.5 Joules. (5) la dureza obtuvo un valor máximo de 64.7 HRC para el tratamiento de temple y de 61 HRC para el 2do revenido, la microestructura determino que la presencia de la austenita retenida conduce esta variación en la mayoría de las propiedades mecánicas. Palabras clave: Acero, herramientas, resistencia, tenacidad, entalla, tratamiento, temperatura, dureza.

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ABSTRACT We have studied the effect of the double tempering at 450°C about the tenacity of the notch at different velocities of load impact of 2.55, 3.24 and 3.71m/s, mechanical resistance, static tenacity and hardness of Steel AISI D2 austenizing during 1 hour at 1020° C and tempering at 500° C. The hardness tests were carried out under the standard ASTM E18-92 which made test tubes of 25mm diameter and 6mm thick and made used of durometer IDENTEC. For the notch toughness testing became the norm ASTM E2398, use the trial was Charpy v-notch. Standard ASTM E8-90 determined procedures for traction on a test machine INSTRON of 10 tons. Treatments were carried out at the company ACEPESAC located in the city of Lima these consisted of treatments of quenching and tempering with cooling in oil and considerations set forth by the company. As an indicator of the modification of the structure metallurgy heat treatment product, became use of metallographic optical. The results showed that heat-treated AISI D2 Steel presents: (1) an increased its maximum tensile strength of 1672.65 MPa showing structure of carbides and martensite by appropriate heat treatment; the State of supply determined values of 1499 MPa (2) a limited ductility values of 0.82% supply, 0.5% temple, 0.78 1° tempered and 0.82 2° tempering ending its characteristic of high strength (3) static tenacity observed in a qualitative way is greater for the 2° tempering (4) in the case of specimens for tenacity notch all showed fragile break be evaluated at different rates of burden of impact was determined that this property decreased showing values of 22 and 24 Joules for the 1° and 2° tempering and the temple of 7.5 Joules. (5) the hardness obtained a value maximum of 64.7 HRC for the treatment of temple and 61 HRC for the 2° tempering, microstructure determined that the presence of the retained austenite leads this variation in most of the mechanical properties.

Key words: Steel, tools, strength, toughness, notch, treatment, temperature, hardness.

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CAPITULO I: INTRODUCCION 1.1.

Realidad Problemática La experiencia en la industria ha puesto a las principales calidades de aceros para

herramientas en tres grupos en función a su tenacidad a decir; los aceros tenaces son del tipo AISI L6, A6, H13 y S7. La clase de resistencia al desgaste con tenacidad reducida son D2 y D3. Los tipos AISI A2 y O2 son conocidos como la clase que tiene un balance de resistencia al desgaste y tenacidad. Pruebas de impacto y tenacidad a la fractura determinaron que la resistencia al impacto generalmente aumenta con una creciente reducción a la forja en los tipos AISI S7 y H13 y el acero AISI D2 tiene una resistencia a la fractura considerablemente mayor a la esperada y es similar a la del ultimo tipo y en la actualidad no se puede predecir su tenacidad basándose solamente en resultados longitudinales (Hemphill, et. al, 1978:66). Por otro lado los aceros usados para moldes y matrices, denominados aceros para herramientas, requieren de un amplio rango de propiedades en servicio. Los niveles de resistencia mecánica requeridos son variables dependientes de las aplicaciones de temperatura y tiempo en procesos térmicos (http//Thyssenkrupp.Cl /modherramientas). Dentro de la composición química de estos aceros el contenido de carbono debe ser mayor que 0.3% (porcentaje peso) y no pueden exceder el 1.5%; porque se puede deducir que hay un amplio rango de tipos o morfología de martensita con la consecuente disminución de la temperatura Ms, la cual está fuertemente relacionada con los elementos aleantes en estos aceros. Existe también peligro de fisuración en el temple especialmente en componentes de gran masa y si el material es enfriado rápidamente o una temperatura demasiado baja antes del revenido. En el ciclo de tratamiento térmico previo al revenido hay siempre algo de austenita retenida, la cual debe ser removida durante el revenido, la que también puede ser exacerbada por la transformación en el temple y por deformación producida por esfuerzos que causan distorsión del material tratado térmicamente (Grinberg D. (1989:229). Los requerimientos de alta resistencia implican el rango de contenido de carbono antes mencionado, y no es muy común encontrar placas altamente frágiles de martensita o martensita lenticular con contenidos de carbono menores que 0.5%. Los listones de martensita presentes en aceros que contienen de 0.3-0.5%C tienen las más bajas

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temperaturas Ms y alta deformación por transformación y por lo tanto estos son altamente susceptibles a fisuración por temple (Grinberg D. (1989:243). En consecuencia los aceros para herramientas requieren desarrollar elevadas resistencias, siempre con valores cercanos a 1400-1700 MPa de resistencia máxima a la tracción, después de un adecuado revenido, por enfriamiento al aire con o sin agitación. A ninguno de estos aceros se les recomienda ser enfriados rápidamente por lo que se usa un medio como el aceite. Esto significa que el acero debe ser altamente aleado para proveer el requisito de endurecimiento, lo cual es esencial en componentes de larga sección, pero no permitir velocidades de enfriamiento bastante bajas a ser usadas para no comprometer una estructura martensítica inicial y anterior al revenido. Los aceros para herramientas, además de utilizarse para la fabricación de elementos de máquinas, se emplean para la fabricación de materiales útiles destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por arranque de viruta, cortadura, conformado, embutición, extrusión, choque, para laminación y en especial para el caso de materiales de matriz para el enderezado o doblado de materiales (ACEPESAC, 2000; http//www.bohlerandina.com/spanish/b_2907.php). Roberts G. y Gary R. (1980:326-403), sugieren que en la mayoría de los casos, la tenacidad a la entalla o la estática, resistencia al desgaste y dureza ya sea en caliente o en frio constituyen los factores más importantes a considerar en la selección de los aceros para herramientas. No obstante, en cada caso en particular hay que considerar también otros muchos factores, tales como: la deformación máxima que puede admitirse en el componente o herramienta; la descarburización superficial tolerable; la templabilidad o penetración de la dureza que se puede obtener por tratamientos térmicos post temple; las condiciones del tratamiento térmico en el que tiene que efectuarse, las temperaturas, atmósferas e instalaciones que requiere dicho tratamiento; y, finalmente, la maquinabilidad. En nuestro país uno de los productos terminados de la Corporación Aceros Arequipa S.A. son las barras de construcción las cuales pueden ser barras de acero de sección redonda con la superficie estriada, o con resaltes, para facilitar su adherencia al concreto al utilizarse en la industria de la construcción, estas se fabrican cumpliendo estrictamente 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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las especificaciones que señalan el límite de fluencia, resistencia a la tracción y su alargamiento. Las especificaciones señalan también las dimensiones y tolerancias, así las barras para construcción se identifican por su diámetro, que puede ser en pulgadas o milímetros, las longitudes más usuales son de 9 y 12 metros de largo. Esta empresa suministra las barras de acero recta de sección circular, con resaltes Hi-bond de alta adherencia con el concreto, ASTM A615; las barras de construcción ASTM A706 de acero microaleado de alta ductilidad, también rectas de sección circular, con resaltes Hibond y las varillas de acero corrugadas obtenidas por laminado en frio suministradas como barras corrugadas 4.7mm . En el Perú a pesar de la crisis económica mundial, en los últimos cuatro años el país ha tenido un notable crecimiento en el sector de la construcción, por lo cual empresas como Aceros Arequipa S.A, tuvo como iniciativa de presentar un servicio personalizado denominado Acero Dimensionado, este servicio, se desarrolla generalmente en tres etapas, el diseño, la fabricación y la puesta en obra. El servicio Just Time de acero dimensionado, se logra realizar gracias a las sofisticadas maquinas con la que cuenta la planta, la materia prima utilizada generalmente son el alambrón corrugado de acero estructural, el equipo denominado Formula Sapiens 14 (FS-14) de procedencia italiana tiene como principales funciones en el proceso de la obtención de producto tres etapas el enderezado, doblado y corte, en la Figura 1 se muestra el rodillo enderezador y su microestructura analizada.

(a)

(b)

Fig. 1. (a) Rodillo enderezador (b) Microestructura analizada del rodillo enderezador, 100X

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La etapa de enderezado se logra por una serie de rodillos, distribuidos en dos bloques posicionados en dos ejes, los cuales deforman el material, los que presentan la falla prematura. Este acero tiene la composición química similar a una AISI D2 o D3, ya que la dureza evaluada según el informe solicitado corresponde a una dureza de 62 HRC, de acuerdo al análisis químico correspondió a un acero Special K el cual al tener alta resistencia y dureza los problemas de fragilización producto del endurecimiento afectan, esta problemática nos lleva a la elección del acero para la investigación, tratando de evaluar en una primera etapa el tratamiento térmico. Estos rodillos, Figura 1(a), sufren un desgaste por abrasión, siendo perjudicial para el proceso operativo denominado calibrado, actualmente los costos de recambio de rodillos son altos, y el abastecimiento de los mismos es por importación, demorando varios meses su reposición, esto origina tiempos muertos y retrasos en la entrega del producto terminado. La microestructura correspondiente a los rodillos enderezadores fallados, Figura 1(b), muestra carburos de cromo de tipo esférico y carburos de hierro (posiblemente Fe 3C), en una matriz martensítica, se presume que el acero correspondiente sea una acero de baja aleación y con certeza un acero para herramientas. En el caso de la selección de aceros para herramientas, la solución es aceros para herramientas con alta resistencia al desgaste y por otro lado elevada tenacidad, el término tenacidad se refiere más a la capacidad de sufrir golpes sin rotura que a la facultad de absorber energía durante la deformación. La mayor parte de las herramientas como en el caso de rodillos laminadores tienen que ser piezas rígidas, y por lo general cualquier deformación que presenten, por pequeña que sea, las hace inservibles (han fallado, problemática actual de la corporación Aceros Arequipa S.A.). Los aceros para herramientas con contenidos en carbono medios y bajos, son los que presentan mejor tenacidad y constituyen el material utilizado en la fabricación de herramientas resistentes al choque, por otro lado la historia metalúrgica no conocida de estos sugiere evaluar la evolución microestructural de estos aceros producida por tratamientos térmicos (Krauss G. (1980: 199).

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1.2.

Antecedentes Bibliográficos Hemphill, R.M. y Wert, D.E. (1987:83-84) en su evaluación del efecto del área de

la de sección transversal de probetas de un acero AISI D2 sobre la dureza del revenido y resistencia al impacto con muesca en V tipo Charpy concluyeron que a medida que aumenta la resistencia al impacto (tenacidad a la entalla) la dureza disminuye, reportando valores para secciones transversales correspondientes a 38 mm2 con un primer revenido a 538°C por 1 hora de 1.8-2.2 Joules. Concluyeron que para muchos aceros para herramientas los valores de resistencia al impacto tipo Charpy con entalla en V divergen de unos pocos Joules, dado que hay un error de  1.5 Joules; Hemphill, R.M. y Wert, D.E. (1987:67).

