PARTE 4

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Tratamientos térmicos en aceros (parte 4)
Uso de los datos de templabilidad
Realizando un resumen de las variables que intervienen en un problema de diseñar un tratamiento de endurecimiento por temple, tenemos:
· Características de templabilidad del material, relacionada en la curva de Jominy a partir de relacionar la dureza obtenida, con un parámetro asociado a la velocidad de enfriamiento (distancia al extremo templado).
· Capacidad de disipación del calor, que depende de la estrategia de enfriamiento (establecida a partir del índice de severidad de temple “H”), de la geometría de la pieza (a través de su relación superficie – masa), y de la distancia entre el núcleo de la pieza y la superficie de disipación (que es la distancia que debe recorrer el flujo de calor por conducción, dentro del material.
En particular, la capacidad de disipación del calor, en términos de las tres variables que conlleva, son valorizadas a partir de gráficas especificas llamadas curvas de Lamont.
Dado que la geometría más utilizada en piezas templadas es la geometría cilíndrica, estas curvas están resueltas para dicha geometría, en diferentes anillos interiores (que expresan diferentes velocidades de enfriamiento, y por lo tanto, diferentes distancias al extremo templado), definidos a partir de la relación r/R, donde “r” es la distancia definida entre el
centro de la sección y el punto en el cual, se evalúa la velocidad de enfriamiento, y “R”, es el
radio de la sección. (Ver curvas al final del material)
Para otro tipo de geometrías, existen curvas que relacionan el comportamiento de estas, con una pieza cilíndrica.
A continuación, realizaremos algunos problemas comunes utilizando este tipo de información:
Problema 1:
Se desea realizar un endurecimiento por temple en un eje cilíndrico de 50 mm de diámetro, en el cual, debe obtenerse al final del tratamiento, una dureza HRc45 a 12,5 mm de profundidad. Se planea fabricar dicho eje con un acero SAE 4140. Determinar si este material cumple con las exigencias, y en tal caso, cuál debe ser la estrategia de enfriamiento utilizada.
Paso 1: Conociendo el valor de dureza final, ingresamos a la curva de Jominy de un acero SAE 4140 y obtenemos el valor de distancia al extremo templado.
En caso que no se cuente con un ensayo específico de la partida de acero, es importante entender que la composición química de un acero posee rangos de composición por cada elemento constitutivo de la aleación.
Por lo tanto, siempre existirá una curva de mínima respuesta al endurecimiento, y otra de máxima respuesta.
Para garantizar que se alcance la dureza deseada, deberá utilizarse siempre, la de mínima respuesta.
HRc 	
60
53
45
13	DET (mm)
Paso 2: Obtenida la distancia al extremo templado, determinaremos la curva de Lamont a utilizar. Si el radio de la pieza es 25mm, y la profundidad en la que se debe garantizar la dureza es 12,5mm, es valor de “r” se determina como:
𝑟 = 𝑅 − 𝑝 = 25 − 12,5 = 12,5𝑚𝑚
Por lo tanto, la relación r/R será:
𝑟	12,5
=
𝑅	25
= 0,5
Paso 3: Elegida la curva de Lamont a utilizar, trazaremos una vertical desde la distancia al extremo templado, y una horizontal desde el diámetro del eje, ubicando un punto dentro de la curva.
D(mm)H=0,7
H=0,5
50
13	DET (mm)
El punto queda ubicado entre las curvas de severidad de temple 0,5 y 0,7. Para mantener nuestro diseño del lado de la seguridad elegiremos el temple de la curva H=0,7. Ese índice se corresponde con un enfriamiento en aceite con agitación violenta.
Problema 2:
Determinar el máximo diámetro que puede tener un eje cilíndrico de acero SAE 1045 que alcanza una dureza HRc 35 en el centro de la misma, si templamos en agua sin agitación (H=1)
Paso 1: Conociendo el valor de dureza final, ingresamos a la curva de Jominy de un acero SAE 1045 y obtenemos el valor de distancia al extremo templado.
HRc
62
55
35
4	DET (mm)
Paso 2: La condición de dureza en el centro de la pieza, fija la relación r/R=0
Paso 3: Establecida la curva de Lamont, trazaremos una línea vertical desde la distancia al extremo templado 4 mm, hasta cortar la curva de severidad de temple correspondiente a H=1. En dicho punto trazaremos un segmento horizontal hasta el eje vertical, midiendo el diámetro.
D(mm)H=1
15
4	DET (mm)
Actividad:
Se templa una pieza cilíndrica de 60 mm de diámetro, de acero SAE 4137, en aceite sin agitación (H=0,5). Calcular el valor de la dureza obtenida para las distintas relaciones r/R, y genere un diagrama transversal de dureza en un sistema cartesiano, indicando sobre el eje de abscisas, el valor “r”, y sobre el eje de ordenadas, el valor de dureza obtenido.
