Práctica de Laboratorio: Tratamientos Térmicos y Dureza de Materiales, Apuntes de Física

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TRATAMIENTOS

TÉRMICOS

PROTOCOLO

Curso de Materiales

EDICION 2008-

FACULTAD INGENIERIA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE PRODUCCION

Escuela Colombiana de Ingeniería. Laboratorio de Producción.

• INTRODUCCIÓN TABLA DE CONTENIDO
• OBJETIVOS
• SEGURIDAD PARA LA PRÁCTICA
• 1 TABLA DE CONTENIDO DE LA PRÁCTICA
• 1.1CONOCIMIENTO DEL DURÓMETRO Y DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
• 1.2. PRÁCTICA
• 2 MARCO TEÓRICO.
• 2.1 TRATAMIENTO TÉRMICO
• 2.2 ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO
• 3 TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
• 3.1 RECOCIDO
• 3.2 TEMPLE
• 3.3REVENIDO
• 3.4 DIAGRAMA TTT (TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN).
• 3.5 DUREZA
  • 3.5.1 Definición de Dureza
  • 3.5.2 Tipos de Ensayos de Dureza
• 4 EL DURÓMETRO Y SUS PARTES
• 5 HORNO ELÉCTRICO
• 6 ENSAYO JOMINY
• 7 DESARROLLO DE PRÁCTICA
• 7.1 Practica I
  • 7.1.2 Procedimiento 7.1.1 Objetivo ¡Error! Marcador no definido.
• 7.2 Practica II
  • 7.2.1 Objetivo:
  • 7.2.2 Procedimiento:
• 8 EJEMPLO
• 9 BIBLIOGRAFÍA
• 10 CONTENIDO DEL INFORME
• 11 FORMATOS

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• Comprobar experimentalmente el comportamiento del acero según el tratamiento térmico al cual fue sometido, para determinar su dureza antes y después de realizada la prueba y comparar los resultados obtenidos.
• Identificar la importancia que tienen los elementos de protección personal para evitar accidentes.
• Estar en capacidad de interpretar los resultados obtenidos en la práctica, poder concluir y analizar la aplicación del material con sus nuevas propiedades obtenidas con un determinado tratamiento térmico.
• Conocer las unidades de dureza y sus aplicaciones en distintos materiales.

SEGURIDAD PARA LA PRÁCTICA

Para evitar accidentes y daños en equipos durante la práctica es necesario que los estudiantes tengan en cuenta lo siguiente:

• Seguir las instrucciones impartidas por el monitor para la realización correcta de la práctica y tener conocimiento previo del contenido de ésta.
• Utilizar los elementos de protección personal asignados para esta práctica: Guantes de Carnaza, Delantal de cuero, Careta y Pinzas para manipular la pieza metálica a la cual se le va a realizar tratamiento térmico. (Éste ensayo se desarrolla manejando piezas y el horno a temperaturas elevadas, aproximadamente entre 500º C y 900º C).
• Mantener mangas y cabellos recogidos. Evitar el uso de manillas o cualquier elemento que implique riesgo durante la realización de la práctica.
• Identificar el tratamiento térmico que se va a realizar con anticipación: Temple, Revenido ó Recocido.
• Programar correctamente el durómetro para obtener los datos verídicos y adecuados en la prueba.
• Antes de colocar la pieza de metal en el horno, es importante que el alumno que fue asignado para realizar esta actividad, se familiarice con el manejo de las pinzas y evitar de esta manera errores.
• Los alumnos que no tienen Careta (elemento de protección personal) no deben permanecer cerca del Horno Eléctrico (sobretodo en el momento de abrirlo), ya que las temperaturas con que se trabajan son peligrosas.
• Antes de iniciar la prueba, el grupo de trabajo se debe cerciorar que cuente con el elemento que se va a utilizar para refrigerar la pieza de metal (Arena, Aceite o Agua), para verificar que el nivel que tiene el recipiente con el refrigerante cubre completamente la pieza.
• Si la pieza se va refrigerar en aceite, es muy importante que los alumnos se ubiquen a una distancia prudente, para evitar salpicaduras de aceite caliente.

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1 TABLA DE CONTENIDO DE LA PRÁCTICA

1.1 Conocimiento del Durómetro y de los Tratamientos Térmicos.

TEORIA TIEMPO (min) Instrucciones de seguridad, para el bienestar de los usuarios.

Explicaciones generales acerca de los tratamientos térmicos.

Diferencias entre el Temple, Recocido y Revenido y los resultados que se obtienen en cada una de estas pruebas.

¿Qué es el Durómetro y para que sirve? 5 Explicación de las partes del Durómetro y configuración de este aparato.

Breve explicación de las unidades de Dureza. 7 Presentación del material utilizado para la realización de la prueba y sus propiedades.

