FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO DE GRADO No. RADICADO: 21.201,422
TITULO:
ESTUDIO MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO 1045 TRATADO TERMOMECANICAMENTE
DIRECTOR: PhD. Carlos Arturo Bohórquez Ávila PROFESIÓN: Ingeniero Mecánico
MAT. PROFESIONAL:
CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]
_______________________________
ESTUDIANTE
_______________________________
DIRECTOR DEL PROYECTO AUTOR PROYECTO: Quezada García Jeimy Alejandra CÓDIGO: 065101025
CEDULA: 1019075474 de Bogotá
TELÉFONO DE CONTACTO: 3204773516 CORREO ELECTRÓNICO:
ESTUDIO MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO 1045 TRATADO TERMOMECANICAMENTE
JEIMY ALEJANDRA QUEZADA GARCIA
UNIVERSIDAD LIBRE
FACULTAD DE INGENIERIA, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES, NUEVOS MATERIALES
BOGOTÁ, COLOMBIA 2015
ESTUDIO MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO 1045 TRATADO TERMOMECANICAMENTE
JEIMY ALEJANDRA QUEZADA GARCIA
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniera Mecánica
Director:
Ing. PhD Carlos Arturo Bohórquez Ávila
UNIVERSIDAD LIBRE
FACULTAD DE INGENIERÍA, DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES, NUEVOS MATERIALES
BOGOTÁ, COLOMBIA 2015
Para Dios, mis padres Alirio Y Olga, Mi hermana Sofía.
Su apoyo incondicional Lo hace todo posible
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por todas las bendiciones, bondades que me ha dado.
A mis padres, Jesús Alirio Quezada y Olga Stella García, por su apoyo y amor incondicionales en la realización de este capítulo en mi vida.
A mi hermana, María Sofía, por su cariño, apoyo y paciencia.
A mis amigos José Ignacio y Karen por su apoyo, cariño y por siempre escucharme.
Al ingeniero PhD. Carlos Bohórquez, por su apoyo, paciencia y dirección en todo lo pertinente al proyecto.
Al ingeniero Mauricio Sierra, por su apoyo académico en los resultados del proyecto.
A la Universidad Libre, a través del programa de Ingeniería Mecánica, por todas las enseñanzas y apoyos que he recibido.
Finalmente a todos aquellos compañeros que tuve la oportunidad de conocer en mi formación académica, dando así una enseñanza o aporte para mi vida personal y profesional.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ... 11
1. DEFINICION DEL PROBLEMA ... 13
1.1.ANTECEDENTES ... 13
1.2.DESCRIPCION ... 13
2. JUSTIFICACION ... 15
3. OBJETIVOS ... 16
3.1.OBJETIVO GENERAL ... 16
3.2. OBJETIVOSESPECIFICOS ... 16
4. MARCOS ... 17
4.1.MARCO TEÓRICO ... 17
4.1.1. Aceros de medio porcentaje de carbono. ... 17
4.1.2. Transformación de fase ... 19
4.1.2.1. Transformacion de la austenita perlita ... 25
4.1.2.2. Transformacion de la austenita bainita ... 26
4.1.2.3. Transformacion martensítica ... 26
4.1.2.4. Martensita revenida ... 27
4.1.3. Tratamiento termomecanico ... 27
4.1.3.1. Deformacion plastica ... 28
4.1.3.2. Deformacion en frio ... 29
4.1.3.3. Tratamiento termico ... 30
4.2.MARCO CONCEPTUAL ... 31
4.3.ESTADO DEL ARTE... 32
4.3.1. Tratamientos termomecanicos en frio en aceros ... 32
4.3.2. Transformaciones de fase en el acero ... 33
4.4.MARCO LEGAL Y NORMATIVO ... 34
5. DISEÑO METODOLOGICO ... 36
5.1.DISEÑO DE EXPERIMENTOS ... 36
5.2.METODOLOGÍA ... 38
5.2.1. Compra del material ... 38
5.2.2. Preparación de las probetas para compresión ... 41
5.2.3. Realización de la compresión ... 41
5.2.4. Realización del tratamiento térmico ... 41
5.2.5. Toma de medida de longitud ... 43
5.2.7. Ensayo metalográfico ... 44
5.2.8. Ensayo de dureza ... 44
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 45
6.1.ANALISIS DE DEFORMACION PLASTICA ... 45
6.2.ANALISIS METALOGRAFICO ... 46
6.3.ANALISIS DE DUREZA ... 51
6.4.CONCLUSIONES ... 55
6.5.RECOMENDACIONES ... 56
7. BIBLIOGRAFIA ... 57
ANEXO ... 61
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Nomenclatura SAE para aceros ... 18
Tabla 2. Nomenclatura SAE para aceros al carbono ... 19
Tabla 3. Número de repeticiones según su confiabilidad ... 37
Tabla 4. Designación de tratamientos a realizar ... 38
Tabla 5 Composición química del acero AISI/SAE 1045 ... 38
Tabla 6. Propiedades físicas del acero AISI/SAE 1045 ... 39
Tabla 7. Temperaturas A1 y A3 de transformaciones para el acero tratado ... 42
Tabla 8. Datos de deformación por cargas tomadas ... 45
Tabla 9. Fracciones volumetrías del acero 1045 tratado termomecánicamente. ... 49
Tabla 10. Durezas promedio de las muestras del acero 1045 en escala de Rockwell B (HRb) ... 51
Tabla 11. Analisis de varianza del acero 1045 tratado termomecamicamente. ... 54
Tabla 12. Test Tukey del acero 1045 tratado termomecamicamente. ... 54
TABLA DE ILUSTRACIONES
Figura 1. Foto metalografía de (a) perlita gruesa y (b) perlita fina x3000 ... 21
Figura 2. Ferrita de Widmanstätten ... 22
Figura 3. microestructura de un acero SAE 1040, x1000 (perlita – ferrita) ... 22
Figura 4. Acero hipereutectoide. ... 23
Figura 5. Microestructura de bainita superior en matriz martensita. ... 24
Figura 6. Microestructura de bainita inferior de un acero SAE 435 ... 24
Figura 7. Martensita sin transformación de austenita completa ... 24
Figura 8 Martensita con transformación completa de austenita. ... 24
Figura 9. Posibles transformaciones de la ausentita. ... 25
Figura 10.esquema de la formación de la perlita a partir de la austenita; las flechas indican la dirección de la difusión del carbono. ... 26
Figura 11. Diagrama de transformación-tiempo-temperatura ... 27
Figura 12. Esquema de la translación según planos cristalográficos de deslizamiento. ... 28
Figura 13. Rotación homogénea de la red durante la compresión. ... 29
Figura 14. Esquema de las estructuras de deformación en frio y su evolución en recocido ... 30
Figura 15. Curso de la temperatura en recocido isotérmico. ... 31
Figura 16. Metodología ... 40
Figura 17. Preparación de probetas ... 41
Figura 18. Realización ensayo de compresión ... 41
Figura 19. Representación esquemática de la secuencia del tratamiento térmico empleado. ... 42
Figura 20. Hornos mufla ELEKTRO tipo M 10 ... 43
Figura 21. Deformación plástica de las probetas ... 43
Figura 22. Corte metalográfico con acabado brillo espejo... 44
Figura 23. Porcentajes de deformación vs la carga aplicada. ... 46
Figura 24. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X en estado de entrega ... 47
Figura 25. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 15Mpa/cm2 ... 48
Figura 26. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 20 Mpa/cm2 ... 48
Figura 27. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 25 Mpa/cm2. ... 49
Figura 28. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 15Mpa/cm2 ... 49
Figura 29. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 20Mpa/cm2 ... 50
Figura 30. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 25Mpa/cm2 ... 50
Figura 31. Diagrama de promedios de dureza en las probetas tratadas con cargas de 15Mpa/cm2 ... 51
Figura 32. Diagrama de promedios de dureza en las probetas tratadas con cargas de 20 Mpa/cm2... 52
Figura 33. Diagrama de promedios de dureza en las probetas tratadas con cargas de 20 Mpa/cm2... 52
Figura 34. Diagrama de promedios de dureza en las probetas tratadas termomecánicamente en conjunto. ... 53
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad el estudio y la aplicación de los aceros se ha incrementado considerablemente debido a sus propiedades mecánicas; pero la creciente dificultad en el suministro de materia prima para la transformación de nuevos metales y su alto costo, hacen que se creen nuevos procesos en los materiales ya existentes para lograr una mejora en las propiedades mecánicas, sin aumentar en exceso los costos de producción.[19].
