Comparación microestructural de los aceros 1020, 1045 y 8620 templados a temperaturas intercríticas y revenidos

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(1)COMPARACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS 1020, 1045 Y 8620 TEMPLADOS DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDOS. SENDER NICOLAS MORENO SANCHEZ URIEL ALEJANDRO ESPAÑOL MARROQUIN. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2018.

(2) COMPARACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS 1020, 1045 Y 8620 TEMPLADOS DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDOS. SENDER NICOLAS MORENO SANCHEZ URIEL ALEJANDRO ESPAÑOL MARROQUIN Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de INGENIEROS MECÁNICOS. Director Ing. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2018.

(3) AGRADECIMIENTOS. El presente proyecto ha sido posible gracias a la colaboración de aquellas personas que aportaron todos sus conocimientos, para así lograr con éxito a cabalidad los objetivos planteados de este. Agradecemos al tutor del proyecto, Ingeniero Carlos Arturo Bohórquez Ávila, quien con su guía y colaboración nos brindó toda la atención posible para encontrar solución al problema planteado. Al proyecto curricular de Ingeniería Mecánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas y a la Facultad Tecnológica por brindarnos todas las instalaciones necesarias y la formación pertinente al proyecto que no solo nos hará crecer profesionalmente sino también como seres humanos, y por último a todo el personal de los laboratorios que con su dedicación nos lograron ayudar a cumplir las investigaciones establecidas..

(4) NOTA DE ACEPTACIÓN ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________ ___________________________________. ____________________________ Firma del tutor. ____________________________ Firma del jurado. ____________________________ Firma del jurado.

(5) TABLA DE CONTENIDO. Pág. INTRODUCCIÓN. 12. 1.. JUSTIFICACIÓN. 14. 2.. OBJETIVOS. 15. 2.1. OBJETIVO GENERAL. 15. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. 15. 3.. MARCO TEORICO. 16. 3.1. CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS. 17. 3.2. FERRITA. 17. 3.3. CEMENTITA. 17. 3.4. PERLITA. 18. 3.5. AUSTENITA. 19. 3.6. MARTENSITA. 20. 3.7. MARTENSITA REVENIDA. 22. 3.8. TEMPLE. 22. 3.9. TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS. 23. 3.10. REVENIDO. 23.

(6) 3.11. TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO DIFUSIONALES. 23. 3.12. TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE. 24. 3.13. TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO NO DIFUSIONALES 24. 4.. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL. PROYECTO. 4.1. DETERMINACION DE TEMPERATURAS DE TEMPLE A PARTIR DE. LA COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS 4.2. 26. 26. PREPARACIÓN DE PROBETAS Y SECUENCIA DE TRATAMIENTOS 30. 4.3 5.. MICROGRAFIAS RESULTADOS Y ANALISIS DE ENSAYOS REALIZADOS. 32 34. 5.1. DUREZAS. 34. 5.2. MICROSCOPIA ÓPTICA. 41. 5.3. PORCENTAJES DE FASE. 53. 5.4. MICRODUREZAS. 63. 6.. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO. 67. 7.. CONCLUSIONES. 76. 8.. BIBLIOGRAFIA. 77.

(7) LISTADO DE FIGURAS. Figura 1. Diagrama hierro – carbono. 16. Figura 2.Secuencia de tratamientos térmicos realizados.. 32. Figura 3. Ensayos de dureza realizados al acero 1020.. 35. Figura 4. . Variación porcentual de la dureza del acero 1020 después de ser tratado térmicamente.. 35. Figura 5. Ensayos de dureza realizados al acero 8620.. 37. Figura 6. Variación porcentual de la dureza del acero 8620 después de ser tratado térmicamente.. 37. Figura 7. Ensayos de dureza realizados al acero 1045.. 39. Figura 8. Variación porcentual de la dureza del acero 1045 después de ser tratado térmicamente.. 39. Figura 9. Variación porcentual de la dureza de los aceros 1020, 8620 y 1045 después de ser tratados térmicamente.. 40. Figura 10. Micrografía del Acero 1020 Sin templar.. 42. Figura 11. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C.. 42. Figura 12. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C.. 43. Figura 13. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C y revenido a 450 °C.. 44. Figura 14. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C y revenido a 450 °C.. 45.

(8) Figura 15. Micrografía del acero 8620 sin templar.. 46. Figura 16. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C.. 46. Figura 17. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C.. 47. Figura 18. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C.. 48. Figura 19. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C y revenido a 450 °C.. 49. Figura 20. Micrografía del acero 1045 sin templar. 50. Figura 21. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C.. 50. Figura 22. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C.. 51. Figura 23. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C y revenido a 450 °C. 52. Figura 24. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C.. 53. Figura 25. Porcentajes de fases para el acero 1020 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.. 56. Figura 26. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.. 59. Figura 27. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.. 61. Figura 28. Micrografías del acero 1020 tomadas con microscopio electrónico de barrido. 68.

(9) Figura 29. Micrografías del acero 1045 tomadas con microscopio electrónico de barrido. 70. Figura 30. Micrografías del acero 8620 tomadas con microscopio electrónico de barrido. 72.

(10) LISTADO DE TABLAS. Tabla 1 Composición química de los materiales en estado de entrega. 27. Tabla 2 Temperaturas de austenización parcial, total y de comienzo de transformación martensítica. 29. Tabla 3 Temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar temples.. 29. Tabla 4. Durezas promedio del acero AISI/SAE 1020.. 34. Tabla 5 Durezas promedio del acero AISI/SAE 8620. 36. Tabla 6 Durezas promedio del acero AISI/SAE 1045. 38. Tabla 7. Porcentajes de fases para los aceros 1020, 8620 y 1045 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.. 62. Tabla 8 Microdurezas promedio de los aceros 1020, 1045 y 8620.. 64. Tabla 9 Comparación microestructural de los aceros 1020, 1045 y 8620 templados desde temperaturas intercriticas y revenidos.. 74.

(11) LISTADO DE ECUACIONES. Ecuación 1.Cálculo de A1. 28. Ecuación 2. Cálculo de A3. 28. Ecuación 3.Cálculo de MS. 28.

(12) INTRODUCCIÓN. Los distintos materiales que se utilizan en la industria entre ellos los metales muchas veces necesitan ser sometidos a diferentes tratamientos térmicos como temples, revenidos y recocidos, los cuales generan cambios en la estructura cristalina de los mismos generando a la vez un cambio en sus propiedades mecánicas. Esta variación depende del tipo de tratamiento térmico, así como del rango de temperaturas y tiempos a las que vaya a ser expuesto el material durante dicho proceso.. Los aceros AISI 1020, 1045 y 8620, difieren entre si principalmente del porcentaje de carbono presente en su composición química, así como de los diferentes elementos aleantes presentes en ellos. La principal característica que estos tres aceros tienen en común es el uso que tienen en la industria. Son utilizados en gran medida para la fabricación de partes de maquinaria como engranajes, cigüeñales, ejes, pasadores para cadenas, bujes, entre otros.. A continuación, se muestran los resultados de un análisis comparativo entre los aceros AISI 1020, 1045 y 8620, al ser templados a temperaturas intercríticas y posteriormente revenidos. Mediante microscopia óptica, microscopia electrónica de barrido y ensayos de microdureza, se analizan e identifican las microestructuras presentes en cada material después de cada tratamiento térmico, así como los 12.

