Dureza y templabilidad
Resumen
En el siguiente informe se hará una descripción de la experiencia y resultados obtenidos tras la realización de un laboratorio enfocado al proceso térmico de temple para mejorar la dureza del acero, a la medida de su templabilidad por medio del ensayo Jominy y a la medida de dureza, donde específicamente por facilidad de instrumentos se utiliza el ensayo Rockwell.
Abstract
The following article gives a description about the experience and results gotten with the laboratory’s temple process to improve the steel’s hardness and the hardenability’s measurement with the Jominy’s testing. Also the hardness’s measurement with the Rockwell testing.
Palabras Clave
Martensita, Templabilidad, Dureza, Dureza Rockwell, Ensayo Jominy, Indentador.
I.OBJETIVOS
General
Identificar el cambio de dureza de un material debido a la penetración del temple mediante el ensayo Jominy y el método de dureza Rockwell.
Específicos
Comparar la templabilidad entre dos probetas de aceros aleados diferentes. Identificar las diferentes escalas de medición
de dureza.
Comprender el funcionamiento de un durómetro para determinar la dureza de un material.
II. INTRODUCCIÓN
EL proceso de temple consiste en un calentamiento seguido de un enfriamiento con el que se pretende obtener martensita, que aumenta la dureza y las condiciones mecánicas del acero. El problema de los aceros templados es que suelen quedar demasiado duros y frágiles, este inconveniente se corrige por medio de revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C) dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio. La martensita como constituyente de los aceros templados esta conformada por una solución solida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita, además de aumentar la dureza del acero tiene amplia resistencia a la tracción (170 a 250kg/mm2) y poco alargamiento (0.5 al 2.5 %).
La dureza obtenida en el proceso de temple y la templabilidad son dos términos que no deben confundirse.
La templabilidad esta determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de las piezas templadas mientras que la dureza esta relacionada con las propiedades elásticas y plásticas del material.
III. MARCO TEÓRICO
Templabilidad
La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacionada con un parámetro denominado templabilidad.
Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento.
Templabilidad es un término utilizado para describir la aptitud de una aleación para Alfonso. Paula, Alba. Héctor, Martínez. Sergio, y Chitiva. Oscar.
endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico.
Templabilidad no es dureza, que significa resistencia a la penetración, aunque se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior; es decir, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cuál una aleación específica puede endurecerse. [1]
La templabilidad de un acero depende principalmente de (1) la composición del acero, (2) el tamaño del grano austenítico y de (3) la estructura del acero antes del enfriamiento.
Ensayo Jominy
En la industria, la templabilidad se determina comúnmente por el ensayo Jominy de templabilidad. En el ensayo Jominy de temple en un extremo, la probeta es una barra cilíndrica y dimensiones de 1 pulgada de diámetro y 4 de longitud, con un saliente de 1/16 pulgadas en uno de sus extremos. Dado que la estructura previa tiene una gran influencia en la templabilidad, generalmente se procede a la normalización de la probeta antes del ensayo. En el ensayo Jominy, después de que se consigue la austenización de la probeta, ésta se coloca en una estructura fija, y sobre uno de los extremos y sobre uno de los extremos de la misma se lanza rápidamente un chorro de agua. Tras el enfriamiento, se colocan dos superficies lisas paralelas sobre cada uno de los lados opuestos de la barra ensayada y se realizan medidas de dureza sobre cada uno de los lados opuestos de la barra ensayada y se realizan medidas de dureza Rockwell C a los largo de estas superficies hasta 2,5 pulgadas del extremo enfriado.
Figura 1. Muestra y estructura fija para el ensayo de templabilidad para un extremo templado.(según M. A. Grossmann y E.C. Bain <<Principles of Heat Treatment>> 5ta ed., American Society for Metals, 1964, pág 114.)
Figura 2. Ilustración esquemática de la prueba de templabilidad. [Según H. E. McGannon(ed), <<The Making, Shaping and Treating of Steel>>, 9 ed., United Steels Corp., 1971, pág. 1099.]
Los aceros son susceptibles de temple a velocidad más baja manteniendo todavía valores de dureza relativamente altos.
Los aceros aleados como el 4340 son altamente endurecibles porque, bajo enfriamiento desde la región austenítica, la descomposición de la austenita en ferrita y vainita se encuentra retardada y la descomposición de austenita en martensita se puede efectuar a menores velocidades.
de barras largas de acero cilíndricas con el mismo diámetro. Sin embargo, las velocidades de refrigeración difieren: (1) para diferentes diámetros de las barras; (2) para diferentes posiciones en las secciones transversales de las barras; y (3) para diferentes medios de temple. [2]
Dureza
Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el cual no sufre deformaciones residuales (indentador ó penetrador), de determinada forma y dimensiones.
Los métodos Brinell y Vickers, poseen la insuficiencia principal de que la medición de las características geométricas de la impronta toma cierto tiempo, además dicha medición a veces no es exacta a causa de que el metal desalojado por la bola se acumula cerca de los bordes de la impronta. Por esto surgió la necesidad de desarrollar otros métodos de determinación de la dureza llevando al desarrollo de métodos como el Rockwell, en el cual la medición de la dureza es mucho más ágil y objetiva.
El método de Rockwell aunque es un método de indentación no pretende de manera directa medir la dureza a través de la determinación directa de la magnitud de los esfuerzos de contacto, sino que la define como un número arbitrario, inversamente proporcional a la penetración del indentador.
Dureza Rockwell
El estándar ASTM E 18-03 define la dureza Rockwell como un método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza un indentador cónico esferoidal de diamante (penetrador de diamante), o una bola de acero endurecido (acero o carburo de tungsteno), bajo condiciones específicas contra la superficie del material a ser ensayado, en dos operaciones, y se mide la
profundidad permanente de la impresión bajo condiciones específicas de carga.
