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Dureza y microestructura del acero 30XГC con temple y revenido bajo

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Facultad de Ingeniería Mecánica Centro de Investigaciones de Soldadura CIS. TRABAJO DE DIPLOMA Título: Dureza y microestructura del acero 30XГC con temple y revenido bajo. Autor: Nelson Pairol González Tutor: Dr. Rafael Fernández Fuentes. Julio 2013.

(2) Pensamiento. “(…) Hoy se trata de perfeccionar la obra realizada y partiendo de ideas y conceptos enteramente nuevos en el modelo de sociedad que el pueblo de Cuba se ha propuesto crear” Fidel Castro Ruz.

(3) Dedicatoria. A mi madre y mi padre..

(4) Agradecimientos  Primeramente a mi madre y mi padre por ser mi apoyo y sostén en la vida.  A mis primos por haberme hecho motivo de su preocupación en esta etapa.  A mis tíos abuelos Roberto y Juana, a Victoria que han estado presentes en todo momento.  A Rafael Fernández por su sabiduría, su exigencia y por haber sido un excelente tutor a lo largo de la carrera, por haber sabido prepararme para este gran proyecto que es la tesis.  A mis consultantes y amigos Chella, Vitico y Edgar por su incondicionalidad y constante apoyo. . A esos grandes amigos que la vida me ha regalado y que han influido tanto en mis. decisiones Lester y Adnierki.  A todos los profesores que he tenido a lo largo de la carrera por su formación. En fin a todos mis amigos, que saben, que aunque no los mencione, que están siempre en mi corazón y a mis compañeros del grupo, por estos años de complicidad..

(5) Resumen Resumen Se presenta un estudio sobre el comportamiento de la microestructura y la dureza del acero 30XГC con temple y revenido bajo en muestras procedentes de diferentes lotes, con el objetivo de determinar la homogeneidad de estas variables en el espesor de cada muestra, así como entre ellas. Aplicando la microscopía óptica y el ensayo de dureza Vickers, se determinó que los lotes de acero 30XГC estudiados no muestran diferencias en cuanto a la dureza y la microestructura en el espesor de cada muestra, aunque sí se aprecian diferencias entre muestras..

(6) Summary Summary The present study on the behavior of the microstructure and hardness of steel with quenching and tempering 30XГC low in samples from different batches, in order to determine the homogeneity of these variables in the thickness of each sample as well as between them. Using optical microscopy and the Vickers hardness test, it was found that batches studied 30XГC steel show no differences in hardness and microstructure in the thickness of each sample, although differences were seen between samples..

(7) Índice Índice Introducción ............................................................................................ 1 Capítulo 1: Fundamentos teóricos metodológicos .............................. 3 1.1 Principales variables tecnológicas que afectan la microestructura de un acero revenido………………………………………………………………........................................3 1.2 Efecto de la composición química sobre el comportamiento del acero revenido .... 7 1.3 Contenido de elementos de aleación……………………………………………….....10 1.4 Procedimientos del revenido………………………………............................................13. Capítulo 2: Materiales y métodos. ....................................................... 14 2.1 Material utilizado…………………………………….……………………………….....14 2.2 Régimen de Tratamiento Térmico aplicado……………………………………....…..14 2.3 Caracterización metalográfica…………………………………………..……………..15 2.4 Ensayo de dureza……………………………………………………….…………...…15. Capítulo 3: Análisis y discusión de los resultados ............................ 17 3.1 Comportamiento de la dureza………………………………………………………....17 3.2 Comportamiento de la microestructura……………………………………………….24. Conclusiones .............................................................................. 31 Recomendaciones ....................................................................... 32 Anexos. ...................................................................................... 34.

(8) Introducción Introducción En el mundo y en particular en Cuba se está atravesando por una situación económica que impone serias limitaciones financieras en la adquisición de materia prima necesaria para el desarrollo industrial. Un ejemplo de esta situación lo constituye el acero en forma de chapas de diferentes espesores requerido para fabricar componentes que deben satisfacer condiciones de alta resistencia mecánica para garantizar un blindaje adecuado. En la Fabrica Planta Mecánica “Fabric Aguilar Noriega” ante la falta de financiamiento para la compra del referido tipo de acero se ha decidido emplear planchas en existencia de acero 30XГC. El acero 30XГC, tradicionalmente, es destinado a fabricar elementos en condiciones de mejoramiento, temple seguido de revenido alto, que garantiza un nivel homogéneo de propiedades mecánicas en secciones de hasta aproximadamente 25 mm con adecuado compromiso entre resistencia y tenacidad; sin embargo, este acero en estado mejorado garantiza la resistencia mecánica requerida para satisfacer condiciones de blindaje (dureza superior a 47 HRc). Se conoce que con el revenido alto se incrementa la plasticidad y la tenacidad del acero a expensas de una disminución de su resistencia mecánica; mientras que valores altos de resistencia mecánica se logran con el revenido bajo. Para el caso del acero 30XГC, por ser un acero mejorable, existe suficiente información sobre sus propiedades mecánicas luego de un temple seguido del revenido alto; sin embargo en condiciones de temple y revenido bajo poco usuales para este acero, la información disponible es limitada. Por tal motivo, para la aplicación del acero 30XГC en condiciones de temple y revenido bajo se impone la necesidad de realizar diversos estudios encaminados a establecer cómo influye el tratamiento térmico sobre el comportamiento mecánico del referido acero. Estudios de esta naturaleza permitirían dar soluciones mediatas a la falta de materia prima y evitar importaciones importantes para nuestro país.. 1.