(13) porcentajes volumétricos de las fases presentes en cada muestra. También se analizan los resultados obtenidos a partir de ensayos de dureza para cada material estableciendo su relación con los tratamientos térmicos realizados.. 13.

(14) 1. JUSTIFICACIÓN. Los artículos e investigaciones consultados previamente al planteamiento formal de este proyecto, aunque están relacionados con los materiales en cuestión y con los tratamientos térmicos que se quieren emplear, no tienen el alcance que al que este proyecto pretende llegar por las razones que se exponen a continuación:. La realización del presente proyecto pretende lograr un análisis comparativo a partir del cambio que sufren los aceros en su estructura cristalina y en su dureza al verse sometidos a tratamientos térmicos (temple y revenido).. Finalmente se espera llegar a determinar el comportamiento a nivel microestructural a partir de los tratamientos térmicos realizados con el fin de establecer las principales diferencias que presentan en los aceros AISI 1020, 1045 y 8620 entre sí, de manera que permitan al lector tener un panorama de los posibles constituyentes microscópicos presentes tras cada tratamiento y de los valores de dureza de los 3 aceros.. 14.

(15) 2. OBJETIVOS. 2.1. OBJETIVO GENERAL. Identificar mediante microscopia electrónica de barrido y ensayos de microdureza la microestructura de los aceros AISI 1020, 1045 y 8620 templados desde temperaturas intercríticas y posteriormente revenidos.. 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS. Establecer el número de probetas de acuerdo a los tratamientos térmicos a realizar y constatar la composición química de los aceros 1020, 1045 y 8620 mediante espectrometría.. Realizar temples a 2 temperaturas intercríticas teniendo el agua como medio de enfriamiento, luego realizar revenidos a una temperatura cercana a Ms.. Realizar análisis metalográfico de las probetas mediante microscopia electrónica de barrido y ensayos de microdureza para determinar las microestructuras presentes en cada muestra.. Posteriormente, llevar a cabo ensayos de dureza para cada muestra, comparar los resultados obtenidos para cada caso y realizar las conclusiones respectivas.. 15.

(16) 3. MARCO TEORICO. A continuación, se dará una introducción a los temas que se trataran en este proyecto de investigación mediante la consulta bibliográfica de información relacionada.. Figura 1. Diagrama hierro – carbono (Askeland, 2004)1.. 1 Askeland,. D. R. (2004). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales, Cuarta Edición.. Thomson. 16.

(17) 3.1. CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS. Al hablarse de temple estamos refiriéndonos a una serie de cambios en la micro estructura de un acero por medio de la adición de energía. Este proceso genera una serie de fases que se presentan en los aceros.2. 3.2. FERRITA. La ferrita es hierro α, prácticamente, como hemos mencionado anteriormente; puede contener cantidades muy pequeñas de carbono, siendo la solubilidad de este elemento en la ferrita, a temperatura ambiente, de tan sólo el 0´008% en masa. En los aceros aleados, sin embargo, la ferrita puede disolver cantidades importantes de elementos como: cromo, molibdeno, wolframio, silicio, aluminio y vanadio, que por ello se denominan, genéricamente, elementos alfágenos. Tiene una resistencia mecánica apreciable de 28 kg/mm2 (280 MPa) y gran alargamiento (ductilidad) de hasta un 35%. Su dureza oscila alrededor de los 90 HB (unidades Brinell).3. 3.3. CEMENTITA. La cementita es un carburo de hierro, Fe3C, que contiene un 6´67% en masa de carbono y un 93´33% en masa de hierro. Es el microconstituyente más duro de los. 2. (2004/2005). Aleaciones Hierro - Carbono Aceros y fundiciones.. 3. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierrocarbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 12. 17.

(18) aceros al carbono; llegando a tener una dureza superior a los 68 HRC (68 unidades Rockwell C), lo que le hace muy frágil. Su red cristalina consiste en un paralelepípedo ortorrómbico de gran volumen (4´5 x 5 x 6´7 Å). Es magnética hasta los 218ºC.4. 3.4. PERLITA. Se trata del agregado eutectoide, formado por capas alternativas de ferrita y cementita (carburo de hierro, Fe3C). Posee una composición bastante definida, tiene seis partes de hierro por una de carbono, 88% de ferrita y 12% de cementita. Su dureza es de alrededor de los 250 HB (unidades Brinell), dependiendo de su espaciado interlaminar, que depende de si el enfriamiento se ha llevado a cabo en el horno (200 HB) o al aire (normalizado)(250HB). El espaciado interlaminar de la perlita depende de la velocidad de enfriamiento: 400 nm para la perlita grosera (horno) y 250-350 nm para enfriamiento al aire. La perlita aparece en el enfriamiento lento de la austenita, es decir, dentro del horno o al aire (normalizado). Su resistencia a la tracción es de aproximadamente 80 kg/ mm2 (800 MPa). 13 Su nombre deriva de su aspecto visual nacarado semejante a las perlas, lo que hizo que Henry Clifton Sorby, científico inglés de gran prestigio internacional (18261908), la denominara perlita. La perlita es la estructura del eutectoide del acero (0´8% C, 723ºC). Esta denominación de perlita, ya hemos visto que le fue impuesta. 4. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 12 18.

(19) por Sorby. En cambio, el término eutectoide, fue ideado por el ingeniero y químico francés Floris Osmond (1850-1914) por su semejanza con las estructuras eutécticas, cuyo término eutéctico, ya había sido utilizado con anterioridad por el prestigioso físico inglés F. Gutrie (1833-1886), que lo dio a conocer en una publicación en 1884, para aquellas aleaciones de bajo punto de fusión, que presentaban ese tipo de estructuras. De forma independiente y, prácticamente simultánea con Floris Osmond, el profesor de metalurgia Henry Marion Howe (18481922), norteamericano, publicó el término eutectoide, que fue aceptado de forma general hasta la actualidad. Luego los términos eutéctico y eutectoide, se deben, el primero a F. Gutrie, y el segundo tanto a F. Osmond como a H.M. Howe.5. 3.5. AUSTENITA. Es una solución sólida de carbono en hierro gamma. Puede contener hasta un 2´06% de carbono en masa a la temperatura de 1147ºC . Por tanto se trata de una típica fase de composición variable. Para retenerla a temperatura ambiente es necesario un elevado contenido en carbono o, en aceros aleados, con presencia suficiente de elementos gammágenos (níquel, manganeso, cobalto y cobre). La austenita presenta una dureza de 300 HB (unidades Brinell) y una resistencia de 88 a 105 kg/ mm2 (1050 MPa) con un alargamiento del 30% al 60%. Claro está, que estos datos se corresponden cuando la austenita está retenida a temperatura. 5. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 14 19.

