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ANLISIS DE LA MICRODUREZA EN EL ACERO AISI-SAE 4140 TRATADO
TRMICAMENTE CON PROBETAS EN MUFLA Y LSER PULSADO
MULTILNEA Nd: YAG.
YEIMI ALEXANDRA DONATO GONZLEZ
LILIAM CRISTINA RAMREZ CONTRERAS
ESCUELA TECNOLGICA INSTITUTO TCNICO CENTRAL
INGENIERA EN PROCESOS INDUSTRIALES
TRABAJO DE GRADO
BOGOT D.C.,
2016
ANLISIS DE LA MICRODUREZA EN EL ACERO AISI-SAE 4140 TRATADO
TRMICAMENTE CON PROBETAS EN MUFLA Y LSER PULSADO
MULTILNEA Nd: YAG.
YEIMI ALEXANDRA DONATO GONZLEZ
LILIAM CRISTINA RAMREZ CONTRERAS
Trabajo de Grado como requisito para optar por el ttulo de:
INGENIERA EN PROCESOS INDUSTRIALES
Asesor Tcnico
DARIO FERNANDO ANDRADE ZAMBRANO
INGENIERO FSICO
MAGISTER EN INGENIERA DE MATERIALES Y PROCESOS
ESCUELA TECNOLGICA INSTITUTO TCNICO CENTRAL
INGENIERA EN PROCESOS INDUSTRIALES
TRABAJO DE GRADO
BOGOT D.C.,
2016
Nota de Aceptacin
_________________________________
_________________________________
_________________________________
________________________________
Presidente del Jurado
_______________________________
Jurado
Bogot, D.C., 21 de noviembre de 2016
DEDICATORIA
Con todo nuestro corazn dedicamos este proyecto a Dios, quien inspiro nuestro
espritu para continuar cuando nos sentamos rendir. Agradecindole por cada
bendicin recibida a lo largo de este tiempo y por permitirnos culminar con xito
esta etapa de nuestra vida.
A esas personas importantes de nuestras vidas padres e hijos- que nos brindaron
su cario, apoyo, comprensin, paciencia y nimo. Por entender que el xito
demanda sacrificios y tiempo, los cuales sern recompensados con las
bendiciones venideras, por la dedicacin, esfuerzo y fe puesta en esta tesis.
Con todo nuestro amor para:
Yolanda y Alfonso Alcira y Gerardo
Padres
Michel Alejandra y Lan Gabriel
Hijos
AGRADECIMIENTOS
Este proyecto es el resultado del esfuerzo conjunto de todos los que nos apoyaron
y son parte de su culminacin. Nuestros ms sinceros agradecimientos estn
dirigidos a:
El Centro Internacional de Fsica de la Universidad Nacional de Colombia, por su
confianza y disposicin para poder desarrollar parte de nuestro proyecto en el
Laboratorio de Lser.
A la Escuela Tecnolgica Instituto Tcnico Central por permitirnos estudiar y ser
profesionales, adems de facilitarnos el Laboratorio de Tratamiento Trmicos que
aun sin estar es sus mejores condiciones nos permiti culminar la investigacin.
A nuestros docentes de carrera que con su conocimiento, enseanza, experiencia
y consejos, aportaron un granito de arena para el desarrollo de este proyecto de
investigacin, en especial a los docentes: Omar Barrera, Luis Antonio Zabala, Jorge
Enrique Hower, Alfonso Pulido, Benjamn Rodolfo Quintero.
Agradezco principalmente a nuestro Director de proyecto y amigo Mtr. Dario
Fernando Andrade Zambrano por su dedicacin, orientacin, motivacin y gestin
para con nosotras a lo largo de este ao. Por su gran inters en el proyecto de
grado, sus sugerencias y aportes que son invaluables, pues nos sirven para toda la
vida.
A todas las personas que aportaron y no alcanzamos a nombrar. Gracias por
acompaarnos en este momento tan importante de nuestro proceso de formacin
profesional.
Muchas gracias y que Dios les bendiga siempre.
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TABLA DE CONTENIDO
pg.
INTRODUCCIN ................................................................................................... 21
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................... 23
1.1 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA ........................................................... 23
1.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA .......................................................... 24
1.3 HIPTESIS ............................................................................................. 24
2. JUSTIFICACIN ..................................................................................... 25
3. OBJETIVOS ............................................................................................ 26
3.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................. 26
3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................... 26
4. MARCO REFERENCIAL ........................................................................ 27
4.1 ANTECEDENTES.................................................................................... 27
4.2 MARCO CONCEPTUAL .......................................................................... 32
4.2.1 Acero. ................................................................................................... 32
4.2.2 Tipos de Acero. .................................................................................... 36
4.2.3 Diagrama Hierro Carbono. ................................................................ 38
4.2.4 Estructura de los materiales. ................................................................ 42
4.2.5 Propiedades de los materiales. ............................................................ 52
4.2.6 Procesamiento de los materiales. ........................................................ 53
4.2.7 Dureza. ................................................................................................ 59
4.2.8 Pelculas delgadas y recubrimientos. ................................................... 63
4.2.9 Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin LSER. ... 71
4.2.10 Ablacin lser-materia. ..................................................................... 73
5. MARCO METODOLGICO .................................................................... 79
5.1 TIPO DE ESTUDIO .................................................................................. 79
5.1.1 Unidad de Anlisis. .............................................................................. 79
5.1.2 Unidad de Estudio. ............................................................................... 79
5.1.3 Unidad de Tiempo. ............................................................................... 80
5.1.4 Unidad Geogrfica. .............................................................................. 80
5.2 METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN .............................................. 82
5.3 PARTICIPANTES .................................................................................... 83
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5.4 INSTRUMENTOS Y EQUIPOS ................................................................ 83
5.4.1 Instrumentos. ....................................................................................... 83
5.4.2 Equipos. ............................................................................................... 83
5.5 METODOLOGA DE LA INGENIERA DEL PROYECTO ......................... 87
5.5.1 Descripcin de la metodologa en contexto. ........................................ 87
5.5.2 Herramientas tecnolgicas. .................................................................. 87
6. DESCRIPCIN DEL PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO
SUPERFICIAL CON LASER PULSADO ND: YAG Y METALOGRAFA ............. 89
6.1 PREPARACIN DE LA PROBETA .......................................................... 89
6.1.1 Seleccin de la probeta. ....................................................................... 89
6.1.2 Pulido de la muestra. ........................................................................... 89
6.2 PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO CON LASER PULSADO ND:
YAG ........................................................................................................ 92
6.3 PROCESO DE TRATAMIENTO TRMICO EN MUFLA ........................... 96
6.4 TOMA DE MICRODUREZA ..................................................................... 97
6.5 ATAQUE QUMICO ................................................................................. 98
6.5.1 Mecanismo del ataque. ...................................................................... 101
6.6 TOMA DE MICROESTRUCTURA ......................................................... 101
7. RESULTADOS Y ANLISIS ................................................................ 104
7.1 PROBETA SIN TRATAMIENTO ............................................................ 104
7.2 ANLISIS DE MICRODUREZA ............................................................. 105
7.3 ANLISIS DE MICROESTRUCTURA .................................................... 109
7.3.1 Probetas tratadas en mufla ................................................................ 109
7.3.2 Probetas tratadas en lser ................................................................. 112
8. CONCLUSIONES ................................................................................. 115
9. RECOMENDACIONES ......................................................................... 117
BIBLIOGRAFA ................................................................................................... 118
ANEXOS .............................................................................................................. 123
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ABREVIACIONES
Armstrong
C Grados Celsius
C Carbono
c Chauffage (francs) Calentamiento "Ac"
cm centmetros
Cr Cromo
Et al: entre otros
E Energa
Fe Hierro
hv Energa de un fotn
Hz Hertz
IR Infrarroja
J Julios
Kg Kilogramos
m metros
M masa
mJ mili Julio (10-3 J)
mm milmetros
Mo Molibdeno
mrad mili radianes
Nd: Neodimio
Nd: YAG Granate de itrio y aluminio dopado con neodimio
nm: nanmetro
ns nanosegundo
r Refroidissement (francs) Enfriamiento "Ar"
rpm Revoluciones por minuto
Q Energa
UV Ultravioleta
W Watts
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SIGLAS
AFM Microscopa de fuerza atmica
AISI: Instituto Americano del hierro y el acero
ASME: Sociedad americana de ingenieros mecnicos
ASTM: Asociacin amrica para ensayos de materiales
BCC Cbica centrada en el cuerpo
CVD Deposicin qumica fases vapor
EELS Energy loss spectroscopy (ingls) Espectroscopia de prdidas de
energa
FCC Cbica centrada en caras
HBN Hardness Brinell Number (Ingls) Nmero de dureza Brinell
HRC Hardness Rocknell Series A, B, C (HRA, HRB y HRC) (Ingls)
Numero de dureza Rocknell serie A, B, C
HV VHN Hardness Vickes (Ingls) Nmero de dureza Vickers
ISS Ion scattering spectroscopy (Ingls) Espectroscopia de dispersin
de iones
PIXE X-ray emission induced by protons (ingls) Emisin de rayos X
inducida por protones
PLD Deposicin por lser pulsado
PSD Desorption stimulated photons (Ingls) Desorcin estimulada de
fotones
PVD Deposicin fsica en fase vapor
RBS Rutherford backscattering spectroscopy (Ingls) Espectroscopia
Retrodispersin de Rutherford
SAE: Sociedad de ingenieros automotores
SAM Scanning Auger Microscopy (Ingls) Microscopa de barrido Auger
SEM Scanning electron microscopy (Ingls) Microscopa electrnica de
barrido
SIM Scanning ion microscopy (Ingls) Microscopa inica de barrido
SIMS Secondary ion mass spectroscopy (Ingls) Espectrometra de
masas de iones secundarios
SIMS Secondary ion mass spectroscopy (Ingls) Espectroscopia de
masas de iones secundarios
STEM Transmission electron microscopy combined (Ingls) Microscopa
electrnica de transmisin y barrido
STM Scanning tunneling microscopy (Ingls) Microscopa de barrido de
tnel
Pgina | 10
TEM Microscopa electrnica de transmisin
TEM Transmission electron microscopy (Ingls) Microscopa electrnica
de transmisin
XAS Absorption Spectroscopy X-ray (Ingls) Espectroscopia de
absorcin de rayos X)
XPS Photoelectron Spectroscopy X-ray (Ingls) Espectroscopia de
fotoelectrones por rayos X
XRD Difraccin de rayos-X
Pgina | 11
LISTA DE TABLAS
pg.
