Universidad de Buenos AiresFacultad de Ingeniera

Conocimiento de Materiales I (67.13)

Trabajo Prctico N 7

Caractersticas del acero IRAM4140

J. T. P.: Ing. Hernn Svoboda. A. T. P.: Hernn Lorusso. Alumnos:Amoedo, Fernando Martn (80787)Coloschi, Mariano (81861) Court, Eugenio (80617)Introduccin

Breve descripcin del proceso de obtencin del acero

El hierro es un metal dctil, que funde a 1535C. Constituye cerca del 5% de la corteza terrestre y se encuentra en abundancia, junto con el nquel, en el ncleo terrestre (llamado por esta razn Nife).

Figura 1: Esquema del Alto Horno.

La siderurgia tiene por objeto la fabricacin de hierro y sus aleaciones, especialmente el acero, de destacada importancia industrial y econmica.La fabricacin de ste pasa por la obtencin de arrabio por reduccin del mineral de hierro en el alto horno que luego se descarbura por oxidacin del carbono en un horno convertidor. La mayora de las veces se descarbura en un convertidorThomas (por soplado de aire u oxigeno)o por una fuente de calor externo (horno Martin) obtenindose aceros comunes, o en un horno elctrico los aceros especiales.

Figura 2: Esquema del convertidor Siemens-Martin.

Los minerales de hierro utilizados en la industria siderrgica contienen al hierro en forma de xidos, carbonatos o silicatos; los ms usados son la hematites, limonita, pirita, siderita y magnetita.Se reserva el nombre de acero a las aleaciones hierro carbono de entre un0,008% y 2,11% en peso de carbono, aunque en la prctica sta concentracin raramente excede del 1%. Cuando el porcentaje supera al 2,11% y hasta el 6.67% en peso de carbono la aleacin recibe el nombre de fundicin.Para poder predecir la estructura de un acero, cuando se esta a una cierta temperatura y con una dada concentracin se utiliza el diagrama de hierro-carbono. El diagrama comprende dos curvas, una de trazos llenos y otra de trazos punteados, que delimitan ocho regiones.

Figura 3: Diagrama Fe-C.

La regin sptima representa la estructura a temperatura ambiente y contiene hierro alfa y cementita o hierro alfa y grafito por lo que se deben considerar dos diagramas hierro-carbono: un diagrama metaestable en trazo lleno, para el primer caso y un diagrama estable en punteado para el caso de hierro alfa y grafito. Para que elhierro se comporte segn estos diagramas los cambios de temperatura deben ser lo suficientemente lentos. Cuando la velocidad de cambio de la temperatura es mayor, se utilizan otros grficos. Las curvas TTT representan a la temperatura en funcin del tiempo para una determinada concentracin de hierro y carbono para velocidades de enfriamiento o calentamiento elevadas.

Figura 4: Diagrama de transformacin isotrmica del acero IRAM 4140.

Estas curvas, al igual que el diagrama hierro-carbono, pueden ser modificados por agregado de aleantes en el acero. En el caso de las curvas TTT, los aleantes desplazan la curva hacia la derecha y hacia abajo. Dependiendo del aleante se puede desplazar mas una zona que otra y as, mediante un enfriamiento sencillo se puede lograr la estructura deseada.Para identificar un acero, hay que tener en cuenta los aleantes que posee y lacantidad de los mismos. Segn IRAM, la forma de identificarlos es mediante un cdigo de cuatro nmeros en el cual los primeros dos indican los aleantes (no carbono) y el segundo par indica el porcentaje de carbono. En el caso de un acero con mas de un 0,99% de carbono el cdigo se extiende a cinco nmeros en el cual los ltimos tres representan la cantidad de carbono.