(20) ambiente (aceros de alto contenido en carbono o aleados). A alta temperatura es blanda, muy dúctil, tenaz y no es magnética. Es resistente al desgaste y es la fase más densa de los aceros. El nombre de austenita le vino por el francés Floris Osmond (1849-1912), que junto con el metalurgista alemán Adolf Martens (18501914), son los fundadores e iniciadores de la metalografía. Pues bien, Osmond, la denominó austenita en honor al metalurgista inglés Sir William Chandler RobertsAusten (1843-1902). Precisamente, fue el metalurgista alemán Adolf Martens, el que encargó y diseñó junto con el óptico, también alemán, Karl Zeiss (1816-1888), fundador de la célebre compañía Zeiss, el primer microscopio metalográfico.6. 3.6. MARTENSITA. Es el constituyente típico de los aceros templados. Consiste en una solución sobresaturada de carbono en hierro α, aunque el cristal formado es del sistema tetragonal. Se trata de un paralelepípedo que difiere muy poco del hierro α, cúbico centrado en el cuerpo. Son los átomos de carbono los responsables de la deformación de la red cristalina del hierro α, que se transforma en tetragonal. El paralelepípedo elemental tiene dos lados iguales y otro que es un poco mayor. El mayor, tiene una relación proporcional que varía de 1´06 a 1, cuando el contenido en carbono varía del 1% al 0% en masa. Por calentamiento a baja temperatura, la retícula inestable de la martensita se descompone en hierro α (ferrita) y carburos de. 6. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 15 20.

(21) hierro (cementita). A esta estructura se la llamó, en los primeros años del siglo XX, osmondita; en honor del metalurgista francés, antes citado, Floris Osmond. Este nombre fue propuesto por el prestigioso ingeniero metalúrgico y metalógrafo alemán Friedrich Emily Heyn (1867-1922). Este término ya no tiene vigencia, como tantos otros en la metalurgia del acero. El nombre de martensita sí se conserva, frente al inicial de hardenita. Este término de martensita, propuesto de nuevo por el prestigioso Floris Osmond, lo fue 16 en honor del metalógrafo alemán, nombrado anteriormente, Adolf Martens; creador, junto con Osmond, de la Metalografía. Las propiedades físicas y mecánicas de la martensita varían con el contenido en carbono del acero, llegando a su máxima dureza alrededor del 0´9% de carbono en masa. Después de los carburos y la cementita, es el constituyente más duro de los aceros. Tiene una resistencia mecánica que varía de 170 kg/ mm2 (1700 MPa) a 250 kg/ mm2 (2500 MPa), una dureza de 58 HRC a 68 HRC (unidades Rockwell C) y un alargamiento de entre 2´5% y 0´5%. Es magnética como la ferrita (hierro α). Su aspecto es marcadamente acicular, hecho que se observa muy bien en aquellos aceros que no templan completamente y en los que queda austenita retenida a temperatura ambiente.7. 7. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 15 21.

(22) 3.7. MARTENSITA REVENIDA. Conjunto de microconstituyentes resultantes de someter a la martensita a un tratamiento térmico de revenido. Su aspecto microestructural puede variar notablemente en función de la temperatura y del tiempo de revenido.8. 3.8. TEMPLE. Con este proceso, de enfriamiento brusco desde el campo austenítico, en distintos medios de temple: agua con sal muera, aceite o, incluso al aire, en algunos aceros aleados; provoca la aparición de una estructura extremadamente dura, cuya resistencia mecánica varía desde 170 kg/ mm2 (1700 MPa) hasta los 250 kg/ mm2 (2500 MPa), y durezas entre 58 HRC y 68 HRC (unidades Rockwell C). Estos valores se obtienen dependiendo del medio de temple y contenido en carbono; consiguiéndose las máximas resistencias, para agua con sal muera y alrededor de un 0´9% de carbono en masa. Esta estructura denominada martensita, como ya se ha mencionado anteriormente, es extremadamente dura y frágil, ya que sus alargamientos se encuentran situados entre el 2´5% y el 0´5%.9. 8 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierrocarbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 16 9 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierrocarbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 23. 22.

(23) 3.9. TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS. El tratamiento se lleva acabo seleccionando temperaturas comprendidas entre A1 y A3, para posteriormente realizar un temple en agua. Basado de un modelo experimental se obtiene el número de probetas necesarias para tener validez estadística. Se fabricaron las probetas de acuerdo a la norma ASTM.10. 3.10 REVENIDO El revenido consigue liberar el carbono retenido en los cristales de martensita, en forma de carburos de hierro esferoidizados (globulizados) y la aparición o liberación de ferrita. La temperatura de revenido y los tiempos utilizados, consiguen liberar más o menos carburo de hierro y ferrita, lo que va a ablandando progresivamente la martensita y, por tanto, disminuyendo su dureza y aumentando su tenacidad.11. 3.11 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO DIFUSIONALES La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido tienen. 10. lugar. por. movimientos. atómicos. activados. térmicamente.. Estas. Bohórquez, C. A. (2012). Influencia del tratamiento térmico desde. temperaturas intercríticas en las propiedadesmecánicas del acero sae 1045. Argentina: Mecanica Comptutacional. Pág 1 11. Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones. hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 23 23.

(24) transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde una o más fases son estables.12.. 3.12 TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE La reacción eutectoide es un equilibrio trifásico en el que una fase sólida se desdobla en otras dos fases sólidas a temperatura constante. Tanto la precipitación como la reacción eutectoide forman fases con distinta composición de la matriz, lo que supone difusión de largo alcance. Los otros tipos de transformaciones se pueden producir sin cambio de composición o difusión de largo alcance.13. 3.13 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO NO DIFUSIONALES La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido tienen. lugar. por. movimientos. atómicos. activados. térmicamente.. Estas. transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que. 12. Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7.. Transformaciones en estado sólido.Difusionales y no difusionales. Madrid: Reduca (Recursos Educativos). Casals, 2012, pág. 294 13. Askeland, D. R. (2004). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales, Cuarta. Edición. Thomson. 24.

(25) tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde una o más fases son estables.14. 14. Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7. Transformaciones en estado sólido.Difusionales y no difusionales. Madrid: Reduca (Recursos Educativos). Casals, 2012, pág. 349 25.

(26) 4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL PROYECTO.. 4.1. DETERMINACION DE TEMPERATURAS DE TEMPLE A PARTIR DE LA. COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS Con el fin de realizar una comparación valida entre las propiedades de los aceros AISI/SAE 1020, 1045 y 8620, se determinó hacer pruebas a cada uno de los aceros partiendo de los materiales en estado de entrega, para luego ser templados a dos temperaturas intercríticas cercanas a A3 y finalmente ser revenidos.. Se estableció un tamaño de probetas de diámetro ¾" y 1 cm de longitud. A partir de esta geometría se determinaron los tiempos de temples teniendo en cuenta que para que las probetas alcancen de manera homogénea la temperatura desde las cuales se van a templar, es necesario exponerlas a dichas temperaturas un tiempo aproximado de 30 minutos.. Para determinar las temperaturas de temple, se realizó un ensayo de espectrometría a los materiales en estado de entrega con el fin de determinar la composición química de cada uno de ellos. Este análisis arroja como resultado los valores porcentuales de los elementos químicos presentes. Mediante la exposición de una muestra de cada material a altas temperaturas se genera una excitación de los electrones de los átomos presentes dentro de ellos los cuales emiten luz en 26.

