Ganim Perez Solis TP4 Corregido

8/17/2019 Ganim Perez Solis TP4 Corregido

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TP4: Templabilidad Página 1

Universidad Nacional de Mar del PlataFacultad de Ingeniería

Materiales Mecánicos

Trabajo Práctico Nº 4

Templabilidad

Integrantes de la comisión:

APELLIDO Y NOMBRE MATRÍCULA

Ganim Esteban 11653

Perez Cristian 11834

Solis Etchegoin Leandro 12459

14:38 , 19/05/20


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INDICE

Objetivo de la práctica de laboratorio 3

Metodología experimental 4

Procedimiento del ensayo Jominy 5

Ensayo micrográfico 7

Ensayo de dureza de las piezas 8

Cálculo de Diámetro Crítico Ideal 12

Conclusión del trabajo de laboratorio 17

Cuestionario 18


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Objetivo de la práctica de laboratorio:

En esta práctica de laboratorio se tomará contacto con el proceso de un ensayo Jominy,

a través del cual se obtendrá la información necesaria para poder obtener la templabilidad

de los materiales a ensayar.

Se busca obtener la templabilidad de los materiales como parámetro ya que esta

propiedad por definición determina la profundidad y distribución de durezas inducidas en

el temple. Se utiliza el ensayo Jominy pues el mismo utiliza una metodología normalizada

de trabajo con el fin de independizarse en todo momento de las condiciones de

enfriamiento de la pieza, es decir que este ensayo solo tomará como variable el tipo de

material.

Para relacionar todos estos conceptos se utilizarán además de las normas del proceso

de medición, las curvas Jominy y de Lamont que se encuentran tabuladas y relacionan

distintas variables involucradas en el proceso, pero quedará como análisis de quien realice

la experiencia el reconocer todas las variables para poder determinar cuál gráfica es la

adecuada y que datos se relacionan entre ellas.

El material solo podrá aportar como dato para la determinación de la templabilidad, su

Diámetro Crítico Ideal Di el cual se podrá obtener de dos maneras:

Forma teórica: Se realizará un cálculo teórico utilizando factores que ponderan lainfluencia de los elementos de aleación y del tamaño de grano del acero, sobre la

posición de las curvas de transformación. El producto de estos factores da como

resultado el Di.

Forma práctica: Se obtiene el Di mediante el uso del ensayo de templabilidad,

conocido como Ensayo Jominy.


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Metodología Experimental

Para obtener el Di del material se utilizará el método práctico que consiste en

realizarle a la pieza un ensayo de templabilidad, también llamado Ensayo Jominy. Este

ensayo se caracteriza por estar normalizados tanto sus procedimientos como las piezas

que componen del dispositivo. La normalización otorgará a todo el proceso una total

independencia de las condiciones de enfriamiento y por lo tanto los resultados obtenidos

solo dependerán del material sobre el que se realice dicho ensayo.

Este ensayo reproduce en una probeta normalizada un rango amplio de

velocidades de enfriamiento. Para lograrlo, se coloca la probeta en un dispositivo de

ensayo como se observa en la figura de arriba, y es enfriada por un extremo con un chorro

de agua. Se podrá observar que la Ve es máxima en el extremo inferior y que dicha

velocidad disminuyo al alejarse del mismo.

En cuanto a los detalles constructivos del dispositivo, a continuación se expresan

las medidas de probeta, soporte y boquilla de agua junto con sus distancias relativas.


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Se puede observar en la imagen que la calibración del caudal de agua para el

ensayo exige que la altura libre del chorro debe ser de aproximadamente 65 mm.

Procedimiento de ensayo Jominy de la pieza:

Una vez preparada la probeta con las dimensiones especificadas, se deberá colocar

la probeta en un horno que esté a la temperatura especificada por la norma, la cual se

basa en la temperatura de austenizado del material a ensayar. Hay que recordar que dicha

temperatura no podrá superar notablemente la temperatura de austenizado ya que

comenzaría a crecer grano en el material y no es el resultado deseado.

Antes de colocar la probeta se deberá contar con un sistema para controlar la

atmosfera del horno, ya que como se analizó en trabajos anteriores, el acero se vuelve

muy reactivo a esas temperaturas y tiene a reaccionar con el oxígeno presente en el horno

y pierde porcentaje de carbono que se libera en forma de dióxido de carbono a la

atmosfera. En este caso la atmosfera se controlará colocando la probeta en una caja con

carbonilla y viruta rica en carbono, saturando la atmosfera de carbono y afectando demanera casi despreciable la composición química de la probeta.

