ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT - Uniandes

CARACTERIZACIÓN DEL ACERO NAVAL ASTM A – 131 UTILIZADO EN LA

CONSTRUCCIÓN Y REPARACIÓN DE EMBARCACIONES

ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA, D.C.

2008

1

CARACTERIZACIÓN DEL ACERO NAVAL ASTM A – 131 UTILIZADO EN LA

CONSTRUCCIÓN Y REPARACIÓN DE EMBARCACIONES

ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

ASESOR

ING. WILSON HORMAZA PHd

Profesor Asistente

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA, D.C.

2008

2

Tabla de contenido

Resumen ................................................................................................................................. 8 0. Introducción .................................................................................................................. 9 0.1 Fundamentación Bibliográfica........................................................................... 11 0.2 Objetivos .............................................................................................................. 22

0.2.1 Objetivo General .................................................................................................. 22 0.2.2 Objetivos específicos ........................................................................................... 22

1. Metodología ................................................................................................................. 23 2. Resultados .................................................................................................................... 31

2.1 Resultados del material sin tratamiento térmico ................................................... 31 2.1.1 Análisis Químico........................................................................................... 31 2.1.2 Ensayo de tensión.......................................................................................... 31 2.1.3 Ensayo de impacto tipo Charpy .................................................................... 33 2.1.4 Mediciones de dureza.................................................................................... 34 2.1.5 Mediciones de Micro-dureza ........................................................................ 35 2.1.6 Estudio metalográfico ................................................................................... 35

2.2 Resultados de material con tratamiento térmico ................................................... 40 2.2.1 Ensayo de tensión.......................................................................................... 40 2.2.2 Ensayo de impacto tipo Charpy .................................................................... 43 2.2.3 Mediciones de dureza.................................................................................... 44 2.2.4 Mediciones de Micro-dureza ........................................................................ 46 2.2.5 Estudio metalográfico ................................................................................... 47

3. Discusiones ................................................................................................................... 64 4. Conclusiones .................................................................................................................... 67 Referencias........................................................................................................................... 68

3

Índice de Figuras

Figura 1. Diagrama Hierro - Carbono* ................................................................................. 16 Figura 2. Placa # 1................................................................................................................. 24 Figura 3. Placa # 2................................................................................................................. 24 Figura 4. Placa # 3................................................................................................................. 25 Figura 5. Probetas de tensión de placa # 2 ............................................................................ 26 Figura 6. Probetas de tensión de placa # 3 ............................................................................ 26 Figura 7. Muestras metalográficas placas #2 y # 3 .............................................................. 26 Figura 8. Montaje Ensayo de tensión.................................................................................... 33 Figura 9. Montaje para ensayo de impacto tipo Charpy ....................................................... 33 Figura 10. Probetas tipo Charpy de material sin TT después del ensayo ............................. 34 Figura 11. Medición de micro-dureza sobre muestra de la placa # 2 ................................... 35 Figura 12. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 13. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 14. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 15. Micrografia placa # 2........................................................................................... 36 Figura 16. Micrografía placa # 2........................................................................................... 37 Figura 17. Micrografía placa # 2........................................................................................... 37 Figura 18. Micrografia placa # 2........................................................................................... 37 Figura 19. Micrografia placa # 2........................................................................................... 37 Figura 20. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 21. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 22. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 23. Micrografía placa # 3........................................................................................... 38 Figura 24. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 25. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 26. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 27. Micrografía placa # 3........................................................................................... 39 Figura 28. Montaje prueba de tensión con extensometro en su lugar................................... 40 Figura 29. Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #1) ............ 43 Figura 30.Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #3) ............. 44 Figura 31. Durometro Rockwell utilizado en las mediciones ............................................... 45 Figura 32. Durometro utilizado para la medición de micro-durezas .................................... 47 Figura 33, Medición de micro-dureza sobre una de las muestras. ........................................ 47 Figura 34. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 35. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 36. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 37. Micrografía placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 48 Figura 38. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 39. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49

4

Figura 40. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 41. Micrografia placa # 2 ; TT # 1............................................................................. 49 Figura 42. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 43. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 44. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 45. Micrografia placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 50 Figura 46. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 47. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 48. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 49. Micrografía placa # 3 ; TT # 1............................................................................. 51 Figura 50. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 51. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 52. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 53. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 52 Figura 54. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 55. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 56. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 57. Micrografía placa # 2 ; TT # 2............................................................................. 53 Figura 58. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 59. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 60. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 61. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 54 Figura 62. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 63. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 64. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 65. Micrografía placa # 3 ; TT # 2............................................................................. 55 Figura 66. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 67. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 68. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 69. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 56 Figura 70. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 71. Micrografía placa # 2 ; TT #3.............................................................................. 57 Figura 72. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 73. Micrografía placa # 2 ; TT # 3............................................................................. 57 Figura 74. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 75. Micrografía placa # 3 ; TT #3.............................................................................. 58 Figura 76. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 77. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 58 Figura 78. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 79. Micrografía placa # 3 ; TT #3.............................................................................. 59 Figura 80. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 81. Micrografía placa # 3 ; TT # 3............................................................................. 59 Figura 82. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 83. Micrografía placa # 2 ; TT #4.............................................................................. 60 Figura 84. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 85. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 60 Figura 86. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61

5

Figura 87. Micrografía placa # 2 ; TT #4.............................................................................. 61 Figura 88. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61 Figura 89. Micrografía placa # 2 ; TT # 4............................................................................. 61 Figura 90. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 91. Micrografía placa # 3 ; TT #4.............................................................................. 62 Figura 92. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 93. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 62 Figura 94. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63 Figura 95. Micrografía placa # 3 ; TT #4.............................................................................. 63 Figura 96. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63 Figura 97. Micrografía placa # 3 ; TT # 4............................................................................. 63

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Índice de Tablas

Tabla 1. Requerimientos para prueba de análisis químico 1994........................................... 11 Tabla 2. Requerimientos para prueba de análisis químico 2004........................................... 11 Tabla 3. Requerimientos en prueba de tensión 1994 ............................................................ 12 Tabla 4. Requerimientos en prueba de tensión 2004 ............................................................ 12 Tabla 5. Requerimientos en prueba Charpy 1994................................................................. 12 Tabla 6. Requerimientos en prueba Charpy 2004................................................................. 13 Tabla 7. Dimensiones placa # 1 ............................................................................................ 24 Tabla 8. Dimensiones placa # 2 ............................................................................................ 24 Tabla 9. Dimensiones placa # 3 ............................................................................................ 25 Tabla 10, Cantidad de muestras por tratamiento térmico ..................................................... 30 Tabla 11. Resultados del ensayo de composición química ................................................... 31 Tabla 12. Resultados del Ensayo de tensión para el material sin TT.................................... 32 Tabla 13. Resultados para ensayo de impacto en material sin tratamiento térmico ............. 34 Tabla 14. Resultados mediciones de dureza sobre material sin TT ...................................... 34 Tabla 15. Resultados mediciones de microdurezas sobre material sin TT ........................... 35 Tabla 16. Resultados del ensayo de tension para las muestras con tratamiento termico ...... 40 Tabla 17. Resultados para ensayos de impacto tipo Charpy en material con TT ................ 43 Tabla 18. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell C) ........ 45 Tabla 19. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell B) ........ 45 Tabla 20. Resultados de mediciones de micro-dureza según tratamiento térmico (escala vickers).................................................................................................................................. 46

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Índice de Graficas

Grafica 1. Tratamiento térmico # 1 ....................................................................................... 28 Grafica 2. Tratamiento térmico # 2 ....................................................................................... 28 Grafica 3. Tratamiento térmico # 3 ....................................................................................... 29 Grafica 4. Tratamiento térmico # 4 ....................................................................................... 29 Grafica 5. Curva Esfuerzo-Deformación del ensayo de tensión del material sin TT. ......... 32 Grafica 6. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 1.. 41 Grafica 7. Curva esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 2 .. 41 Grafica 8. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 3.. 42 Grafica 9. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 4.. 42

8

Resumen

El objetivo principal de este proyecto es complementar la norma existente

sobre el acero naval ASTM A 131 con información adicional como mediciones

de durezas, micro-durezas y de un estudio metalográfico, y estudiar el

comportamiento de este material bajo distintos tratamientos térmicos simulando

así los posibles procesos de soldadura que se utilizan en la construcción y

reparación de embarcaciones navales. Para tal fin se realizaron cuatro tipos de

tratamientos térmicos: 1) Temple en salmuera, 2) Temple en salmuera y

posterior revenido, 3) temple en aceite, 4) temple en aceite y posterior revenido.