Revenido
Si el proceso de endurecimiento se culmina en el tratamiento de temple, el acero queda extremadamente frágil, ya que la dureza obtenida se da a costa de lograr una estructura altamente distorsionada, reteniendo átomos de carbono por un enfriamiento fuera de las condiciones de equilibrio. La disposición de esos átomos no es uniforme y eso da lugar a elevadas concentraciones de tensiones.
A los efectos de reducir esa concentración de tensiones, y recuperar una cantidad importante de tenacidad en el acero (aunque se pierda algunos puntos de la dureza obtenida), se realiza un tratamiento pos temple, llamado revenido.
El protocolo de este tratamiento se desarrolla en tres etapas: una primera en la que se eleva la temperatura hasta una elegida como temperatura de revenido, una segunda etapa en la que se mantiene la temperatura durante una hora, y una tercera en la que es un enfriamiento lento.
El revenido es un tratamiento subcrítico, dado que, elevar la temperatura por encima de la crítica inferior, provocaría la transformación de una parte de la martensita lograda en austenita, perdiendo la dureza lograda en el temple.
Dentro del rango para la selección de la temperatura de revenido, debemos dejar claro que tendremos en general, un incremento de ductilidad y tenacidad, con una reducción de dureza, acompañando el aumento de la temperatura de revenido, sin embargo, esto puede tener diferencias, si la tenacidad se mide utilizando el método de Charpy – Izod (tenacidad dinámica).
En algunos tipos de aceros se ha observado una reducción de este valor de tenacidad (comúnmente llamada resiliencia), como se observa en la gráfica.
Observamos que este efecto nocivo puede darse si la temperatura de revenido elegida se haya entre 200 y 400ºC.
No se tiene perfectamente claro porque ocurre este fenómeno. Se cree que a esa temperatura se genera en algunos aceros, el precipitado de alguna solución frágil en la frontera del grano martensítico. Un alto grado de cromo, manganeso o fósforo parecen promover este efecto.
En virtud de lo anterior, si la pieza tiene muescas concentradoras de tensiones, o si está expuestas a cargas dinámicas, se recomienda no utilizar temperaturas de revenido dentro de ese intervalo de temperaturas.
Respecto de los efectos del revenido en la estructura templada, podemos identificar distintos grados según intervalos de la temperatura de revenido:
· Para temperaturas de revenido de 0 a 200ºC:
El carbono posee un incipiente proceso de difusión hacia las fronteras de grano, produciéndose un carburo de transición (hacia la cementita) conocido como carburo épsilon, de estructura hexagonal compacta, que provoca una reducción en la relación de los parámetros reticulares de la estructura tetragonal de la martensita (c/a).
Además se observan granos de martensita de bajo carbono y austenita retenida. A nivel de propiedades mecánicas, puede ocurrir un leve incremento de dureza, pero la tenacidad y ductilidad permanecen muy bajas, siendo el efecto más importante la reducción de tensiones residuales. En la observación microscópica, este fenómeno provoca el oscurecimiento de la estructura por la formación del carburo, recibiendo el nombre de martensita negra.
· Para temperaturas de revenido de 200 a 400ºC:
El carburo épsilon cambia a la condición de cementita orto rómbica, Los carburos sondemasiado pequeños para resolverlos, adquiriendo al microscopio el aspecto de una masa negra denominada trustita. La austenita retenida se transforma en bainita. Se observa un aumento moderado de ductilidad, aunque la tenacidad sigue demasiado baja. La dureza experimenta una leve reducción.
· Para temperaturas de revenido de 400 a 650ºC:
En este intervalo, continúa el incremento de la cantidad de cementita y el aumento de sus granos, los cuales, tienden a esferoidizarse. Microscópicamente, los granos de cementita comienzan a resolverse, hecho que provoca que la imagen vuelva a aclararse. A esta estructura se la conoce como sorbita. Es para este rango térmico que se observa el mayor aumento de tenacidad, y por lo tanto, el rango más habitual de selección de la temperatura de revenido. En contraposición, se observan las mayores reducciones de dureza.
En la siguiente figura, observamos una tabla que nos permite determinar, para distintas temperaturas de revenido, el valor de la dureza que queda luego de haber sido realizado el tratamiento, partiendo de la dureza obtenida en el tratamiento de temple.
Austenizado
Este es un tratamiento térmico que persigue la transformación del acero a una estructura 100% bainìtica. En aceros al carbono, esto exige un enfriamiento rápido que mantenga la austenita inestable hasta pasar la nariz del diagrama de transformación isotérmica, y luego, sostener la temperatura por el tiempo que demande la transformación completa a bainita.
Las propiedades alcanzadas por este tratamiento reúnen elevados valores de dureza (entre 35 y 55 HRc), y elevados valores de tenacidad. Sin embargo, la gran dificultad en el control de la variación de temperatura, vuelven este tratamiento, restringido a chapas de espesor delgado.
Actividad:
Para la actividad anterior, determine el diagrama de transversal de dureza después de realizarle a la pieza, un revenido a 500ºC durante una hora.