(27) longitudes de onda características, que se dispersan por una rejilla o un prisma y se detecta en el espectrómetro. Este ensayo se realizó en el Laboratorio de Materiales y Procesos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia.. Tabla 1 Composición química de los materiales en estado de entrega. Material Composición Química (%). 1020. 1045. 8620. Fe. 98.700. 98.112. 97.117. Si. 0.258. 0.355. 0.286. Mo. 0.007. 0.011. 0.154. Al. 0.056. 0.049. 0.070. C. 0.182. 0.433. 0.182. Cu. 0.007. 0.084. 0.181. W. 0.009. 0.008. 0.023. Nb. 0.003. 0.005. 0.004. Mn. 0.661. 0.753. 0.800. Ni. 0.016. 0.031. 0.560. Co. 0.003. 0.004. 0.015. B. 0.0038. 0.0018. 0.0007. P. 0.018. 0.046. 0.024. Cr. 0.054. 0.058. 0.551. Ti. 0.001. 0.000. 0.000. Pb. 0.007. 0.008. 0.009. S. 0.012. 0.019. 0.010. V. 0.002. 0.004. 0.004. Sn. 0.001. 0.006. 0.008. Mg. 0.000. 0.000. 0.000. Fuente: Autores. 27.

(28) A1= 723 – 7,08 Mn + 37,7 Si + 18,1 Cr + 44,2 Mo + 8,95 Ni + 50,1 V + 21,7 Al + 3,18 W + 297 S – 830 N – 11,5 C Si – 14,0 Mn Si – 3,10 Si Cr – 57,9 C Mo – 15,5 Mn Mo – 5,28 C Ni – 6,0 Mn Si + 6,77 Si Ni – 0,80 Cr Ni – 27,4 C V + 30,8 Mo V – 0,84 Cr² - 3,46 Mo² - 0,46 Ni² - 28V. Ecuación 1.Cálculo de A1 (Gorni, 2002, pág. 4). A3 = 912 – 370 C – 27,4 Mn + 27,3 Si – 6,35 Cr – 32,7 Ni + 95,2 V + 190 Ti + 72,0 Al + 64,5 Nb + 5,57 W + 332 S + 276 P + 485 N – 900 B + 16,2 C Mn + 32,3 C Si + 15,4 C Cr + 48,0 C Ni + 4,32 Si Cr – 17,3 Si Mo – 18,6 Si Ni + 4,80 Mn Ni + 40,5 Mo V + 174 C² + 2,46 Mn² - 6,86 Si² + 0,322 Cr² + 9,90 Mo² + 1,24 Ni ² - 60,2 V. Ecuación 2. Cálculo de A3 (Gorni, 2002, pág. 5). Ms = 512 – 453 C + 217 C2 – 16.9 Ni + 15 Cr – 9.5 Mo - 71.5 C Mn – 67.7 C Cr Ecuación 3.Cálculo de MS (Gorni, 2002, pág. 25). En la siguiente tabla muestran las temperaturas de austenización parcial y austenización total para cada material basado en los porcentajes de los elementos presentes, así como la determinación de las temperaturas a partir de las cuales inicia la transformación martensítica .. 28.

(29) Tabla 2 Temperaturas de austenización parcial, total y de comienzo de transformación martensítica. Material Temperaturas de austenización parcial, total y Ms. 1020. 1045. 8620. A1. 731.27 C. 729.78 C. 743.97 C. A3. 853.05 C. 808.90 C. 864.19 C. Ms. 427.95 C. 331.76 C. 416.89 C. Fuente: Autores. Las temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar los temples, se determinaron con el fin de garantizar que después del temple un material de características Dualphase (doble fase microestructural). Para esto, la temperatura A1 de cada material se le sumo el 15% de su valor, y a cada temperatura A 3 se le resto el 15%. Así mismo, se decidió que la temperatura de revenido tuviera un valor superior a Ms para cada material. Tabla 3 Temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar temples.. Material 1020. 1045. 8620. TT1. 755 C. 740 C. 770 C. TT2. 825 C. 770 C. 840 C. Ms. 450 C. 450 C. 450 C. Temperaturas de Temple. Fuente: Autores.. 29.

(30) 4.2. PREPARACIÓN DE PROBETAS Y SECUENCIA DE TRATAMIENTOS. A partir de las temperaturas intercríticas se encuentran en la tabla 3, se realizaron dos temples en agua para cada material a partir de las temperaturas de temple seleccionadas. Así mismo, se realizó revenido en agua para cada muestra templada de cada material. Estos tratamientos térmicos fueron realizados en una mufla eléctrica LABTECH/LEF-P TYPE.. 30.

(31) 31.

(32) Figura 2.Secuencia de tratamientos térmicos realizados. Fuente: Elaborado por los autores.. 4.3. MICROGRAFIAS. Con el fin de observar las microestructuras presentes, de las muestras de los materiales después de realizar los tratamientos térmicos, fue necesario realizar una preparación metalográfica según la norma ASTM E-3 la cual consistió en pulir las superficies que se van a observar en el microscopio, desbastándolas en lijadoras manuales usando lijas de calibre 400, 600, 1000, 1200, 1500 y 2000. Posteriormente 32.

(33) se empleó el sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V. En este equipo se utilizó algodón perchado y alúmina, para obtener el material con acabado lapeado. Finalmente, todas las probetas fueron atacadas químicamente con 97% de alcohol etílico y 3% de ácido nítrico con el fin de revelar visualmente las microestructuras presentes. Se utilizó el microscopio AXIO OBSERVER D1M para tomar micrografías ópticas a las probetas en aumentos de 100x, 500x y 1000x. Posteriormente se utilizó el microscopio electrónico de barrido JSM-6490LV para obtener micrografías en aumentos de 1000x, 3000x y 5000x.. 33.