Por medio de estos distintos tratamientos térmicos se evalúa el comportamiento

del material bajo distintos procesos de enfriamiento y se analizan los cambios

microestructurales y de propiedades que presenta el material.

9

0. Introducción

Cuando la madera fue abandonada como material estructural en las grandes

embarcaciones durante el siglo diecinueve, su primer sucesor fue el hierro, siendo este

después reemplazado por el acero debido a sus mejores propiedades. En algún momento del

ultimo cuarto del siglo diecinueve y cercano al comienzo de la Segunda Guerra Mundial el

material convencional para la construcción de embarcaciones era el llamado “acero dulce”.

Las características de este tipo de aceros son: relativo bajo costo de producción, buenas

propiedades mecánicas, facilidad para trabajo en frío y la habilidad de trabajarse en caliente

sin pérdida considerable de las propiedades. Sin embargo su gran desventaja es la total

necesidad de una eficiente protección para prevenir la corrosión del material. (Muckle,

1967, 15-16)

El acero estructural de embarcaciones se rige por la norma ASTM A131/A131M,

esta norma se creo en al año de 1934 como reemplazo para la norma ASTM A12, desde

esta época el material y la norma han tenido cambios a través del tiempo aunque estos son

poco notorios en los últimos años, es importante tener en cuenta que según la norma este

tipo de acero se encuentra en varios grados de calidad, los cuales presentan diferentes

propiedades mecánicas y químicas variando desde un acero de uso común o regular hasta

un acero con mejores propiedades para usos específicos o mas avanzados.

Sin embargo aunque la norma genera las características base para la producción y

comercialización del acero se dejan por fuera ciertos temas de utilidad tales como:

10

mediciones de durezas, micro-durezas y características metalográficas, los cuales pueden

ser de gran utilidad para el diseño y construcción de las embarcaciones. Además de estos

temas mencionados anteriormente esta el comportamiento del material a procesos térmicos

como templado y/o revenido, procesos que pueden simular el comportamiento del material

bajo un proceso de soldadura como los utilizados actualmente en los procesos de

construcción y reparación de embarcaciones.

Es por esta falta de información que se decide realizar un estudio profundizando en

las características del material, ya sea en su forma de comercialización o por cambios

generales durante el tratamiento térmico. Por tanto se busca tener un mejor entendimiento

del comportamiento de las propiedades mecánicas por acción de un tratamiento térmico.

11

0.1 Fundamentación Bibliográfica

Para caracterizar el material es necesario realizar pruebas tanto mecánicas como

químicas, dentro de las ensayos mecánicos podemos encontrar: ensayos de tensión,

mediciones de dureza y micro-dureza, y opcionalmente ensayos de impacto del tipo Charpy,

y adicionalmente se realiza un análisis de composición química. Dentro de la norma ASTM

A-131/A-131M se pueden encontrar ciertos requerimientos para algunas de estas

propiedades (ver anexos 1 y 2):

Tabla 1. Requerimientos para prueba de análisis químico 1994

Elemento Resistencia alta

A B D E CS AH, DH, EH

Carbono, max 0,23 0,21 0,21 0,18 0,16 0,18

Manganeso 2,5 x C 0,80 - 1,10 0,70 - 1,35 0,70 - 1,35 1,00 - 1,35 0,90 - 1,60

Fosforo, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035

Azufre, max 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Silice 0,35 max 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,50

Niquel - - - - - 0,4

Cromo, max - - - - - 0,25

Molibdeno, max - - - - - 0,08

Cobre, max - - - - - 0,35

Composición %

Resistencia Normal

*Tomado de: Anual book of ASTM standars 1994, A131/131M

Tabla 2. Requerimientos para prueba de análisis químico 2004

Elemento Resistencia alta

A B D E CS AH, DH, EH

Carbono, max 0,21 0,21 0,21 0,18 0,16 0,18

Manganeso 2,5 x C 0,8 0,6 0,7 1 0,90 - 1,60

Fosforo, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035

Azufre, max 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035

Silice 0,5 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,35 0,10 - 0,50

Niquel - - - - - 0,4

Cromo, max - - - - - 0,2

Molibdeno, max - - - - - 0,08

Cobre, max - - - - - 0,35

Composición %

Resistencia Normal

*Tomado de: Base de datos electronica ASTM 2007, A131/131M

12

Tabla 3. Requerimientos en prueba de tensión 1994

Grado

Resistencia a la

tension

Ksi [Mpa]

Punto de

fluencia

Ksi [Mpa]

Elongacion,

min, % en 8

in. [200 mm]

Elongacion,

min, % en 2

in. [50 mm]

A, B, D, Ds, Cs, E 58 a 71 [400 a 490] 34 [235] 21 24

AH32, DH32 y EH32 68 a 85 [470 a 620] 46 [315] 19 22

AH36, DH36 y EH36 71 a 90 [490 a 620] 51 [360] 19 22


Tabla 4. Requerimientos en prueba de tensión 2004

Grado

Resistencia a la

tension

Ksi [Mpa]

Punto de

fluencia

Ksi [Mpa]

Elongacion,

min, % en 8

in. [200 mm]

Elongacion,

min, % en 2

in. [50 mm]

A, B, D, E, Cs 58 a 75 [400 a 520] 34 [235] 21 24

AH32, DH32, EH32 y FH32 64 a 85 [440 a 590] 46 [315] 19 22

AH36, DH36, EH36 y FH36 71 a 90 [490 a 620] 51 [355] 19 22

AH40, DH40, EH40 y FH40 74 a 94 [510 a 650] 57 [390] 19 22


Tabla 5. Requerimientos en prueba Charpy 1994

ft-lbf J ft-lbf J

B 32 [ 0 ] 20 27 14 19

D 14 [-10] 20 27 14 19

E -40 [-40] 20 27 14 19

AH32 32 [ 0 ] 25 34 17 23

DH32 -4 [-20] 25 34 17 23

EH32 -40 [-40] 25 34 17 23

DH36 -4 [-20] 25 34 17 23

EH36 -40 [-40] 25 34 17 23

AH40 32 [ 0 ] 30 41 20 27

DH40 -4 [-20] 30 41 20 27

EH40 -40 [-40] 30 41 20 27

Grado

Longitudinal

min, avg.

Transversal

min, avg.