Una vez colocada la probeta en el horno se deberá mantenerla a esta temperatura

constante por 30 minutos, ya que en ese tiempo puede considerarse de que solo una

pequeña capa poco profunda de la misma podría perder carbono, pero que en caso de

suceder o no se corregirá luego a través del mecanizado.


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Una vez alcanzado el tiempo se deberá contar con todos los elementos preparados

para comenzar rápidamente el proceso, ya que la norma exige que para que la pieza no

sufra cambios, deberá transcurrir como máximo 5 segundos desde que se abre el horno

hasta que se coloca en el dispositivo.

Dentro del dispositivo se considerará que la extracción de calor por la superficie

lateral se desprecia, y solo se produce por la cara inferior o extremo templado.

El gradiente de temperatura se podrá evidenciar como un frente oscuro avanzando

sobre la pieza “al rojo”. Luego con las mediciones de dureza se podrá corroborar que la Ve

disminuye con la distancia al extremo templado o distancia Jominy (dj), y que resultaindependiente del material.

La pieza deberá permanecer en el dispositivo al menos 10 minutos, ya que pasado

este tiempo se considera que el enfriamiento no tendrá más efecto sobre el parámetro a

medir.

Una vez quitada la probeta del dispositivo se deberá realizarle un mecanizado para

quitar la posibilidad de un cambio en la composición de carbono en la superficie. Dicho

mecanizado consiste en realizar una generatriz de 2’’, para lo cual se rectifica un plano de

aproximadamente 4 mm de ancho a lo largo de la probeta.

Una vez mecanizada se procederá a obtener un perfil de durezas o curva Jominy

dependiente de la dj y del acero empleado. Recordar que la norma expresa que entre dos

planos paralelos no se puede diferir más de 4 HRC uno de otro. De producirse esta

diferencia se deberán ensayar los planos ubicados a 90º de estos, y si se volviese a

obtener esta diferencia, la norma exige en volver a realizar de nuevo la experiencia.


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Ensayo de micrografía:

En este ensayo se realizará un contraste entre la teoría y la práctica para

corroborar si los resultados propuestos por las tablas se asemejan a la realidad. Para ello

se realiza a la probeta Jominy un pulido metalográfico el cual deja la pieza con un acabado

“espejo” y se le realiza un ataque químico para poder diferenciar las fases en elmicroscopio. El resultado deberá evidenciar el efecto del gradiente de temperatura, el

cual afectará la dureza de distinta manera dependiendo del material y en función de la

distancia del extremo templado.

SAE 1045:

Al colocar la pieza en el microscopio hay que tener en cuenta que la

visualización será complicada justo en el extremo templado de la pieza ya

que los bordes suelen estar redondeados debido al mecanizado. Para evitar

lecturas incorrectas del material se comienza a analizar 1 mm más adentro

aproximadamente.

En la pantalla se puede observar M (martensita) hasta los 2.5 mm para

adentro (siempre distancias relativas al extremo templado), donde empieza

a aparecer bainita. Pasando los 3.5 mm ya queda muy poca martensita, y

llegando los 5 mm se puede observar que el material es casi todo perlita y

ferrita pro eutectoide. La martensita se distingue en la pantalla ya que por

lo general se hace presente formando ángulos de 60º y 120º.

Los cambios notables se pudieron observar en los primeros 5 mm del

material, como se corresponde con un acero de baja templabilidad como es

el SAE 1045.

SAE 4140:

Aquí se comenzó a analizar a los 2 mm del extremo templado y se puede

observar 100% de martensita, situación que se repite en cada visualización

hasta los 7 mm.

Recién llegando a los 7.5 mm se comienza a observar la bainita pero en

pequeña cantidad en relación al porcentaje de martensita presente.

A 20 mm del extremo templado se encuentra que la estructura es

prácticamente toda bainita con algunas colonias de fases que sin conocer lahistoria del material es difícil de predecir.

Como se puede observar los cambios en la estructura aparecieron mucho

después que en acero 1045, como era de esperarse de un material de alta

templabilidad.


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Ensayo de dureza de las piezas:

La metodología de la toma de durezas de un ensayo Jominy consiste en

tomar la primera medición a 1 mm del extremo templado, luego se realizan

cada 2 mm hasta llegar a alejarse 25 mm del extremo. Luego se continúa

tomando una medida cada 5 mm hasta llegar a alejarse a 50 mm delextremo libre (aproximadamente 2’’).

