Tp Final Temple Nov 14

8/17/2019 Tp Final Temple Nov 14

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1 INTRODUCCION 1.1 Objetivo Es el de reconocer los cambios en las propiedades mecánicas y morfología microestructural de losaceros 8620 y 4140, antes y después del tratamiento térmico de temple, y en función de lacomposición química y la templabilidad de los aceros tratados.

Para esto se llevaron a cabo ensayos de dureza, tracción, Charpy, y estudios metalográficos.

1.2 Descripción de la metodología de trabajo Se formaron grupos a los que se les designó un tratamiento térmico distinto a cada uno. Luego derealizado el tratamiento asignado se procedió a la realización del ensayo de dureza pertinente, ensayode tracción y de Charpy obteniendo los gráficos y valores para el estudio de sus propiedades.

Por último, se cortaron las probetas en la sección de rotura de las mismas. Se realizó un corte ensentido horizontal y otro en sentido transversal a la fuerza aplicada en el ensayo de tracción. Acontinuación, las muestras se montaron en baquelita, luego se continuo con el desbaste con distintasmedidas de lija y un pulido con paño y alúmina hasta obtener una terminación de espejo; para despuésatacarlo con nital y poder observar las estructuras en microscopio metalográfico; finalmente sacamosimágenes de las muestras para reconocer la estructura que se obtuvo luego del tratamiento térmico.

2 Presentación de los Aceros según Norma AISI - SAE


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2.1 AISI - SAE 4140: Clasificación: Medio % C al Cr-Mo

Composición Química: 0.38-0.43% 0.75-1% Mn 0.2-0.35% Si

0.04% S (Max) 0.035% P (Max) 0.8-1.1% Cr 0.15-0.25% Mo

Propiedades Mecánicas: Alta templabilidad y buena resistencia al impacto, abrasión y fatiga, buena penetración de temple, sin fragilidad de revenido (por su % Mo), apto para esfuerzosde torsión

Dureza: 275-320 HB (29-34 HRC)

Tratamientos Térmicos: Austenizado entre 830-850 ºC y se le da temple en aceite

Revenido: 2 hs a 200 ºC - 57 HRC, a 315 ºC - 50 HRC

Recocido: 2 hs entre 680-720 ºC, luego enfriar a 15 ºC por horahasta 600 ºC finalizando con enfriamiento al aire

2.2 AISI - SAE 8620: Clasificación: Bajo % C al Cr-Ni-Mo

Composición Química 0.18-0.23 %C 0.7-0.9 % Mn 0.035 % P (Max.) 0.04 % S (Max.) 0.15-0.35 % Si 0.4-0.6 % Cr 0.4-0.7 % Ni 0.15-0.25 % Mo

Propiedades Mecánicas: Muy buena dureza superficial, gran tenacidad al núcleo, durezauniforme luego del cementado y baja distorsión luego del TT, poco susceptible alagrietamiento por soldadura (comparado con 4140 y 4340)

Dureza: Normalizado 900-930 ºC: 207 HB, Recocido 850-880 ºC: 197 HB,

Tratamientos Térmicos:

o Temple: Austenizado entre 840-860 ºC, agua o aceite

o Revenido: a 150 ºC no hay pérdida de dureza superficial. Se puedeincrementar tenacidad reviniendo a Tº hasta 260 ºC

o Recocido: 2 hs a 870 ºC, enfriar 30 ºC por hora hasta 650 ºC y dejarenfriar en horno o al aire a Tº ambiente


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3 Desarrollo de la experiencia del templado de probetas 3.1 Temple: Se templó las probetas de aceros 4140 y 8620 llevándolas las probetas a temperaturas austeniticas(820-870°C) a modo de generar un cambio de estructura en el material. Primero de BCC (perlita +ferrita dado que ninguno de los aceros tiene más del 0.8% de carbono) a una estructura FCC

(austenita) manteniendo la temperatura para que se homogenice en toda la pieza, con el objetivo deque no haya cambios estructurales dispares al enfriar, y luego se procedió a enfriar la pieza en un

baño de aceite agitando la pieza logrando una severidad de temple por tabla del 0.8 -1 (ver Anexo 3)

Se tomó las temperaturas del ambiente y la del aceite usando una termocupla k:

T ambiente: 21.9°C

T aceite: 18.3°C

Los tiempos del ciclo térmico respectivo del tratamiento fueron:- Tiempo de calentamiento: 2hs

- Tiempo de mantención de la pieza dentro del horno: 20min

- Tiempo de enfriamiento: 20segs en baño de aceite con agitación

- La temperatura final del medio y de la pieza: 20°C

Se protegió a la pieza contra la descarburación usando viruta de acero


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4140:

Con este grafico podemos esperaruna estructura con un alto grado demartensita casi 100%

8620:

En cambio, en este se observa parte de la transformación ocurrióa Bainita acicular y parte enmartensita.


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4 Ensayo de dureza. Como se sabe que luego de un temple la pieza queda con una dureza comparable con la dureza de la

bolilla de Brinell; se decidió que este método no es representativo para la toma de dureza. Por esoutilizamos el método de dureza Rockwell C con un penetrador de punta de diamante de 120º,especialmente para materiales duros y semiduros.

Se tomaron varias medidas de dureza de los aceros, donde se promediaron los resultados obtenidos

consiguiendo un solo valor representativo.

4.1 Conclusión. Como primera medida, no puede compararse la dureza de los aceros sin tratar con los aceros tratados,ya que no existe un método que abarque rangos de dureza tan lejanos. Siendo la medida mínimasignificativa de Rockwell C 19HRc que son 228 HB, encontrándose los valores tomados de Brinellmucho más abajo.

Comparando los dos aceros tratados podemos observar que la dureza del 4140 es mayor que la

obtenida en el 8620. Esto se debe a que la cantidad de carbono presente en el 4140 me permite obteneruna martensita más dura, y como sabemos la dureza de esta depende del porcentaje de carbono; altener más átomos de carbono en los intersticios de la estructura, estos deforman más la red al no poderdifundir en el rápido enfriamiento, dándole mayor dureza a la martensita.