Por otro lado, según Hemphill, R.M. y Wert, D.E. (1987:91) el efecto más significativo del comportamiento respecto de la tenacidad a la entalla está dado por el elemento cromo Cr en la composición del acero; el tratamiento térmico que realizó lo hizo a temperaturas suficientemente alta, por su experiencia recomendó temperaturas entre 1010-1024°C para el temple, durante 25 minutos y evaluó el revenido entre 204-538°C; para el revenido se consideró tiempos óptimos de 2 horas; para disolver en forma efectiva todos los carburos, siendo esta una situación deseable para trabajar en caliente, los valores reportados para la temperatura de 1020°C, en aceite fue de 63 HRC y tenacidad de 23 Charpy tipo C con temple al aire y un revenido de 150°C

En la evaluación de la resistencia al impacto y tenacidad a la fractura (K IC) en aceros para herramientas se determinó que los mejores parámetros del tratamiento térmico para el acero AISI D2 son para la austenización 1010°C y 25-60 minutos de mantenimiento, enfriado en agua (de preferencia en aceite) y con revenido de 200 a 538°C durante 1-2 horas para promover efectividad en el endurecimiento secundario a temperaturas más altas. Consideró la anisotropía del material por lo que los resultados de tenacidad a la entalla, estática y a la fractura del material para la mayoría de los aceros fue mejor a través de la sección longitudinal, además consideró el proceso de forja respecto de probetas obtenidas por lingotes refundidos de electro escoria para pequeñas reducciones, la cual varió en un rango del 85 a 99%. Los resultados de resistencia al impacto transversal tienen una dependencia directa con la distribución de carburos y en la microestructura desarrollada Hemphill, R.M. y Wert, D.E. (1987:91,92).

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Branco J. y Krauss G. (1988:95-97) en su estudio de tratamientos térmicos y microestructura de aceros para herramientas, determinó que el acero AISI D2, mostró carburos tipo MC, M7C3, posibilitando la presencia del M23C6, lo cual concuerda con otros autores referenciados en su trabajo como Roberts, et.al, (1980) y Lercy, et.al (1986). En la Figura 2, Branco y Krauss muestran las fases de equilibrio a temperatura constante en una porción del diagrama Fe-Cr-C, en la que se observa la zona de estabilidad de las fases (carburos) del acero AISI D2, estos autores consideran que el carburo que se espera encontrar posterior al revenido será el M7C3, el que se formará desde la solidificación y será estable aun por trabajo en caliente.

Fig. 2. Sección isotérmica de esquina rica en Fe del diagrama Fe-Cr-C a 870°C, se indica la composición de las aleaciones basadas solamente en los contenidos de Cr y C.

Roberts, G y Gary R. (1980) ASM, consideran que la dureza observada en el AISI D2 en estado de recocido será de 238 HV (20 HRC), y de 832 HV (65 HRC) para el temple y con un revenido de 500°C una dureza de 633 HV (57 HRC), además determinaron que la distribución de carburos en este acero después de la austenización y enfriamiento en aceite se forma una microestructura de morfología de martensita, también informan de la relación directa entre la dureza y la resistencia al impacto tipo Izod.

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Así mismo Lercy, C; Michel, H y Gantois, M. (1986), en su estudio transformaciones del carburo tipo Cr23C6 durante el nitrurado de aceros aleados al cromo, observo la estabilidad del carburo tipo M7C3 en el acero AISI D2. Dasa D., Duttab A.K. y Rayc K.K., (2009) evaluó la influencia del tratamiento criogénico en el uso del AISI D2, en su trabajo menciona el uso de probetas en forma de discos para resistencia al desgaste y dureza solicitadas a cargas normales de 49-78 N, y velocidades de desgaste de 1.5 m/s , aquí se mostró el efecto del tratamiento criogénico sobre esta propiedad, cuyo desarrollo térmico se muestra en la Figura 3, en la que se usó tiempos de mantenimiento de 60 h, y velocidades de calentamiento y enfriamiento de 0.75 K/min.

Fig. 3. Esquema del tratamiento térmico para aceros para herramientas.

Branco, et.al, (1988:96) muestra la secuencia del tratamiento térmico realizado para aceros para herramientas etapas que involucran el endurecimiento secundario, Figura 4.

Fig. 4. Esquema del tratamiento térmico criogénico para aceros para herramientas. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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La empresa aceros del Perú, ACEPESAC, representante de aceros especiales Thyssen Krupp suministra el AISI D2 (X155CrVMo12.1) con contenidos de Cr, Mo V; y presenta alta resistencia al desgaste y excelente prestación al corte y alta tenacidad, con aplicaciones en rodillos y pines para roscado, herramientas de extrusión en frio así como matrices para estampado, es usado en rodamientos o moldes para materiales plásticos; ambos con durezas posterior al tratamiento térmico de entre 50-62 HRC, para la investigación proveerá muestra del acero AISI D2 tratados mediante su modelo criogénico para evaluación tipo comparativa.

(a)

(b)

Fig. 5. (a) Microfotografías del acero D2 templado y revenido y (b) Templado, tratado criogénicamente y revenido.

Según Das, D; Dutta, A.K. y Ray K.K. (2009:299) obtuvieron (a) microfotografías del acero D2 templado y revenido y (b) templado, tratado criogénicamente y revenido; estas microestructuras con ataque con una solución de picral, muestran carburos (blanco) y martensita revenida (negro) especifican además con PC, carburos primarios; SC, carburos secundarios. Como constituyentes microestructurales los carburos primarios exhiben una morfología de largas dendritas primarias y los carburos secundarios en forma esférica en una matriz de martensita revenida. Tales fases en la microestructura han sido identificadas por análisis EDAX, la fracción volumétrica de austenita retenida (R) se estimó por difracción de rayos X, la correspondiente a los carburos por análisis de imágenes digitales, producto de su evaluación consideran que la fracción de martensita revenida es 100 veces menor que el de austenita retenida y de todos los tipos de carburos.

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1.3.

Marco Teórico 1.3.1. Tratamiento térmico de aceros para Herramientas El tratamiento térmico de los aceros para herramientas es la operación más

importante para determinar su comportamiento en servicio, a estos aceros se les procura realizar el tratamiento, con un calentamiento relativamente lento para evitar elevados gradientes de temperatura. En el tratamiento se debe considerar calentamiento lento, para así evitar el sobrecalentamiento y reducir el tiempo de permanencia evitando la reducción de la tenacidad. Los medios de temple varían de acuerdo al tipo de acero y condiciones de operación, generalmente se realizan en: agua, salmuera, aceite, sales fundidas y al aire. El posterior revenido se realiza generalmente entre la temperatura 400-680°C, para luego enfriarlos hasta la temperatura de 60-65°C, este tratamiento se realiza para eliminar los esfuerzos residuales durante la operación previa y proporcionar una adecuada tenacidad. 1.3.1.2. Aceros para Trabajo en Frío Los aceros de alto carbono y alto cromo en estado de recocido presentan una microestructura constituida por ferrita de baja aleación, un gran número de carburos grandes y muchos carburos pequeños. En bruto de colada la estructura está constituida por carburos, martensita y perlita, luego de la deformación en caliente, esta estructura cambia por lo que los carburos quedan distribuidos con cierta orientación: algunos de los carburos se disuelven y luego se precipitan como pequeñas partículas de M 7C3. Las características fundamentales de estos aceros son su alta resistencia a la corrosión, lo que los hace especialmente útiles en matrices y punzones de trabajo pesado. Como poseen alta templabilidad, muestran muy poca deformación durante el tratamiento térmico, esto es importante porque estos materiales tienen una maquinabilidad muy limitada y muy baja ductilidad; por lo anterior se les denomina aceros indeformables. Comprendiendo los tipos templables en aceite, de bajo o de alto contenido de aleación y los tipos templables al aire, de medio a alto contenido en aleación. Los elementos de aleación usuales son cromo, tungsteno, molibdeno y eventualmente el cobalto. En los tipos de alto contenido en aleación, el elemento predominante es el cromo, que puede alcanzar valores de 12%. En estos aceros de más alto cromo, el carbono es igualmente muy elevado, pudiendo alcanzar valores del orden de 2.35 – 1%.

Son los menos sujetos a alteraciones en la forma y en las dimensiones durante el tratamiento térmico, razón por la cual son llamados indeformables. Son recomendables 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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en piezas que exigen cuidadoso control dimensional, como matrices, son indicados para matrices de estampado, forja, corte, brochado, alargadores, calibre, punzones, matrices para compresión de polvos metálicos, etc. Su templabilidad es generalmente elevada, así como las características de resistencia al choque e indeformabilidad, la resistencia al calor es regular y la maquinabilidad varía de pequeña a buena. Los aceros de este tipo según la clasificación AISI y SAE, estos pueden ser: de baja aleación y templables en aceite (Grupo O), de media aleación y templables al aire (Grupo A), de alta aleación y templables en aceite (Grupo D3 y D6), de alta aleación y templables al aire (Grupo D1, D2, D4 y D5)

1.3.1.3. Temple y Revenido de los Aceros para Trabajo en Frío El temple es un tratamiento térmico, que consiste en calentar el acero hasta una temperatura de austenización adecuada (sobre Acm) y luego enfriarlo rápidamente en un medio líquido (aceite) o gaseoso (aire). Las temperaturas más elevadas son aplicables en los aceros rápidos y tornan a los aceros susceptibles a adquirir granulación gruesa, a no ser que sean tomados cuidados especiales. Esas temperaturas elevadas no pueden ser evitadas porque es necesario garantizar completa disolución de los carburos complejos existentes en esos tipos de aceros. Los aceros para trabajo en caliente pueden ser revenidos a temperaturas muy elevadas, del orden de 600 a 650°C. Por otra parte, es frecuente, en ciertos tipos de esos aceros la necesidad de más de un revenido, sobre todo en aquellos aceros en que, después del temple, la estructura consiste en martensita tetragonal altamente aleada, austenita retenida igualmente aleada y carburos complejos no disueltos. Esos aceros en estado templado son extremadamente duros, frágiles, en estado de elevadas tensiones y muy inestables. El revenido múltiple alivia las tensiones internas, la fragilidad y la inestabilidad sin perjudicar la dureza. Durante el calentamiento para ese revenido el acero desarrolla la dureza secundaria del mismo orden de magnitud que la dureza original en estado templado. En el tipo D2 la adición de molibdeno permite la obtención de endurecimiento total, inclusive con enfriamiento al aire. Las temperaturas de temple varían de 970°C a 1040°C para los templables al aire. El revenido realizado entre temperaturas de 200°C a 540°C tiene los objetivos normales de ese tratamiento. Las durezas finales de servicio varían de 58 a 64HRC. Estos aceros están sujetos al fenómeno de endurecimiento secundario cuando son templados a temperaturas

