Tratamientos Térmicos Templabilidad PROPIEDADES ESTRUCTURALES I Tratamientos Térmicos Templabilidad

Temple del Acero La estructura distorsionada de la martensita posee una muy elevada dureza, que le confiere su elevada resistencia característica, pero también su marcada fragilidad Efecto de la Composición Química. La dureza de la martensita es función de su distorsión y esta, a su vez, del contenido o sobre-saturación en C. Los elementos de aleación poseen un efecto secundario y limitado sobre la dureza máxima del acero

Temple del Acero La estructura de temple (martensita) se obtiene cuando Ve > Vc En el enfriamiento de un cuerpo, los diferentes elementos de volumen poseen Ve distintas En la práctica existe un abanico de Ve , con zonas que adquieran estructura martensítica y otras que no En el temple de un cilindro de acero se observa la máxima Ve en la superficie, y la mínima en su eje

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) Velocidad Crítica - vc. Es la velocidad de enfriamiento mínima necesaria para obtener una estructura martensítica y surge de la posición de la nariz de las curvas TTT (temperatura, tiempo, transformación) o curvas tipo “C” La vc es la misma para todos los puntos de una pieza. Depende de la compos. química (Cq) y del tamaño de grano (Tgr)

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) La composición química afecta la velocidad de descomposición del Fe en la mezcla Fe+Cm La vc disminuye con el aumento de Mn, haciendo posible usar una ve menor para obtener estructura martensítica El Tgr afecta la posición de las curvas TTT ya que el límite de grano es un centro potencial de nucleación para la descomposición del Fe

Templabilidad Definición: “la propiedad que determina la profundidad y distribución de durezas inducidas en el temple” “la profundidad que penetra en la pieza la estructura templada o martensítica” La dureza depende de la microestructura y, por lo tanto, de Ve Si en el centro de la pieza ve>vc, entonces, la sección completa estará compuesta por martensita y algún contenido de austenita retenida. Si la ve > vc en la superficie, y la ve < vc en el centro, entonces, se obtendrá martensita en la superficie, y estructuras mixtas progresivamente más gruesas hacia el centro

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) Velocidad de Enfriamiento - Ve. Es la velocidad con que se enfría un punto cualquiera de una pieza y varía punto a punto de la misma. Depende del medio de enfriamiento (H), del tamaño de la pieza (D) y de la posición (ri). Aquí suponemos que la conductividad térmica es igual para todos los materiales analizados Medio de Enfriamiento. Su función es la de extraer calor de la pieza en forma continua y, dependiendo de sus propiedades físicas, posee una dada capacidad para esto Los medios de enfriamiento pueden ser gaseosos (en general aire) o líquidos (agua, sales, aceite, etc.)

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) El medio regula la ve de la superficie y, por lo tanto, de todos los elementos de volumen. El enfriamiento se produce en 3 etapas: Ebullición con película Enfriamiento por transporte de vapor Enfriamiento por convección La eficacia de un medio se mide por la “Severidad de Temple – H”, para un aumento de H, entonces la ve también aumenta Valores de H para distintos medios, donde al agua quieta es el valor de referencia (H = 1)

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) El agua es el medio más barato y se usa en aceros al carbono. Debe estar entre 15 y 20 C. Mezclada con Cloruro de Sodio aumenta su severidad y se conoce como salmuera El aceite se utiliza para el temple de aceros aleados. Conviene usarlo entre 30 y 60 C para disminuir la viscosidad, aumentando la convección y su capacidad de enfriamiento El aire se utiliza en movimiento para el enfriamiento de aceros muy aleados, en los cuales se dispone de un tiempo prolongado hasta el comienzo de la descomposición de la austenita Cuando H = , el enfriamiento en la superficie de la pieza es instantáneo. Esta severidad es empleada en los estudios de templabilidad y se conoce como “ medio ideal”

