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1 ANALISIS DE LA EVOLUCION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 AL SER SOMETIDO A UN TRATAMIENTO ISOTERMICO JUAN DAVID ARDILA GARCÍA DAVID LEONARDO CORAL MARTÍNEZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA BOGOTA 2016

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ANALISIS DE LA EVOLUCION MICROESTRUCTURAL DE UN ACERO AISI/SAE 1045 AL SER

SOMETIDO A UN TRATAMIENTO ISOTERMICO

JUAN DAVID ARDILA GARCÍA

DAVID LEONARDO CORAL MARTÍNEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

FACULTAD TECNOLOGICA

BOGOTA

2016

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“Análisis de la evolución microestructural de un acero aisi/sae 1045 al ser sometido a un tratamiento

isotérmico”

Presentada por:

Juan David Ardila García

David Leonardo Coral Martínez

Dirigida por:

Carlos Arturo Bohórquez Ávila

Universidad distrital francisco José de caldas

Facultad tecnológica

Bogotá

2016

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CONTENIDO

Pág.

1- RESUMEN 4

2- LISTA DE TABLAS 5

3- LISTA DE FIGURAS 6

4- INTRODUCCIÓN 7

5- MARCO TEÓRICO 8

5.1- Transformaciones de fase 8

5.2.1- transformaciones en estado sólido difusionales 8

5.2.2- transformaciones en estado sólido no difusionales 10

6- DESARROLLO DEL PROYECTO 11

6.1- Acero AISI/SAE1045 11

7- ANÁLISIS DE RESULTADOS 14

7.1- durezas obtenidas 16

8- CONCLUSIONES 17

9- BIBLIOGRAFÍA 18

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1 RESUMEN

Para la realización de este proyecto se utilizaron 6 probetas de acero AISI/SAE 1045, de las cuales una se

mantuvo en estado de entrega, y las restantes se sometieron a tratamientos térmicos de la siguiente manera.

Todas las probetas fueron expuestas a un calentamiento inicial hasta 770°C durante 30 minutos, luego se

sometieron a un enfriamiento al medio ambiente con un leve rocío de agua hasta llegar a la temperatura de

550°C aproximadamente. Una vez alcanzada esta temperatura se introdujeron las muestras a una segunda

mufla calentada previamente a 550°C, de allí las probetas fueron sacadas de una en una a diferentes tiempos:

5 minutos, 15 minutos, 30 minutos, 1 hora y 2 horas. Cada muestra se dejó enfriar al ambiente. Este proceso

se realizó con el fin de analizar el cambio que sufría el material en su microestructura, observando las

muestras en un microscopio metalográfico, asimismo realizando pruebas de dureza a cada probeta para

luego consignar los valores en una tabla comparativa teniendo en cuenta los diferentes tiempos utilizados

en los tratamientos.

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2 LISTA DE TABLAS

Pág.

1- Composición química del acero SAE 1045 11

2- Temperaturas intercríticas para el acero SAE 1045 12

3- Microestructuras obtenidas 14-15

4- Valores de dureza 16

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3 LISTA DE FIGURAS

Pág.

1- Diagrama reacción de precipitación 8

2- Imagen de preparación metalográfica 12

3- Grafica temperatura vs tiempo del tratamiento térmico 12

4- Imagen de elementos para realización del ataque 13

5- Imagen probetas después de la prueba de dureza 13

6- Grafica de los valores de dureza 16

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4 INTRODUCCION

El acero AISI/SAE 1045, es un acero utilizado en la industria, para la realización de piezas de múltiples

formas, gracias a su fácil maquinabilidad, puesto que sus propiedades mecánicas, hacen que sea uno de los

materiales preferidos por la industria del mecanizado.

Los tratamientos térmicos que se le dan a un material, cambian su composición microestructural,

dependiendo del tiempo de duración de los tratamientos, del enfriamiento, y de las temperaturas a las cuales

se realizan los mismos.

