UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA

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UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA

AUTOR DEL PROYECTO: Jhonatan David Gómez Vilbao CÓDIGO: 065131024 CEDULA: 1.016.072.075

TELÉFONO DE CONTACTO: 3102508374

EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL PROCESO TEMPLE Y PARTICIONAMIENTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO COMERCIAL AISI-SAE 4140

DIRECTOR: Mauricio Alejandro Sierra Cetina PROFESIÓN: Ingeniero Mecánico

CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]

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AUTOR DEL PROYECTO

________________________

DIRECTOR DEL PROYECTO

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EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL PROCESO TEMPLE Y PARTICIONAMIENTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

COMERCIAL AISI-SAE 4140

Nombres:

Jhonatan David Gómez Vilbao

Universidad Libre de Colombia Facultad de Ingeniería

Ingeniería Mecánica Bogotá D.C

2021

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EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DEL PROCESO TEMPLE Y PARTICIONAMIENTO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

COMERCIAL AISI-SAE 4140

Nombres

Jhonatan David Gómez Vilbao

DIRECTOR:

Mauricio Alejandro Sierra Cetina Ingeniero Mecánico

Universidad Libre de Colombia Facultad de Ingeniería

Ingeniería Mecánica Bogotá D.C

2021

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.

Nota de aceptación:

Firma autor

Firma jurado

Bogotá 2021

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DEDICATORIA

Primero que nada, gracias a Dios, él me dio principios y ética, dándome a saber cómo superar cada desafío en mi carrera.

Dedicado al padre que siempre ha soñado con esta meta.

Dedicado a la madre que está conmigo en

las necesidades y

dificultades actuales, y hoy tengo otra madre contenta.

Dedicada a mis

hermanos y pareja, sus consejos y apoyo

incondicional me

brindaron una

herramienta

emocional para seguir adelante.

A mi familia que ha estado conmigo en las alegrías y las tristezas.

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AGRADECIMIENTOS

Al ingeniero MAURICIO ALEJANDRO SIERRA CETINA. ING. Mecánico, director del proyecto que con sus conocimientos, gran aporte y esfuerzo para el desarrollo del proyecto.

Al ingeniero CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA. ING. Mecánico, Maestría En Materiales y Procesos de Manufactura Doctorado Ciencia y Tecnología de Materiales por su orientación al inicio del proyecto

A la Universidad libre por la disponibilidad de los laboratorios para poder desarrollar los respectivos ensayos que se necesitaban y permitir llevar a cabo con éxito el proyecto.

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RESUMEN

La caracterización de materiales es tema muy avanzado y actualmente en la búsqueda constante por el desarrollo de nuevos aceros con propiedades especiales, que en este caso facilitan el desarrollo de nuevos procesos mejorando propiedades como respecta la resistencia y durabilidad, pero a su vez se sacrifican ciertas propiedades. Los tratamientos térmicos convencionales de temple y revenido se han aplicado desde hace tiempo a los aceros para producir buenas combinaciones de resistencia y dureza a partir de la estructura martensítica. El temple y particionamiento (“Q&P” por sus siglas en inglés) es un concepto de tratamiento térmico relativamente nuevo⁸, llamado así tratamientos modificados, que parten de la alteración de la microestructura del acero en sus distintas etapas, Su desarrollo está requiriendo de investigación básica y aplicada por parte de la industria siderúrgica, para generar microestructuras que contienen austenita retenida.

En este trabajo se evaluó la influencia del tratamiento térmico Q&P sobre un acero AISI/SAE 4140, con el fin de obtener resultados que permitieran apreciar las modificaciones obtenidas, por medio de los ensayos destructivos de dureza, resistencia ultima a la tensión, impacto y microestructura por microscopio convencional.

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ... 12

1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ... 12

1.1. FORMULACIÓN... 12

1.2. DESCRIPCIÓN ... 12

2. JUSTIFICACIÓN ... 13

3. OBJETIVOS... 14

3.1. OBJETIVO GENERAL ... 14

4. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO ... 15

4.1. ESPACIO ... 15

4.2. TIEMPO ... 15

4.3. POBLACIÓN Y MUESTRA ... 15

5. MARCO REFERENCIAL ... 16

5.1. MARCO TEÓRICO... 16

5.1.1. TRANSFORMACIONES DE FASE... 16

5.1.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS ... 17

5.1.3. ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO... 18

5.1.4. TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS ... 18

5.1.5. RECOCIDO ... 20

5.1.6. NORMALIZADO. ... 20

5.1.7. TEMPLE. ... 20

5.1.8. REVENIDO... 21

5.1.9. ENSAYOS MECÁNICOS. ... 21

5.1.10. ENSAYO DE TENSIÓN. ... 22

5.1.11. ENSAYO DE IMPACTO. ... 22

5.1.12. METALOGRAFÍA. ... 22

5.1.13. AUSTENITA ... 23

6. MARCO CONCEPTUAL ... 24

6.1. Diagramas TTT ... 24

6.2. TRATAMIENTO TÉRMICO ... 24

6.3. FASES... 24

6.4. ENVEJECIMIENTO ... 24

6.5. MICROESTRUCTURA ... 25

(9)