Temperatura de

prueba

°F [°C]


13

Tabla 6. Requerimientos en prueba Charpy 2004

ft-lbf J ft-lbf J

A 68 [20] - - - -

B 32 [ 0 ] 20 27 14 20

AH32 33 [ 0 ] 25 34 17 24

AH36 34 [ 0 ] 25 34 17 24

AH40 35 [ 0 ] 30 41 20 27

D -4 [-20] 20 27 14 20

DH32 -4 [-20] 25 34 17 24

DH36 -4 [-20] 25 34 17 24

DH40 -4 [-20] 30 41 20 27

E -40 [-40] 20 27 14 20

CS -40 [-40] - - - -

EH32 -40 [-40] 25 34 17 24

EH36 -40 [-40] 25 34 17 24

EH40 -40 [-40] 30 41 20 27

FH32 -76 [-60] 25 34 17 24

FH36 -76 [-60] 25 34 17 24

FH40 -76 [-60] 30 41 20 27


Temperatura de

prueba

°F [°C]

Grado

Longitudinal

min, avg.

Transversal

min, avg.

Las propiedades mostradas anteriormente se pueden encontrar dentro de la norma

que rige el material, la norma ASTM A131/ A131 M, sin embargo dentro de la norma no se

menciona comportamiento alguno para mediciones de durezas ni comportamientos del

material ante tratamientos térmicos como temples y/o revenidos.

La definición de tratamiento térmico dada en el Metals Handbook es: “Una

combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y

aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá

propiedades deseadas”. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros

incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y la apariencia

14

de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de

cualquier acero. (Avner, 1974, 252)

Como se conoce cada elemento químico aleante presente en el material genera un

efecto propio según la cantidad presente de este, según la norma los elementos presentes en

el material son: Carbono, Manganeso, Fósforo, Azufre, Sílice, Níquel, Cromo, Molibdeno y

Cobre, en diferentes porcentajes según el grado del material, para estos elementos tenemos

los siguientes efectos según Totten (2006):

o Carbono:

El carbono tiene una tendencia moderada de macro-segregación durante la

solidificación, y generalmente es más significativa que cualquiera generada por otros

elementos. Tiene además una fuerte tendencia a segregarse en los defectos del material,

tales como bordes de grano y dislocaciones. Los elementos formadores de carburos

pueden interactuar con el carbono para formar carburos aleados. El Carbono es el

principal aleante para lograr un endurecimiento del material en la mayoría de los aceros.

El efecto del carbono en el fortalecimiento del acero consiste en un proceso de

dispersión sólida y de dispersión de carburos, mientras el contenido de carbono en un

acero incrementa su resistencia mientras su ductilidad y soldabilidad disminuyen.

o Manganeso

El manganeso esta presente virtualmente en todos los aceros en cantidades de

0.30% o mas. Este elemento es esencialmente un desoxidante y desulfurante; Tiene una

mínima tendencia a la macro-segregación comparada con otros elementos como el

carbono. El Manganeso es benéfico en cuanto a calidad superficial del material en todos

15

los rangos de contenido de carbono; Además posee efectos favorables para la forja y la

soldabilidad.

o Fósforo

El fósforo se segrega durante la solidificación en menor proporción que el

Carbono o el Azufre. Este elemento se disuelve en la ferrita e incrementa la resistencia

del acero. Mientras aumenta la cantidad de Fósforo en el material la ductilidad y la

resistencia al impacto disminuye.

El fósforo tiene una muy fuerte tendencia a segregarse en las fronteras de grano y

puede causar fragilización en el revenido de los aceros aleados según el contenido de

este elemento. El fósforo también aumenta las propiedades de endurecimiento y retarda

la descomposición de la martensita como el silicio en los aceros.

o Azufre

Altos contenidos de azufre pueden causar lo que se conoce como agrietamiento en

caliente debido a los bajos puntos de fusión de los sulfuros en los alrededores del grano.

El Azufre tiene un efecto de pérdida en la ductilidad transversal, resistencia al impacto,

soldabilidad y calidad superficial, además tiene una gran tendencia a segregarse en las

fronteras de grano.

o Silicio

El silicio es uno de los principales desoxidantes utilizados en la industria de la

producción de acero, así mismo el contenido de silicio determina el tipo de acero

producido. El silicio se disuelve completamente en la ferrita cuando el contenido de este

está por debajo del 0.30%, incrementando así su resistencia sin comprometer de gran

16

manera la ductilidad del material, por encima del 0.40% de silicio se genera un marcado

descenso de la ductilidad en los aceros al carbono comunes. En aceros tratados

térmicamente el Si es un aleante importante, este incremente los procesos de

endurecimiento, resistencia al desgaste, limite elástico y esfuerzo de fluencia.

Sobre cualquier material es posible realizar una gran cantidad de tratamientos

térmicos (TT) según las propiedades o características que se deseen en su aplicación, como

ya fue mencionado, para simular de cierta forma los procesos de calentamiento y

enfriamiento sucedidos en un proceso de soldadura se somete al material a procesos de

temple y revenido para poder observar así el comportamiento del material a estos cambios

térmicos. De esta forma es necesario primero austenitizar el material para luego realizar el

temple según el medio escogido y por ultimo si así se desea realizar un proceso de revenido

para tener las características apropiadas al material.

Figura 1. Diagrama Hierro - Carbono*

* Recuperado el 8 de enero de 2008 de: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/diagrama.html

A1

Acm

A3

17

La temperatura de Austenitización recomendada para los aceros hipoeutectoides es de

unos 15 °C por arriba de la línea de temperatura crítica superior A3; o sea, es la misma que

la temperatura de recocido recomendada. A cualquier temperatura por debajo de la línea A3

habrá alguna ferrita proeutectoide presente que se mantendrá después del temple y dará

lugar a áreas blandas y de menores durezas. (Avner, 1974, 282).

Sin embargo el proceso no solo consiste en llevar el material hasta la temperatura

determinada, se necesita además de un tiempo prudencial para que todo el material de la

pieza se encuentre en su estado de austenitización, es ahí donde entra el concepto de la

homogeneidad de la austerita, según Avner (1974, 283) esta se refiere a la uniformidad en

el contenido de carbono de los granos de austenita. Si un acero hipoeutectoide se calienta

para endurecerlo, cuando la línea A1 se cruza, los granos de austenita formados de la perlita

contendrán 0.8% de carbono. Al continuar el calentamiento, los granos de austenita

formados de ferrita proeutectoide contendrán muy poco carbono, de manera que cuando se

cruza la línea A3, los granos de austenita no serán uniformes en el contenido de carbono. Al

templar, los granos de austenita con menos carbono por tener una gran rapidez critica de

enfriamiento, tenderán a transformar estructuras no martensíticas, en tanto que aquellos

mas ricos en carbono, con una menor rapidez critica de enfriamiento tenderán a formar

martensita. Esto dará como resultado una microestructura no uniforme con dureza variable.

Esta condición puede evitarse mediante calentamiento muy lento, de modo que la

uniformidad se establezca por difusión de carbono durante el calentamiento; sin embargo el

excesivo tiempo que requiere este método no lo hace comercialmente practico. Un método

mas adecuado es calentar extensamente el material a la temperatura de austenitización, a

18

esta temperatura la difusión del carbono es rápida y la uniformidad se establecerá en un

tiempo corto. Para estar seguros, se recomienda que el material se mantenga durante una

hora a la temperatura de austenitización por cada pulgada de espesor o de diámetro.

Después de realizado el proceso de austenitización se realiza el procedimiento de

temple, de manera general la idea en este es bajar la temperatura de la pieza drásticamente,

para esto se debe tener presentes varios factores del procedimiento de temple: los

mecanismos de eliminación de calor, el medio de temple y la temperatura del medio de

temple.