Tabla 1. Historia de los aceros ............................................................................... 32
Tabla 2. Transformacin Austenita-perlita y viceversa .......................................... 40
Tabla 3. Comparativo Hierros alfa, gamma y beta ................................................. 41
Tabla 4. Propiedades de los materiales. ................................................................ 53
Tabla 5. Problemas y causas en el temple ............................................................ 57
Tabla 6. Datos ensayos de microdureza ................................................................ 62
Tabla 7. Aplicaciones y requerimientos de las capas delgadas ............................. 64
Tabla 8. Tcnicas de anlisis y observacin de superficies de capas delgadas .... 69
Tabla 9. Frmulas para calcular tasa de la energa lser absorbida ...................... 74
Tabla 10. Anlisis de la solucin de ecuacin de conduccin de calor .................. 77
Tabla 11. Variables del Proyecto ........................................................................... 79
Tabla 12. Equipos y herramientas ......................................................................... 84
Tabla 13. Proceso de desbaste y pulido de la probeta .......................................... 92
Tabla 14. Tratamiento trmico en mufla de probetas de acero AISI/SAE 4140 ..... 97
Tabla 15. Reactivo de ataque (composicin y efectos). ......................................... 98
Tabla 16. Procedimiento de toma de microdureza ................................................. 99
Tabla 17. Procedimiento de observacin de micro estructuras y toma de
micrografas ......................................................................................................... 103
Tabla 18. Composicin Qumica (% en peso) ...................................................... 124
Tabla 19. Propiedades Fsicas: ............................................................................ 124
Tabla 20. Propiedades Mecnicas-1 .................................................................... 125
Tabla 21. Propiedades Mecnicas-2 .................................................................... 125
Tabla 22. Equivalencias ....................................................................................... 125
Tabla 23. Tratamiento Trmico ............................................................................ 125
Tabla 24. Densidades pticas de gafas o caretas de seguridad. ......................... 134
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LISTA DE FIGURAS
pg.
Figura 1. Resultado modelacin del acero AISI W112 ........................................... 30
Figura 2. Convertidor Bessemer ............................................................................ 33
Figura 3. Acero ...................................................................................................... 34
Figura 4. Produccin del Acero .............................................................................. 35
Figura 5. Tipos de acero segn AISI/SAE.............................................................. 36
Figura 6. Clasificacin de los aceros ..................................................................... 37
Figura 7. Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)......................................................... 40
Figura 8. Partculas elementales del tomo ........................................................... 43
Figura 9. Estructura cristalina ................................................................................ 44
Figura 10. Estructura Cristalina BCC ..................................................................... 45
Figura 11. Estructuras Cristalinas .......................................................................... 46
Figura 12. Tamao de grano.................................................................................. 47
Figura 13. Lmite de grano ..................................................................................... 48
Figura 14. Ferrita (cristales blancos) ...................................................................... 49
Figura 15. Cementita (red blanca) ......................................................................... 50
Figura 16. Perlita (cristales oscuros) ...................................................................... 51
Figura 17. Austenita ............................................................................................... 51
Figura 18. Martensita ............................................................................................. 52
Figura 19. Temperaturas de transformacin .......................................................... 54
Figura 20. Grafica tiempo y temperatura................................................................ 56
Figura 21. Velocidades de enfriamiento ................................................................. 57
Figura 22. Diagrama TTT. Isotrmico .................................................................... 59
Figura 23. Penetrador Vickers ............................................................................... 61
Figura 24. Angulo tangente del penetrador ............................................................ 62
Figura 25. Designacin numero dureza Vickers. ................................................... 62
Pgina | 13
Figura 26. Sectores econmicos que aplican capas delgadas. ............................. 64
Figura 27. Regiones interaccin recubrimiento/substrato ...................................... 66
Figura 28. Tcnicas de preparacin de capas delgadas ........................................ 67
Figura 29. Intervalo de espesores en las diferentes tcnicas. ............................... 68
Figura 30. Temperaturas tpicas de preparacin ................................................... 68
Figura 31. Resolucin espacial de diversas tcnicas de anlisis y espesor de la
superficie................................................................................................................ 71
Figura 32. Fotn ..................................................................................................... 72
Figura 33. Emisin estimulada y espontanea ........................................................ 72
Figura 34. Dimensiones del cabezal ptico del lser (mm) .................................... 73
Figura 35. Mecanismos principales proceso ablacin lser-materia ...................... 76
Figura 36. Transicin de interbandas ..................................................................... 77
Figura 37. Esquema de la evolucin temporal de la temperatura superficial ......... 78
Figura 38. Logo del CIF ......................................................................................... 81
Figura 39. Logo del ETITC ..................................................................................... 81
Figura 40. Probeta acero AISI/SAE 4140............................................................... 89
Figura 41. Huellas de direccin en proceso de pulido grueso................................ 90
Figura 42. Proceso de desbaste manual ............................................................... 91
Figura 43. Pulido fino ............................................................................................. 91
Figura 44. Patrn de huella de quemado. .............................................................. 92
Figura 45. Ubicacin porta muestra en la mesa ptica .......................................... 93
Figura 46. Fuente de alimentacin ......................................................................... 93
Figura 47. Ataque con lser pulsado de Nd: YAG ................................................. 95
Figura 48. Huella del proceso de ablacin lser-materia. ...................................... 95
Figura 49. Patrn de huella de quemado a 25 000 pulsos ..................................... 96
Figura 50. Mufla ..................................................................................................... 96
Figura 51. Ataque qumico con Nital .................................................................... 101
Figura 52. Microestructura de probeta sin tratar 500X ......................................... 104
Figura 53. Anlisis resultado microdureza mufla ................................................. 106
Figura 54. Comportamiento de Dureza en mufla segn medio de enfriamiento .. 106
Pgina | 14
Figura 55. Microdureza en funcin de la energa lser Nd: YAG. ........................ 108
Figura 56. Proyeccin micro dureza en funcin de la energa lser .................... 108
Figura 57. Microestructura probetas en mufla entre 7,7 J a 29,5 J. ..................... 109
Figura 58. Microestructuras probetas mufla a 35,3 J segn medio de enfriamiento
............................................................................................................................. 110
Figura 59. Microestructura probetas tratadas en lser a 7,7 J ............................. 112
Figura 60. Microestructura probetas tratadas en lser a 10,8 J ........................... 112
Figura 61. Microestructura probetas tratadas en laser a 13,9 J ........................... 113
Figura 62. Microestructura de probetas tratadas en laser a 17 J ......................... 113
Figura 63. Micrografa caracterstica del ataque lser. ........................................ 114
Figura 64. Acero AISI/SAE 4140 .......................................................................... 125
Figura 65. Ubicacin laser Nd: YAG en las radiaciones electromagnticas ........ 126
Figura 66. Diagrama del Nd: YAG y cmara de bombeo (Vista transversal) ....... 127
Figura 67. Diagrama de funcionamiento del lser. ............................................... 128
Figura 68. Funcionamiento normal del pulso ....................................................... 129
Figura 69. Modo pulsado de funcionamiento del lser ......................................... 129
Figura 70. Diagrama caracterstica del pulso lser Q- Switched modo pulsado. . 130
Figura 71. Diagrama simplificado de un lser Nd: YAG Q-Switched. .................. 131
Figura 72. Distribucin del cabezal ptico del Brilliant B ...................................... 135
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LISTA DE ANEXOS
pg.
Anexo A. Ficha Tcnica Acero AISI/SAE 4140 .................................................... 124
Anexo B. Descripcin del equipo lser y su funcionamiento ................................ 126
Anexo C. Curso-grama analtico .......................................................................... 137
Anexo D. Ficha de registro nmero de pulso lser Nd: YAG ............................... 139
Anexo E. Ficha de registro pesos de las probetas ............................................... 140
Anexo F. Conversin temperatura a energa ....................................................... 141
Anexo G. Ficha de cantidad de energa por pulsos ............................................. 142
Anexo H. Ficha de registro microdureza proceso ablacin lser - materia .......... 143
Anexo I. Ficha de registro microdureza proceso mufla ........................................ 145
Anexo J. Ficha de promedios micro durezas Vickers .......................................... 147
Anexo K. Mtodo de prueba estndar para Knoop y Vickers dureza de los
materiales. ........................................................................................................... 148
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GLOSARIO
ABLACIN: Fs. Irradiacin con un lser para remover parte de la superficie de un material, sea esta un slido o lquido. AMPLIFICACIN: V. Amplificar. Aumentar la amplitud o intensidad de un fenmeno fsico mediante un dispositivo o aparato. BONIFICADO: Tratamiento trmico compuesto de un temple y sucesivo calentamiento (generalmente revenido) para mejorar las propiedades mecnicas de una aleacin metlica. CALOR ESPECFICO: Fsica Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de un elemento o compuesto en un grado de temperatura. CARACTERIZACIN: Establecer las propiedades y caractersticas propias de un algo, que lo haga diferente de los dems. COMPRESION: Fs. Es el resultante de las tensiones o presiones que existen dentro de un slido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reduccin de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada direccin (coeficiente de Poisson). CORPUSCULAR: Corpsculo. Porcin muy pequea, generalmente microscpica, de materia. CUANTO: Fs. Valor mnimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema fsico, como la mnima variacin posible de este parmetro al pasar de un estado discreto a otro. CRUCIBLE: El acero crucible, denominado tambin acero de crisol, es un tipo de acero elaborado mediante un nmero de diferentes tcnicas fundamentadas en el lento proceso de calentamiento y enfriado del hierro puro en un crisol y siempre en presencia de carbono. DEFORMACIN PLSTICA: Deformacin de un material plstico producida por una fatiga superior al lmite elstico del material, que le produce un cambio permanente de su forma. Tambin llamada fluencia plstica. DEPOSICIN EN CAPA FINA: Tcnica que se deposita una fina capa de un material sobre un substrato o sobre capas anteriormente colocadas.