(34) 5. RESULTADOS Y ANALISIS DE ENSAYOS REALIZADOS En este apartado se mostrarán los resultados de cada prueba realizada en el material y se dará una descripción de los factores que afectaron lo ocurrido en cada ensayo. 5.1. DUREZAS. Se realizaron ensayos de dureza para cada probeta, cuyos valores variaron según los tratamientos térmicos aplicados. Los ensayos fueron realizados en la Universidad Distrital en el laboratorio de metalografía en el Durómetro GNEHM Swiss Rock. Por cada serie de tratamientos se realizaron 5 tomas de dureza, cuyos valores se obtuvieron en escalas de dureza Rockwell. En la siguiente tabla se muestran los resultados promedios de dichas mediciones y el valor de la desviación estándar entre los datos obtenidos. Tabla 4. Durezas promedio del acero AISI/SAE 1020.. DUREZAS PROMEDIO ACERO 1020 TRATAMIENTO TERMICO. DESVIACIÓN ESTANDAR. MATERIAL BASE. 0.5727. 90,74 HRB. 184 HV. TEMPLADO A 755 C. 3.1198. 25,94 HRC. 255 HV. TEMPLADO A 825 C. 1.2538. 37,22 HRC. 351 HV. TEMPLADO A 755 C Y REVENIDO A 450 C. 3.3395. 95,18 HRB. 218 HV. TEMPLADO A 825 C Y REVENIDO A 450 C. 2.0025. 26,5 HRC. 258 HV. Fuente: Autores. 34. DUREZA ROCKWELL. DUREZA VICKERS.

(35) Figura 3. Ensayos de dureza realizados al acero 1020. Elaborado por los autores.. PORCENTAJE DE VARIACIÓN DE DUREZA [%]. ACERO 1020 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 SIN TEMPLE. TEMPLADO A 755°C TEMPLADO A 825°C TEMPLADO A 755°C TEMPLADO A 825°C Y REVENIDO A 450°C Y REVENIDO A 450°C. Figura 4. . Variación porcentual de la dureza del acero 1020 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores. 35.

(36) De acuerdo con los resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas en el durómetro, se puede observar que el material tratado térmicamente desde 825°C es el que opone mayor resistencia al ser penetrado, con un promedio de dureza total de 351 HV. La figura 4 ilustra el aumento porcentual de la dureza del acero AISI/SAE 1020 después de cada tratamiento térmico en comparación con el material base. Se observa que la dureza máxima se obtiene al templar el acero AISI/SAE 1020 a 825 °C, lo cual se ve representado en un aumento porcentual del 94%. Así mismo el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 755 ° C y revenirlo a 450 °C es del 15%. Mientras que el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 825 ° C y revenirlo a 450 °C es del 47%.. Tabla 5 Durezas promedio del acero AISI/SAE 8620. DUREZAS PROMEDIO ACERO 8620 TRATAMIENTO TERMICO. DESVIACIÓN ESTANDAR. MATERIAL BASE. 1.0986. 90,38 HRB. 183 HV. TEMPLADO A 770 C. 1.1735. 36,22 HRC. 342 HV. TEMPLADO A 840 C. 2.6913. 40,16 HRC. 388 HV. TEMPLADO A 770 C Y REVENIDO A 450 C. 1.5076. 29,14 HRC. 277 HV. TEMPLADO A 840 Y REVENIDO A 450 C. 0.8933. 35,94 HRC. 332 HV. Fuente: Autores. 36. DUREZA ROCKWELL. DUREZA VICKERS.

(37) Figura 5. Ensayos de dureza realizados al acero 8620. Elaborado por los autores.. PORCENTAJE DE VARIACIÓN DE DUREZA [%]. ACERO 8620 120 100 80 60 40 20 0 SIN TEMPLE. TEMPLADO A 770°C TEMPLADO A 840°C TEMPLADO A 770°C TEMPLADO A 840°C Y REVENIDO A 450°C Y REVENIDO A 450°C. Figura 6. Variación porcentual de la dureza del acero 8620 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores.. En los tratamientos térmicos realizados al material AISI/SAE 8620, el temple realizado desde 840°C presenta la mayor dureza la cual corresponde a un valor de 388 HV. La figura 6 ilustra el aumento porcentual de la dureza del acero AISI/SAE 37.

(38) 8620 después de cada tratamiento térmico en comparación con el material base. Se observa que la dureza máxima se obtiene al templar el acero AISI/SAE 8620 a 840°C, lo cual se ve representado en un aumento porcentual del 112%. Así mismo el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 770 ° C y revenirlo a 450 °C es del 59%. Mientras que el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 840 ° C y revenirlo a 450 °C es del 90%.. Tabla 6 Durezas promedio del acero AISI/SAE 1045. DUREZAS PROMEDIO ACERO 1045 TRATAMIENTO TERMICO. DESVIACIÓ N ESTANDAR. DUREZA ROCKWELL. DUREZ A VICKERS 222 HV. MATERIAL BASE. 1.3766. 97 HRB. TEMPLADO A 740 C. 1.7564. 44,3 HRC. 438 HV. TEMPLADO A 770 C. 1.5534. 47,54 HRC. 474 HV. TEMPLADO A 740 C Y REVENIDO A 450 C. 1.3405. 31,88 HRC. 292 HV. TEMPLADO A 770 C Y REVENIDO A 450 C. 0.5983. 34,04 HRC. 320 HV. Fuente: Autores. 38.

(39) Figura 7. Ensayos de dureza realizados al acero 1045. Elaborado por los autores.. PORCENTAJE DE VARIACIÓN DE DUREZA [%]. ACERO 1045 120 100 80 60 40 20 0 SIN TEMPLE. TEMPLADO A 740°C. TEMPLADO A 770°C. TEMPLADO A 740°C Y REVENIDO A 450°C. TEMPLADO A 770°C Y REVENIDO A 450°C. Figura 8. Variación porcentual de la dureza del acero 1045 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores.. 39.

(40) El comportamiento del acero 1045 resulta similar al de los otros dos aceros en los cuales la mayor dureza corresponde a la muestra templada desde la temperatura más alta (770°C), con un valor promedio de 474 HV (113% respecto a la dureza del material base) cuyo valor disminuye al ser revenida. La muestra templada a 740°C tuvo un aumento porcentual del 96%. El aumento porcentual de la dureza al templar el material a 740 ° C y revenirlo a 450 °C es del 41%. Mientras que el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 770 ° C y revenirlo a 450 °C es del. 120. VARIACIÓN PORCENTUAL EN LA DUREZA DE LOS ACEROS 1020, 8620 Y 1045. 100 80 60 40 20. ACERO 1045 TEMPLADO A 770°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 1045 TEMPLADO A 740°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 1045 TEMPLADO A 770°C. ACERO 1045 TEMPLADO A 740°C. ACERO 1045 SIN TEMPLE. ACERO 8620 TEMPLADO A 840°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 8620 TEMPLADO A 770°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 8620 TEMPLADO A 840°C. ACERO 8620 TEMPLADO A 770°C. ACERO 8620 SIN TEMPLE. ACERO 1020 TEMPLADO A 825°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 1020 TEMPLADO A 755°C Y REVENIDO A 450°C. ACERO 1020 TEMPLADO A 825°C. ACERO 1020 TEMPLADO A 755°C. 0. ACERO 1020 SIN TEMPLE. PORCENTAJE DE VARIACIÓN DE DUREZA [%]. 49%.. Figura 9. Variación porcentual de la dureza de los aceros 1020, 8620 y 1045 después de ser tratados térmicamente. Elaborado por los autores.. 40.