Breve explicación del diagrama TTT. 7 Conocimiento del horno y cuidados sobre éste. 2 Total 52

1.2. Práctica.

PRÁCTICA TIEMPO (min) Seguir instrucciones de seguridad, y alistamiento de los estudiantes.

Configuración del Durómetro y conocimiento de las propiedades de la pieza con la cual se va a trabajar. (Mirar tablas de propiedades mecánicas).

Tomar las mediciones de dureza a la pieza antes de introducirlas al horno.

Mantener la pieza metálica dentro del horno para tenerla a la temperatura deseada. 10 Sacar la pieza del horno y llevarla a donde está el elemento que se va a utilizar para enfriar la pieza dependiendo del tratamiento térmico realizado.

Limpieza de la pieza y aplicación de vaselina. 2 Realizar las mediciones de dureza a la pieza que se le hizo el tratamiento térmico.

Total 38

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3.1 Recocido Es un tratamiento térmico que normalmente consiste en calentar un material metálico a temperatura elevada durante largo tiempo, con objeto de bajar la densidad de dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad.

El Recocido se realiza principalmente para:

• Alterar la estructura del material para obtener las propiedades mecánicas deseadas, ablandando el metal y mejorando su maquinabilidad.
• Recristalizar los metales trabajados en frío.
• Para aliviar los esfuerzos residuales.

Las operaciones de Recocido se ejecutan algunas veces con el único propósito de aliviar los esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causadas por los procesos de formado previo. Este tratamiento es conocido como Recocido para Alivio de Esfuerzos , el cual ayuda a reducir la distorsión y las variaciones dimensiónales que pueden resultar de otra manera en las partes que fueron sometidas a esfuerzos.

Se debe tener en cuenta que el Recocido no proporciona generalmente las características más adecuadas para la utilización del acero. Por lo general, al material se le realiza un tratamiento posterior con el objetivo de obtener las características óptimas deseadas.

3.2 Temple El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en Austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.

En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta del mismo, además, la temperatura para el calentamiento óptimo debe ser siempre superior a la crítica para poder obtener de esta forma la Martensita. Existen varios tipos de Temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros, llamada Templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

3.3 Revenido El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a éste. Después del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede

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corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad.

Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos térmicos para la fabricación del acero de Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses (Siglo XII d.C.). Es posible obtener una dispersión excepcionalmente fina de Fe 3 C (conocida como martensita revenida) si primero se templa la austerita para producir martensita, y después se realiza el revenido. Durante el revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero. (Ver Figura No. 1).

Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle realizado un Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto critico (o temperatura de recristalización), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos , cuando se pretende reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.

Es muy importante aclarar que con la realización del proceso de Revenido no se eliminan los efectos del Temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir la dureza y tensiones internas para lograr de ésta manera aumentar la tenacidad.

Figura 1. Efecto de la temperatura de revenido sobre las propiedades mecánicas de un acero SAE 1050

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3.5 Dureza

3.5.1 Definición de Dureza La Dureza es la capacidad de una sustancia sólida para resistir deformación o abrasión de su superficie. Está relacionada con la solidez, la durabilidad y la resistencia de sustancias sólidas, y, en sentido amplio, éste término suele extenderse para incluir todas estas propiedades.

Se aplican varias interpretaciones al término en función de su uso. En Mineralogía , la dureza se define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una superficie blanda se raya con más facilidad que una dura; de esta forma un mineral duro, como el diamante, rayará uno blando, como el grafito, mientras que la situación inversa nunca se producirá.

En Metalurgia e Ingeniería , la dureza se determina presionando una bolita o un cono de material duro (impactadores) sobre la superficie estudiada y midiendo el tamaño de la indentación resultante. Los metales duros se indentan menos que los blandos. Este método para establecer la dureza de una superficie metálica se conoce como prueba de Brinell, en honor al ingeniero sueco Johann Brinell, que inventó la máquina de Brinell para medidas de dureza de metales y aleaciones.

3.5.2 Tipos de Ensayos de Dureza Cuando se realiza un ensayo de dureza, lo que se busca medir es la resistencia de la superficie de un material a la penetración de un objeto duro. Se han desarrollado varias pruebas de este tipo, pero las más comunes son la Rockwell y la Brinell.

En el ensayo de dureza Brinell , una esfera de acero duro, se oprime sobre la superficie del material, luego se mide el diámetro de la penetración y posteriormente se calcula el número de dureza (HB) utilizando la siguiente formula:

Donde:

F = Carga aplicada (Kg). D = Diámetro del penetrador (mm). Di = Diámetro de la impresión o indentación (mm).

2 2 D D D D i

F

HB

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El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequeña bola de acero para materiales blandos y un cono de diamante para materiales duros. La profundidad de penetración es medida automáticamente por el instrumento utilizado.