También hay que aclarar que en el 8620 se obtienen estructuras diversas, tales como ferrita proeutectoide, bainita acicular y martensita; las dos primeras generan un decrecimiento de la dureza porque son estructuras más blandas.

DUREZA SIN TT (Brinell) ACERO SAE 4140 ACERO SAE 8620

1RA MEDICION 189,5 HB 180 HB

2DA MEDICION 190 HB 179,75 HB

3RA MEDICION 190,5 HB 180,30 HB

VALOR FINAL USADO 190 HB 180 HB

DUREZA CON TT (HRC) ACERO SAE 4140 ACERO SAE 8620

1RA MEDICION 48 40

2da MEDICION 49 373ra MEDICION 48 37

VALOR FINAL USADO 48,3 HRC 37 HRC


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5 Ensayo de Tracción.

Las probetas están Normalizadas según norma IRAM IAS 500-102. Con una longitud inicial de100mm y un diámetro inicial de 10mm.

Gráficos obtenidos:

AISI: 4140

Logro una carga máxima de 13.600 KgF

Carga de fluencia: 11.571 KgF (EUL)

No es notoria la zona de fluencia, posee un leve

periodo de deformación plástica. Esto escaracterístico de los aceros frágiles.


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AISI 8620:

Logra una carga máxima de 10.160 KgF.

Carga de fluencia: 9525 KgF

Si bien a simple vista no se nota la zona defluencia, si se hace zoom se observa un levecambio en la pendiente, lo que indica un periodode deformación plástica mayor que el anterior, y

por ende, un comportamiento un poco más dúctil.

Nótese que el ensayo se realizó en diferentes

escalas, por ende el área bajo la curva

(resiliencia) no debe dejarse a interpretación

visual.

5.1 Valores obtenidos:

Con TT 4140 8620

Carga Máxima 13 600 KgF 10 160 KgF

Carga de Fluencia 11 571 KgF 9525 KgF

Tensión Limite deFluencia

147.32 KgF / mm2 121.27 KgF / mm2

Máxima tensiónSoportada

173.16 KgF / mm2 129.36 KgF / mm2

Alargamiento de Rotura 1.5 % 6.7 %

Estricción 4.94% 46.71%


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Fotos de la Rotura:

Se aprecia que en el 4140 la rotura es de forma Plana describiendo una ruptura frágil, en cambio, enla 8620 se observa una del tipo copa cono lo que indica una ductilidad mayor que la primera, aunquesigue una tendencia de rotura frágil. Esto concuerda y afirma lo mencionado previamente sobre losgráficos de tracción.

5.2 Comparación con Acero sin TT.

Gráficos de la maquina:


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AISI 4140: A comparación del templado, sobre este grafico se nota un comportamiento característicode los aceros dúctiles, con los puntos característicos bien definidos, fluencia, rotura, etc.

AISI 8620: Logra una carga máxima de 5030 KgF y una carga de fluencia de 3074 KgF, muchomenos que la obtenida con el temple.

Sin TT 4140 8620

Carga Máxima 5030 KgF 5000 KgF

Carga de Fluencia 3074 KgF KgF

Tensión Limite de Fluencia 39.13 KgF / mm2 31,05 KgF / mm2

Máxima tensión Soportada 64.04 KgF / mm2 63,66 KgF / mm2

Alargamiento de Rotura 19 % 22,5 %

Estricción 49.59 % 56,44 %

Cuadro comparativo:

CON TEMPLE SIN TEMPLE

4140 8620 4140 8620

Rotura Plana(frágil) Plana(frágil) Dúctil Dúctil

Carga Máxima 13 600 KgF 10 160 KgF 5030 KgF 5000 KgF

Carga de Fluencia 11 571 KgF 9525 KgF 3074 KgF 2438 KgF

Tensión Limite deFluencia

147.32 KgF /mm2

121.27 KgF / mm2 39.13 KgF /mm2

31,05 KgF /mm2

Máxima tensiónSoportada

173.16 KgF /mm2

129.36 KgF / mm2 64.04 KgF /mm2

63,66 KgF /mm2

Alargamiento deRotura

1.5 % 6.7 % 19 % 22,5 %

Estricción 4.94 % 46.71 % 49.59 % 56,44 %

5.3 Conclusión: El temple aumenta enormemente las propiedades de carga y fluencia con respecto al material base;Pero su alargamiento y la estricción decrecen en gran medida.

Si comparamos los 2 resultados:

Para el caso del 4140 se incrementó un 36.98% su carga de rotura y un 26.53% su carga de fluencia.Como contraparte, se percibió un alargamiento de rotura de 1.5% templado, contra 6.7% sin Templar.


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En cambio, el 8620 logro incrementar un 49.21% Su carga de ruptura, y un 25.57% su carga defluencia. Como contraparte, se percibió un alargamiento de rotura del 6.7 % contra un 22.5% sinTemplar.

13600

11571

101609525

5030

3074

5000

2438,66

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Carga Maxima Carga de Fluencia

4140 Templado 8620 Templado

4140 Sin templar 8620 Sin templar173,16

147,32

129,36121,27

64,04

39,13

63,66

31,05

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Maxima Tension Soportada Tension Limite de Fluencia

4140 Templado 8620 Templado

4140 Sin templar 8620 Sin templar

1,50%

19%

6,70%

22,50%

0,00%

5,00%

10,00%

15,00%

20,00%

25,00%

Alargamiento de Rotura

4140 Templado 4140 Sin templar


4,94%

49,59%46,71%

56,44%

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

Estriccion




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6 Micrografías 6.1 Inclusiones

Inclusiones 4140 tamaño D2

Inclusiones 8620 tamaño D3


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6.2 4140 Templado vs Sin Tratamiento A continuación se ilustran las micrografías del Acero SAE 4140

Aumento X100

Sin Tratamiento Templado – Corte paralelo al eje

Templado – Corte transversal al eje

Podemos observar la unión de los bordes de tres granos con el característico ángulo de 120 grados.


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X400

Sin tratamiento Templado – Corte paralelo al eje

Templado – Corte perpendicular al eje


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X1000

Sin tratamiento Templado – Corte paralelo al eje


Se observa como se esperaba del análisis de las cuvas de las “s”, obtenemos

El mayor contenido de carbono, lo que mejora la templabilidad, por esto observamos mayor porcentaje de estructuras martensiticas que en las inclusiones de 8620.