(41) La figura 9 compara los aumentos porcentuales de los 3 aceros, en la cual se evidencia un comportamiento similar en la variación porcentual de dureza, ya que esta aumenta a medida que la temperatura de temple es más próxima a A 3. Así mismo, el revenido posterior al temple ocasiona una reducción de la dureza de los materiales la cual es más significativa en el acero 1020.. 5.2. MICROSCOPIA ÓPTICA. Después de tener atacadas las probetas se procedió a realizar las pruebas de microscopia óptica en un microscopio AXIO OBSERVER D1M, las micrografías fueron capturadas con una cámara digital Axiocam 5M y procesadas con el software AxioVision 4,8. Como resultado se muestran las imágenes en las que se evidencian las microestructuras presentes en cada muestra después de ser tratadas térmicamente, las cuales se identifican inicialmente por su morfología, y posteriormente se corroboran en la parte final de este documento teniendo en cuenta los ensayos de microdureza y las micrografías obtenidas mediante el microscopio electrónico de barrido.. 41.

(42) Figura 10. Micrografía del Acero 1020 Sin templar a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura corresponde a colonias de perlita.. Figura 11. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C a 500x. Elaborado por los autores.. 42.

(43) Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A1, en donde la fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura corresponde a una formación de martensita.. Figura 12. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A3, en donde la fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura a una formación de martensita.. 43.

(44) Figura 13. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C y revenido a 450 °C a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A1 y posteriormente revenido, en donde la fase blanca corresponde a granos de ferrita la cual se redistribuyó en granos más pequeños y la fase oscura corresponde a una fase de martensita revenida.. 44.

(45) Figura 14. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A3 y posteriormente revenido, en donde la fase blanca corresponde a granos de ferrita la cual se redistribuyó en granos más pequeños y la fase oscura corresponde a una fase de martensita revenida.. 45.

(46) Figura 15. Micrografía del acero 8620 sin templar tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la fase blanca corresponde a granos de ferrita y la fase oscura a colonias de perlita, también se puede observar inclusiones de algunos de los elementos aleantes que componen el acero 8620.. Figura 16. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. 46.

(47) Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A1, en donde la fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura a una formación parcial de martensita.. Figura 17. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A3, en donde existe una fase clara correspondiente a una matriz ferrítica alrededor de la cual se evidencian agujas de martensita.. 47.

(48) Figura 18. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A1 y posteriormente revenido, en donde se evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita, y una fase oscura que corresponde a una formación parcial de martensita revenida.. 48.

(49) Figura 19. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A3 y posteriormente revenido, en donde se evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita, y una fase oscura que corresponde a martensita revenida.. 49.

(50) Figura 20. Micrografía del acero 1045 sin templar tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura corresponde a colonias de perlita (densidad de cementita elevada).. Figura 21. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. 50.

(51) Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana A1, en donde existe una fase clara correspondiente a granos de ferrita y una fase oscura correspondiente a una formación parcial de martensita. También se observa la presencia de algunas colonias de perlita.. Figura 22. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana a A3, en donde existe una fase clara correspondiente a una matriz ferrítica alrededor de la cual se evidencian grandes cantidades de agujas de martensita.. 51.

(52) Figura 23. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana a A1 y posteriormente revenido, en donde se evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita de tamaño pequeño, y una fase oscura que corresponde a una formación de martensita revenida en los alrededores de una matriz ferrítica.. 52.

(53) Figura 24. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.. Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una temperatura intercrítica cercana a A3 y posteriormente revenido, en donde se evidencia una fase clara que corresponde a pequeñas matrices de ferrita alrededor de las cuales existe una fase oscura que corresponde a una formación de martensita revenida.. 5.3. PORCENTAJES DE FASE. Al observar las microestructuras obtenidas en los materiales de estudio después de realizados los tratamientos térmicos, se procede a determinar los porcentajes de fase por medio del analizador de imagen suministrado por el software adjunto al equipo AXIO OBSERVER D1M.. 53.

(54) A continuación, se ilustran dos fases diferenciadas por color, con las cuales se busca determinar la cantidad de área cubierta por cada uno de los constituyentes microestructurales en cada tratamiento térmico. Cabe resaltar que esta identificación de fases está condicionada por la identificación que realiza el software AxioVision 4.8, a las microestructuras presentes en la imagen de acuerdo a su tonalidad y color, por lo cual, los porcentajes otorgados por el software son aproximados.. Así mismo, se destaca que estos resultados corresponden a una zona específica de análisis en cada probeta y que pueden variar en mayor o menor proporción de acuerdo al área de estudio de cada muestra y a la homogeneidad de los tratamientos térmicos realizados. PORCENTAJE DE FASES APROXIMADOS DEL ACERO 1020. 1020 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 43.46%; Perlita (Rojo) 53.75% 54.

(55) 1020 TEMPLADO A 755 °C: Ferrita (Verde) 31.73%; Martensita (Rojo) 67.62%. 1020 TEMPLADO A 825 °C: Ferrita (Verde) 44.38%; Martensita (Rojo) 53.73%. 55.

(56) 1020 TEMPLADO A 755 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 43.55%; Martensita + Perlita (Rojo) 55.72%. 1020 TEMPLADO A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 48.13%; Martensita + Perlita (Rojo) 51.15% Figura 25. Porcentajes de fases para el acero 1020 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.. 56.

(57) PORCENTAJES DE FASES ACERO 8620. 8620 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 46.53%; Perlita (Rojo) 51.98%. 8620 TEMPLADO A 770 °C: Ferrita (Verde) 54.88%; Martensita (Rojo) 43.10%. 57.

(58) 8620 TEMPLADO A 840 °C: Ferrita (Verde) 51.67%; Martensita (Rojo) 41.56%. 8620 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 54.25%; Martensita (Rojo) 44.94%. 58.

(59) 8620 TEMPLADO A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 59.79%; Martensita (Rojo) 36.10% Figura 26. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.. PORCENTAJES DE FASES ACERO 1045. 1045 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 46.29%; Perlita (Rojo) 52.79%. 59.

(60) 1045 TEMPLADO A 740 °C: Ferrita (Verde) 65.41%; Martensita + Perlita (Rojo) 33.79%. 1045 TEMPLADO A 770 °C: Ferrita (Verde) 45.85%; Martensita (Rojo) 53.15%. 60.

(61) 1045 TEMPLADO A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 30.64%; Martensita (Rojo) 59.09%. 1045 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 41.35%; Martensita (Rojo) 54.51% Figura 27. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.. 61.