Uno de estos nuevos procesos es el llamado “tratamiento termomecánico”, el cual viene siendo utilizado en los aceros debido a las excelentes propiedades alcanzadas en investigaciones previas.
El tratamiento termomecánico, como su nombre lo indica, es un tratamiento en el que por lo general se aplica un tratamiento mecánico y uno térmico simultáneamente (laminado en caliente), sin embargo en algunos tipos de aceros, medio y bajo carbono, es posible realizar un tratamiento mecánico en frio (forja) seguido de un tratamiento térmico.[1].
Sin embargo para que se encuentren resultados significativos en el aumento de la resistencia mecánica de los aceros, es crítico que se encuentre un equilibrio entre los elementos de aleación y los parámetros utilizados a la hora de aplicar el tratamiento termomecánico[13].
Los procesos de transformación plástica que se realizan en el tratamiento termomecánico en los aceros, cambian la morfología de estos, y ayuda al aumento de la resistencia, de esta manera en condiciones iniciales el acero presenta una estructura morfológica única y homogénea, pero luego de aplicar el tratamiento termomecánico se presenta una diversidad en la estructura morfológica del material [42].
La finalidad de este proyecto es realizar un estudio microestructural del acero AISI 1045 tratado termomecánicamente, exponiéndolo a diferentes cargas de presión por forja en frio, seguido de un tratamiento térmico de recocido isotérmico, donde se evaluarán los cambios en su microestructura, fases obtenidas y su propiedad de dureza.
En esta investigación se utilizó Acero AISI 1045 en estado de entrega, el procedimiento de forja libre se realiza bajo la norma ASTM E9 – 89A (ASTM INTERNATIONAL ). El estudio microestructural se realizó bajo la norma ASTM E340 (ASTM INTERNATIONAL) para el macro ataque, la norma ASTM E407 (ASTM INTERNATIONAL) para el micro ataque, utilizando microscopia óptica
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convencional. La norma ASTM E1508 - 12ª (ASTM INTERNATIONAL) se utilizó para la realización de cuantificación de las fases alcanzadas por medio de las metalografías obtenidas.
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1. DEFINICION DEL PROBLEMA
1.1. ANTECEDENTES
De acuerdo a los conocimientos adquiridos y a la literatura consultada, se pudo determinar que los aceros tratados por deformación plástica mediante los tratamientos termomecánicos son de alta influencia en los aceros, ya que influyen directamente en los cambios de fase y la microestructura, y que por consiguiente modifican las propiedades mecánicas.[20].
Se han realizado diferentes investigaciones con los aceros TRIP ( transformación inducida por deformación) teniendo en cuenta el tratamiento termomecánico convencional, dentro de los cuales está la realizada por (ZHUANG ,Li y DI, Wu, 2008), en donde estudian los cambios que sufren las propiedades mecánicas del acero en laminación en caliente, y en la obra de (CABALLERO, F.G. et al., 2013) donde se estudia un tratamiento termomecánico laminado en caliente convencional. O el estudio que realizo (YOUNG, Il Son;YOUNG-KOOK, Lee y KYUNG-TAE, Park., 2006) donde se demostró el cambio de transformación que sufren los aceros mediante un enfriamiento de aire. Por otra parte al buscar estudios sobre tratamientos termomecánicos en frio se encontró el estudio de (S.K. Nath; G.P. Chaudhari y MOHIT, Singla, 2010) donde se dio a conocer el uso de la deformación en frio en aceros y un tratamiento térmico de recocido para observar resultados en dureza y ductilidad.
No obstante no se encontraron estudios previos que realicen un tratamiento termomecánico en frio con tratamiento térmico recocido isotérmico en temperaturas intercriticas en un acero AISI 1045 en probetas cilíndricas.
1.2. DESCRIPCION
Los aceros de alta resistencia son muy utilizados en la industria en general, sin embargo sus costos son muy elevados. Por otro lado, al utilizar aceros de medio y bajo carbono, a los cuales se les aplican tratamientos termomecánicos permiten modificar las propiedades del material. Utilizando estos aceros de bajo y mediano porcentaje de carbono que tienen un costo menor en el mercado comparado con aceros especiales, lo cual los convierten en una opción atractiva para la industria a la hora de analizar costo beneficio.
La deformación plástica superficial en frío es un método de endurecimiento de materiales que logra alta dureza, el aumento del grado de deformación está muy vinculado con la aparición del fenómeno de endurecimiento y a medida que el grado de deformación es mayor, son necesarias más tensiones para
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continuar deformando. Por tanto el aumento del grado de deformación en frío aumenta la resistencia del metal a la deformación [2]. Dando como resultado aceros livianos y de alta dureza en piezas pequeñas en bajos costos y alta producción.
1.3. FORMULACION
Esta investigación se enfoca en el análisis del comportamiento de los aceros AISI 1045 llevado a temperaturas intercríticas con el fin de obtener transformaciones de fase, principalmente bainita. En los estudios previos se puede encontrar que los tratamientos termomecánicos, que en su mayoría son realizados por proceso de laminado en caliente, dan como resultado un cambio en sus fases, además de propiedades mecánicas como la dureza, principalmente en aceros especiales tales como dual fase (DP). Por lo tanto surge la siguiente interrogante, ¿Qué cambios microestructurales y de dureza se presentan al aplicar un tratamiento termomecánico de forjado en frio y posterior recocido isotérmico en un acero comercial como el AISI 1045?
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2. JUSTIFICACION
Al realizar un tratamiento termomecánico en los aceros de medio y bajo carbono, se busca reducir los costos, puesto que al cambiar las propiedades mecánicas se pueden utilizar en aplicaciones para las que son requeridos aceros especiales que son más costosos y de difícil producción.
Además al realizar un tratamiento poco convencional en el proceso termomecánico, como es la forja y posterior recocido isotérmico, se busca explorar un nuevo proceso por el cual se puedan modificar las propiedades mecánicas de los aceros TRIP, nuevamente con el ánimo de reducir costos, puesto que es más asequible realizar un tratamiento mecánico en frio que en caliente.
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3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Estudiar la microestructura de un acero 1045 tratado termo- mecánicamente.
