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Resumen. 
 
El hierro dúctil es un material de ingeniería que se ha utilizado en diferentes 
aplicaciones desde hace más de cinco décadas, específicamente en la industria 
automotriz se ha empleado en la fabricación de diferentes partes como cubiertas, 
soportes, bielas, etc. 
Actualmente, se está evaluando la posibilidad de sustituir autopartes en 
acero por hierro dúctil, ya que presenta ventajas sobre el primero como son: 
Menor densidad, mayor capacidad de amortiguamiento de vibraciones (lo que 
implica un vehículo más silencioso), facilidad de maquinado y un costo de 
fabricación mucho menor (el hierro funde a menor temperatura). 
Muchas partes sujetas a esfuerzos elevados se fabrican actualmente de 
acero AISI 8620 carburizado, templado y revenido, teniendo un costo muy elevado 
debido a que contiene elementos de aleación caros y su importación representa 
un alto costo, de ahí que se esté buscando su sustitución. Una de las causas por 
la cual no se ha utilizado el hierro dúctil en lugar del acero 8620, es porque 
presenta una baja resistencia al desgaste comparada con este último. Por tal 
motivo, en este trabajo se presentan las propuestas efectuadas para incrementar 
la resistencia al desgaste del hierro dúctil, éstas consistieron en realizar un 
tratamiento térmico de austemperizado y otro de temple. 
El primero de ellos, se realizó en un baño de plomo a una temperatura de 
360 °C para lograr propiedades mecánicas similares al acero 8620, mientras que 
el de temple se efectuó en agua a temperatura ambiente. Para evaluar la 
resistencia al desgaste por deslizamiento de ambos materiales y del acero 8620, 
se utilizó la maquina tribológica de perno sobre disco, según las especificaciones 
de la norma ASTM G-99, tanto en condición seca como lubricada. Se obtuvieron 
los coeficientes de fricción, tasas de desgaste y coeficientes de desgaste k de 
cada uno de los materiales. Las huellas de desgaste generadas fueron analizadas 
en el microscopio electrónico de barrido. 
Los resultados obtenidos de los ensayos de desgaste indican que el hierro 
dúctil austemperizado presenta una tasa de desgaste mayor con respecto al acero 
8620 carburizado, templado y revenido en condición seca y lubricada. Asimismo, 
establecen que el hierro dúctil templado y el acero 8620 presentan tasas de 
desgaste por deslizamiento similares en condición lubricada. 
Se modeló una cruceta y se analizó a través del método de elemento finito 
utilizando el software ANSYS; teniendo como objetivo: Determinar el estado de 
esfuerzos generado en la pieza fabricada con acero 8620 y predecir su 
comportamiento si se utiliza hierro dúctil perlítico o hierro dúctil austemperizado; 
solo una cruceta fabricada con este último puede igualar la resistencia mecánica 
que presenta el acero. 
 
 
Abstract. 
 
Ductile iron has been used as engineering material for different applications, 
in automotive industry it has been employed for manufacture of coverings, different 
supports, connecting rods, etc. 
At the present time, evaluating to use ductile iron to produce automotive 
parts instead of steel is being made, because this material has the following 
advantages regarding steel: approximately 10% lower density, better damper of 
vibration, near form cast products, improve machinability and lower price to 
produce it. (Ductile iron melts at lower temperature). 
Many parts under the action of high stress are manufactured with AISI 8620 
steel in carburized, quenched and tempered condition; this material has a very high 
cost as a result of addition of alloy elements and their importation; for this is being 
looking for the replacement. The main reason ductile iron has not been used in 
mobile parts is because this material does not have enough wear resistance as 
steel. For this reason, this work presents the proposals made to increase the wear 
resistance of ductile iron, there consisted of conducting a heat treatment of 
austempering and other of quench. 
The first one, was conducted in a bathroom of lead at a temperature of 
680°F (360 °C) to reach to similar mechanical properties of AISI 8620 steel, while 
quench was carried out in water at room temperature. To evaluate the sliding wear 
resistance of both materials and AISI 8620 steel a tribological machine pin on disc 
was used, according to the specifications of norm ASTM G-99 in both conditions 
dry and lubricated. Friction coefficients, wear rate, wear coefficients k of each one 
of materials was obtained and likewise the wear tracks were analyzed by scanning 
electron microscopy. 
The results obtained of wear tests indicate a higher wear rate in sliding of 
austempered ductile iron than the AISI 8620 steel in both conditions of test. Also, 
the wear rate of ductile iron quenched and AISI 8620 steel are very similar in 
lubricated condition. 
A model of a crosshead was analyzed by Finite Element Method in order to: 
Determine the state of stresses generated in a piece made of AISI 8620 steel and 
predict its behavior using either perlitic ductile iron or austempered ductile iron; 
only a crosshead manufactured with the latter, can match the mechanical strength 
of steel. 
 
 
 
 
A g r a d e c i m i e n t o s .  
 
 
 
Al Instituto Politécnico Nacional,  
por impulsar el desarrollo de México. 
 
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, 
por apoyar el conocimiento. 
 