Se analizó la dureza de dos piezas medida en HRC, ya que se trata de

material templado y se necesitarán medir altas durezas y Rockwell C se

realiza con una punta de diamante. Los valores que se obtuvieron son:

Dj [mm] HRC Dj [mm] HRC

1 53 1 51

3 52 3 52

5 53 5 33

7 52 7 30

9 52 9 28

11 52 11 28

13 52 13 27

15 52 15 26

17 52 17 25

19 52 19 23

21 52 21 23

23 51 23 22

25 50 25 21

30 51 30 20

35 50 35 18

40 50 40 17

45 48 45 16

50 50 50 15

Es importante aclarar que en la tabla de la izquierda se descartará la medida a los 45 mm

de dj ya que se produjo un error en la medición. Un error también se presentó en la tabla

de la derecha en las primeras mediciones ya que al ensayar se levantaba el extremo libre,

pudiendo haber alterado (o no) la dureza de la pieza.


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A pesar de que no se hizo referencia a que tipo de pieza se le estaba realizando el ensayo

de dureza, luego del análisis de microscopía que se ensayó, se puede concluir que la tabla

de la izquierda corresponde a un acero del tipo SAE 4340, ya que su dureza prácticamente

no presenta cambios en el tramo analizado, tal cual anunciaba cuando se analizó en el

microscopio y se clasificaba como un acero altamente templable.

Por otro lado se encuentra el SAE 1045 el cual presenta una gran variación en sus durezasa medida que aumenta la distancia Jominy, esto como se dijo anteriormente es una

característica común de los aceros de baja templabilidad.

Para corroborar si está bien el acero que se propuso se analizará la curva de

dureza en función de la distancia Jominy que se asemeje a los resultados

obtenidos.

47

48

49

50

51

52

53

54

0 10 20 30 40 50 60

H R C

dj [mm]

Acero 1 (SAE 4340)


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Todos los valores de dureza obtenidos en función de la distancia Jominy se

corresponden con los de la banda de templabilidad de un acero del tipo SAE

4340. Por lo tanto se puede concluir que fue correcta la suposición de quese trataba de este acero. Se toma como referencia una banda de

templabilidad y no una curva ya que las composiciones normalizadas de los

aceros se encuentran dadas por intervalos, es decir que pueden variar, y

con ellas varía la dureza de los mismos.


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Se puede contrastar ahora los valores de dureza obtenidos con los de la banda de

templabilidad de un 1045 y se podrá concluir de que todos los valores se corresponden,

por lo que fue correcto lo propuesto.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60

H R C

dj [mm]

Acero 2 (SAE 1045)


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Calculo del diámetro crítico de los materiales:

El diámetro crítico ideal del redondo se define como el diámetro mayor del redondo para

el cual se asegura que se tendrá en el centro del mismo un mínimo de 50% martensita.

Para obtenerlo se utilizarán las curvas que relacionan Dureza en función del porcentaje decarbono del acero estudiado y con distintas curvas, cada una correspondiente a un un

porcentaje de martensita, la cual variará según el criterio tomado.

SAE 4340:

Para un 0.4% de Carbono se obtuvo una dureza de 44 HRC aproximadamente, por lo

tanto ahora se busca con la curva relevada en la práctica a que dj corresponde esa dureza.

Pero como no se llegó a relevar una distancia Jominy para esa dureza, se utiliza la curva

teórica para encontrarla:


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Como se observa, la dureza se va a obtener a una dj = 38 mm. Para continuar se aclara

que como el diámetro buscado es el ideal, por definición el mismo corresponde a un

medio ideal, es decir H (severidad del medio) = infinito. Por lo que entrando con las Curvas

de Lamont para una relación de R/r = 0 (ya que se analiza el centro de la pieza) se obtiene

que el diámetro crítico ideal para el SAE 4340 para un mínimo de 50% de martensita en el

centro se encuentra a aproximadamente 146 mm.


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SAE 1045:

Se realiza el mismo proceso que el caso anterior:


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Para un 0.45% de Carbono se obtuvo una dureza de 46 HRC aproximadamente, por lo

tanto ahora se busca con la curva relevada en la práctica a que dj corresponde esa dureza:

Se observa que la distancia Jominy obtenida fue de aproximadamente 5 mm. Por lo tanto

se analiza la curva de Lamont correspondiente para encontrar su diámetro crítico idea:


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Como se observa, en este caso el diámetro crítico ideal del SAE 1045 se encuentra

aproximadamente a los 44 mm.