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar las fases presentes en un acero 1045 tratado termomecánicamente por medio de forja en frio y recocido isotérmico.
Evaluar la dureza en un acero 1045 tratado termomecánicamente por medio de forja en frio y recocido isotérmico.
Estimar la cantidad de fases presentes en el estructura de un acero 1045 tratado termomecánicamente por medio de forja en frio y recocido isotérmico utilizando microscopia óptica convencional.
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4. MARCOS
4.1.
MARCO TEÓRICO4.1.1. ACEROS DE MEDIO PORCENTAJE DE CARBONO
.
Los aceros de medio porcentaje de carbono se encuentran en un porcentaje entre 0.25% hasta 0.6% de carbono, son aceros que pueden ser tratados térmicamente en los procesos de austenización, temple y revenido, dando así una mejora en sus propiedades mecánicas. Estos aceros son mucho más resistentes que un acero de bajo porcentaje de carbono. Las adiciones de aleantes tales como cromo, níquel y molibdeno ayudan a la capacidad de ser tratados térmicamente con diferentes combinaciones resultantes de resistencia-ductilidad. [19].La clasificación de estos aceros es designada por la norma SAE (Society of Automotive Engineers) y la AISI (American Iron and Steel Institute), las cuales emplean cuatro dígitos, los dos primeros indican el tipo de acero y los dos últimos expresan la concentración de carbono, multiplicado por 100. La tabla 1 contiene la nomenclatura de los aceros.[20].
Las denominaciones que se manejan para los aceros son por su porcentaje de carbono; los aceros de medio porcentaje de carbono se encuentran desde SAE 1035 a 1053 [20].
Los aceros que se encuentran con el menor porcentaje son utilizados en deformación en frio, aunque son muy limitados para doblarse y generalmente llevan un recocido previo. A diferencia de los aceros de mayor porcentaje de carbono deben ser recocidos después de forjados para mejorar su maquiabilidad, todo depende del nivel de propiedades que se quieren obtener por el tratamiento térmico[38].
La clasificación de los aceros ayuda a conocer las temperaturas críticas que pueden ser sometidos, dando así como resultado una estructura siempre en equilibro[22].
18 Tabla 1. Nomenclatura SAE para aceros
Tipo
SAE Nombre Aleantes
10XX Aceros al carbono
11XX Aceros al carbono Altos en azufre y bajos en fosforo 13XX Aceros al carbono Altos en azufre y altos en fosforo
23XX Aceros al Mn 1,6 a 1,9% Mn
25XX Aceros al Ni 3,5% Ni
31XX Aceros al Ni-Cr 1,25% Ni y 0,60% Cr 32XX Aceros al Ni-Cr 1,75% Ni y 1.00% Cr 33XX Aceros al Ni-Cr 3,50% Ni y 1,50% Cr
40XX Aceros al Mo 0,35% Mo
41XX Aceros al Cr-Mo 1,00% Cr y 0,20% Mo 43XX Aceros al Cr-Ni-Mo
46XX Aceros al Ni-Mo 1,75% Ni y 0,25% Mo 48XX Aceros al Ni-Mo 3,5% Ni y 0,25% Mo
51XX Aceros al Cr 0,80% Cr
52XX Aceros al Cr 1,50% Cr
61XX Aceros al Cr-V
86XX Aceros al Ni-Cr-Mo 0,55% Ni, 0,50% Cr y 0,20% Mo 87XX Aceros al Ni-Cr-Mo 0,55% Ni, 0,50% Cr y 0,25% Mo 92XX Aceros al Mn-Si 0,80% Mn y 2,00% Si 93XX Aceros al Ni-Cr-Mo 1,00 Ni, 1,20% Cr y 0,12% Mo 98XX Aceros al Ni-Cr-Mo 1,00 Ni, 0,80 % Cr y 0,25% Mo
FUENTE: GRINBERG, Dora. Tratamientos térmicos de acero y sus prácticas de laboratorio (GRINBERG, Dora Maria, 1989).
En la tabla 2 se observa la clasificación y su porcentaje en peso de los aleantes:
carbono, manganeso, fosforo y azufre de la seria 10XX. Como se puede apreciar
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para la aleación 1045 el porcentaje de carbono va desde 0.43% a 0.50%, el porcentaje de manganeso va desde 0.60% a 0.90%, el porcentaje de fosforo hasta máximo 0.04% y el azufre hasta máximo 0.05%.
Tabla 2. Nomenclatura SAE para aceros al carbono Tipo
SAE
% carbono
%
manganeso % fosforo %azufre 1010 0,08 a 0,13 0,30 a 0,60 0,04 máx. 0,05 máx.
1015 0,13 a 0,18 0,30 a 0,60 0,04 máx. 0,05 máx.
1020 0,18 a 0,23 0,30 a 0,60 0,04 máx. 0,05 máx.
1025 0,22 a 0,28 0,30 a 0,60 0,04 máx. 0,05 máx.
1030 0,28 a 0,34 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1035 0,32 a 0,38 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1040 0,37 a 0,44 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1045 0,43 a 0,50 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1055 0,50 a 0,60 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1060 0,55 a 0,65 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1065 0,60 a 0,70 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1070 0,65 a 0,75 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1075 0,70 a 0,88 0,50 a 0,80 0,04 máx. 0,05 máx.
1080 0,75 a 0,88 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1085 0,80 a 0,93 0,70 a 1,00 0,04 máx. 0,05 máx.
1090 0,85 a 0,98 0,60 a 0,90 0,04 máx. 0,05 máx.
1095 0,90 a 1,03 0,30 a 0,50 0,04 máx. 0,05 máx.
FUENTE: GRINBERG, Dora. Tratamientos térmicos de acero y sus prácticas de laboratorio.
(GRINBERG, Dora Maria, 1989).
Estos aceros presentan una muy buena resistencia mecánica y al desgaste, no son ni frágiles ni blandos.
4.1.2. TRANSFORMACIÓN DE FASE. Las transformaciones de fase son muy importantes en la metalurgia, ya que éstas permiten conocer las aleaciones que son tratadas térmicamente, viendo como su estructura cambia después del proceso térmico ya sea de recuperación o recristalización. Al comparar las fases antes y después se pueden observar tres tipos de cambios [38].
Cambios en la estructura
Cambios en la composición
Cambios en el grado de orden
20
El cambio de estructura es cuando una sustancia pura cambia su estado como son las transformaciones masivas o la recristalización, en las cuales un sólido deformado se transforma en otro sin deformación. Respecto al cambio de composición es cuando en el proceso de enfriamiento una fase se descompone en dos fases de composición diferente. El cambio de grado de orden ocurre cuando por encima de la temperatura critica Tc respectiva del material, los átomos en el cristal están distribuidos al azar en regiones grandes; y por debajo de la temperatura critica Tc los átomos se ordenan en un diseño que tiene orden de largo alcance.[38].
En general, las transformaciones ocurren por medio de la nucleación y crecimiento, dando como paso a las transformaciones difusivas el cual es un proceso que explica el movimiento que realizan los átomos desde un punto normal de red cristalina hasta un lugar vacante o desde un sitio intersticial a otro. Esta capacidad de movimiento de los átomos aumenta a medida que aumenta la temperatura[3].