(9) Introducción De esta manera, por solicitud de la Fabrica Planta Mecánica “Fabric Aguilar Noriega”, en el presente trabajo se realiza un estudio sobre la microestructura y dureza de muestras de acero 30XГC sometidas a temple y revenido bajo.. Objetivo general Evaluar qué efecto tiene el temple y el revenido bajo sobre la microestructura y dureza de diferentes lotes de acero 30XГC.. Hipótesis Se sustenta la hipótesis de que en el caso del acero 30XГC para satisfacer condiciones de alta resistencia mecánica adecuadas para responder a exigencias de blindaje se requiere de un tratamiento térmico que conduzca a una microestructura que garantice alta resistencia mecánica (dureza) sin comprometer la tenacidad del material.. 2.

(10) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos Capítulo 1: Fundamentos teóricos metodológicos 1.1 Principales variables tecnológicas que afectan la microestructura de un acero revenido Las variables asociadas con el revenido que afectan la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero son: . Temperatura.. . Tiempo de permanencia .. . Velocidad de enfriamiento.. En un acero templado con una microestructura que está formada esencialmente de martensita y austenita residual, en la red del Feα se insertan los átomos de carbono, produciendo la gran dureza de los aceros templados. Al calentarse el acero durante el revenido, los átomos de carbono se difunden y reaccionan en distintas cantidades que finalmente forman Fe3C en una matriz de ferrita. Las propiedades del acero revenido se determinan. principalmente por el tamaño, forma, composición y. distribución de los carburos. Estos cambios en la microestructura suelen disminuir la dureza y la resistencia a la tracción, pero aumentan la ductilidad y la tenacidad. Bajo ciertas condiciones, la dureza puede no ser afectada por el revenido o incluso puede aumentar como resultado del mismo. Por ejemplo, un revenido de acero templado con temperaturas de revenido muy baja no provoca ningún cambio en la dureza. Además, los aceros que contienen uno o más elementos formadores de carburo (cromo, molibdeno, vanadio, y tungsteno) son capaces de producir un endurecimiento secundario. Los valores de la dureza para varios aceros templados se presentan en el (anexo 1). La temperatura y el tiempo son variables interdependientes en el proceso de revenido. Dentro de ciertos límites, una reducción de la temperatura y el tiempo cada vez mayor, por lo general, produce el mismo resultado que el aumento de la temperatura y disminución del tiempo.. 3.

(11) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos Sin embargo, los cambios de menor importancia son en los que la temperatura tiene un efecto mucho mayor, mientras que los cambios en menor tiempo tienen mayores consecuencias en las operaciones típicas de revenido [1, 2, 3, 4]. El revenido se desarrolla en diferentes etapas: Etapa I: La formación de carburos de transición y la reducción del contenido de carbono de la martensita a 0,25% (de 100 a 250°C). Etapa II: La transformación de austenita retenida a la ferrita y cementita (200 a 300°C). Etapa III: La sustitución de los carburos de transición y martensita de baja temperatura por cementita y ferrita (250 a 350°C, o 480 a 660°F). Se reporta una etapa adicional del revenido (etapa IV), donde la precipitación de carburos aleados finamente dispersos, existen para los aceros de alta aleación. Se ha encontrado que la fase I de revenido es a menudo precedida por la redistribución de los átomos de carbono, llamado auto revenido, durante el enfriamiento a temperatura ambiente [5]. Otros cambios estructurales tienen lugar a causa del reordenamiento de átomos de carbono antes de la etapa clásica I del revenido [6, 7]. Cambios de las dimensiones: la transformación martensítica se asocia con un aumento en el volumen. Durante el revenido, la martensita se descompone en una mezcla de ferrita y cementita, con una consiguiente disminución de volumen a medida que aumenta la temperatura de revenido. Debido a que después del temple una estructura 100% martensítica no siempre se puede suponer, el volumen de forma continuada puede disminuir con el aumento de temperatura de revenido. La austenita retenida en aceros al carbono y aceros de baja aleación se transforma en bainita con un aumento en el volumen, en la etapa II del revenido. Cuando algunos aceros de aleación son templados, una precipitación de carburos de aleación finamente distribuidos, acompañada de un aumento en la dureza, llamada secundaria, y un aumento en el volumen.. 4.