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DESORCIN: Fs. Fenmeno por el cual un gas abandona un slido cuando este alcanza cierta temperatura. DIFUSIVIDAD: Trmica -Unidades mm2/s - es una propiedad especfica de cada material para caracterizar conduccin de calor en condiciones no estacionarias. ste valor describe que tan rpido un material reacciona a un cambio de temperatura. DUREZA: Propiedad fsica de los materiales que consisten en la resistencia a ser rayado o penetrado por otro, esto se da por la firmeza de las molculas que lo conforman. EPITALXIAL: Se refiere a la deposicin de una sobre capa cristalina en un substrato cristalino, donde hay registro entre la sobre capa y el substrato ERGIO: Unidad de medida de energa o trabajo, perteneciente al Sistema Cegesimal de Unidades (CGS), su smbolo es erg. ESPECTRO: Fs. Distribucin de la intensidad de una radiacin en funcin de una magnitud caracterstica, como la longitud de onda, la energa o la temperatura. ESPECTROSCOPIA: Fis. Es el estudio de la interaccin de la luz con la materia, en absorcin o emisin de energa radiante. FEMTO: Del noruego y dans femten quince. Significa una milbillonsima (1015) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo. f). FLUENCIA (Ingeniera de Materiales): Deformacin o alargamiento rpido que experimenta un material al aplicrsele un esfuerzo constante. Este fenmeno se presenta cuando las impurezas o los elementos minoritarios en la aleacin bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento y comenzando as la deformacin plstica. FLUENCIA (Lser): Densidad de energa del lser o energa emitida por pulso unidad de rea normal al haz. FOTOEMISIN: Fs. Expulsin de electrones de la superficie de un slido que es producida a causa de la energa de una radiacin electromagntica incidente. FOTN: Unidad bsica o partcula elemental, responsable de las manifestaciones cunticas del fenmeno electromagntico. Esta partcula porta todas las formas de radiacin electromagntica (rayos gamma, los rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio). El fotn viaja a una velocidad
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constante, no posee masa ni carga elctrica y posee propiedades de dualidad onda-corpuscular. HERTZ: Fs. Hercio Unidad de frecuencia del sistema internacional, que equivale a 1 ciclo por segundo. (Smb. Hz) IDENTADOR: Extremo de una mquina de ensayo de dureza en forma puntiaguda que presiona, con una carga determinada de antemano, sobre la superficie del material del que se desea saber la dureza. LSER: Es un dispositivo electrnico que genera un haz de alta intensidad. Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin. : LSER Nd: YAG: Sigla de Neodynium-doped y Itrium aluminium garnet, Es un dispositivo de emisin laser de estado slido que posee xido de itrio y aluminio cristalino cuya red hace de anfitrin ya que esta dopada con neodimio que hace de husped formado la especie (Nd: Y3Al5O12), una variedad de granate, su emisin caracterstica posee una longitud de onda de 1064 nanmetros, es decir, emite en el infrarrojo. LUMINANCIA: Densidad angular y superficial de flujo luminoso que incide, atraviesa o emerge de una superficie siguiendo una direccin determinada METAESTABLE: Adj. Fs. y Qum. Dicho de un sistema: Que se encuentra en equilibrio aparente, pero que puede cambiar a un estado ms estable. METALOGRAFA: Estudio de la microestructura de los metales o aleaciones que hacen relacin a sus propiedades fsicas, qumicas y mecnicas. MONOCROMTICO: Adj. De un solo color. NANO: Del latin nanus enano. Significa una milmillonsima (109) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo n). NANMETRO: Su smbolo es nm, es la unidad de medida de la longitud que equivale a una mil millonsima de un metro (1nm=10-9m), dimensiones en que se mide la radiacin ultravioleta, infrarroja y la luz. NEODIMIO: Elemento qumica de la tabla peridica, su smbolo es Nd y su nmero atmico es 60, pertenece a las tierras raras y a temperatura ambiente se encuentra en estado slido. ONDA ELECTROMAGNTICA: Fs. Forma de propagarse a travs del espacio los campos electromagnticos producidos por las cargas elctricas en movimiento y
http://es.wikipedia.org/wiki/Flujo_luminosoPgina | 19
que, segn su intervalo de frecuencia, recibe denominaciones especiales; por ejemplo: ondas radioelctricas, microondas, ondas luminosas, rayos X, rayos gamma, etc. PICO: Significa una billonsima (1012) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo p). PLASMA: Es la cuarta fase de la materia, donde se proporciona a sus partculas cargas elctricas sin tener equilibrio electromagntico. PULSO ELECTROMAGNTICO: Fs. Dispersin de energa electromagntica de alta intensidad, en un periodo de tiempo determinado. PULSO: Fs. Variacin corta e intensa del valor de una magnitud RADIACIN ELECTROMAGNTICA: Radiacin electromagntica: est formada por la combinacin de campos elctricos y magnticos, que se propagan a travs del espacio en forma de ondas portadoras de energa. REFLECTANCIA: Fs. Propiedad de un cuerpo de reflejar la luz. SUBSTRATO O SUSRATO: Capa que est por debajo de otra. TENSIN: Fs. Es el estado de un cuerpo sometido a la accin de fuerzas opuestas
que lo atraen, como resultado de la cohesin electrosttica neta entre las partculas
de un slido cuando es deformado de forma que las partculas se separan unas de
otras apartndose de su posicin de equilibrio, en la cual esta fuerza se encuentra
balanceada por la repulsin a causa de las capas de electrones; como tal, es la
traccin que ejerce un slido al intentar recuperar su forma original ms comprimida.
WATTS: Vatio. Unidad de potencia del sistema internacional que da lugar a la produccin de 1 Julio por segundo. (Smb. W).
https://es.wikipedia.org/wiki/Capa_electr%C3%B3nicaPgina | 20
RESUMEN
El acero es uno de los mayores insumos utilizados en la industria. Teniendo en
cuenta sus mltiples aplicaciones, debe contar con diferentes propiedades; para
lograrlas, se utilizan los procesos de tratamientos trmicos (temple, revenido,
recocido, entre otros). En estos tratamientos se controla el calentamiento, el
enfriamiento y la temperatura para modificar su microestructura.
En los aos 80, se utiliz el lser1 pulsado Nd: YAG2, como la nueva tecnologa para
tratamientos trmicos; este proceso usa una longitud de onda de 1064 nm3 a 920
mJ4 con una duracin por pulso de 5,05 ns5, en este proceso los cambios de
microdureza se dan solo en la superficie. Aqu el calentamiento y enfriamiento es
extremadamente rpido.
Por esta razon el propsito de este proyecto es mostrar el proceso experimental
realizado en el acero AISI6/SAE7 4140, con el lser1 pulsado de Nd: YAG2 y
compararlo con probetas del mismo material tratadas con los tratamientos termicos
convencionales.
Tratamiento trmico, superficie, lser1, energa, Nd: YAG2, microdureza,
microestructura, acero.
1 Lser: Amplificacin de luz por emisin estimulada de radiacin. 2 Nd: YAG: Granate de itrio y aluminio dopado con neodimio. 3 nm: Abrev. nanmetro 4 mJ. Abrev. miliJulio (10-3J) 5 ns. Abrev. nanosegundo 6 AISI sigla Instituto Americano del hierro y el acero 7 SAE: sigla de Sociedad de ingenieros automotores.
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INTRODUCCIN
Los tratamientos trmicos utilizan varios procesos de calentamiento y enfriamiento
para generar cambios en la estructura de un material. Estos procesos se dan en
tres etapas: aumento controlado de la temperatura (calentamiento), temperatura
constante por un tiempo determinado y enfriamiento a una velocidad establecida
(rpido o lento). El proceso de calentamiento se produce por conduccin donde la
transferencia de calor genera estados de excitacin molecular al interior del
material, estos procesos se dan en: el temple, recocido, revenido, entre otros.
El proceso con el lser1, cuando la radiacin electromagntica incide sobre la
superficie de un material, ocurren varios fenmenos: reflexin, absorcin, refraccin
y transmisin. Entre estos fenmenos, uno de los ms importantes es la absorcin
de la radiacin en los materiales. La energa lser1 absorbida por el material durante
la interaccin lser1 material es convertida en calor por degradacin de la energa
de excitacin primaria localizada. La conversin de la energa en calor y su posterior
conduccin dentro del material establece distribuciones de temperatura en el
material.
Dependiendo de la magnitud del ascenso de la temperatura, se originan varios
efectos en el material tratado: calentamiento, fusin, vaporizacin, formacin de
plasma. Estos efectos dependen de las caractersticas de la radiacin
electromagntica como la longitud de onda, su energa, tipo de emisin continua o
pulsada, entre otras, y, por otro lado, de las propiedades termo-fsicas del material
como su conductividad trmica y difusividad8 trmica.
Para este proyecto se utiliz el proceso de tratamiento trmico con lser1 para
generar de manera rpida, cambios en la microestructura de la superficie del acero
AISI6-SAE7 4140, logrando cambios en propiedades como dureza, resistencia a la
corrosin, al desgaste entre otros, este tipo de tecnologa nos brinda rplicas
idnticas. Adems por utilizar un proceso fsico se genera una tecnologa
8 Difusividad (trmica): Unidades mm2/s- es una propiedad especfica de cada material para caracterizar conduccin de calor
en condiciones no estacionarias. ste valor describe cun rpido un material reacciona a un cambio de temperatura.
Pgina | 22
competitiva y limpia: sin productos qumicos, ni residuos contaminantes y, por el
contrario, amigable con el medio ambiente; adems, es muy til para la industria, al
existir mltiples aplicaciones que buscan que la estructura interna del acero no sufra
cambios y contine flexible y su superficie sufra modificaciones en las fases que
favorezcan a su utilidad.