Al haber sido una rotura frágil, no hubo deformación plástica. Esto implica la imposibilidad deobservar una dirección preferencial en deformación de estructuras. Por esto las micrografías en losdos cortes del 4140 templado son muy similares.

Se puede ver un alto grado de desorden en las estructuras del material y la distribución misma de la

martensita concordando con lo buscado en la bibliografía, que al realizarse el cambio de estructuraaustenitica a martensitica para un acero del menos 0.6% de carbono, se debe observar un alto gradode desorden en la estructura.

No se reconocen bordes de grano porque la alta distorsión contenida en las estructuras de martensitagenera que el ataque preferencial ataque a estas antes que a los bordes de grano. Al no poder visualizar

bordes de grano, se hace imposible estimar un tamaño de grano.

En el material sin tratamiento térmico observamos una matriz de granos de ferrita sobre los quesolidificaron granos de perlita. Esto se contrasta con la formación de agujas de martensita en elmaterial templado donde no llegó a difundir el carbono.


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6.3 8620 Templado vs Normalizado A continuación se ilustran las micrografías del Acero SAE 8620

Aumento X100

Templado – Corte paralelo al eje



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Aumento X400

Normalizado – Corte paralelo al eje Templado – Corte paralelo al eje

Normalizado – Corte perpendicular al eje Templado – Corte perpendicular al eje

Aumento X1000

Normalizado – Corte paralelo al eje Templado – Corte paralelo al eje

Normalizado – Corte perpendicular al eje Templado – Corte perpendicular al eje


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Se observa una estructura intermedia entre bainita acicular y martensita en una matriz de ferrita pro-eutectoide. En las curvas de las “s” se observa que es imposible obtener un 100% de martensita. Estose puede explicar con el contenido de aleantes en el acero.

En este acero tampoco se pueden reconocer bordes de grano ni estimar el tamaño de grano

Al haber también sido una rotura frágil, tampoco se observa una dirección preferencial de lasestructuras que podría provocar la deformación plástica. Por esto las micrografías en los dos cortesdel 8620 son muy similares.

6.4 Conclusión de micrografías No se observa evidencia de una deformación plástica. El acero 4140 presenta estructura martensiticaen matriz de ferrita mientras que el 8620 presenta una estructura intermedia entre bainita acicular ymartensita sobre matriz de ferrita.


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7 Charpy 7.1 Desarrollo del ensayo El ensayo consistió en la medición de la energía absorbida por las probetas y mediante el uso de unsoftware adaptado a la máquina de charpy pudimos obtener esa energía y también la resiliencia(energía absorbida por área hasta la rotura)

7.2 Datos obtenidos Solamente había probetas de 4140

Medición Energía absorbida (joule) Resiliencia (Joule/cmm2)

1 1.757 2.196

2 1.757 2.196

3 2.1098 2.6372

7.3 Imágenes de la fractura


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7.4 Conclusión

La probeta muestra una muy poca energía absorbida, esto se lo puede explicar dado que el acero 4140a temperatura ambiente ya se encuentra en periodo frágil al analizar su grafico de transición.


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8 Conclusión final

Dados los valores obtenidos se puede apreciar que los aceros con microestructura Martensítica sonlos más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles.

La presencia de Martensita sin revenir genera enormes tensiones internas, hasta el punto detransformar un acero muy dúctil, en extremadamente frágil.

Pudimos reconocer las estructuras que se esperábamos obtener de acuerdo a lo visto en la teoría.


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9 Anexos

9.1 Dureza Introducción

La dureza podemos definirla como la mayor o menor resistencia que un cuerpo opone a ser rayado o penetrado por otro, o bien será la mayor o menor dureza de un cuerpo respecto a otro tomado como

elemento de comparación.

La determinación de la dureza por cualquiera de los métodos a adoptar, nos dará una idea muyaproximada de la resistencia del material a la tracción, de la intensidad del tratamiento térmico y desu aptitud al desgaste y mecanizado.

El ensayo de dureza es una manera rápida y no destructiva para determinar una de las característicasmás importantes de los metales, sumado al conocimiento que debe tenerse sobre las variaciones enlas propiedades de los metales tratados térmicamente.

Como tenemos unos materiales templados (sin revenir), luego del tratamiento térmico quedandemasiado duros y tensionados como para hacer dureza Brinell (bolilla de acero templada), por estomismo optamos por una dureza Rockwell C con penetrador de cono redondeado de diamante. Elmétodo Brinell está limitado a aquellos metales cuyas durezas no excedan a valores compatibles consu naturaleza (450HB bolilla templada y 650HB bolilla tungsteno). En Rockwell además del

penetrador de diamante, este método se complementa con penetradores esféricos de acero para permitir ampliar la posibilidad de ensayos a cualquier tipo de metal o aleación, que cumpla con lascondiciones dimensionales que exige la determinación.

Dureza Rockwell.

En este método el número representativo de dureza esta dado en función de la medida de la profundidad de penetración permanente, producida en el material por el penetrador al que se le aplicacargas preestablecidas. La relación entre la escala del cuadrante de la máquina de ensayo con esta

penetración permanente, indicara directamente lo que se considera como dureza o número Rockwell,así se evita el cálculo de la relación carga-superficie de la impresión de otro métodos de ensayo. Sitenemos en cuenta que el valor a determinar corresponde a la medida lineal de la profundidad, el

perfecto contacto del penetrador con el material resulta la primera exigencia a tener especialmente encuenta antes del comienzo del ensayo, condición que se asegura aplicando una pequeña precargaconstante en todos los casos de 10 kgf.

9.2 Tracción GeneralidadesEl ensayo de tracción representa el método más ampliamente difundido y versátil cuando se trata dedeterminar las propiedades mecánicas de un determinado material, con miras a ser utilizado en lafabricación de órganos de máquina.Dicho ensayo arrojara como resultado, el grado de la elasticidad del material, expresada por elmódulo de recuperación: si es dúctil o frágil, lo cual es expresado por la tenacidad. Nos dará unvalor muy importante para el dimensionamiento de órganos, como lo es la tensión límite defluencia, como así también la tensión máxima y la tensión de rotura que tiene valores esencialmentecomparativos.


