Influencia del tratamiento térmico de temple y revenido en la velocidad de propagación del sonido en un acero SAE 1045

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(1)INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE Y REVENIDO EN LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN UN ACERO SAE 1045 BRANDON ESTIVEN LADINO CUERVO 20101074035 ÁLVARO SEGURA PERDOMO 20091074080 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS, TECNOLÓGICA BOGOTÁ D.C, COLOMBIA. brandonladino@gmail.com aioria20091@hotmail.com. Resumen- A un conjunto de probetas de acero SA5E 1045 se le aplicó un tratamiento térmico de temple y revenido distinto a cada una, seguido de un análisis microestructural, y una sucesión de ensayos con ultrasonido, para observar cómo influye el tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido. I.. INTRODUCCIÓN. En la ingeniería es muy importante conocer las propiedades de un material para saber cómo se comportará a la hora de ser utilizado en un diseño. Por ejemplo, las propiedades de cierto material no cumplen con la necesidad del diseño, éstas se pueden modificar a través de. un tratamiento térmico; para el caso de materiales metálicos o metálicos aleados. Estos tratamientos térmicos se realizan de acuerdo a la composición química del metal y a sus características microestructurales. El resultado del tratamiento térmico es una modificación microestructural del metal. Sus propiedades mecánicas, propiedades que se pueden determinar por medio de ensayos destructivos y no destructivos; siendo este último el tipo de ensayo que se utilizó en este trabajo. En este proyecto se realizó un tratamieto térmico; luego se preparó.

(2) la superficie de cada probeta para la toma de micrografías y microdurezas. Finalmente se efectuó la prueba de ultrasonido.. II.. se explicará más detalladamente lo que se quiere dar a conocer.. METODOLOGÍA. Se tomó cierto número de probetas de acero SAE 1045 para realizar un tratamiento térmico con distintas características (variando el tiempo del revenido y el medio de enfriamiento en el temple), para obtener diferentes microestructuras y propiedades mecánicas; luego definir que estructura se manifiesta en su microestructura. Acto seguido, se realiza una microdureza a cada probeta, aplicando finalmente un ensayo con ultrasonido para determinar que tanto influye el tratamiento térmico en la velocidad de propagación del sonido en el material, además de hacer comparaciones entre la micro-dureza obtenida y la velocidad de propagación del sonido con cada muestra.. Fig.1. Probetas SAE 1045.. Para definir las temperaturas de temple y revenido es necesario conocer el diagrama de hierrocarbono (figura 2.), de donde se definieron las temperaturas criticas AC! Y AC3 de acuerdo a los porcentajes de los elementos químicos que contienen.. AC3. III. PROBETAS Y TRATAMIENTO TERMICO Como se mencionó, las probetas son de acero SAE 1045 y tienen dimensiones de 5cm x 5cm x 5cm. AC1. La robustez de estas probetas se debe a los ensayos con ultrasonido, ya que a mayor longitud de la probeta, mejor será la toma de datos del osciloscopio. En el apartado V-A fig. 2. Diagrama hierro-carbono de aceros hipoeutectoides.