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Conclusión del trabajo de laboratorio

Si bien se entiende que se produjeron errores en la toma de datos de la dureza, se

puede concluir que el ensayo fue exitoso del punto de vista que los resultados obtenidosen la experiencia se correspondieron en todo momento con los de la teoría. En cuanto a

los aceros se pudo comprobar con un gran margen de seguridad de que tipo de acero se

estaba estudiando, comprobando que el ensayo Jominy solo depende del material. Se

pudo observar también como se distribuyen las durezas en función de la distancia relativa

al extremo templado en una probeta Jominy normalizada y que como se evidenció, la

misma depende de la velocidad de enfriamiento. La templabilidad de los aceros también

resultó ser un excelente parámetro para diferenciarlos, ya que en este caso se analizaron

dos aceros de muy similar porcentaje de carbono, y aun así las características de

templabilidad mostraron las grandes diferencias que pueden existir entre un acero poco

templable (SAE 1045) y uno de alta templabilidad (4340), principalmente se pudo observar

esta notable diferencia en su diámetro crítico, los cuales dieron con una diferencia de masde 100mm.


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Cuestionario

1- Templabilidad de un acero

La templabilidad es la habilidad del material para adquirir la estructura del temple.

Es una propiedad que determina la profundidad y la distribución de la dureza producida por un

temple, es decir, la facilidad para formar martensita a una mayor profundidad, dificultando la

aparición de otros productos de transformación. La templabilidad en un acero depende de la

microestructura, es decir:

- De la composición química del acero

- Del tamaño del grano austenítico

- De la estructura del acero antes del temple

Y, por lo tanto, de la competencia entre la velocidad crítica y la velocidad de enfriamiento:

Si en el centro de la pieza ve>vc, entonces, la sección completa estará compuesta por

martensita.

Si la ve>vc en la superficie, y la ve


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Tamaño de la pieza y posición dentro de la mismaLa 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 superficie-

volumen.

En un cilindro de diámetro D y largo h, la relación

superficie-volumen será igual a 4/D.

Para un volumen constante la ve aumenta si disminuye

D.

Si se mantiene constantes la severidad del medio y la

posición dentro del redondo, la ve disminuye si D

aumenta.

Manteniendo constantes H y D, entonces vei aumenta siri también aumenta.


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2- Se tiene un redondo de 20 mm de diámetro, construido de un acero cuya templabilidad Dci es

50.8 mm (50%M). ¿Cuál es la severidad mínima del medio en que debo templarlo para lograr un

temple correcto? ¿Y para lograr un temple perfecto (99.9%M)? Indique en función de las

severidades de temple obtenidas que medio de enfriamiento utilizaría para realizar el

tratamiento térmico.

De las curvas de equivalencia de diámetros críticos ideales y diámetros críticos para diversas

severidades de temple podemos obtener de la simple lectura la menor severidad mínima para

lograr un temple de 50% de martensita en el centro del redondo.

Podemos lograr esta severidad con un medio como el aceite, con un movimiento de moderado a

acentuado.

Para lograr un 99,9% de martensita necesitaremos una mayor severidad del medio, ingresamos a

las curvas de relación entre Di para 50%M y Dr para otros %M.


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Obtenemos Di99,9%=1,2’’, luego volvemos a ingresar a las curvas Di vs Dc para distintas severidades

:

Necesitamos un medio con Hmin=2, que podemos lograrlo con agua agitada fuerte, o salmuera

quieta a moderada.


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3- La sección resistente de una pieza tiene un diámetro de 27 mm. Dada la forma complicada del

resto no puede templarse en un medio de severidad mayor que H = 0,4. ¿Con qué acero la debo

fabricar, considerando que en el temple debo lograr 50% de martensita en el núcleo?

De las curvas de Lamont para R-r=0 obtengo la distancia Jominy.

Obtenemos una distancia al extremo templado .

Debemos probar si pueden usarse o no, los aceros disponibles, y cuál es el más conveniente.

Contamos con las curvas de Jominy para los aceros SAE 1045, 4140, y 1045.

Comenzamos probando si es posible utilizar un 1045 para lograr 50% M en el núcleo.

Buscamos la dureza mínima que debería tener el centro un acero de 45% de carbono con un

templado de 50%M en su centro.

Hrc min=45


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De las curvas de dureza vs % de carbono, vemos que en un acero de 0,4% de carbono para un

50%M corresponde una dureza Hrc=43.

Ahora debemos ver si podemos obtener esta dureza templando un acero 4140 con sección de

27mm en un medio de severidad H=4.