6.6. VARIABLES DE CONTROL ... 25

6.7. TEMPERATURA DE AUSTENIZACIÓN ... 25

6.8. ESTADO DEL ARTE ... 26

6.9. MARCO LEGAL Y NORMATIVO ... 28

6.10. METODOLOGÍA ... 29

7. DESARROLLO DEL PROYECTO ... 30

7.1. ESTRUCTURA DE LA UNIDAD DE ANÁLISIS ... 30

7.1.1. COMPRA DEL MATERIAL ... 30

7.1.2. TEMPERATURA DE TEMPLE ... 30

7.1.3. ENFRIAMIENTO DE EL PROCESO DE TEMPLE:... 31

7.1.4. TEMPERATURAS DE PARTICIONAMIENTO: ... 31

7.1.5. MECANIZADO DE PROBETAS: ... 34

7.1.6. TRATAMIENTO TÉRMICO: ... 35

7.1.7. ENSAYO DE DUREZA: ... 36

7.1.8. ENSAYO DE TENSION: ... 36

7.1.9. ENSAYO DE IMPACTO ... 36

7.1.10. METALOGRAFIA ... 37

8. RESULTADOS Y ANÁLISIS ... 38

8.1. DUREZAS ... 38

8.2. ENSAYO DE TENSIÓN ... 41

8.3. PORCENTAJE DE REDUCCIÓN DE AREA ... 50

8.4. ENSAYO DE IMPACTO. ... 51

8.5. METALOGRAFÍA ... 55

9. CONCLUSIONES ... 61

10. RECOMENDACIONES ... 62

11. BIBLIOGRAFÍA:... 63

12. ANEXOS ... 65

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Diagrama de fases acero [10] ... 17

Figura 2 Diagrama de tipos de tratamiento a partir de T vs t [10] ... 19

Figura 3 Estructura Cristalina e Imagen de Microscopio (X 325) de la Fase Austenita [12] ... 23

Figura 4 Diagrama Q&P a partir de T vs t [8] ... 26

Figura 5 Diagrama Q&P con tiempos y temperaturas [1] ... 27

Figura 6 Procedimiento de investigación ... 29

Figura 7 Acero AISI/SAE 4140 para pruebas piloto ... 32

Figura 8 Ruta de Temple y Particionamiento a 400°C ... 33

Figura 9 Ruta de Temple y Particionamiento a 550°C ... 33

Figura 10 Probeta de tensión ... 34

Figura 11 Probeta de impacto ... 34

Figura 12 Probetas en horno después de realizar temple... 35

Figura 13 Probetas ya ingresadas en el crisol con plomo/estaño ... 36

Figura 14 Q&P temperatura de 550°C y tiempo de 30 min ... 42

Figura 20 Esfuerzo máximo vs Dureza T 550 °C ... 48

Figura 21 Esfuerzo máximo vs Dureza T 400 °C. ... 49

Figura 22 Resultados pruebas de impacto a temperatura de partición de 550 °C ... 53

Figura 23 Resultados pruebas de impacto a temperatura de partición de 400 °C ... 53

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Composición química acero AISI/SAE 4140 ... 30

Tabla 2 Tiempos y Temperaturas seleccionados después de pruebas piloto ... 32

Tabla 3 Q&P Temperatura de 550°C y tiempo de 30 min ... 38

Tabla 4 Q&P temperatura de 550°C y tiempo de 60 min ... 39

Tabla 7 Q&P temperatura de 400°C y tiempo de 60 min. ... 40

Tabla 9 Porcentaje de reducción después del tratamiento Q&P ... 50

Tabla 10 Reducción de área por tratamiento ... 51

Tabla 11 Resultados Prueba de impacto ... 52

Tabla 12 Correlación entre dureza y ductilidad ... 54

Tabla 13 Q&P 550°C-30MIN ... 55

Tabla 14 Q&P 550°C-60MIN ... 56

Tabla 15 Q&P 550°C-120MIN ... 57

Tabla 16 Q&P 400°C-30MIN ... 58

Tabla 17 Q&P 400°C-60MIN ... 59

Tabla 18 Q&P 400°C-120MIN ... 60

Tabla 19 Esfuerzo deformación partición 550 °C - 30 min ... 65

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INTRODUCCIÓN

1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

1.1. FORMULACIÓN

Actualmente, no se cuenta con investigaciones sobre cómo afecta el Q&P en aceros comerciales específicamente en el acero AISI/SAE 4140 donde además se evalúen sus propiedades mecánicas. Se quiere conseguir una gran proporción de información sobre el tratamiento térmico en aceros comerciales considerando como afecta la temperatura y tiempo de partición, haciendo un gran aporte a la industria siderúrgica por parte de este proyecto de investigación y la línea de materiales de la Universidad Libre. Debido a que no contiene suficiente información sobre este tratamiento surge la siguiente interrogante: ¿nos brindara cambios favorables en sus propiedades mecánicas a el acero AISI/SAE 4140.

1.2. DESCRIPCIÓN

La caracterización de materiales es tema muy avanzado y actualmente en la búsqueda constante por el desarrollo de nuevos aceros con propiedades especiales, que en este caso facilitan el desarrollo de nuevos procesos mejorando propiedades como respecta la resistencia y durabilidad, pero a su vez se sacrifican ciertas propiedades. Los tratamientos térmicos convencionales de temple y revenido se han aplicado desde hace tiempo a los aceros para producir buenas combinaciones de resistencia y dureza a partir de la estructura martensítica. El temple y particionamiento es un concepto de tratamiento térmico relativamente nuevo, llamado así tratamientos modificados, que parten de la alteración de la microestructura del acero en sus distintas etapas, Su desarrollo está requiriendo de investigación básica y aplicada por parte de la industria siderúrgica, para generar microestructuras que contienen austenita retenida. Por lo tanto, se cuenta con escasa información de sus aportes a las propiedades mecánicas de los aceros, debido a esto se tiene la necesidad de investigar sobre el proceso y determinar modificaciones novedosas en los tratamientos térmicos con el fin de implementar nuevos métodos para tratar los materiales.