(12) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos Temperatura de revenido: Varias relaciones empíricas se han obtenido entre la resistencia a la tracción y la dureza de los aceros templados de tal manera que la medición de dureza se utiliza habitualmente para evaluar la respuesta de un acero revenido. La figura 1.1 muestra el efecto de la temperatura de revenido (durante 1 h) en la dureza, resistencia a la tracción, el alargamiento y reducción del área de un acero al carbono (AISI 1050).. Figura 1.1: Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente del acero 1050. La mayoría de los aceros de mediana aleación presentan una respuesta al revenido similar al de los aceros al carbono. El cambio en las propiedades mecánicas con la temperatura de revenido de acero 4340 se muestra en la figura 1.2.. 5.

(13) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos. Figura 1.2: Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas de barras de acero templado al aceite de 4340 [9]. El revenido a temperaturas desde 260 hasta 320°C (500-610°F) disminuye la energía del impacto a un valor inferior a la obtenida en alrededor de 150°C (300°F). Por encima de 320°C (610°F), la energía del impacto de nuevo se eleva con el aumento de la temperatura de revenido; tanto aceros al carbono como aceros aleados responden de esta manera. El fenómeno de los mínimos de energía de impacto en torno a 300°C (570°F) se llama fragilidad de revido. Tiempo de revenido: La difusión del carbono y elementos de aleación necesarios para la formación de carburos es dependiente de la temperatura y tiempo. El efecto del tiempo de revenido en la dureza de un acero con 0,82% de carbono, revenido a diferentes temperaturas se muestra en la figura 1.3. Los cambios en la dureza son aproximadamente lineales en una gran parte del intervalo de tiempo en una escala logarítmica. Los cambios rápidos en la dureza a temperatura ambiente se producen al inicio del revenido antes de los 10 minutos. Para mantener la coherencia y menos dependencia de las variaciones en el tiempo, los componentes son generalmente revenidos durante 1 o 2 h.. 6.

(14) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos Los niveles de dureza producida por los ciclos de revenido muy corto, como en el revenido de inducción, sería muy sensible tanto a la temperatura alcanzada y al tiempo en la temperatura.. Figura 1.3: Efecto del tiempo de revenido en cuatro temperaturas diferentes sobre la dureza de un acero con 0,82 % de carbono [10]. Velocidad de enfriamiento: Otro factor que puede afectar a las características de un acero revenido es la velocidad de enfriamiento. Aunque las propiedades de tracción no se ven afectadas por la velocidad de enfriamiento, la fragilidad (medida por el ensayo de impacto) se puede disminuir si el acero se enfría lentamente a través del rango de temperatura de 375 a 575°C (705 a 1065°F), especialmente en aceros que contienen elementos de carburo de formación, reducción de la elongación y en el área también puede verse afectado. 1.2 Efecto de la composición química sobre el comportamiento del acero revenido Contenido de carbono El efecto del contenido de carbono en las propiedades de los aceros templados se muestra en la figura 1.4, que presenta los datos de dureza para 9 marcas de aceros al carbono que se han revenido con temperaturas entre 205 y 705°C (400 a 1300°F) y tiempos de 10 min a 24 h. 7.

(15) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos El principal efecto del contenido de carbono se refleja en la disminución de la dureza; en la figura 1.5 se muestra la relación entre el contenido de carbono y la dureza máxima que se puede obtener en varios aceros sometidos a temple y revenidos a diferentes temperaturas. La diferencia relativa en la dureza en comparación con dureza de temple se conserva después del revenido. La figura 1.6 muestra el efecto combinado de tiempo, temperatura y contenido de carbono de la dureza de tres aceros de molibdeno de contenidos de carbono diferentes. La figura 1.7 muestra la dureza de estos aceros después del temple durante 1 h, en función de la temperatura de revenido. El efecto del contenido de carbono es evidente.. Figura 1.4: Influencia de la temperatura de revenido en la dureza a temperatura ambiente de aceros al carbono templado [12].. 8.

(16) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos. Figura 1.5: Relación entre el contenido de carbono y la dureza de la temperatura ambiente para los aceros que abarca el 99,9% martensita.. Figura 1.6: Efecto del tiempo de revenido a la temperatura de la dureza de los aceros de carbono-molibdeno con diferentes contenidos de carbono, pero con previas estructuras martensíticas. 9.