La clasificación de transformaciones de fase se determinan mediante los microconstituyentes que los aceros poseen ya sea hipoeutectoide que contiene un porcentaje menor a 0.77% C, o los aceros hipereuctectoide que contienen más de 0.77% C.
AUSTENITA: es una solución solida de carburo de hierro (Fe3 C) en hierro gamma (Fe γ). Puede contener 0 - 1.7% C y es, por lo tanto un constituyente de composición variable.
Todos los aceros se encuentran formados por cristales de austenita cuando se calienta a temperatura superior a las críticas. Aunque generalmente es un constituyente inestable, se puede obtener esa estructura a la temperatura ambiente por enfriamiento rápido de aceros de alto contenido de carbono de muy alta aleación[26].
Se caracteriza principalmente por su alta resistencia al desgaste, poco magnética, blanda y muy dúctil y tenaz.
PERLITA: es el microconstituyente primario de los aceros, que en condiciones normales crecen en granos denominados “colonias”; dentro de las cuáles las capas de estas están orientadas esencialmente en las mismas direcciones y estas direcciones varían de una colonia a otra. La transformación perlítica proporciona una buena contribución a la resistencia de los aceros, por eso está fase se ha estudiado extensamente.[38].
Hay dos tipos de perlita; perlita fina que se caracteriza por dura y resistente (figura 1 a.), y perlita gruesa que es menos dura y más dúctil (figura 1 b.).
21
Figura 1. Foto metalografía de (a) perlita gruesa y (b) perlita fina x3000
Fuente: (CALLISTER, William D., 1995) pág.312
FERRITA: es hierro alfa (Fe α), es decir, un hierro casi puro que puede contener en soluciones pequeñas cantidades de silicio, fosforo y otras impurezas. En los aceros hipoeutectoides templados pueden aparecer mezclados con martensita o con cualquier elemento en transición [19].
Es la fase más blanda de todos los constituyentes del acero, muy dúctil y maleable, magnética y de pequeñas fuerzas coercitivas. La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo se puede destacar la estructura de Widmanstätten la cual es una estructura acicular, grosera;
proporciona fragilidad y, por lo tanto es indeseable. (Figura 2.).
22 Figura 2. Ferrita de Widmanstätten
Fuente: Metalografías y tratamientos térmicos. (ING. VA LARRE, 2014)
Como elemento acompañante de la perlita se encuentra la ferrita proeutectoide o libre, donde se puede observar las áreas oscuras son perlita y las claras ferrita en la figura 3 [22].
Figura 3. microestructura de un acero SAE 1040, x1000 (perlita – ferrita)
Fuente: Metalografías y tratamientos térmicos (ING. VA LARRE, 2014)
CEMENTITA. Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono de 6.67%. es el constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, por su gran dureza queda en relieve después del pulido pudiendo
23
conocerse perfectamente el contorno de los granos o de las láminas. (figura 4.).[38].
Figura 4. Acero hipereutectoide.
Fuente: Metalografías y tratamientos térmicos (ING. VA LARRE, 2014)
BAINITA. Es un constituyente intermedio entre la austenita y la martensita, propio del tratamiento isotérmico denominado Austempeting. Se diferencian dos tipos de estructura. La bainita superior (figura 5) que tiene un aspecto arborescente constituido por una matriz ferritica con contenidos de carburos en delgadas partículas, y tienden a tener orientación paralela a la dirección de las agujas de la propia bainita[26].
La bainita inferior (figura 6) tiene un aspecto acicular, las agujas que están formadas por ferrita con carburos son más delgadas y juntas con tendencia a una orientación a 60° respecto a las agujas de la matriz ferritica.
24 Figura 5. Microestructura de bainita superior en matriz martensita.
Figura 6. Microestructura de bainita inferior de un acero SAE 435
Fuente: Metalografías y tratamientos térmicos (ING. VA LARRE, 2014)
MARTENSITA. Es el constituyente típico de los aceros templados, su elevada dureza aumenta con el porcentaje de carbono (C); pero cuando es superado el 0.75%C (figura 7.) queda residuos de austenita sin transformar dando una estructura de agujas en zig-zag en una matriz de austenita.
Cuando la transformación de la austenita es completa (figura 8.) las agujas son muy finas y exigen un aumento mayor para su interpretación, esto suele suceder en aceros de medio porcentaje de carbono[26]. .
Figura 7. Martensita sin transformación de austenita completa
Figura 8 Martensita con transformación completa de austenita.
Fuente: Metalografías y tratamientos térmicos (ING. VA LARRE, 2014)
25
Las transformaciones de fase en los aceros se presentan en secuencias de calentamiento o enfriamiento por encima o por debajo de temperaturas críticas, estas se pueden obtener de dos formas: las difusivas, donde se mantiene la estructura atómica y se presenta difusión de átomos durante la formación y el crecimiento, la difusión depende de la temperatura, la velocidad de crecimiento y velocidad de nucleación. La otra transformación es no difusiva, en la cual se forman por la acción de esfuerzos cortantes sobre un plano invariante sin difusión de átomos.
A continuación se explicará en la figura 9 la cual da a mostrar las posibles descomposiciones de la austenita con transformaciones ya sean difusivas o no difusivas.
Figura 9. Posibles transformaciones de la ausentita.
(Las flechas continuas indican transformaciones con difusión y las flechas con trazos indican transformaciones sin difusión)
Fuente: (CALLISTER, William D., 1995)
4.1.2.1. TRANSFORMACION DE LA AUSTENITA PERLITA: la transformación perlitica es una transformación de origen adifusional que muestra una velocidad de crecimiento constante, debido a que la composición de la matriz de austenita
26
permanece inalterable excepto cerca del frente de transformación. La velocidad de crecimiento de la perlita está controlada tanto por la difusión de carbono como por la difusión a través de la frontera de la fase de los elementos aleantes, en la figura 10 se puede ver esta formación de la perlita a partir de la austenita. La temperatura juega un papel importante en la velocidad de la transformación de austenita-perlita. Si se aumenta la velocidad de enfriamiento se reduce la distancia en la que los átomos son capases de difundirse, en consecuencia las láminas serán más finas o están menos espaciadas produciendo la perlita fina[15].
Figura 10.esquema de la formación de la perlita a partir de la austenita; las flechas indican la dirección de la difusión del carbono.
Fuente: (CALLISTER, William D., 1995)
4.1.2.2. TRANSFORMACION DE LA AUSTENITA BAINITA: la transformación isotérmica ocurre entre 250 y 550°C, esta transformación exhibe las características de la transformación de la perlita y de la martensita. La temperatura Bs (ecuación 1) es donde empieza la transformación bainitica y está en función de la composición química del acero[22].
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (1)
El crecimiento de la bainita es similar a la de la martensita pero se diferencian por:
primero la velocidad de crecimiento de la bainita es lento y continúo, la transformación de la martensita es casi de manera instantánea, adicionalmente la bainita en su formación se encuentran dislocaciones superficiales. [14].
4.1.2.3. TRANSFORMACION MARTENSÍTICA: El inicio de esta transformación se representa por la línea horizontal Ms (figura 11). La transformación martensítica
27
tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Esta transformación es independiente del tiempo solo quedando en función de la temperatura a que el acero es enfriado rápidamente o templado [15].
Figura 11. Diagrama de transformación-tiempo-temperatura
Fuente: Acción en tecnología. com
4.1.2.4. MARTENSITA REVENIDA: Esta se produce cuando la martensita se calienta a una temperatura inferior a la eutectoide se forman las fases: ferrita y cementita, dando así el proceso de revenido [15].