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2. JUSTIFICACIÓN

Q&P es un novedoso tratamiento térmico para producir aceros avanzados de alta resistencia con microestructuras que contienen martensita y austenita retenida⁴. Q&P implica un temple a una temperatura entre las temperaturas de inicio de martensita y final, la partición a una temperatura igual o superior a la del temple, seguida de un temple final a temperatura ambiente⁵. El objetivo es dividir el carbono de martensita a austenita, reduciendo así la sobresaturación de carbono de la martensita y estabilizando la austenita antes del temple final. El acero AISI-SAE 4140 tiene buena relación de costo beneficio además es muy comercializado ya que posee buena resistencia a la fatiga, al templabilidad, también una gran capacidad al impacto y resistencia a la abrasión es utilizado para la fabricación de componentes tales como: Engranajes, ejes, cigüeñales, tornillos de alta resistencia, destornilladores, llaves de mano, brocas, cuerpos de escariadores,etc⁷ El propósito principal de esta investigación es el aporte experimental del proceso de temple y particionamiento en el acero AISI SAE 4140, ya que el conocimiento sobre este proceso es reciente, por lo tanto existe la oportunidad de realizar trabajos de investigación relacionado en los tratamientos térmicos y sus diferentes aplicaciones en ciertas especies de aceros en la facultad de ingeniería en la universidad libre y verificar el aporte experimental del tratamiento térmico sobre el material, que variables son importantes para desarrollar el proceso y cuales propiedades se esperan mejorar. El tratamiento Q&P no se ha implementado a todos los tipos de aceros utilizados en la industria dado el poco conocimiento que se tiene del mismo y su corta aparición como parte del creciente grupo de tratamientos térmicos modificados y con el cual podrían obtenerse nuevos resultados de estudio que servirían como base para profundizar aún más en dichos tratamientos⁹

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3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

• Evaluar la influencia del proceso tratamiento térmico temple y particionamiento en las propiedades mecánicas del acero comercial AISI/SAE 4140 mediante ensayos destructivos.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Establecer las principales variables necesarias (temperatura de austenización, temperatura de enfriamiento, tiempo de partición y temperatura de partición) para realizar el tratamiento térmico Q&P en el acero AISI-SAE 4140.

• Realizar los ensayos destructivos dureza, resistencia ultima a la tensión e impacto a las probetas ya tratadas.

• Determinar el efecto en la microestructura del acero AISI-SAE 4140 por medio de microscopio óptico convencional antes y después del tratamiento de Q&P

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4. DELIMITACIÓN DEL PROYECTO

4.1. ESPACIO

El siguiente proyecto de grado, se desarrolla en la ciudad de Bogotá, tiene como espacio de su elaboración, los laboratorios de ensayos mecánicos de la Universidad Libre ubicada en la Av. 70 # 53-50 en la sede Bosque Popular, específicamente los laboratorios de ensayos destructivos y el de máquinas y herramientas, todo esto con el fin de cumplir con la temática y objetivos del proyecto.

4.2. TIEMPO

El tiempo estimado para la realización del temple, particionamiento y pruebas mecánicas como son de impacto, resistencia ultima a la tensión para determinar su dureza y microdureza es de cinco (05) meses aproximadamente, comenzando en el mes de febrero de 2021 y terminando en el mes de junio de 2021, y estará centrado en necesidades específicas.

4.3. POBLACIÓN Y MUESTRA

Para tener resultados favorables en donde se evidencia la problemática del proyecto se toma como muestra una población de dieciocho (18) probetas previamente normalizadas bajo normas ASTM de tensión e impacto.

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5. MARCO REFERENCIAL

5.1. MARCO TEÓRICO

5.1.1. TRANSFORMACIONES DE FASE

La transición microestructural en los aceros está determinada por el cambio de temperaturas y comportamiento de sus componentes, cuando se presenta esto se dan las transformaciones de fase. La cantidad de tratamientos térmicos que son empleados en la industria y sus diversas variedades, han logrado establecer el comportamiento de los aceros utilizando principios que fueron obtenidos a lo largo del tiempo con un sinfín de estudios realizados. El acero está definido por una aleación dada por un metal (Hierro) y una cantidad de Carbono que es alrededor de 0,05% hasta aproximadamente de 2% y otros elementos que rigen su composición, este es uno de los materiales más utilizados en la industria por su cambio microestructural en el proceso de aumento de temperaturas, por medio del diagrama de fase de los aceros se pueden determinar las temperaturas y que tipos de composición son apropiadas para las distintas fases. En la siguiente gráfica se resume lo anteriormente explicado:

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Figura 1 Diagrama de fases acero [10]

5.1.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Los materiales van sujetos a ciertos cambios de fase en los cuales consiste en modificar las propiedades de estos como herramienta de trabajo para ofrecerle al material una tarea o proceso de trabajo, por medio de los tratamientos térmicos se obtienen estas modificaciones, más puntualmente en materiales como los aceros. Los tratamientos térmicos consisten en un proceso de elevación de temperaturas, sostenimiento y enfriamiento con tiempos determinados para transformar de manera adecuada su estructura y mejorar sus propiedades de acuerdo con la tarea que es pensado exponer el material. Los tratamientos suministran mejoras en las propiedades mecánicas del acero en su conformación, como en su utilización. El principal y único cambio que se produce en este proceso es la forma en la cual se solidifica el material por lo tanto la variación de la forma en las que se sitúan sus microestructuras son las que generan la alteración de las propiedades mecánicas del material, es importante aclarar que por medio de este proceso no se modifica la composición química ya que el material base es el mismo. Este proceso se realiza bajo el control de ciertos factores, que son: Temperatura, Tiempo, Velocidad y Presión del material.

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5.1.3. ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO

Anteriormente ya fueron señalados los tres principales ciclos en los que se realiza el procedimiento de alteración microestructural del material, permitiendo la variación de las propiedades mecánicas del material.

• Elevación de la temperatura: El primer paso durante el tratamiento consiste en incrementar la temperatura deseada partiendo del diagrama de fase, el proceso de calentamiento en este paso se debe realizar de manera uniforme con el fin de que totalidad del material se llevara a la misma temperatura.

• Sostenimiento: El segundo paso permite que el material se sostenga a la temperatura a la que se llegó en el primer paso durante un tiempo controlado, para concebir una transformación de la estructura cristalina del material.

• Enfriamiento: Este paso determina el tratamiento el cual se desea desarrollar, especifica el tipo de microestructura que se necesita alcanzar, por lo tanto, debe ser sumamente inspeccionado para no tener errores.