Como principal objetivo, se busca Establecer la evolución microestructural de un acero AISI/SAE 1045 al

ser sometido a un tratamiento a temperaturas intercríticas y luego a un tratamiento isotérmico. El cual cuenta

para su logro con los siguientes objetivos específicos:

Realizar la secuencia de tiempos y temperaturas con calentamiento a 770 °C y posterior

enfriamiento de las muestras acero AISI/SAE 1045 hasta 550 °C, luego mantener esta temperatura

en intervalos de 5 minutos, 15 minutos, 30 minutos, 1 hora, 2 horas y posterior enfriamiento.

Identificar constituyentes por medio de micrografías de las probetas del acero AISI/SAE 1045.

Realizar pruebas de dureza a las muestras de acero AISI/SAE 1045 y generar tabla de dureza vs

tiempo.

De acuerdo con los objetivos, el artículo iniciara, con una breve explicación de los conceptos necesarios

para la interpretación del mismo.

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5 MARCO TEÓRICO

TRANSFORMACIONES DE FASE

Transformaciones en estado sólido difusionales

La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido tienen lugar por movimientos

atómicos activados térmicamente. Estas transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una

aleación que tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones desde una región

monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde una o más fases son estables. Los tipos de

transformaciones de fases que son posibles se pueden clasificar en cinco grupos: Reacciones de

precipitación, transformación eutectoide, Reacciones de ordenación, Transformaciones masivas, cambios

poliformicos.

La microestructura que se obtiene es función del tamaño de grano y de la velocidad de enfriamiento. Si la

velocidad de enfriamiento es muy elevada, no se forman núcleos hasta que el subenfriamiento es muy alto.

En estas condiciones, grandes zonas del límite de grano se llenan de núcleos. Por otra parte cuando el tamaño

de grano es pequeño hay gran cantidad de bordes, esquinas y límites de grano que favorecen una elevada

nucleación. Al contrario, cuando el tamaño de grano es grande, la nucleación está más impedida.

Reacciones de precipitación

Las reacciones de precipitación generalmente se producen en sistemas de aleaciones cuando una fase se

transforma en una fase mixta como resultado del enfriamiento desde altas temperaturas. La reacción de

estado sólido resulta en una mezcla de la fase de matriz y precipitados que nuclean. La matriz puede

compartir una estructura cristalina similar a la fase inicial, pero tiene a menudo un parámetro de red

diferente.

Figura 1. Diagrama reacción de precipitación

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Transformación eutectoide

La reacción eutectoide es un equilibrio trifásico en el que una fase sólida se desdobla en otras dos fases

sólidas a temperatura constante. Tanto la precipitación como la reacción eutectoide forman fases con distinta

composición de la matriz, lo que supone difusión de largo alcance. Los otros tipos de transformaciones se

pueden producir sin cambio de composición o difusión de largo alcance.

Transformación masiva

En este caso la fase original se descompone en una o más fases con la misma composición de la fase de

partida, pero con diferente estructura cristalina. La nueva fase puede ser estable o metaestable.

Transformación polimórfica

Se produce en sistemas de un único componente con diferentes estructuras cristalinas que son estables en

diferentes intervalos de temperaturas. Caso del hierro que pasa de estructura cc a ccc.

Todas estas transformaciones se producen por nucleación y crecimiento controlados por la difusión.

En los tratamientos térmicos como el recocido o normalizado la transformación se produce durante el

enfriamiento continuo. Si este es muy lento la ferrita nuclea a bajos subenfriamientos en bordes o esquinas

de grano. Como hay tiempo la difusión hace que la austenita tenga una composición homogénea. Se alcanza

la temperatura eutectoide y se forma perlita.

En la precipitación de la ferrita desde la austenita bajo condiciones en las que no hay fases de transición, los

sitios de nucleación son los límites de grano y las superficies de las inclusiones. Bajo condiciones de

equilibrio, la ferrita proeutectoide se formará en aleaciones Fe-C que contengan menos del 0,8%C. La

reacción tiene lugar entre 723 y 910ºC.

