CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE...

45
CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE 1045 CON UN TRATAMIENTO TERMOMECANICO KEVIN SANTIAGO AVILA PRADO 20161375028 [email protected] JOAN FERNANDO CHAVES OLMOS 20162375040 [email protected] Trabajo de grado para la obtención del título de ingeniero mecánico Tutor de proyecto Ing. CARLOS ARTURO BOHORQUEZ AVILA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA INGENIERIA MECANICA BOGOTA 2017

Transcript of CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE...

Page 1: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE 1045 CON UN TRATAMIENTO

TERMOMECANICO

KEVIN SANTIAGO AVILA PRADO

20161375028

[email protected]

JOAN FERNANDO CHAVES OLMOS

20162375040

[email protected]

Trabajo de grado para la obtención del título de ingeniero mecánico

Tutor de proyecto

Ing. CARLOS ARTURO BOHORQUEZ AVILA

UNIVERSIDAD DISTRITAL

FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLOGICA

INGENIERIA MECANICA

BOGOTA 2017

Page 2: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

NOTA DE ACEPTACION

Firma de tutor de proyecto

Firma de jurado

Page 3: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Contenido 1. INTRODUCCION ............................................................................................................................... 4

2. OBJETIVOS ....................................................................................................................................... 6

2.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................................................... 6

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................ 6

3. ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................... 6

4. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................ 8

4.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ........................................................................................................... 8

4.2 TRANSFORMACIONES DE FASE ................................................................................................... 10

4.3 DIAGRAMAS TTT (TEMPERATURA – TIEMPO – TRANSFORMACIÓN) .......................................... 14

4.4 EFECTOS DE LOS ELEMENTOS ALEANTES EN LA MICROESTRUCTURA RESULTANTE .................. 16

4.5 INTERACCIÓN DE LAS CARGAS EN LAS TRASFORMACIONES DE FASE ........................................ 16

4.5 TENSIONES MONO-AXIALES ........................................................................................................ 17

4.6 TRANSFORMACIÓN INDUCIDA POR PRESIÓN ............................................................................. 17

4.7 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SEM) ...................................................................... 18

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ................................................................................................. 19

5.1 PREPARACIÓN DEL MATERIAL ..................................................................................................... 19

5.3 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA ................................................................................................ 24

5.4 ATAQUE QUÍMICO ....................................................................................................................... 25

5.5MICROSCOPIA ÓPTICA ................................................................................................................. 25

5.6 PRUEBAS CON EL DURÓMETRO Y MICRODUROMETRO ............................................................. 25

6. ANÁLISIS Y RESULTADOS ............................................................................................................... 25

7. CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 44

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ......................................................................................................... 45

Page 4: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

ABSTRACT: The purpose of this paper is to study and identify the effects of

thermomechanical treatments on SAE 1045 material in coal diffusion, the microstructural

and mechanical characteristics of this phenomenon, in addition to defining the sequence of

compressive loads and time of thermal treatment, which allows to obtain the closest property

values to define an induced transformation in the steel.

For the analysis of the mechanical properties of the material, tools such as micro hardness

and electron scanning microscopy

RESUMEN: Este artículo tiene como propósito estudiar e identificar los efectos que produce

los tratamientos termomecanicos sobre el material SAE 1045 en la difusión del carbón, las

características microestructurales y mecánicas de dicho fenómeno, adicionalmente busca

definir la secuencia de cargas compresivas y tiempo de tratamiento térmico, que permita

obtener los valores de propiedades más cercanas definir una transformación inducida en el

acero.

Para el análisis de las propiedades mecánicas del material se utilizan herramientas como

micro durómetro y microscopia de barrido de electrones

1. INTRODUCCION

En la actualidad el desarrollo de los nuevos materiales y en especiales de los

Aceros de Alta Resistencia, Baja Aleación (High Strength Low Alloy, HSLA), han

tenido un impacto positivo en cualquier nivel de la industria en especial la automotriz

ya que con estos nuevos materiales de alta tecnología pueden mejorar condiciones

de los vehículos tales como el peso, economía en el combustible e impacto

ambiental, estos factores son muy importantes a la hora del diseño de un vehículo,

uno de los propósitos de los industria automotriz es desarrollar aceros livianos y que

puedan absorber grandes cantidades de energía, por si se llega a presentar algún

accidente, el acero podrá deformase más que los aceros convencionales y de esta

manera proteger la integridad de los pasajeros del vehículo.

Los aceros más utilizados para esta aplicación son los ACEROS TRIP

(Transformation Induced Plasticity –transformación inducida por plasticidad). Aceros

desarrollados en 1967 por Zackay, V. F, en la actualidad el profesor Harry

Bhadeshia, de la Universidad de Cambridge ha ido desarrollando investigaciones

en el área de los materiales y en especiales de los aceros superbainiticos que

poseen unas propiedades mecánicas de alta tenacidad y alta resistencia, los

ACEROS TRIP están constituidos por una matriz de ferrita, fases de alta dureza

Page 5: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

como bainita y las martensita en cantidades variable y un 5% de ausentita retenida

como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Representación esquemática de la microestructura de un acero TRIP [9]

Los ACEROS TRIP requieren un tratamiento isotérmico a temperaturas intercriticas

lo cual genera algunos bosques bainita, también el contenido de silicio y carbono

generan aproximadamente el 5% de ausentita retenida, durante la deformación

plástica de los ACEROS TRIP ocurren dos hechos que son de vital importancia para

que se dé un cambio en sus propiedades mecánicas el primero es que al deformase

plásticamente el material la dispersión de la ausentita y la bainita crea una alta

velocidad de endurecimiento por deformación, la segunda y tal vez la más

importante es que al deformarse plásticamente los ACEROS TRIP , la austenita

retenida se transforma progresivamente en martensita dependiendo de la cantidad

de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de

endurecimiento por deformación, en consecuencia de esto se lleva al acero a un

nivel de resistencia superior.