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superiores a 1000°C, según Smallman R.E. y Bishop R.J. (2002) y Valencia A. (1992) se consideran las siguientes etapas: Precalentamiento: El mayor problema en operaciones prácticas del tratamiento térmico de temple, es la diferencia de temperaturas que se originan en las diferentes secciones de una pieza, pues la conductividad térmica del acero es pequeña a temperaturas bajas y esto genera las tensiones térmicas que aumentan el peligro de deformación o agrietamiento. La conductividad térmica de los aceros altamente aleados, rápidos y los de trabajo en frío es mucho menor que la de los aceros de construcción, por ello es preciso precalentarlos en dos etapas, sobre todo si las matrices o herramientas tienen forma complicada, primero se calienta hasta 500°C (máximo) y luego escalonadamente hasta la debida temperatura de austenización. Temperatura de austenización: Cada tipo de acero tiene una temperatura de austenización, determinada fundamentalmente por la composición química, sin embargo han sido los conocimientos empíricos los que han señalado el rango de temperatura hasta la cual debe de calentarse el acero, el cual se escoge para que se alcance la máxima dureza y la estructura de grano fino, el tamaño de la pieza puede variar así como el tiempo de mantenimiento, pero no la temperatura. Generalmente el temple se realiza a la temperatura: Acm + 50°C. Tiempo de Sostenimiento: Si la temperatura de austenización se determinó correctamente, el acero alcanzará su estado austenítico, es en este momento que se inicia el tiempo de sostenimiento, que será necesario para obtener la estructura requerida. Este tiempo depende del grado de disolución de los carburos que se desee, como la cantidad de carburo es diferente para los distintos aceros, el tiempo de permanencia también depende del acero. Modos de Enfriamiento: El acero se enfría para controlar la transformación de la austenita en los microconstituyentes deseados. Las microestructuras obtenidas dependen del diagrama TTT temperatura tiempo transformación o de enfriamiento continuo. El medio de enfriamiento más adecuado es el que proporciona una velocidad superior o cercana a la temperatura crítica de temple, si es demasiada alta en comparación con aquella, se producen grietas y tensiones debidas al desigual enfriamiento entre la superficie y el centro. Si el enfriamiento es relativamente lento, toda 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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la pieza transforma su estructura con mayor uniformidad, el más recomendado es en aceite pudiendo ser agua o salmuera o aire forzado. Etapas del revenido El mecanismo involucrado en el proceso de revenido, se puede dividir en cuatro etapas: 1° Etapa o Precipitación de Carburos: Cuando los aceros con más del 0.25%C, se revienen a temperaturas entre 100 y 200°C, se precipita el primer carburo épsilon (), Fe2.4C (hcp), esto es lo que se denomina primera etapa del revenido, pero antes el carbono se segrega. El carburo de Hagg, Fe5C2 monoclínico, aparentemente se forma en algunos aceros de alto carbono revenidos a 200-300°C. Es un carburo metaestable intermedio entre el carburo épsilon y la cementita. Cuando la temperatura de revenido se aproxima a unos 200°C, el carburo épsilon se redisuelve y empieza a separarse carburo de hierro estable Fe 3C (cementita), la precipitación y el crecimiento es la tercera etapa del revenido. 2° Etapa del Revenido o Descomposición de la Austenita Retenida. La transformación de la austenita ocurre entre 200 y 300°C. Los elementos de aleación afectan esta etapa indirectamente, primero por los efectos que tiene sobre la presencia de austenita retenida en el acero templado y segundo por la incidencia que tienen sobre la temperatura Ms y la transformación de la austenita a temperaturas relativamente bajas, esto es, a menos de 550°C. La reacción de descomposición de la austenita es la bainita. 3° Etapa del Revenido o Formación de la cementita. La cementita, ortorrómbica, se forma cuando la mayoría de los aceros se reviene entre 250 a 700°C, la forma de la cementita es acicular. A medida que se aumenta la temperatura, esta cementita se esferoidiza gradualmente para reducir la energía superficial a 700°C. La estructura final son esferoides de cementita en una matriz ferrítica libre de defectos, en esta etapa se presentan ciertos fenómenos de fragilidad. 4° Etapa del Revenido o Endurecimiento Secundario. El endurecimiento secundario de un acero se refiere a su habilidad para retener la dureza a temperaturas de revenido altas, a las cuales los aceros ordinarios se ablandan. En los aceros ordinarios hay ablandamiento progresivo con un aumento de ductilidad. A medida que la martensita se reviene entre 100 y 700°C la dureza cambia. En los aceros de alto carbono, la formación de carburos entre 150 y 250°C, produce una disminución de la dureza. La posterior esferoidización de esos carburos, la recuperación 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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y recristalización a temperaturas mayores, conlleva a una disminución de la dureza. Si al acero se le añade elementos formadores de carburos como Cr, Ti, Mo, V o W, ocurre la mencionada reacción de endurecimiento secundario entre 500 y 600°C; como resultados de esa reacción, se puede obtener una dureza similar a la de la condición templada. Un endurecimiento debido a que las partículas gruesas de Fe 3C son reemplazadas por una dispersión fina de carburos aleados. La suma aritmética de las curvas correspondientes a los dos pasos produce la curva característica de revenido de un acero con endurecimiento secundario. Para que los carburos se precipiten y se obtenga endurecimiento secundario, es necesario tener una cantidad apreciable de elementos formadores de carburos disueltos en la austenita. La dureza obtenida en el rango de endurecimiento secundario proviene de la disolución de las partículas gruesas de cementita, las cuales son reemplazadas por una dispersión fina de carburos aleados tales como: V4C3 y Mo2C. Las adiciones de cromo retardan el ablandamiento, pero no producen endurecimiento secundario ya que el Cr7C3 se engruesa muy rápidamente a 550°C, en contraste con los carburos más estables como el VC o V 4C3. Además, es posible una gran variedad de carburos complejos. Inicialmente se forma como precipitados coherentes muy finos, en especial sobre las dislocaciones heredadas de la transformación martensítica. La primera opinión que tenemos al observar el péndulo de Charpy, es que se trata de una máquina de ensayo que mide la resistencia al impacto de los materiales metálicos, es muy simple desde el punto de vista mecánico, Figura 6, (a) Maquina de impacto o equipo utilizado para un ensayo Charpy de impacto (b) Probeta según la norma ASTM E23-98 con muesca en V, pudiendo ser esta Charpy o Izod. El ensayo de impacto, a pesar de su sencillez mecánica, con este instrumento se puede diseñar varias pruebas de impacto donde se demuestra de forma rápida y didáctica la influencia que tienen determinados factores en el comportamiento mecánico de los materiales, generalmente metales, en algunos casos polímeros, sometido a cargas súbita o de impacto evaluando así su resistencia a este tipo de solicitación y tenacidad (Avner, S., 1988). El nombre de este ensayo se debe a su creador, el francés Augustin Georges Albert Charpy (18651945). A través del mismo se puede conocer el comportamiento que tienen los materiales al impacto, este ensayo consiste en golpear mediante una masa una probeta que se sitúa en el soporte. La masa M, la cual se encuentra acoplada al extremo del péndulo de longitud L, se deja caer desde una altura H, mediante la cual se puede controlar la 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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velocidad de aplicación de la carga en el momento del impacto. La energía absorbida por la probeta Ea, para producir su fractura, se determina a través de la diferencia de energía potencial del péndulo antes y después del impacto según Ortega I. (2005:51).

(a)

(b)

Fig. 6. (a) Equipo utilizado para un ensayo Charpy de impacto. (b) Probeta según la norma ASTM E23-98 y probetas conformadas sin tratamiento.

Una vez conocido el ángulo inicial de aplicación de la carga () y el ángulo final () al que se eleva el péndulo después de la rotura completa de la probeta, se puede calcular la energía Ea mediante la expresión (1), donde g representa la aceleración de la gravedad. 𝐄𝐚 = 𝐌 × 𝐠 × 𝐋[(𝐜𝐨𝐬𝛃) − 𝐜𝐨𝐬𝛂]…………….. (1) Los modos de fractura que pueden experimentar los materiales se clasifican en dúctil o frágil, dependiendo de la capacidad que tienen los mismos de absorber energía durante este proceso. Actualmente no existe un criterio único para determinar cuantitativamente cuando una fractura es dúctil o frágil, pero todos coinciden en que el comportamiento dúctil está caracterizado por una absorción de energía mayor que la requerida para que un material fracture frágilmente. Por otra parte el comportamiento dúctil tiene asociado altos niveles de deformación plástica en los materiales

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De acuerdo con la expresión (1), dos de los factores que determinan la energía máxima que se puede suministrar en el momento del impacto son: el valor de la masa M y la longitud de brazo L, es por ello que existen diversos diseños de máquinas para pruebas de impacto Charpy, en los que combinando los dos factores mencionados se logran construir péndulos que son capaces de brindar una energía de impacto máxima de aproximadamente 358 Julios, como es el caso del modelo Tinius Olsen la M = 27.2kg, L = 0.9m., con el que se realizan ensayos en aceros muy tenaces. Sin embargo, para materiales más frágiles, los cuales tienen una energía de fractura baja, se puede utilizar el diseño Instron Wolpert con M = 2.02kg y L = 0.390m; con el que se puede llegar a suministrar una energía máxima de 15 Julios, (Ortega I., 2005: 55).

Las pruebas de impacto Charpy se realizan según normas internacionales en las cuales se detallan las dimensiones de las probetas empleadas en este tipo de ensayo, así como la forma de reportar los resultados de los mismos. De acuerdo con las normas ISO (International Organization for Standarization), los resultados de los ensayos de impacto, en probetas entalladas, se suelen expresar en kJ/m2, para lo cual se divide la energía absorbida para provocar la fractura de la probeta entre la sección transversal de la misma en la zona de la entalla. Mientras que según las normas ASTM (American Society for Testing Materials) se reportan los resultados en (J/m), donde se divide esa energía absorbida entre la anchura remanente en la base de la entalla (http: //www.mtm.kuleuven.ac.bc/Research/ Equipment/Mechanical/ Pendulum Impact.; SteelCharpy V-notch pendulum impact test – Instrumented (2000)).