4.1.3. TRATAMIENTO TERMOMECANICO. Los procesos de conformación y los tratamientos térmicos se mantuvieron separados en la parte de teórica y práctica.
Su origen es desde hace más de mil años en la fabricación de espadas, pero hace solo unos treinta años da a conocer como tratamiento, a partir de la austenización y los aceros martensíticos [37].
Los Tratamientos Termomecánicos (TTM) se pueden definir como una deformación antes o durante el cambio de su estructura con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas. Este tipo de tratamiento se debe realizar entre las temperaturas de A3 encima o por debajo y de A1 para así dar una deformación plástica apropiada a los que se desea obtener. Los TTM son una combinación que involucra la unión del tratamientos térmicos, deformación plástica y una transformación de fase dentro de un simple proceso de deformación en frio o
28
caliente (rolado, forjado o extrusión), el orden del proceso es muy importante como se mencionó anteriormente [27].
4.1.3.1.
DEFORMACION PLASTICA
. La deformación plástica de los cristales se produce por deslizamientos de unas láminas del cristal con relación a otras. Los movimientos se localizan en los planos, en forma similar a las de una baraja de cartas apiladas la cual después de deforma (figura 12). Los planos de deslizamiento se encuentran a lo largo de los planos cristalográficos y, dentro de ellos se puede encontrar las direcciones deslizamiento. Esos son fundamentos básicos para comprender el flujo plástico y el endurecimiento por deformación en frio[12].Figura 12. Esquema de la translación según planos cristalográficos de deslizamiento.
Fuente: (BARRET, Charles S., 1957)
En los ensayos de compresión se produce un tipo de rotación en la red cristalina en los planos de deslizamiento, donde estos giran tratando de hacerse paralelos a los planos de las placas que producen la compresión, estos planos están representados por las líneas diagonales en la figura 13, donde se puede observar este comportamiento, adicionalmente el eje alrededor del cual se produce la rotación se indica con Ar y se observa que es paralelo a las intersecciones de los planos de deslizamiento con las superficies de las placas que comprimen . Este tipo de tipo de deslizamiento es sencillo ya que solo se deforma por un único juego de planos. [12].
29
Figura 13. Rotación homogénea de la red durante la compresión.
Fuente: (BARRET, Charles S., 1957)
Para calcular el porcentaje de deformación se utilizó la ecuación 2 del libro Ciencia e Ingeniería de los Materiales [19].
( )
(2)
Donde es la longitud original antes de aplicar la carga, y es la longitud instantánea, la deformación se expresa como porcentaje, esto es el valor de la deformación multiplicado por 100.
4.1.3.2. DEFORMACION EN FRIO. Cuando un material es deformado, los granos se deforman según la dirección de flujo plástico, dando así un aumento en la resistencia del material y una disminución en la ductilidad. La temperatura respectiva de deformación se encuentra en relación de T/Tm, donde T es la temperatura de trabajo y Tm temperatura de fusión del metal, para el caso del trabajo en frio se encuentra T/Tm <0.3. [30].
En la figura se puede observar cómo es el proceso de deformación en frio, donde se puede contemplar los procesos que puede sufrir el material como consecuencia después del calentamiento.
En la recuperación no se genera ningún cambio significativo en las propiedades mecánicas y se comienzan a formar límites de subgranos. En la recristalización se pueden ver granos equiaxiales reemplazando a los granos anteriores, donde se reduce la resistencia y eleva la ductilidad del material. La recristalización depende del tiempo, temperatura y deformación aplicada. Cabe anotar que al exponer el material a una temperatura elevada se corre el riesgo de que el grano aumente su tamaño por encima del tamaño de grano original. [30].
30
Figura 14. Esquema de las estructuras de deformación en frio y su evolución en recocido
Fuente: (VALENCIA, Asdrúbal, 1992)
4.1.3.3. TRATAMIENTO TERMICO. Para realizar un tratamiento térmico en un acero depende de la composición química y del mecanizado posterior a éste. Se observa y se determina cuál tratamiento es el indicado para no dañar la pieza en estado original. Antes de realizar un tratamiento térmico se debe realizar una exhaustiva limpieza a la pieza.
Antes de iniciar un tratamiento se debe seleccionar temperaturas y horno en el cual se dará el tratamiento térmico a realizar.
Para el selección de temperaturas se usan ecuaciones 3 y 4 definidas de “Steel Forming and Heat Treating Handbook”, de las cuales se toman las temperaturas intercriticas y se representan en las siguientes expresiones:
( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
(3)
( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
[ ]– [ ]– [ ] [ ] [ ]– [ ]– [ ] [ ]
(4)
REVENIDO: Consiste en aplicar un ciclo térmico por debajo de la temperatura A1 a los aceros templados o normalizados para así obtener propiedades mecánicas específicas[37]. La permanencia y la temperatura del
31
revenido son variables independientes las cuales son esenciales para la microestructura y propiedades mecánicas del acero[37].
TEMPLE: Se realiza un enfriamiento a la pieza en un baño ya sea en sales o metales fundidos, agua o aire y se mantiene por un tiempo determinado hasta llegar a la transformación deseada, con un enfriamiento final hasta temperatura ambiente [19].
RECOCIDO ISOTÉRMICO: Consiste en un calentamiento encima de A3, enfriamiento hasta una temperatura debajo de A1,dentro del entorno de transformaciones superior de martensita, seguido de un enfriamiento cualquiera, con el fin de conseguir una transformación de fase. (Figura 15).
Figura 15. Curso de la temperatura en recocido isotérmico.
Fuente:http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/8._Trata mientos_con_enfriamiento_lento_v2.pdf
4.2. MARCO CONCEPTUAL
FORJADO: es un proceso en el cual la pieza se conforma mediante fuerzas sucesivas de compresión, aplicadas a través de diversos dados y herramientas[30].
TEMPERATURA : es la temperatura donde se produce la precipitación de la ferrita a partir de la austenita [22].
32
TEMPERATURA : es la temperatura donde se da la transformación de ferrita en perlita eutectoide. [22].
DUREZA: medida de la resistencia de un material a la deformación por indentación superficial o por abrasión. [19].
DUCTILIDAD: medida de la capacidad de un material para experimentar una deformación plástica apreciable antes de la rotura[19].
DISLOCACIONES: defecto cristalino lineal alrededor del cual se presenta un desalineación atómica. La deformación plástica corresponde al movimiento de las dislocaciones en respuesta a un esfuerzo aplicado.[19].
MICROESTRUCTURA: es información de estudio útil para conocer propiedades mecánicas, tipo de acero e historia de la manufactura de un acero
PLANOS CRISTALOGRÁFICOS: Es definido por tres átomos no alineados, en una red cristalina, uniendo tres nudos de una celdilla, determinados por los índices de Miller[3].
FOTOMETALOGRAFIA: fotografía hecha con un microscopio, que registra una imagen microestructural.[19].
MICROCONSTITUYENTES: elemento de la microestructura que tiene una estructura característica identificable. Puede consistir en más de una fase.[3].