Cdigos de identificacin de las series de aleacin para aceros, segn los mtodos IRAM - SAE - AISI:

10xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto y bessemer cidos.11xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto y Bessemer cidos, azufre alto, fsforo bajo.12xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto, azufre alto, fsforo alto.13xx Magnesio 1,75.40xx Molibdeno 0.2 o 0.25.41xx Cromo 0.5, 0.8 o 0.95 y molibdeno 0.12, 0.2 o 0.3.43xx Nquel 1.83, Cromo 0.5 o 0.8 molibedno 0.25.44xx Molibdeno 0.53.46xx Niquel 0.85 o 1.83 molibdeno 0.2 o 0.25.47xx Nquel 1.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.2 o 0.35.48xx Nquel 3.5 y molibdeno 0.25.50xx Cromo 0.4.51xx Cromo 0.8, 0.88, 0.93, 0.95 o 1.5xxxx Carbono 1.04 y cromo 1.03 o 1.45.61xx Cromo 0.6 o 0.95 Vanadio 0.13 o 0.15 mnimo.86xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.2.87xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.25.88xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.35.92xx Silicio 2.0.94bxx Nquel 0.45, cromo 0.4 y molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mnimo.

En nuestro caso, acero IRAM 4140, fue obtenido mediante el procesamiento en un horno elctrico y luego laminado en caliente, procesos que se describen a continuacin.

Horno de arco elctrico

El horno de arco elctrico puede tener revestimiento cido o bsico. El revestimiento del fondo no participa en el proceso de refinacin: sirve como recipiente del metal fundido. El casco del horno de arco elctrico esta hecho con planchas de acero soldadas o remachadas que forman una estructura reforzada por viguetas o piezas moldeadas. Esta montado en balancines que permite inclinar el horno para lacolada. El horno comn tiene dos puertas una para la carga opuesta al cao decolada y otra para el trabajo situada a 90 grados entre ambas. El sistema de electrodos mas usado es el de Heroult que consiste de tres electrodos y tres fases con un solo transformador. El horno tiene un revestimiento de ladrillos de magnesita que cubre todo el fondo y las paredes hasta mas arriba de la seccin expuesta a la escoria. Las paredes del horno elctrico pueden ser de un material cido o bsico, las que se usan en la industria nacional son cidas ya que el mineral de hierro, que en su mayora proviene de Brasil, tambin es cido. Por encima del nivel a quellega la escoria, las paredes suelen ser de ladrillos de slice o de magnesita con forro de metal. El techo es un domo de ladrillos de slice con tres aberturas de 50 cm para los electrodos. Hoy en da se construyen hornos elctricos con techo oscilante, que permite la colocacin de la carga por arriba. Los electrodos suelen ser de carbonono cocido o de grafito, generalmente de este ultimo material.

Operacin del horno

De ordinario, el horno elctrico trabaja con chatarra, pero existen otras variantes. El hierro de primera fusin puede ser parcialmente refinado en el hogar abierto o en el convertidor de Bessemer y luego se carga en el horno elctrico para su refinacin final. En otro mtodo se toma el arrabio fundido en un cubilote, se traslada a un convertidor y luego al horno elctrico para su acabado. Segn otra variante, el arrabio fundido en un cubilote se carga sobre un lecho de mineral de hierro en el horno elctrico.En el horno elctrico ordinario, la chatarra, que constituye el grueso de la carga, se extiende con las piezas mas gruesas en el fondo y las ms ligeras encima.

Se agregan piedra caliza, mineral de hierro o escamas de laminacin, y tal vez aleaciones ferrosas. Aplicada la corriente y fundida la chatarra en parte, formandocharcos de metal en el fondo del horno, se aaden escamas de laminacin o mineral de hierro. La caliza y el mineral se descompone y eliminan los elementos oxidables, carbono, manganeso, fsforo y silicio, en forma de escoria, como en el proceso de hogar abierto. En los aceros corrientes solo es necesario ajustar las condiciones de la escoria, de modo que el acero tenga la temperatura y la composicin deseadas. Entonces, se hace la colada. Este mtodo se llama la escoria negra.Los aceros de aleacin y el acero inoxidable requiera mayor tratamiento. Despus de fundida la chatarra y cubierta con la escoria fundida, se procede a analizar el acero. Si la refinacin ha progresado suficientemente, se inclina el horno ligeramente para rastrillar la escoria negra por completo a fin de separar del acero fundido el fsforo, la mayor parte del azufre y parte del manganeso, del silicio y delcromo de la carga inicial. El acero fundido se cubre entonces con una mezcla de cal, arena, coque y espato de flor. Esta mezcla se funde y se forma una escoria reductora blanca. Esta escoria blanca desoxida el acero tomando el oxgeno del oxido de hierro disuelto. En algunos casos, se aaden desoxidantes, como elsiliciuro de calcio y el aluminio-silicio, para acelerar la desoxidacin. Tambin pueden aadirse xidos de ciertos elementos de aleacin como los de cromo, vanadio, volframio y molibdeno, xidos que son absorbidos por el metal fundido. Adems de su capacidad para eliminar el azufre del acero, el horno elctrico bsico tiene la propiedad de mantener el acero fundido por largo tiempo en atmsfera no oxidante, lo que permite regular exactamente la temperatura y ajustar con cuidado la composicin.