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Normas aplicablesPara la realización del mismo son aplicables las siguientes normas:

Nombre TituloIRAM 102 Productos de acero. Método de ensayo de tracciónIRAM-IAS U 500 102-1 Productos de acero. Método de ensayo de tracción.

Condiciones generales. Steel products. TensilTestingIRAM-IAS U 500 102-2 Barras, alambrones, alambres, chapas y flejes de

acero. Método de ensayo de tracción.Tensil testing of bars, wire rod, wires, sheets andstrips steel

IRAM-IAS U 500 102-3 Chapas y flejes finos de acero (0,5-3 mm deespesor). Método de ensayo de tracción.Tensil textil of Steel sheet and strip, between 0,5and 3mm thick

IRAM-IAS U 500 102-4 Caños y tubos de hacer. Método de ensayo detracción.Tensile testing of steel tubes

IRAM-IAS U 500 102-5 Alambres y barras de acero de diámetro o espesormenor que 4mm. Método de ensayo de tracción.Tensile testing of steel wire, bars, and seccions witha diameter or thickness of less than 4mm

IRAM-IAS U 500108 Máquinas de ensayos de tracción. Métodos deverificación

IRAM-IAS U 500 161-1 Productos de acero, Método de ensayo de tracción atemperatura elevada.Condiciones generales.Steel products. Tensile testing at elevatedtemperatures

IRAM-IAS U 500 161-2 Barras, alambrones, alambres, chapas y flejes deacero. Método de ensayo de tracción a temperaturaelevadaTensile testing of Steel bars, wire rod, wires, sheet

and strip at elevated temperatureIRAM-IAS U 500 161-3 Chapas y flejes finos de acero. Método de ensayo detracción a temperatura elevadaTensile testing of Steel and strip, between 0,5 mmand 3 mm thick at elevated temperature

IRAM-IAS U 500161-4 Caños y tubos de acero. Métodos de ensayo ytracción de temperatura elevada

IRAM-IAS U 500 161-5 Alambres y barras de diámetro o espesor menor que4 mm. Método de ensayo de tracción a elevadatemperatura

Tensile testing of Steel sheet wire, bars and seccionswith a diameter or thickness of less than 4mm at


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elevated temperatureIRAM 559 Productos de cobre y sus aleaciones. Método de

ensayo de tracciónIRAM 581 Cables de acero. Método de ensayo de tracciónIRAM 766 Productos de aluminio y sus aleaciones. Método de

ensayo de tracción

IRAM 1547 Ensayos de tracción por flexión de probetas dehormigón. (Método de la viga simplemente apoyadaen los tercios de la luz)

IRAM-IAS U 500 2608 Caños y tubos de acero. Método de ensayo deTracción

IRAM 6697 Recubrimiento de cañerías. Base de fibra de vidrioy material bituminoso. Método de ensayo detracción normal

IRAM 13316 Plásticos. Ensayo de tracción normal

Conceptos teóricosDel resultado de haber sido sometida una probeta a un esfuerzo axial por intermedio de unamáquina de ensayo especifica o universal, se puede llegar a tomar concepto de las siguientes

propiedades de los materialesElasticidad: Indica la propiedad que tiene el material de volver a sus dimensiones iniciales, luego dehaberse retirado la carga actuantePlasticidad: Indica la propiedad que tiene un material de deformarse de forma permanenteFragilidad: Indica el comportamiento de un material cuando este rompe con ausencia dedeformación permanente

Tenacidad: Es la propiedad de un material de soportar esfuerzos luego del límite de la fluenciaDuctilidad: Indica el comportamiento de un material cando rompe con deformación plásticaResiliencia: Propiedad de absorber energía mecánica por unidad de volumen

Grafico del ensayo:Si analizamos el grafico de ensayo típico de la figura 1 veremos distintas zonas a saber:

Zona OA:Es la zona de deformaciones elásticas o Ley de Hook y por lo tanto representable por una ecuación,

pues la pendiente de la recta OA es la constante de proporcionalidad de esfuerzo (σ) y deformación(ε) el cual se conoce como módulo de elasticidad o módulo de Young

= Módulo de Young

Los aceros presenta la particularidad de que la barra retoma su longitud inicial al cesar la aplicaciónde la carga.

Zona AB: Inicio de deformaciones permanentesZona BC: Fluencia del materialZona CD: Grande deformaciones plásticasZona DE: Estricción. Deformaciones plásticas, localizadas en zonas donde se producirá la rotura.


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D

B C F

A

σmed

O

G E

En los materiales que no tienen no es apreciable el límite de fluencia, a fin de obtener un punto dereferencia para la utilización de dicho material, se define el límite convencional de fluencia, de lasiguiente forma: “tensión en la que se produce una vez suprimida la carga, un alargamiento

permanente”

, = 0,2 0 0⁄ EquipamientoEl ensayo de tracción que nos ocupa se realizara en una maquina universal de ensayos marca“METRO-COM” Modelo M1/M de accionamiento hidráulico. Se denomina universal, ya que nosolamente es posible realizar ensayos de tracción sino que también de flexión, corte, plegado,compresión y dureza brinell. La máquina consta de un pistón perfectamente pulido para evitar

pérdidas, por fricción, accionado hidráulicamente.La carga se mide mediante un pequeño cilindro, cuyo pistón opera (a través de un sistema de

palanca) el péndulo, en el eje el cual se encuentra solidario la aguja indicadora.Esta máquina posee 4 escalas (3-6-15-30 Ton). Los distintos rangos o escala que se obtendráncombinando la posición de la palanca colocada en la parte superior del cilindro de carga con la

colocación del contra peso del péndulo.La presión de aceite necesaria es suministrada por una bomba de pistón accionada por un motoreléctrico. La velocidad del cabezal móvil es variable.La mesa o cabezal fijo puede correrse a lo largo de las columnas y ubicarse a diferentes alturassegún donde se coloquen los aros de sujeción, de manera que podrá modificarse la distancia entremordazas según el tamaño de la muestra a ensayarAsimismo la máquina de ensayo posee un graficado que toma los valores de las cargas a través del

péndulo y los valores de las deformaciones por medio de un hilo inextensible que guiado por poleasacciona el tambor graficado


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Marcha del ensayo:Las secuencias a seguir para la realización de ensayo son las siguientes:Trazar dentro de la longitud calibrada de la probeta, las siguientes marcas de referencia.Medir el diámetro de la probeta con el fin de hallar su sección inicial (S0).Tomar la probeta y colocarla solamente en la mordaza superior móvil.Elegir la escala del ensayo, la que se podrá determinar de antemano con un cálculo de la resistencia

a la tracción del material si esta es conocidaColocar le papel en el graficado.Calibrar la máquina de ensayoAccionar la maquina desde la consola de control para que esta comience a funcionar colocando la

llave reguladora de velocidad de aplicación de la carga en la posición elegida, o sea en este instantese está moviendo el pistón que transmite el movimiento a la masa y está a la mordaza superior.

