Universidad de Chile Facultad de Ciencias F´ısicas y Matem´aticas Departamento de Ciencia de los Materiales

Informe 3: Ensayo de dureza en Acero con distintos tratamientos termicos Ciencias de los Materiales CM3201

Alumno: Pablo J. Cabello H. Grupo: 1 Ayudante: Maximiliano Ferrer Fecha Realizaci´on: 16/Octubre/2012 Fecha Entrega: 17/Octubre/2012

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´Indice 1. Resumen

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2. Introducci´ on

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2.1. Marco Te´ orico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.1.1. Acero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.1.2. Tratamientos T´ermicos

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2.1.3. Dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.2. Objetivos y Resultados Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2.3. Metodolog´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3. Resultados

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4. Discusi´ on

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5. Anexos

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5.1. Bibliograf´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5.2. Datos Obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1.

Resumen

En este informe buscaremos analizar el comportamiento de las propiedades mec´ anicas de una probeta de Acero SAE 1020, mas en especifico analizaremos como se comporta la dureza de un material dado un tratamiento t´ermico. Luego de un tratamiento de los datos que se obtuvieron conseguimos los siguientes valores para las durezas obtenidas con cada tratamiento:

Promedio

2. 2.1.

Templado 160,4

Normalizado 101,6

Recocido 84,0

Introducci´ on Marco Te´ orico

Previo a la discusi´ on de los datos que se obtuvieron en el laboratorio, se debe tener conocimiento de algunos conceptos importantes para el an´alisis mismo, estos conceptos son los siguientes:

2.1.1.

Acero

El acero es una aleaci´ on de Hierro y Carbono en el cual este ultimo se encuentra en proporciones del 0,05 % hasta concentraciones cercanas al 2 % de carbono. Dependiendo de la temperatura y la concentraci´on de carbono el acero puede presentar distintas estructuras siendo las mas importantes las siguientes:

1. Ferrita: Soluci´ on solida de carbono en F eα con una baja solubilidad de C (Su valor m´ aximo de solubilidad es cercano a los 0,025 %), corresponde a una de las formas de acero mas blandas con una dureza cercana a los 90[HV ]. 2. Cementita: Compuesto de CF e3 que presenta una concentraci´on de C cercana a los 6,67 %, lo cual lo hace tener una de las durezas mas altas de las estructuras de acero con una dureza cercana a los 1000[HV ] 3. Perlita: Esta estructura corresponde a laminas de cementita y ferrita intercaladas, y con una composici´on promedio cercana a los 0,8 % de C. Aparece debido a enfriamientos lentos y su dureza depende del grosor de las laminas de cementita, que a su vez depende de la velocidad con la que se enfrie el acero.

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4. Austenita: Soluci´ on solida de carbono en F ey , con una solubilidad m´axima cercana al 2 %, aparece al calentar un acero por sobre los 727◦ C, posee una dureza cercana a los 300[HV ] 5. Martensita: Corresponde a una soluci´on solida de C sobresaturado en F eα que se consigue mediante enfriamiento r´apido de la Austenita. Posee una alta dureza, pero que depende de la concentraci´on de C que posea variando entre 500 y 1000[HV ].

2.1.2.

Tratamientos T´ ermicos

Los tratamientos t´ermicos corresponden a procesos de calentamiento y posterior enfriamiento de un material. Este proceso es capaz de alterar las propiedades de un material dependiendo de la temperatura a la que se caliente el metal y la velocidad con la que se enfrie posteriormente. Para este informe se consideraran 3 tratamientos t´ermicos, todos ellos con una temperatura de calentamiento de 850◦ C. 1. Templado: Corresponde a un tratamiento en que la velocidad de enfriamiento es muy r´ apida. En este caso, se enfrio la probeta sumergi´endola en agua a temperatura ambiente, lo cual disminuyo su temperatura r´apidamente. Los aceros enfriados de esta manera estan constituidos mayormente por martensita, proveniente del enfriamiento r´apido de austenita. 2. Normalizado: En este tratamiento se enfria el material a temperatura ambiente, disminuyendo la velocidad de enfriamiento respecto a la del Templado. El acero tratado de esta manera posee capas finas de perlita y una pequea cantidad de ferrita. 3. Recocido: Corresponde al tratamiento con la velocidad de enfriamiento mas lenta. En este se dejo la probeta enfriar al interior del horno en que se calent´ o, manteni´endose temperaturas. Asumiendo que la velocidad del proceso es suficientemente lenta, se pueden obtener las estructuras del acero tratado con este proceso a partir del diagrama de fase del hierrocarbono, estas estructuras corresponden a ferrita y a capas gruesas de perlita.

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2.1.3.

Dureza

La dureza cuantifica la resistencia de la superficie de un material a ser deformada debido a esfuerzos generados por otro material, que, idealmente, no sufre deformaciones. Esta propiedad es medida con el instrumento llamado durometro, estos instrumentos utilizan de forma gen´erica elementos para penetrar la superficie del material cuya dureza se quiere caracterizar. Existen distintos tipos de durometros que utilizan distintas formulas y escalas para la caracterizaci´on, entre ellos mencionaremos 3 tipos importantes de durometros: 1. Brinell: Este tipo de durometro utiliza una esfera de acero o carburo de di´ ametro D = 10[mm] de di´ametro para penetrar la superficie del material con una carga P , variable, con esta carga la esfera puede penetrar una cierta distancia, dejando una huella de di´ametro d en el material. La escala que es usada en este tipo de durometro, utiliza ambos par´ametros (P , d) para tabular los valores de dureza de la forma: 2P √ Dureza = πD(D − D2 − d2 ) 2. Vickers: El durometro de vickers utiliza una punta de diamante de forma piramidal para penetrar el material usando una carga P variable dejando una huella cuadrada en el material cuyas diagonales de tamao d, con esto se obtiene el valor de dureza del material en la escala del durometro de la forma: AP Dureza = 2 d Con A una constante del m´etodo. 3. Rockwell: Existen varios tipos de durometros de rockwell, que se distinguen por la punta y la carga utilizadas penetrar el material. En todos se obtiene la dureza utilizando la profundidad t de la penetraci´on producida en el material a estudiar. Prueba A C D B F G

2.2.