La estructura, dureza y resistencia resultantes de una operación de tratamiento térmico

se determinan por la rapidez de enfriamiento real obtenida del proceso de temple. Si la

rapidez de enfriamiento real excede a la rapidez critica de enfriamiento, solo se obtendrá

martensita; si la rapidez real de enfriamiento es menor que la rapidez critica de

enfriamiento, la pieza no endurecerá completamente. A mayor diferencia entre las dos

velocidades de enfriamiento los productos de transformación serán mas blandos y la dureza

menor. En este punto es necesario entender el mecanismo de eliminación de calor durante

el temple: (Avner, 1974, 284-286)

o Etapa A: Estado de enfriamiento por medio de una capa de vapor, en esta etapa la

temperatura del metal es tan alta que el medio de temple se vaporiza en la superficie

del metal y una delgada y estable película de vapor rodea al metal caliente. El

enfriamiento se efectúa por conducción y radiación a través de la película gaseosa y,

como las películas de vapor son pobres conductoras de calor la rapidez de

enfriamiento es relativamente lenta a través de esta etapa.

19

o Etapa B: Enfriamiento por transporte de vapor, Esta etapa empieza cuando el metal

se ha enfriado a un temperatura tal que la película de vapor ya no es estable. El

contacto entre la superficie del material y el medio de temple produce una violenta

ebullición, el calor se elimina del metal muy rápidamente como calor latente de

vaporización, esta etapa es la más rápida del enfriamiento.

o Etapa C: Enfriamiento por medio del líquido, esta etapa empieza cuando la

temperatura de la superficie del metal alcanza al punto de ebullición del líquido en

temple. Ya no se forma más vapor, de modo que el enfriamiento se efectúa por

conducción y convección a través del líquido. La rapidez de enfriamiento es la más

lenta en esta etapa.

Como ya se menciono son varios los factores que influyen en los resultados que se

pueden obtener en un procedimiento de temple, sin embargo los factores mas importantes

para realizar este tipo de procesos son el medio de temple y la temperatura a la cual se

encuentra este medio de temple. En cuanto al medio de temple podemos encontrar

diferentes soluciones para tal fin: Soluciones acuosas con cloruro de sodio (salmueras),

Agua común, Sales fundidas o liquidas, mezclas de aceite soluble con soluciones acuosas,

Aceites térmicos y finalmente el medio menos drástico de todos, aire. Cada uno de estos

medios presenta distintas tasas de enfriamiento, y deben ser seleccionados según la

severidad del temple que se requiera para obtener las propiedades que se necesitan según la

aplicación.

20

En cuanto a la temperatura del medio de temple Avner (1974,287) comenta que:

Generalmente, conforme la temperatura del medio aumenta, la rapidez de enfriamiento

disminuye, lo cual se debe al aumento en persistencia de la etapa de la capa de vapor.

Como el medio esta mas cercano a su punto de ebullición se necesita menos calor para

formar la película de vapor, esto es particularmente cierto en agua y salmuera. En el caso

del aceite, hay dos factores opuestos a considerar, conforme la temperatura del aceite

aumenta hay una tendencia a que la rapidez del enfriamiento disminuya, debido a la

persistencia de la película de vapor; sin embargo, conforme la temperatura del aceite

aumenta también se hace mas fluido, lo cual incrementa la rapidez de conducción del calor

a través del liquido.

La principal dificultad al usar aceros en su condición endurecida o templada en la que

la principal estructura presente es martensita es que la tenacidad del material es baja, es por

esto que en la mayoría de aplicaciones donde una dureza relativamente alta es necesaria, la

pieza de acero es templada para lograr una estructura martensítica mas dura de lo necesario

en la aplicación, después es sometida a un calentamiento especifico para convertir la

martensita a una estructura de finas partículas de carburos en una matriz de ferrita. Esta

estructura tiene una menor dureza que la martensítica pero por medio del uso de una

correcta temperatura y tiempo la estructura final tendrá la dureza deseada con unas mejores

propiedades mecánicas. Este tipo de tratamiento es llamado Revenido y el principal

propósito de este es desarrollar un balance entre la dureza del material y la tenacidad. La

estructura que se forma durante el proceso es conocida como martensita revenida, sin

21

embargo es importante tener en cuenta que esta estructura conocida como martensita

revenida no contiene martensita, esta es una estructura formada por finas partículas de

carburos en ferrita que se forma de la martensita inicial antes del tratamiento de

revenido.(Brooks, 1996, 127)

22

0.2 Objetivos

0.2.1 Objetivo General

o Realizar una caracterización completa del acero A-131 complementando la norma

ASTM ya existente.

0.2.2 Objetivos específicos

o Comparar las distintas microestructuras presentes en el material según el

tratamiento térmico

o Analizar la composición química de material.

o Analizar el comportamiento del material bajo pruebas de tensión e impacto

(Charpy).

o Generar un mayor conocimiento de las propiedades y características propias del

material.

23

1. Metodología

Para lograr los objetivos propuestos es necesario realizar una completa

caracterización del material en su forma original y al mismo tiempo estudiar el material

después de una serie de tratamientos térmicos, para tal fin se realizaran las siguientes

pruebas sobre las muestras:

o Análisis de composición química.

o Mediciones de dureza.

o Mediciones de micro-dureza.

o Ensayo de tensión. i

o Ensayo de impacto (Charpy).

o Análisis de metalográfico por medio de microscopia óptica.

Es importante anotar que el ensayo de tensión y de impacto se realizan bajo las normas

ASTM E 008-04 y ASTM E 023-07A respectivamente (ver anexo 3 y 4 respectivamente).

El material para el presente estudio fue provisto por la Compañía Colombiana

Cotecmar (Corporación de ciencia y tecnología para el desarrollo de la industria naval,

marítima y fluvial), empresa encargada de la construcción y reparación de embarcaciones

de tipo militar y civil, la empresa entrego tres laminas de acero A-131, dos de estas laminas

son nuevas tal y como se comercializan en la actualidad. Otra lámina que fue entregada por

la compañía se estima que su fecha de producción fue en la década de los noventas, de esta

forma las probetas manufacturadas y ensayos realizados se diferenciará cada una de as

placas.

24

Figura 2. Placa # 1

Tabla 7. Dimensiones placa # 1

Fec ha 2006

Ancho 25 cm

L arg o 25 cm

E spe sor 2,54 c m

Plac a #1

Figura 3. Placa # 2


Fec ha 2006

Ancho 40 cm

L arg o 30 cm

E spe sor 0,635 c m

P lac a # 2

25

Figura 4. Placa # 3


Fec ha De c 90´s

Ancho 50 cm

L arg o 55 cm

E spe sor 1,905 c m

P lac a # 3

El siguiente paso para la caracterización es realizar las pruebas de dureza y de

composición química sobre muestras de las placas entregadas para tener una cierta

confiabilidad que el material con el cual se esta trabajando es el acero naval ASTM A-131.

Como patrón de comparación se realizaran todas las pruebas anteriormente mencionadas

sobre material sin ningún tipo de tratamiento térmico de la siguiente manera:

o Análisis de composición química: Una muestra por cada periodo de tiempo.

o Mediciones de dureza: Mediciones sobre el material proveniente de cada placa.

o Mediciones de micro-dureza: Mediciones sobre dos muestras de cada periodo de

tiempo.

o Prueba de tensión: dos pruebas por cada periodo de tiempo.

26

Figura 5. Probetas de tensión de placa # 2

Figura 6. Probetas de tensión de placa # 3

o Prueba de impacto (Charpy): dos pruebas por cada periodo de tiempo.

o Análisis metalográfico por medio de microscopia óptica: dos muestras por cada

periodo de tiempo y observación bajo distintos aumentos.