(62) Tabla 7. Porcentajes de fases para los aceros 1020, 8620 y 1045 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.. ACERO 1020. % FASE. ACERO 8620. % FASE. ACERO 1045. % FASE. MATERIAL BASE. F:46.46% P:53.75%. MATERIAL BASE. F:46.53%; P:51.98%. MATERIAL BASE. F:46.29% P:52.79%. TEMPLADO A F:31.73%; TEMPLADO A F:54.88%; TEMPLADO A F:65.41% 755 °C M:67.62% 770 °C M:43.10% 740 °C M:33.79% TEMPLADO A F:44.38% TEMPLADO A F:51.67%; TEMPLADO A F:45.85% 825 °C M:53.73% 840 °C M:41.56% 770 °C M:53.15% TEMPLADO A TEMPLADO A TEMPLADO A 755 °C Y F:43.55%; 770 °C Y F:54.25% 740 °C Y REVENIDO A M:55.72% REVENIDO A M:44.94% REVENIDO A 450 °C 450°C 450 °C. F:30.64 M:59.09. TEMPLADO A TEMPLADO A TEMPLADO A 825 °C Y F:48.13%; 840 °C Y F:59.79% 770 °C Y F:41.35% REVENIDO A M:51.15% REVENIDO A M:36.10% REVENIDO A M:54.51% 450 °C 450 °C 450 °C Fuente: Autores. La tabla 7 reúne los porcentajes de fase obtenidos para cada material de acuerdo al tratamiento térmico realizado.. En el acero 1020, se observa como el porcentaje de ferrita se reduce al ser templado a temperaturas intercríticas para dar lugar a la formación de otras microestructuras, y como el mismo tiende a reestablecerse e incluso a aumentar después de ser revenido comparándolo con el material base. Así mismo el valor porcentual de la martensita que se obtuvo después de templar el material a las dos 62.

(63) temperaturas intercríticas seleccionadas, se redujo después de realizar los revenidos.. En el acero 8620, la formación de la fase ferrítica aumenta al templar el material a temperaturas intercríticas. Durante este tratamiento, desaparece la fase de perlita y aparece una estructura martensitica en similar proporción para ambos temples. Posteriormente al realizar los revenidos, la martensita se reduce porcentualmente al ser revenida.. Para el acero 1045, la ferrita de la muestra templada a la temperatura intercrítica de 740 °C aumenta con respecto al material en estado de entrega, mientras que la perlita se reduce y en su lugar aparece parcialmente una fracción de martensita, Mientras que, en el temple realizado a 770 °C, la ferrita se reduce ligeramente, y el porcentaje de martensita aumenta significativamente. Posteriormente al realizar los revenidos, la martensita abarca ligeramente más área con respecto a las probetas templadas.. 5.4. MICRODUREZAS. Las muestras se analizaron en el microdurómetro SHIMADZU HMV-2 que cumple con la norma ASTM E3848, se tomaron cinco indentaciones por microestructura. La mayoría de las probetas contiene dos fases diferenciadas, una clara y otra oscura. Algunas otras presentan una fase múltiple cuya forma y valor de microdureza indica 63.

(64) agujas de martensita dentro de una matriz ferrítica. Todos los ensayos se realizaron tomando una carga de 245.2 mN, la cual se aplicó durante treinta segundos. Los resultados de las microdurezas promedio de cada muestra se observan en la siguiente tabla: Tabla 8 Microdurezas promedio de los aceros 1020, 1045 y 8620.. FASE. MICRODUREZA (HV). FASE CLARA: FERRITA. 186.0. FASE OSCURA: PERLITA. 251.7. FASE CLARA: FERRITA. 264.6. FASE OSCURA: MARTENSITA. 347.5. FASE CLARA: FERRITA. 352.4. FASE OSCURA: MARTENSITA. 461.1. FASE CLARA: FERRITA. 259.4. FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA. 360.3. FASE CLARA: FERRITA. 352.0. FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA. 452.6. TRATAMIENTO TERMICO. 1020 SIN TEMPLAR. 1020 TEMPLADO A 755 °C. 1020 TEMPLADO A 825 °C. 1020 TEMPLADO A 755 °C Y REVENIDO A 450 °C. 1020 TEMPLADO A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C. 64.

(65) 8620 SIN TEMPLAR. 8620 TEMPLADO A 770 °C. 8620 TEMPLADO A 840 °C. 8620 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C. 8620 TEMPLADO A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C. FASE CLARA: FERRITA. 162.2. FASE OSCURA: PERLITA + INCLUSIONES DE ELEMENTOS ALEANTES. 233.5. FASE CLARA: FERRITA. 306.0. FASE OSCURA: MARTENSITA FASE MULTIPLE: MARTENSITA CONTENIDA EN MATRIZ FERRITICA. 499.6. 518.2. FASE CLARA : FERRITA. 272.0. FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA. 504.8. FASE CLARA: FERRITA. 484.3. FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA. 555. FASE CLARA: FERRITA. 292.2. FASE OSCURA: PERLITA. 371.7. FASE CLARA: FERRITA. 662. FASE OSCURA: MARTENSITA Y PERLITA. 783. FASE MULTIPLE: AGUJAS DE MARTENSITA CONTENIDA EN MATRIZ FERRITICA. 765.8. 1045 SIN TEMPLAR. 1045 TEMPLADO A 740 °C. 1045 TEMPLADO A 770 °C. 65.

(66) 1045 TEMPLADO A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C. 1045 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C. FASE CLARA: FERRITA. 346.7. FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA. 463.7. FASE MULTIPLE: PEQUEÑAS ISLAS DE FERRITA CONTENIDAS EN MATRIZ MARTENSITICA. 469.4. Fuente: Autores. Se observa un comportamiento claro en el cual al incrementar el tiempo de revenido o la temperatura del mismo, la fase oscura (Perlita o Martensita) se ablanda, y la fase clara incrementa su dureza esto producto del proceso de difusión de carbono que ocurre en el material en el cual, la fase con mayor cantidad de carbono cede este elemento a la fase con menor concentración, lo cual genera un endurecimiento.. 66.

(67) 6. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO. En las figuras 28, 29 y 30 se muestran las imágenes obtenidas en el microscopio electrónico de barrido JSM-6490LV de la Universidad de los Andes donde se evidencian las microestructuras presentes en las probetas de estudio a mayores aumentos (1000x, 3000x y 5000x) lo cual nos permite observar detalladamente las fases de cada muestra, que en conjunto con los valores de microdureza permiten identificarlas con exactitud. La parte derecha de las micrografías nos indica la morfología de la superficie de las probetas y la parte izquierda nos da una tonalidad en escala de grises para definir la fase existente en la muestra. La letra F representa la fase de ferrita, P representa la perlita, la letra M corresponde a martensita, MR representa martensita revenida.. 67.

(68) MICROGRAFÍAS DEL ACERO 1020 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO Material en estado de entrega Acero 1020 Acero 1020 templado a 825 °C. Acero 1020 templado a 755 °C y revenido a 450 °C. Acero 1020 templado a 825 °C y revenido a 450 °C. Figura 28. Micrografías del acero 1020 tomadas con microscopio electrónico de barrido. Para el acero 1020 en estado de entrega, cuya dureza general promedio corresponde a un valor de 184 HV, se observan como las fases microestructurales presentes cambian de ferrita y perlita, a pequeños granos de ferrita rodeados de agujas que aparente son de martensita. Debido al valor de microdureza de 461 HV que se obtuvo en dicha fase, se pudo determinar que esta corresponde a martensita cuya dureza se ve condicionada por el bajo porcentaje de carbono del acero 1020. 68.