5.1.4. TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Las clases de tratamientos térmicos se especifican bajo la adaptación de los cambios micros estructurales que se presentan en el acero, que se denominan como “variaciones alotrópicas”, de igual manera que el proceso de recristalización y difusión. Existen varias alteraciones de los tratamientos, sin embargo, el siguiente grafico muestra los más importantes y la base principal de las modificaciones.

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Figura 2 Diagrama de tipos de tratamiento a partir de T vs t [10]

Como lo muestra la gráfica anterior existen cuatro tipos primordiales de tratamientos, son el Temple, Normalizado, Recocido, Revenido.

Los cuatro asocian la alteración o fragmentación de la austenita, es importante señalar que dependiendo el desarrollo térmico que se realice en el acero y la modificación de las propiedades necesarias, serán acorde a las dimensiones de la pieza. Por medio de esto se realizará el control de las etapas del tratamiento térmico y según esto los parámetros que se desean alcanzar se verán reflejados al término del tratamiento térmico, para lograr esto se debe llevar a cabo una cantidad de ensayos, obteniendo las propiedades mecánicas deseadas.

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5.1.5. RECOCIDO

Tratamiento térmico que consiste en el calentamiento del metal a una temperatura alta con un tiempo prolongado de permanencia, con la intención de reducir la densidad de dislocaciones impartiendo ductilidad al mismo. Se efectúa con el fin de generar cambios como:

Ablandamiento del metal mejorando su maquinabilidad, alterando su estructura y por ende sus propiedades mecánicas.

• Para metales trabajados en frío permite una recristalización.

• Alivio de esfuerzos residuales.

5.1.6. NORMALIZADO.

El normalizado también llamado perlitización, tiene como finalidad obtener la estructura perlítica de grano fino dentro de la configuración del metal de trabajo, estas corresponden a las propiedades mecánicas óptimas del acero, este tipo de tratamientos se realiza sobre aceros hipoeutectoides. La estructura determinada para un normalizado surge al calentar el material hasta la temperatura donde se encuentre la zona austenita y un enfriamiento al aire. La cantidad de ferrita y cementita posterior al normalizado es en proporción menor que la de un proceso de recocido, razón por la cual su resistencia y tenacidad es en un pequeño porcentaje más alta y con una maquinabilidad más baja.

5.1.7. TEMPLE.

Una de las características que resaltan en el campo de los tratamientos térmicos es la capacidad de endurecerse, este atributo cumple con dos funciones principales, uno de estos es obtener un nivel alto de dureza o resistencia, sino que también lo relacionan al aumento de la tenacidad producto de una estructura inicial de tipo martensita revenida o vainita inferior. Cabe comprender que este tipo de tratamiento de endurecimiento hace énfasis al “ancho del endurecimiento”, que se logra bajo condiciones de enfriamiento predeterminadas y no a la dureza máxima de un acero, ya que esta depende totalmente del contenido de carbono, los elementos de aleación y el tamaño del grano.

Teniendo en cuenta lo anterior se pretende conseguir una estructura martensítica con propiedades óptimas, para este fin el acero debe ser

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tratado térmicamente. El temple y el revenido son los tratamientos usados para poder conseguir los resultados que aseguren la dureza del material y una microestructura estable. En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta, 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. El proceso de templado puede extenderse a distintos materiales, siendo el acero uno de los más usados para este fin, no obstante, es común encontrarlo en fundiciones con alto contenido de cromo.

5.1.8. REVENIDO

Se aplica principalmente como tratamiento complementario del temple, con este tratamiento se intenta mejorar la tenacidad del metal templado sacrificando su dureza. Las temperaturas para este tipo de tratamiento se seleccionan tomando en cuenta al uso que se le dará a la pieza, pero esta nunca superará las temperaturas de transformación. Es muy importante tener en cuenta que la realización del proceso de revenido no elimina los efectos del temple, solo se producen modificaciones internas disminuyendo la dureza y tensiones internas para de esa manera aumentar la tenacidad.

5.1.9. ENSAYOS MECÁNICOS.

Las pruebas mecánicas de materiales pueden comprender su rendimiento mecánico y microestructura, como tensión, límite elástico, alargamiento, dureza, resistencia al impacto, capacidad de flexión, etc.

La prueba puede ser en cualquier tipo de material metálico, como: acero al carbono, acero aleado y acero inoxidable, aleación de aluminio, aleación de cobre, titanio, etc.; Las principales características estudiadas por los ensayos mecánicos son resistencia, rigidez, elasticidad, plasticidad, capacidad energética.

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5.1.10. ENSAYO DE TENSIÓN.

Las pruebas de resistencia ultima a la tensión incluyen pruebas destructivas para obtener, explicar y analizar ciertas propiedades mecánicas del material a analizar. Se realiza aplicando una carga a una muestra estandarizada que intenta alargar, y la carga aumenta con el tiempo hasta que la muestra se aprieta y luego se rompe.

5.1.11. ENSAYO DE IMPACTO.

Método para determinar el comportamiento de un material bajo cargas de flexión, tracción o impacto de torsión. Por lo general, la cantidad medida es la energía absorbida cuando la muestra es destruida por un solo impacto, como la prueba de impacto Charpy.

Los ensayos de impacto se realizan sometiendo a las probetas a varios golpes de intensidad creciente, como en el ensayo de impacto con caída de bola y el ensayo de impacto con golpe repetido. La elasticidad del impacto y la dureza con escleroscopio se determinan en ensayos de impacto no destructivos.

5.1.12. METALOGRAFÍA.

Estúdio metalográfico o microscópico de características microscópicas.

La estructura del metal o aleación se puede determinar con el tamaño de los granos, la forma y distribución de varias fases e inclusiones.

Las propiedades mecánicas de metales o aleaciones. La microestructura revela cambios en metales estructurales o aleaciones en determinadas condiciones.