Page 6: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Establece la secuencia para realizar el tratamiento termomecanico y

analizar el cambio metalográfico que ocurre en el acero AISI 1045

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Establecer la secuencia de tiempos, temperaturas y cargas basados en la

composición química del material

Determinar las deformaciones y las cargas a las que será sometido el acero

y realizar el tratamiento termomecánico

Determinar la influencia de la deformación previa y el tratamiento isotérmico

en la microestructura de un acero SAE 1045

3. ESTADO DEL ARTE

La investigación para el conocimiento y obtención de nuevos materiales

específicamente en la transformación inducida por plasticidad en aceros tiene

como principales investigador al profesor, investigador y PhD de la universidad

de Cambridge Harry Bhadeshia en sus trabajos de transformación de fase y

teoría de transformaciones de fase en estado sólido. A nivel nacional la facultad

de ingeniería de la universidad de Antioquia ha propuesto artículos como “aceros

avanzados” en donde la investigación en materiales ha sido una fuente

constante de búsqueda para la obtención de materiales en la ingeniería moderna

que pueda satisfacer las demandas específicas de propiedades mecánicas para

procesos de manufactura y estructuración.

En trabajos investigativos como el de “Pressure induced martensite

transformation in plain carbon Steel” presentado por M. Shaban Ghazani and B.

Eghbali. Se plantea la manera de reducir los tiempos de transformación

austeniticos en materiales, y para ello se investiga la influencia de cargas de

compresión en la manera como se lleva a cabo la trasformación de fase. Donde

Page 7: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

se encontraron resultados de reducción de tasas de velocidad de enfriamiento a

partir de la transformación austenitica.

Del “Estudio de la conformabilidad en aceros AHSS y aceros de embutición” tuvo

como objetivo el estudio de la conformabilidad de chapas de acero TRIP

(Transformation Induced Plasticity), en comparación con un acero de

embutición. Para ello se han utilizado los diagramas FLD (Forming Limit

Diagram) los cuales podemos indican las deformaciones existentes tanto en

diferentes condiciones de tensión y/o deformación, desde un estado de tensión

uniáxica a un estado de deformación biaxial.

En “Stress-phase transformation interactions - basic principles, modelling, and

calculation of internal stresses” basa su estudio en los dos efectos principales de

los esfuerzos sobre la transformación de fase y modificación por plasticidad,

por otro lado el análisis mecánico de los esfuerzos en la fase de trasformación.

Estos resultados se utilizan para producir un modelo para un estado de tensión

en un programa de elementos finitos, además se establece que el cálculo de las

tensiones internas afecta el progreso de la transformación por plasticidad.

Estudios realizados por la universidad tecnológica de Pereira en la

“transformación bainítica en aceros sometidos a condiciones de enfriamiento

continuo” Se notaron que las variaciones microestructurales aumentaban a

medida que se variaba distancia desde el borde de la probeta, además se

observó la presencia de bainita inferior y bainita superior con tendencia laminar

notándose además una clara disminución en la dureza superficial del material.

En “Caracterización de la transformación inducida por deformación plástica en

aceros 0,23% C-1,11% Mn-0,23% Ni-0,68% Cr” plantea la manera de obtener

aceros de transformación inducida en análisis microestructurales detallados,

además la influencia de ensayos de doblado, esfuerzo-deformación y fractura en

dicha trasformación. En este artículo se encuentra evidencia de que el

endurecimiento se ve afectado por el contenido de carbono, y que las zonas de

transformación se ven orientadas en la misma dirección que en los esfuerzos

aplicados.

En “Estructura y Propiedades de las Aleaciones” de la Facultad de Ingeniería-

UNLP el capítulo 4 está dedicado a la transformación bainita, donde se establece

que la bainita es un producto de la austenita a trasformación intermedia, ofrece

algunas fórmulas para determinar las temperaturas de inicio de trasformación,

explica las características de los tipos de bainita, tanto superior como inferior.

Page 8: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Además establece los mecanismos de formación de la bainita y explica la

característica de las propiedades mecánicas alcanzadas durante esta fase.

4. MARCO TEÓRICO

4.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Se le denomina tratamientos térmicos a diferentes procesos, por lo cuales se

pueden obtener diferentes propiedades de un material que dependerán

directamente de la microestructura y tipo de material, existen dos factores que nos

ayudaran a conseguir estas propiedades deseadas la primera es la temperatura y

la segunda es la velocidad de enfriamiento del material. [6]

Durante un tiramiento térmico existen tres etapas de vital importancia, para lograr

un objetivo deseado y son las siguientes;

I. Calentamiento

II. Mantenimiento a temperatura

III. Enfriamiento

Figura 2. Diagrama térmico

Tiempo de la segunda etapa (Manteniendo de la temperatura)

Se debe tener cuidado al escoger la temperatura de austenizacion de nuestro acero,

una vez que toda la pieza alcance esta temperatura se da comienzo al verdadero

tiempo que tardaremos en preparar toda la estructura, esta tiempo dependerá de la

Page 9: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

disolución de carburos que se desee también dependerá del tipo de acero, para

secciones pequeñas la temperatura de sostenimiento de 20 minutos, para

espesores mayores la temperatura dependerá de la siguiente ecuación. [5]

t(min) = 20 +D/2 (mm)

Tratamientos isotérmicos

Un tratamiento isotérmico, es un proceso en el que se busca obtener propiedades

deseadas en un material, mediante la utilización de procesos de calor a

temperaturas de ligeramente superior a la crítica (750°) y enfriamientos lo más

rápido posibles a temperaturas ligeramente inferiores a Bs (600°). Dichas

propiedades son posibles de obtener mediante la transformación de fase inducida

por calor la que consiste en mantener el material a las temperaturas dichas por el

tiempo necesario para que se verifique la trasformación. Estos tratamientos

permiten tener resultados mucho más rápidos en las propiedades mecánicas debido

a que los tiempos de transformación se reducen considerablemente, aparte del

hecho que gracias a estos tratamientos se corrigen problemas como el de las

tensiones residuales y la variación de volumen entre el exterior y el interior del

material debido a que estas partes se enfrían a deltas de temperaturas menos

traumáticas para la pieza mecánica.