Proceso de laminacin de barras de acero

Llamamos laminacin al proceso consistente en deformar plsticamente en los metales hacindolos pasar entre cilindros. Al deformar los metales hacindolos pasar entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresin, por efecto del aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por friccin entre los cilindros y el metal.El lingote inicial se transforma en desbastes pesados (blooms) y palanquillas, porlaminacin en caliente. Un desbaste pesado o bloom es el primer producto de la laminacin del lingote; suele ser de seccin cuadrada o rectangular, pero el ancho suele ser inferior al doble del espesor y el rea no suele superar los 230 cm2. Con una mayor reduccin en la laminacin en caliente se obtiene la palanquilla, cuya seccin mnima suele ser 15 cm2. Los desbastes se continan laminando en caliente hasta obtener planchas o chapas gruesas, chapa fina, barras varillas, tubos, carrileso perfiles estructurales.Las barras de seccin circular o hexagonal y los perfiles estructurales, como las vigas I, ngulos, rieles, etc., se producen en gran cantidad por laminacin entre cilindros acanalados.Para conseguir producciones elevadas es conveniente acoplar los laminadores en serie de forma que el material pase sucesivamente entre ellos. ste conjunto es lo que propiamente puede llamarse un tren de laminacin, y a cada laminador de los que lo componen se le suele llamar una caja.Un mtodo tpico para reducir una palanquilla cuadrada a una barra redonda consiste en alternar las pasadas a travs de canales de forma oval y cuadrada. Un tren de laminacin de barras se suele denominar tren de redondos o tren comercial. La mayora de los trenes de redondos llevan guas para introducir la palanquilla enlos canales, y repetidores para invertir la direccin de la barra y reintroducirla en el canal del prximo paso. Los trenes de sta clase suelen ser do o tro, una instalacin corriente consiste en un tren con una caja debastadora, una caja intermedia y una caja acabadora. Suele ser frecuente instalar los trenes de redondos unos al lado de los otros, haciendo que los cilindros de un laminador sean accionados por conexin a los de la caja adyacente.

Caractersticas del acero IRAM 4140

ClasificacinAcero aleado al cromo molibdeno para temple, de mediana templabilidad.

Efectos de los elementos de aleacin

Cromo (Cr):El cromo es un elemento de aleacin menos costoso que el nquel y forma carburos simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)3C]. stos carburos tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro. El cromo es soluble hasta 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el Cr tiende a entrar en solucin incrementando de esta manera, la resistencia y la tenacidad de la ferrita.

Molibdeno (Mo):El molibdeno es un elemento de aleacin relativamente costoso, tiene una solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un fuerte formador de carburos. Adems ejerce un fuerte efecto de templabilidad y, de manera semejante al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros con molibdeno son menos susceptibles al fragilizado debido al revenido, que los dems aceros aleados.

Los aceros al Cromo-Molibdeno (serie 41xx) son relativamente baratos y poseen buenas caractersticas de endurecido profundo, de ductilidad y de capacidad para soldarse.

Forma de suministroPalanquillas y barras para forja, barras en estado laminado, estirado, pelado y/o tratado trmicamente y en rollos.