Carga utilizada 60 150 100 100 60 150

Tipo de punta Punta c´onica de diamante Punta esf´erica de acero

Formula de la Dureza Dureza = 100 − 500t

Dureza = 130 − 500t

Objetivos y Resultados Esperados

Se espera, que a partir del an´alisis de los datos que se obtuvieron en el laboratorio y que se realizara en este informe, poder caracterizar el comportamiento 6

de las propiedades mec´ anicas de un material ante los distintos tratamientos t´ermicos que se le aplicaron. Mas en especifico dado la informaci´on que se recogi´ o en el laboratorio, se buscara ver como se relaciona la dureza del acero con su microestructura dada por el tratamiento t´ermico al cual fue sometido. De la literatura se puede plantear de forma previa al an´alisis que la dureza se comportara de la siguiente manera, la probeta recocida tendr´a la dureza mas baja de las 3 y por su parte la probeta templada tendr´a una dureza superior a las otras.

2.3.

Metodolog´ıa

La metodolog´ıa para la obtenci´on de los datos en el laboratorio fue la siguiente: 1. Se someti´ o a 2 probetas de acero SAE 1020 a temperaturas cercanas a los 850◦ C en un horno, luego de que alcanzaran esta temperatura, se retiraron, una se sumergi´ o en agua y la otra se dejo para que enfriara a temperatura ambiente. Cabe notarse que adem´as exist´ıa una probeta sometida a recocido que se hab´ıa calentado y dejado enfriando el d´ıa anterior, debido al largo tiempo de espera para su enfriamiento. 2. Mientras la probeta que se pretend´ıa Normalizar se enfriaba, se pulieron las superficies de las otras probetas, utilizando una lija circular, con tal de disminuir el error en las mediciones asociado a elementos formados por la reacci´ on del carbono del acero con el oxigeno del horno u a imperfecciones en la superficie del acero. 3. Una vez la probeta normalizada alcanzo los 77◦ C, y por temas de tiempo, se enfrio usando agua, asumiendo que para tal temperatura ya se hab´ıan formado las estructuras que se quer´ıan observar, y se procedi´o a pulirla. 4. Una vez pulidas las probetas se midi´o su dureza utilizando un durometro port´ atil, tratando de realizar las mediciones en aquellas zonas mejor pulidas, con menos ralladuras y sin presencia de ´oxidos de hierro visible.

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3.

Resultados

Tras eliminar algunos datos obtenidos, debido a que pod´ıan provenir (o directamente proven´ıan) de fuentes de error se consiguieron los siguientes datos, se escogieron los 5 datos mas representativos del material para calcular su dureza.

Dureza [HV ] Promedio

Templado 161 166 161 161 153 160,4

Normalizado 105 102 97 102 102 101,6

Recocido 85 83 85 84 83 84,0

Se pueden encontrar la totalidad de los datos en el Anexo correspondiente.

4.

Discusi´ on

Lo primero que cabe notarse es que si bien la dureza del Acero aumento en el templado, este aumento de dureza no es muy importante, considerando que la martensita, compuesto que debiese resultar idealmente del templado, posee una dureza bastante alta. Esto se debe a la baja concentraci´on de carbono en la probeta utilizada, que hace que al aumentar la temperatura en el horno quede ferrita sin austenizar, la cual se mantiene luego del enfriamiento y provoca la disminucion de la dureza. Si se revisan la totalidad de los datos que se obtuvieron en el laboratorio vemos que para el recocido y el normalizado los valores son bastante cercanos y los errores se pueden asociar con errores aleatorios ligados a ralladuras en la superficie o presencia de oxido en la misma debido a defectos en el pulido. Por su parte el error en las mediciones realizadas para el templado es mucho mayor, siendo una de las posibles explicaciones para esto el que en ciertas zonas, el acero, debido a los muchos usos que se le ha dado, tuviera una mayor concentraci´on de carbono, permitiendo una mayor formaci´on de Austenita durante el calentamiento que durante el enfriamiento se transforma en Martensita. Luego, al haber mayor martensita en algunas partes que en otras, podr´ıan generarse diferencias considerables en la dureza considerando tambi´en el efecto de ralladuras.

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5. 5.1.

Anexos Bibliograf´ıa

1. http://zeus.dci.ubiobio.cl/ caaici/Apuntes/Materiales/apunte 06 estructura polifasica de los metales y diagrama de fases.pdf 2. http://www.desin.com/pdf/TT-Sondas.pdf 3. http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5 anio/metalografia/5Estructuras del acero v2.pdf

4. http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos %20de %20enfriamiento.htm templado

5.2.

Datos Obtenidos

Dureza [HV ]

Templado 122 127 161 166 144 130 307 276 292 161 161 153 299 258 256 129

Normalizado 91 85 81 83 88 106 85 93 99 101 95 84 83 −− −− −−

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Recocido 105 102 96 97 102 110 108 102 113 81 109 90 −− −− −− −−