Diagrama de transformación isotérmica

Para poder predecir las propiedades mecánicas y de microestructura que presentan

un acero, cuando este ha sido sometido a un mantenimiento de temperatura o se

quiere obtener propiedades específicas, se han estandarizado tablas de

transformación isotérmica en función del contenido de carbono del material. Debido

a que el tratamiento isotérmico le entrega energía al material, esta energía hace que

los átomos de cada elemento que son parte de la aleación cambien su posición

relativa respecto a los átomos de hierro, en temperaturas superiores al inicio de la

transformación de la martensita, que es una fase en la que no hay difusión de

átomos, estos se encuentran en altas concentraciones de átomos de carbono en la

red cristalina que endurecen el material; dado que las transformaciones de fase

tienden a ser homogéneas un prolongado tiempo en el mantenimiento de la

temperatura provoca que la difusión se haga de manera más ordenada y por

prolongado tiempo lo que conlleva a una equilibrio en la redistribución de la

microestructura del material teniendo valores de propiedades más homogéneos a

lo largo de la pieza. Viendo este fenómeno a nivel “macro” es la formación y

nucleación del grano a partir de la descomposición de la austenita, cuando el

sometimiento de temperatura es de corto tiempo, se suprimen los mecanismos de

difusión, los límites de grano no pueden crecer debido a que la energía que permitía

Page 10: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

la nucleación se ve suspendida lo que conlleva a queden inclusiones en las los

limites grano esto hace que el desprendimiento y generación de dislocaciones

necesite de mas energía para que se generen.

Figura 3. Esquema de transformación isotérmica

4.2 TRANSFORMACIONES DE FASE

CINETICA DE LAS TRANSFORMACIONES DE FASE DEL ACERO

Realizamos un tratamiento térmico (temperatura – tiempo) a un ACERO para lograr

una estructura cristalina deseada, la cinética por su parte son las transformaciones

de fase (velocidades de transformación), uno de los factores tiempo es que Micro

estructuralmente, estas transformaciones conllevan una etapa de nucleación

seguida de una etapa de crecimiento, la cinética de transformación dependen del

diagrama TTT.

AUSTENITA

La austenita es una forma de ordenamiento molecular entre los átomos de carbono

y hierro; esta fase microestructural se caracteriza por tener la forma cubica

centrada en las caras y por ser inestable a temperatura ambiente, aunque dicha

estabilidad depende de los compuestos aleantes en la mezcla las propiedades

Page 11: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

mecánicas de la austenita están comprendidos entre valores de 300HB,

alargamiento del 30%, resistencia a la tracción de alrededor de 980 MPa. [12]

Imagen 1: Microestructura de la austenita Zonas de interacción entre el hierro

(parte más clara) y carbono (zonas más oscuras) [12]

MARTENSITA

Es la fase constituyente entre los aceros al carbono, con la generalidad de que en

este estado se llega sin el fenómeno de la difusión del carbono lo que origina que

sea una fase de hierro con carbono sobresaturado, el grano martensitico se

constituye y nuclea en una matriz austenitica, la velocidad de nucleación del grano

se presenta de forma casi instantánea. Los acero martensiticos presentan elevados

valores de dureza 50 a 68 HRC, resistencia a la tracción de 1660 MPa a 2500 MPa.

Los aceros martensiticos presenta una muy baja propiedad a la fragilidad y el

porcentaje de elongación es de 0.5% al 2.5% [12]

Imagen 2: forma característica de la martensita con granos aciculares sobre la

superficie [12]

Page 12: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

FERRITA

También denominada hierro alfa es una solución de hierro rica en carbono, el

mecanismo de transformación sucede cuando en la austenita inestable ocurre el

fenómeno de la difusión del carbono permitiendo que en el grano en nucleación

cambie su microestructura a cubica centrada en el cuerpo lo que indica una re

distribución de los átomos en su interior lo que conlleva a un cambio en sus

propiedades mecánicas. La ferrita es según los autores citados la microestructura

más blanda del acero con dureza de alrededor de 95 Vickers [12] aunque dúctil con

porcentaje de elongación de 35% al 40% se estima una resistencia a la ruptura de

alrededor de 247 MPa.

Imagen 3: interacción de ferrita Zona clara [12]

CEMENTITA

La cementita es un carburo de hierro cuyo constituyente Fe3C es el más duro en el

acero con Dureza de alrededor de 68 HRC [12] aunque es extremadamente duro

en comparación con la ferrita es muy frágil y con porcentajes de elongación que

tienden a ser muy bajos, la resistencia a la tracción se estima entre los 2200 MPa,

esta estructura es de tipo ortorrómbico y su cinética de transformación está dado

por la difusión del carbono.

Page 13: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Imagen 4: Carburos de cementita (zona oscura) interactuando con ferrita [12]

BAINITA

Es la microestructura resultante de los procesos isotérmicos con temperatura

superior a la línea de transformación de la martensita y debajo de la línea de

transformación de la perlita; la morfología de la bainita es debido a la

descomposición e la austenita y la nucleación de ferrita y cementita resultando una

interacción entre la ferrita rica en carbono, carburos de cementita y un límite de

grano austenitico, en dicha trasformación de fase la velocidad de cambio y

nucleación del grano depende exclusivamente de la velocidad de difusión del

carbono. La bainita se caracteriza por una alta densidad de dislocaciones lo que

hace que tenga una muy buena resistencia a la tracción de hasta 1400 MPa, la

bainita tiene dureza que oscila entre los rangos de 40 HRC a 60 HRC. [4] [12]

Page 14: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Imagen 5: Variaciones de microestructura de bainita [3]

Imagen 6: Variaciones esquemáticas de microestructura de bainita [3]

PERLITA

La perlita es un micro constituyente del acero, este se forma entre la interacción de

la ferrita y la cementita a una temperatura de sometimiento isotérmico por encima

de la línea de la transformación de la bainita, presenta difusión del carbono en la

nucleación de grano lo que varía su microcomposición; según estudios presenta

cerca de 8% de carbono en la estructura, su dureza oscila entre 250 HB presenta

un 15 % a 20% en la capacidad de deformación. [12]

Imagen 7: Interacción de la perlita (zona clara) Tipo de grado generalmente

globulares [12]

4.3 DIAGRAMAS TTT (TEMPERATURA – TIEMPO – TRANSFORMACIÓN)

Un diagrama de temperatura – tiempo y trasformación es una gráfica la cual permite

predecir y diseñar las propiedades mecánicas de un acero en función de un

tratamiento isotérmico, la combinación del tiempo en la temperatura de

Page 15: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

sometimiento en aceros al carbono produce el cambio de fase, y cada una de estas

tiene valores en sus propiedades como dureza; resistencia ultima a la tracción.

Estos diagramas son creados a partir de las curvas de transformación isotérmicas,

representando los puntos de inicio, 50% y fin de transformación, para las diferentes

temperaturas, los siguientes diagramas TTT es de un acero eutectoide (0.77% en

peso de C). [5]

Figura 4. Curva de transformación [5]

La figura 5 corresponde a un diagrama de curva “S” de transformación en donde

este relaciona la composición para un acero hipoeutectoide que asocia las distintas

fases encontradas en el material, como se puede evidenciar al llevar el material a

una temperatura de austenizacion, este y según la varianza de la velocidad de

enfriamiento produce que la austenita del material se transforme en ferrita y la

difusión del carbono entre los límites de grado permite la transformación en

cementita no estable que termina interactuando en el material para la formación de

fases perliticas y fases bainiticas.