Los materiales (probetas) se utilizan para identificar y caracterizar la estructura de metales o aleaciones. En las aleaciones compuestas por dos o más fases, los componentes están expuestos por ataque preferencial sobre los reactivos durante la acción química.

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5.1.13. AUSTENITA

Hierro puro en forma estable a temperaturas entre aproximadamente 900˚C -1400˚C. La cantidad máxima de carbono disuelto es 2,1%. Su estructura cristalina es cúbica centrada en las caras. A temperatura ambiente, enfriando rápidamente muestras con alto contenido de carbono por encima de la temperatura crítica, también se puede obtener una estructura real en acero, pero esta estructura no es estable.

Figura 3 Estructura Cristalina e Imagen de Microscopio (X 325) de la Fase Austenita [12]

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6. MARCO CONCEPTUAL

6.1. Diagramas TTT

Son diagramas que representan el tiempo necesario a cualquier temperatura para que se inicie y termine una transformación de fase (tiempo-temperatura- transformación). Para su obtención se realizan ensayos sobre distintas probetas que se someten a diferentes velocidades de enfriamiento y se analiza su dureza y su estructura interna.

6.2. TRATAMIENTO TÉRMICO

Son operaciones consistentes en calentar y enfriar las aleaciones ferrosas o no ferrosas en condiciones especiales para mejorar sus propiedades y características físicas. En los tratamientos térmicos los materiales sufren modificaciones y cambios de estructura al ser calentados por encima de una temperatura crítica, posteriormente pueden ser enfriados con distintas velocidades de enfriamiento, cada una de ellas, le confiere al material propiedades físicas características (dureza, tenacidad, resistencia a la tracción, etc.)

6.3. FASES

Cambios de estructura cristalina que se llevan a cabo por el aumento o reducción de temperatura durante un tratamiento térmico, este tipo de cambios pueden evidenciarse en el diagrama hierro-carbono, en el cual se especifica las temperaturas en las que suceden dichos cambios dependiendo de la composición del material de trabajo.

6.4. ENVEJECIMIENTO

Cambio de las propiedades mecánicas de ciertos materiales y aleaciones que se producen a temperatura moderadamente altas o condiciones ambientes. El cambio en las propiedades no siempre implica un cambio en la composición química del metal o aleación.¹¹

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6.5. MICROESTRUCTURA

Configuración en la que se encuentran orientados los átomos que componen un material específico, en el caso del acero y más específicamente de su componente mayoritario “hierro” se encuentra en una red cubica centrada en las caras o FCC por sus siglas en ingles en temperaturas entre 912 ºC y 1382 ºC, y debajo de este, su transformación microestructural adquiere una configuración BCC “red cubica centrada en el cuerpo”, caracterizada por ser menos compacta y por ende con menor densidad

6.6. VARIABLES DE CONTROL

Son todos aquellos factores para tener en cuenta y cuyas variaciones serán registradas y controladas de manera detallada, con el fin de determinar su comportamiento aparente, lo que permitirá no solo llevar a cabo un proceso exitoso si no también poder determinar con cierta precisión algunos cambios concernientes al proceso, algunas de estas son: tiempo, temperatura, medio de enfriamiento, cantidad, etc.

6.7. TEMPERATURA DE AUSTENIZACIÓN

Para cada tipo de acero hay una temperatura de austenización, determinada fundamentalmente por la composición. Sin embargo, ha sido la experimentación la que ha señalado el intervalo de temperatura hasta la cual se debe calentar el acero, la cual se escoge para que dé la máxima dureza y al mismo tiempo mantenga también una estructura de grano fino; ello porque el valor de la temperatura depende, entre otras variables, de la forma de la pieza y del medio Templante. El tamaño de la pieza a tratar puede variar el tiempo de sostenimiento, pero no la temperatura.¹

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6.8. ESTADO DEL ARTE

6.8.1. En el artículo “ACEROS DE TEMPLE Y PARTICIONAMIENTO”

realizado por Jorge Madias en 2014. Se refiere a este importante avance realizado en los aceros, en sus propiedades se determina el diseño esquemático del proceso temple y particionamiento para producción de microestructuras de austenita como se muestra en la ilustración XX.

Figura 4 Diagrama Q&P a partir de T vs t [8]

Ci, C, Cm, es el contenido inicial de carbono de la aleación, el contenido de austenita y el contenido de martensita respectivamente. QT y PT son las temperaturas de temple y de partición. ACs la temperatura de austenización, Ms y Mf las temperaturas de inicio y el fin de martensita. Para ser tenido en cuenta para este proceso.

6.8.2. Siguiendo el libro “STEEL FORMING AND HEAT TREATING HANDBOOK” de Antonio Augusto Gorni en 2012 es un texto donde se resaltan las fórmulas adecuadas para determinar las temperaturas previas para efectuar un tratamiento térmico con el fin de diferenciarlo entre varias referencias, en el manuscrito se puede evidenciar las ecuaciones para determinar las temperaturas adecuadas para el proceso del Q&P. Por ejemplo, se puede determinar una cantidad adecuada de temperaturas de inicio y final de austenización, ya que este proyecto es experimental podremos comparar o establecer a una

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temperatura muy cercana a la que se desea llegar. De igual manera sucede con las temperaturas de inicio y finalización de martensita para dar con exactitud en cuanto al proceso sin realizar varias pruebas. 5.3.3. Del manuscrito “Microstructural evolution during quenching and partitioning of 0.2C-1.5Mn-1.3Si steels with Cr or Ni additions” de D. T. Piercea,b*, D. R.

Coughlinc, K. D. Clarkeb, c, E. De Moorb, J. Poplawskyd, D. L.

Williamsone, B. Mazumderd,f, J.G. Speerb, A. Hoodb, A. J.

Clarkeb,c del 2018 se revisaron varios aspectos importantes en el trabajo de este proceso pero en el que se relacionan con el proceso que se realizara en este proyecto son las diferentes temperaturas a las que se llevara las probetas tanto como en la formación de martensita como las temperaturas de particionamiento, aunque este proceso es netamente experimental para un alcance de resultados satisfactorios, tendremos en cuenta este diagrama para el proyecto.