Figura 7. Muestras metalográficas placas #2 y # 3

Muestra placa # 2 Muestra placa # 3

27

A continuación se realizarán los tratamientos sobre las demás probetas y muestras,

para posteriormente realizar los ensayos mecánicos y metalográficos para determinar los

cambios microestructurales y de propiedades mecánicas entre los distintos tratamientos

térmicos. Como se explico anteriormente se realizaran cuatro distintos tipos de tratamiento

térmico, como primera medida todas las piezas se calientan hasta su temperatura de

austenitización, seguido a esto a la mitad de las piezas se les realiza un temple en salmuera

y a las demás un temple en aceite, para luego a la mitad de las piezas en cada medio de

temple realizar el proceso de revenido.

R evenido P ruebas

T emple en S almue ra

P rue bas

P rue bas

T emple en Ace ite

R evenido P ruebas

Aus tenitizac ión

De manera más detallada se pueden dividir los tratamientos térmicos realizados en

cuatro de la siguiente forma:

28

o Tratamiento 1: Austenitización a 850 °C por 2 h � Temple en Salmuera a 5 °C.

Grafica 1. Tratamiento térmico # 1

Tratamiento termico 1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tiempo (h)

Temperatura (°C)

o Tratamiento 2: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en salmuera a

5°C � Revenido a 250 °C por 1 h.



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tiempo (h)

Temperatura (°C)

29

o Tratamiento 3: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en aceite a 55°C.



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6

Tiempo (h)

Temperatura (°C)

o Tratamiento 4: Austenitización a 850 °C por 2 h � temple en aceite a

55 °C � Revenido a 250 °C por 1 h.



0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tiempo (h)

Temperatura (°C)

30

Tabla 10, Cantidad de muestras por tratamiento térmico P iez as por tratamiento

2 mues tra para metalog rafia

2 probetas c harpy

2 probetas tension

Es por medio de estos tratamientos que se puede extrapolar el comportamiento del

material bajo un proceso de soldadura, que es la manera como se construyen y reparan

actualmente las embarcaciones y ahí radica la importancia de entender el comportamiento

del material bajo este tipo de procesos de calentamiento y enfriamiento, para así poder

tomar decisiones de diseño y/o mantenimiento de las embarcaciones.

31

2. Resultados

2.1 Resultados del material sin tratamiento térmico

2.1.1 Análisis Químico

El análisis de composición química se realizó sobre dos muestras, específicamente

sobre la placa # 2 y la placa # 3 para así cubrir los dos periodos de tiempo, estas pruebas

fueron realizadas en los laboratorios de la empresa FUNDICOM (Fundiciones y

componentes automotores S.A.), los resultados se presentan a continuación:

Tabla 11. Resultados del ensayo de composición química

% C % Si % Mn % P % S % Cr % Mo % Ni % Cu % Sn % Ti

2 0,18 0,22 0,67 0,014 0,012 <0,001 0,011 0,055 0,01 0,004 0,037

3 0,17 0,22 0,67 0,012 0,019 0,007 0,01 0,085 0,034 0,004 0,01

% en masaPlaca #

Con los anteriores resultados podemos observar que las composiciones del material

están dentro de los rangos exigidos por la norma ASTM A 131 – A131M.

2.1.2 Ensayo de tensión

Las probetas fueron manufacturadas siguiendo la norma ASTM E 008-04 (ver anexo

3) provenientes de las placas # 2 y # 3 y se efectuaron las pruebas en las instalaciones de

los laboratorios del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, a

continuación se presentan los resultados de las pruebas realizadas:

32

Tabla 12. Resultados del Ensayo de tensión para el material sin TT

# probeta

Esfuerzo de

tension

(Mpa)

Esfuerzo de

cedencia

(Mpa)

Modulo de

elasticidad

(GPa)

Elongacion

(%)

1 436,414 269,911 203,64 36,24%

2 447,379 277,353 296,19 39,48%

3 439,461 309,839 206,79 34,08%

4 445,841 325,82 364,8 34,66%

Media 442,27 295,73 267,86 36,12%

Des. Estan. 5,20 26,51 77,58 2,42%

Grafica 5. Curva Esfuerzo-Deformación del ensayo de tensión del material sin TT.

Grafico esfuerzo vs. Deformación

Material sin TT

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,05 0,1 0,15 0 ,2 0,25 0,3 0 ,35 0 ,4 0,45 0,5 0 ,55 0 ,6 0,65

Deformacion (mm/mm)

Esfuerzo (MPa)

Probeta 3

Probeta 4

Probeta 1

Probeta 2

33

Figura 8. Montaje Ensayo de tensión 2.1.3 Ensayo de impacto tipo Charpy

El ensayo de impacto tipo Charpy se realizó sobre muestras de las placas #1 y #3 sin

tratamiento térmico. Las probetas fueron manufacturadas según la norma ASTM E 0023-07

A (Anexo 4). El ensayo fue realizado en las instalaciones de la Universidad Nacional de

Colombia – sede Bogotá.

Figura 9. Montaje para ensayo de impacto tipo Charpy

34

Figura 10. Probetas tipo Charpy de material sin TT después del ensayo

Tabla 13. Resultados para ensayo de impacto en material sin tratamiento térmico Placa # Muestra Energia (Kg*m) Energia ( J)

1 1 16,6 162,79

1 2 16 156,91

3 1 16,6 162,79

3 2 8,2 80,42

2.1.4 Mediciones de dureza

Las mediciones de dureza se realizaron sobre muestras de las placas #2 y # 3 en la

escala Rockwell B (HRB), los siguientes son los resultados obtenidos:

Tabla 14. Resultados mediciones de dureza sobre material sin TT Placa # Media Des. Estansar

2 82,2 73,8 72 66,4 73,6 6,54

3 82,2 76,4 73,5 78,1 77,55 3,64

HRB (100 Kgf.)

35

2.1.5 Mediciones de Micro-dureza

Las mediciones de micro dureza se realizaron en la escala Vickers (HV) sobre las

muestras metalográficas de las placas #2 y #3,

Tabla 15. Resultados mediciones de microdurezas sobre material sin TT Placa # Media des. estandar

2 126 119 118 120 123 121,2 3,27

3 121 118 117 122 119 119,4 2,07

HV carga 5 Kg.

Figura 11. Medición de micro-dureza sobre muestra de la placa # 2

2.1.6 Estudio metalográfico

Para la realización del análisis metalográfico del material sin tratamiento térmico se

tomaron muestras de las placas #2 y # 3, donde se diferenciaron los sentidos longitudinales

y transversales de la placa, una vez embebidas las muestras y realizado el respectivo

proceso de pulido se atacaron las muestras con Nital al 1 % para poder observar así las

micrografías en un microscopio óptico.

36

El la figura 11 a 19 podemos ver las micrografías del material de la placa #2 sin tratamiento

térmico en el sentido longitudinal y transversal respectivamente, como era de esperarse

para un acero estructural de bajo carbono se observa una matriz ferrítica con presencia de

perlita.

Figura 12. Micrografia placa # 2 Micrografi a del material a 100 X en la dirección transversal donde se apreci a un tamaño de grano fino a lo largo de una microestructura uni forme

Figura 13. Micrografia placa # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal del material donde se observa un tamaño de grano constante a lo largo de la microestructura.

Figura 14. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan gran cantidad de inclusiones.

Figura 15. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa una predominante matriz ferrítica.