AplicacionesSe ha empleado ampliamente para recipientes sujetos a presin, partes estructurales de los aviones, ejes de automviles, piezas forjadas y/o mecanizadas que se usan en estado templado y revenido, como por ejemplo, bulones de alta resistencia.

Propiedades fsicas

Punto crtico superior Ac3 = 793 C. Punto crtico inferior Ac1 = 749 C.Coeficiente de dilatacin trmica en estado recocido (promedio x 10-6 C-1) Entre: 0 y 100 C = 11,20 y 300 C = 12,40 y 500 C = 13,6

Propiedades tecnolgicas

MaquinabilidadEn estado: Estirado en fro = 66% Laminado en caliente y recocido = 56%

SoldabilidadCarbono equivalente mximo = 0,89% Propiedades de templabilidad Templabilidad: Baintica.Dimetro crtico ideal 99% M = 60,9 mm

Dimetro crtico ideal 50% M = 106,9 mm

Dimetro crtico real H = 0,5 (aceite) 99% M = 29 mm50% M = 67 mm

Dimetro crtico real H = 1,0 (agua) 99% M = 39 mm50% M = 85 mm

Composicin qumica (colada) en % del peso

Carbono (C): 0,38 0,43 Manganeso (Mn): 0,75 1,00 Silicio (Si): 0,20 0,35 Azufre (S): 0,040 mximo Fsforo (P): 0,035 mximo Cromo (Cr): 0,80 1,10 Molibdeno (Mo): 0,15 0,25

Tratamiento: Temperaturas (C)

Forja: 1000 1200Normalizado: 870 925Recocido: 815 870Recocido de globulizacin: 755Templado: 830 860 Enfriado en aceiteRevenido: Segn caractersticas requeridas.

Caractersticas mecnicas orientativas

TratamientoRp 0,2RmDurezaAlargamiento

MPaMpaHBHRC%

Laminado en caliente68010303113315

Normalizado67010203113317

Recocido38065019225

Rp 0,2: Lmite de fluencia al 0,2% de alargamiento. Rm: Resistencia a la traccin.

EquivalenciasLos aceros que se indican satisfacen aproximadamente las caractersticas indicadas.

SAE 4140 AISI 4140 ASTM 4140 DIN 42 CrMo AFNOR 42 CD 4 BS 708 A 42

Material recibido

Recibimos una barra laminada de acero IRAM-IAS 4140 de 20 mm de dimetro, fabricada por Acindar S.A.De la misma se tomaron cuatro muestras, las dos primeras se utilizarn paraobservar la estructura y medir la dureza del material original, y a las dos restantes, se le aplicarn dos tratamientos trmicos distintos respectivamente a fin de modificarles la estructura y alcanzar propiedades mecnicas determinadas, para su anlisis posterior.

Anlisis del material original

Extraccin de las muestras

Las dos muestras destinadas para el anlisis de las caractersticas originales del material fueron tomadas de forma tal que, en una de ellas, la superficie sobre la que

se realizarn las observaciones pertenece al semiplano que pasa por el eje longitudinal de la barra, paralelo al sentido de laminacin; y en la otra, a un plano transversal, perpendicular a la deformacin. De sta manera se pueden observar eventuales diferencias en la morfologa de los granos, segn el plano de corte considerado.Los cortes en la barra para la extraccin de las muestras se realizaron con sierra de mano y cortadora de disco con refrigeracin por agua. En sta operacin se tuvogran cuidado en que la temperatura de la muestra no se elevara demasiado para que no se produzcan modificaciones en la estructura original, fundamentalmente durante el corte con disco. Para ello, los cortes se realizaron de manera lenta y sin descuidar la refrigeracin.

Inclusin en baquelita

Una vez obtenidas las muestras, se las incluy en baquelita. Esto se hace para facilitar la manipulacin y las operaciones de desbaste y pulido. Para ello se introducen en un molde cilndrico las dos muestras apoyadas sobre las caras a analizar, se cubren las muestras con el polmero granulado y se tapa el cilindro. Se calienta el conjunto con una resistencia elctrica y, mediante la accin de una pequea prensa hidrulica sobre un mbolo, se aplica una presin definida; en stas condiciones se produce la reaccin de polimerizacin eficazmente, y despus de cierto tiempo, cuando la reaccin se ha completado, se deja enfriar.