Figura 5 Diagrama Q&P con tiempos y temperaturas [1]

Aunque en este manuscrito llevan las probetas a 4 temperaturas distintas para comparar su comportamiento en la zona de la formación de martensita, en el proyecto se aproxima y se utilizará solo una temperatura. De mismo modo sucede con las temperaturas de particionamiento, donde se ve en la gráfica como llevan a cuatro temperaturas de particionamiento con diferentes tiempos para efectuar el enfriamiento y en el proyecto solo se establecerán 2 temperaturas con 3 tiempos diferentes debido a que lo más importante de este tratamiento es el tiempo que se mantenga en particionamiento.

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6.9. MARCO LEGAL Y NORMATIVO

6.9.1. NORMA TÉCNICA COLOMBIANA-NTC 1486, para documentación, Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación.

6.9.2. NORMA TÉCNICA COLOMBIANA-NTC 5613, para referencias bibliográficas, contenido, forma y estructura.

6.9.3. Norma ASTM E407, reactivos para metales y aleaciones para ataques de muestras que serán analizadas de forma metalográfica.

6.9.4. Norma ASTM E3-01, Practica estándar para la preparación de muestra metalográfica.

6.9.5. Norma ASTM E8 Ensayo de Tracción de Materiales Metálicos

6.9.6. Norma ASTM E23 Ensayo de impacto Charpy de muestras pequeñas

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6.10. METODOLOGÍA

Figura 6 Procedimiento de investigación Fuente autor del proyecto

1 • Recolección de material bibliográfico

2 • Selección de material

3 • Compra de material y análisis de composición

4 • Determinación de tiempos y temperaturas

5 • Fabricación de probetas para ensayo de tensión

6 • Fabricación de probetas para ensayo de impacto

7 • Realización de tratamientos térmicos

8 • Ensayo de tensión

9 • Ensayo de impacto

10 • Fabricación probetas de metalografía

11 • Ensayo de dureza

12 • Microscopia óptica

13 • Análisis de resultados

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7. DESARROLLO DEL PROYECTO

7.1. ESTRUCTURA DE LA UNIDAD DE ANÁLISIS

7.1.1. COMPRA DEL MATERIAL

Barra redonda de 5/8” pulgada (cantidad 6 mts) y una barra redonda de ¾“

(cantidad 0,5 mts).

7.1.2. TEMPERATURA DE TEMPLE

Para el tipo de acero utilizado existe de manera determinada una temperatura de austenización, esta se establece principalmente por la composición, para el caso del acero 4140 del que se fundamenta este proyecto el punto de partida será la cantidad de carbono establecida en 0.40, la temperatura se selecciona con el fin de conseguirse la mayor dureza y al mismo tiempo una calidad de grano fino, por consiguiente y dando justificación a estos objetivos, se debe calcular la temperatura. Las temperaturas A1 (temperatura de austenización parcial) y A3 (temperatura de austenización total) entre las cuales se presenta la zona de temperaturas Intercríticas para un tratamiento térmico basándose en el artículo Metal Science and Heat Treatment .

Tabla 1 Composición química acero AISI/SAE 4140

Temperatura de austenización parcial (Ac1): 751.29±16

Temperatura de austenización total (Ac3): 855,98±16

(31)

La temperatura (TA) se selecciona con el fin de conseguirse la mayor dureza y al mismo tiempo una calidad de grano fino y se selecciona por encima de A3, por razones de austenizar completamente para disminuir la posibilidad de que en la estructura se encuentre presente la ferrita, de lo contrario se considera que dicho tratamiento no cumple con la teoría fundamental y su templado no se encuentra bien realizado⁹.

TA °𝐶 = 900

7.1.3. ENFRIAMIENTO DE EL PROCESO DE TEMPLE:

Como se explica anteriormente, lo que se quiere lograr es a un enfriamiento después de llegar a la temperatura de austenización⁷, es enfriar el material dentro de las temperaturas de inicio de la martensita (Ms) y finalización de la martensita (Mf), para esto se va a seleccionar una temperatura que esté dentro de ese rango de acuerdo a las ecuaciones del artículo Collection Scientifique ENSAM.

Ms °𝐶 =300 ± 20

7.1.4. TEMPERATURAS DE PARTICIONAMIENTO:

Las temperaturas de particionamiento son las temperaturas en las cuales se va a sostener el material para estabilizar la austenita retenida, en esta parte del proceso se debe hacer experimentalmente, y guiándose del artículo Microstructural evolution during quenching and partitioning of 0.2C–1.5Mn-1.3Si steels with Cr or Ni additions, se tomaron varias temperaturas y tiempos en segundos, que se aplicaron a unas probetas piloto para condicionar los mejores tiempos donde se obtuvieron resultados óptimos.

(32)

Figura 7 Acero AISI/SAE 4140 para pruebas piloto

Al notar con las pruebas piloto que se necesitaba un tiempo considerablemente más alto de temple y partición se modifican los tiempos para mejores resultados en las probetas finales.

T1(°C) T2(°C) t1(min) t2(min) t3(min)

550 400 30 60 120

Tabla 2 Tiempos y Temperaturas seleccionados después de pruebas piloto

(33)

Figura 8 Ruta de Temple y Particionamiento a 400°C Fuente autor del proyecto

Figura 9 Ruta de Temple y Particionamiento a 550°C Fuente autor del proyecto

(34)

7.1.5. MECANIZADO DE PROBETAS:

Las probetas se diseñaron y se fabricaron bajo las normas correspondientes.

Figura 10 Probeta de tensión Fuente autor del proyecto

Figura 11 Probeta de impacto Fuente autor del proyecto

(35)

7.1.6. TRATAMIENTO TÉRMICO:

Para esto se utilizaron los hornos de tratamientos térmicos de la Universidad Libre, donde se llevaron las probetas a sus diferentes temperaturas.