Ferrita

Inclusiones

Perlita

37

En las figuras 16 a 19 se pueden apreciar las micrografías en la dirección longitudinal del

material sin tratamiento térmico donde se tiene nuevamente una matriz de ferrita con

presencia de perlita.

Figura 16. Micrografía placa # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se aprecia de manera general la microestructura present e en el material

Figura 17. Micrografía placa # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal del material

Figura 18. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa una matriz ferri fica con presenci a de perlita.

Figura 19. Micrografia placa # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se pueden ver algunas inclusiones dentro de la microestructura del materi al.

Ferrita

Perlita Inclusiones

38

En las figuras 20 y 26 se observan las micrografías del material de la placa #3 sin

tratamiento térmico, en estas se aprecia un matriz de ferrita con presencia de perlita,

característico para este tipo de acero estructural.

Figura 20. Micrografía placa # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal, donde se observa un tamaño de grano mayor en comparación a la placa # 2

Figura 21. Micrografía placa # 3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa una matriz ferrítica.

Figura 22. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan inclusiones de mayor tamaño

Figura 23. Micrografía placa # 3 Micrografía del material a 1000 X en la dirección transversal

Inclusiones

39

Las figuras 24 a 27 muestran micrografías en el sentido longitudinal del material sin

tratamiento térmico donde se aprecia un matriz ferrítica con algunas inclusiones en la

microestructura.

Figura 24. Micrografía placa # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa una microestructura orientada

Figura 25. Micrografía placa # 3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal

Figura 26. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal

Figura 27. Micrografía placa # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se aprecian algunas inclusiones.

Inclusiones

40

2.2 Resultados de material con tratamiento térmico

2.2.1 Ensayo de tensión

Una vez realizados los tratamientos térmicos se procedió a iniciar los ensayos de

tensión para cada una de las muestras, diferenciando entre estas el tipo de tratamiento al

que fueron sometidas, a continuación se presentan los resultados y Curvas esfuerzo

deformación:

Tabla 16. Resultados del ensayo de tensión para las muestras con tratamiento térmico

Numero de

placa

Tipo de

tratamiento

Esfuerzo de

tension

(MPa)

Esfuerzo de

cedencia

(MPa)

Modulo de

elasticidad

(GPa)

Elongacion

(%)

1 898,505 528,153 163,33 8,07

2 627,419 394,017 201,66 15,95

3 481,602 294,963 192,36 28,74

4 458,79 299,487 228,71 35,23

1 810,139 457,994 195,27 12,20%

2 699,634 419,715 207,53 14,76%

3 470,102 289,808 206,67 40,94%

4 467,304 272,351 207,2 37,40%

Placa # 2

Placa # 3

Figura 28. Montaje prueba de tensión con extensometro en su lugar

41

Grafica 6. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 1

Curva Esfuerzo vs. Deformacion para las muestras del tratamiento # 1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18

Defromacion (mm/mm)

Esfuerzo (MPa)

Placa # 2

Placa # 3

Grafica 7. Curva esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 2


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Defromacion (mm/mm)

Esfuerzo (MPa)

Placa # 2

Placa # 3

42

Grafica 8. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 3.


0

100

200

300

400

500

600

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Def romacion (mm/mm)

Esfuerzo (MPa)

Placa # 2

Placa # 3

Grafica 9. Curva Esfuerzo - Deformación para las muestras sometidas al tratamiento # 4


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Def romacion (mm/mm)

Esfuerzo (MPa)

Placa # 2

Placa # 3

43

2.2.2 Ensayo de impacto tipo Charpy

Una vez realizados los diferentes tratamientos térmicos sobre las probetas se procedió

a realizar los ensayos de impacto.

Tabla 17. Resultados para ensayos de impacto tipo Charpy en material con TT

Placa # Tratamieto termico Energia (Kg*m) Energia ( J)

1 1 1,65 16,18

1 2 8,7 85,32

1 3 6,5 63,74

1 4 23,35 228,99

3 1 1,3 12,75

3 2 4,8 47,07

3 3 25,1 246,15

3 4 26 254,98

Como se puede observar en los resultados, las piezas que fueron sometidas

únicamente al proceso de temple sin importar el medio presentan un comportamiento más

frágil (tratamiento # 1) que aquellas que se sometieron al proceso de revenido una vez

finalizado el temple, de ahí la importancia de este ultimo tratamiento.

Figura 29. Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #1)

Tratamiento térmico #1




44

Figura 30.Probetas después del ensayo de impacto de material con TT (placa #3)

Como se aprecia en las fotografías, las fracturas en las probetas del tratamiento # 1

son fracturas totalmente frágiles, mientras que las fracturas presentes en las probetas con

revenido o temple en aceite, que era un medio mucho menos severo que la salmuera,

tienden a presentar fracturas más dúctiles.

2.2.3 Mediciones de dureza

Para las pruebas de dureza se siguieron los mismos procedimientos utilizados para las

pruebas de dureza del material sin tratamiento térmico, aunque en algunas muestras fue

necesario utilizar la escala de dureza Rockwell C (HRC) ya que el material adquirió una

mayor dureza la cual no es posible reportar en la escala Rockwell B (HRB), se puede

observar que en las muestras sometidas al tratamiento # 1 presentan un aumento en la

dureza, mientras que las sometidas al tratamiento # 3 presentan una disminución en su





45

dureza, este tipo de comportamiento será analizado mas adelante. A continuación se

presentan los resultados obtenidos de dureza:

Tabla 18. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell C) Placa # T T Media Des. Estandar

2 1 27,5 20,6 27,4 18,9 21,9 23,26 3,97

2 2 8,08 13,5 5,26 11,7 7,14 9,136 3,38

3 1 9,73 9,45 5,73 12,2 11,8 9,782 2,57

HRC ( 150 Kgf.)

Tabla 19. Resultados mediciones de dureza en material con TT (escala Rockwell B)

Placa # T T Media Des. Estandar

2 3 72,5 76,6 75,3 78,9 74,9 75,64 2,35

2 4 75 74,3 72,7 66,3 70,4 71,74 3,52

3 2 80,4 80,9 77 77,1 78,2 78,72 1,83

3 3 71,2 72,1 71,6 68,7 76,8 72,08 2,95

3 4 68,4 68,4 69,2 68,6 68,2 68,56 0,38

HRB (100 Kgf.)

Figura 31. Durometro Wilson Rockwell serie 600 utilizado en las mediciones

46

Podemos observar que los valores de dureza obtenidos del tratamiento # 1, temple en

salmuera, son mucho más elevados que los obtenidos en los otros tratamientos, además se

aprecia como el tratamiento de revenido aunque genera un material mas tenaz disminuye

los valores de las durezas. Estos valores de dureza están muy relacionados a los valores y

tipos de fractura obtenidos en el ensayo de impacto, esta correlación será analizada mas

adelante en las conclusiones.

2.2.4 Mediciones de Micro-dureza

Una vez realizados los tratamientos térmicos sobre las muestras se procedió a medir

las micro-durezas de estas, obteniéndose los siguientes valores:

Tabla 20. Resultados de mediciones de micro-dureza según tratamiento térmico (escala vickers)

Placa # T T

Comparacion

Dureza Media des. estandar

2 1 246 251 254 250 248 24 HRC 249,8 3,03

2 2 216 221 214 220 218 97 HRB 217,8 2,86

2 3 151 136 137 140 146 77 HRB 142,0 6,36

2 4 126 128 130 125 129 70 HRB 127,6 2,07

3 1 204 214 223 220 219 97 HRB 216,0 7,45

3 2 203 203 219 210 205 95 HRB 208,0 6,78

3 3 150 150 135 149 140 78 HRB 144,8 6,91

3 4 129 127 126 130 129 70 HRB 128,2 1,64

Mediciones de microdureza (vickers)

47

Figura 32. Durometro Rothenow utilizado para la medición de micro-durezas

Figura 33, Medición de micro-dureza sobre una de las muestras. 2.2.5 Estudio metalográfico

Para el estudio metalográfico del material después de los tratamientos térmicos

explicados anteriormente se sigue el mismo procedimiento utilizado en las muestras sin

tratamiento térmico, una vez listas las muestras se procedió a realizar el pulido de las

mismas y el ataque químico con nital al 1 %, nuevamente se tomaron micrografías en el

sentido transversal y longitudinal de la placa.