A la ESIQIE, por brindar educación con 
excelencia. 
 
A los directores de este trabajo, por su guía.  
 
Al  los  laboratorios  del  Departamento  de 
Ingeniería Metalúrgicay al de tribología de la 
ESIME Zacatenco. 
 
A los docentes de la ESIQIE,  
quienes participaron en mi formación. 
 
A mis padres, familia y amigos,  
por su apoyo invaluable e incondicional. 
 
Y sobre todo a Dios, 
por ser privilegiado al tener tantas 
bendiciones. 
 
 
G R A C I A S .  
 
 
 
 
 
 
Contenido. 
Página. 
Acta de revisión de Tesis. 
Carta de cesión de derechos. 
Resumen. 
Abstract. 
Agradecimientos. 
Lista de Figuras. 
Lista de Tablas. 
Símbolos y Abreviaturas. 
1. Introducción 1 
2. Antecedentes 5 
2.1 Hierros fundidos. 5 
2.2 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 6 
2.2.1 Tratamiento térmico de austemperizado. 6 
2.2.2 Microestructura del ADI. 7 
2.3 Propiedades mecánicas del hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y 
acero AISI 8620. 7 
2.4 Estado del arte sobre la caracterización mecánica del hierro dúctil 
austemperizado (ADI). 10 
2.5 Proyectos automotrices que utilizan hierro dúctil austemperizado (ADI). 13 
2.6 Tribología. 14 
2.7 Desgaste. 15 
2.8 Tipos de desgaste. 16 
2.8.1 Desgaste abrasivo. 16 
2.8.2 Desgaste por deslizamiento (adhesivo) 16 
2.8.3 Desgaste por fatiga. 18 
2.5.4 Desgaste corrosivo. 19 
2.6 Máquina tribológica de perno sobre disco (Pin on disc). 19 
2.6.1 Procedimiento según norma ASTM G99. 20 
3. Desarrollo experimental 22 
3.1 Materiales utilizados. 23 
3.2 Fabricación de probetas e identificación. 23 
3.3 Tratamientos térmicos realizados. 24 
CONTENIDO 
 
3.3.1 Acero 8620 carburizado, templado y revenido. 24 
3.3.2 Hierro dúctil templado. 24 
3.3.3 Hierro dúctil austemperizado. 24 
3.4 Metalografía. 25 
3.5 Ensayos de dureza. 26 
3.6 Ensayos de desgaste por deslizamiento. 26 
3.8 Simulación por elemento finito. 27 
3.8.1 Determinación de fuerzas. 28 
3.8.2 Condiciones de análisis. 31 
4. Resultados 33 
4.1 Caracterización microestructural del acero 8620CTR, HDT y ADI. 33 
4.1.1 Acero 8620CTR. 33 
4.1.2 Hierro dúctil templado (HDT). 34 
4.1.3 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 36 
4.2 Ensayos de dureza. 37 
4.3 Caracterización tribológica. 38 
4.3.1 Fuerza de fricción en condición lubricada y seca. 38 
4.3.2 Volumen perdido. 38 
4.3.3 Tasa de desgaste. 40 
4.3.4 Coeficiente de desgaste. 40 
4.3.5 Micrografías de las huellas de desgaste. 41 
4.4 Análisis por elemento finito. 44 
5. Discusión de resultados 46 
5.1 Caracterización microestructural. 46 
5.2 Ensayos de resistencia al desgaste. 47 
5.3 Simulación por elemento finito. 49 
Conclusiones 50 
Referencias 51 
Apéndice A. 54 
 
 
 
 
 