4.3. ESTADO DEL ARTE
4.3.1. TRATAMIENTOS TERMOMECANICOS EN FRIO EN ACEROS
Los tratamientos termomecánicos tienen una gran influencia en las propiedades de los aceros ayudando a mejorarlas, por esto en 2008 se llevó a cabo la investigación de (ZHUANG ,Li y DI, Wu), titulada “Influence of Hot Rolling Conditions on the Mechanical Properties of Hot Rolled TRIP Steel”, en la cual se obtuvo ferrita, bainita granular y mayor cantidad de austenita, al aplicar un proceso de laminación en caliente utilizando tres temperaturas diferentes, aumentando de esta manera las propiedades mecánicas presentes en el acero TRIP al cual se le aplicó el proceso [41].
Los tratamientos termomecánicos tienen tal influencia en el cambio estructural y de fases que en 2009 se realizó el estudio de (DOS SANTOS,C.N, et al.), titulado
“Influence Of The Austenitic Rolling Temperatura On The Microstructure Of A TRIP Steel Before Intercritical Annealing”, en el cual se aprecia la influencia de los diferentes tratamientos termomecánicos en la microestructura de un acero TRIP, observando las fases que se presentan y la distribución de éstas en la microestructura, se aplicó un tratamiento de recocido con y sin recalentamiento
33
post laminado, y se observó por microscopia óptica las transformaciones de fases, además, para las propiedades mecánicas se levantaron perfiles de dureza en escala Vickers. Se pudo observar que para un enfriamiento rápido y sin recalentamiento, aumentan los valores de dureza y se obtienen una mayor cantidad de martensita además de austenita retenida.[21].
Los tratamientos termomecánicos son una opcion a la hora de elevar las propiedades mecánicas de los aceros, por tanto en 2012 se realizó el trabajo de (JIRKOVÁ, Hana. et al), titulado “Effect Of Advanced Thermomechanical Treatment On Mechanical Properties Of Low Alloyed High Strength Steels”, en el cual realizan un tratamiento termomecánico que involucra un recocido intercritico, un pulido químico (proceso Q-P) y un enfriamiento rápido en dos diferentes tipos de acero de baja aleación con el propósito de formar bainita y estabilizar la austenita retenida. Se pudo determinar que las propiedades de resistencia a la rotura y el alargamiento en los aceros aumentaron debido a la presencia de bainita en la microestructura.[29].
Los tratamientos termomecánicos ayudan a crear aceros de alta resistencia con diferentes fases encontradas en ellos; en 2013 se realizó el análisis de (CABALLERO, F.G. et al.), titulado “Design of Cold Rolled and Continuous Annealed Carbide-Free Bainitic Steels for Automotive Application”, donde se realizó un ensayo termomecánico convencional y un tratamiento de recocido continuo en un acero, para así lograr una microestructura bainitica sin carburos;
dando como resultado un acero avanzando de alta resistencia, con combinación optima de ductilidad y alta reducción de área. Cabe anotar que con un tratamiento termomecánico a temperatura bainítica mejoran las propiedades de los aceros avanzados[17].
4.3.2.
TRANSFORMACIONES DE FASE EN EL ACERO
Las transformaciones de fase con enfoque en los aceros, se dan a partir de tratamientos térmicos, en 2007 se realizó el estudio de (HIGUERA, Oscar F;
TRISTANCHO,Jose L y FLOREZ; Luis C.) , titulado “Transformación isotérmica en aceros”, en el cual se evaluó el comportamiento microestructural que presenta el acero AISI-SAE 4140 al someterlo a una temperatura de 450°C, donde se muestra la influencia de los tiempos de sostenimiento a la temperatura de transformación sobre el cambio en la estructura dando resultado de martensita y bainita[25].
Una herramienta importante en el campo de los tratamientos térmicos es el modelamiento de fases que permite evaluar diferentes tiempos y de temperaturas a través de simulaciones por medio de métodos numéricos y elementos finitos, por tanto en 2014 se realizó la investigación (MILITZER, M. et al), titulada “Multiscale Modeling of Phase Transformations in Steels”, en la cual se desarrolló la
34
herramienta de modelamiento en multiescalas, para situaciones en las que se desea evaluar la microestructura de los aceros, dando así una observación previa de las fases que se pueden obtener al realizar un tratamiento con tiempos y temperaturas definidas[33].
Aunque el modelamiento matemático es ampliamente utilizado, la practica experimental sigue siendo la predilecta a la hora de apreciar cómo se presentan las transformaciones de fase, por tanto en 2014 se publicó el artículo de (CABALLERO, F; GARCIA-MATEO,C y MILLER, M), titulado “Design of Novel Bainitic Steels: Moving From Ultra Fine To Nanoscale Structures”, donde se presentó, como se están utilizando los fundamentos de transformación de fase para refinar microestructuras del acero bainitico en escala manométrica de longitud, se pudo obtener una resistencia considerable que nunca se había logrado en bainita [18].
Debido a que con diferentes transformaciones en la estructura de los aceros se presenta un cambio en sus propiedades mecánicas, en 2014, se realizó el trabajo de (LEHNHOFF, G y FINDLEY, K), titulado “The Martensitic Transformation and Strain-Hardening Behavior of Austenitic Steels During Fatigue and Tensile Loading”, donde se presenta la interacción de la transformación de la austenita metaestable en la temperatura ambiente y la energía de falla de apilamiento de tres aceros con variaciones de silicio, aluminio y niveles de níquel. Se obtuvo una transformación de martensita en diferentes fracciones produciendo un cambio en las propiedades de tensión y fatiga de los materiales.[31].
4.4. MARCO LEGAL Y NORMATIVO
Dentro de las normas y códigos que se usarán para realizar el proyecto se encuentran:
ASTM E9 – 89A”Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature”, este método indicara el tamaño de las muestras y los pasos a seguir para realizar el proceso del ensayo de compresión.[4].
ASTM E340 “Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys”, este método indicará variaciones de estructura como: tamaño de grano, estructura columnar, dendritas; variación química como segregación, inclusiones entre otras, además es utilizable en los tratamientos térmicos para detectar zonas suaves y duras [10].
ASTM E407 “Standard Practice for Microetching Metals and Alloys”, esta práctica indicará las diferentes soluciones químicas y procedimientos que
35
son requeridos para el ataque en metales o aleaciones para su análisis microscópico.[7].
ASTM E3 - 11 “Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens”, esta práctica es para revelar los componentes y estructura del material por medio de un microscopio electrónico de exploración óptica o luz [5].
ASTM E18 “Standard Test Method for Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials”, este método ayuda a reconocer las dureza en los materiales y mediante la medición de Rockwell y la calibración que se debe realizar antes en el material[11].
ASTM E562 “Standard Test Method for Determining Volume Fraction by Systematic Manual Point Count”, este ensayo permite estimar la fracción de volumen de un componente identificable o fase mediante la microestructura.
[9].
ASM Metal Handbook Volume 4 Heat Treating indica los que se puede someter el material SAE 1045 en un tratamiento térmico.
36
5. DISEÑO METODOLOGICO
5.1. DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Se definirán las variables que intervienen en el proyecto y se clasificarán en dependientes e independientes según corresponda:
Variables dependientes
Perfil de dureza
Variables independientes
Cargas de presión
Temperatura de deformación
Por tanto para el diseño de experimentos se tendrán dos factores: Temperatura y Carga. A estos factores se les asignaran niveles de la siguiente manera:
Carga de presión: Se evaluará en tres niveles, 15, 20 y 25 Mpa. La cual se hace previo al tratamiento térmico (ASTM INTERNATIONAL , 2004).[4].