Page 16: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Figura 5. Curva “S” de transformación [5]

4.4 EFECTOS DE LOS ELEMENTOS ALEANTES EN LA MICROESTRUCTURA

RESULTANTE

Los diagramas Fe – C y las curvas de transformación presentadas son para los

aceros en interacción con hierro con carbonó, pero dichos aceros generalmente

presentan mezclas con otros elementos aleantes como es el caso del Silicio (Si) el

Cromo (Cr) Nitrógeno (Ni) Azufre (S) Fosforo (P) Manganeso (Mn) Aluminio (Al)

Molibdeno (Mo), todos estos cambian según su proporción las propiedades de la

microestructura y con esto las propiedades intrínsecas del material resultante lo que

generalmente resulta en un desplazamiento vertical de las curvas de

transformación, los materiales aleantes como Titanio o el vanadio precipitan las

apariciones de carburos en el material lo que hace que la zona austenitica sea

dispersada de una manera más fácil, cada fase de un material se puede saber su

temperatura de inicio en función de la masa porcentual de su composición.

4.5 INTERACCIÓN DE LAS CARGAS EN LAS TRASFORMACIONES DE FASE

Page 17: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

En la trasformación por plasticidad existe una relación que tiene lugar cuando las

deformaciones se producen por tensiones menores a la capacidad de carga del

material, en lo que se conoce como tensión hidrostática y tensión mono-axial.

La tensión hidrostática es un fenómeno en donde la transformación de fase se ve

inhibida durante la descomposición de la austenita y los tiempos de trasformación

isotérmicos son más largos a temperaturas más bajas lo que obliga a la curva “S” a

desplazarse, pero su microestructura varía según lo predicho en los diagramas de

fase. [4]

Figura 6. Efecto de la presión en Ms [4]

4.5 TENSIONES MONO-AXIALES

Debido a que las trasformaciones de fase también pueden ocurrir cuando se aplican

cargas de tensión o compresión lo cual causa una mayor aceleración de la

descomposición de la austenita lo cual acorta los tiempos de las curvas de

temperatura-transformación, y estas cargas que aunque mucho menores al límite

de fluencia afectan la fase de nucleación del inicio de la martensita.

4.6 TRANSFORMACIÓN INDUCIDA POR PRESIÓN

Algunos de los problemas de la trasformación austenitica por tratamiento isotérmico

consisten en la capacidad de disminuir la velocidad de la temperatura de

enfriamiento para la trasformación del material, debido a que estas velocidades son

muy altas y no pueden ser cubiertas por agua o por sales, una de las soluciones en

Page 18: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

transformación inducida por presión en la cual consiste en aplicar cargas de

deformación al material de esta manera la velocidad de transformación se puede

hacer más lenta y desde allí podemos partir para nuestro estudio de trasformación

de fase. [8]

4.7 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (SEM)

El microscopio electrónico de barrido nos muestra una probeta examinada por

medio de una sonda de electrones (cañón de electrones), en el cilindro del

microscopio se forma una sonda electrónica (haz de electrones) la cual hace un

barrido sobre la muestra examinada situada en la cámara del microscopio.

La calidad en la formación de imágenes del microscopio depende de los parámetros

de este haz de electrones: el tamaño del punto, el ángulo de apertura y la intensidad

del haz la cual podrá variar de 200V hasta 30kV, posee un diseño especial para

operar en alto vacío (9x10-3Pa) y de acuerdo a la configuración solicitada se puede

adaptar para trabajar en bajo vacío desde 1Pa a los 2000Pa

Imagen 8. Microscopio de barrido de electrones de la universidad nacional. Fuente

Propia

Page 19: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5.1 PREPARACIÓN DEL MATERIAL

El material de análisis fue acero SAE 1045, una barra de 3/4". A la cual se procedió

a cortar en probetas de 27 mm de largo para ser sometidas a compresión desde 15

hasta 40 toneladas.

Las pruebas se realizaron en la maquina universal de ensayos de la universidad

distrital facultad tecnológica. Una vez realizada las pruebas se determinó la

deformación en función de la carga, teniendo las siguientes gráficas.

Grafica 1. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 40 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 40 Ton

Page 20: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Grafica 2. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 35 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

Grafica 3. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 30 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 35 Ton

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 30 Ton

Page 21: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Grafica 4. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 25 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

Grafica 5. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 20 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 25 Ton

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 15 Ton

Page 22: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Grafica 6. Grafica esfuerzo deformación para carga compresiva de 15 toneladas

en acero SAE 1045, fuente propia

Para determinar el porcentaje de deformación de cada una de las probetas se utilizó

la formula deformación por compresión:

% 𝐸𝑐 =𝑙𝑜 − 𝑙𝑓

𝑙𝑜 × 100%

Esta fórmula determina el porcentaje de deformación en función de la longitud final

y la longitud inicial

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7

Esfu

erzo

MP

a

% Deformación mm/mm

Grafica Esfuerzo vs deformación para 15 Ton

Page 23: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Tabla 1. Tabla comparativa del porcentaje de deformación para cada una de las

probetas de acero SAE 1045. Fuerte propia

5.2 Tratamiento Térmico

El tratamiento térmico se realizó en cuatro etapas la primera el calentamiento el

cual fue el tiempo que demoro la mufla eléctrica en llegar a los 750ºc, la segunda

etapa es el mantenimiento de la temperatura que dependerá de las dimensiones de

la probeta, la tercera etapa consistió en el enfriamiento de las proveas sometidas a

la temperatura, dicho enfriamiento se realizó al ambiente, lo que conllevo a uso de

una segunda mufla precalentada a 615 °C, y el tiempo de enfriamiento fue

controlado con pistola térmica y la duración de este fue cuestión de segundos

mientras se traspasaban las probetas de una mufla a otra. La cuarta etapa consistió

en el tratamiento isotérmico variable a 1800 y 900 segundos para finalmente realizar

un rápido enfriamiento al agua. En la tabla 2 se presenta la composición química

realizada por espectrometría de emisión, del acero SAE 1045

Tabla 2. Tabla de composición química de acero SAE 1045. Fuente propia

Tabla 3. Nomenclatura interna de los tratamientos térmicos para el acero SAE

1045. Fuerte propia

Ecuación Bainitic Start

La temperatura a la que empieza la transformación bainítica de denomina Bs, es

una ecuación empírica establecida por Steven y Hayes en función de la composición

(en % en peso) para aceros de baja aleación con contenidos de carbono desde 0.1

a 0.55%:

Page 24: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

BsºC=830-270%C-90%Mn-37%Ni-70%Cr -83%Mo (2)

Cambiando los valores de los distintos componentes tenemos que Bs de 615 ºC

para nuestra composición

En base a esta ecuación podemos determinar la temperatura de transformación de

nuestro material

Figura 8. Diagrama de tratamiento térmico realizado para el acero SAE 1045.