Desde el punto de vista de la ingeniería es muy importante y en ocasiones imprescindible, conocer cuál sería el comportamiento mecánico de los materiales, cuando se encuentran expuestos a condiciones extremas de servicio. Es por ello que muchos de los ensayos de impacto se realizan en condiciones en las cuales se favorece la fractura frágil. Entre los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura y que se pueden estudiar mediante el ensayo de impacto Charpy se encuentran: La velocidad de aplicación de la carga, la cual se controla variando el ángulo (). La presencia de concentradores de tensiones, lo cual se logra mecanizando una entalla en la probeta del material a estudiar, ver Figura 6(b). Así como el impacto en materiales expuestos a diferentes temperaturas. Este último factor es el responsable que determina que dos 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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materiales experimenten una transición dúctil-frágil con la disminución de la temperatura. Para determinar el intervalo de temperaturas en el que se encuentra esa transición se suelen realizar los ensayos Charpy a distintas temperaturas con la ayuda de un sistema de calentamiento y enfriamiento acoplado al péndulo, lo cual permite controlar in-situ la temperatura de la probeta según Ortega I. (2005: 56,57); Manathan, M.P. Stonesifer, RB. Soong Y. y Burger J.M. (1995).

En su defecto, cuando no se dispone de tal mecanismo y se desea evaluar comportamientos mecánicos extremos, las muestras se pueden sumergir en baños a diferentes temperaturas con el atenuante de que no existe un control exacto de la temperatura a la cual se realiza el ensayo y con el cuidado de realizar la prueba de impacto lo más rápido posible (después de que la probeta haya recibido el tratamiento deseado), para evitar que las muestras experimenten grandes gradientes de temperatura. La dureza en caliente es una propiedad que expresa la resistencia que presenta el acero al ablandamiento a temperaturas elevadas, y viene reflejada, en cierto modo, porque la resistencia que ofrece el material al revenido, la cual constituye un factor importante a considerar en la elección de los aceros de herramientas que trabajen a más de 500ºC es fundamental que posean elementos de aleación, formadores de carburos duros y estables, lo que mejora generalmente la resistencia al ablandamiento a temperaturas elevadas, destacando en este sentido los aceros que contienen grandes cantidades

de

tungsteno,

cromo

y

molibdeno,

(http:

//www.mtm.

ku

leuven.ac.bc/Research/Equipment/Mechanical/ PendulumImpact.; Ortega I., 2005: 57).

Tenacidad es la energía que absorbe el metal durante su deformación plástica y durante el proceso de fractura. En esta propiedad intervienen tanto la resistencia a la deformación como la capacidad de deformación. Un material tenaz es el que al mismo tiempo posee resistencia a la deformación y tiene gran capacidad de deformación. La tenacidad estática es la energía absorbida por la probeta durante el ensayo de tracción uniaxial y hasta la fractura, está dada por el área bajo la curva de tracción real. Es difícil de medir y no tiene mucha aplicación en el diseño, la selección o especificación de materiales pues las condiciones de estado de tensión y velocidad de deformación suelen ser muy diferentes a las de la mayoría de las piezas en servicio, sólo es útil como concepto de tenacidad para caracterizar un material (Callister W. 1995:132).

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El ensayo de tracción se realiza en una máquina de tracción en la que se obtienen datos respecto de la resistencia a la tracción o compresión de un material, produciendo una curva denominada convencional o de ingeniería. La curva convencional esfuerzodeformación unitario del acero, se observa en la Figura 7 (b), el cual es el material más usado en la fabricación o diseño de componentes de maquinaria y estructuras. Propiedades mecánicas son el grupo de propiedades más importante pues casi nunca pueden ser ignoradas en el diseño mecánico y selección de materiales para la mayoría de las aplicaciones en ingeniería. Sólo algunas de estas propiedades se usan cuantitativamente en el cálculo de resistencias o dimensionamiento de las piezas y estructuras en ingeniería: Esfuerzo de fluencia, resistencia máxima a la tracción o resistencia a la fatiga. Las dos primeras se determinan en un ensayo de tracción, en una máquina de tracción, Figura 7(a); en probetas de acuerdo a la norma ASTM E8-9 Figura 6(c), en la Figura 7(b) se puede observar mordazas que ajusta a la probeta (Callister W. 1995:126:129).

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 7. (a) Equipo utilizado para un ensayo de tracción (Instrom-10T) (b) Mordazas de tipo cuña que contienen a la probeta (c) Probeta de tracción según la norma ASTM E8-09 (d) Curva de esfuerzo-deformación mostrando el comportamiento del material.

Propiedades como el módulo de Young o elasticidad, llamada también constante de proporcionalidad entre la tensión aplicada y deformación resultante dentro del régimen elástico. El esfuerzo de fluencia es la tensión que produce en el material una deformación ingenieril permanente del 0.2% y el esfuerzo o tensión último que es la 29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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tensión ingenieril máxima que el material es capaz de soportar. Al alcanzarse esta deformación aparece la estricción, son propiedades que generalmente se obtienen en un ensayo de tracción, con comportamiento elástico y plástico. En el ensayo de tracción se somete la probeta a una carga uniaxial. En general se controla la velocidad de desplazamiento de uno de los cabezales o mordazas, Figura 7(b) de modo que la carga se incrementa en la medida que el material se endurece. Una vez que se localiza la deformación se forma un cuello en la probeta, el ensayo deja de ser uniaxial. Es un ensayo simple para medir la resistencia a la deformación y la ductilidad que presenta el material, esta es definida como la capacidad del metal para deformarse plásticamente en determinadas condiciones (estado de esfuerzo, velocidad de deformación y temperatura), no importa el esfuerzo necesaria para lograr la deformación ni la energía absorbida en el proceso. En cierta literatura se reserva el término ductilidad para la capacidad de deformación bajo esfuerzos de tracción y maleabilidad para el caso de esfuerzos de compresión, la ductilidad se puede cuantificar por el % de reducción de área 0% de elongación (Antery, 2006).

En el caso de los metales, la dureza está relacionada con la resistencia a la deformación plástica localizada. Básicamente existen tres tipos de ensayos para medirla, ensayos de identación estáticos, donde un identador se fuerza contra el material a ensayar y produce una huella o impronta. La relación entre la fuerza aplicada y el área o la profundidad de la impronta es una medida de la dureza del material. Por otra parte la dureza está relacionada con varias propiedades mecánicas más costosas y engorrosas de medir por lo que es un ensayo muy utilizado tanto en el control de calidad del ámbito industrial como en el ámbito de la investigación. En este ensayo el volumen de material ensayado es relativamente pequeño, lo que constituye una gran ventaja en muchos casos donde el tamaño de la pieza no permite realizar otros ensayos o bien donde no se pueda destruir o extraer material de la pieza. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que justamente por involucrar poco material, es una medida local y puede no representar las propiedades de toda la pieza cuando existan gradientes importantes en las propiedades mecánicas. El ensayo de dureza Rockwell es el más utilizado pues es el más simple, rápido, versátil y no requiere gran habilidad o pericia del operador. La dureza es una propiedad mecánica que es una medida de resistencia a la identación localizada en la actualidad el dato del ensayo se presta mucho para la automatización. El número de dureza Rockwell está en la relación inversa con la diferencia de profundidad de 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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penetración de un identador cuando sobre el mismo se aplica una carga principal y cuando se aplica una precarga o carga menor. No se necesitan mediciones de área de la impronta, la profundidad es medida automáticamente por el aparato Rockwell. El método HR posee diferentes escalas que se adaptan a diferentes rangos de dureza. Además de escalas especiales para dureza superficial. Las escalas varían según el tipo de identador y las cargas aplicadas. Hay unas 30 escalas diferentes. El identador puede ser una bolilla de diámetros varios (desde 1,6 hasta 12,7mm), o bien un cono de diamante de 120º. En las escalas Rockwell de dureza volumétrica, la precarga es de 10kg y las cargas principales son las que se muestran. En escalas Rockwell superficiales la precarga es de 3kg y las cargas principales son de 15, 30, ó 45kg. La mayoría de las aplicaciones quedan cubiertas con las escalas Rockwell C (cono de diamante) y Rockwell B (bolilla de acero), Tabla 1. (Callister W. 1995:136-139). Tabla 1: Tipos de escalas de medición de dureza en Rockwell.

Otras propiedades son consideradas en materiales tratados térmicamente como los aceros para herramientas como son la maquinabilidad, propiedad tecnológica que indica la mayor o menor facilidad (aptitud) que presenta el material a su mecanización con arranque de viruta y a la obtención de un acabado perfecto. Los factores que influyen en la maquinabilidad de los aceros de herramientas son la dureza en estado de recocido, la microestructura del acero y la cantidad de carburos presentes. En comparación con los aceros aleados normales, los aceros de herramientas son mucho más difíciles de mecanizar. El acero de herramienta que presenta mejor maquinabilidad tiene un índice 31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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aproximadamente igual al 30%, por lo tanto es un indicativo referencial para comparar la maquinabilidad de los distintos aceros de herramientas. La maquinabilidad y facilidad de trabajo por conformado disminuye al aumentar el contenido de carbón y elementos de aleación, esto se debe a que conforme aumenta el contenido en carbono y elementos de aleación en los aceros, carbono en combinación con estos elementos que tienen gran tendencia a formar carburos, como el vanadio (V), el tungsteno (W), el cromo (Cr) y el molibdeno (Mo), reduciendo la maquinabilidad al formarse gran número de partículas duras de carburo, que no se disuelven en el recocido. La resistencia a la descarburización determina las condiciones a utilizar en el tratamiento térmico, y la cantidad de material que es necesario quitar de la superficie después del temple. La descarburación tiene lugar normalmente cuando los aceros se calientan a temperaturas superiores a 704ºC salvo que el material se proteja en el calentamiento por algún procedimiento, como, por ejemplo, mediante la utilización de una atmósfera protectora, es probable que la superficie del acero pierda algo de carbono. La descarburación es la causa de que en el temple la superficie no se endurezca. Los aceros para la fabricación de herramientas para trabajos de choque o impacto presentan una resistencia a la descarburación baja; los utilizados en las herramientas para trabajos en caliente se consideran que tienen una resistencia media, y la mayoría de los restantes aceros de herramientas ofrecen una resistencia a la descarburación buena, aquí incluimos los aceros para trabajo en frio (Smallman R.E. y Bishop R.J.; 2002).

Tabla 2. Designación, composición y aplicaciones de aceros para herramientas.

Tabla 3. Composición química de aceros serie D para trabajo en frio, alto carbono y alto cromo.