Pgina | 23
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
Los tratamientos trmicos son procesos aplicados para modificar y mejorar las
caractersticas de los aceros o materiales utilizados (piezas, herramientas o
componentes en las mquinas y/o equipos industriales). Estas modificaciones
buscan que las piezas cuenten con caractersticas como resistencia al desgaste,
tenacidad, friccin, maquinabilidad, entre otras, y aunque se logran estos objetivos,
se afecta la pieza en su totalidad tanto interna como externamente y con bajo control
en la reproductividad de los resultados. Con el desarrollo tecnolgico de la
actualidad, donde las exigencias y requerimientos del material son an ms altas,
estos tratamientos no son suficientes para brindar solucin a este tipo de demandas.
En Colombia se vienen utilizando tratamientos trmicos fsicos (revenido, recocido,
normalizado y temple); Tratamientos que modifican toda la estructura del acero, y
los resultados obtenidos dependen de las diferentes variables (tiempo, temperatura
y/o transformacin), y estas variables son fcilmente afectadas por condiciones
externas en el proceso. Adems, algunos requieren procesos adicionales como el
enfriamiento en agua, aceite, soluciones salinas o al ambiente, para lograr los
cambios solicitados.
Ahora bien, no es fcil lograr estos resultados con estos tratamientos en piezas
tridimensionales o con geometras complejas, pues no se logran superficies
homogneas ni con espesores regulares. Adicional a esto, si varias piezas requieren
caractersticas idnticas, estos procesos no tienen la facilidad de reproducir dichas
caractersticas con los mismos resultados de calidad, durezas, fases y propiedades;
siempre existirn diferencias.
Pgina | 24
1.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA
Qu tan significante es el cambio de dureza del acero AISI6/SAE7 4140, tratado
trmicamente con el proceso de lser1 pulsado Nd-YAG2, a los tratados con mufla
y a qu aplicacin industrial se puede optimizar utilizando los procesos
anteriormente mencionados, mejorando la reproducibilidad de los resultados
(dureza, resistencia al desgaste, resistencia a temperaturas, resistencia a la
corrosin) con un mayor control de las variables?
1.3 HIPTESIS
El proceso con laser1 es una tcnica de vanguardia en los tratamientos trmicos,
pues al modificar la estructura superficial de la pieza, logra marcar la diferencia con
los tratamientos convencionales, alcanzando un mayor control en la reproducibilidad
del proceso y un avance tecnolgico notable, en el control de las variables como la
energa y microdureza.
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2. JUSTIFICACIN
Este proyecto busca ser pionero en la ETITC, constituyendo un punto de partida
para el desarrollo de nuevas iniciativas de investigacin aplicada o bsica, para
promover as el desarrollo tecnolgico, la creacin de empresa y la fabricacin de
mquinas o equipos. Un trabajo que busca ser reconocido por su impacto,
beneficios, avance tecnolgico y nivel de investigacin, adems de ser una
herramienta de conocimiento y crecimiento profesional para las autoras, que
constituya un escaln ms en el proceso de formacin como Ingenieras de Procesos
Industriales.
En la dcada de los aos 60 se descubre un dispositivo que revoluciona los
procesos de tratamientos trmicos: el lser1. Pero es solo hasta los aos 80 que el
lser1 se comienza a utilizar para conocer realmente sus aplicaciones, y es, en ese
momento, cuando se determina uno de los mejores lseres: el de Nd: YAG2, un
lser1 pulsado que realiza procesos de tratamientos trmicos con excelentes
resultados en las piezas tratadas, modificando solamente la superficie de la pieza
sin alterar su estructura interna. Es ms, sus resultados son fcilmente
reproducibles en la cantidad de piezas que se requieran, por tanto, la calidad
obtenida es la misma en cada una de ellas; este resultado se logra gracias a que
las variables no son afectadas por condiciones externas. Estos resultados, en
correspondencia, potencializan las propiedades de los aceros y, por consiguiente,
sus aplicaciones en la industria. Para este tipo de tratamiento, se defini el acero
AISI6-SAE7 4140 (Acero al medio carbono aleado) como el ideal para desarrollar la
investigacin; este es un acero de aleacin que puede permitir una buena
penetracin de la dureza, homogeneidad de la misma y resistencia al desgaste.
Dentro de los resultados esperados, se lograr que piezas como los esprragos o
tornillos (piezas claves en una caldera, una turbina de vapor o plantas qumicas,
que necesitan caractersticas de resistencia de temperaturas que oscilan entre los
150C a 300C), puedan resistir temperaturas superiores a las que son expuestas
en las condiciones de operacin normales en los equipos de los que hacen parte,
ampliando as la vida til de la pieza y mejorando las condiciones de operacin de
la mquina. Finalmente, se busca brindar nuevos conocimientos y campos de
aplicacin con procesos limpios y econmicamente rentables y sostenibles.
Pgina | 26
3. OBJETIVOS
3.1 OBJETIVO GENERAL
Realizar el anlisis de los cambios de microdureza obtenidas en el acero AISI6/SAE7
4140 tratado trmicamente en: horno tipo mufla y con lser1 pulsado Nd: YAG2.
3.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Describir el proceso de ataque con lser1 pulsado Nd: YAG2 en piezas de
acero AISI6-SAE7 4140.
Atacar probetas con lser1 pulsado Nd-YAG2, variando la cantidad de
energa.
Tratar trmicamente probetas a diferentes temperaturas en horno tipo mufla.
Analizar los cambios de microdureza y microestructura obtenidos en cada
tratamiento.
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4. MARCO REFERENCIAL
4.1 ANTECEDENTES
Las piezas, elementos y herramientas que conforman las mquinas y equipos que
se utilizan en la industria aviacin, aeroespacial, automotriz y petroleras, requieren
propiedades fsico-qumicas especiales como los son: la capacidad para soldarse,
dureza, tenacidad y resistencia a altas temperaturas, entre otras. En la dcada de
los 60 aparece el primer laser1 de alta energa y es hasta la dcada de los 80, que
se inicia el uso del lser1 en tratamientos trmicos para generar lminas delgadas
que cumplan las caractersticas ya mencionadas, las cuales son difciles de obtener
con las tcnicas convencionales. A continuacin se citan algunos artculos y tesis
relacionados con el tema de investigacin, Para documentar el estado del arte en el
campo de estudio.
A nivel internacional los documentos sobre la investigacin son suficientemente
amplios y entre los cuales se encuentran:
Los Sr. Salas, Garca, Fernndez, et al, autores del artculo titulado
Regmenes de ablacin9 lser1 en la elaboracin de pelculas delgadas,
(Venezuela, 2010) tenan la intencin de estudiar la interaccin lser1-
materia, para conocer la fsica involucrada. Mejorar los mecanismos de
ablacin9, de manera que sea posible optimizar el proceso de creacin de
pelculas delgadas, para esto analizaron los regmenes de ablacin9 (pulsos
cortos y largos), relacionando el tiempo (nano10, pico11 y femto12 segundos)
y la interaccin laser1-materia y buscando una ecuacin que permita estimar
la densidad de potencia para remover materia de la muestra (ablacin9 en
los diferentes regmenes). Con este anlisis se concluy que de acuerdo a
9 Ablacin: Fs. Irradiacin con un lser para remover parte de la superficie de un material, sea esta un slido o lquido 10 Nano: del latin nanus enano. Significa una milmillonsima (109) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el
submltiplo correspondiente. (Smbolo .n). 11 Pico: Significa una billonsima (1012) parte. Con nombres de unidades de medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo p). 12 Femto: Del noruego y dans femten quince. Significa una milbillonsima (1015) parte. Con nombres de unidades de
medida, forma el submltiplo correspondiente. (Smbolo. f).
Pgina | 28
los regmenes y al proceso de deposicin, se determina la mnima fluencia13,
y que para materiales dielctricos, as como materiales con alta densidad de
enlaces y slidos con gran contenido de enlaces covalentes e inicos, se
requiere mayor fluencia13 de energa en el haz lser para que ocurra la
ablacin9. (SALA P., y otros, 2010)
Otro artculo de inters es el publicado por los seores Martinez, Ukar y
Lamikiz (Espaa, 2010) Simulacin del proceso de temple por lser1 en
piezas de geometra compleja, donde se busc determinar el espesor
endurecido y campo trmico en operacin de temple por lser1, haciendo uso
de un software. Para esto se hizo una simulacin del proceso real del temple
para estandarizar los parmetro dependientes: tipos de lser1, materiales,
condiciones de trabajo (prdidas globales del proceso, potencia conducida
para aumentar temperatura y parmetro de transformacin del material
(curvas de calentamiento)), y se realiz una serie de pulsos de distinta
duracin y potencia sobre la pieza con un lser1 de diodos de alta potencia
sobre el acero AISI D214, para obtener los parmetros que gobiernan las
ecuaciones de transformacin en estado slido y predecir el porcentaje de
fase austenizada junto con la profundidad de capa afectada trmicamente,
como resultado se obtuvo que la dureza del AISI D214 luego de los ajustes
de los parmetros fue de 62 HRC15, cuando en estado original posea una
dureza de 28 HRC15. (MARTNEZ , y otros, 2010)
En Venezuela (2001) Ricardo Castell autor del artculo Ablacin9 lser1.
estudio fundamental y aplicacin de los plasmas, buscaba obtener
informacin cuantitativa sobre parmetros caractersticos (densidades
electrnicas y temperaturas), de tales plasmas, as como tambin la
evolucin espacio-temporal de estados atmicos excitados de inters
especfico, por medio de una espectroscopia a dichos plasmas los cuales
eran de Ti16 y Zr16, generados por un lser1 pulsado con gas (Oxgeno o
Nitrgeno), que producen un revestimiento el cual modificaba las
caractersticas y propiedades superficiales de un material. Sus conclusiones
fueron que el estudio es fundamental en el desarrollo de modelos tericos,
13 Fluencia: La energa emitida por pulso por unidad de rea normal al haz. 14 AISI D2: es un acero de herramientas para trabajo en fro. (GGD METALS) 15 HRC: Hardeness Rockwell C-Dureza Rockwell C. 16 Ti: Titanio y Zr: Circonio.