Existen otros tipos de ensayos de microdureza, los cuales son el ensayo Vickers y el ensayo Knoop. Estos tipos de ensayos producen penetraciones tan pequeñas que requieren de un microscopio para poder realizar su medición.

Para ensayar materiales muy blandos y elásticos, tales como cauchos y plásticos no rígidos, se utiliza el ensayo de dureza Shore , el cual mide la resistencia a la penetración elástica. Los impactadores para este tipo de ensayos de dureza son de acero de punta cónica. En esta prueba no se presentan deformaciones permanentes.

4 EL DURÓMETRO Y SUS PARTES

El durómetro es un instrumento desarrollado para determinar la dureza de materiales. Este aparato es distinguido por su alta exactitud, amplio rango y simplicidad de operación. (Ver Figura No. 3)

Consta de cuatro partes principales:

Figura 3. El durómetro y sus partes

Figura 4. Visualizado r

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Ensayo BRINELL.

Indentador : Esfera de 2.5 – 5 ó 10 mm en carburo de tungsteno.

Ensayo VICKERS

Indentador : Pirámide de diamante.

Ensayo ROCKWELL

Indentador : Cono de diamante. Identador de 120º y 2 mm de radio.

Para la realización de pruebas tipo Vickers y Brinell, la máquina no cuenta con una estandarización universal. Esto significa, que las pruebas se acogen a las 65rmas ASTM E10, ASTM E 384, E92 e ISO 6507Es por esto, que se utiliza el microscopio para medir la diagonal de la huella impresa en la probeta, dicho procedimiento no lo hace la máquina, lo que hace es imprimir la huella para revisarla posteriormente con el microscopio; el cual tiene lentes de aumento 20x y 40x.

Figura 6. Distintos tipos de prueba de dureza y el tipo de identador que debe ser utilizado.

Figura 7. Microscopio

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5 HORNO ELÉCTRICO

Un horno eléctrico es un dispositivo que se calienta por electricidad, empleado en la industria para fundir metales o cocer cerámica, ó cualquier otro material. También se conoce como horno electrotérmico.

El tipo más sencillo de horno eléctrico es el horno de resistencia (es el utilizado en el laboratorio), en el que se genera calor haciendo pasar una corriente eléctrica por un elemento resistivo que rodea el horno. En los hornos que se calientan desde el exterior, el elemento calefactor puede adoptar la forma de una bobina de alambre enrollada alrededor de un tubo de material refractario o puede consistir en un tubo de metal u otro material resistivo, como el carborundo. Los hornos de resistencia son especialmente útiles en aplicaciones en las que se necesita un horno pequeño cuya temperatura pueda controlarse de forma precisa. Estos hornos pequeños se utilizan mucho en los laboratorios y también se emplean en el tratamiento térmico de las herramientas. (Ver Figura No. 8).

El sistema de control de temperatura del horno es de tipo PID, (Proporcional, Integral, Derivativo). La acción proporcional modula la respuesta del sistema, la integral corrige la caída o el aumento de la temperatura, y la derivativa previene que haya carga o sobrecarga en el sistema. Este tipo de control, regula la temperatura de forma tal que a medida que se acerca a la medida deseada, hay un comportamiento sinusoidal cerca al valor requerido. Para el manejo del controlador, se debe oprimir la tecla On/Off, posteriormente elevar o disminuir la temperatura mediante las teclas con símbolos “ “ ó “ “. Para programar dicha temperatura, es indispensable tener en cuenta las curvas de temperatura programables para el horno, recordando que al acercarse al valor deseado, la temperatura se comporta en forma sinusoidal alrededor de la temperatura programada. (Ver Figura No. 9)

Figura 8. Horno Eléctrico.

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Se procede a la austenitización de la probeta y cuando esta termina, el espécimen es ubicado en el dispositivo de temple y se enfría con un chorro de agua en uno de sus extremos. Posteriormente se crean dos superficies planas, a 180° o diametralmente opuestas una de otra, a lo largo de la barra, esmerilando muy levemente la superficie, hasta una profundidad definida, para conocer la reacción al temple, a diferentes profundidades.

Finalmente se aplican ensayos de dureza a las superficie planas cada 1.6 mm, a partir del extremo templado a lo largo de la primera pulgada. La distancia entre las pruebas de dureza para el resto de la longitud de la barra queda a criterio de quien efectúe la prueba.

Los datos obtenidos de dureza vs distancia se grafican (Ver Figura 12), teniendo como referencia el extremo enfriando por inmersión. A la curva resultante se le conoce como la curva de endurecimiento Jominy del acero.

Figura 11. Probeta de Ensayo

Figura 12. Ejemplo de una curva Jominy para diferentes aceros.