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Los aceros de herramientas más comúnmente utilizados han sido clasificados en seis grupos principales, y dentro de ellos en subgrupos, todos los cuales se identifican por una letra en la forma siguiente (Callister W. 1995:68): Aceros de temple al agua W, Aceros para trabajos de choque S, Aceros para trabajos en frío O, Aceros de temple en aceite O, Aceros de media aleación temple aire A, Aceros altos en cromo y en carbono D, Aceros para trabajos en caliente H, Aceros rápidos T, Aceros al tungsteno T, Aceros al molibdeno M, Aceros para usos especiales L, Aceros de baja aleación F, Aceros para moldes P. La Tabla 2, muestra la designación, composición y aplicaciones de aceros para herramientas y en la Tabla 3 muestra la composición química de aceros serie D para trabajo en frio, alto carbono y alto cromo (Smallman R.E. y Bishop R.J.; 2002).

(a)

(b)

Fig. 8 (a) Efecto de la temperatura de austenización sobre la dureza del acero AISI D2 y el tamaño de grano ASTM. (b) Efecto de la temperatura de austenización sobre la dureza en HRC y el porcentaje de austenita retenida del acero AISI D2.

El AISI D2, es un acero de grado para herramienta utilizado para operaciones de corte en frío, de alto contenido de cromo y de carbono, presenta poca distorsión dimensional tras el tratamiento térmico. Dureza típica de uso 58–66HRC, susceptible a la descarburización, con mala maquinabilidad y con resistencia elevada al desgaste y tiene tenacidad baja, y se usa para dados de extrusión, dados para conformado en frío, cuchillas de troqueles, tijeras, dados de conicidad, moldes para plásticos, dados de

33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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laminación, cuchillería, troqueles de estampado, punzones, y otras aplicaciones en frío que requiera corte. El tratamiento térmico consiste en mecanizado en bruto, con recocido de alivio de tensiones (675°C), mecanizado de acabado, con precalentamiento (600-700°C) y austenizado entre (980-1065°C), con temple al aire o en aceite y revenido para lograr la dureza requerida con posterior rectificado, la Figura 8 (a), se observa el efecto de la temperatura de austenización sobre la dureza del acero AISI D2 y el tamaño de grano ASTM y su relación con la microestructura reflejado este parámetro con la austenita retenida. En la Figura 8 (b) se puede escoger la temperatura de revenido más adecuada para una dureza especificada, se observa además que una dureza máxima a una temperatura de revenido por los 510°C (Thyssen krupp Aceros y Servicios); muestra el efecto de la temperaturas de austenización sobre la dureza, como se observa altas temperaturas de austenización disuelven mejor los carburos, con el resultado de que la austenita se enriquece con carbono y elementos de aleación y en consecuencia el Ms baja, y por lo que la austenita es retenida a temperatura ambiente, esto explica las durezas más bajas del acero AISI D2 austenizado a 1050°C comparado con el 1020° (Branco J.R. and Krauss G. 1988.

Fig. 9. Efecto del ataque sobre el revelado de la martensita (1000X).

En la Figura 9 se observa la microestructura obtenida por microscopia óptica, del acero AISI D2 austenizado a 1040°C enfriado al aire y revenido a 200°C (a) Ataque químico con Nital al 10%, mostrando bordes de grano, carburos y martensita (b) Ataque químico con Picral al 4%, revelando carburos y martensita. (c) calentamiento a 540°C y tinteado en un tiempo de 5 minutos y después atacado con Nital, por alto contraste 34 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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muestra austenita retenida (d) ataque con superpicral revela austenita retenida y carburos (Handbook ASTM, 20008).

1.4.

Problema En la actualidad el proceso de tratamientos térmicos del acero AISI D2 se presenta

como alternativa más eficiente en componentes con alta resistencia al impacto y desgaste. Mediante este estudio se pretende obtener un conocimiento del endurecimiento secundario del acero, su microestructura evaluada en temple y en un primer

revenido

y

en

un

segundo

revenido,

en

probetas

confeccionadas

longitudinalmente. Esta investigación obtuvo datos en tres tipos de ensayos el de tracción, de impacto y dureza, esto incentivará la aplicación correcta del tratamiento térmico relacionando sus propiedades con la microestructura; además se consideró evaluar la resistencia al impacto Charpy con muesca en V, a diferente velocidad de carga, esperando que las misma nos den una idea clara de la respuesta del material para determinadas condición de servicio. Considerando lo dicho anteriormente se ha creído conveniente establecer un trabajo de investigación por lo cual se formula el siguiente problema explicativo:

¿Cuál es el efecto del doble revenido sobre la tenacidad de la entalla a diferentes velocidades de carga de impacto en el rango de 2.55 a 3.71m/s, resistencia mecánica, tenacidad estática y dureza del acero AISI D2 austenizado durante 1 hora a 1020°C y revenido a 500°C?

1.5.

Hipótesis

Considerando el problema se plantean las siguientes hipótesis de investigación: 

El tratamiento térmico de temple desde 1020°C, 1 hora de tiempo de mantenimiento determina una mejor homogenización tanto química como estructural de elementos aleantes en la austenita, por lo que durante el revenido a la temperatura de 500°C (1er revenido) y 450°C (2do revenido) se manifestara el endurecimiento secundario para el 1er revenido, para el 2do revenido disminuyen los valores de resistencia mecánica, dureza y aumentando ductilidad al modificar la microestructura metalúrgica.

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

A medida que aumentamos el ángulo de carga de 80°, 110° y 139° correspondiente a 2.55, 3.24 y 3.71m/s aumentara la velocidad de impacto disminuyendo los valores de resistencia al impacto, en el acero tratado con doble revenido.



La microestructura determinará la presencia de carburos en una matriz martensítica lo que justificara el endurecimiento secundario en el AISI D2, y determinara la variación de los valores de resistencia al impacto y tenacidad estática.

1.6. Objetivos

1. Explicar el efecto del doble revenido a la temperatura de 450°C sobre la resistencia al impacto, resistencia mecánica, tenacidad estática y dureza haciendo uso de análisis metalográfico óptico, en el acero AISI D2 tratado térmicamente. 2. Realizar tratamientos térmicos de temple y revenido al acero AISI D2, austenizado a 1020°C por tiempos de sostenimiento de 60 minutos, posteriormente templado en aceite (65°C) y primer revenido a 500°C, 1 hora; el segundo revenido a la temperatura de 450°C, 1hora. 3. Determinar resistencia mecánica y tenacidad estática a partir de ensayos de tracción uniaxial de acuerdo a la norma ASTM E8-90 y la dureza del acero AISI D2 tratado térmicamente bajo la norma ASTM E18-92. 4. Determinar la resistencia al impacto de probetas con geometría longitudinal del acero AISI D2 a diferentes velocidades de carga de impacto tratadas térmicamente por temple y doble revenido, la resistencia al impacto se evaluara bajo norma ASTM E2398. 5. Evaluar mediante microscopia óptica el efecto del tratamiento térmico sobre propiedades mecánicas.

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CAPITULO II: MATERIALES Y METODOS: 2.1.

Material de estudio: Objeto de estudio: Aceros fabricados por la firma THYSSEN KRUPP, codificada

como AISI D2 (Thyrodur 2379); Equivalencia en especificación internacional: X155CrVMo12.1, suministrados en forma de barras de 22mm de diámetro. La composición química especificadas según el fabricante se muestra en la Tabla 4. Tabla 4: Composición Química del acero AISI D2 Acero

Composición Química (%)

AISI D2

C

Cr

Mo

V

Ni

Mn

1.55

12.71

0.76

1.00

0.25

0.31

(a)

(b)

Fig. 10. Microestructura del acero AIDI D2 investigado (a) en estado de suministro (estructura ferrita y cementita) (b) en estado bonificado estructura martensita revenida con presencia de carburos. 800X.

2.2. Métodos y técnicas: El material de estudio: Muestra homogénea, obtenida con muestreo dirigido y aleatorio. El método de diseño experimental para contrarrestar la hipótesis fue un diseño unifactorial, en el que intervienen las observaciones de la resistencia al impacto tipo Charpy con muesca en V a diferente velocidad de carga de impacto en el rango de 37 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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2.55 - 3.71m/s con simple y doble revenido; además se evaluó fue la resistencia mecánica expresada en resistencia máxima a la tracción, y dureza y la tenacidad estática con un primer revenido y segundo revenido del acero AISI D2; la experiencia correspondió a 3 repeticiones (27 probetas no incluidas las muestras en suministro) para resistencia al impacto, las que se evaluaron a diferentes velocidad de carga de impacto y 3 repeticiones para el ensayo de tracción, haciendo un total de 9 pruebas experimentales. El análisis estadístico correspondió a seleccionar el tamaño de muestra adecuada, una secuencia de prueba experimental, análisis de varianza y una prueba e idoneidad del modelo experimental a un 95% de confiabilidad, ver Tabla 5 y 6 (Montgomery l1991:45-49).

Tabla 5: Matriz de contrastación factorial

Temperaturas de revenido Revenido simple

Doble revenido

(T: 500ºC)

(T:450ºC)

2.55

a1b1c1

a1b1c2

3.24

a2b1c1

a2b1c2

3.71

a3b1c1

a3b1c2

Velocidad de carga de impacto (m/s)

Tabla 6: Matriz de contrastación factorial

Revenido simple

Doble revenido

Resistencia mecánica

a1b1

a1b2

Dureza

a2b1

a2b2

Las condiciones del tratamiento térmico aplicado al acero en estudio fueron: Temperatura de austenización: 1020°C; Tiempo de sostenimiento: 1 horas. Temperatura de revenido: I Revenido: 500°C y II Revenido 450°C, tiempo de mantenimiento a esta temperatura fue de 1hora. El tratamiento térmico se desarrollo en la Ciudad de Lima, la firma Aceros Del Perú SAC (ACEPESAC), suministro probetas tratadas térmicamente; el corte, refrendado y cilindrado, con dimensiones de 30mm de diámetro y 60mm de longitud se realizó en los laboratorios de maquinado de la Universidad Nacional de Trujillo, Escuela de Ingeniería Mecánica y correspondieron a probetas para ensayos de

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tracción ASTM E8-90. Posteriormente las probetas se sometieron a limpieza y desengrase utilizando disolventes apropiados bajo especificación de la empresa, los ensayos de tracción se realizaron en la Universidad nacional de Trujillo y se corroboraron en la empresa Siderperú. Las probetas de impacto se confeccionaron bajo la norma ASTM E23-98, las probetas maquinadas de acero AISI D2, se trataron térmicamente de acuerdo a la condiciones establecidas, posteriormente las probetas ya tratadas térmicamente se sometieron al ensayo de resistencia al impacto de acuerdo a la norma mencionada tipo Charpy con muesca en V, en el laboratorio de Ensayos Destructivos de la empresa Siderperú. En el Laboratorio de Materiales Cerámicos de la Escuela de Ingeniería de Materiales se determino la dureza superficial en escala Rockwell C bajo la norma ASTM E18-92 y en el Laboratorio de Análisis estructural de la Universidad Nacional de Trujillo de evaluó la microestructura del acero en suministro y tratado térmicamente y ensayado tal evaluación se realizó de acuerdo a la ASTM E18. 2.2.1. Preparación de probetas: 2.2.2. Para las probetas de impacto Para las pruebas experimentales se elaboraron 27 probetas con dimensiones de la probeta de impacto bajo norma ASTM E23-98, la Figura 11 muestra probetas antes (a) y después del tratamiento térmico, (b).

