Informe Lab Tratamientos y Jominy (1)

Informe Laboratorios: Tratamientos Trmicos y Ensayo JominyGrupo 4Girardot, Mnica [email protected], Stiben [email protected], Isabel [email protected]

9

RESUMEN: En este informe se encuentra la informacin de los ensayos realizados en el laboratorio de tratamientos trmicos, con el fin de afianzar los conocimientos del estudiante sobre los tratamientos trmicos y sus efectos en los materiales.PALABRAS CLAVE: Tratamientos trmicos, ensayo Jominy, dureza.ABSTRACT: This report details the tests performed in the laboratory of heat treatments, in order to strengthen the student's knowledge on thermal treatments and their effects on materials is located.KEY WORDS: Heat treatments, Jominy test and hardness.OBJETIVOS: Identificar y comprender el efecto de los tratamientos trmicos en las propiedades (mecnicas) de los materiales. Reconocer y comparar los cambios micro-estructurales que sufre un material sometido a diferentes tratamientos trmicos. Comprender las caractersticas, procesos y diferencias de los tratamientos trmicos.

INTRODUCCINA continuacin se encuentra informacin detallada sobre lo que son los tratamientos trmicos de aceros, sus variedades, las caractersticas principales de cada uno de ellos, las propiedades y estructuras que se pueden conseguir mediante la aplicacin de estos tratamientos en los materiales y el reporte de ensayos de laboratorio de tratamientos trmicos, los que comprenden: ensayo de tensin a resortes sometidos previamente a distintos tratamientos trmicos y ensayo de templabilidad Jominy a una probeta igualmente sometida a tratamiento trmico.

MARCO TERICOLos tratamientos trmicos son un conjunto de procesos de operaciones de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades mecnicas. [1]El objetivo de los tratamientos trmicos es proporcionar a los materiales propiedades especficas adecuadas para su conformacin o uso final. No modifican la composicin qumica de los materiales, pero si otros factores como los constituyentes estructurales y la granulometraLa granulometra se refiere a la medicin y graduacin que se lleva a cabo de los granos de un material, con fines de anlisis de sus propiedades mecnicas. [2] Se pueden realizar tratamientos trmicos sobre una parte la totalidad de la pieza en uno varios pasos de la secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado para ablandar el metal y ayudar a formarlo ms fcilmente mientras se encuentra caliente. En otros casos, se usa para aliviar tensiones y efectos del endurecimiento por deformacin. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de manufactura para lograr resistencia y dureza.Un tratamiento trmico, en general, consta de tres etapas como se muestra a continuacin: Calentamiento: elevacin de la temperatura de manera uniforme en la pieza hasta llegar a la temperatura fijada. Permanencia: se mantiene la pieza a la temperatura fijada por un tiempo en el cual ocurre la transformacin del constituyente estructural. Enfriamiento: es controlado en funcin del tiempo segn el tratamiento que se realice.Existen varios tipos de tratamientos trmicos, de los cuales los principales son: temple, revenido, recocido y normalizado. Mediante estos tratamientos se logran mejoras en las propiedades de los aceros como la resistencia al desgaste, la tenacidad, la ductilidad, maquinabilidad y la dureza.A continuacin encontramos las principales caractersticas de cada uno de estos tratamientos trmicos.1. TempleEl temple es un tratamiento trmico con el que se busca obtener un tipo de aceros de alta dureza llamado martensita. Consiste en elevar la temperatura del acero hasta su temperatura crtica (temperatura a la cual sucede un cambio estructural en el acero) y posteriormente someterlo a enfriamientos rpidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire.[3]La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composicin qumica del acero y se denomina templabilidad. Al obtener aceros martensticos, en realidad, se pretende aumentar la dureza, el problema es que el acero resultante ser muy frgil y poco dctil, porque existen altas tensiones internas, por ello el temple no suele realizarse slo, sino que va acompaado por lo general por otro tratamiento realizado posteriormente como el revenido.