Fuerte propia

5.3 PREPARACIÓN METALOGRÁFICA

Preparación metalográfica: para esta fase se inicia con el proceso de desbaste para

eliminar material de la superficie de la muestra, esto se hace por medio de una serie

de abrasivos con partículas cada vez más finas. Este proceso se divide en dos

etapas la primera denominado desbaste grueso, en el cual se busca emparejar la

cara la probeta, eliminando cualquier marca generada por el corte del material, y

dejando todas las líneas o marcas en un mismo sentido, este paso se realiza a mano

utilizando papel lija de 80 a 320. La muestra se gira 90° cada vez que se cambie de

lija, para no acentuar las rayas y se aplica refrigerante para evitar el calentamiento

por fricción, también se debe tener en cuenta que la presión ejercida sobre la lija

debe ser leve, de esta manera evitamos la distorsión y rayado excesivo del material.

Page 25: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

El desbaste fino se realiza del mismo modo que el desbaste grueso con papeles lija

de 600 a 2000.

Seguido a esto se realiza el pulido que es la etapa final de la preparación de la

probeta, consiste en obtener una superficie de trabajo lisa y libre de rayas. Se realiza

en platos giratorios cubiertos con paños (tipo billar), los cuales son humedecidos

con oxido de aluminio (también llamado alúmina).

5.4 ATAQUE QUÍMICO

Ataque: el ataque químico se realiza introduciendo la superficie pulida de la probeta

en un reactivo que en nuestro caso fue nital al 5% HNO3, luego limpia la superficie

con alcohol, o se sumerge la probeta en el mismo

5.5MICROSCOPIA ÓPTICA

Después de terminada la preparación metalografía, las muestras fueron observadas

y fotografiadas, en el laboratorio de la universidad distrital, por medio de un

microscopio óptico de luz (olympus PME3), en el cual fotografiamos aumentos de

x500 y x1000.

5.6 PRUEBAS CON EL DURÓMETRO Y MICRODUROMETRO

Una vez tomadas todas las micrografías, procedemos hacer pruebas de dureza y

microdureza a todas las probetas con los equipos disponibles en la facultad

tecnológica los cuales fueron el durómetro y microdurometro.

6. ANÁLISIS Y RESULTADOS

Una vez realizada la experimentación y los procesos de preparación de probetas,

procedemos a realizar análisis y discusión de resultados, el cual se concentra en el

estudio de las microestructuras obtenidas a partir de las cargas de deformación y

los tratamientos térmicos.

Page 26: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Las siguientes tablas son los valores promedios de dureza de las probetas

sometidas a diferentes cargas de compresión.

Con los datos obtenidos en las pruebas de dureza podemos observar que las

probetas que no tienen tratamiento isotérmico son mucho más duras que las que

si lo tienen, esto se debe a que el tratamiento isotérmico ayuda en gran medida

alivianar las tensiones y esfuerzos internos en las probetas generados por la carga

de compresión aplicada antes del tratamiento

En la Micrografía 1 tenemos la probeta de acero 1045 con temple de 750 ° C e

isotérmico de 600° C a 900 segundos, sin carga de deformación debido a que esta

fue la probeta de control, en esta observamos nucleaciones oscuras de lo que

1663,40

812,70 878,80

SIN TT TT1 TT2

VIC

KER

S

DUREZA PARA PROBETAS CON CARGA

DE 25 TONELADAS

1485,60

818,90 789,71

SIN TT TT1 TT2

VIC

KER

S

DUREZA PARA PROBETAS CON CARGA

DE 30 TONELADAS

Grafica 9. Dureza para probetas sometidas a 25 toneladas de compresión

Grafica 10. Dureza para probetas sometidas a 30 toneladas de compresión

1690,30

799,70 890,90

SIN TT TT1 TT2

VIK

ERR

S

DUREZA PARA PROBETAS CON CARGA

DE 35 TONELADAS1495,30

824,10 901,60

SIN TT TT1 TT2

VIC

KER

S

DUREZA PARA PROBETAS CON CARGA

DE 40 TONELADAS

Grafica 11. Dureza para probetas sometidas a 35 toneladas de compresión

Grafica 12. Dureza para probetas sometidas a 40 toneladas de compresión

Page 27: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

parece perlita, tal como explica la teoría acerca del diagrama de tiempo

temperatura y transformación para acero SAE 1045

Micrografía 1. Probeta sin carga de deformación Tratamiento Isotérmico a 900

segundos, se pueden observar lo que pareciera ser interacciones de fase ferrita

(Zona Blanca) y Perlita (zona oscura) Probeta de Acero SAE 1045

En la Micrografía 2 pertenece a la micrografía de la probeta sometida a 15 toneladas

de compresión sin ningún tipo de tratamiento isotérmico, presentando que para el

material dicha carga no genera deformación plástica, se pude notar las zonas de

ferrita más blancas y las de perlita nucleaciones negras, dicho fenómeno

corresponde a la teoría de transformación – tiempo –temperatura para el acero.