Nota: la probeta en este momento se encuentra solamente fijada a la mordaza superior.Estando en las condiciones descriptas, accionar la pesa regulable de puesta a cero del dial. Esnecesario repetir esta operación al cambiar de escala o dispositivo colocado sobre la mesa i sujeto ala mordaza móvil, sea tomado en cuenta las lecturas d cargas.Para el movimiento del cabezal y colocar la aguja testigo junto a la aguja comandada.Fijar la probeta a la mordaza de la mesa fijaPosicionar correctamente el graficadorIniciar la aplicación de la carga accionando la llave de velocidad de aplicación de la misma, hasta elvalor elegido.Tomar valores del ensayo.Una vez terminado el ensayo, medir el diámetro mínimo de la rotura con la finalidad de hallar lasección final (Sf ), (dos diámetros normales)Medición de la longitud final. Cabe aquí hacer una aclaración: cuando la rotura se produce dentro

del tercio medio, la medición se realiza directamente uniendo cuidadosamente los trozos y midiendola distancia ente las marcas de referencia, puede darse el caso que esto no suceda, entonces se

procederá de la siguiente manera: (ver figura)Después de designar con “O” la marca más próxima a la sección de la rotura, se procede a marcar

progresivamente las marcas existentes a partir de este origen, como se indica a continuación: en eltrozo corto todas las marcas, hasta la referencia F1, y el trozo largo hasta el punto z, un número demarcas igual a la mitad del número total de divisiones entre las marcas de referencia.Se mide en el trozo corto la distancia entre la marca de referencia F1 y el punto en que la sección derotura corta la recta de referencia, longitud “l'”

En el trozo largo se mide la distancia entre el punto Z y el punto en que la sección de rotura corta larecta de referencia, longitud “l"” Finalmente en el trozo largo se cuenta a partir del punto Z hacia la sección de rotura, el número dedivisiones que faltan al trozo corto para completar la mitad de los totales entre puntos de referenciay se mide esta distancia, longitud “l"'” Para termina el alargamiento de rotura se considera como distancia final entre los puntos dereferencia: l = l' + l" + l'"


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l'"

2= F1 1 0 1 2 3 4 5 =Z 6 F2

l' l"

Relevamiento de los parámetros del ensayoMódulo de recuperaciónSe define como la energía por unida de volumen que puede absorber el material sin deformación

plástica y estará representada en el diagrama por el área encerrada entre los puntos O.A.G

Luego: M.R =

(Kg mm/mm3)

El diagrama de la maquina tiene coordenadas P (Kg); ∆l(mm) para pasar un área del diagrama de la

maquina al real se debe hacer:

donde P = Y (mm). Esc. De fuerzas (Kg/mm) y ∆l = X (mm). Esc. De alargamiento(mm de ∆l/mm)

M.R = ⋅

. Esc. F. Esc Long

La escala de fuerza como así también la escala de alargamiento se determinan a partir de los valores

límites de “P” y de “∆l” que arroja el ensayo

TenacidadLa definimos como la energía por unidad de volumen absorbida por el material hasta la rotura(Total del área del ensayo)

Luego tenacidad: Área OA.DEF= ; = − =

O sea que Ten=

=

Donde Pmed . ∆l representan el área encerrada en el grafico que arroja la maquina

Luego

Ten =

med . esc. F (Kg/mm). XF. esc long (mm∆l/mm) (1)

Donde esc F = a (kg/mm) y esc long = b ∆bcisa ; ay b son valores determinados sobre lamaquina

De la ecuación (1) solo nos falta conocer Ymed


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Luego Ymed . XF = Área bajo el diagrama de la maquina

Por lo tanto Ymed = ( )

; reemplazando en la

Ecuación (1) obtenemos el valor de la tenacidad para el material ensayado.

9.3 Charpy Introducción

Los ensayos dinámicos de impacto se realizan generalmente en máquinas denominadas péndulos omartillos pendulares, en las que se verifica el comportamiento de los materiales al ser golpeados poruna masa conocida a la que se deja caer desde una altura determinada, realizándose las experienciasen la mayoría de los casos, de dos maneras distintas según que la probeta rompa por flexionamiento(flexión por choque, método normalizado) o que su rotura alcance por deformación longitudinal(tracción por choque).

Los valores obtenidos en estos ensayos son únicamente comprables entre si cuando se realizan bajoidénticas condiciones en lo referente a las probetas, velocidad de aplicación de carga, temperatura yenergía de impacto, no admitiendo otra condición de semejanza.

La máquina de ensayo determinara el trabajo absorbido por el material cuando es roto de un golpe por la masa pendular y su valor en Kgmf o Joule.

Este es el esquema de funcionamiento de las maquinas utilizadas:

=

= . . ℎ

= . . ℎ

= .. ℎ ℎ


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ℎ = . = . 1

ℎ = . 1

= . .. 1 1 +

= .

El valor numérico en kilogramo fuerza metro o en Joule del trabajo gastado para producir la roturaqueda indicada sobre una escala convenientemente graduada que posee la máquina.

El trabajo o energía registrada será considerada aceptable cuando las perdidas por fricción entre las partes metálicas de la máquina, para la marcha en vacío, sea inferior al 0,4% de la energía máxima.