Comportamiento de la ferrita y la perlita en la difusión

En los tratamientos térmicos como el recocido o normalizado la transformación se produce durante el

enfriamiento continuo. Si este es muy lento la ferrita nuclea a bajos subenfriamientos en bordes o esquinas

de grano. Como hay tiempo la difusión hace que la austenita tenga una composición homogénea. Se alcanza

la temperatura eutectoide y se forma perlita. La primera etapa en la formación de la perlita es la nucleación

de una de las fases ferrita o cementita en el límite de grano. La fase que nuclea depende de la estructura y

composición del límite de grano.

Los nódulos de la perlita nuclean en los límites de grano de la ausentita. Cuando el subenfriamiento es bajo,

nuclean pocos nódulos y se desarrollan y crecen, como esferas o semiesferas sin interferencias de unos sobre

otros. Si el subenfriamiento es elevado la velocidad de nucleación es mucho mayor y se produce la

saturación de sitios, todos los límites se llenan rápidamente de núcleos que crecen juntos formando capas

de perlita delineando los límites de grano de la ausentita original.

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Cuando el acero contiene un porcentaje de carbono diferente al eutectoide, la transformación perlítica va

precedida por la formación de ferrita o cementita proeutectoide. Si el subenfriamiento es muy elevado, altas

velocidades de enfriamiento, es posible que la ausentita se transforme directamente en perlita.

Dureza en los procesos con difusión

Como ya se sabe, la máxima dureza obtenible en cualquier acero está asociada con una estructura totalmente

martensítica. Esta microestructura puede obtenerse siempre que se supriman las transformaciones

controladas por difusión de la austenita mediante enfriamientos suficientemente rápidos. Existen varios

factores que afectan las velocidades de enfriamiento a través del material y la respuesta de un acero dado a

esas velocidades de enfriamiento.

Dos factores importantes afectan la velocidad de enfriamiento o la velocidad a la cual el calor es removido

de una parte de un acero dado. Uno es la capacidad del calor de difundir desde el interior hacia la superficie

del acero y el otro es la capacidad del medio de temple de remover calor desde la superficie del mismo.

La capacidad de un acero de transferir calor está caracterizada por su difusividad térmica. La difusividad

térmica de los productos de transformación austenítica aumenta con la disminución de la temperatura.

Las bajas velocidades de enfriamiento dan más tiempo para que se desarrollen las transformaciones

controladas por difusión que provocan menores valores de dureza. En la práctica, es casi imposible controlar

las propiedades térmicas de los aceros y la manera principal de controlar la velocidad de enfriamiento es la

que se realiza mediante una selección apropiada del medio de temple.

Transformaciones en estado sólido no difusionales

Este tipo de transformación suponen un proceso tecnológicamente muy importante para endurecer los

aceros. Templando lo suficientemente rápido, desde el campo austenítico, para evitar que la transformación

eutectoide controlada por la difusión se produzca, el acero se transforma en martensita.

La martensita describe al producto de la transformación sin difusión. Se llama martensita al producto de

cualquier transformación en la que desde el comienzo hasta completarse los movimientos atómicos

individuales son menores de un espaciado interatómico. Por la forma tan rápida en que cambian de posición

los átomos en esta transformación se la denomina militar, en contraposición a las controladas por la difusión

que se denominan civiles.

Cualquier material, metales, aleaciones, cerámicos y compuestos, si se les enfría suficientemente rápido,

para evitar una transformación de difusión, pueden dar transformación martensítica.

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6 DESARROLLO DEL PROYECTO

Para poder contextualizar el desarrollo del proyecto se ve la necesidad de aportar temas que brinden mayor

información acerca del área de desarrollo. Los temas son los siguientes:

Acero AISI/SAE1045.

Propiedades

Es un acero utilizado cuando la resistencia y la dureza son necesarias en condición de suministro. Este acero

de medio carbono puede ser forjado con matillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por

llama o inducción pero no es recomendado para cementación o cianurado. Por su dureza y tenacidad es

adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.