Pgina | 29
que la temperatura favorece a la reaccin entre un material removido de un
slido y un gas que forman compuestos, los cuales al adherirse a la superficie
de un material cambia sus propiedades fsicas y finalmente que los
parmetros del proceso tales como la temperatura del substrato17, la presin
del gas atmosfrico y la distancia blanco-substrato17 deben ser optimizados
para asegurar la elaboracin y adherencia de revestimientos cermicos
homogneos y de calidad. (CASTELL M., 2001)
El Artculo sobre Modelacin del endurecimiento superficial por lser1 del
acero AISI W11218 mediante el mtodo de elementos finitos, donde los
autores Coureaux, Sagar, Juy y Rodrguez (Espaa, 2009), buscaban
estimar el endurecimiento superficial por lser1 evaluando: la influencia de la
potencia, dimetro del haz, velocidad del barrido, microestructura y dureza
de la superficie tratada. Para esto se hizo una modelacin y una simulacin
experimental, con nueve casos teniendo en cuenta las variables: potencia
(W), dimetro (mm), velocidad (mm/s); tabulando los resultados y
comparando la profundidad endurecida experimental obtenida y la
profundidad endurecida modelada. Como resultados se obtuvieron:
martensita en la superficie hasta una determinada profundidad, dependiendo
las condiciones del tratamiento en la zona atacada, en la zona de transicin
de gnero martensita mas cementita secundaria y en la zona no afectada se
mantiene la estructura original (perlita globular), en conclusin La mejor
condicin de los tratamientos superficiales con lser1 evidenciada por la
relacin microdureza Vs. Profundidad del endurecimiento fue la combinacin
de potencia 100W, dimetro de 0,6 mm y la velocidad de barrido 1,0 mm/s,
obteniendo una profundidad endurecida de 0,25 mm y un ancho de 0,75 mm.
En esta combinacin se obtuvo una dureza por encima de los 1000 HV19
hasta una profundidad de 0,18 mm y una micro dureza de 400 HV19 hasta la
profundidad de 0,25 mm en una zona de transicin. En el resto del material
se presenta la estructura original no afectada por el calor con una dureza de
224 HV19 (COUREAUX MUSTELIER, y otros, 2009). (ver Figura 1)
17 Substrato: Capa que est por debajo de otra. 18 AISI W112: acero para fabricacin de herramientas de corte e implementos agrcolas. 19 HV: del Ingls Hardness Vickers Number (Nmero de dureza Vickers)
Pgina | 30
Figura 1. Resultado modelacin del acero AISI W11218
Fuente: (COUREAUX MUSTELIER, y otros, 2009 pg. 56)
En el artculo Estudio del endurecimiento superficial por lser1 de
fundiciones grises, los autores Maco y Belzunce (Espaa, 1998) su objetivo
realizar un endurecimiento superficial con lser1 a tres fundiciones grises.
Teniendo en cuenta la variacin de microestructura, la profundidad
endurecida y la dureza obtenida, modificando la densidad de potencia y
velocidad de pasada, se utilizaron probetas en bloques sin tratamiento
trmico adicional, se recubrieron con pintura negra mate para garantizar la
absorcin de energa y evitar su perdida, luego fueron atacadas con lser1
de CO2 de 1800 W, la velocidad de pasada se fue aumentando de 50 en 50
unidades, dando como resultado una estructura ledeburitica y por debajo una
martensita, alcanzando una propiedad de dureza muy alta. (MACO, y otros,
1998)
Un artculo que describe el inicio del uso del lser1 en los procesos, es el
titulado Obtencin de capas delgadas por ablacin9 lser1 (Mxico, 1994),
sus autores Ponce, Fernndez, Jimnez y el at, queran dar a conocer las
tcnicas de ablacin9 lser1 para obtencin de capas delgadas, donde
hicieron una descripcin de los mtodos, principios fsicos y mecnicos del
proceso. Para su desarrollo utilizaron pastillas de grafito y selenio las cuales
fueron atacadas por un lser1 de Nd: YAG2 para realizar el experimento,
concluyeron que este lser1 es un sistema de alta energa, que proporciona
amplias gamas de evaporacin de diferentes materiales, adems lograron
evaporar selenio amorfo con buena calidad ptica y evaluar algunos
parmetros del plasma durante la evaporacin de grafito. (PONCE, y otros,
1994).
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En Colombia los documentos relacionados con la investigacin son pocos en su
mayora los encontrados son de la Universidad Nacional de Colombia de las sedes
de Medelln y Bogot, los cuales se mencionan a continuacin:
En el artculo ms reciente titulado Lattice-Boltzmann methodapplied to the
pattern formation on periodic Surface structures generated by multiline nano-
seconds lser19, los autores Fonseca, Alfonso y Andrade (Colombia, 2014)
validan por medio del mtodo de Lattice-Boltzmann y simulan la formacin
de patrones en superficies atacadas con lser1 pulsado de Nd: YAG2, se usan
muestras de silicio, las cuales fueron atacadas con un lser1 de Nd: YAG2 y
asistidas con soplado de gas de argn, como resultado se comprob que el
Mtodo de Lattice-Boltzmannque se puede reproducir bastante bien los
peridicos paralelos, estructuras, rayas y diagonales, encontrados
experimentalmente con el uso del lser1. (FONSECA., y otros, 2014)
En el artculo Refractiveindex of multiline nanosecond laser-induced periodic
Surface structures and poroussilicon sus autores Alfonso, Andrade y Arroyo
(Colombia. 2011), con el objetivo de estudiar el efecto del tratamiento con
lser1 Nd-YAG2 obleas de silicio mono cristalino, utilizando gas argn y otras
en un ambiente de atmosfera libre, el desarrollo experimental se realiz
atacando la pieza con el lser1 en los diferentes medios, y a travs de las
pruebas de reflectancia20 se comprob el porcentaje de energa reflejada. En
conclusin se tiene que en el ambiente con gas argn se refleja del 10% al
30% en la regin UV y del 60% al 80% en la regin IR, mientras en el
ambiente libre se presentaron estructuras y propiedades caractersticas del
silicio poroso. (ALFONSO ORJUELA, y otros, 2011)
Para finalizar en la tesis de doctora del Sr. Alirio Castillo titulada Produccin
y caracterizacin de pelculas en bicapas de BC/BC2N21 crecidas por la
tcnica de ablacin9 laser1 (Colombia, 2010) se buscaba encontrar un
mtodo de sntesis para preparar recubrimientos de fcil aplicacin, se
sintetizaron las pelculas de BC21, BC2N21 con un lser1 PLD22, usando un
substrato de silicio como base y una atmosfera de metano, tomaron como
variable la temperatura depositada al substrato, el resultado fue que luego de
20 Reflectancia: (fsica). Propiedad de un cuerpo de reflejar la luz. 21 BC: Carburo de boro y BC2N: Nitro carburo de boro 22 PLD: sigla de Pulsed laser deposition - Deposicin por lser pulsado
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la usar las diferentes tcnicas (TEM, AFM, XRD y SIMS)23 en las dos
pelculas, la temperatura modifica la composicin de la capa en una ms que
en la otra, variando su microestructura. (CASTILLO CUERO, 2011)
4.2 MARCO CONCEPTUAL
4.2.1 Acero.
La historia del acero no cuenta con informacin precisa del origen y fecha del
descubrimiento de los aceros, sin embargo en la siguiente tabla (Ver Tabla 1)
encontrara compilado algunos datos encontrados en diferentes fuentes.
Tabla 1. Historia de los aceros
FECHA DESCRIPCIN
3000 A.C. Primeros utensilios y adornos de hierro en Egipto
1500 A.C. Descubrieron el hierro para uso industrial (se mantuvo en secreto hasta 1200
A.C.) Medzamor, Armenia del Norte de Ararat.
1400 A.C. Aceros provenientes del Este de frica
1000 A.C. Los griegos conocan la tcnica de endurecer armas de hierro mediante
tratamientos trmicos
300 A.C. Produccin del acero wootz o damasco24 , en hornos de viento soplado por
los monzones. India y Sri Lanka.
200 A.C. Los indios fabricaban acero.
Los artesanos de la India dominaban un mtodo para producir acero. (Crisol)
202 A.C. y 220
D.C.
Distancia Han en la China antigua, derretan hierro forjado con hierro fundido
para producir acero y mejorar el carbn intermedio.
Siglo IV A.C. Armas como la falcata25 fueron producidas en la Pennsula Ibrica.
Siglo IV D.C Hierro forjado. Aleaciones de hierro fabricado por artesanos.
Aumento del tamao de hornos de fundicin e incremento del tiro para paso
de gases de combustin.
Siglo V En China se adoptan mtodos para la creacin de acero wootz.
Fuente: Elaboracin autores
23 TEM, AFM, XRD y SIMS. Tcnicas de anlisis y observacin de superficies. Ver tabla de abreviaciones. 24 Acero Damasco. Aceros de 15% de carbono, llamados aceros de ultra alto carbono. (MARTNEZ GMEZ, 2012) 25 Falcata. Del lat. [spatha] falcta [espada] en forma de hoz. f. Espada de hoja curva y con estras longitudinales usada por
los antiguos iberos.
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Tabla 1. (Continuacin)
FECHA DESCRIPCIN
Siglo IX al X El acero crucible26 Steel producible por aleaciones de acero, empleando
calor y enfriamientos. Merv
1740 Redescubrimiento del acero al crisol.
Benjamin Huntsman redescubri el procedimiento Indio (Crisol) acero de alta
calidad.
1856 Convertidor Bessemer. Produccin de acero en grandes cantidades (Ver
Figura 2)
1857 William Siemens descarburiza la aleacin de acero con ayuda de xido de
hierro.
1864 Horno de solera abierta. William y Friedrich Siemens. Mtodo para
precalentar el aire inyectado a los hornos.