Figura 12 Probetas en horno después de realizar temple Fuente autor del proyecto

Para asegurar un correcto enfriamiento dentro del inicio y final de martensita se apoyó en unos crisoles con aleación plomo-estaño para asegurar la temperatura de 300 C.

(36)

Figura 13 Probetas ya ingresadas en el crisol con plomo/estaño Fuente autor del proyecto

7.1.7. ENSAYO DE DUREZA:

El ensayo de dureza se realizó en el durómetro marca INNOVATEST serie 7000 ubicado en el laboratorio de materiales de la universidad libre sede bosque popular. La dureza será en escala Rocwell C.

7.1.8. ENSAYO DE TENSION:

Se realiza el ensayo de tensión según la norma ASTM-E8 con el fin de obtener los datos de esfuerzo y deformaciones para el diagrama esfuerzo deformación real para su posterior comparación con el diagrama real del material sin ningún proceso.

7.1.9. ENSAYO DE IMPACTO

El ensayo de impacto se va a realizar con la norma ASTM-E23 donde se describe los métodos de ensayo para medir la energía absorbida por el espécimen roto y así debidamente comparados con los del material sin ningún tratamiento.

(37)

7.1.10. METALOGRAFIA

Una vez realizado el proceso de medición de las micro durezas, se debe evaluar las alteraciones microestructurales producto de las distintas variaciones del tratamiento, dicho proceso será efectuado por el análisis de imágenes obtenido con el microscopio óptico convencional no obstante y antes de llevarse a cabo este paso, es necesario realizar algunos procedimientos que aseguran la obtención de los resultados acordes y de mejor calidad del tratamiento que se va a realizar.

(38)

8. RESULTADOS Y ANÁLISIS

8.1. DUREZAS

En las siguientes tablas se muestran las durezas tomadas a las probetas ya tratadas en sus diferentes temperaturas.

Probeta Dureza (HRC)

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

1.1

28,17

27,85

27,90 27,95

27,45

1.2

27,25

27,67 28,25

27,5

1.3

28,2

28,20 28,07

28,3

Tabla 3 Q&P Temperatura de 550°C y tiempo de 30 min Fuente autor del proyecto

(39)

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

2.1

43,87

41,62

41,63 40,95

40,05

2.2

40,57

42,45 43,82

42,97

2.3

43,02

40,84 40,25

39,25

Tabla 4 Q&P temperatura de 550°C y tiempo de 60 min Fuente autor del proyecto

Probeta Dureza

(HRC)

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

3.1

38,37

40,38

40,93 41,55

41,22

3.2

41,62

41,67 41,52

41,87

3.3

42,4

40,74 41,67

38,15

(40)

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

4.1

28,85

28,76

29,45 28,57

28,87

4.2

29,5

30,20 30

31,12

4.3

29,42

29,40 28,82

29,95

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

5.1

42,5

42,89

45,05 42,92

43,25

5.2

45,52

46,22 46,17

46,97

5.3

47,65

46,06 45,57

44,97

Tabla 7 Q&P temperatura de 400°C y tiempo de 60 min.

Fuente autor del proyecto

(41)

PROMEDIO (HRC)

PROMEDIO TOTAL

(HRC)

6.1

43,3

42,26

41,63 41,27

42,22

6.2

44,2

40,77 38,75

39,37

6.3

44,22

41,87 41,77

39,62

La dureza tuvo un comportamiento muy estable donde su dureza aumentó mientras el tiempo de partición se incrementó, pero al llegar al tiempo de 60 min comenzó a disminuir y así se obtuvieron los resultados más altos en los tiempos de partición de 60 min como se puede ver en la tabla 4 y tabla 7.

8.2. ENSAYO DE TENSIÓN

El ensayo de tensión se realizó en laboratorio de ensayos destructivos de la Universidad Libre Colombia, para esta prueba se tomaron 3 probetas de tensión tratadas en 400 y 550 °C con sus respectivos tiempos de partición que fueron 30, 60 y 120 min según la ruta escogida, en las siguientes tablas se muestran los diagramas de esfuerzo-deformación que se obtuvieron en este ensayo de cada una de las muestras.

(42)

Figura 14 Q&P temperatura de 550°C y tiempo de 30 min Fuente Autor del proyecto

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Esfuerzo (Mpa)

Deformación (mm/mm)

Esfuerzo Vs Deformación

Probeta 1 Probeta 2

Probeta 3 estado de entrega

(43)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-0,02 0 0,02 0,04 0,06 0,08

Esfuerzo (Mpa)

Diagrama esfuerzo vs deformación

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3

estado de entrega

(44)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Esfuerzo(MPa)

Deformación(mm/mm)

Diagrama esfuerzo vs deformación

Probeta 1

Probeta 2

Probeta 3

Estado de entrega

(45)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Esfuerzo (MPa)

Diagrama esfuerzo vs deformación

Probeta 1 Probeta 2

(46)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Esfuerzo (MPa)

Diagrama esfuerzo vs deformación

Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3

Estado de entrega

(47)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

Esfuerzo (MPa)

Diagrama esfuerzo vs deformación

Probeta 1 Probeta 2

(48)

Figura 20 Esfuerzo máximo vs Dureza T 550 °C Fuente Autor del proyecto

El comportamiento de los valores de esfuerzo máximo en el tiempo de partición de 30 min es de 881,9 MPa y en su dureza tiene un resultado de 27,9 HRC, al pasar al tiempo de partición de 60 min se sacrifica un 9 % de su Esfuerzo (798,4 MPa) para ganar un 33% de dureza (41,6 HRC) .

(49)

Figura 21 Esfuerzo máximo vs Dureza T 400 °C.

Fuente Autor del proyecto

El comportamiento de los valores de esfuerzo máximo en el tiempo de partición de 30 min es de 848,4 MPa y en su dureza tiene un resultado de 29,5 HRC, al pasar al tiempo de partición de 60 min se sacrifica un 2% de su esfuerzo (829,4 MPa) para ganar un 34% de dureza (45,1 HRC) .