Composición Química (Valores promedio, %)

C

Mn Cr P S

0.43

0.50

0.60

-

0.90

0.70 -

0.90

0.035

máx.

0.040

máx.

Tabla1. Composición química del acero AISI/SAE 1045. (“Development of High Carbon HISTORY Steel Tube with Excellent Formability”

KAWASAKI STEEL TECHNICAL REPORT No. 47 December 2002).

Preparación metalográfica y toma de valores iniciales.

Fueron preparadas metalográficamente, seis probetas del material, buscando estudiar una en estado de

entrega, y las demás, a diferentes tiempos de permanencia en el tratamiento isotérmico.

Ac1 °C = 723 − 7.08 Mn + 37.7 Si + 18.1 Cr + 44.2 Mo + 8.95 Ni + 50.1 V + 21.7 Al + 3.18 W

+ 297 S − 830 N − 11.5 C Si − 14.0 Mn Si − 3.10 Si Cr − 57.9 C Mo − 15.5 Mn Mo

− 5.28 C Ni − 6.0 Mn Ni + 6.77 Si Ni – 0.80 Cr Ni – 27.4 C V + 30.8 Mo V

− 0.84 Cr2 – 3.46 Mo2 – 0.46 Ni2 − 28 V2

(1)

A3 °C = 912 − 203 √%C + 15.2(%Ni) + 44.7(%Si) + 104(%V) + 31.5(%Mo) + 13.1(%W)

− 30(%Mn) − 11(%Cr) − 20(%Cu) + 700(%P) + 400(%Al) + 120 (%As)

+ 400(%Ti)

(2)

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𝑨𝟑 𝑨𝟏

789 °C 723 °C

Tabla 2. Temperaturas intercríticas para el acero AISI/SAE 1045

Una vez obtenidos estos datos, se procede a llevar las probetas a la mufla para que estas alcancen una

temperatura de 770°C. La cual está en medio de las temperaturas intercríticas del acero. Seguido de esto, se

enfriaron hasta 550°C, para luego, introducirlos a una mufla previamente calentada a 550°C, que es la

temperatura de intervalo perlítico para el acero 1045.

Para cada probeta fue asignado un tiempo de permanencia diferente en la mufla a 550°C, buscando observar

el comportamiento microestructural de cada una.

Figura 2. Preparación metalográfica

Figura 3. Grafica temperatura vs tiempo del tratamiento térmico

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Temperatura A3 A1

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Una vez que se hicieron los tratamientos térmicos, las probetas fueron preparadas metalográficamente

mediante un proceso de pulido, comenzando en la lija número 80, y llegando hasta la número 2000 para

garantizar la eliminación de cada una de las imperfecciones (como grietas y desniveles). Posteriormente se

realizó el pulido con rubí blanco para darle el brillo adecuado y quitarle las pequeñas grietas que se pudieran

presentar. Por medio de la pulidora metalográfica, se dio el correcto acabado a las probetas, y éstas fueron

atacadas con ácido nítrico y alcohol, más conocido como nital.

Figura 4.elementos para realización del ataque.

Cuando las probetas se atacaron con el reactivo, fueron observadas en el microscopio metalográfico óptico,

y posteriormente se les realizó una prueba de dureza.

Figura 5. Probetas después de la prueba de dureza.

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7 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Tratamiento

(tiempo de

permanencia)

Aumentos X500

Aumentos X1000

Sin

Tratar

5

minutos

15

minutos

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15

30

minutos

1 hora

2 horas

Tabla 3. Microestructuras obtenidas

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75

80

85

90

95

100

du

reza

en

HR

B

TIEMPO DE PERMANENCIA EN MINUTOS

TABLA DE DUREZAS

DUREZA 1 DUREZA 2

Cabe resaltar que en cada una de las figuras mostradas del acero AISI/SAE 1045, hay ausencia de martensita,

esto se debe a que la velocidad de enfriamiento de cada una de las probetas fue relativamente lenta