1902 Paul Herolt invento el horno elctrico para la produccin de aceros.
1948 Se utiliza oxigeno bsico (L-D)27, para los procesos de refinado de acero en
Austria.
1950 Colada continua para producir perfiles laminados, mtodo tradicional de
moldeo.
1960 Produccin de acero a partir de chatarra en mini hornos que emplean
electricidad.
2007 Metales y metaloides en forma de ferro-aleaciones, unidos al acero para
mejorar las propiedades.
Fuente: Elaboracin autores
Figura 2. Convertidor Bessemer
Fuente: http://www.iesporza.educa.aragon.es/hmc/rev_ind_exe/convertidor_bessemer.gif
26 Acero crucible: acero elaborado en diferentes tcnicas basadas en el lento proceso de calentamiento y enfriado del hierro
puro en un crisol, es por ello que al acero crucible se le da el nombre de acero crisol. 27 El convertidor L-D es conocido por los topnimos austriacos Linz y Donawitz (un distrito de Leoben), donde se desarroll
esta tcnica. (MORO VALLINA, 2016 pg. 140)
http://www.iesporza.educa.aragon.es/hmc/rev_ind_exe/convertidor_bessemer.gifPgina | 34
4.2.1.1 Definicin de Acero. El acero es una aleacin de hierro carbono
(mximo de 2% de carbono), al cual se le adicionan variados elementos de aleacin,
estos le confieren propiedades mecnicas especficas ideales para sus diferentes
usos en la industria (ver Figura 3). Los principales elementos de aleacin son:
Cromo, Tungsteno, Manganeso, Nquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre,
Azufre y Fosforo. (PEA PUERTA, y otros, 2013)
Figura 3. Acero
Fuente: http://acerobsv.com/imagenes/productos/Carbon.jpg
Para producir el acero se requiere mineral de hierro, carbn de coque y piedra
caliza, los cuales se funden en un alto horno; de este proceso resulta la escoria
(residuos) y el arrabio (alto contenido de carbono), este es transportado a los hornos
para disminuir su contenido de carbono al mezclarlo con ferroaleaciones, fundentes
o chatarra y as obtener el ACERO fundido.
Finalmente este acero lquido pasa a las coladas o moldes que le dan su forma final
para ser comercializado. (Ver Figura 4).
http://acerobsv.com/imagenes/productos/Carbon.jpgPgina | 35
Figura 4. Produccin del Acero
Fuente: (MAMLOUK, y otros, 2009 pg. 93)
Pgina | 36
4.2.2 Tipos de Acero.
Existen muchas formas de clasificar e identificar los aceros, pero existe una
normalizacin estandarizada expresa por cifras, letras y signos. Se usan dos
componentes para la identificar el tipo de material, uno es simblico y otro numrico.
El simblico hace referencia a las caractersticas qumicas, fsicas o tecnolgicas
del material, mientras que la numrica expresa una codificacin alfanumrica que
tiene un orden y clasificacin de elementos. Las normas AISI6/SAE7 clasifican los
aceros en diferentes grupos, segn su composicin d % de Carbono. (Ver Figura
5).
Figura 5. Tipos de acero segn AISI6/SAE7
Fuente: (KRAUSS, 2015)
Aceros al carbono.
La norma AISI6/SAE7 utiliza el siguiente esquema: AISI6/SAE7 10XX, donde XX
indica el contenido de Carbono (C), los dems elementos presentes no estn en
porcentajes de aleacin al ser pequeo su valor. Ms del 90% de los aceros son al
carbono. Pues contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de
manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. (MAMLOUK, y otros, 2009)
Aceros aleados.
Los que contienen adems de hierro y carbono, otros elementos que aumentan su
resistencia. En la Figura 6, se relaciona la clasificacin de los aceros segn su
porcentaje de carbono y otros compuestos.
Pgina | 37
Figura 6. Clasificacin de los aceros
Fuente: (KRAUSS, 2015)
Pgina | 38
4.2.2.1 Acero de cromo molibdeno. El Acero AISI6/SAE7 4140 est
clasificado dentro de los aceros Cromo-Molibdeno (Cr-Mo) por ser de baja aleacin
y medio carbono, se considera un acero de alta aleacin diseada para que tenga
buena resistencia y tenacidad. Se encuentra en dos formas: templado (4140) y pre-
templado el cual se trata trmicamente en la fundicin (4140HJ). (PEA PUERTA,
y otros, 2013 pg. 43)
Es un acero con una dureza en recocido (190 HBN28 91 HBN28) o pre-templado
247-301 HBN28 (24-32 HRC29). Su contenido de cromo le permite una buena
penetracin de la dureza y resistencia, el cromo forma carburos simples (Cr_7
C_3-Cr_4 C y complejos) {(FeCr)3 C}, que tienen alta dureza y resistencia al
deterioro, estos carburos de cromo al ser duros afinan el tamao de grano,
aumentando la tenacidad y la dureza. El molibdeno es fuerte formador de carburos,
los cuales se disuelven con la ferrita y ejerce un fuerte efecto de templabilidad y
aumento de la dureza, dndoles homogeneidad y resistencia a altas temperaturas.
Este acero responde bien al temple al aire y en aceite, elevando con esto sus
propiedades y obteniendo: resistencia al desgaste, torsin, flexin, traccin y
corrosin atmosfrica, capacidad para soldarse soldabilidad, tenacidad y
ductilidad. (ESTEVES, y otros, 1980 pgs. 38-39). En el Anexo A, muestra la ficha
tcnica del acero AISI6/SAE7 4140, utilizado para el desarrollo experimental del
proyecto.
4.2.3 Diagrama Hierro Carbono.
Los aceros trabajados en la industria no son 100% metales, son aleaciones. Dentro
de estas aleaciones est el hierro que se encuentra en mayor proporcin y el
carbono que de acuerdo al porcentaje contenido tiene influencia en las propiedades,
caractersticas y tratamientos del acero. Es por eso que el diagrama Fe-C30 es una
representacin grfica de las transformaciones de las aleaciones en
calentamientos, enfriamientos lentos.
La temperatura genera procesos de transformacin de disolucin y solidificacin de
los metales, cuando la concertacin que tiene la temperatura de solidificacin
28 HBN: Hardness Brinell Number (Ingls) Nmero de dureza Brinell. Ver tabla de abreviaciones 29 HRC: Hardness Rocknell Series A, B, C (HRA, HRB y HRC) (Ingls) Numero de dureza Rocknell serie A, B, C
30 Fe: Hierro y C: Carbono
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inferior a las dems concentraciones (APRAIZ BARREIRO, 2000), se le denomina
concentracin EUTECTICA, cuando la solucin aumenta la concentracin de
materia disuelta, se le denomina HIPEREUTECTICA y cuando la concentracin de
materia disuelta disminuye, se le denomina HIPOEUTECTICA.
4.2.3.1 En las aleaciones Hierro Carbono. El carbono se encuentra
combinado con hierro, formando carburo de hierro (Fe3C)31, o cementita, que
contiene 6,67% de carbono. Es un compuesto con propiedades definidas y
diferentes a las del hierro y el carbono.
En la aleacin Fe-C30, existe una aleacin eutctica (ledeburita), con 35,5% de Fe30,
64,5% de Fe3C31 y 4,3% de C30, la cual presenta el punto de solidificacin ms bajo.
(APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 24)
Al iniciarse la solidificacin se precipitan cristales de Fe30 con el Fe3C31, estas son
soluciones hipo-eutcticas, y en las soluciones hiper-eutcticas se precipitan
cristales de Fe3C31. El contenido de Fe3C31 vara entre 0 y 25.5% (1.7% de C30), el
Fe3C31 a altas temperaturas se va precipitando formado cristales de austenita que
con enfriamiento lento se va transformando en (Ver Figura 7):
Cristales de Austenita
Cristales de Hierro (Ferrita)
Cristales de Carburo de Hierro (Cementita) y
Cristales eutectoides con 0.90% de Carbono (Perlita)
31 Formula qumica del carburo de hierro (Fe3C)
Pgina | 40
Figura 7. Diagrama Hierro Carbono (Fe-C)
Fuente: Tratamiento Trmico de los Aceros. (APRAIZ BARREIRO, 2000)
Tabla 2. Transformacin Austenita-perlita y viceversa
TEMPERATURA CELSIUS
Calentamiento 725 a 740C
Enfriamiento 690 a 700C
Fuente: (APRAIZ BARREIRO, 2000)
Cuando ocurre este proceso de enfriamiento lento de la austenita, si esta contiene
ms de 0.90% de C30 aparecern primero cristales de cementita, mientras que si su
contenido es menor al 0.90% C30, aparecern inicialmente cristales de ferrita, hasta
que quede una composicin eutctoide (0.90% C30) y la masa restante ser una
composicin de los cristales iniciales. La solubilidad del Fe3C31 en el Fe30 es total
a 1145C donde la austenita es de 25.5% Fe3C31 (1,7% C30), en temperaturas poco
por encima de 721C no hay solubilidad y por debajo de 721C el Fe3C31 es insoluble
en el Fe30 (0,035% C30) Ver Tabla 2. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 14)
Estas temperaturas varan dependiendo de la velocidad con que se de cada una, el
hierro puro, no sufre transformacin a 721C. Una comparacin de las
caractersticas de cada uno de los hierro se muestra en la Tabla 3 (BAWA, 2007
pg. 402)
Pgina | 41
Tabla 3. Comparativo Hierros alfa, gamma y beta
HIERRO ALFA () HIERRO GAMMA () HIERRO DELTA ()
Hierro puro
%C bajo a T entre 898C -
910C
No disuelve el C30 ni el Fe3C 31
, si lo hace es en
concentraciones de 0,035% a
721C o 0.008% a
temperatura ambiente.
Disposicin atmica a T
ambiente (estado slido)
cubo en cuerpos centrados (
9 tomos 1 centro 8
vrtices) Parmetros del
sistema cristalino 2.85 a 2.90
32
Hierro () No magntico
aparece a 910 a 768C
Hierro () magntica aparece
por debajo de 768C.