Desbaste y pulido

Una vez obtenida la probeta con las dos muestras incluidas, se continu con el desbaste.El mtodo consiste en pasar la superficie de observacin de las muestras por varios papeles de esmeril de grano cada vez ms fino, desde un N 80 hasta 1200. Al pasar de un esmeril a otro se lava la muestra para no contaminar el papel siguiente con granos ms gruesos y se gira la probeta de modo que las rayas del papelsiguiente formen en ngulo de 90 con las anteriores. De ste modo, la operacin encada papel concluye cuando desaparecen las rayas del papel anterior.Luego del desbaste se continu con el pulido mecnico que se realiz con un pao embebido en lquido abrasivo, sujeto a un disco que gira con velocidad angular regulable. El abrasivo utilizado fue una suspensin acuosa de almina (Al2O3) con partculas de 0,3 m.El pulido finaliza cuando se comprueba que se han eliminado todas las rayas,mediante la observacin al microscopio.

Determinacin y clasificacin de las inclusiones no metlicas

Se determin el tipo, el tamao y la distribucin de las inclusiones no metlicas del material original mediante el mtodo microscpico, siguiendo las indicaciones de la norma IRAM-IAS U 500-126, aplicando el mtodo II o ASTM.Las observaciones se realizaron sobre la superficie de la muestra paralela a la direccin de laminacin, previamente pulida y libre de picaduras, rayas y materias extraas. La operacin de pulido se realiz con especial cuidado en evitar que las inclusiones resulten alteradas o sean arrancadas.

Procedimiento

Se examina la superficie pulida mediante una microscopio con 100 aumentos y se compara cada campo observado en la probeta con los campos tipo indicados en la lmina 2 (ver apndice II). Para cada tipo de inclusin (A, B, C y D, series finas ygruesas) se registra el nivel de las inclusiones observadas por comparacin con las que se indican a la izquierda de la lmina 2 con los nmeros 0,5; 1; 1,5; 2 y 2,5. Este mtodo asigna a las inclusiones una clasificacin basada en la similitud morfolgica con las de la lmina 2, por lo tanto, la clasificacin qumica de los tipos de inclusiones indicada para los tipos A, B, C, y D es nicamente a ttulo indicativo. Inclusiones tales como boruros, nitruros, carbonitruros y fases intermetlicas no pueden valorarse usando ste mtodo.Una vez identificado el tipo de inclusin se procede a ingresar el dato en la tabla, la cual se completa con la cantidad de campos en los que se observo cada tipo de inclusin. Es decir, cada numero en la tabla representa la cantidad de campos enlos que se encontr el tipo de inclusin correspondiente a la posicin de la tabla.

Resultados

Total de campos observados: 12.

Tipo A SulfurosTipo B AlminaTipo C SilicatosTipo D Oxidos globulares

0,5Gruesa0000

Fina2000

1Gruesa3200

Fina3200

1,5Gruesa1400

Fina0110

2Gruesa0003

Fina0100

2,5Gruesa0003

Fina00012

Nota: Resulta importante mencionar que el agregado de manganeso (Mn) en los aceros se debe a su mayor afinidad que el hierro para combinarse con el azufre y formar sulfuro de manganeso, evitando de ste modo, la formacin indeseable de sulfuro de hierro que tiene un bajo punto de fusin y produce fisuras internas cuando se lamina en caliente al acero.

Figura 5: Microfotografa tomada de la muestra martenstica, donde se observan inclusiones de sulfuro de manganeso, a 500x.Medicin de dureza

Se realizaron mediciones de dureza sobre la superficie de la muestra segn el mtodo Vickers a los efectos de obtener informacin sobre las propiedades mecnicas del material original.

Mtodo de ensayo Vickers

En ste ensayo, un penetrador de diamante muy pequeo y de geometra piramidal es forzado en la superficie de la muestra. Las cargas aplicadas, mucho menores que en las tcnicas Brinell y Rockwell, estn comprendidas entre 10 y 10000 g; en nuestro caso fue de 1000 g. La marca resultante se observa al microscopio y se miden la longitud de las diagonales; el promedio de stas mediciones es entonces convertido en un nmero de dureza indicado con las siglas HV (Hardness Vickers) segn la siguiente expresin.