Micrografía 2. Micrografía X1000 interacción entre Zonas más claras (Ferrita)

zonas más oscuras (límite de grano perlita) Acero SAE 1045

Page 28: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

En la micrografía 3, presenta la imagen de la probeta 15 toneladas de carga

compresiva, aunque esta presenta el tratamiento isotérmico a 615 °C por un tiempo

de 900 s recordando que el tratamiento de temple fue realizado a 750°C; aquí

podemos observar lo que pareciera ser nucleaciones de martensita revenida en

forma acicular, adicionalmente se puede evidenciar lo que podría ser Bainita

alotromorfica (Zona de puntos) y ferrita (Zonas Claras)

Micrografía 3. X1000 aumentos Probeta sometida a 15 toneladas de compresión,

un isotérmico 900 segundos Acero SAE 1045

La siguiente corresponde a probeta de acero 1045 sometida a carga de compresión

de 15 toneladas y tratamiento isotérmico de 1800 segundos a 615°C, en la

micrografía 4 se puede ver lo que podría ser una fase de interacción entre la ferrita

con incrustaciones o puntos de cementita, como se explica dicha interacción es

determinada geometría podría ser una reacción propia de evidencia de bainita, en

adición se puede ver martensita revenida en la superficie.

La micrografía 5. Fue realizada a la probeta de acero SAE 1045 la cual fue sometida

a carga compresiva de 20 Toneladas sin tratamiento isotérmico, en ella se puede

evidenciar la morfología característica de lo que podría ser martensita en láminas;

ello se podría indicar debido a la morfología de láminas de la martensita vista en las

referencia, adicionalmente se evidencia una posible interacción de ferrita (Zonas

más blancas).

Page 29: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 4. X1000 aumentos Probeta sometida a 15 toneladas de

compresión,un isotérmico 1800 segundos Acero SAE 1045

Micrografía 5. Probeta sometida a carga compresiva de 20 toneladas sin

tratamiento isotérmico. Material: Acero SAE 1045

Page 30: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 6 pertenece a la probeta expuesta a carga compresiva de 20 toneladas

tratamiento de temple, isotérmico a 900 segundos, en ella se ve una variación en

cuanto a la microestructura del material, se ven lo que pareciera ser una matriz de

austenita retenida (Pequeños puntos oscuros) con límite de grano de ferrita, esto

podría llegar a ser la interacción resultante de la presencia de bainita superior.

Micrografía 6. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 20

toneladas con tratamiento isotérmico 900 segundos.

Micrografía 7 corresponde a probeta de acero SAE 1045 sometida a temple y

revenido sin tratamiento isotérmico, con carga de compresión de 25 toneladas aquí

se puede observar lo que pareciera ser una matriz de ferrita con bordes de grano

de interacción de perlita globalizada, este tipo de transformación corresponde al que

sugieren las tablas TTT.

La micrografía 8 se puede observar la probeta con carga de compresión a 25

toneladas, tratamiento isotérmico a 615°C y 900 segundos. Aquí se puede hacer

análisis de morfología encontrada de lo que pareciera ser en la parte (a) bainita

superior en forma de listones al límite, en la parte (b) se puede visualizar lo que

pareciera ser bainita superior al límite de grano en la ausentita retenida. En esta

probeta pareciera haber la transformación isotérmica deseada.

Page 31: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 7. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 25

toneladas sin tratamiento isotérmico, interacción Ferrita + perlita

Micrografía 8. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 25

toneladas con tratamiento isotérmico de 900 segundos, interacción bainitica –

austenitica.

Page 32: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

La micrografía 9 es la imagen a 1000 aumentos de la probeta de acero 1045

sometido a carga de compresión de 25 toneladas con tratamiento isotérmico de

1800 segundos, aquí se podría afirmar que las formas presentadas en la superficie

podrían corresponder a ferrita (Zonas más claras) límite de grano de austenita

retenida en lo que se explica teóricamente como una interacción bainitica.

Micrografía 9. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 25

toneladas con tratamiento isotérmico de 1800 segundos, interacción bainitica –

austenitica.

La micrografía 10 es correspondiente a la probeta sin tratamiento isotérmico, ella

fue sometida a carga de compresión de 30 toneladas y fue fabricada en acero SAE

1045, en ella se puede observar una estructura de lo que podría ser la interacción

entre fase ferritica y perlitica, la parte más clara corresponde a la matriz de ferrita

en el material mientras que la parte más oscura corresponde a la perlita de

formación de fase.

La micrografía 11, probeta la cual fue sometida a carga compresiva de 30 toneladas

y se realizó en ella tratamiento térmico de temple mas revenido, además de

tratamiento isotérmico de 900 segundos, aquí se puede evidenciar lo que pareciera

ser la interacción de una matriz de ferrita con la austenita que no se alcanzó a

descomponer en el proceso de transformación, lo que conlleva a definir una fase

bainita.

Page 33: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 10. X1000.Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de

30 toneladas sin tratamiento isotérmico. Posibles fase Ferrita + Perlita.

Micrografía 11. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 30

toneladas con tratamiento isotérmico de 900 segundos, interacción bainitica –

austenitica

Page 34: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

La micrografía 12 corresponde a probeta de acero SAE 1045 con tratamiento

isotérmico a 1800 segundos y carga compresiva de 30 toneladas, presenta lo que

podría ser fase bainitica como resultado de la interacción de la austenita retenida y

la matriz de ferrita, la bainita se presenta como se ve en la imagen.

Micrografía 12. Probeta acero SAE 1045 sometida a carga compresiva de 30

toneladas con tratamiento isotérmico de 1800 segundos, interacción bainitica –

austenitica

La micrografía 13 corresponde a probeta de acero SAE 1045 sin tratamiento

isotérmico y carga compresiva de 35 toneladas, en ella se puede observar lo que

podría ser la interacción de la fase entre la ferrita (Zona más clara) y la perlita (límite

del grano) este tipo de transformación es coherente con el diagrama TTT para el

acero 1045.

La imagen correspondiente a la micrografía 14 es de la probeta a la cual se le hizo

la compresión a 35 toneladas y tratamiento isotérmico de 900 segundos, en ella se

puede observar lo que pudiera ser la interacción entre ferrita (Más clara) y limite de

grano laminar de la austenita retenida (Zona más oscura); esta interacción entre

fases es lo que se podría llamar interacción bainítica.

Page 35: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 13. X1000 aumentos, corresponde a la probeta con carga de

compresión 35 Toneladas y solo tratamiento de temple y revenido. Acero SAE

1045

Micrografía 14. Probeta sometida a 35 toneladas, tratamiento isotérmico de 900

segundos. Acero SAE 1045

Page 36: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

La micrografía 15 es de la Probeta a la cual se sometió a carga compresiva de 35

toneladas, en la cual se realizó tratamiento de temple y revenido así como un

isotérmico a 615° C durante 1800 Segundos, en esta micrografía y correspondiente

con las formas geométricas características de cada una de las fases podríamos

identificar lo que pareciera ser la interacción entre la ferrita y la austenita retenida.

dicho modo de interacción podría ser bainita.