(3) La línea roja representa la temperatura critica AC3, en el cual la mayor parte de la microestructura es austenita; mientras que la línea negra gruesa hace referencia a la temperatura AC1, desde el cual aparece la ferrita y la austenita en la microestructura del material.. A partir de las temperaturas críticas AC1 y AC3 se hallaron las temperaturas tanto de temple como de revenido, encontrandolas en grados centígrados(°C) por medio de las siguientes ecuaciones [1]: AC1= 723 – 7.08Mn + 37.7Si + 18.1Cr + 44.2Mo + 8.95Ni + 50.1V + 21.7 Al + 3.18W + 297S + 830N – 11.5C Si – 14.0 Mn Mo – 5.28 C Ni – 6.0Mn Ni + 6.77Si Ni – 0.8Cr Ni – 27.4C V + 30.8Mo V – 0.84Cr2 – 3.46 Mo2 - 0.46Ni2 – 28V2 (1) AC3= 912 – 370C – 27.4Mn + 27.3Si – 6.35Cr – 37.2Ni + 95.2V + 190 Ti + 72.0 Al + 64.5 Nb + 5.57W + 332S + 276P +485N – 900B + 16.2C Mn 32.3 C Si + 15.4 C Cr + 48.0C Ni + 4.32Si Cr – 17.3 Si Mo – 18.6Si Ni +4.80 Mn Ni + 40.5Mo V + 174 C2 + 2.46Mn2 – 6.86Si2 + 0.322Cr2 + 9.90Mo2 + 1.24 Ni2 + 60.2V2 (2) Los porcentajes de elementos químicos se sacaron de la tabla anexa a este documento que entregó la compañía que suministró las probetas1.. De las ecuaciones (1) y (2) los resultados son: AC1 731. AC3 792. TABLA 1. TEMPERATURAS CRITICAS. Fue conveniente asegurar que durante el temple se alcanzara la temperatura en donde hay presencia de austenita en casi toda la microestructura, es decir, mayor a 792°C. Para asegurar que el material llegue a esta fase se le aumentan 50°C a la temperatura AC3 [2]. Es decir, la temperatura a la que se realizó el temple fue 842°C. Por otro lado, el tiempo de permanencia de la probeta en el horno es de 1 hora por cada 2 mm de espesor[3]. Por lo tanto las probetas se dejaron en el horno a 842°C durante 24 horas, para después enfriar la mitad con agua y el restante con aceite. Las temperaturas a las cuales se hizo el revenido a cada probeta fueron de 500°C, pues es menor que la temperatura crítica AC1, con tiempos de 15, 30 y 45 minutos de permanencia dentro del horno y enfriadas a la intemperie. En las figuras 2 y 3 se muestran los diagramas de tratamientos térmicos para dichas probetas. Cabe resaltar que se dejaron dos probetas solo con el temple, una con agua y la otra con aceite..

(4) °c. IV.. 842. AC3 temple. 500. Agua. AC1 15 min. 30 min. 45 min. Fig. 2. Diagrama tratamiento térmico con temple en agua. PREPARACIÓN METALOGRÁFICA. La preparación metalográfica consistió en un arduo trabajo de desbaste de rugosidad de una de las superficies de cada probeta con papel de lija, seguido por un ataque con nital al 3%, logrando brillo espejo en cada superficie para tomar las microdurezas y micrografías. V.. °c. 842. AC3 temple. 500. aceite. A. Cambios Microestructurales y Velocidad de Propagación del Sonido. AC1 15 min. 30 min. 45 min. Fig. 3. Diagrama tratamiento térmico con temple en aceite. La tabla 2 muestra el número de probetas con el medio de enfriamiento y el tiempo de revenido.. Probeta 1 2 3 4 5 6 7 8. RESULTADOS OBTENIDOS. Med temp Agua Agua Agua Agua Aceite Aceite Aceite Aceite. t(min) reve 15 30 45 15 30 45. Tabla 2. Medio de temple y tiempo de revenido. Uno de los principales objetivos en este estudio es establecer que tanto influyen los tratamientos térmicos y los cambios microestructurales en la velocidad de propagación del sonido en el material tratado. En la tabla 3 se muestran las micrografías tomadas a cada probeta y la descripción de lo que se ve en dichas micrografías, las cuales fueron tomadas después del tratamiento térmico..

(5) PROBETA. 1. 2. 3. 4. 5. MICROGRAFÍA. DESCRIPCIÓN. Micrografía típica de un acero templado con agua. Se observa sectores con concentraciones de perlita y otros con martensita, por lo que resulta ser un material duro. Muy semejante a la micrografía de la probeta 1, pero se observa un aumento en el contenido de cementita a causa del revenido realizado.. En toda la muestra se observa ferrita, cementita y, en algunos sectores, martensita. Aquí se ve reflejado el cambio en la microestructura a medida que el tiempo de revenido aumenta. No es una micrografía muy distinta a la anterior. Se aprecian áreas con perlita y otras con cementita.. Microestructura típica de un acero templado en aceite con sectores en donde hay presencia de martensita, pero abunda la perlita debido al enfriamiento lento que se da en el aceite..