(17) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos. Figura 1.7: Efecto del contenido de carbono y la temperatura de revenido en la dureza a temperatura ambiente de tres aceros de molibdeno, el tiempo de revenido: 1 hora de temperatura. 1.3 Contenido de elementos de aleación El principal objetivo de añadir elementos de aleación es para aumentar la templabilidad, es decir, la capacidad del acero para formar martensita sobre apagar desde arriba de su temperatura crítica. El efecto general de los elementos de aleación revenidos es un retraso de la tasa de ablandamiento, especialmente a las altas temperaturas de revenido. Por lo tanto, para alcanzar una dureza determinada en un período de tiempo determinado, los aceros de aleación requieren temperaturas más altas de revenido que los aceros al carbono. Los elementos de aleación se pueden caracterizar como el carburo de formación o la formación no carburo. Elementos tales como el níquel, el silicio, aluminio y manganeso, tienen poca o ninguna tendencia a formar carburos, ubicándose esencialmente en la solución sólida de la ferrita, provocando un efecto menor sobre la dureza. El endurecimiento debido a la presencia de estos elementos se produce principalmente a través del endurecimiento sólido-solución de la ferrita o matriz de control del tamaño de grano. 10.

(18) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos El carburo de formación de elementos (cromo, molibdeno, tungsteno, vanadio, tántalo, niobio y titanio) retardan el proceso de ablandamiento por la formación de carburos de aleación. El efecto de los elementos de carburo de formación es mínima a baja temperatura de revenido en formas Fe3C, sin embargo, a temperaturas más altas, de aleación de carburos se forman, y la dureza disminuye lentamente con la temperatura de revenido. El aumento en la dureza debido a la adición de elementos de aleación se representa como un por ciento de elemento de aleación para diferentes temperaturas de revenido 205 a 705°C (400 a 1300°F). Estos gráficos se muestran en la figura 1.8.. Figura 1.8: Aplicación de los siete elementos (cromo, manganeso, molibdeno, níquel, fósforo, silicio, y vanadio) de la dureza de la martensita revenida en 55°C (100°F) los incrementos que van desde 205 hasta 705°C (400 a 1300°F), cada uno con una duración de 1 hora. Tenga en cuenta que el manganeso, el molibdeno, y el fósforo no tienen ningún efecto sobre la dureza a 205°C (400°F) [13].. 11.

(19) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos Fuentes de elementos de carburo de formación tales como el cromo, molibdeno y vanadio son más eficaces en el aumento de la dureza a altas temperaturas superiores a 205°C (400°F). El aumento en la dureza causada por el fósforo, níquel y silicio puede ser atribuido al fortalecimiento del sólido-solución. El manganeso es más eficaz en el aumento de la dureza a temperaturas más altas de revenido. Los elementos de formación de carburo debe retardar la coalescencia de cementita durante el revenido y la formación de numerosas partículas pequeñas de carburos. Bajo ciertas condiciones, como con los aceros de alta aleación, la dureza puede aumentar. Este efecto, se mencionó anteriormente y se conoce como endurecimiento secundario. El efecto del contenido de molibdeno en el comportamiento de un acero revenido con 0,35% de carbono se muestra en la figura 1.9. A medida que aumenta el contenido de la aleación, se incrementa el efecto secundario de endurecimiento. Los efectos sinérgicos de varias combinaciones de elementos de aleación pueden ocurrir. El cromo tiende a producir endurecimiento secundario a una temperatura más baja de la que lo hace el molibdeno, y la combinación de cromo y molibdeno produce una curva más plana de revenido, con la dureza máxima se produce a una temperatura algo más baja que cuando sólo el molibdeno está presente.. Figura 1.9: Influencia del contenido de molibdeno en el ablandamiento de aceros revenidos 0,35% de carbono con el aumento de temperatura de revenido [10].. 12.

(20) Capítulo I: Fundamentos teóricos metodológicos. Figura 1.10: Variación de la dureza a temperatura ambiente con la temperatura de revenido de acero al carbono. 1.4 Procedimientos del revenido El revenido puede realizarse por inmersión de partes enteras en el horno, el tiempo suficiente para que el mecanismo de revenido al punto deseado de la terminación o por calentamiento selectivo de ciertas partes de la pieza para lograr la dureza o la plasticidad en esas áreas. La mayor parte del proceso puede ser hecho en hornos de convección o en sales fundidas, aceite caliente, o baños de metal fundido. La selección del tipo de horno depende principalmente del número y tamaño de las piezas y de la temperatura deseada. La tabla 1.1 muestra los rangos de temperatura de estos cuatro tipos de equipos. Tabla 1.1 Rangos de temperatura y las condiciones generales de uso de cuatro tipos de equipos de revenido Tipo o equipo horno de cámara Baño de sal Baño de aceite Metal fundido. Rango de temperatura 0 0 C F 50-750 120-1380 160-750. 320-1380. ≤ 250. ≤ 480. >390. >735. 13.