Figura 1: Cambios de la temperatura en el temple ordinario. Ref [4]2. RevenidoEl revenido es un tratamiento trmico que sigue al temple. Consiste en calentar la pieza templada hasta cierta temperatura, para reducir las tensiones internas que tiene el acero martenstico (de alta dureza). De esto modo, se evita que el acero sea frgil, sacrificando un poco la dureza, pero aumentando su tenacidad.Se calienta el acero, (despus de haberle realizado un temple o un normalizado) a una temperatura inferior al punto crtico (o temperatura de recristalizacin), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rpido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al mximo las tensiones trmicas que pueden generar deformaciones.[1]3. RecocidoCon este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero, eliminar tensiones o recristalizar el material. El recocido consiste en calentar adecuadamente la pieza y luego enfriarla de una forma tan lenta que semeje enfriamientos en condiciones de equilibrio, esto se logra si el enfriamiento se hace dentro del horno.[5]Los tipos de recocido son: recocido de ablandamiento, recocido de alivio de tensiones o estabilizado, y recocido de recristalizacin. La diferencia de estos recocidos radica en el fin con que se hacen y por ello cada uno se hace a diferentes temperaturas para lograr los cambios deseados. Por ejemplo: el primero, respectivamente, se realiza para mejorar la maquinabilidad del material, el segundo para aliviar las tensiones luego de un temple pero procurando no perder la dureza y el ltimo busca recuperar la micro-estructura del material sin alterar propiedades.4. NormalizadoEste tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformacin mecnica, tales como una forja o laminacin para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composicin. [3]Consiste en calentar las piezas a temperaturas ligeramente ms elevadas que la crtica, para que pase al estado austentico y luego de un determinado tiempo de permanencia a esa temperatura, hacerle un enfriamiento en aire tranquilo. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en fro, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y tambin sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior. La temperatura de normalizacin depende esencialmente del contenido de carbono del acero, as como en la mayora de los tratamientos trmicos.5. BonificadoEl bonificado no es ms que la aplicacin de dos tratamientos uno luego del otro: temple y posterior revenido. Usualmente no se encuentra una pieza solamente templada, casi siempre el temple va acompaado del revenido para alivio de tensiones producidas en el temple y mejoras de las propiedades del material.Hay variaciones en cada uno de los tratamientos trmicos dependiendo de las temperaturas a las que se hacen. Estos tratamientos trmicos tambin dependen de la composicin del material, ms especficamente del porcentaje de Carbono ( C ) que tenga el acero.Para comprender las temperaturas y la estructura que presenta el acero a cada una de ellas, se recurre a un diagrama de fase hierro carbono como el que se muestra en la figura 2. Un diagrama de fase es en esencia una representacin grfica de la temperatura sobre la cual son estables las fases de un metal.[6]En el diagrama de fase hierro carbono de la figura 2 se pueden observar los estados y estructuras que presenta el material a diversas temperaturas. El diagrama esta en trminos de porcentaje de carbono (%C) contra temperatura (C a la izquierda y correspondientes F a la derecha).Tambin se observa fcilmente, adems del cambio de estado slido a lquido en la temperatura aproximada de fusin del metal, el estado que presenta estructuralmente: austenita, perlita, cementita, ferrita, etc.La ferrita es el hierro alfa o hierro casi puro. Es muy dctil, maleable y magntico. La cementita es un carburo de hierro (Fe3O) es el constituyente ms duro de los aceros. Es magnetica por debajo de los 210C y no magntica a temperaturas superiores. Contiene 6,67% de C y 93,33% Fe.La perlita es una mezcla mecnica de 88,5% de ferrita y 11,5% de cementita. Tiene forma de lminas finas dispuestas alternadamente y sus propiedades son intermedias entre la ferrita y la cementita.La austenita / bainita es una solucin slida de carbono en hierro gamma, es blanda, dctil, tenaz y no magntica.La martensita puede considerarse como una solucin slida de carbono en ferrita sobresaturada y distorsionada. Es el constituyente de los aceros templados. Tiene una elevada dureza pero es muy frgil.