Micrografía 15. Probeta sometida a 35 toneladas compresivas, tratamiento

isotérmico 1800 segundos, Acero SAE 1045. Posible interacción de fase bainita.

La micrografía 16 es de la probeta de Acero SAE 1045 sometida a carga de

compresión de 40 toneladas además en ella no se realizó tratamiento isotérmico,

aquí se puede observar lo que podría ser la interacción de una matriz de ferrita con

nucleaciones de perlita en el material, (las nucleaciones y límites de grado

corresponde a la perlita) mientras que la ferrita es la fase de contorno en los granos.

La micrografía 17 es de la probeta a la cual se le hizo carga compresiva en la

maquina universal de ensayos, dicha carga fue de 40 toneladas y en adición se le

realizo un tratamiento isotérmico a 900 segundos, esta probeta en su superficie

presenta lo que podría ser la interacción de fases entre la ferrita (zona más clara) y

Page 37: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

la austenita en forma retenida, interacción de estas dos fases lleva la reacción de la

bainita que aquí pareciera ser bainita de tipo laminar y una de tipo en listones

Micrografía 16. Probeta Acero SAE 1045, con carga de compresión de 40

toneladas y tratamiento térmico de temple más revenido, no se realizó tratamiento

isotérmico.

Micrografía 18 corresponde a la probeta sometida a carga de deformación de 40

toneladas y tratamiento isotérmico de 1800 segundos, en ella se presenta una

posible interacción entre la austenita retenida (Puntos más oscuros) y la ferrita

(Zonas más claras) lo que pareciera ser una interacción de forma bainita.

Page 38: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 17. Probeta con carga compresiva de 40 toneladas y tratamiento

isotérmico de 900 segundos, posible interacción bainítica. Acero SAE 1045

Micrografía 18. Probeta con carga compresiva de 40 toneladas y tratamiento

isotérmico de 1800 segundos, posible interacción bainítica. Acero SAE 1045

Page 39: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Como medio para hacer un análisis más completo, tener mejor enfoque y resolución

de las microestructuras obtenidas, para ello se realizó un estudio micrográfica en el

microscopio de electrones de barrido, el resultado del análisis a las probetas se

presentan de la siguiente manera:

La micrografía 19 pertenece a la probeta sometida a 25 toneladas de carga

compresiva, en ella no se realizó tratamiento térmico. Aquí se puede observar

claramente dos fases interactuando; la parte a) Matriz de ferrita, precipitación de

carburos en el límite del grano, reacción perlitica en el material

Micrografía 19. SEM Probeta con carga compresiva de 25 toneladas, sin

tratamiento isotérmico. Acero SAE 1045

La micrografía 20 corresponde a la probeta de acero SAE 1045 con carga de

compresión de 25 toneladas con tratamiento isotérmico de 900 segundos, dicha

micrografía está enfocada a 10000 aumentos, la toma se hizo en el SEM. Se puede

diferenciar allí dos fases. A) Pertenece a la matriz de ferrita y b) las precipitaciones

de la austenita retenida, llevando a lo que se podría afirmar, una reacción de fase

tipo bainita.

La micrografía 21 busca hacer análisis microestructural y morfológico para la

probeta sometida a 35 toneladas en compresión y sin tratamiento isotérmico, como

ha sido constante en la evolución microestructural a lo largo de esta investigación

encontramos un acero bifásico a lo que llevan a reacciones de determinado tipo,

Page 40: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

para este caso se encuentra una zona oscura (denominada a) lo que

probablemente es precipitaciones de cementita entre la matriz de ferrita en el

material (parte b)

Micrografía 20. SEM Probeta con carga compresiva de 25 toneladas, con

tratamiento isotérmico de 900 segundos. Acero SAE 1045

Micrografía 22 perteneciente a la probeta con carga de compresión de 35 toneladas

y tratamiento térmico de 1800 segundos, en ella se ve como la parte a)

probablemente ferrita entre cruza los granos de lo que pareciera ser austenita

retenida (b) separando y creando islas de granos, lo que la teoría y según lo descrito

anteriormente puede ser interacción de la bainita.

Micrografía 23 es tomada de la probeta con carga tipo compresión de 40 toneladas,

en ella no se realizó ningún tipo de tratamiento isotérmico. Como se puede observar

en la imagen se ve la interacción de dos zonas muy marcas, una matriz de lo que

pareciera ser ferrita (a) con límites de grano que podrían ser carburos de cementita

núcleo en la matriz (b) lo que podría llevar a decir que este tipo de imagen bifásica

pude ser el resultado de la interacción en la perlita.

Page 41: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 21. SEM Probeta con carga compresiva de 35 toneladas, sin tratamiento

isotérmico. Acero SAE 1045

Page 42: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

Micrografía 22. SEM Probeta con carga compresiva de 35 toneladas, con

tratamiento isotérmico de 1800 segundos. Acero SAE 1045

Micrografía 23. SEM Probeta con carga compresiva de 40 toneladas, sin

tratamiento isotérmico. Acero SAE 1045

En el análisis realizado se pudo observar una diferencia significativa en las

propiedades tanto morfológicas de microestructura y de dureza en las probetas que

se someten a tratamiento isotérmico y las que no; en lo que se podría interpretar ,

según la evidencia; el material tratado isotérmicamente comprende valores

característicos para la dureza de la bainita y la identificación de fases encontradas

en estas probetas tienen formaciones geométricas consecuentes con lo que las

investigaciones consultadas y referenciadas determinan como bainita.

Un acero de transformación trip pasa por varias etapas antes de tener su estado

final; para nuestro caso el acero, primero se vio sometido a cargas compresivas que

variaban según la probeta. Microestructuralmente al realizar la compresión, el

material sufre esfuerzos que para el caso, correspondiente a la geometría de la

probeta, mayor a 20 toneladas representa un esfuerzo de deformación plástica.

Dichos esfuerzos incrementan la densidad de dislocaciones en el material

provocando un endurecimiento por trabajo en frio y creando esfuerzos internos en

el material que promueven que los átomos de la red cristalina aumenten su energía

Page 43: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

que a su vez genera una reorganización de en los enlaces de dichos átomos

promoviendo un cambio de red cristalina (FCC a BCC). La reorganización de los

átomos requiere un medio por el cual desplazarse, debido a que en esta

investigación la energía calorífica dentro del material no es suficiente para generar

la difusión convencional de los átomos, la teoría displasiva parece ser la manera

más adecuada para explicar este fenómeno. Los átomos de carbono dentro de la

red cristalina crean nuevos enlaces con los átomos adyacentes, lo que conlleva a

una nueva red; el carbono que queda libre durante este cambio es absorbido por la

austenita, implicando en ella una nucleación en el borde de grano generando ferrita.