Como resultado podemos decir que se puede utilizar este acero para la pieza que se pide, pero no

es la única opción, si analizamos el acero 4340 vemos que también se puede utilizar, y tiene unatemplabilidad mayor que el 4140.


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De la tabla anterior, podemos leer una velocidad de enfriamiento de:

Ve= 23,3 ºC/seg a 704ºC

5- Sabiendo que el Dci del 4140 es 106,6mm, ¿Puede ser que un redondo de 125mm haya

templado correctamente? En caso de que su respuesta sea “sí” justifique y calcule la severidad

de enfriamiento mínima.

Primero calculamos la dureza esperada para el centro del redondo con un 50% de martensita en el

centro.

Como se observa para un acero 4140, es decir, un acero con 0,4% de Carbono, se obtiene:

HRC= 43

Luego de la siguiente curva, que relaciona, la distancia Jominy con la dureza, para el acero 4140,

entrando con el valor de dureza antes hallado, podemos determinar la distancia Jominy, que estáen un intervalo entre:


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D j= 23-50 mm

Luego, dado que estamos analizando el centro del redondo, elegimos la curva de Lamont para

r/R=0:


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Luego, aquí se observa, que para el rango de distancias Jominys obtenidas de la curva de dureza

anterior, a partir de 30mm el diámetro del redondo de 125mm es posible obtenerse para distintos

grados de severidad. Suponiendo el caso de una distancia jominy de 50mm, la severidad de

enfriamiento es aproximadamente 0,6. A partir de este valor, si la distancia jominy disminuye,

deberá aumentar la severidad para poder templar correctamente el redondo de 125mm de

diámetro.


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6- ¿Qué dureza máxima puedo lograr en el centro de un redondo de 105 mm de acero SAE 4140

cuando se templa en aceite moderadamente agitado (H = 0,35)?

Considerando un 4140 promedio, ¿Se templa correctamente según el criterio del 50% de

martensita? En caso de no templarse correctamente, determinar la severidad de temple

necesaria para lograr el temple correcto.

Primero obtenemos la distancia jominy, para el redondo de 105mm de diamtro y templado en

aceite, con H=0,35.

Luego en la curva d j vs dureza, determinamos la dureza máxima y mínima, correspondiente a la

distancia jominy obtenida anteriormente.

Para este caso, la dureza máxima que se puede obtener es de 44 HRC.

Considerando un 4140 promedio, la distancia jominy es: (50-16)/2 + 16 = 32mm

Luego, con esta distancia jominy y sabiendo el diámetro del redondo, para cumplir con el criterio

de temple de 50% de martensita en el centro, debemos enfriar con agua sin agitación, es decir,

severidad H=0,9.


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Obteniendo una dureza de temple de aproximadamente 48 HRC.

Ahora, para saber cuál es la temperatura correcta de temple, debemos saber el porcentaje de

carbono en el acero, el cual para el caso del acero AISI 1045 es de alrededor del 0,40%.

Con ambos datos podemos entrar en la curva que relaciona porcentaje de carbono con la dureza

para calcular la temperatura de revenido:

De aquí obtenemos la temperatura de revenido, la cual es aproximadamente igual a 500 F. los

cuales equivalen a 260ª C.

Podríamos haber usado otros aceros, con distinta composición de Carbono, para lograr una dureza

que satisfaga la dureza requerida de revenido, de forma tal que se logre una mayor tenacidad,


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utilizando para esto menores porcentajes de carbono, para encontrar otros aceros, utilizamos la

dureza de temple encontrada previamente (48 HRC) y con ella entramos en las siguientes curvas:

Entonces para una misma dureza podemos elegir un acero con % de carbono menor al 0,40%

(acero con: 0.35% C y 90% M, acero con: 0.30% C y 96% M).


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8 - Justifique la disminución de dureza en superficie y centro de redondos de 4140 a medida

que se aumenta su diámetro.

La relación de la dureza con el diámetro del redondo está explicada a través de la

velocidad de enfriamiento, la cual como se estudió a lo largo de este trabajo depende de la

velocidad de enfriamiento.

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

(área por unidad de tiempo). La difusividad térmica de los productos de transformación

austenítica aumenta con la disminución de la temperatura. Para un dado medio de temple, la

difusividad térmica determina la distribución de temperaturas en función de la posición en

cualquier instante de tiempo en el proceso de temple. Las bajas velocidades en las regiones másalejadas de la superficie de la barra dan más tiempo para que se desarrollen las transformaciones

controladas por difusión que provocan menores valores de dureza.

HRC

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