Temperatura de deformación: De acuerdo a la temperatura que se trabajará se realizará en un nivel en frio, es decir temperatura ambiente.
Debido a que se tienen dos factores con niveles diferentes de trabajo y diferentes variables de respuesta, se decidió realizar un diseño factorial mixto, por tanto el factorial sería 3 x 1, lo que significa que el factor temperatura se trabajará con un nivel y el factor de carga de presión con tres niveles, dando así un total de 3 combinaciones o tratamientos. Para la mayoría de los casos experimentales la confiabilidad manejada es del 95% según (GUTIÉRREZ PULIDP. Humberto y DE LA VARA SALAZAR, Román.), por tanto para la determinación del número de réplicas necesarias para alcanzar este valor de confiabilidad se usó la siguiente fórmula.[23].
( (
))
( 5 ) Dónde:
( ) es el punto crítico de la distribución T-student, α es el valor de significancia.
, k es el número de tratamientos y un número de réplicas que se asume de acuerdo a los siguientes aspectos: presupuesto del investigador, si
37
se espera una diferencia estrecha en los resultados de los tratamientos se deberá tener en consideración una mayor cantidad de réplicas y viceversa, si la variación es muy grande entre tratamientos debido a fuentes no controladas, como medio ambiente, sistemas de medición, entre otros, se deberá tener un mayor número de réplicas.
es la desviación estándar del error aleatorio, la cual se asume debido a factores no controlados como error en tiempos de medición, error en lecturas de temperatura, etc.
la magnitud minima de diferencia entre tratamientos.
Por lo que se asume , además se establece que dT = 15 HRb, y σ = 20 para una confiabilidad del 95% de acuerdo a (GUTIÉRREZ PULIDP. Humberto y DE LA VARA SALAZAR, Román., 2012), también k=3 y α=0.05, reemplazando [23].
( )
Por tanto el número de réplicas que se debe usar es 5. Así, se tendra un número total de experimentos de 15,3 tratamientos con 5 réplicas. Adicionalmente a esto se manejará un grupo de control sin ningún tratamiento para efectuar comparaciones necesarias.
Se evalúan otras confiabilidades para seleccionar cuál es la mejor opción según la Tabla 3:
Tabla 3. Número de repeticiones según su confiabilidad
Confiabilidad (%) No. De repeticiones Cantidad total de experimentos
90% 3 9
95% 5 15
99% 5 15
Fuente: Autor del proyecto
Con la anterior tabla se demuestra que si es viable la escogencia de una confiabilidad del 95% ya que es la recomendada según la bibliografía consultada.
Para identificación y facilidad de análisis de resultados se procesó la tabla 4, donde se relacionan los diferentes factores y tratamientos con su respectiva designación que identifica al grupo de evaluación.
38 Tabla 4. Designación de tratamientos a realizar
Tratamiento térmico
Cargas de presión aplicadas (Mpa)
15 20 25
Con tratamiento 1 F15 – 1 F20 – 1 F25 – 1
Fuente: autor del proyecto
Se asignó a cada grupo una denotación para identificar los tratamientos que se realizarán y adicional a esto a cada repetición de grupo se identificó con un número, ejemplo F15 – 11, F15 – 12, F20 – 11, etc. La probeta de control se identificó con la letra S.
5.2. METODOLOGÍA
La realización de este proyecto se hizo mediante la metodología que se puede observar en la figura 16, la cual se dará a conocer al paso a paso.
5.2.1. Compra del material. La compra se realizó en ACEROS BÖHLER; el cual es un lugar reconocido y certificado por la ISO 9001:2000, donde distribuyen aceros especiales, entre otros servicios para la industria ingenieril, que garantiza y certifica que el material cumple con las características químicas y físicas de un acero 1045 según la norma ASTM A108 (ASTM INTERNATIONAL, 2004) que comprende las características del acero de medio carbono. Dicha certificación del material se puede observar en el Anexo 1, donde se muestran las características de entrega del material, la composición química se pueden observar en la tabla 5, y sus propiedades mecánicas se registran en la tabla 6.
Tabla 5 Composición química del acero AISI/SAE 1045
C% Si% Mn% P% S% Cr% Ni% Mo% Sn% Cu% Al%
0.46 0.21 0.60 0.009 0.017 0.024 0.029 0.003 0.004 0.045 0.001 Fuente: certificado de BÖHLER. Anexo 1
39
Tabla 6. Propiedades mecánicas del acero AISI/SAE 1045 Limite elástico (N/mm2) Resistencia a la
tracción (N/mm2)
Elongación %
398 652 23
Fuente: certificado de BÖHLER. Anexo 1
40 Figura 16. Metodología
Realizar el forjado en frio
41
5.2.2. Preparación de las probetas para compresión. La preparación del material para realizar los ensayos, se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad Libre, Seccional Bogotá, Sede Bosque Popular, utilizando para tal fin el laboratorio de máquinas y herramientas, y el laboratorio de máquinas II. La preparación se llevará a cabo según la norma ASTM E9 – 89ª (ASTM INTERNATIONAL , 2004), donde se hace probetas de tamaño corto con medidas de 1 pulgada de longitud por ½ pulgada de diámetro.
Figura 17. Preparación de probetas
Fuente: autor del proyecto
5.2.3. Realización de la compresión. El ensayo se realizó con los parámetros establecidos en ASTM E9 – 89ª (ASTM INTERNATIONAL , 2004), utilizando los tres niveles de cargas de 15, 20 y 25 Mpa/cm2, donde se tomaron 5 probetas por carga, como se estableció en el diseño de experimentos.
Figura 18. Realización ensayo de compresión
Fuente: autor del proyecto
5.2.4. Realización del tratamiento térmico. Los tratamientos isotérmicos se realizarán según ASM INTERNACIONAL Volumen 4 Heat Treatment. utilizando
42
los valores de tiempos y temperaturas definidas por las ecuaciones de “Steel Forming and Heat Treating Handbook.
Los valores de las temperaturas críticas se muestran en la tabla 7.
Tabla 7. Temperaturas A1 y A3 de transformaciones para el acero tratado
Ac3 Ac1 Bs
785,87 °C 729,43 °C 594,28 °C Fuente: autor del proyecto
Ya realizado el cálculo de las temperaturas aplicando las ecuaciones 1, 3 y 4 se promedia las temperaturas A3 y A1 dando como resultado una temperatura de media de 760°C para el acero. La secuencia del tratamiento está de acuerdo a la siguiente ilustración que muestra tiempos y temperaturas.
Figura 19. Representación esquemática de la secuencia del tratamiento térmico empleado.
Fuente: autor del proyecto
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 1800 1806 3606 4806
Temperaturas (°C)
Tiempos (segundos)
TRATAMIENTO TÉRMICO
Temperaturas A1
A3 Ms
43
Se utilizaron los hornos tipo mufla del laboratorio de análisis de materiales de la Universidad Libre, Seccional Bogotá, Sede Bosque Popular, para llevar a cabo dicho tratamiento. Los hornos empleados se pueden observar en la figura 20.