(a)

(b)

Fig. 11. (a) Probetas maquinadas antes del tratamiento (b) Probetas tratadas.

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2.2.3. Para la medición de dureza superficial El ensayo de dureza se realizó en probetas en forma de disco de 1 pulgada de diámetro y 8mm de espesor tanto las sin tratamiento y las que fueron tratadas térmicamente se consideró un número de 10 identaciones en cada probeta en la escala HRC, luego se procedió al registro del número promedio de dureza correspondiente.

Fig. 12. Probetas para las mediciones de dureza superficial e identaciones.

2.2.4. Para la medición de resistencia a la tracción: Se prepararon probetas en el taller de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo, fueron en un número de 9 para las pruebas experimentales de acuerdo a la norma ASTM E8-90 estas se fracturaron a temperatura ambiente luego de ser tratadas termoquímicamente.

(a)

(b)

Fig. 13. (a) Probetas tratadas y en suministro para el ensayo de tracción de acuerdo a la norma ASTM E8-90 (b) Probeta colocada en la máquina de tracción.

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2.2.5. Para la preparación de probetas metalográficas: El acero en estudio para la evaluación de la microestructura consistió en el siguiente procedimiento se desbastaron las probetas con lijas de malla 100, 220, 340, 400, 600 y 1000 de SiC. Luego pasaron por un pulido con alúmina levigada de granulometría de 1m, 0.3m y 0.05m en un paño de pelo largo (pana de mesas de billar) y en la etapa final pasta de diamante. Los reactivos de ataque de acuerdo a la información requerida fueron, ataque químico con Nital al 10%, que mostro bordes de grano, carburos y martensita, ataque químico con Picral al 4%, que revelo carburos y martensita, ataque con superpicral para determinar austenita retenida y carburos y el reactivo de ataque químico Villela microestructura general de martensita y carburos.

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CAPITULO III: RESULTADOS 3.1. Del ensayo de tracción del acero AISI D2.

(a)

(c)

(b)

(d)

Fig. 14. Curvas de esfuerzo y deformación del acero AISI D2 (a) Estado de suministro (b) tratamiento térmico de temple (c) I revenido (d) II Revenido, evaluación en la maquina Instron de la EIM-UNT

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Tabla 7. Propiedades mecánicas a tracción del acero AISI D2 a diferentes tratamientos.

UTS (MPa)

E (MPa)

y (MPa)

f (MPa)

Elongación (%)

Reducción de área (%)

AISI D2

1499.34

198.43

1355

11450

0.82

0

Temple

1672.65

203.42

1450

1650

0.50

0

I Revenido

1580.15

201.98

1429

1570

0.78

0

II Revenido

1565.23

202.03

1402

1540

0.82

0

Acero

Resistencia mecanica a la traccion (MPa)

2200

Y UTS

2000 1800

1672

1600 1400

1499 1355

1450

1580 1429

1565 1400

1200 1000 800 600 400 200 0 Suministro

Temple

I Revenido

II Revenido

Tratamiento termico aplicado (AISI D2) Fig. 15. Efecto de los tratamientos térmicos realizados al AISI D2 sobre la resistencia mecánica expresado en esfuerzo de fluencia (Y) y máxima a la tracción (UTS).

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3.2. De la dureza superficial del acero AISI D2

80 70

64.7 57.8

Dureza (HRC)

60 50

61.3

44.4

40 30 20 10 0 Suministro

Temple

I Revenido

II Revenido

Tratamiento termico aplicado (AISI D2)

Fig. 16. Efecto de los diferentes tratamientos térmicos realizados al acero AISI D2 sobre la dureza superficial promedio HRC.

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Resistencia al impacto Charpy V (Joules)

3.3. Del ensayo de impacto del acero AISI D2 200 2.55m/s (80°) 3.24m/s (110°) 3.71m/s (139°)

180 160 140

170

168

132

130

120 100 80 60 40

24

22 20

7

6

7.5

0 Temple

I Revenido

II Revenido

Tratamiento termico aplicado (AISI-D2)

Fig. 17. Efecto de los diferentes tratamientos térmicos realizados al acero AISI D2 sobre la resistencia al impacto tipo Charpy con muesca en V a diferentes velocidades de carga de impacto.

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3.4. De la microestructura del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple:

Fig. 18. Microestructura óptica del acero AISI D2 tratado por temple 800X.

15µm

CP

CS

Fig. 19. Microestructura óptica del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple mostrando CP con morfología en placas y globulares en una matriz martensita (blanca) además un tamaño de grano promedio de 15 micras en promedio, Ataque 4% picral plus HCL. 1000X.

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3.5. De la microestructura del acero AISI D2 tratado térmicamente por templerevenido.

Fig. 20. Microestructura óptica del acero AISI D2 Templado + 1er Revenido. Ataque con Superpicral, revelando austenita retenido (blanca) 1000X. Dureza 58.2 HRC

Fig. 21. Microestructura óptica del acero AISI D2 Templado + 2do Revenido. Ataque con superpicral, revelando austenita retenida (blanca) 1000X. Dureza 60.5 HRC

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(a)

(b) Fig. 22 Microestructura óptica del acero AISI D2 (a) Templado + 1er Revenido Dureza 58.2 HRC y (b) Templado + 2do Revenido, dureza 60.5 HRC. Ataque con 4% picral Plus HCl, el ataque revela carburos y martensita (blanca) 400X.

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CAPITULO IV: DISCUSION DE RESULTADOS

En la Figura 14 (a) se muestra la curva de esfuerzo-deformación del acero AISI D2 en estado de suministro, en esta figura se puede observar las características de un acero para herramientas de alta resistencia mecánica, donde no se observa el límite de fluencia el cual se obtuvo por el método de trazar una paralela con la misma pendiente a la curva iniciando en 2% de deformación esto lo realizó automáticamente el software de la máquina de tracción, esto corresponde a datos en forma similar obtenidos por Mayén y col. (2010:119). En la Figura 14 (b), se puede observar la curva de esfuerzo-deformación del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple se observa que se obtiene una máxima resistencia a la tracción de 1672 MPa y de fluencia de 1440 MPa, este incremento respecto del estado de suministro se debe a la microestructura que corresponde a martensita y carburos como se muestra en la microestructura de la Figura 18, los carburos se les puede clasificar en primarios (tamaño mayor a 5µm) y secundarios (con dimensiones entre 0.1µm y 5µm) con morfología en placas y globulares esto concuerda con lo publicado por Das, D y et al. (2009:299). Por otro lado la Figura 14 (c) muestra la curva de esfuerzo-deformación del acero AISI D2 tratado por temple a 1020°C y un posterior revenido a 500°C por una hora los valores de resistencia mecánica corresponden a 1588 MPa y 1429 MPa para la resistencia máxima y el esfuerzo de fluencia estos valores en comparación con los del temple disminuyen esto se debe a la presencia en la microestructura de martensita revenida y carburos, como se muestra en la microestructura correspondiente a la Figura 20 en la que mediante el reactivo superpicral se observa la martensita revenida como matriz y carburos además de la presencia de austenita retenida lo cual deteriora las propiedades a tracción, esto se explica por la variación del % de elongación que corresponde a un valor de 0.78 siendo mayor a la del temple que corresponde a 0.5, además si se observa en forma cualitativa la tenacidad estática en estas curvas se observa que es mayor (áreas debajo de la curva correspondientes a la Figura 14 (d) y (e). En la Figura 14 (e) se observa las propiedades mecánicas de tracción de 1563 MPa y 1402 MPa correspondientes a tracción máxima y fluencia al 0.2% de deformación mostrando resistencia menores al temple y con una

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disminución de austenita retenida al comparar las Figuras 20 y 21 en esta última microestructura disminuye la presencia de austenita retenida. En la Tabla 7 se muestran los valores obtenidos por los ensayos de tracción para probetas en suministro y tratadas térmicamente. La ductilidad de 0.82% en porcentaje de elongación y 0% en reducción de área muestra este mismo concepto de acero de alta resistencia para este tipo de acero AISI D2, para el temple este valor disminuyo hasta 0.5% lo que para valores producto del revenido (tanto 1° y 2° revenido) aumentaron a 0.78 y 0.82% respectivamente. El Modulo de elasticidad no mostro variaciones significativas, tanto el temple + 1er revenido y temple + 2do revenido no mostraron variaciones significativas en su resistencia mecánica esto se debe a que ambas disminuyen la presencia de austenita retenida como se puede observar en la microestructura de la Figura 20 y 21 en las que haciendo uso de un reactivo denominado Superpicral de puede evaluar la presencia de austenita retenido y su diminución respectivamente, esto se ve corroborado por lo observado en el Handbook ASTM-Vol.9 (Fig.7: 648) y por Branco J.R. and Krauss G. (1988). La Figura 15 corrobora empíricamente estas variaciones. En la Figura 16 se muestra el efecto de los diferentes tratamientos térmicos realizados al acero AISI D2 sobre la propiedad mecánica de dureza expresada en Rockwel C (HRC) aquí se observa tendencia similar mostrada en las propiedades a tracción; el pico más alto de dureza se obtuvo en el temple determinando una dureza promedio para este tratamiento de 64.7 HRC estos v alores se deben a la microestructura de martensita y carburos generada por este tratamiento, ver Figura 18; estos valores corresponden a los rangos reportado por Smallman R.E. y Bishop R.J. (2002). Haciendo uso de la Figura 8 (b) correspondiente a evaluaciones del acero AISI D2 en estudio se puede determinar por extrapolación que para la dureza de 58.2 HRC (Figura 20) le corresponde austenita retenida en 28.5% por otro lado el aumento de la dureza por el tratamiento del temple + 2do revenido de 60.5 HRC (Figura 21) estaría determinado por la transformación de austenita retenida en martensita producto del 2 do revenido, esto de acuerdo a lo propuesto por Valencia A. (1992).