El estándar ASTM E18-03 define el número de dureza Rockwell como un número derivado del incremento neto en la profundidad del indentador cuando la fuerza en el indentador es incrementada desde una fuerza previa (preliminar específica) hasta una fuerza total (específica) y luego retornada al valor de fuerza previa.
Figura 3. Esquema de determinación de la dureza según Rockwell
Al comienzo el indentador penetra un poco en la superficie de la muestra bajo la acción de la carga previa P0, la cual se mantiene hasta el final del ensayo. Esto garantiza una mayor exactitud del ensayo ya que excluye la influencia de las vibraciones y de las irregularidades de la delgada capa superficial. Después se expone la probeta a la acción de la carga total Pf = P0 + P1, y la profundidad de penetración aumenta. Luego de retirada la carga principal P1, en el sistema probeta-indentador ocurre una recuperación elástica, ya que sobre el actúa sólo la carga previa P0, siendo posible la medición de la profundidad de penetración h, la cual determina el número de dureza Rockwell (HR). [3]
IV. PROCEDIMIENTO
Inicialmente se lleva una barra de acero 4340 de 4 pulgadas de largo por 1 pulgada de diámetro, a temperatura de austenización durante 30 minutos en el horno.
Cabe resaltar que dependiendo del tipo de acero varia la temperatura y el ensayo Jominy de templabilidad. La estandarización de la probeta, los ensayos y otros pueden ser observados en la ASTM A255.
Después de los 30 minutos en el horno, la barra se pasa a enfriamiento desde la parte de abajo hacia arriba con un chorro de agua durante 10 minutos.
El instrumento usado para realizar la prueba de templabilidad Jominy tiene un diámetro de abertura del chorro de media pulgada.
La altura del chorro debe llegar a una altura de 2½ pulgadas.
Al colocar la barra de acero la distancia que debe quedar entre la base de donde sale el chorro a la base de la barra debe ser de ½ pulgada.
El enfriamiento causa en la pieza un cambio de color rojo (por la temperatura) a negro de abajo hacia arriba.
Después de los 10 minutos se termina el enfriamiento sumergiendo la barra Jominy en agua.
Se prepara finalmente la pieza liberándola de óxidos y grasa mediante pulido para pasar a los ensayos de dureza.
Lo que se pretende comprobar con el ensayo Jominy es la capacidad de temple del material.
Debemos tener en cuenta para el ensayo de dureza el espesor de la pieza y la dureza esperada para seleccionar el método a usar.
En el caso de este laboratorio el procedimiento seguido fue realizar indentaciones en la superficie de la pieza con varios indentadores a diferentes cargas mediante ensayos Rockwell.
La pieza se toma desde el costado enfriado inicialmente y en la primera pulgada los ensayos de dureza se realizan cada 1/16 de pulgada y a partir de la segunda pulgada se realizan cada 2/16 de pulgada, lo anterior con el fin de medir hasta donde llega la templabilidad en la barra.
Antes de realizar la prueba debemos calibrar el probador de dureza mediante unos discos de dureza específica.
Se realizaron dos pruebas para determinar exactamente la dureza del material: con probador de dureza Rockwell, y con durímetro portátil.
El orden de las pruebas fue:
1. Rockwell C: Indentador 120°, Carga 150 kg. 2. Rockwell A: Indentador 120°, Carga 60 kg. 3. Rockwell D: Indentador 120°, Carga 100 kg. 4. Rockwell B: Indentador Esférico de 1/16 de pulgada, Carga 150 kg.
Para cada uno de los casos anteriores en el probador de dureza Rockwell primero se aplicó una precarga durante 3 o 4 segundos y luego se aplicó la carga durante 10 segundos aproximadamente.
V. RESULTADOS Y ANÁLISIS
A partir del proceso de temple realizado a la barra de acero 4340 se observo que la templabilidad es igual transversalmente y diferente longitudinalmente, esto se debe a que la templabilidad del material depende de la velocidad con que se enfría el material.
Tabla 1, Dureza vs. Distancia Jominy.
Dureza (RC) Distancia (Pugada)
56 1/16
54 2/16
53 3/16
51 4/16
50 5/16
48 6/16
47 7/16
45 8/16
Al realizar el ensayo Jominy a la probeta se obtuvieron los datos de la Tabla 1. (Dureza vs Distancia Jominy). Donde se observa la tendencia de que a medida que nos alejamos del extremo templado la dureza de la probeta disminuye, esto se debe a la velocidad de enfriamiento desde la
temperatura de austenitización. Cuando nos alejamos del extremo que recibe el chorro de agua la velocidad de enfriamiento es mas lenta por lo que el carbono presente en la muestra dispone de mas tiempo para su difusión y formación de una estructura perlítica que es mas blanda que la estructura martensítica, esta última es una fase única que consiste en una solución hierro-carbono cuya composición es igual a la austerita.
VI. CONCLUSIONES
Existen diversos tipos de escalas de medición de dureza y es trabajo del ingeniero decidir la escala adecuada y el tipo de indentador que debe ser utilizado en la prueba.
La dureza es la oposición que ofrecen los materiales a la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura y las deformaciones permanentes.
El temple es un procedimiento térmico muy adecuado si se quiere aumentar la dureza del material sin volverlo demasiado frágil.
La dureza es un aspecto mecánico muy importante del material, por lo que realizar un ensayo de dureza adecuado es indispensable para conocer la calidad del material.
REFERENCIAS
[1].William D. Callister; Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Vol. 1
[2].William F. Smith, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 3ra edición.