Figura 20. Hornos mufla ELEKTRO tipo M 10
Fuente: autor del proyecto
5.2.5. Toma de medida de longitud. Después de la compresión se realiza la medición de diferencia de longitudes obtenidas con las diferentes cargas, con ayuda del instrumento de medición Vernier, posteriormente se calculó el porcentaje de deformación. En la figura 21 se pueden observar las diferentes deformaciones que se obtuvieron.
Figura 21. Deformación plástica de las probetas
Fuente: proyecto del autor
5.2.6. Preparación de las muestras. Para la realización de los ensayos de metalografía y dureza, se realizaron cortes transversales y verticales con el fin de observar el comportamiento en los diferentes sentidos de deformación. Dicho corte se realizó con una cortadora metalografía en la empresa FERROTERMICOS.
44
En la figura 22 se pude ver los cortes correspondientes.
Figura 22. Corte metalográfico con acabado brillo espejo.
Fuente: autor del proyecto
5.2.7. Ensayo metalográfico. Para realizar este ensayo se siguió el procedimiento de la norma ASTM E 3 – 11 “Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens” (ASTM INTERNATIONAL, 2004). Se pulieron las muestras utilizando papel abrasivo desde el # 80 hasta #1500 y al final de la pulida se utilizó paño con uso del abrasivo alúmina (oxido de aluminio), llegando a brillo espejo. Posterior a esto se atacó con reactivo Nital al 3% (ácido nítrico 3ml y alcohol etílico 110ml), sumergiendo por 6 segundos, luego enjuagando la muestra en chorro de agua por 1 minuto y posterior secado. La observación metalográfica se realizó por medio del microscopio metalúrgico OLYMPUS PME3 y los registros fueron realizados con la cámara digital integrada MOTICAM-2500.
Para conocer las fases en la estructura se siguió la literatura de (VALENCIA, Asdrúbal) titulado “Tecnología del tratamiento térmico de los metales” para identificar los microconstituyente del acero y el texto “Transformaciones de fase en la metalurgia” para identificar las transformaciones de fase.
5.2.8. Ensayo de dureza. Para realizar el ensayo se siguió el procedimiento establecido en la norma ASTM E18 “Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials” (ASTM INTERNATIONAL, 2004). Se pulieron las muestras hasta tener unas superficie plana y alineada. Se utilizó papel abrasivo desde el #80 hasta el #1500, para obtener una lectura más exacta. Se utilizó una carga de 980N en medida de Rockwell B (HRb). Se utilizó para tal fin el Medidor de Dureza de banco universal TH722.
45
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1.
ANALISIS DE DEFORMACION PLASTICAEn primer lugar se realizaron las mediciones de cambio de longitud después de la compresión a fin de conocer el porcentaje de deformación obtenidas después de la aplicación de las cargas. En la tabla 8 se pueden observar las medidas iniciales y finales en cada carga.
Tabla 8. Datos de deformación por cargas tomadas
CARGAS KPa
ALTURA INICIAL
(mm)
ALTURA FINAL (mm)
%
DEFORMACION
% PROMEDIO
15000
24.95 22.18 11,10220441
9,90327568
24.78 22.69 8,434221146
24.80 22.64 8,709677419
24.44 21.90 10,39279869
24.73 22.04 10,87747675
20000
24.75 18.09 26,90909091
24,0638051
24.79 19.30 22,14602662
24.74 19.21 22,35246564
24.86 18.82 24,29605792
24.70 18.62 24,61538462
25000
24.84 16.22 34,7020934
35,1710827
24.77 16.01 35,36536132
24.59 15.90 35,33956893
24.83 16.11 35,11880789
24.88 16.09 35,32958199
Fuente: autor del proyecto
En la figura 23 se puede apreciar los porcentajes de deformación obtenidos con las diferentes cargas aplicadas.
46
Figura 23. Porcentajes de deformación vs la carga aplicada.
Fuente: autor del proyecto
Como se puede apreciar en el acero utilizado existe una gran diferencia en la deformación, cambiando el valor de las cargas aplicadas.
6.2. ANALISIS METALOGRAFICO
En primer lugar se llevó a cabo un análisis cualitativo con el cual se identificaron las fases presentes de acuerdo a su morfología en el acero debido a la transformación hecha al aplicar el tratamiento termomecánico. Posteriormente se realizó un estudio metalográfico cuantitativo, con la cual se obtuvo y se comparó el porcentaje de fases presentes en las muestras tratadas del acero 1045. Estos análisis estuvieron apoyados por medio del software ImageJ V1.48. Además se utilizó las referencias del libro “transformaciones de fase en metalurgia” de Asdrúbal Valencia (VALENCIA, Asdrubal) como patrones para identificar las fases que se obtuvieron y así reconocer el porcentaje correspondiente ellas. En primer lugar se analizó la muestra de control, la cual no tiene ningún tratamiento, posteriormente se comparó uno a uno los tratamientos respecto con la muestra de control; consecutivamente se realizó comparación conjunta.
En la primera etapa se analizó el acero AISI/SAE 1045 en estado de entrega, y se comparó con las muestras que se les aplicó el tratamiento termomecánico. Como
47
se puede observar la figura 24 muestra la micrografía del acero AISI 1045 en estado de entrega, se pueden observar colonias de perlita en bajo nivel, ferrita y austenita.
Las muestras tratadas termomecánicamente presentan una estructura bifásica de ferrita-perlita. En las micrografías de la figuras 25,26 y 27 se pueden ver las fases presentes al aplicar las diferentes cargas: 15 Mpa/cm2, 20 Mpa/cm2 y 25 Mpa/cm2 respectivamente.
Figura 24. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X en estado de entrega
Fuente: autor del proyecto
Como se puede observar en la metalografía del acero 1045 sin tratar se encuentran claramente ferrita (zona blanca) y perlita laminar (zona oscura), estructura típica de un acero 1045.
Perlita
Ferrita
48
Figura 25. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 15Mpa/cm2
Fuente: autor del proyecto
Figura 26. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 20 Mpa/cm2
Fuente: autor del proyecto Perlita
Perlita
Ferrita Ferrita
49
Figura 27. Micrografía de un acero AISI 1045 a 1000X tratado termomecánicamente con carga de 25 Mpa/cm2.
Fuente: autor del proyecto.
En cuanto a la segunda etapa, se analizó los porcentajes de fase en las áreas de las probetas metalográficas, como se aprecia en la tabla 9 y la figura 28, 29 y 30 Tabla 9. Fracciones volumetrías del acero 1045 tratado termomecánicamente.
Carga sometida Ferrita Perlita Otros
15 Mpa/cm2 20 Mpa/cm2 25 Mpa/cm2
38.5 36.80 45.06
50.72 54.29 48.13
10.78 8.91 6.81 Fuente: autor del proyecto
Figura 28. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 15Mpa/cm2 (La fase 1 (rojo) corresponde a ferrita y la fase 2 (verde) corresponde a perlita)
Fuente: autor del proyecto
Ferrita Perlita
50
54,29%
36,80%
Area Percentage
fase 1 fase 2
48,13%
45,06%
Area Percentage
fase 1 fase 2
Figura 29. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 20Mpa/cm2
(La fase 1 (azul) corresponde a ferrita y la fase 2 (verde) corresponde a perlita)
Fuente: autor del proyecto
Figura 30. Porcentaje de fase del 1045 tratado con carga de 25Mpa/cm2
(La fase 1 (azul) corresponde a ferrita y la fase 2 (verde) corresponde a perlita)
Fuente: autor de proyecto