Figura 2: Diagrama de equilibrio o fase Hierro Carbono. Ref [6]

Como se ha mencionado anteriormente, La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composicin qumica del acero y se denomina templabilidad. Los mtodos ms conocidos para medir la templabilidad son el mtodo Grossman y el Jominy.El ensayo de templabilidad Jominy es un mtodo mediante el cual se busca conocer qu tanta dureza se obtiene de un material luego de un tratamiento trmico, es decir, es un ensayo estndar que mide cuantitativamente el endurecimiento de los aceros.Consiste en templar una muestra estndar de acero llamada probeta (ver figura 3) con un chorro de agua de caudal y temperatura constante. La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua por uno de los extremos de la probeta. Ese extremo de la probeta se enfriar rpidamente, sufriendo el temple y ser ms duro que el otro extremo.[3]Despus de enfriado, se hace un corte longitudinal en la probeta, se rectifican (mecanizado) las dos superficies paralelas y opuestas y se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm, aproximadamente, a lo largo y se traza la curva de templabilidad.[7]La curva de templabilidad asegura que si la dureza disminuye rpidamente conforme se aleja del extremo templado, el acero tendr una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales sern de alta templabilidad, es decir, susceptibles de endurecerse rpido cuando sufren temple.

Figura 3: Especificaciones probeta para ensayo Jominy. Ref [7]MATERIALES Y EQUIPOLaboratorio de tratamientos trmicos:1. Resortes de acero 1070 con previos tratamientos trmicos como se muestra a continuacin:a. Estado de entregab. Recocido a 820Cc. Templado a 820Cd. Templado a 820C y Revenido a 300Ce. Templado a 820C y Revenido a 400Cf. Templado a 820C y Revenido a 600C2. Mesa / estructura para ensayo de tensin en resortes (alargamiento). Ver figura 4.3. Dinammetro

Figura 4: Estructura para ensayo en resortes.

Ensayo de templabilidad Jominy1. Una probeta de acero 1020 para realizacin del tratamiento trmico.2. Horno 1300 Fumace.3. Dispositivo de temple. Ver figura 5.4. Una probeta de acero 5160 con previo tratamiento y mecanizado, para medicin de la dureza.5. Indentador de cono de punta de diamante, con 120 entre caras, para dureza Rockwell C6. Durmetro Wolpert hf 2000

Figura 5: Equipo para ensayos Jominy.

DESARROLLO EXPERIMENTALLaboratorio de tratamientos trmicos:1. Con anterioridad se realizan diferentes tratamientos trmicos a 4 resortes de las mismas caractersticas de acero 1070 tales como: Recocido a 820C durante 5 minutos con enfriamiento lento (24 horas) Templado a 820C durante 5 minutos con enfriamiento en agua, despus revenido a 300C durante 5 minutos con enfriamiento lento Templado a 820C durante 5 minutos con enfriamiento en agua, despus revenido a 450C durante 5 minutos con enfriamiento lento Templado a 820C durante 5 minutos con enfriamiento en agua, despus revenido a 600C durante 5 minutos con enfriamiento lento2. A un resorte de las mismas caractersticas se le realiza un tratamiento trmico de templado a 820C durante 5 minutos con enfriamiento en agua.3. Se aplica una fuerza sobre cada uno de los resortes aumentando cada 500 gramos hasta llegar a 3500 anotando la elongacin del mismo para luego realizar un grafico comparativo