136

d2Impronta

d1

d =

HV =

d1 + d2

2

1,854 P

d2

Figura 6

P = carga aplicada en kg. Todas las dimensiones en mm.

Los valores de dureza estn tambin tabulados para cada medida de impronta, lo cual agiliza su obtencin.Esta tcnica se considera ensayo de microdureza debido a la magnitud de la carga y al tamao del indentador. Es muy conveniente para la medida de la dureza de pequeas regiones seleccionadas en la superficie de la muestra incluida en baquelita.

Resultados

Se realizaron 3 mediciones sobre cada muestra, la primera medicin no la tomamos en cuenta porque sabemos que puede ser errnea debido a que el durometro se acomoda.

Seccin longitudinal:

1)d1 = 83.2 m d2 = 83.3 md = 83,3 m HV = 267

2)d1 = 83.1 m d2 = 83.2 md = 83,2 m HV = 268

Seccin transversal:

1)d1 = 86.0 m d2 = 85.0 md = 85,5 m HV = 254

2)d1 = 84.0 m d2 = 83.6 md = 83,4 m HV = 261

La dureza promedio del corte longitudinal resulta ser: HV = 257.5 244 HB La dureza promedio del corte transversal resulta ser: HV = 267.5

La resistencia a la traccin (longitudinal) es aproximadamente:

Rm (en MPa) = 3,45 x HB Rm 840 MPa

Ataque qumico

A los efectos de revelar la estructura metalogrfica se atac la superficie de las muestras con Nital, por inmersin durante entre 10 y 20 segundos.El Nital es un reactivo que se utiliza en aceros al carbono, de baja y de media aleacin. Est compuesto por cido ntrico al 2 % en alcohol metlico o etlico. Revela la estructura general, oscurece los bordes de grano, tanto la perlita como la cementita aisladas aparecen blancas y diferencia la ferrita de la martensita.Para seleccionar el cido se consulto la Norma ASTM standards, parte I - B, 1946

Descripcin de la estructura metalogrfica

Se realizaron observaciones al microscopio de las probetas pulidas y atacadas. La estructura presenta bastones de bainita superior y granos de ferrita en menor proporcin. La misma es producto de un enfriamiento al aire (normalizado) desde una temperatura superior a la de austenizacin, que ocurri posterior al laminado. Por otra parte, no se observan diferencias significativas entre las estructuras de los cortes longitudinal y transversal al sentido de laminacin, y esto se debe a que se produjo una recristalizacin total de los granos austenticos luego de la deformacin plstica.

Figura 7: Microfotografas de la estructura observada en el corte longitudinal al sentido de laminacin, tomadas a 500x. En ellas se observan claramente los bastones bainticos y algunos cristales de ferrita.

Determinacin del tamao de grano austentico original

Mediante el microscopio se puede observar que las agujas bainticas que crecieron a partir de un mismo grano de austenita durante enfriamiento posterior a la laminacin, tienen la misma orientacin, adems se ven rodeadas por granos de ferrita primaria que nuclearon en los bordes de grano de la austenita original. Por sta razn, si se observa cuidadosamente la micro estructura metalogrfica es posible determinar la forma y el tamao de los cristales austeniticos formados durante la recristalizacin debido al laminado y que dieron origen a la estructura final del acero. Mediante el mtodo ASTM E - 19 (American Society for Testing and Materials) se determin el tamao de grano austentico. La ASTM tiene preparadas10 cartas normalizadas con granos de diferente tamao medio, cada una de stas cartas tiene asignado un nmero del 1 al 10, denominado ndice de tamao de grano, donde el mayor ndice tiene el menor tamao de grano. El tamao de grano se asigna por comparacin con el ndice del tamao de grano de la carta ms parecida a la estructura observada con un aumento determinado. De ste modo, basta una relativamente sencilla y cmoda observacin visual para asignar el tamao de grano.El tamao de grano austentico original, determinado a 400 aumentos, result serASTM N 8.