En presente trabajo se evaluó el efecto de la velocidad de carga de impacto en probetas tipo Charpy con muesca en V, los resultados muestra que a medida que se aumenta la 50 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/

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velocidad de carga la tenacidad a la entalla disminuye para probetas con temple + 1er revenido y temple + 2do revenido, mas no se mostró diferencia significativa para probetas tratada por temple en las que esta propiedad vario entre 6 y 7.5 Joules, comparando valores de probetas correspondientes al temple + 1er revenido y temple + 2do revenido no se observó diferencia significativa esto se debe posiblemente a que la microestructura de matriz martensítica observada en la Figuras 18. En evaluaciones macroscópicas de la rotura por impacto se observó roturas frágiles para probetas tratadas por temple para probetas con temple + 1er revenido y temple + 2do revenido se observó nucleación de fisuras y su propagación, tipo de fractura por clivaje como se observa en la Figura 17 para velocidad correspondiente 3.71m/s. De acuerdo a estos resultados se puede inferir que al aumentar la energía transmitida en el impacto, la probeta puede absorber menor energía, lo cual provoca, en este caso, que el grado de deformación del material sea nulo. Este resultado demuestra que independientemente de cual sea el mecanismo que propicia la fractura de la probeta. El comportamiento frágil se caracteriza por una absorción de energía que posibilita que el material no experimente deformación plástica, como lo reporta Ortega, I (2006: 51) La Figura 19 se observa la microestructura óptica del acero AISI D2 tratado térmicamente por temple mostrando CP con morfología en placas y globulares en una matriz martensita (blanca) además un tamaño de grano promedio de 15µ en promedio, esto se revelo por ataque químico con 4% picral plus HCL a un aumento de 1000X. En esta microfotografía se midió el tamaño de grano de aproximadamente 15µm promedio corroborando lo propuesto por Das, D y et al. (2009:209-300) y ASTM Handbook Metalography and Microstructures of Ferrous Alloys (2009:648). En la microestructura de la Figura 22 por microscopia óptica del acero AISI D2 (a) Templado y 1er Revenido y (b) Templado y 2do Revenido, atacado químicamente con 4% picral Plus HCl de acuerdo a las durezas obtenidas no determina diferencias entre fotomicrografías por lo que se puede considerar necesario el ataque químico con superpicral para establecer diferencias por presencia de austenita retenida en los tratamientos con revenido, ASTM Handbook Metalography and Microstructures of Ferrous Alloys (2009:648).

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CAPITULO V CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos se puede concluir: I. La resistencia mecánica del acero AISI D2 expresada en resistencia máxima a la tracción, resistencia a la fluencia, dureza aumenta por el tratamiento térmico de temple respecto del estado de suministro y disminuye respecto del 1er y 2do revenido. Este acero no presenta valores significativos de ductilidad. II. La resistencia al impacto tipo Charpy con muesca en V disminuye a medida que aumentamos la velocidad de carga de impacto de impacto para probetas correspondientes al temple con 1er y 2do revenido, para probetas correspondientes al temple esta no mostraron efecto significativo de factor. III. Macrografías de probetas de impacto muestran que las probetas correspondientes al temple

muestran

tipo

de

fractura

completamente

frágil

mientras

que

las

correspondientes al temple con 1er y 2do revenido muestran ligero efecto de la microestructura al mostrar macroscópicamente concentradores de tensiones que permitió propagación de fisuras y rotura frágil. IV. La microestructura del acero AISI D2 mostró la presencia de carburos secundarios, carburos primarios de diferente morfología en una matriz martensítica, tamaño de grano de 15 µm en promedio, y austenita retenida. V. Se observó un efecto significativo del reactivo de ataque químico sobre la forma de revelar la martensita y austenita retenida para el acero AISI D2 tratado térmicamente bajo las condiciones de estudio.

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CAPITULO VI REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ACEPESAC “Manual de Aceros Especiales” (2000). Lima- Perú. American Society for Metals (1981), Metal Handbook, Ninth Edition, Heat Treating” Editorial Limusa, Mexico. Apraiz Barreira J. (1997) “Tratamientos térmico de aceros” Ed. Limusa 9na. Edición, España. Avner, S. (1988), “Introducción a la Metalúrgica Física”, Mc. Graw-Hill editorial interamericana. Mexico. Branco J.R. and Krauss G. (1988). Heat treatment and microstructure of tool-steels for molds and dies. Department of metallurgical Engineering Colorado School of Mines Golden Colorado 80401. Callister W. (1995). Ciencia e Ingeniería de Materiales. Reverte SA.3ra. Edición. Chiaverini V, (1985), “Acos e Ferros Fundidos”, Associacao Brasileira de MetalsABM, Sao Paulo, Brasil. Grinberg D. (1989), “Tratamiento Térmico de aceros y su práctica de Laboratorio”. Editorial Limusa. México. Hemphill R.M. and Wert D.E. (1980). Impact and fracture toughness testing of common grades of tool Steels. Carpenter Technology Corporation Tool and Alloy research and development reading P.A. 19603-0662. HEMPHILL, R.M., WERT, D.E. (1960) Impact and Fracture Toughness testing of common grades of tool steels. Carpenter Technology Corporation Tool and Alloys. Research and Development Reading. PA 19603-0662. Krauss G. (1980), “STEELS: Heat Treatment and Processing Principles”, ASM, Metals Park. Lercy C. and Michel H. and Gantois M. (1986) Transformation of (Cr,M)7,3 – Type carbydes during nitriding of chromium alloyed steels. Journal material science 21 (3467-3474) Montgomery D. (1991), “Diseño y Análisis de Experimentos”. Editorial Iberoamérica S.A. México. P 45 – 93.

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Palmer, F. y Luersen G. (1986) “Aceros para herramientas” Ed. Representaciones y servicios de ingeniería S.A., 4ta. Edición, España. Pickering F, (1967), “Transformation and hardenability in Steels”, in “Physical Metallurgy” of R.W. Cahn and P. Hassen, Ed. Elservier Science. Roberts G. and Gary R. (1980). Tolls steels. Metal Park Oh. ASM. 4ta. Edition. Thelning K. (1978) “Steel and its Heat Treatment” Bofors Handbook, Butterworth & Co (Publishers) Ltd. London. Valencia Asdrubal (1992), “Tecnología del Tratamiento Térmico de los Metales” Ed. Universidad de Antioquia, Colombia. Zavaleta Nilthon (2000), “Metalografía de Aceros y Fundiciones” Editorial imprenta grafica Real S.A. Perú.

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APÉNDICE

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APENDICE I: ANALISIS ESTADISTICO DE LOS RESULTADOS

A.1 ANALISIS ESTADISTICO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES DEL ENSAYO DE DUREZA.

Tabla 8: Datos obtenidos para el Ensayo de Dureza indicando los diversos Tratamientos Térmicos a los que fueron sometidos la probeta del Acero AISI D2.

TRATAMIENTOS TERMICOS APLICADO SUMINISTRO TEMPLE 1º REVENIDO 2º REVENIDO

1 43.3 65.1 57.8 61.3

2 45.5 63.2 57.8 59.8

3 44.4 64.6 57.9 62.3

DUREZAS OBSERVADAS (HRC) 4 5 6 7 44.8 44.3 44.7 43.5 64.8 63.0 65.1 65.3 57.7 58.2 57.6 57.4 61.6 62.1 61.6 61.5

8 43.9 64.6 57.6 60.6

9 44.7 65.1 57.7 60.7

10 44.9 66.2 58.3 61.5

TOTALES PROMEDIOS ̅𝒊 𝒚𝒊 𝒚 444 647 578 613 𝑦= 2282

44.4 64.7 57.8 61.3 𝑦̅= 228.2

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A.2. CÁLCULO DE VARIANZA  Suma de cuadrados total: 𝟏𝟎 𝟏𝟎

𝑺𝑺𝑻 = ∑ ∑ 𝒚𝟐𝒊𝒋 − 𝒊=𝟏 𝒋=𝟏

𝒚𝟐 𝑵

𝑺𝑺𝑻 = 𝟐𝟑𝟖𝟗. 𝟕  Suma de tratamientos:

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 =

𝟏 𝒚𝟐 ∑ 𝒚𝟐𝒊 − 𝒏 𝑵 𝒊=𝟏

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 = 𝟐𝟑𝟕𝟏. 𝟕

 Suma de cuadrados del error:

𝑺𝑺𝑬 = 𝑺𝑺𝑻 − 𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 𝑺𝑺𝑬 = 𝟐𝟑𝟖𝟗. 𝟕 − 𝟐𝟑𝟕𝟏. 𝟕 = 𝟏𝟖. 𝟎𝟐

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Tabla 9: Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre la dureza del acero AISI D2. FUENTE DE VARIACION TRATAMIENTO TERMICO APLICADO

SUMA DE CUADRADOS

GRADOS DE LIBERTAD

CUADRADO MEDIO

FO

VALOR P

2371.70

9

263.52

438.72

438.72>2.211

ERROR

18.02

30

0.60

TOTAL

2389.70

39

𝐅𝟗,𝟑𝟎,𝟎.𝟎𝟓 = 𝟐. 𝟐𝟏𝟏

Concluimos que el tratamiento térmico aplicado influye en la dureza del acero AISI D2, debido a que el Fisher experimental hallado es mayor al Fisher teórico.

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B.1. ANALISIS ESTADISTICO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES DEL ENSAYO DE IMPACTO. Tabla 10: Datos obtenidos del ensayo de Impacto, indicando los Tratamientos Térmicos sometidas a diferentes cargas.