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La curva de Jominy tiene un uso muy importante con el tratamiento de piezas reales. Los puntos reales de ubicación del componente o pieza adquieren la misma dureza que se indica en la curva de Jominy con la misma velocidad de enfriamiento equivalente. Por lo que la probeta utilizada en Jominy debe haber sido tratada del mismo modo que la pieza.

7 DESARROLLO DE PRÁCTICA

7.1 Practica I A continuación se explicará de manera detallada el procedimiento para la práctica:

Procedimiento

1. Conocer el tipo de tratamiento que se va a llevar a cabo en la práctica. 2. Conocer e identificar las propiedades más importantes del material al cual se le va a realizar el tratamiento térmico. 3. Determinar la temperatura que exige el tratamiento térmico de acuerdo al material escogido, para realizar con éxito la prueba y verificar que el horno eléctrico esté a la temperatura exigida por la prueba. 4. Configurar el Durómetro de acuerdo con el material seleccionado, la escala adecuada (explicado en este protocolo), para llevar a cabo la práctica. 5. Para determinar la dureza inicial de la probeta, se escoge el tipo de prueba a realizar, en el menú del visualizador. Si es de tipo Rockwell se debe escoger el tipo de carga e identador de 120º # 8096. Si la prueba es de tipo Vickers, la carga puede ser solamente de 30 Kg. ó 100 Kg. con el identador de 136º. Como no esta estandarizada la prueba de tipo vickers, se procede a medir la huella con el microcopio asignado y comparar el valor obtenido con las tablas del laboratorio. El monitor es quién debe colocar el identador con la cara plana al lado del prisionero. 6. Se debe acercar el tornillo al identador girándolo lentamente hasta que haga contacto con la probeta. Cuando haga contacto, la máquina sugiere acercar mucho más la probeta de forma tal que se imprima la huella. Esperar de 6 a 8 segundos y se observa el resultado. 7. Realizar el procedimiento tres veces, ya que el cuarto resultado ya es confiable. 8. Una vez se tengan los datos de dureza inicial, se debe introducir la probeta al horno por un tiempo mayor o igual a 15 minutos. En esta actividad es fundamental el uso de los elementos de protección personal establecidos pues las temperaturas de trabajo son altas. 9. Luego de dejar la pieza en el horno eléctrico el tiempo necesario para realizar con éxito la práctica, se procede a sacarla con la ayuda de unas pinzas e inmediatamente se coloca en el elemento escogido para enfriarla según el tratamiento y el material que se esté trabajando. Si se utiliza aceite para

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4. Someter la barra de acero al enfriamiento con agua. Hasta la media indicada por el monitor. 5. Esperar que se enfríe el material 6. Desbastar la sección de la superficie de la barra. (Por razones de tiempo, usted tendrá una barra preparada y este paso no se realizara). 7. Medir la dureza a lo largo de la sección desbastada de la barra, iniciando en el extremo templado. Tenga en cuenta que a partir de su medición de origen debe aumentar 1,6 mm y medir la dureza así hasta que llegue a 25.4 mm. (Ver Tabla No.)

8 EJEMPLO

Este ejemplo muestra la realización de una prueba de Tratamiento Térmico para una pieza de acero K – 460. La dureza máxima de recocido para éste material según la tabla teórica, es 250 HB y en estado de temple es de 63 HRC - 65 HRC.

Material: Acero K - 460. Pieza en Estado de: Recocido. Unidad de Dureza : HB

El tratamiento Térmico que se va realizar a la probeta es un temple. Luego de hacer las mediciones anteriores y de compararlas con tablas confiables, se procede a introducir la pieza en el horno eléctrico a una temperatura de 815 o^ C. Ésta temperatura debe ser superior a la de recristalización o crítica, aproximadamente equivale al 40% de la temperatura de fusión del metal.

Se deja la pieza en el horno durante 15 minutos o mas. Posteriormente, se saca con la ayuda de pinzas y se coloca en aceite; el volumen de éste debe cubrir totalmente la pieza. Luego de limpiar la pieza, se obtuvieron los siguientes datos de dureza:

Dato No Dureza (HB) 1 176 2 189 3 171 4 178 5 182 6 180 Promedio 179,

Tabla No 1. Medidas de dureza en probeta en estado recocido

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Material: Acero K - 460. Pieza en Estado de: Templado. Unidad de Dureza: HRC.

9 BIBLIOGRAFÍA

• ASKELAND, Donal R., “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”, Thomson Editores. México, 1998.
• Anderson, J.C. y otros, “Ciencia de los Materiales”, Limusa Editores, México, 1998.
• Flim, R.A, y otro, “Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones”, Mc Graw - Hill, México, 1979.
• Budinsky, K. y otro, “Engineering Materials”, Prentice – Hall, U.S.A., 1999.

Dato No Dureza (HRC) 1 42, 2 62, 3 62 4 59, 5 58, 6 68, Promedio 58,

Tabla No 2. Medidas de dureza en probeta en estado de temple