(21) Capítulo II: Materiales y métodos Capítulo 2: Materiales y métodos 2.1 Material utilizado Se utilizaron planchas de 6 lotes de acero 30XГC con espesor de 30mm, cortadas a dimensiones de 100X100X30 mm. La composición química nominal y las propiedades mecánicas en estado de entrega del referido acero, según la norma GOST 4543-48, se muestran en las tablas 2.1 y 2.2 respectivamente. Tabla 2.1: Composición química nominal del acero 30XГC, según norma GOST 4543-48 C. Mn. Si. Cr. Ni. P. S. Cu. 0.28-0.35 0.80-1.10 0.90-1.20 0.80-1.10 ≤ 0. 30 ≤ 0.025 ≤ 0.025 ≤ 0.3. Tabla 2.2: Propiedades mecánicas en estado de entrega del acero 30XГC (temple a 880oC en aceite con revenido a 540oC en agua o aceite) en barra de 25 mm, según la norma GOST 4543-71 Tensión de Fluencia kgf/mm² 85. Tensión de Rotura. Resiliencia. kgf/mm². kgf*m/cm2. 110. 4,5. Elongación relativa. Estricción relativa. %. %. 10. 45. 2.2 Régimen de Tratamiento Térmico aplicado Las muestras fueron tratadas térmicamente a una temperatura de temple en aceite con calentamiento a 920ºC durante 45 minutos y un revenido a 200ºC durante 60 minutos, de acuerdo con el régimen que aparece en la figura 2.1.. Figura 2.1: Régimen de tratamiento térmico aplicado a las muestras. 14.

(22) Capítulo II: Materiales y métodos 2.3 Caracterización metalográfica De las muestras tratadas térmicamente, con corte mediante electro-erosión, se obtuvieron probetas de aproximadamente 25x25x30 mm, de acuerdo a como se muestra en la figura 2.2.. Figura 2.2: Plancha indicando la región de la cual se realizó el corte a las muestras. Las probetas para el análisis metalográfico fueron desbastadas con papel esmeril de 100, 240, 300, 400, 600 y 800, el pulido mecánico se realizó con paño y óxido de cromo como abrasivo. El ataque se realizó por inmersión en nital al 1 % durante 10 s. La observación de la microestructura y la toma de macrofotografías se realizaron con ayuda de un microscopio óptico metalográfico marca Neophot 32, con aumento máximo de 800X y cámara digital acoplada para la adquisición de imagen. 2.4 Ensayo de dureza Para la medición de dureza se empleó un durómetro Vickers con carga de 10 kgf, aplicada durante 10s. Se realizaron 5 mediciones en el centro de la muestra (línea roja de la figura 2.3), 5 mediciones a una distancia correspondiente a la mitad entre el centro y la superficie hacia la derecha y la izquierda (líneas amarillas de la figura 2.3) y 5 mediciones a una distancia correspondiente a. ¾ entre el centro y la. superficie hacia la derecha y la izquierda (líneas azules de la figura 2.3). Los resultados fueron procesados estadísticamente utilizando el software EXCEL para determinar la media y el intervalo de confianza, así como el análisis de varianza.. 15.

(23) Capítulo II: Materiales y métodos. Figura 2.3. Posiciones en la cuales se realizaron las mediciones de dureza.. 16.

(24) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados Capítulo 3: Análisis y discusión de los resultados 3.1 Comportamiento de la dureza Los resultados de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra (centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la superficie hacia ambos lados, respectivamente) aparecen en la tabla 3.1. Tabla 3.1: Valores de la dureza medida en las diferentes posiciones de cada muestra (centro, ½ y ¾ de la distancia entre el centro y la superficie hacia ambos lados, respectivamente) Muestras. 1/2 D. 1/2 I. 3/4 D. 3/4 I. Centro. 1 409 394 405 437 397 394 442 417 405 394 446 459 363 425 390 319 394 421 413 405 425 425 442 433 468. 2 297 302 319 312 330 309 312 306 268 327 319 319 319 325 319 330 314 289 304 317 325 317 312 325 319. 3 317 309 312 322 322 325 312 312 314 302 299 317 322 319 319 309 309 281 314 325 297 297 317 317 314. 4 437 442 409 464 433 464 459 446 446 425 450 446 425 429 478 425 433 433 442 405 413 446 421 442 433. 5 351 333 357 317 322 339 314 306 319 342 325 336 342 351 360 304 304 312 314 339 330 345 333 342 351. 6 339 360 348 336 348 322 322 348 348 327 342 357 339 376 370 360 370 373 348 312 360 354 339 339 348. A partir de los resultados de la dureza medida en diferentes posiciones de cada muestra, se evalúa la homogeneidad de la dureza en el espesor. Una evaluación preliminar se obtiene graficando estos resultados, tal como aparece en la figura 3.1. 17.