Si en adición a esto se agrega energía hasta el punto de temperatura intercriticas,

la trasformación de la austenita hacia un microconstitutente como la martensita,

matrices de ferrita y la precipitación de carburos en el límite de grano producen una

combinación de alta dureza en el material, lo que explica los altos niveles de

microdureza en las probetas que solamente reciben deformación y tratamiento de

temple. Por esta razón sin tratamiento isotérmico no se encuentra transformación

trip entre las probetas estudiadas, comprobando así que los aspectos teóricos

cumplen y rigen las características encontradas y descritas en este trabajo.

Desde el punto de vista de la transformación isotérmica, una carga externa al

material previa al tratamiento térmico provoca, como se mencionó anteriormente un

esfuerzo en la fase austenitica, la energía calorífica durante el tratamiento

isotérmico sumado a la energía generada por la deformación del material provocan

un cambio red cristalina; con ello algunos átomos de carbono quedan libres y son

absorbidos por la austenita, llevándola a un estado de enriquecimiento y de

estabilidad a temperatura ambiente.

La energía impulsadora es la energía resultante de la energía de la deformación y

la energía requerida para el cambio de fase, mientras mayor sea la carga de

deformación el material implicara un retardo en el inicio de la transformación de la

martensita, permitiendo que un mayor volumen de austenita se transforme en ferrita,

la transformación de los granos de austenita en una matriz de ferrita implica que

está necesite un endurecimiento en el alrededor, dicho requerimiento es suplido

gracias a las dislocaciones resultantes de la compresión, la nucleación de granos

de austenita dentro de la matriz de ferrita es lo que se conoce como el

microconstituyente bainita, esta produce, para los resultados encontrados como

islas de austenita en la matriz de ferrita.

Page 44: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

7. CONCLUSIONES

Las realización del tratamiento termomecanico sobre el acero SAE 1045 genera una

transformación de propiedades que mejoran características como la dureza que fue

la que directamente se estudió; la aplicación de una carga previa al tratamiento

térmico tiene una implicación directa con la capacidad de transformación del

material debido a que genera tensiones internas y esfuerzos de fluencia sobre la

fase, dichos esfuerzos proporcionan los medios para que se creen nuevos enlaces

atómicos y con ellos una nueva microestructura. La deformación previa al

tratamiento térmico provoca que la austenita se estabilice con al adsorción de

carbono y retrasa la transformación martensitica lo que promueve la formación de

elementos microconstituyentes de la bainita.

Los resultados obtenidos muestra que aunque las probetas que se deforman a 40

toneladas de carga son las que más dureza presenta, 65 HRC para la secuencia de

tratamiento isotérmico 900 Segundos y 67 HRC para el tratamiento isotérmico de

1800 segundos, pero son los resultados de 25 toneladas que en el tratamiento

térmico de 900 segundos con menos de 64 HRC los que más se acercan a la dureza

de la bainita de entre los 55 HRC y 64 HRC (Según las investigaciones consultadas)

lo que indica que los resultados más consecuentes con una transformación inducida

por plasticidad se encuentra en el rango de los 25 Toneladas con Tratamiento

isotérmico de 900 segundos. Esto para la dureza.

Las micrografías estudiadas muestran con las morfologías de las probetas con

deformación por carga de 20, 25 y 30 toneladas, presentan características similares

en la morfología para la bainita, esto para los tratamientos isotérmicos de 900

segundos y 1800 segundos. En lo que se podría determinar que la deformación en

estos rangos provoca una mayor probabilidad de encontrar el efecto TRIP.

A partir de los resultados obtenidos se puede llegar a concluir que la secuencia de

tiempo y temperaturas con el que se trató el acero SAE 1045 las cuales consistían

en un temple desde temperaturas intercriticas A1 (750C°), revenido al ambiente,

isotérmico de 1800 y 900 segundos además de un enfriamiento de alta velocidad el

cual se efectuó en agua. Y las deformaciones con carga de 20, 25 y 30 toneladas

generan resultados de cambio en las propiedades mecánicas correspondientes a

una fase de interacción (ausenita retenida – ferrita) por lo que podríamos llamar una

fase de interacción bainitica.

Page 45: CARACTERIZACION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO SAE …repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/8291/... · de carbono en la aleación aumentando de esta manera la velocidad de endurecimiento

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. Zúñiga, A. F. N., Baracaldo, R. R., & Osorio, J. M. A. (2014). Caracterización de

la transformación inducida por deformación plástica en aceros 0, 23% C-1, 11% Mn-

0, 23% Ni-0, 68% Cr. ITECKNE, 10(2).

2. Gutiérrez Castillo, J. D. (2010). Estudio de la conformabilidad en aceros AHSS y

aceros de embutición.

3. Estructura y Propiedades de las Aleaciones-Facultad de Ingeniería-UNLP

Capítulo 4: Bainita

4. S. Denis, E. Gautier, A. Simon, G. Beck “Stress-phase transformation interactions

-basic principles, modelling, and calculation of internal stresses”

5. M. Shaban Ghazani, B. Eghbali “Pressure induced martensite transformation in

plain carbon Steel”

6. Barreiro, J. A. (1997). Tratamientos térmicos de los aceros. Dossat.

7. Callister, W. D. (2002). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales

(Vol. 1). Reverté.

8. García Mateo, C., García Caballero, F., & Bhadeshia, H. K. D. H. (2005).

Superbainita. Una nueva microestructura bainítica de alta resistencia. Rev. Metal,

41, 186-193.

9. Felipe Días del Castillo Rodríguez (2009). Los nuevos aceros para la industria

automotriz

10. Schaef er, Saxena, Antolovich, Sanders y Warner. Ciencia y Diseño de

Materiales de ingeniería, Ed. CECSA, México, 2000, 794 pág.

11. García, F. M., & Cicero, C. D. (2005). Experiencias en Cuba de la producción de

piezas fundidas de fundición gris esferoidal (FGE), un material de elevadas

cualidades y propiedades. Ingeniería Mecánica, 8(3).