Estos hierro cristalizan de la
misma forma y su capacidad
de disolucin del C30 es casi
igual.
Se encuentra en
temperaturas entre
898C -910C.
Disuelve el C30 o el
CFe331 a 1,7%
Disposicin atmica
cubos en caras
centradas (14 tomos
6 caras 8 vrtices)
Parmetros del sistema
cristalino 3,65 a 3.70 32
Se presenta en
temperaturas
entre 1535C y
1400C
Disposicin
atmica cubos en
cuerpos
centrados.
Parmetro del
sistema cristalino
2.93 32
No es interesante
este estado a nivel
industrial.
Fuente: Elaboracin autores
Puntos crticos de los aceros aleados:
Se clasifican los aceros en tres grupos, hipoutectoides, eutectoides e
hiperutectoides.
- Los aceros hipoutectoides son de poco uso, solo tienen un punto crtico
Ac32133, donde los componentes se transforman bruscamente en austenita,
en el enfriamiento ocurre lo contrario la austenita se transforma en perlita en
el mismo punto crtico Ar32134.
- Los aceros hipoutectoides son usados para la fabricacin de mquinas y
herramientas, tienen dos puntos crticos Ac133 (formacin brusca de austenita
32 Armstrog: Unidad de longitud que equivale a la diezmillonsima parte de un milmetro (1 =0,0000001 mm). el armstrog
se emplea para mediciones de tomos" 33 Chauffage (francs) Calentamiento "Ac" 34 Refroidissement (francs) Enfriamiento "Ar
Pgina | 42
eutctica) y Ac333 (estado austnitico completo), en el enfriamiento los puntos
crticos son los mismos Ac133 y Ac333.
- Los aceros hiperutecticos son usados en la fabricacin de herramientas, sus
puntos crticos no estn definidos pues los anlisis muestran variaciones en
las temperaturas (20 a 60C), lo que no permite definir exactamente los
puntos crticos en Ac33 y Ar34. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 39)
Procedimiento para determinar los puntos crticos:
Entre estos procedimientos encontramos: la temperatura, la absorcin o
desprendimiento de calor, la expansin o contraccin, cambio de dureza y tamao
de grano, propiedades magnticas entre otras. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pg. 45).
Los usados en este proyecto fueron la medida de dureza y cambio de grano,
adems del mtodo metalogrfico, estos se explican brevemente a continuacin:
- Medida de dureza y cambio de grano: Se calienta el material a diferentes
temperaturas crecientes y escalonadas, luego utilizando un medio se enfran
rpidamente. Con esto proceso se obtiene la mayor dureza y el grano ms
fino.
- Mtodo Metalogrfico: Estudio de la estructura que se obtiene al enfriar
rpidamente la probeta del acero a temperaturas variables y ataque.
4.2.4 Estructura de los materiales.
Se explican los aspectos relacionados con la estructura atmica, cristalina y
microestructura, aspectos importantes y fundamentales por cada material, sus
propiedades y aplicaciones.
Estructura atmica
La unidad estructural de la materia es el tomo. La estructura atmica es como
estn formados los tomos que forman a los materiales, su disposicin geomtrica
y la interaccin entre ellos (HINOJOSA, 2007).
Pgina | 43
Las partculas que forman el tomo son:(Ver Figura 8 ):
- Electrones (carga negativa)
- Protn (carga positiva)
- Neutrn (carga neutra)
Figura 8. Partculas elementales del tomo
Fuente: http://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwy QcbI/AAAAAAAAADs/
54DCTJLQD3E/s1600/atomo.png
La unin de los tomos forma las molculas y la unin de las molculas crea las
distintas formas de la materia. Para mantener unidos estos elementos en el tomo,
existen enlaces como son: inico, covalente y metlico. En los metales se presenta
el enlace metlico, pues en estado slido, los tomos de los metales tienen una
ordenacin sistmica o estructura cristalina. Los tomos estn tan juntos que los
electrones externos de valencia son atrados por los ncleos de los tomos
cercanos. Con esto es claro que los electrones de valencia no pertenecen a un nico
ncleo sino que se extienden en forma de nube electrnica de carga de baja
densidad (GROOVER, 1997 pg. 98).
Los tomos y las molculas son los elementos de construccin de la materia y en
esta se pueden distinguir dos estructuras: la cristalina y la no cristalina. Como la
estructura cristalina es una caracterstica de los metales nos enfocaremos en su
explicacin.
Estructura cristalina
En esta estructura los tomos se disponen en orden geomtrico conocido como
malla o red espacial. Esta estructura se alcanza en los metales y la mayora de los
minerales. Como lo menciona E. Paul Demargo y et al: Estas mallas son
descriptibles mediante un conjunto fundamental que se repite peridicamente en el
http://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwyQcbI/AAAAAAAAADs/54DCTJLQD3E/s1600/atomo.pnghttp://4.bp.blogspot.com/-BwIV06wcgUE/VkkbBwyQcbI/AAAAAAAAADs/54DCTJLQD3E/s1600/atomo.pngPgina | 44
espacio (DEGARMO, y otros, 1988 pg. 82), este conjunto recibe el nombre de
celdas unitarias35. Las cuales son un arreglo ordenado de tomos en tres
dimensiones.
La estructura cristalina se refiere al tamao, la forma y la organizacin atmica
dentro de la red de un material (Ver Figura 9).
- Red. Conjunto de puntos ordenados de acuerdo a un patrn que se repite
en forma idntica.
- Punto de red. Punto que conforma la red cristalina. Cada punto es idntico
en cualquier otra parte del material.
- Celda unitaria35. Subdivisin de la red cristalina que conserva las
caractersticas de la red.
Figura 9. Estructura cristalina
Fuente: http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/CELDA.gif
Una de las estructuras comunes que adoptan los metales es el cristal cbico
centrado en el cuerpo BCC36 (Ver Figura 10), con este se ilustra el concepto.
35 Celda Unitaria: Volumen ms pequeo que presenta todas las caractersticas del cristal. (TIPLER, y otros, 2005). 36 BCC sigla en ingls Body Center Cubic - Cbico Centrado en el Cuerpo
http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/CELDA.gifPgina | 45
Figura 10. Estructura Cristalina BCC36
Fuente: (GROOVER, 1997 pg. 33)
a) Celda unitaria35. Posicin de tomos en sistema tridimensional de ejes.
b) Modelo celda unitaria35. Apilado de los tomos
c) Patrn repetitivo de la estructura
Las celdas tienen espacios extremadamente pequeos del orden de 432 en el
borde o aproximadamente 10-7mm a este espacio se le denomina factor de
empaquetamiento, el cual es la fraccin de espacio ocupada por los tomos,
suponiendo que son esferas duras que se encuentran en contacto con su vecino
ms cercano.
Tipos de estructura cristalinas (Ver Figura 11).
Son comunes tres estructuras de retculas cristalinas entre los metales:
- Cbica centrada en el cuerpo (BCC)36
- Cbica centrada en la cara (FCC)37
- Hexagonal compacta (HCP)38
Algunos metales sufren cambios de estructura a diferentes temperaturas, por
ejemplo el hierro es BCC36 a temperatura normal y cambia a FCC37 a temperatura
por encima de 912C y vuelve a BCC36 a temperaturas superiores a 1400C.
Cuando un metal cambia de estructura, se dice que es alotrpico. (GROOVER, 1997
pg. 36)
37 FCC sigla en ingls Face Centered Cubic Cbico Centrado en Caras 38 HCP sigla en ingls Hexagonal closed packed Hexagonal Compacta
a b c
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Figura 11. Estructuras Cristalinas
Fuente:http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/3-Estructuras_Cristalinas.pdf
Tamao y lmite de grano.
A medida que un metal se solidifica, se forman pequeas partculas slidas, las
cuales poseen una estructura reticular propia del metal analizado. A estas partculas
se les adhieren otros tomos cercanos, generando el crecimiento del slido y
resultando un cristal con el mismo patrn repetido en el espacio. Los fragmentos
continuos de slidos se llaman cristales o granos y las superficies que los separan
se conocen como lmites de granos. (SHACKELFORD, y otros, 2010 pg. 432)
- Tamao de grano. Este puede variar desde unos pocos nanmetros a varios
milmetros. Un material de grano fino ser ms duro y resistente. La dureza
es inversamente proporcional al tamao de grano La norma ASTM39 E112-
13, establece Standart test methods for determining average grain size40, a
continuacin se muestra Figura 12 tomada del Anexo 1 Base ASTM39 del
nmero de tamao de grano. (CALLISTER, Jr., 2007 pg. 86)
39 ASTM - Asociacin amrica para ensayos de materiales 40 ASTM E112-13.Mtodo estndar para la determinacin del tamao de grano.
BCC FCC HCP
http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/cmI/3-Estructuras_Cristalinas.pdfPgina | 47
Figura 12. Tamao de grano
Fuente: (ASTM International, 2013 pg. Anexo A1)
Las propiedades del tamao de grano son:
a) Mayor tamao de grano, menor conductividad elctrica, pues el lmite de
grano impide el movimiento de los electrones.
b) Menor tamao de grano, mayor resistencia mecnica. El lmite de grano fija
las dislocaciones impidiendo su movimiento.
- Lmite de grano. Este lmite separa dos pequeos granos o cristales que
tienen diferentes orientaciones cristalogrficas (Ver Figura 13), surge como
mecanismo de crecimiento del grano o cristalizacin. En estas zonas
estrechas los tomos no estn correctamente espaciados. En algunos sitios,
los tomos estn tan cerca unos de otros en el lmite de grano que crean una
regin de compresin41 y en otras reas estn tan alejados que crean una
regin de tensin42. (CALLISTER, Jr., 2007 pg. 83)
41 Compresin F. Presin a que est sometido un cuerpo por la accin de fuerzas opuestas que tienden a disminuir su
volumen. 42 Tensin Fs. Fuerza por unidad de rea en el entorno de un punto material sobre la superficie de un cuerpo.