(69) Se evidencia mayor contenido de martensita en la probeta templada a 825 °C comparándola con la que fue templada a 755 °C debido a la mayor transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento, lo cual produce que en momento de templar la probeta sea mayor la cantidad de austenita que se transforma en martensita. Una vez el material es revenido ocurre una difusión del carbono de manera laminar en los granos de ferrita.. 69.

(70) MICROGRAFÍAS DEL ACERO 1045 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO Material en estado de entrega Acero 1045 Acero 1045 templado a 770 °C. Acero 1045 templado a 740 °C y revenido a 450 °C. Acero 1045 templado a 770 °C y revenido a 450°C. Figura 29. Micrografías del acero 1045 tomadas con microscopio electrónico de barrido. Para el acero 1045 en estado de entrega se evidencian fases de ferrita y perlita las cuales tienen un contenido de carbono mayor en comparación con el acero 1020. Esto genera que en el momento del temple se obtenga una estructura definida de agujas de martensita, la cual se corrobora al ver el valor de microdureza de 783 HV para la probeta templada a 770 °C y de 765.8 HV para la probeta templada a 740 °C la cual se encuentra dentro de una matriz ferritica, teniendo en cuenta que el 70.

(71) volumen de martensita aumenta en la probeta templada a 770 °C al ser comparada con la probeta templada a 740°C.. Al ser revenida ocurre una difusión del carbono en las agujas de martensita generando martensita revenida cuya dureza disminuye mientras su estabilidad microestructural se ve beneficiada, generando un material más dúctil.. 71.

(72) MICROGRAFÍAS DEL ACERO 8620 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO Acero 8620 templado a 770 °C Acero 8620 templado a 840 °C. Acero 8620 templado a 770 °C y revenido a 450 °C. Acero 8620 templado a 840 °C y revenido a 450 °C. Figura 30. Micrografías del acero 8620 tomadas con microscopio electrónico de barrido. Para el acero 8620 se evidencian fases de ferrita y perlita en la micrografía del material en estado de entrega. Esta micrografía es muy similar a la del material 1020 en estado de entrega debido a que tienen igual contenido de carbono (aproximadamente 0.20%). Sin embargo, en el acero 8620 hacen presencia algunos carburos formados por los elementos aleantes que contiene el material, los cuales no se pudieron identificar mediante las micrografías. 72.

(73) Al templar el acero 8620 a una temperatura cercana a A 1 se evidencia una fase mixta de ferrita y martensita en menor proporción.. El temple del acero 8620 realizado a 840 °C (cercana a A 3) permite evidenciar una transformación trascendente respecto a la imagen del acero 8620 en estado de entrega. Casi toda la austenita se transforma en martensita.. Una vez el acero 8620 es revenido reaparecen granos de ferrita y martensita revenida en el límite de grano de la misma.. La tabla 9 consolida los datos obtenidos en el desarrollo del proyecto y permite al lector obtener un panorama de los valores esperados de dureza, microdureza, así como las fases microestructurales que se obtienen al templar y revenir los aceros 1020, 1045 y 8620 desde temperaturas intercríticas.. 73.

(74) Tabla 9 Comparación microestructural de los aceros 1020, 1045 y 8620 templados desde temperaturas intercriticas y revenidos.. MATERIAL. DUREZAS. MICRODUREZAS / FASES FERRITA:186.0HV + PERLITA:. 1020 SIN TEMPLE. 184 HV. 251.7HV FERRITA:264.6HV +. 1020 TEMPLE A 755 °C. 255 HV. MARTENSITA:347.5HV FERRITA:352.4HV +. 1020 TEMPLE A 825 °C. 351 HV. MARTENSITA:461.1HV FERRITA:259.4HV +. 1020 TEMPLE A755 °C Y REVENIDO A 450 °C. 218 HV. (MARTENSITA REVENIDA):360.3HV FERRITA:352.0HV +. 1020 TEMPLE A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C. 258 HV. (MARTENSITA REVENIDA):452.6HV FERRITA:292.2HV +. 1045 SIN TEMPLE. 222 HV. PERLITA:371.7HV FERRITA:662HV +. 1045 TEMPLE A 740 °C. 438 HV. (MARTENSITA):783HV (AGUAS DE MARTENSITA +. 1045 TEMPLE 770 °C. 474 HV. FERRITA):765.8 FERRITA:346.7HV +. 1045 TEMPLE A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C. 292 HV. MARTENSITA REVENIDA:463.7HV. 74.

(75) (FERRITA+ 1045 TEMPLE A 770 °C Y REVENIDO 450 °C. 320 HV. MARTENSITA):469.4HV FERRITA:162HV + (PERLITA +. 8620 SIN TEMPLE. 183 HV. CARBUROS ALEADOS):233.5. FERRITA:306.0HV + 8620 TEMPLE A 770 °C. 342 HV. MARTENSITA:499.6HV (FERRITA + MARTENSITA):. 8620 TEMPLE A 840 °C. 388 HV. 518.2HV FERRITA:272.0HV +. 8620 TEMPLE A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C. 277 HV. MARTENSITA:504.8HV FERRITA:484.3HV +. 8620 TEMPLE A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C. 332 HV. Fuente: Autores.. 75. MARTENSITA:555HV.

(76) 7. CONCLUSIONES. Se identifica un comportamiento característico similar entre los aceros 1020, 1045 y 8620 al ser sometidos a una serie de tratamientos térmicos de temples a temperaturas intercríticas y revenidos a 450 °C durante 15 minutos.. Como resultado de las pruebas de dureza se evidencia un endurecimiento general de los materiales tratados térmicamente, siendo mayor el aumento porcentual de los aceros templados a temperaturas cercanas a A 3. También como era de esperarse, ocurre una reducción de la dureza en las probetas después de ser revenidas, la cual es mayor en el acero 1045, seguida por el acero 1020, y menos evidente en el acero 8620 en términos porcentuales.. Se logra identificar morfológicamente mediante la obtención de micrografías ópticas y electrónicas de las muestras las microestructuras presentes después de realizar cada tratamiento térmico; en las cuales se evidencia la transformación de la microestructura ferrítica-perlítica (material base), a una microestructura ferríticamartenstica en la mayoría de los tratamientos realizados; teniendo como diferencia principal la proporción porcentual en la que se encuentran distribuidas las fases en las muestras, el valor de dureza general y las microdurezas específicas de acuerdo a la composición del material.. 76.

(77) 8. BIBLIOGRAFIA. Askeland, D. R. ((2004)). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales. Cuarta Edición. Carlos. Bohórquez. ((2012). ). Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedadesmecánicas del acero sae 1045. . Argentina: Mecanica Comptutacional. Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7. Transformaciones en estado sólido.Difusionales y no difusionales. . Madrid: Reduca (Recursos Educativos). Casals, . fundiciones., A. H.-C. ((2004/2005).). Aceros y fundiciones. Gorni, A. A. (2002). STEEL FORMING AND HEAT TREATING HANDBOOK. SAN VICENTE, BRAZIL. Portal, A. C. (2008).). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. .. 77.

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