(enfriamiento a temperatura ambiente). Se observa una microestructura ferritico – perlitica, la ferrita se

aprecia en tono claro, y las zonas oscuras son los granos de perlita. En algunas imágenes se evidencia la

aparición (supliendo la aparición de martensita) de un tipo de perlita conocida como gruesa. A pesar del

cambio en los tiempos de permanencia en el tratamiento térmico de cada una de las probetas, se puede notar

que no hay un cambio representativo en los componentes de la microestructura, si no que se evidencia un

cambio solamente en la organización de la misma.

DUREZAS OBTENIDAS

Tabla 4. Valores de dureza Figura 6. Grafica de durezas

Tiempo de

permanencia en el

tratamiento

Valor de dureza

acero AISI/SAE

1045

Estado de entrega 95.12 HRB

98.2 HRB

5 minutos 92.2 HRB

91.36 HRB

5 minutos 91.4 HRB

92.32 HRB

30 minutos 90.44 HRB

90.42 HRB

60 minutos 86.84 HRB

87.22 HRB

120 minutos 85.08 HRB

84.28 HRB

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8 CONCLUSIONES

Los cambios en los valores de dureza, se manifiestan en mayor proporción, cuando los tiempos de

permanencia en la segunda parte del tratamiento térmico son mayores, debido a que en la primera

etapa de este no se suprimieron las trasformaciones inducidas por difusión, es decir, las condiciones

de enfriamiento fueron las ideales para no permitir el endurecimiento del material. Debido a esto,

cuando se inicia la segunda etapa del tratamiento, los valores de dureza son similares a los iniciales.

Las condiciones en la segunda etapa del tratamiento térmico fueron ideales para que el material

presentara una disminución en sus valores de dureza proporcional al tiempo de permanencia en el

tratamiento térmico.

La evolución en la microestructura de cada una de las probetas, no se hace notoria en el cambio de

sus componentes, sino en una diferente organización de los mismos. Esto se debe a que, al ser un

tratamiento térmico difusional, y al ser lo suficientemente lento el tiempo de enfriamiento y al saber

que la austenita tiene una composición homogénea, la ferrita nuclea a partir de la austenita,

precediendo la formación de perlita, que nuclea a partir de las fases de ferrita que se crean en el

límite de grano.

El enfriamiento en el tratamiento térmico, no fue lo suficientemente rápido para generar la aparición

de martensita en las microestructuras, debido a que esta fase es característica de tratamientos

térmicos con enfriamientos a altas velocidades, en los cuales no se evidencia el proceso de difusión,

contribuyendo así al no endurecimiento del material.

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9 BIBLIOGRAFIA

1. TOMÉ Marincovich, Yury. Manual de procedimientos para tratamientos térmicos de la empresa

industrias varias nacional (invanal). Agosto de 2006.

2. ASM, metals Handbook volume 9 Casting, ASM, 1992. 937 p.

3. ASM, metals Handbook Volume 9 Metallography and Microestructures. ASM International, 1998.

775 p.

4. VALENCIA Asdrubal. Tecnología del tratamiento térmico de los Metales. Medellín. 2 ed.

Universidad de Antioquia, 1992. 630 p.

5. CALVO F.A. Metalografía práctica. Ed. Alhambra. Madrid, 1972. p. 18-29.

6. MERINO Casals, Concepción. Trasformaciones en estado sólido difusionales y no difusionales.

Departamento de ciencias de los materiales e ingeniería metalúrgica, Madrid, 2012. P 294-

339.

7. UNLP. Estructura y Propiedades de las Aleaciones, Cap.8, Dureza y templabilidad en aceros,

facultad de ingeniería, p.1-15.

8. Krielaart, G., Brakman, C., Van Der Zwaag, S. Analysis of phase transformation in Fe-C alloys

using differential scanning calorimetry. Journal of Materials Science. 1992 vol. 3, p. 1501–1508.