(50)

8.3. PORCENTAJE DE REDUCCIÓN DE AREA

Q&P Área inicial (mm²)

Área final (mm²)

% Reducción de área

% Reducción

de área (promedio)

550°C-30min

80,91 45,08 44,29%

47%

78,54 40,35 48,62%

81,71 42,45 48,05%

550°C-60min

89,9 43,01 52,16%

48%

86,59 44,18 48,98%

85,59 47,78 44,17%

550°C- 120min

75,43 45,36 39,86%

43%

82,52 44,18 46,46%

78,54 44,18 43,75%

400°C-30min

86,59 36,32 58,06%

52%

81,71 38,48 52,90%

78,54 44,18 43,75%

400°C-60min

80,12 33,18 58,58%

58%

86,59 38,48 55,56%

81,71 33,18 59,39%

400°C- 120min

78,54 35,76 54,47%

55%

78,54 38 51,62%

75,43 30,5 59,56%

Tabla 9 Porcentaje de reducción después del tratamiento Q&P Fuente Autor del proyecto 1

(51)

Tabla 10 Reducción de área por tratamiento Fuente Autor del proyecto

El porcentaje de reducción de área no se ve afectado comparándolo con su estado de entrega (46,8%), donde se evidencia que el material mejora su propiedad de ductilidad.

8.4. ENSAYO DE IMPACTO.

Para las probetas fabricadas en acero AISI / SAE 4140, comenzando por su temperatura más alta y el tiempo de partición más corto, terminando con una temperatura más baja y un tiempo de partición más largo, la energía de impacto se mide para cada ruta de procesamiento y el valor de cada prueba se muestra en la tabla siguiente.

46,80% 47,00% 48,00%

43,00%

52,00%

58,00%

55,00%

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

Porcentaje de reduccion de area

Temperatura y tiempo de Particion

(52)

TEMPERATURA Y TIEMPO DE PARTICIÓN

Energía (Joules)

Energía promedio

(Joules)

550 ° C -30MIN

23,52

23,63 25,44

21,94

550 ° C -60MIN

26,27

27,50 26,68

29,55

550 ° C -120MIN

44,66

46,53 48,84

46,08

400 ° C -30MIN

14,08

14,30 13,76

15,06

400 ° C -60MIN

11,41

19,17 17,77

28,32

400 ° C -120MIN

15,89

24,52 25,46

32,21

Tabla 11 Resultados Prueba de impacto Fuente Autor del proyecto

(53)

Figura 22 Resultados pruebas de impacto a temperatura de partición de 550 °C Fuente Autor del proyecto

Figura 23 Resultados pruebas de impacto a temperatura de partición de 400 °C Fuente Autor del proyecto

23,63 27,50

46,53

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00

550 ° C -30MIN 550 ° C -60MIN 550 ° C -120MIN

Energía promedio (Joules)

14,30

19,17

24,52

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

400 ° C -30MIN 400 ° C -60MIN 400 ° C -120MIN

Energía promedio (Joules)

(54)

Los resultados para comportamiento de la absorción de energía aumentan mediante va aumentando el tiempo de partición esto nos da como resultado de mejores resultados en su tenacidad.

TEMPERATURA Y TIEMPO DE PARTICIÓN

Energía promedio

(Joules)

Dureza promedio

% Reducción de área promedio

550 ° C -30MIN 23,63 27,90 47%

550 ° C -60MIN 27,50 41,64 48%

550 ° C -120MIN 46,53 40,93 43%

400 ° C -30MIN 14,30 29,46 52%

400 ° C -60MIN 19,17 45,06 58%

400 ° C -120MIN 24,52 41,64 55%

Tabla 12 Correlación entre dureza y ductilidad Fuente Autor del proyecto

El material presenta condiciones en cuanto a sus resultados más alto en los tiempos de 60 y 120 min donde tiene condiciones de dureza superiores a su estado de entrega (28HRC), no altera drásticamente su porcentaje de reducción de área original (46,8 %) y su capacidad de absorción de energía aumenta en el trascurso del tiempo de partición.

(55)

8.5. METALOGRAFÍA

Tabla 13 Q&P 550°C-30MIN Fuente Autor del proyecto

En la Figura 3 de la tabla 13 se muestra la microfotografía del acero 4140 sometido a un particionamiento de 550°C por 30 minutos. Se observa gran cantidad de ferrita bainítica que son las zonas blancas encerradas en el círculo blanco y una más baja proporción de cementita que se muestra como laminas oscuras que se pueden evidenciar dentro del círculo negro.

FIGURA 3. 1000X ACERO AISI/SAE 4140

FIGURA 1. 200X ACERO AISI/SAE 4140 FIGURA 2. 500X ACERO AISI/SAE 4140

C

FB

(56)

En tabla 14 se muestra la microfotografía del acero 4140 sometido a un particionamiento por 60 minutos, donde se identifica claramente la presencia de austenita retenida.

(57)

En la Figura 2 de la tabla 15 se muestra la microfotografía del acero 4140 sometido a un particionamiento por 120 minutos, donde se evidencia la presencia de bainita, que se identifica por agujas oscuras como las que están encerradas en el círculo de la figura 2.

B

(58)

Como se observa en el análisis de dureza (Figura 20), el material no gana mucha dureza en comparación con otros tiempos de partición, pero sí gana un mayor esfuerzo de deformación, lo que lo convierte en un material bastante dúctil. Esto se observa en las imágenes 2 y 3 de la Tabla 16, donde la fase ferrita (zonas claras encerradas en círculos negros) está más presente en la microestructura del material

(59)

En la tabla 17 se muestra la microfotografía del acero 4140 sometido a un particionamiento de 400°C por 30 minutos. Donde se puede observar hacía el interior de la sección se identifican agujas oscuras de bainita como las que se encierran en el circulo blanco de la figura 2.

B