(25) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.1: Valores de la media de la dureza y el intervalo de confianza según las posiciones analizadas para cada una de las muestras.. Para definir las posibles diferencias entre las medias de la dureza según la posición observadas en la figura 3.1, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación: dureza por posición; estableciéndose como hipótesis nula la igualdad de la media de la dureza en las diferentes posiciones y como hipótesis alternativa: al 18.

(26) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados menos la media de la dureza en una posición difiere de la media del resto de las posiciones. Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en las tablas 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6 y 3.7, respectivamente. Tabla 3.2: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 1 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 6034,64. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 1508,66. 17138. 20. 856,9. 23172,64. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 1,7606. 0,1764. Valor crítico para F 2,8660. Tabla 3.3: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 2 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 872. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 218. 3706. 20. 185,3. 4578. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 1,1764. 0,3510. Valor crítico para F 2,8660. Tabla 3.4: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 3 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 314,24. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 78,56. 2240,4. 20. 112,02. 2554,64. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 0,7013. 0,6001. Valor crítico para F 2,8660. 19.

(27) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados Tabla 3.5: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 4 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 1578,96. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 394,74. 5794,4. 20. 289,72. 7373,36. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 1,3624. 0,2822. Valor crítico para F 2,8660. Tabla 3.6: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 5 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 2827,44. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 706,86. 4082,8. 20. 204,14. 6910,24. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 3,4626. 0,0263. Valor crítico para F 2,8660. Tabla 3.7: Resultados del análisis de varianza para establecer la homogeneidad de la dureza en el espesor de la muestra 6 Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. 1566. Grados de libertad 4. Promedio de los cuadrados 391,5. 4944. 20. 247,2. 6510. 24. Suma de cuadrados. F. Probabilidad. 1,5837. 0,2173. Valor crítico para F 2,8660. De acuerdo con estos resultados, se aprecia que en todos los casos la probabilidad es mayor que 0,01 por lo que se debe aceptar la hipótesis nula, pudiéndose concluir con un nivel de significación estadística del 99% que la dureza en cada una de las muestras no es afectada por la posición en que se mide la misma, por lo tanto se puede afirmar que esta variable se comporta de manera homogénea en todo el espesor, para todos los casos.. 20.

(28) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados Al resultar homogénea la dureza en el espesor de cada muestra se procede a determinar el valor medio de la misma a partir de las 25 mediciones efectuadas en las diferentes posiciones. Los resultados de la media de la dureza de cada muestra, el intervalo de confianza y el error relativo se muestran en la tabla 3.8. Tabla 3.8: Resumen de los descriptivos estadísticos para cada muestra. ESTADÍSTICOS. MUESTRAS 1 2 3 4 5 6 412,8 313,4 312,12 437,84 331,52 347,4 31,07 13,81 10,31 17,52 16,968 16,46. Media Desviación Estándar Intervalo de confianza 12,82 5,70 con 95% de significación estadística Error relativo, % 3,10 1,81. 4,25. 7,23. 7,00. 6,79. 1,36. 1,65. 2,11. 1,95. Es de destacar que el error relativo en la estimación de la media de la población, de manera general, resulta adecuado ya que se encuentra aproximadamente entre 1,5 y 3,0 %. En la figura 3.2 se muestra un gráfico con el conjunto de resultados de la dureza de cada una de las muestras; en el mismo se aprecian ciertas diferencias de comportamiento de la dureza entre diferentes muestras, destacándose visualmente tres pares de muestras con valores de dureza próximos: par conformado por las muestras 1 y 4, par conformado por las muestras 2 y 3, par conformado por las muestras 5 y 6.. Figura 3.2: Gráfico de la media de la dureza e intervalo de confianza (para un 95 % de significación estadística) de cada muestra. 21.