Se ha demostrado que si el error en vacío se encuentra dentro de normas, la deformación elástica delos elementos trasmisores de carga y la energía disipada en la fundación en el momento del impacto(variables de uno a otro péndulo), no afectan en más del 1% a los valores medios encontrados. Por loque aceptamos, a los efectos comparativos, energías de rotura de cualquier péndulo a condición de

que sus alcances máximos coincidan.

Método de Ensayo

Desde el año 1892 en que Le Chatelier realizo por primera vez ensayos sobre materiales que, encondiciones normales de trabajo, rompen por la denominada “fragilidad de entalla”, hasta nu estrosdías, muchas son las teorías y métodos expuestos a fin de obtener valores que indiquen, con la mayorexactitud posibles, las características del material cuando se encuentra sometido al efecto antesmencionado

El método consiste en romper al material bajo un efecto dinámico que se produce por el impactosobre el mismo de una masa de peso y velocidad conocida. En ambos casos la rotura se produce porflexionamiento de la probeta, por lo que se denomina flexión por coque.

Flexión por choque sobre barras simplemente apoyadas (Charpy 1909)

Con la finalidad de que el material esté actuando en las más severas condiciones, el método Charpyutiliza probetas entalladas (estado triaxial de tensiones) y velocidades de deformación de 4,5 a 7m/s,siendo el entorno recomendado por las normas el de 5 a 5,5 m/s.


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Las probetas se colocan como muestra la figura, simplemente apoyadas sobre la mesa de la máquinay en forma tal que la entalla se encuentre del lado opuesto al que va a recibir el impacto. En la mismafigura se puede observar lacorrecta posición del material así también la forma y dimensiones de losapoyos y la punta del martillo pendular normalizándolos a los efectos comparativos.

La elección del tipo de probeta depende del material a ensayar adoptándose para cada caso la que déresultados más satisfactorios; en general se emplean las de entallas más profundas u de menor ancho

para metales más dúctiles.

Las normas aconsejan realizar el ensayo de choque por el método Charpy con el empleo de probetasnormalizadas:

Para el estado de tensión creado por la solicitación dinámica de choque, figurab, la velocidad de laaplicación de la carga estandarizada es superior a la crítica de rotura, por lo que la deformación será

localizada con epicentro en la figura a.

Dada la gran dificultad que existe en la evaluación del volumen deformado, es que el trabajo totaldeformado, es que el trabajo total de deformación no se define como la energía por unidad devolumen, sino por la energía requerida para provocar la rotura por unidad de área de la seccióntrasversal entallada o resiliencia, o directamente por la energía absorbida.

Fracturas

El análisis de las fracturas obtenidas en ensayos de impacto por el método Charpy dan una referenciasobre la posibilidad de los metales de absorber energía (tenacidad), según que resulten dúctiles(fractura fibrosa mate) o frágiles (granular brillante), o una combinación de ambas.


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Es así que las aleaciones de estructuras cristalinas cubicas de caras centradas (FCC: cobre níquel,aluminio, etc.), muestran por lo regular, fracturas dúctiles con empleo de probetas entalladas en V.

Las hexagonales compactas (HCP: cinc, magnesio, titanio, etc.) presentan en cambio fracturasgranulares.

Los ejemplos más significativos de roturas frágiles corresponden a las aleaciones de cristales cúbicos

centrados (BCC: hierro, molibdeno, cromo, etc.) que en impacto, y a partir de un corto intervalo detemperaturas relativamente bajas, pueden presentar las transición de fracturas por deslizamientointercristalino a transcristalino (dúctiles a frágiles), con el consiguiente eventual peligro de roturas delos mecanismos o estructuras en las que se utilizan, en virtud de la gran diferencia en la capacidad deabsorber energía.

Fractura Frágil

Fractura Mixta


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Fractura Dúctil

9.4 Temple

Tratamiento Térmico.

Los tratamientos térmicos de los aceros que abarcan un cambio en toda su masa de la pieza tratada,se basan en la transformación que sufre la austenita como producto del cambio alotrópico que sufreel hierro, y que los que se circunscriben a la superficie de la pieza, que en algunos casos sefundamentan en el principio anterior y otros a un cambio de la composición química de la capasuperficial. Estos últimos reciben el nombre de tratamientos termoquímicos.

Temple.

El temple es el tratamiento térmico de mayor importancia de los que se someter el acero, y su objetivo

fundamental es endurecerlo y aumentar su resistencia.

Las condiciones en las que se realiza el calentamiento para conseguirlo, deben ser tales de no provocardiferencias de temperaturas muy notorias entre la superficie y del núcleo de la pieza tratada.

El motivo de esta consideración es que dichas diferencias de temperaturas, sobre todo en grandesmasas, dan lugar a dilataciones desiguales, las que originan tensiones que si alcanzan valores elevadosocasionan fisuras o grietas internas. Por ello es que se acostumbra a controlar a controlar elcalentamiento rigurosamente para producir una diferencia no mayor a 20°C entre puntos que disten25mm. O con una duración total del proveeros del orden de una hora cada 25mm de espesor.

Las temperaturas ideales de auistenizacion para el temple son, por lo general, de 30°C a 50°Csuperiores al punto crítico superior para los aceros hipoeutectoides, en cambio en el caso de los aceroshipereutectoides, la austenizacion es incompleta y la temperaturas de temple están ubicadas sobre el

punto crítico inferior dado que la cementita es la fase más dura que contiene el material y no resulta practico disolverla ya que el fin del temple es endurecer al material.

Teoría del temple.

La operación más delicada y a la vez más compleja de este tratamiento es el enfriamiento de la

austenita.


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Si el enfriamiento se realiza muy lentamente, al alcanzarse la temperatura teórica de 727°C, o sea el punto critico inferior A1. Comenzara a producirse la transformación de la austerita en suscomponentes derivados: α y Cm, formando una mezcla que se denomina perlita. Este proceso se

realiza mediante la salida del carbono de la austerita por difusión y por lo tanto, necesita un

A medida que la velocidad de enfriamiento aumenta, las temperaturas irán descendiendo cada vezmas, y alcanzando un determinado valor de dicha velocidad que denominamos velocidad critica detemple, el carbono ya no tiene tiempo suficiente para emigrar de la red cúbica de caras centradas dela austenita y ubicarse difusivamente. Quedando retenido en la red cristalina, dando lugar a una nuevaestructura de carácter metaestable, denominada martensita

Templabilidad.