Anlisis de acero tratado trmicamente

Seleccin de los tratamientos trmicos

Los tratamientos trmicos seleccionados para las muestras de acero fueron un temple con el fin de obtener martensita y un enfriamiento isotrmico para obtener bainita inferior. Se intenta con sto alcanzar valores de dureza y resistenciasimilares con dos estructuras distintas. La dureza establecida arbitrariamente fu de44 HRC o 410 HB.Se escogieron estas estructuras para poder cotejar las diferencias en tenacidad luego de disminuir la dureza de la martensita con un revenido, hasta alcanzar valores prximos a los de la bainita.

1 tratamiento: Temple y revenido

Para obtener la martensita, se introdujo una de las muestras del acero en un horno a 850 C en el cual permaneci durante 15 minutos hasta alcanzar la austenizacin completa, para luego ser templada en aceite. Finalmente se la introdujo en un bao de sales a 460 C durante 2 horas para alcanzar la dureza final determinada.Los criterios utilizados para determinar los tiempos de permanencia, temperaturas y velocidades de enfriamiento fue el siguiente:Los 850c se escogieron porque segn la curva TTT de nuestro acero el puntocritico superior se encuentra a los 793C y, de acuerdo la teora, hay que incrementar esta temperatura en 27,8 C (50 F) para obtener la temperatura de austenizacin. En realidad la temperatura resultante es levemente inferior a los850c pero el horno se encontraba a esta temperatura y se aprovech.En cuanto a los 20 minutos de permanencia se obtienen al considerar un tiempo de1 minuto por milmetro de espesor de la pieza, con un mnimo de 15 minutos, como necesario para la penetracin y homogeneizacin de la temperatura en el volumen y alcanzar una austenizacin completa, evitando al mismo tiempo un excesivo crecimiento de grano.La temperatura del revenido se obtuvo del grfico de Propiedades mecnicas enfuncin de las temperaturas de revenido para el acero IRAM 4140 (ver apndice I), sabiendo que el tiempo de permanencia es de dos horas y que la dureza debia ser410 HB, segn los objetivos prestablecidos.

2 tratamiento: Isotrmico para obtener bainita inferiorEl criterio utilizado para llevar la muestra, de la cual se deseaba obtener bainita, hasta los 850C y los 20 minutos de permanencia para alcanzar la austenizacin, fue el mismo que en el caso anterior.El enfriamiento isotrmico se realizo en un bao de sales a 370 C durante 15 minutos; stos datos fueron extrados del Diagrama de trasformacin isotrmica (ver apndice I) del acero IRAM 4140 sabiendo que a los 340C se encuentra la lneaMs, por lo tanto se escogi una temperatura levemente superior a la cual el materialalcanza la dureza preestablecida de 44 HRC, y el tiempo mnimo de permanencia a temperatura necesario para transformar completamente la austenita inestable en bainita, es de 6 minutos y fue superado holgadamente.

Preparacin de la probeta

Las dos muestras tratadas trmicamente fueron cortadas para permitir el anlisis de la estructura y la medicin de dureza en la zona interior. Es importante aclarar que un anlisis superficial puede inducir errores debido a que la composicin qumica de la capa superficial sufri modificaciones por descarburacin durante el tratamiento trmico y no es representativa de toda la muestra.Seguidamente fueron incluidas en baquelita, y la probeta desbastada, pulida y atacada, de la misma manera que la probeta con las muestras del material original.