Velocidad Crítica (Vc) y de Enfriam. (Ve) Tamaño de la Pieza y Posición Dentro de la Misma. La ve es afectada por el tamaño de la pieza y también por la posición del punto considerado dentro del volumen de la pieza La extracción de calor en una pieza se hace más efectiva cuando aumenta la relación superf/volumen En un cilindro de diámetro D y largo h, la relación superf/volumen será igual a 4/D

Diámetro Crítico - DC Enfriamiento de una barra redonda: puede ser que en la región superficial ve>vc y en la región interior ve<vc, obteniéndose un volumen de temple completo y un volumen de temple incompleto Midiendo la dureza a lo largo del diámetro de una sección cualquiera se obtendrá un perfil de dureza similar al perfil de la ve.

Diámetro Crítico - DC Dureza según el diámetro de dos redondos iguales, con enfriamiento en igual medio (=H), pero de diferente acero La dureza máxima de A es menor que la de B, pero el HRCA < HRCB, por lo tanto la templabilidad de A es superior El perfil de dureza o curva “U”, a lo largo del diámetro, es una forma práctica de medir la templabilidad

Diámetro Crítico - DC Los redondos templados en agua poseen un HRCmáx superior a los templados en aceite, debido a la mayor ve El HRC es mayor para temple en agua

Diámetro Crítico - DC Diámetro crítico (DC) es el mayor diámetro de un redondo que asegura en el centro un mínimo de 50% o 90%M Si la curva U queda por encima de este valor, entonces el temple es correcto y si queda por debajo  temple incorrecto.

Diámetro Crítico - DC El DC podría determinarse templando redondos con diámetros progresivamente menores, hasta encontrar uno para el cual el mínimo de la curva U coincida con la dureza para el 50% M. El DC depende del acero y del medio de enfriamiento “real” empleado. DC : Diámetro Crítico Real (DR) y para un medio H,  propiedad del acero

Diámetro Crítico - DC Diámetro Crítico Ideal (DI). Se ideó para independizar al Dc del medio H y entonces depende del acero solamente. Utiliza un medio de enfriamiento ideal, de severidad H = , y hace que “la superficie” enfríe instantáneamente El DI es el diámetro del mayor redondo que templado con un medio H = , permite obtener un 50% de martensita en el centro Por lo tanto: cada acero posee solo un DI, pero posee varios DR Siempre se cumple que DI > DR

Diámetro Crítico - DC

Diámetro Crítico - DC DI=1,5” - medio enfriam agua agitada, H=1,2 aceite, H=0,4 Agua agitada DR=0.83” aceite DR=0.45”

Diámetro Crítico - DC Determinación del DI El DI puede determinarse en forma teórica y en forma práctica El cálculo teórico utiliza factores que ponderan la influencia de los elementos de aleación y del tamaño de grano del acero, sobre la posición de las curvas de transformación El producto de los factores da como resultado el DI La determinación práctica del DI se hace mediante el uso del ensayo de templabilidad, conocido como Ensayo Jominy

Ensayo Jominy Reproduce en una probeta normalizada un rango amplio de velocidades de enfriamiento. Probeta: es enfriada por un extremo con un chorro de agua La ve es máxima en el extremo inferior y disminuye progresivamente al alejarse del mismo

Ensayo Jominy La norma ASTM A 255 “Std. Test Method for End-Quench Test for Hardenability of Steel,” describe el procedimiento de ensayo

Ensayo Jominy La extracción de calor por la superficie lateral se desprecia, y solo se produce por la cara inferior o extremo templado La ve disminuye con la distancia al extremo templado o distancia Jominy (dJ), y es independiente del material Por lo tanto, a una dist. Jominy corresponde un valor de veloc. de enfriam. (dJ  ve)

Ensayo Jominy Curva Jominy. Se obtiene midiendo la dureza a lo largo de una generatriz  Se obtiene un perfil de durezas o curva Jominy dependiente de la dJ y del acero empleado. La curva Jominy es solo dependiente del acero ensayado (Cq, Tgr) (el enfriamiento es establecido por el ensayo).