Siendo la dureza la propiedad que caracteriza el temple de los aceros, su valor superficial no es uníndice valido para clasificarlos por su condición, sino que se los diferencia por la mayor o menorfacilidad con la que permiten la distribución y penetración de esa característica hacia el interior de la

pieza templada.

Factores que inciden en el temple

El factor fundamental en el proceso de temple es la velocidad de enfriamiento por lo tanto en ladureza, y la resistencia del acero.

A su vez, la velocidad de enfriamiento depende de dos factores.

1) La forma, tamaño y estado superficial de la pieza.

2) Efectividad del medio de enfriamiento, dado por:

a) Su composición y característicos físicas.

b) Grado de agitación.

c) Temperatura.

Teniendo en cuenta los puntos anteriores, se define como severidad de temple H, como una medidade la eficiencia asignada a un medio de enfriamiento en función de adoptar el valor H=1 para el aguaen reposo y a temperatura ambiente.

Tabla de severidad de temple – Laboratorio de ensayos industriales – Antonio Gonzales Arias


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9.5 Estructuras Análisis de cambio de estructuras:

En lo respectivo al análisis del cambio de las estructuras del material, luego de los respectivos ensayosde tracción dureza realizados a las probetas se pulió a espejo la probeta, se la ataco con un ácido quese encarga de atacar preferencialmente a la probeta y se la puso bajo el microscopio metalográfico endonde se analizó las estructuras obtenidas.

En donde se puede ver un alto grado de desorden en los granos del material y la distribución mismade la martensita concordando con lo que la bibliografía dice, que al realizarse el cambio de estructuraaustenitica a martensitica para un acero del menos 0.6% de carbono, se debe observar un alto gradode desorden en la estructura.

La microestructura de martensitas en aceros ordinarios depende del contenido en carbono del acero.Si el acero contiene menos de un 0.6% de carbono, la martensita presenta dominios de cintas dediferentes pero limitadas orientaciones en todo el dominio. La estructura dentro de las cintas estáaltamente distorsionada, estando formada por regiones de alta densidad de dislocación confusa.

Figura (a).

Cuando el contenido de carbono en la martensita Fe-C supera el 0.6% se empieza a formar un tipodiferente de martensita llamado martemnsita laminar. Por encima del 1%, las aleaciones de Fe-Capostan en su totalidad de láminas de martensita. Figura (b).

Las láminas en martensita de alto contenido de carbono varían en tamaño y presentan una estructurafina de maclas paralelas. Las láminas están a menudo rodeadas por grandes cantidades de austenitasin transformar (retenida). Las martensitas de Fe-C con contenidos de carbono entre 0.6 y 1% tienenmicroestructuras con ambos tipos de sartencitas: en citas y en láminas. Figura (c).


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Se considera que la transformación de austenita a martensita en aceros Fe-C (aceros ordinarios) serealiza sin difusión, ya que la transformación tiene lugar tan rápidamente que los átomos no tienentiempo de mezclarse. Parece que no existe barrea energética alguna de activación térmica que evitela formación de martensita.

También se cree que no se produce cambio en la composición de la fase madre tras la reacción, y quecada átomo de carbono tiende a retener a sus vecinos originales. Las posiciones relativas de losátomos de carbono con respecto a los de hierro son las mismas en la martensita que lo eran en laaustenita.

Para contenidos de carbono en maltesitas Fe-C de menos de 0.2% de C, la austenita se transforma enuna estructura cristalina BCC de ferrita- α.

Cuando el contenido de carbono de los materiales Fe-C aumenta, la estructura BCC se distorsionahasta una estructura cristalina BCT (tetragonal centrada en el cuerpo). El mayor hueco intersticial enla estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) del hierro – γ tiene un diámetro de 0.104nm,mientras que el mayor hueco intersticial de la estructura cristalina BCC del hierro – α tiene un

diámetro de 0.072nm. Como el carbono tiene un diámetro de 0.154nm, puede ser acomodado ensolución sólida intersticial en una mayor extensión en la estructura FCC de hierro – γ. Cuando lasmartensitas y Fe-C con más de un 0.2% de carbono son producidas por enfriamiento rápido deaustenita, la reducción de los espacios intersticiales de la red BCC hace que los átomos de carbonodistorsionen la celdilla unitaria BCC a lo largo de su eje c para acomodar los átomos de carbono.

9.6 InclusionesEn el ensayo que realizamos en el laboratorio obtuvimos las siguientes micrográficas de la estructuramartensitica. La figura (a) pertenece a un acero 4140 (0.4% de carbono) y la figura (b) a un 8620(0.2% de carbono).

Inclusiones no metálicas son compuestos metálicos (Fe, Mn, Al, Si, Ca) con los no metales (O, S, C,H, N). Inclusiones no metálicas forman fases separadas. Las fases no metálicas que contienen más deun compuesto (por ejemplo, diferentes óxidos, óxido de sulfuro +) se llaman complejos inclusionesno metálicas (espinelas, silicatos, oxisulfuros, carbonitruros).

A pesar de pequeño contenido de inclusiones no metálicas en el acero (0,01-0,02%) ejercen un efectosignificativo sobre las propiedades del acero, tales como:

Resistencia a la tracción

Deformabilidad (ductilidad) Dureza Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Soldabilidad Pulido Maquinabilidad

Dependiendo de la fuente, de la que se derivan la inclusión no metálica, que se subdividen en dosgrupos: inclusiones indígenas y exógenos.

Inclusiones indígenas se forman en el líquido, solidificado o acero sólido como resultado dereacciones químicas (desoxidación, desulfuración) entre los elementos disueltos en acero.


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Inclusiones exógenas se derivan de fuentes externas, como los refractarios del horno, revestimientode cuchara, materiales de molde, etc. Cantidad de inclusiones exógenas y su influencia en las

propiedades del acero son insuficientes.