48

o Tratamiento térmico # 1

En las figuras 34 a 41 puede observarse, que debido al temple en salmuera se produjo

una notable disminución del tamaño de grano y una alta presencia de perlita fina (zonas

oscuras) distribuida uniformemente, lo cual explica las mediciones de dureza y micro-

dureza mas altas que en el material sin tratamiento térmico.

Figura 34. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal

Figura 35. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se aprecia un tamaño de grano fino.

Figura 36. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se aprecia una alta presencia de perlita.

Figura 37. Micrografía placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa la matriz ferrítica del material.

Perlita

Ferrita

49

Las figuras 38 a 41 son las micrografías del material en el sentido longitudinal

sometido al tratamiento #1 (temple en salmuera) donde se aprecia la notable disminución

del tamaño de grano.

Figura 38. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal

Figura 39. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección longitudinal donde se observa con claridad una disminución del tamaño de grano como consecuencia del temple en salmuera.

Figura 40. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal

Figura 41. Micrografia placa # 2 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observa la alta concentración de perlita en una matriz ferrítica

Perlita

Ferrita

50

En las figuras 42 a 49 podemos ver las micrografías del material de la placa # 3

sometido al temple en salmuera, se aprecia una disminución del tamaño de grano y la

presencia de perlita fina, esto como consecuencia del rápido enfriamiento en la salmuera, lo

que genera las mediciones de dureza mas altas y un material mas frágil como se ve en los

resultados de los ensayos de impacto y tensión.

Figura 42. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa una microestructura con una orientación definida.

Figura 43. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección transversal

Figura 44. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la presenci a perlita

Figura 45. Micrografia placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se aprecian los granos de ferrita.

Perlita

Ferrita

51

En las figuras 46 a 49 podemos observar las micrografías del material en la dirección

longitudinal sometido al tratamiento térmico # 1, temple en salmuera, se aprecia una matriz

ferrítica con perlita muy fina.

Figura 46. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a del materi al a 100X en la dirección longitudinal

Figura 47. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa aunque un tamaño de grano pequeño menos uniforme

Figura 48. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa la presencia de perlita fina en una matriz ferrítica

Figura 49. Micrografía placa # 3 ; TT # 1 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se aprecian algunas inclusiones.

Ferrita

Perlita

Inclusiones

52


En las figuras 50 a 57 se presentan las micrografías del material sometido al proceso

de temple en salmuera y revenido, este ultimo genera un leve crecimiento de grano, además

se observan colonias de perlita revenida en la forma de rosetas.


Figura 51. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal

Figura 52. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la matriz ferrítica del material.

Figura 53. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se apreci an las colonias de perlita revenida.

Perlita Revenida Ferrita

53

En las figuras 54 a 57 se muestran las micrografías del material sometido al

tratamiento #2 (temple en salmuera y revenido) en el sentido longitudinal, donde se aprecia

una leve crecimiento de grano y la presencia de perlita revenida en una matriz ferrítica.

Figura 54. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa que aun después del revendo se mantiene un tamaño de grano pequeño.

Figura 55. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en l a dirección longitudinal

Figura 56. Micrografía placa # 2 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal


54

En las figuras 58 a 65 se aprecian los efectos del proceso de revenido donde a

diferencia del proceso de temple se genera un material con granos ligeramente mas grandes,

esto produce una disminución en la dureza del material y aumenta de manera considerable

su ductilidad.

Figura 58. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa una microestructura orientada.

Figura 59. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal.

Figura 60. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal donde se observan colonias de perlita revenida.

Figura 61. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal.

Perlita Revenida

55

Las figuras 62 a 65 muestran las micrografías del material en el sentido longitudinal,

donde se aprecia una microestructura orientada y la presencia de perlita en una matriz

ferrítica, además en la figura 65 se observa una fina dispersión de perlita en la matriz.

Figura 62. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal

Figura 63. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa una estructura con cierto grado de orientación

Figura 64. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se observa un tamaño de grano uniforme.

Figura 65. Micrografía placa # 3 ; TT # 2 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observa una fina dispersión de perlita en la matriz de ferrita.

Perlita

56


En las figuras 66 a 73 se aprecia como el temple en aceite (50 °C) reduce el tamaño

de grano y genera una gran presencia de perlita fina en colonias no uniformes, lo que se

traduce en un material más duro y frágil, que según su aplicación puede tener ciertas

ventajas sobre el material sin tratamiento térmico.

Figura 66. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografia del material a 100X en la dirección transversal

Figura 67. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografia en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa la reducción del tamaño de grano como consecuencia del temple en aceite.

Figura 68. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografía del material a 500 X en la dirección transversal donde se observa la presencia de perlita en una matriz ferrítica

Figura 69. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografía del material a 1000 X en la dirección transversal

Perlita

57

Las figuras 70 a 73 son las micrografías del material sometido al tratamiento

térmico # 3 (temple en aceite) en la dirección longitudinal, en estas se observa una

disminución del tamaño de grano como consecuencia del enfriamiento, como también la

presencia de una perlita fina.


Figura 71. Micrografía placa # 2 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa un tamaño de grano pequeño y constante a lo largo de la microestructura.


Figura 73. Micrografía placa # 2 ; TT # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan algunas inclusiones en el material.

Inclusiones

58

En las figuras 74 a 81 se pueden observar los efectos del temple en aceite, siendo

este un medio de temple menos drástico que la salmuera, genera un material que presenta

un relativo grado de dureza, sin perder de manera significativa su ductilidad, elemento muy

importante para los aceros estructurales. En las figuras se puede apreciar una matriz

ferrítica con presencia de perlita fina, estas dos fases están distribuidas uniformemente.


Figura 75. Micrografía placa # 3 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal donde se observa una estructura orientada.

Figura 76. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del material a 500 X en la dirección transversal

Figura 77. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se observa la presencia de perlita en una matriz ferrítica

Perlita

Ferrita

59

En las figuras 78 a 81 se aprecian las micrografías en el sentido longitudinal de las

muestras sometidas al tratamiento térmico # 3 (temple en aceite), en estas se observa un

tamaño de grano fino y una microestructura orientada.

Figura 78. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografi a del material a 100X en la dirección longitudinal donde se observa que la microestructura posee una orientación especi fica.

Figura 79. Micrografía placa # 3 ; TT #3 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal

Figura 80. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del materi al a 500 X en la dirección longitudinal

Figura 81. Micrografía placa # 3 ; TT # 3 Micrografí a del materi al a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan una gran cantidad de pequeñas inclusiones en el material.

Inclusiones

60


Las figuras 82 a 89 presentan los resultados de un temple en aceite y su posterior

proceso de revenido, generando un material con un menor grado de dureza y una mayor

ductilidad, esto debido a una mayor presencia de ferrita en el material.

Figura 82. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografi a del material a 100X en la dirección transversal donde se observa un tamaño de grano pequeño y una estructura uni forme.