Ensayo Jominy Bandas de Templabilidad La curva Jominy depende del acero y en particular de su Cq, Las posibles curvas Jominy están acotadas por curvas máxima y mínima, dando lugar a la “Banda de Templabilidad” (BT) Existe una BT “restringida” que es más estrecha, y se identifica como “RH”, p.ej. SAE 4140 RH

Ensayo Jominy

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy En la práctica se utilizan piezas de geometría variada  es necesario relacionar la ve de la probeta Jominy con la de puntos de una pieza, en particular con el redondo Para otras geometrías de sección irregular se puede hallar un redondo equivalente Si consideramos un redondo y una probeta Jominy del mismo material, la dureza de un punto i en el redondo de diámetro D, será dependiente de la vei y de su curva TTT.  Lo mismo ocurre para un punto i de la probeta Jominy  HRCi = HRCJi, entonces quiere decir que vei=veJi Existe una equivalencia entre dJ y los puntos interiores de un redondo que poseen igual ve en un medio H  equivalencia estudiada por Lamont para diferentes tamaños de redondo (D), posición del punto (r/R o ri) y medio H, dando origen a las “Curvas de Lamont”

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy Curva de Lamont relaciona la condición de enfriamiento de un punto cualquiera de un redondo cualquiera, con el enfriamiento de un punto en la probeta Jominy

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy Las curvas de Lamont permiten determinar la ve de un punto cualquiera de una pieza y, a partir de esto, predecir su dureza

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy Equivalencia entre Distancia Jominy y DI Esta relación es utilizada para resolver el problema práctico de encontrar el DI de un acero, a partir de su curva Jominy El DI requiere un %M (gral´ 50%) en el centro del redondo  debe conocerse la dureza de esta estructura

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy Luego es necesario determinar, con la curva Jominy, la ve (dJ) para obtener la dureza Con la ve y la curva de Lamont para r/R=0 (centro del redondo) y H =  (medio ideal) se obtiene el DI

Equiv. e/Redondo y Prob. Jominy Las curvas de Lamont pueden utilizarse también para determinar la severidad H de un medio desconocido

Diámetro Equivalente - DE El redondo equivalente permite encontrar para piezas de sección complicada, un redondo en el cual la ve del centro es igual a la ve del centro de la pieza

Diámetro Equivalente - DE Velocidad de enfriamiento equivalente (para el centro) entre probeta Jominy, chapa y redondo

Diámetro Equivalente - DE Por lo tanto, la Ve en el centro de la barra cuadrada es: Ve40X60mm=(12+25) F/seg=37 F/seg y es equivalente a la Ve en el centro de un redondo de 50 mm de diámetro Ve40mm=25 F/seg Ve60mm=12 F/seg

Diámetro Equivalente - DE Determinación Práctica de DE 1 - se fabrica la pieza y una probeta Jominy 2 - La pieza se templa en el medio H a utilizar en su fabricación 3 - Se realiza el ensayo Jominy 4 - Se busca el HRCmín de la pieza, y se entra en la curva Jominy para determinar su ve 5 - Con este valor se ingresa a la curva de Lamont para r/R=0 obteniéndose para el H dado el DE

Revenido La estructura martensítica de temple, no puede ser utilizada en componentes mecánicos, debido a los riesgos de rotura Debe aplicarse un TT que permita aliviar tensiones, aumentar la tenacidad y ajustar la dureza (resistencia) Este TT es el revenido, consiste en un calentamiento y mantenimiento a T<Teq, Si T<400°C, la estructura tetragonal pasa a bcc y precipita Cm Si T>400°C, la cementita globuliza en forma creciente

Revenido La activación térmica produce la difusión del C y la precipitación de Cm globular a altas temp. de revenido Las fases presentes son las mismas que las obtenidas en la transformación de Fe en el equilibrio, excepto por la morfología, tamaño y dispersión de los carburos Parámetros del Revenido. Temperatura y Tiempo La temperatura es el factor dominante Influencia del revenido en los perfiles de dureza