Ensayo de templabilidad Jominy1. Se lleva la probeta de acero 5160 a la temperatura de normalizacin2. Se realiza un tratamiento de austenizacin durante 30 minutos de sostenimiento3. Se pasa rpidamente a la cubeta Jominy para enfriar por uno de los extremos con chorro de agua durante 10 minutos4. Se pasa a enfriar completamente en tanque de agua5. Se mecanizan dos caras paralelas planas 6. Se realizan ensayos de dureza cada 2 mm aproximadamente

RESULTADOS OBTENIDOSLaboratorio de tratamientos trmicos:Resorte 1: (Estado de entrega)Tabla 1: Datos Resorte 1Fuerza (g)Elongacin (mm)

0283

500309

1000330

1500355

2000383

2500406

3000433

3500461

Figura 6: Grfica de Fuerza Vs Elongacin Resorte 1

Resorte 2: (Recocido 820C 5min, enfriamiento lento)Tabla 2: Datos Resorte 2Fuerza (g)Elongacin (mm)

0299

500331

1000366

1500691

2000---

2500---

3000---

3500---


Resorte 3: (Templado 820C 5min, enfriamiento en agua)Tabla 3: Datos Resorte 3Fuerza (g)Elongacin (mm)

0303

500336

1000338

1500---

2000---

2500---

3000---

3500---


Resorte 4: (Templado 820C 5min, enfriamiento en agua. Revenido 300C 5min, enfriamiento lento)Tabla 4: Datos Resorte 4Fuerza (g)Elongacin (mm)

0302

500311

1000319

1500329

2000339

2500347

3000357

3500366



0301

500307

1000315

1500325

2000334

2500343

3000351

3500359



0298

500308

1000317

1500327

2000335

2500344

3000352

3500360


Ensayo de templabilidad Jominy:Seccin 1: (Primera pulgada)Tabla 7: Datos Dureza primera pulgadaSeparacin (mm)Dureza (RC)

261

460

660

861

1060

1259

1459

1657

1858

2055

2251

2446

Figura 12: Grfica de Distancia Vs Dureza Seccin 1

Seccin 2: (Segunda pulgada)Tabla 8: Datos Dureza segunda pulgadaSeparacin (mm)Dureza (RC)

239

440

640

837

1036

1235

1433

1632

1831

2030

2230

2429

Figura 13: Grfica de Distancia Vs Dureza Seccin 2Seccin 3: (Tercera pulgada)Tabla 9: Datos Dureza tercera pulgadaSeparacin (mm)Dureza (RC)

229

428

628

827

1027

1228

1427

1627

1827

2027

2227

2427

Figura 14: Grfica de Distancia Vs Dureza Seccin 3

ANLISIS DE RESULTADOSLaboratorio de tratamientos trmicos:Al analizar cada uno de los resortes, podemos ver cmo afecta el tratamiento trmico recibido en el comportamiento de la elongacin del resorte, por ejemplo el resorte 1, al cual no se le hizo ningn tratamiento, muestra un comportamiento lineal relativamente uniforme (Ver figura 6)Por el contrario, el resorte 2 (Ver figura 7) al que slo se le hizo un recocido, no se le alcanz a aplicar ms de 1500 gr de fuerza aplicada y se deform completamente debido a que este tratamiento trmico tiene como fin aliviar tensiones dentro del material o ablandarlo, no incrementar su dureza como si lo hace un temple. Tambin se observ que a medida que se estiraban los resortes en general, iban desprendindose residuos o viruta del resorte (Ver figura 15)El resorte 3 (Templado y enfriado en agua) se fractur, slo soport 1000 gr de fuerza aplicada, esto puede deberse a que slo se le hizo temple lo cual deja el material duro pero muy frgil y con tensiones internas.El resorte 4, al que se le hizo un temple y un revenido (300C), no se fractur y presenta una dureza ms uniforme comparada con el resorte en estado de entrega, es decir, se lograron mejorar sus propiedades mecnicas y gracias al revenido se alivian las tensiones provocadas por el temple.De igual forma se comporta el resorte 5 al que tambin se le hizo un temple y un revenido (450C), pero esta vez el recocido se hizo a una mayor temperatura, los cambios observados en la dureza no tienen un cambio considerable comparndolo con el resorte 4.Por ltimo, el resorte 6, templado y revenido a una mayor temperatura (600C) muestra una dureza an ms uniforme conforme se elonga, pero en promedio la dureza obtenida es menor que la del resorte 4, esto puede deberse a la temperatura en que se hizo el revenido, ya que al realizarse a mayor temperatura disminuyen un poco ms las propiedades logradas en el temple.