Tipos de inclusiones no metálicas La formación de inclusiones no metálicas Morfología de las inclusiones no metálicas

Distribución de inclusiones no metálicas Tipos de inclusiones no metálicas

Óxidos:

FeO, Al2O3, SiO2, MnO, Cr2O3 etc.

Al2O3 SiO2, Al2O3 * FeO, FeO * Cr2O3, MgO * Al2O3, SiO2 MnO * etc.

Sulfuros:

FeS, MnS, CAS, MgS, Ce2S3 etc.

Oxisulfuros:

MnS * MnO, Al2O3 * CaS, FeS * FeO etc.

Carburos:

CFe3, WC, Cr3C2, Mn3C, Fe3W3C etc.

Nitruros:

TiN, AlN, VN, BN etc.

Carbonitruros:

Carbonitruros de titanio, carbonitruros de vanadio, niobio, etc carbonitruros

Fosfuros:

Fe3P, Fe2P, Mn5P2.

Hay tres etapas de la formación de inclusiones:

1. La nucleación

En esta etapa los núcleos de nueva fase se forman como resultado de la sobresaturación de la solución

(líquido o sólido de acero) con los solutos (por ejemplo, Al y O) debido a la disolución de los aditivosde desoxidación (o de desulfuración de reactivos) o enfriamiento de la de metal.

El proceso de nucleación se determina por la tensión superficial en el acero inclusión-líquido frontera.Cuanto menor es la tensión superficial, se requiere la sobresaturación más baja para la formación delos nuevos núcleos de fase.

El proceso de nucleación es mucho más fácil en la presencia de otra fase (otras inclusiones) en lamasa fundida. En este caso, la nueva formación de fase se determina por el ángulo de mojado entreun núcleo y la inclusión sustrato. Condiciones de humectación (bajo ángulo de humectación) sonfavorables para la nueva fase de nucleación.


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2. Crecimiento

Crecimiento de una inclusión separada continúa hasta que el equilibrio químico se consigue (sinsobresaturación).

Crecimiento de las inclusiones en acero sólido es proceso muy lento por lo tanto, un cierto nivel desobresaturación de no equilibrio puede ser retenido (por ejemplo, martensita).

3. La coalescencia y aglomeraciónMovimiento del acero fundido debido a la convección térmica o agitación forzada hace que lascolisiones de las inclusiones, lo que puede resultar en su coalescencia (fusión de inclusiones líquidas)o aglomeración (fusión de inclusiones sólidas). El proceso de coalescencia / aglomeración esimpulsado por el beneficio energético obtenido a partir de la disminución de la superficie límite entrela inclusión y el acero líquido. Inclusiones con mayor energía superficial tienen una mayoroportunidad de fusionar cuando chocan.

Grandes inclusiones floten más rápido que los más pequeños. Las inclusiones flotantes son absorbidas por la escoria. El proceso de flotación puede ser intensificado por agitación moderada. La agitación

vigorosa dará lugar a romper las grandes inclusiones en pequeñas gotas / fragmentos. Las burbujasde gas se desplazan hacia arriba a través del acero fundido para promover la absorción de inclusionesflotantes y por la escoria. Blowing gas inerte en horno cuchara (LF) o de vacío de desgasificacióncucharón de acero en resultado en la obtención de acero más limpio.

Morfología de las inclusiones no metálicas

Forma globular de las inclusiones es preferible ya que su efecto sobre las propiedades mecánicasdel acero es moderada. Forma esférica de inclusiones globulares es un resultado de su formaciónen estado líquido a bajo contenido de aluminio. Ejemplos de inclusiones globulares son sulfurosde manganeso y oxisulfuros formados durante la solidificación en los espacios entre los brazos,

aluminatos y silicatos de hierro dendríticas. Plaquetas en forma de inclusiones. Aceros desoxidados por el aluminio contienen sulfuros de

manganeso y oxisulfuros en forma de películas delgadas (plaquetas) situados a lo largo de los bordes de grano de acero. Tales inclusiones se forman como resultado de la transformacióneutéctica durante la solidificación. Inclusiones en forma de plaquetas son más indeseable. Ellosdebilitan considerablemente los límites de grano y ejercen un efecto adverso sobre las propiedadesmecánicas particularmente en el estado caliente (fragilidad en caliente).

Dendrita en forma de inclusiones. Una cantidad excesiva de fuerte desoxidante (aluminio) resultaen la formación de inclusiones de óxidos y sulfuros en forma de dendritas (separadas yagregados). Estas inclusiones han punto de fusión mayor que la del acero. Bordes y las esquinas

de las inclusiones en forma de dendritas afilados pueden causar concentración local de tensióninterna, que disminuye considerablemente de la ductilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga dela pieza de acero.

Inclusiones poliédricos. Morfología de las inclusiones en forma de dendritas se puede mejorarmediante la adición (después de la desoxidación profunda por el aluminio) de pequeñas cantidadesde tierra rara (Ce, La) o alcalinotérreos (Ca, Mg) elementos. Debido a su forma más globularesinclusiones poliédricas ejercen un efecto menor sobre las propiedades del acero que formainclusiones dendrita.

Distribución de inclusiones no metálicas

Además de la forma de las inclusiones no metálicas su distribución a lo largo de la estructura degrano de acero es un factor muy importante para determinar las propiedades mecánicas del acero.


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Distribución homogénea de pequeñas inclusiones es el tipo más deseable de distribución. Enalgunos aceros carburos o nitruros microscópicas homogéneamente distribuidos en el acero secrean por el propósito con el fin de aumentar la resistencia del acero.

Ubicación de inclusiones a lo largo de los límites de grano no es deseable ya que este tipo dedistribución debilita el metal.

Los racimos de inclusiones también son desfavorables, ya que pueden resultar en estación localde las propiedades mecánicas tales como dureza y resistencia a la fatiga.

Distribución de inclusiones no metálicas puede cambiar como resultado de la formación de metales(por ejemplo, a la rodadura). Inclusiones dúctil se deforman y alargada en la dirección de laminación.Las inclusiones menos dúctiles están rompiendo formando cadenas de fragmentos. Inclusionesalargadas y cadenas resultado la anisotropía de las propiedades mecánicas y otras. Las propiedadesmecánicas en dirección transversal son menores que los paralela a la dirección de laminación.

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