(29) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados Para evaluar las posibles diferencias de la dureza entre las diferentes muestras, se aplica el análisis de varianza con una variable de clasificación: dureza por muestra. En este caso se establece como hipótesis nula la igualdad de la media de la dureza de las diferentes muestras y como hipótesis alternativa: al menos la media de la dureza de una muestra difiere de la media del resto de las muestras. Los resultados del referido análisis para cada muestra se brindan en la tabla 3.9. Tabla 3.9: Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza entre muestras. Origen de las variaciones Entre grupos Dentro de los grupos Total. Suma de cuadrados. Grados de libertad. Promedio de los cuadrados. F. Probabilidad. Valor crítico para F. 357134,5. 5. 71426,9. 201,28. 4,05E-63. 2,27704. 51098,88. 144. 354,8533. 408233,4. 149. De acuerdo con estos resultados, se aprecia que la probabilidad es menor que 0,01 por lo que se debe rechazar la hipótesis nula, pudiéndose concluir - con un nivel de significación estadística del 99% - que hay diferencia de la dureza entre las muestras; por tal motivo se aplica el análisis de comparación de medias, para establecer entre cuáles muestras existe la diferencia apreciada, para lo cual se establece como hipótesis nula la igualdad de la media de la dureza de las dos muestras comparadas y como hipótesis alternativa su diferencia. Los resultados del referido análisis para cada par se brindan en la tabla 3.10. De acuerdo con los resultados mostrados en la tabla 3.10, desde el punto de vista estadístico, se puede plantear que las medias de la dureza de los pares de muestras (1 y 4), (2 y 3) y (5 y 6) respectivamente son iguales a un nivel de significación estadística de 99,9% (probabilidad mayor que 0,01); mientras que para el resto de los pares existe diferencia de la media de la dureza.. 22.

(30) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados Tabla 3.10: Resultados del análisis de varianza para establecer diferencias de la dureza entre pares de muestras. Pares de muestras comparados 1-2. 1-3. 1-4. 1-5. 1-6. 2-3. 2-4. 2-5. 2-6. 3-4. 3-5. 3-6. 4-5. 4-6. 5-6. Varianza agrupada. 578. 535. 636. 626. 618. 148. 248. 239. 231. 206. 197. 188. 297. 289. 279. Grados de libertad. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. 48. Estadístico t. 14,6. 15,3. -3,4. 11,4. 9,3. 0,3. -27,8. -4,1. -7,9. -30,9. -4,8. -9,0. 21,7. 18,8. -3,3. P(T<=t) dos colas Valor crítico de t (dos colas). -19. -20. -3. -15. -12. -31. -5. -10. 10. 10. 10. 10. 10. 0,356. 10. 10. 10. 2,01. 2,01. 2,01. 2,01. 2,01. 1,67. 1,67. 1,67 1,67. 10. -33. 1,67. --6. 10. -12. 10. -27. 10. 1,67 1,67 1,67. -24. -3. 10. 10. 1,67. 1,67. Nota: se asume una diferencia hipotética de las medias igual a cero.. 23.

(31) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados 3.2 Comportamiento de la microestructura Teniendo en cuenta la composición química nominal del acero 30XГC (tabla 2.1) se puede plantear que el mismo pertenece a los aceros que durante el temple sufren del denominado autorevenido [14]. Como resultado del autorevenido en el acero, a consecuencia del temple, se obtiene una microestructura de martensita parcialmente revenida; posteriormente con el revenido bajo continua la descomposición de la martensita con la formación de finos carburos ε y la disminución del contenido de carbono en la ferrita tetragonal, lo que permite su paso posteriormente a una ferrita cúbica centrada en el cuerpo; como resultado de la referida transformación se obtiene una microestructura que conserva el carácter acicular característico de la martensita (figuras 3.3, 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 y 3.8). Estas transformaciones asociadas con el temple y el revenido bajo, desde el punto de vista de la microscopía óptica, se manifiestan de manera especial; en este sentido, se tiene que en la medida en que evoluciona la descomposición de la martensita con la formación de carburos ε se aprecia un oscurecimiento de la microestrura [14]. Precisamente este efecto de oscurecimiento de la microestructura es el que se aprecia en las figuras 3.5, 3.6, 3.7 y 3.8 con respecto a las figuras 3.3 y 3.4. Como resultado de esta observación se puede concluir que las muestras 2, 3, 5 y 6 han sufrido una descomposición de la martensita en estadio ligeramente más avanzado con respecto a las muestras 1 y 4. Este resultado de la microestructura está en correspondencia con el comportamiento de la dureza, en el que se aprecia que las muestras 1 y 4 tienen valores de dureza similares y mayores que las demás muestras; lo que desde el punto de vista de la microestructura se refleja en menor oscurecimiento en las primeras. En el caso de los pares de muestras (2 y 3) y (5 y 6) con valores de dureza menores que el par (1 y 4) pero próximos entre sí, se tiene un oscurecimiento de la microestructura muy similar.. 24.

(32) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.3: Microestructura de la muestra 4, mostrando un carácter acicular.. 25.

(33) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.4: Microestructura de la muestra 1, mostrando un carácter acicular. 26.

(34) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.5: Microestructura de la muestra 6, mostrando un carácter acicular. 27.

(35) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.6: Microestructura de la muestra 5, mostrando un carácter acicular. 28.

(36) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.7: Microestructura de la muestra 3, mostrando un carácter acicular. 29.