Medicin de dureza

Se realizaron mediciones de dureza sobre ambas muestras mediante el mtodo Vickers con una carga de 1000 g, descripto anteriormente, arrojando los siguientes resultados:

Muestra Baintica:

1)d1 = 65 m d2 = 66 md = 65,5 m HV = 432

2)d1 = 67,5 m d2 = 67,5 md = 67,5 m HV = 407

3)d1 = 68 m d2 = 67 md = 67,5 m HV = 407

La dureza promedio resulta ser: HV = 415,3Es equivalente a: HRC = 41,7 y a: HB = 400

La resistencia a la traccin es aproximadamente: Rm (en MPa) = 3,45 x HB

Rm 1380 MPa

Muestra Martenstica:

1)d1 = 67,1.0 m d2 = 68 md = 67,6 m HV = 406

2)d1 = 70,0 m d2 = 69,0 md = 69,5 m HV = 384

3)d1 = 66,5 m d2 = 66,0 md = 66,3 m HV = 422

La dureza promedio resulta ser: HV = 392Es equivalente a: HRC = 39,8 y a: HB = 370

La resistencia a la traccin es aproximadamente: Rm (en MPa) = 3,45 x HB

Rm 1280 MPaDescripcin de la estructura

Muestra Baintica:

La estructura de la muestra, como era esperable, est compuesta por bastones bainticos fundamentalmente, sin embargo pueden identificarse algunos pequeos granos de ferrita que son resultado de las heterogeneidades tolerables en la composicin del material. La bainita, por haber nucleado y crecido a menor temperatura (bainita inferior), es ms fina que la que se puede observar en el material original.

Figura 8: Microfotografas de la estructura observada tomadas a 812.5x. En ellas se observan claramente los bastones bainticos y algunos cristales de ferrita.

Muestra martensitica

En esta muestra se puede observar casi en su totalidad agujas martensticas las cuales no presentan una orientacin uniforme. La aparicin de cristales ferrticos es prcticamente despreciable debido a que la severa velocidad de enfriamientodefini una curva que pasa alejada del manto ferrtico en el diagrama de las curvasTTT.

Figura 9: Microfotografas de la estructura observada tomadas a 812.5x. En ellas se observan claramente agujas Martensiticas. Las manchas oscuras observadas en la figura de la derecha corresponden a inclusiones no metlicas.

Conclusiones

Aprendimos que a partir de una aleacin cualquiera con sus propias caractersticas y estructura se puede obtener con la misma aleacin otra estructura con diferentes caractersticas y que a travs de un tratamiento trmico la dureza de un material cambia considerablemente, esto se manifest al tener que cortar nuevamente la pieza templada con la sierra de mano.En nuestro caso, a partir de un acero 4140 con caractersticas comerciales hemos logrado a travs de dos tratamientos trmicos diferentes incrementar la dureza hasta alcanzar un grado similar con dos estructuras distintas.A travs de la observacin al microscopio pudimos notar que no es tan fcil obtener martensita o bainita en la totalidad de la estructura sino que aparecen litigios de ferrita. Pudimos observar en la muestra inclusiones de sulfuro de manganeso, el manganeso viene en el material con el propsito de evitar que se forme sulfuro de hierro que no permite la laminacin en caliente, por tener un punto de fusin muy bajo y generar fisuras durante el proceso.De las mediciones de dureza realizadas a las muestras tratadas trmicamente, se puede concluir queLa relacin entre la dureza prevista y la dureza alcanzada fue, en cada caso:

Probeta baintica:

41,7 HRC . 100 = 94,3%44 HRCProbeta martenstica:

39,8 HRC

44 HRC

. 100 = 90,4%

La diferencia relativa entre las durezas alcanzadas mediante las dos estructuras result ser:

41,7 HRC - 39,8 HRC

41,7 HRC

. 100 = 4,6%Estos resultados son satisfactorios y estn dentro de los lmites esperados.Bibliografa consultada

Introduccin a la metalurgia fsicaAutor: Sydney H. Avner. Editorial McGraw-Hill.

Ciencia e ingeniera de los materialesAutor: William D. Callister. Editorial Reverte.

Tratamiento trmico de los AcerosAutor: Jos Apraiz Barreiro.

Tomo 1 del Metal HandbookEditorial

Enciclopedia practica de mecnica QuilletEditorial Argentina Arstides Quillet S. A.

Diccionario enciclopdicoEditorial Maveco

Normas ASTM.

Hojas de caractersticas.

Apndice I:Diagramas y grficos de caractersticas del aceroIRAM 4140.

Apndice II:Lminas 2 de la Norma IRAM-IAS U 500-126Imgenes tipo ASTM (mtodo II).