(6) 6. Se ve en los bordes de grano ferrita y un alza en la presencia de martensita en su microestructura a causa del revenido.. 7. Se observa el cambio en su microestructura gracias al aumento del tiempo en el revenido. Presencia de ferrita y martensita y, en algunos espacios, cementita Disminución de cementita en su microestrucutra, pero se mantiene la presencia de ferrita y martensita.. 8. Tabla 3. Micrografías al 500x y descripción de su microestructura para cada probeta.. Las pruebas de ultrasonido se practicaron con la máquina USM 35X que se encuentra en uno de los laboratorios de la UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS.. una gran longitud (5cm en comparación de la longitud de onda que es de 2.4 x 10-5cm aprox) y así reducir el impacto de este fenómeno en la toma de datos[5]. PROBETA 1 2 3 4 5 6 7 8. Como la diferencia acústica entre el aire y el acero es tan alta (la del aire es de 0.00004x106 g/cm2s, mientras que la del acero es de alrededor de 5x106 g/cm2s) [4], se utilizó un medio acoplante para disminuir fluctuaciones por el cambio de medio de propagación de las ondas sónicas. Para evitar los efectos de la zona Freznel2 durante el ensayo de ultrasonido se hicieron las probetas de tal modo que las ondas viajaran. VEL. (m/s) 4863 4847 4845 4836 4800 4799 4821 4824. Tabla 4. Velocidad de propagación del sonido. _____________________________________________ 2. zona de fluctuación de intensidad producidas por la interacción entre los bordes de cristal y la superficie de la pieza..

(7) En la tabla 4 se muestra que la velocidad acústica si difiere para cada probeta, es decir, que el tratamiento térmico si tiene un impacto sobre la velocidad de propagación del sonido en el material. B. Microdurezas acústicas. y. velocidades. De acuerdo a la norma ASTM E29-82 [6], se le hicieron 5 ensayos de microdureza Vickers a cada probeta (y se promedian los cinco datos en uno solo) con una fuerza de 1961 N y con una duración de 30 segundos para cada identación.. MICRODUREZA HV. En la siguientes figuras se observa el comportamiento de la microdureza y la velocidad de propagación del sonido para cada una de las muestras, respectivamente. 600. Fig. 7. Comportamiento de la velocidad de propagación del sonido de acuerdo a las microdurezas dadas.. De la figura 5 se puede observar que la microdureza de la probeta 1 es mayor que la del resto debido a que su temple se produjo con agua. A demás también obtuvo la mayor velocidad de propagación del sonido (fig. 6). Por otro lado, de la figura 7 se difiere que las probetas que fueron enfriadas con aceite tienen menor capacidad para transportar las ondas de sonido. VI.. 400. . 200 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. PROBETA. VEL SONIDO (m/s). Fig. 5. Microdurezas. . 4900 4850 4800 4750 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. PROBETA Fig. 6. Velocidad de propagación del sonido.. 8. CONCLUSIONES Las temperaturas encontradas por medio de las ecuaciones (1) y (2) son bastante coherentes, teniendo como referencia el diagrama hierro – carbono para aceros hipoeutectoides (fig. 2). En las micrografías tomadas de las probetas templadas con agua se observa que a medida que va aumentando el tiempo de revenido, las concentraciones de cementita van decreciendo y, por lo tanto, la microdureza en el material..

(8) . . . Para las probetas que fueron enfriadas con aceite además de disminuir las microdurezas, también lo hicieron las concentraciones de perlita conforme el tiempo de revenido aumentó. Para las muestras que fueron templadas en agua, a medida que disminuyeron las microdurezas también disminuyó la velocidad de propagación del sonido, destacando que entre menos estén compactas las moléculas del material, menos capacidad de transportar las ondas de sonido tendrá. El cambio en la microestructura es la razón más relevante que influye en la velocidad de propagación del sonido, ya que entre mayor sea la presencia de microconstituyentes de alta dureza y densidad, mayor será la velocidad de propagación de las ondas de sonido.. VII.. REFERENCIAS. [1]Journal of achievements in materials and manufacturing engineering: “Critical points of hypoeutectoid steel prediction of the pearlite dissolution finish temperature Ac1f” vol. 49, dic. 2011. [2] H.E. Boyer, Chapter 1, Practical Heat Treating, 1st ed., American Society for Metals, 1984.. [3]http://www.dimf.upct.es/personal/M M_I/Practicas%20Materiales.pdf, feb. de 2015. [4] Curso de Ultrasonido Básico, Universidad Central de Venezuela, feb. 2015. [5]http://sistendca.com/DOCUMENTO S/Curso%20Ultrasonido%20Basico.p df, feb. 2015. [6] ASTM E 92-82: Vickers and Knoop Hardness Tests Using a Diamond Indenter on the Universal Materials Tester mod..

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