(37) Capítulo III: Análisis y discusión de los resultados. Figura 3.8: Microestructura de la muestra 2, mostrando un carácter acicular. 30.

(38) Conclusiones 4. Conclusiones 1. En cada lote de acero 30XГC estudiado se aprecia un comportamiento homogéneo de la microestructura en el espesor, la cual consiste de martensita revenida con carácter acicular. 2. En correspondencia con el comportamiento de la microsetructura, en cada lote de acero 30XГC estudiado se aprecia un comportamiento homogéneo de la dureza en el espesor. 3. Entre muestras se aprecia una diferencia microestructural básicamente en lo concerniente al oscurecimiento de los microconstituyentes presentes, lo cual es reflejo de la descomposición de la martensita con formación de precipitados tipo ε. 4. Los lotes designados por la numeración 4 y 1 presentan valores de dureza estadísticamente iguales (438 ± 7 HV y 413 ± 13 HV), así como los lotes 2 y 3 (313 ± 6 HV y 312 ± 4 HV ) y los lotes 5 y 6 ( 332 ± 7 HV y 347 ± 7 HV ).. 31.

(39) Recomendaciones 5. Recomendaciones Aplicar técnicas avanzadas de microscopía electrónica para poder identificar las fases presentes en cada muestra. Variar la temperatura de tratamiento térmico dentro del rango que comprende el revenido bajo, para contar con información que permita predecir el comportamiento del acero 30XГC.. 32.

(40) Referencias bibliográficas 6. Referencias bibliográficas 1. C.S. Roberts, B.L. Auerbach, and M. Cohen, The Mechanism and Kinetics of the First Stage of Tempering, Trans. ASM, Vol 45, 1953, p 576-604 2. B.S. Lement, B.L. Auerbach, and M. Cohen, Microstructural Changes on Tempering Iron Carbon Alloys, Trans. ASM, Vol 46, 1954, p 851-881 3. F.E. Werner, B.L. Auerbach, and M. Cohen, The Tempering of Iron Carbon Martensitic Crystals, Trans. ASM, Vol 49, 1957, p 823-841 4. G.R. Speich, Tempered Ferrous Martensitic Structures, in Metals Handbook, Vol 8, 8th ed., American Society for Metals, 1973, p 202-204 5. G.R. Speich and W.C. Leslie, Tempering of Steel, Metall. Trans., Vol 3, 1972, p 1043-1054 6. S. Nagakura, Y. Hirotsu, M. Kusunoki, T. Suzuki, and Y. Nakamura, Crystallographic Study of the Tempering of Martensitic Carbon Steel by Electron Microscopy and Diffraction, Metall. Trans. A, Vol 14A, 1983, p 1025-1031 7. G. Krauss, Tempering and Structural Change in Ferrous Martensitic Structures, in Phase Instrumentations in Ferrous Alloys, A.R. Marder and J.I. Goldstein, Ed., TMSAIME, 1984, p 101-123 8. K.E. Thelning, Steel and Its Heat Treatment, in Bofors Handbook, Buttersworth, 1974 9. Modern Steels and Their Properties, Handbook 2757, 7th ed., Bethlehem Steel Corporation, 1972 10. E.C. Bain and H.W. Paxton, Alloying Elements in Steel, American Society for Metals, 1966, p 185, 197 11. J.H. Holloman and L.D. Jaffe, Time-Temperature Relations in Tempering Steels, Trans. AIME, Vol 162, 1945, p 223-249 12. R.A. Grange and R.W. Baughman, Trans. ASM, Vol 48, 1956, p 165-167 13. R.A. Grange, C.R. Hribal, and L.F. Porter, Hardness of Tempered Martensite in Carbon and Low Alloy Steels, Metall. Trans. A, Vol 8A, 1977, p 1780-1781 14. Schrader A, Rose A. De Ferri Metalographia. T II. Structure of steels. 1966.. 33.

(41) Anexos Anexos. Tabla 1 Valores típicos de dureza de varios tipos de aceros revenidos.

(42) Anexos.

(43) Anexos.

(44) Anexos.

(45)

Figure

Figura 1.2: Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas de  barras de acero templado al aceite de 4340 [9]
Figura 1.3: Efecto del tiempo de revenido en cuatro temperaturas diferentes sobre la  dureza de un acero con  0,82 % de carbono [10]
Figura  1.4:  Influencia  de  la  temperatura  de  revenido  en  la  dureza  a  temperatura  ambiente de aceros al carbono templado [12]
Figura  1.6:  Efecto  del  tiempo  de  revenido    a  la  temperatura  de  la  dureza  de  los  aceros  de  carbono-molibdeno  con  diferentes  contenidos  de  carbono,  pero  con  previas estructuras martensíticas
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