B

A

Tratamientos

Temple

1º Revenido 2º Revenido

Ángulos de Carga 139º 110º 80º 7.5 6.0 7.0 7.3 5.5 8.0 7.7 7.5 6.0 22.0 133.0 170.0 19.0 127.0 172.5 23.5 130.0 168.5 25.0 132.0 168.0 23.0 131.0 169.0 24.0 133.0 167.0

Grados de Libertad: a= 3, b=3, n (número de réplicas)=3 Tabla 11: Cálculos para el análisis de varianza. B

Tratamientos

A

Ángulos de Carga 139º 110º 80º

Ti

Ti2

Yij2

3906.3

440.3

Temple

7.5

6.3

7.0

62.5

1º Revenido

21.5

130.0

170.3

965.5

932190.3 139163.8

2º Revenido

24.0

132.0

168.0

972.0

944784.0 138678.0

Tj

159.0

805.0

1036.0

2000.0

1880880.5 278282.1

Tj2

25281.0

648025.0 1073296.0

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 Factor de Corrección: 𝑪 = 𝑻𝟐 ⁄𝒂. 𝒃. 𝒏 = 𝟐𝟎𝟎𝟎𝟐 ⁄𝟑. 𝟑. 𝟑 𝑪 = 𝟏𝟒𝟖𝟏𝟒𝟖. 𝟏  Suma de Cuadrados Totales: 𝑺𝑺𝑻 = ∑ 𝒀𝟐𝒊𝒋𝒌 − 𝑪 = 𝟐𝟕𝟖𝟐𝟖𝟐. 𝟏 − 𝟏𝟒𝟖𝟏𝟒𝟖. 𝟏 𝑺𝑺𝑻 = 𝟏𝟑𝟎𝟏𝟑𝟒. 𝟎  Suma de Cuadrados de A (Tratamientos): 𝑺𝑺(𝑻𝒓𝒂𝒕.) = (∑ 𝑻𝟐𝒊 ⁄(𝒏. 𝒃)) − 𝑪 = (𝟏𝟖𝟖𝟎𝟖𝟖𝟎. 𝟓⁄(𝟑. 𝟑)) − 𝟏𝟒𝟖𝟏𝟒𝟖. 𝟏 𝑺𝑺(𝑻𝒓𝒂𝒕.) = 𝟔𝟎𝟖𝟑𝟖. 𝟔  Suma de Cuadrados de B (Ángulos de carga): 𝑺𝑺(𝑨𝒏𝒈𝒖𝒍𝒐𝒔) = (∑ 𝑻𝟐𝒋 ⁄(𝒏. 𝒂)) − 𝑪 = (𝟏𝟕𝟒𝟔𝟔𝟎𝟐. 𝟎⁄(𝟑. 𝟑)) − 𝟏𝟒𝟖𝟏𝟒𝟖. 𝟏 𝑺𝑺(𝑨𝒏𝒈𝒖𝒍𝒐𝒔) = 𝟒𝟓𝟗𝟏𝟖. 𝟖  Suma de Cuadrados del Error: 𝑺𝑺𝑬 = 𝑺𝑺𝑻 − 𝑺𝑺(𝑻𝒓𝒂𝒕.) − 𝑺𝑺(𝑨𝒏𝒈𝒖𝒍𝒐𝒔) = 𝟏𝟑𝟎𝟏𝟑𝟒. 𝟎 − 𝟔𝟎𝟖𝟑𝟖. 𝟔 − 𝟒𝟓𝟗𝟏𝟖. 𝟖

𝑺𝑺𝑬 = 𝟐𝟑𝟑𝟕𝟔. 𝟔

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Tabla 12: Análisis de varianza para el diseño factorial de dos factores. Factor de Variación

Grados de Libertad

A

a-1

B

b-1

Error

(a-1)(b-1)

Suma de Medida de Cuadrados Cuadrados 𝑀𝑆𝑆𝑇𝑟𝑎𝑡. =

SS (Trat.)

SS(Ángulos) 𝑀𝑆𝑆𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 =

SSE

𝑀𝑆𝐸 =

𝑆𝑆(𝑇𝑟𝑎𝑡.) (𝑎 − 1)

Fo 𝑭 𝑇𝑟𝑎𝑡. =

𝑀𝑆𝑆𝑇𝑟𝑎𝑡. 𝑀𝑆𝐸

𝑆𝑆(𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠) 𝑀𝑆𝑆𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑭𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜𝑠 = (𝑏 − 1) 𝑀𝑆𝐸

𝑆𝑆𝐸 (𝑎 − 1)(𝑏 − 1)

---

Tabla 13 Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los tratamientos térmicos sobre la Resistencia al Impacto a diferentes cargas. Factor de Variación

Grados de Suma de Libertad Cuadrados

Medida de Cuadrados

Fo

A

2

60838.6

30419.3

5.21 < 6.944

B

2

45918.8

22959.4

3.93 < 6.944

Error

4

23376.6

5844.1

---

𝑭𝟐,𝟒,𝟎.𝟎𝟓 = 𝟔. 𝟗𝟒𝟒 Concluimos que los tratamientos térmicos aplicados no influye sobre la resistencia al impacto, así mismo las diferentes velocidades de carga de impacto tampoco influyen sobre la resistencia al impacto, debido a que los Fisher experimentales hallados para los tratamientos y las velocidades de carga son menores que los Fisher teóricos.

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C.1. ANALISIS ESTADISTICO DE LOS DATOS EXPERIMENTALES DEL ENSAYO DE TRACCION.

Tabla 14: Esfuerzo de fluencia obtenida en el Ensayo de Tracción indicando los diversos tratamientos térmicos a los que fueron sometidas las probetas de Acero AISI D2.

TRATAMIENTOS TERMICOS TEMPLE 1º REVENIDO 2º REVENIDO

Esfuerzos Observados (𝝈𝒚 ) 1 1452 1429 1401

2 1450 1432 1403

3 1448 1426 1402

Totales

Promedios

𝒚𝒊 4350 4287 4206 𝑦= 12843

̅𝒊 𝒚 1450 1429 1402 𝑦̅= 4281

C.2. CÁLCULO DE VARIANZA

 Suma de cuadrados total: 𝟑

𝟑

𝑺𝑺𝑻 = ∑ ∑ 𝒚𝟐𝒊𝒋 − 𝒊=𝟏 𝒋=𝟏

𝒚𝟐 𝑵

𝑺𝑺𝑻 = 𝟑𝟓𝟎𝟐

 Suma de tratamientos:

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔

𝟏 𝒚𝟐 𝟐 = ∑ 𝒚𝒊 − 𝒏 𝑵 𝒊=𝟏

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 = 𝟑𝟒𝟕𝟒

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 Suma de cuadrados del error:

𝑺𝑺𝑬 = 𝑺𝑺𝑻 − 𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 𝑺𝑺𝑬 = 𝟑𝟓𝟎𝟐 − 𝟑𝟒𝟕𝟒 = 𝟐𝟖 Tabla 15: Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre el esfuerzo de fluencia del acero AISI D2

FUENTE DE VARIACION TRATAMIENTO TERMICO APLICADO

SUMA DE CUADRADOS

GRADOS DE LIBERTAD

CUADRADO MEDIO

FO

VALOR P

3474

2

1737

372.21

372.21>5.143

ERROR

28

6

4.67

TOTAL

3502

8

𝐅𝟐,𝟔,𝟎.𝟎𝟓 = 𝟓. 𝟏𝟒𝟑

Concluimos que los tratamientos térmicos aplicados influyen en los esfuerzos de fluencia del acero AISI D2, debido a que el Fisher experimental hallado es mayor al Fisher teórico.

Tabla 16: Esfuerzos máximos a la tracción obtenidos en el Ensayo de Tracción indicando los diversos Tratamientos Térmicos a los que fueron sometidos la probeta del Acero AISI D2.

Esfuerzos Observados (𝐔𝐓𝐒) 1 2 3 1672.65 1671.55 1673.75

Totales 𝐲𝐢 5017.95

Promedios 𝐲̅𝐢 1672.65

1º REVENIDO

1581.15

1580.15

1579.15

4740.45

1580.15

2º REVENIDO

1566.23

1565.23

1564.14

4695.6

1565.2

y= 14454

y̅= 1606

TRATAMIENTOS TERMICOS TEMPLE

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CÁLCULO DE VARIANZA

 Suma de cuadrados total: 𝟑

𝑺𝑺𝑻 =

𝟑

∑ ∑ 𝒚𝟐𝒊𝒋 𝒊=𝟏 𝒋=𝟏

𝒚𝟐 − 𝑵

𝑺𝑺𝑻 = 20331.8  Suma de tratamientos:

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 =

𝟏 𝒚𝟐 ∑ 𝒚𝟐𝒊 − 𝒏 𝑵 𝒊=𝟏

𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 = 20325.2

 Suma de cuadrados del error:

𝑺𝑺𝑬 = 𝑺𝑺𝑻 − 𝑺𝑺𝑻𝒓𝒂𝒕𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐𝒔 𝑺𝑺𝑬 = 𝟐𝟎𝟑𝟑𝟏. 𝟖 − 𝟐𝟎𝟑𝟐𝟓. 𝟐 = 6.605

Tabla 17: Resultados del ANAVA al 95% de la influencia de los Tratamientos Térmicos sobre el esfuerzo máximo a la tracción del acero AISI D2.

FUENTE DE VARIACION TRATAMIENTO TERMICO APLICADO

SUMA DE CUADRADOS

GRADOS DE LIBERTAD

CUADRADO MEDIO

FO

VALOR P

20325.2

2

10165.9

9234.2

9234.2>5.143

ERROR

6.605

6

1.10

TOTAL

20331.8

8

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𝐅𝟐,𝟔,𝟎.𝟎𝟓 = 𝟓. 𝟏𝟒𝟑 Concluimos que los tratamientos térmicos aplicados influyen en los esfuerzos de máximos a la tracción del acero AISI D2, debido a que el Fisher experimental hallado es mayor al Fisher teórico.

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ANEXOS

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I.

PREPARACIÓN DE PROBETAS: I.1. Fotos de la Preparación de Probetas

FOTO 01: Dimensionando las probetas para los ensayos.

FOTO 02: Fresadora Mecánica

FOTO 03: Esmerilado de probetas.

FOTO 04: Corte tipo bisel de la probeta

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FOTO 05: Torno Mecánico

FOTO 07: Probetas para ensayo de tracción.

FOTO 06: Pulidora eléctrica.

FOTO 08: Probetas para ensayo de impacto.

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I.2. Fotos de los Tratamientos Térmicos:

FOTO 10: Horno eléctrico.

FOTO 12: Tapamos los huecos posibles con mezcla carburante

FOTO 11: Probetas aseguradas para el tratamiento.

FOTO 13: Material aislante a base de cerámica.

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FOTO 14: Material aplicado para tapar los bordes, listo para el horno

FOTO 16: Colocado al horno del depósito con las probetas a tratar

FOTO 15: Carbón mineral.

FOTO 17: Extracción del depósito con las probetas para el temple

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FOTO 18: Retiro de las probetas del depósito a alta temperatura

FOTO 20: Retiro de las probetas del medio de enfriamiento (aceite)

FOTO 19: Temple realizado alas probetas en un aceite.

FOTO 21: Probetas de ensayo de impacto y dureza tratados.

FOTO 22: Probetas de ensayo de tracción tratados.

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I.3. Equipos utilizados en los diferentes ensayos:

FOTO 23: Maquina de ensayo de tracción INSTROM.

FOTO 25: Maquina de ensayo de dureza INDENTEC

FOTO 24: Maquina de ensayo de impacto Tipo Charpy.

FOTO 26: Microscopio Electrónico para análisis metalográfico.

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I.4. Análisis metalográfico:

FOTO 27: Encapsulado de probetas para análisis metalográfico.

FOTO 29: Lijado de probetas para el posterior pulido

FOTO 31: Pulido de probetas.

FOTO 28: Probetas encapsuladas.

FOTO 30: Paños con alúmina de diferente tamaño de grano

FOTO 32: Secado de probetas después del ataque químico.

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