Figura 15: Residuos producidos al estirar los resortes

Ensayo de templabilidad Jominy:Los resultados obtenidos en el ensayo de templabilidad Jominy muestran claramente cmo la dureza de la probeta disminuye cada vez que se aleja del extremo al cual se le aplic el chorro de agua.Las mediciones se realizaron slo hasta la tercer pulgada ya que a partir de ah se observ que la dureza de la probeta no cambiaba cmo se muestra en los datos registrados en la tabla 9.Al observar las graficas obtenidas con los datos de dureza Rockwell C para cada distancia medida en la probeta (Figuras 12 y 13) se puede evidenciar que la dureza va disminuyendo poco a poco sin cambios bruscos, es decir, la probeta tiene un temple uniforme en las primeras dos pulgadas. Por otro lado, la dureza no disminuye uniformemente en la tercera pulgada donde la dureza cambia notablemente de 29RC a 27 RC de los primeros 2mm a los 8mm de la pulgada respectivamente (Ver Figura 14). Alcanzado este punto la dureza se vuelve constante en el resto de la probeta, lo que quiere decir que el resto de la probeta no fue susceptible al temple.

CONCLUSIONES Al realizar diferentes tratamientos trmicos se busca mejorar las capacidades mecnicas de ciertos materiales y el combinar estos tratamientos ayuda a equilibrar los diferentes comportamientos que se pudieran obtener cuando solo se realiza uno de estos. Dependiendo de las caractersticas iniciales del material y las cargas a las que deba verse sometida la pieza se deben escoger combinaciones de tratamientos trmicos junto con la temperatura y tiempo para garantizar un comportamiento efectivo de la pieza El ensayo de templabilidad Jominy se utiliza para medir cuantitativamente el endurecimiento de los aceros mediante un proceso de temple a diferentes velocidades de enfriamiento.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS[1]Escuela Colombiana de Ingeniera Julio Garabito: Tratamientos trmicos. Protocolo. Curso de materiales. Laboratorio de produccin. Facultad de Ing. Industrial. Edicin 2008-2. [En lnea]. Disponible en: http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/1537_tratamientostermicosr2.pdf.[2]Varios autores: Clasificacin granulomtrica. [En lnea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Clasificaci%C3%B3n_granulom%C3%A9trica.[3]I.E.S Villalba Hervs: Tratamientos trmicos de los metales. Blog de tecnologa. Aprendamos Tecnologa. [En lnea]. Disponible 2222222222222225en: http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/tratamientos-termicos.pdf.[4]Valencia, Asdrbal: Tecnologa del Tratamiento Trmico de los Metales. Medelln. 2 ed. Ed. Universidad de Antioquia, 1992. 630 p.[5]Varios autores: Tratamientos trmicos de los aceros. Universidad Tecnolgica de Pereira. [En lnea]. Disponible en: http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase9ttteoria.pdf.[6]Reyes, Juan Hernando: Microestructuras en los materiales. Universidad Nacional de Colombia. Bogot. Presentaciones de clase Ciencia e Ingeniera de Materiales.[7]Ensayo de templabilidad Jominy. Universidad Nacional de Colombia. Bogot. Presentacin de clase de laboratorio de tratamientos trmicos para Ciencia e Ingeniera de Materiales.

Informe Lab Tratamientos y Jominy (1)

Documents

Transcript of Informe Lab Tratamientos y Jominy (1)