Pgina | 48
Figura 13. Lmite de grano
Fuente: http://cienciaymateriales.blogspot.com.co/2013_04_01_archive.html
Microestructura.
Los aceros estn formados por cristales y/o zonas amorfas, lo que difiere en sus
propiedades fsicas; a este conjunto de cristales o amorfos se les denomina fases y
al conjunto de fases que conforma un material se le denomina microestructura. Un
acero puede tener hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: ferrita,
cementita, perlita, austenita, martensita, troostita sorbita, bainita, ledeburita,
steadita y grafito. A continuacin se describen las principales, con sus
caractersticas y propiedades. (BAWA, 2007 pgs. 401-402)
- Ferrita: es hierro alfa () o hierro casi puro con un porcentaje bajo de silicio,
fosforo y otras impurezas (Ver Figura 14). En los aceros aleados se forma
una solucin solida con cromo, aluminio, nquel, etc.
Cristalizan en sistemas cbicos centrado en caras (FCC)37 3636, se transforma en
austenita a 912C, tiene una resistencia de 28 Kg/mm2 aprox., y una dureza de 95
HV19, es la fase ms blanda, dctil, maleable y magntica por debajo de 768C.
(PEA PUERTA, y otros, 2013 pgs. 30-31)
http://cienciaymateriales.blogspot.com.co/2013_04_01_archive.htmlPgina | 49
Figura 14. Ferrita (cristales blancos)
Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita
Como lo menciona Jose Apraiz la ferrita, puede aparecer como (APRAIZ
BARREIRO, 2000 pgs. 105-122):
a) Elemento proeutectoide en forma de cristales mezclados con la perlita
< 0,55% C30, formando una malla que limita el grano de perlita 0,55-
0,85% C30 y agujas o bandas aculares, en la direccin del plano
cristalogrfico de austenita.
b) Elemento eutctoide de la perlita, forma laminas paralelas separadas por
lminas de cementita.
c) En los aceros de herramientas (0,9-1,4% C30), aparece como matriz que
rodea los glbulos de cementita.
d) Elementos hipoutectoides templando, mezclada con martensita, formado
zonas blancas irregulares o agujas finas.
- Cementita: Carburo de hierro (Fe3C31) 6,67% C30 y 93,33% Fe30 en peso, es
el constituyente ms duro y frgil, presenta mayor dureza por encima de 960
HV19 y cristaliza en forma de paraleleppedo ortorrmbico, es magntico
hasta los 210C, en adelante los pierde (Ver Figura 15). (PEA PUERTA, y
otros, 2013 pgs. 30-31).
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitaPgina | 50
Figura 15. Cementita (red blanca)
Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita
Luego del ataque aparece como (APRAIZ BARREIRO, 2000 pgs. 105-122):
a) Cementita proeutectoide en acero 0,90% C30, formando una red que
envuelve los granos de perlita.
b) Como parte de la perlita, llamada cementita perltica o eutctoide,
formando lminas paralelas separadas por ferrita tambin laminares.
c) Cementita globular en forma de granos o globulares redondos dispersos
en la matriz de ferrita.
d) Aceros hiperutectoides templados, aparece cementita rodeada de
martensita y otros elementos
e) Cementita terciaria, forma alargada en las uniones de los granos de
carbono inferior a 0,25%.
- Perlita: Constituyente eutctoide, formado por capas alternas de hierro alfa
() ferrita y carburo de hierro (Fe3C31) cementita, 13,5% Fe3C31 y 86,5% Fe30
y 0,9% C30 y 99,1% Fe30, tiene resistencia de 80 Kg/mm2, es ms blanda y
dctil que la cementita, pero ms dura y resistente que la ferrita (Ver Figura
16). Tiene una dureza de 200 HV19. (PEA PUERTA, y otros, 2013 pgs. 30-
31).
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitaPgina | 51
Figura 16. Perlita (cristales oscuros)
Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita
- Austenita: Su nombre se da en memoria del metalrgico Ingls Robert
Austen, es una solucin slida de C30 o Fe3C31 en hierro gamma (),
solubilidad entre 0 a 1,7% C30 a 1130C. Aparece como constituyente de
todos los aceros cuando se supera la temperatura crtica (Ac333 o Accm33), su
composicin es variable, inestable y densa, es una fase dctil, blanda y tenaz.
No es magntico, su resistencia es de 88 a 105 kg/mm2 aprox., y su dureza
est en 305 HV19 Ver Figura 17. (BAWA, 2007 pgs. 401-402)
Figura 17. Austenita
Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitahttp://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitaPgina | 52
- Martensita: Su nombre se da en honor al metalrgico Alemn Martens, es el
constituyente tpico de los aceros templados, formado por una solucin slida
sobresaturada de C30 o Fe3C31 en hierro alfa (), se obtiene por enfriamiento
acelerado desde altas temperaturas, cristaliza en sistema cbico centrado en
cuerpos (BCC)36, sus propiedades fsicas varan segn sus composicin,
aumentando su dureza, resistencia y fragilidad, es el constituyente ms duro,
maneja resistencias de 170 a 250 Kg/mm2 y durezas desde 513 HV19 hasta
937 HV19 ver Figura 18. (APRAIZ BARREIRO, 2000 pgs. 105-122)
Figura 18. Martensita
Fuente: http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenita
4.2.5 Propiedades de los materiales.
Las propiedades de un metal dependen de su estructura atmica, su estructura
cristalina y su microdureza, esto permite conocer su comportamiento y reaccin ante
estmulos externos. (DEGARMO, y otros, 1988 pgs. 36-80)
a) Elasticidad (estructura atmica)
b) Propiedades magnticas (estructura cristalina)
c) Propiedades mecnicas (microestructura)
Las propiedades de los metales se clasifican en: fsicas, mecnicas y tecnolgicas.
Las propiedades fsicas y mecnicas pueden ser importantes al elegir un material
para determinar su aplicacin. En la siguiente tabla agruparemos las principales
propiedades por cada una. (Ver Tabla 4).
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#austenitaPgina | 53
Tabla 4. Propiedades de los materiales.
PROPIEDADES FSICAS PROPIEDADES
MECNICAS
PROPIEDADES
TECNOLGICAS
- Color
- Densidad
- Peso especifico
- Calor especifico
- Coeficiente dilatacin
trmica
- Temperatura de fusin
y solidificacin
- Conductividad trmica
y elctrica
- Resistencia a la
corrosin
- Resistencia
- Dureza
- Elasticidad
- Plasticidad
- Tenacidad
- Fragilidad
- Resiliencia
- Fluencia
- Fatiga
- Ductilidad
- Fusibilidad
- Colabilidad
- Soldabilidad
- Endurecimiento por
temple
- Facilidad de
mecanizado
Fuente: Elaboracin autores
4.2.6 Procesamiento de los materiales.
Estos procesos utilizan energa para alterar la forma, las propiedades fsicas o el
aspecto de una pieza de trabajo a fin de agregar valor al material.
Las formas de energa, incluyen la mecnica, trmica, elctrica o qumica. Esta
energa se proporciona de forma controlada. En la mayora de los casos se requiere
ms de una operacin para transformar el material inicial a su forma final.
(GROOVER, 1997 pg. 13). Existen tres categoras en estos procesos:
a) Formado
b) Para mejorar propiedades
c) Procesos de superficie
El proceso de formado altera la geometra del material (fundicin, forjado y
maquinado), los procesos para mejorar las propiedades agregan valor al material,
mejorndolo sin afectar su forma (tratamiento trmico) y finalmente el proceso de
superficies el cual mejora su aspecto (limpieza, tratamiento de superficies,
recubrimientos y procesos de deposicin de partculas delgadas). (GROOVER,
1997 pg. 15).
Pgina | 54
Como el objetivo del proyecto es mejorar las propiedades del material sin afectar su
forma, nos enfocaremos en la explicacin de los procesos de tratamientos trmicos,
mientras que los tratamientos de superficies seran tratados en un ttulo posterior.
(Ver 4.2.8).
Tratamientos trmicos.
Consisten en calentar y mantener por cierto tiempo a una temperatura
determinada el material. Luego enfriarlo controladamente, para conseguir
determinados cambios en su estructura cristalina, como, fases y tamao de
grano. La composicin qumica no resulta afectada y se obtienen unas
caractersticas mecnicas especficas, con garantas en los trabajos
demandados. (APRAIZ BARREIRO, 2000) Los tratamientos trmicos ms
comunes son (Ver Figura 19).
Figura 19. Temperaturas de transformacin
Fuente: http://www.tornillosorquidea.com.ve/tratamientostermicos.html
Se utilizaron los mencionados en la Figura 19, una breve explicacin de cada uno
de ellos se plasma en los siguientes prrafos:
a) Revenido: es un tratamiento que se aplica a los aceros despus que han
sido templadas. Consiste en calentar el material a una temperatura inferior
de la Ac133, buscando la eliminacin de tenciones creadas en el temple, se
mejora la tenacidad, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros
templados. (APRAIZ BARREIRO, 2000).
b) Recocido: el objetivo principal de este tratamiento es ablandar el acero;
como tambin, es utilizado para regenerar su estructura o eliminar
tenciones internas. Consiste en calentar el material a temperaturas
http://www.tornillosorquidea.com.ve/tratamientostermicos.htmlPgina | 55
adecuadas segn su composicin qumica, luego se mantiene esta
temperatura por un tiempo determinado y luego se realiza un enfriamiento
lento el cual normalmente se realiza dentro de un horno. Se clasifican en
tres tipos de recocidos: recocido de austenizacin completa o de
regeneracin, recocidos subcrticos, recocidos de austenizacin
incompleta o globulares. (APRAIZ BARREIRO, 2000)
c) Normalizado: por medio de este tratamiento se eliminan tensiones internas
y se uniformiza el tamao de grano del acero, consiste en llevar el material
a una temperatura ligeramente ms elevada a la crtica superior, segn la
composicin del material, luego se mantiene por un tiempo dicha
temperatura y posteriormente se deja enfriar al medio ambiente. Esto se
realiza con el fin de dejar el acero con una estruc