Figura 83. Micrografía placa # 2 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal


Figura 85. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal.

61

Las figuras 86 a 89 presentan las micrografías en el sentido longitudinal del material

que fue sometido al tratamiento térmico # 4 (temple en aceite y revenido), en estas se

aprecia un crecimiento de grano y la presencia de ferrita acicular con colonias de perlita

revenida.


Figura 87. Micrografía placa # 2 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal donde se observa una estructura uniforme.

Figura 88. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se puede observar la presencia de perlita en una matriz ferrítica

Figura 89. Micrografía placa # 2 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se pueden observar ciert as inclusiones en el material

Ferrita

Perlita

Inclusiones

62

En la figuras 90 a 97 se presentan las micrografías del material proveniente de la

placa # 3 sometido a un tratamiento térmico de temple en aceite y posterior revenido, como

consecuencia de esto se aprecia una estructura orientada y la presencia de perlita revenida

en una matriz ferrítica.


Figura 91. Micrografía placa # 3 ; TT #4 Micrografi a en un aumento de 200 X en la dirección transversal con una microestructura orient ada


Figura 93. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografí a del material a 1000 X en la dirección transversal donde se aprecia la presencia de perlita revenida.

Perlita

63

Las figuras 94 a 97 muestran las micrografías del material en el sentido longitudinal

después de ser sometido a un proceso de temple en aceite y posterior revenido, en estas se

aprecia una presencia de perlita revenida y un tamaño de grano mayor como consecuencia

del proceso de revenido.

Figura 94. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografia del material a 100X en la dirección longitudinal

Figura 95. Micrografía placa # 3 ; TT #4 Micrografia en un aumento de 200 X en la dirección longitudinal

Figura 96. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografía del material a 500 X en la dirección longitudinal donde se puede observar una mayor presencia de ferrita debido al revenido.

Figura 97. Micrografía placa # 3 ; TT # 4 Micrografía del material a 1000 X en la dirección longitudinal donde se observan ciertas formaciones de perlita.

Ferrita Perlita

64

3. Discusiones

Teniendo en cuenta los ensayos y resultados a lo largo del proyecto se observa como

el acero ASTM A – 131 tiene el comportamiento esperado de un acero estructural, al

analizar los resultados del material sin tratamiento térmico se aprecia como el material

cumple con las exigencias de la norma, como son: composición química, modulo de

elasticidad, porcentaje de elongación en el ensayo de tensión y energía disipada en la

prueba de impacto tipo Charpy. También es importante resaltar los distintos

comportamientos entre placas posiblemente debido a las condiciones que el material más

antiguo ha debido soportar, generando así cambios en su estructura y propiedades.

Como complemento a la información contenida en la norma se realizó un estudio

metalográfico del material sin tratamiento térmico, en estas se aprecia que el material posee

una microestructura propia de un acero estructural, esto es presencia de perlita en una

matriz ferrítica, además de algunas inclusiones que podrían llegar a generar cierta

debilidad en el comportamiento del material. Como se observo este tipo de microestructura

en el material da como resultado mediciones de durezas y micro-durezas no muy elevadas

acompañadas de un comportamiento dúctil en el material como se observa en las pruebas

de tensión e impacto realizadas.

Una vez realizados los ensayos sobre le material sin tratamiento térmico se realizaron

diferentes tratamientos sobre las muestras del material, estos son: 1) Temple en Salmuera, 2)

Temple en salmuera y posterior revenido, 3) Temple en aceite, 4) Temple en aceite y

65

posterior revenido. Para luego realizar los mismos ensayos que se realizaron sobre el

material sin tratamiento térmico.

Como era de esperarse los procesos enfriamientos rápidos (temple en salmuera o

aceite) producen un material mas duro y frágil, mientras los procesos de temple

acompañados de un posterior revenido generan un material que aunque puede presentar

valores de dureza mayores a los originales conserva en gran medida su comportamiento

dúctil, resistencia a la tensión e impacto que son características muy importantes para este

tipo de material.

Se aprecia, especialmente en los resultados de los ensayos de tensión e impacto, que

en los tratamientos de temple, sin importar el medio, se genera un material mas duro y en

consecuencia mas frágil, lo que puede ser beneficioso según la aplicación en la que se

utilice el material, sin embargo como este material se utiliza principalmente en aplicaciones

estructurales este tipo de características pueden ser poco deseables, aunque se puede dar la

aplicación donde este tipo de características sean las optimas. Cabe aclarar que debido a la

cantidad de carbono presente en el material (0.21 %, máx.) este no tiende a ser un acero

templable, es por esto que aunque se realicen procesos de enfriamiento rápido (ej. Salmuera)

este no modifica de manera drástica su estructura, como por ejemplo generar estructuras

martensíticas o bainíticas, sino que tiende a reducir su tamaño de grano y aumentar la

presencia de perlita sobre la matriz de ferrita. Es por esto que es importante generar

enfriamientos controlados después de los procesos de soldadura, pues debido a estos el

material puede cambiar sus propiedades y características alejándose de las originales.

66

Este tipo de comportamiento se hace evidente en los ensayos de tensión realizados a

las muestras con tratamientos térmicos, especialmente aquellas sometidas a procesos de

temple, pues los valores del modulo de elasticidad y el porcentaje de elongación son

notablemente menores lo que llevaría a un comportamiento totalmente distintos del

material. En los procesos de temple con revenido se observa también una disminución en

estos valores, sin embargo no es tan drástica como en los procesos de temple únicamente.

67

4. Conclusiones

o El material cumple con las exigencias de la norma ASTM A131/ A131M en cuanto

a los resultados de los ensayos de composición química, tensión e impacto.

o El estudio metalográfico realizado como complemento a la norma muestra una

estructura con presencia de perlita en una matriz ferrítica con algunas inclusiones

sobre el material.

o Como se puede observar en los resultados de los ensayos de tensión e impacto sobre

el material con tratamiento térmico; los enfriamientos severos en el material

generan un comportamiento frágil en el mismo esto puede generar problemas en sus

aplicaciones estructurales.

68

Referencias

• American Society for Testing and Materials; Annual book of ASTM standards ;

Philadelphia : ASTM

– Norma A131/A131 M Standard Specification for Structural Steel for Ships ,

Versiones 1994 y 2004

– Norma E 8 – 04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic

Materials

– Norma E 23 – 07ª Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing

of Metallic Materials

• Avner, Sidney H.; Introducción a la metalurgia física; 2a. ed. México, McGraw-

Hill, 1974

• Ross, Robert B.; Metallic Materials Specification Handbook; London E&FN Spom

Ltd.

• Harry Chandler, Editor; Heat treater’s Guide; 2ª Ed. ; ASM International

• G. T. Vander Voort, Editor; Atlas of time-temperature diagrams for irons and steels;

3ª. Ed.; ASM international 2004.

• Totten, George E.; Steel heat treatment handbook; 2ª Ed.; Boca Raton, FL: Taylor

& Francis, 2006.

• Base de datos electrónica : www.sciencedirect.com

• Samuels E. Leonard; Light Microscopy of carbon Steels; 2ª Ed; ASM International.

• Muckle, William ; Stength of ship’s structures ; Edward Arnold ltd. ; London ; 1967

69

Anexo 1. Norma ASTM A - 131 / A – 131M (1994)

70

Anexo 2. Norma ASTM A – 131 / A – 131M (2004)

71

Anexo 3. Reporte ensayo de composición química.

ANDRES FELIPE SANCHEZ BETANCOURT - Uniandes

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