Lista de Figuras. 
Página. 
Figura 1. Cantidad de vehículos fabricados en el año 2007. _________________ 1 
Figura 2. Componentes de la junta cardan. ______________________________ 2 
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de crucetas con acero 
8620. ____________________________________________________ 3 
Figura 4. Diagrama de flujo propuesto del proceso de fabricación de crucetas con 
hierro dúctil. ______________________________________________ 3 
Figura 5. Microestructuras de diferentes tipos de hierro. ____________________ 5 
Figura 6. Esquema del proceso de austemperizado. _______________________ 6 
Figura 7. Microestructura del ADI. ______________________________________ 7 
Figura 8. Rango del esfuerzo de cedencia y ductilidad del hierro dúctil. ________ 8 
Figura 9. Resistencia a la tensión y ductilidad del hierro dúctil. _______________ 8 
Figura 10. Engranes hipoidales fabricados con ADI. ______________________ 14 
Figura 11. Soporte de la suspensión del Ford Mustang Cobra fabricado con ADI. 14 
Figura 12. Micrografía de una superficie desgastada por abrasivo. ___________ 16 
Figura 13. Micrografía de una superficie desgastada por adhesivo. ___________ 17 
Figura 14. Micrografía del daño causado por el desgaste adhesivo. __________ 17 
Figura 15. Daño provocado por el efecto de la fatiga. ______________________ 18 
Figura 16. El daño corrosivo y la deformación plástica actuando de manera 
conjunta. ________________________________________________ 19 
Figura 17. Esquema del arreglo perno sobre disco. _______________________ 19 
Figura 18. Tribómetro utilizado. _______________________________________ 20 
Figura 19. Diagrama de flujo del procedimiento experimental utilizado. ________ 22 
Figura 20. Probetas de acero y hierro dúctil. _____________________________ 23 
Figura 21. Horno de tubo horizontal utilizado. ____________________________ 24 
Figura 22. Resistencia a la tensión y elongación del ADI según la temperatura de 
austemperizado. __________________________________________ 25 
Figura 23. Microdurómetro utilizado. ___________________________________ 26 
Figura 24. Proceso general de la prueba de desgaste. _____________________ 27 
Figura 25. Ensayo de torsión estática para crucetas. ______________________ 27 
Figura 26. Modelo de la cruceta en CAD. _______________________________ 28 
Figura 27. Diagrama de cuerpo libre para determinar las cargas aplicadas. ____ 28 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 28. Análisis de fuerzas que actúan en el cojinete y muñón. ___________ 29 
Figura 29. Modelo seccionado en elementos finitos. ______________________ 31 
Figura 30. Distribución de presiones en los muñones. _____________________ 32 
Figura 31. Microestructura del acero 8620CTR. __________________________ 33 
Figura 32. Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos. _________ 34 
Figura 33. Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos atacada. __ 35 
Figura 34. Microestructura del hierro dúctil templado. _____________________ 36 
Figura 35. Microestructura del hierro dúctil austemperizado. ________________ 37 
Figura 36. Volumen perdido en condición seca en relación con la distancia 
recorrida. _______________________________________________ 39 
Figura 37. Volumen perdido en condición lubricada en relación con la distancia 
recorrida. _______________________________________________ 39 
Figura 38. Tasas de desgaste de los materiales ensayados en condición seca y 
lubricada. _______________________________________________ 40 
Figura 39. Coeficiente dimensional de desgaste k, de cada material ensayado en 
condición seca y lubricada. _________________________________ 40 
Figura 40. Huellas de desgaste del acero 8620CTR. ______________________ 41 
Figura 41. Huellas de desgaste de hierro dúctil austemperizado. _____________ 42 
Figura 42. Huellas de desgaste de hierro dúctil templado. __________________ 43 
Figura 43. Localización y magnitud de los esfuerzos generados en la cruceta. __ 45 
Figura 44. Dureza promedio en función de la temperatura de austemperizado. _ 47 
 
 
 
 
 
 
Lista de Tablas. 
Página. 
Tabla 1. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil perlítico. _________ 9 
Tabla 2. Propiedades del acero 8620 carburizado a 925°C. __________________ 9 
Tabla 3. Propiedades del acero 8620 carburizado a 900 °C. _________________ 9 
Tabla 4. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil austemperizado. __ 10 
Tabla 5. Presión aplicada a cada segmento del muñón. ____________________ 30 
Tabla 6. Densidad de nódulos del hierro dúctil. __________________________ 34 
Tabla 7. Durezas HV y HRC de los materiales ensayados. _________________ 38 
Tabla 8. Coeficientes de fricción de los tres materiales estudiados. ___________ 38 
 
 
 
 
 
Símbolos y Abreviaturas. 
 
 
k Coeficiente de desgaste 
μ Coeficiente de fricción 
σ0 Esfuerzo de cedencia 
E Módulo de elasticidad 
ν Relación de Poisson 
UTS Resistencia última a la tensión 
Q Tasa de desgaste 
TA Temperatura de austemperizado 
Tγ Temperatura de austenización 
Τ Torque 
 
ADI Hierro dúctil austemperizado 
CAD Diseño asistido por computadora
DRX Difracción de rayos x 
FEM Método por elemento finito 
HDT Hierro dúctil templado 
T Temperatura 
t Tiempo 
 
 
 
1 
 
 
 
1. Introducción 
 
La industria automotriz en México es muy importante, ya que tiene un 
impacto directo en otras industrias como la del acero, vidrio, plástico y en el sector 
manufacturero, el cual se ha incrementadoen los últimos años. Contribuye 
además de una manera importante a la generación de empleos y la atracción de 
inversión extranjera. 
En el año 2007 la Organización Internacional de Constructores de 
Automóviles (OICA) dio a conocer que la producción mundial de vehículos se 
elevó a 73.1 millones de unidades, ocupando México la decimoprimera posición de 
países productores [1], según lo presentado en la siguiente grafica. 
 
 
Figura 1. Cantidad de vehículos fabricados en el año 2007. 
 
El continuo desarrollo de ésta, demanda la utilización de nuevos materiales, 
los cuales deberán tener un igual o mejor desempeño a un menor costo. 
Actualmente, el acero es el material con el que se fabrica la mayoría de los 
componentes estructurales que componen el motor, suspensión, transmisión, 
chasis y carrocería. 
 
2° 4° 6° 8° 10°
0
2
4
6
8
10
12 Japón
Estados Unidos
China
IndiaCanada
EspañaBrasilFrancia
Corea del Sur
Alemania
M
ill
on
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U
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da
de
s
Posición
México
INTRODUCCIÓN 
2 
 
Un material ferroso que se comporta de manera similar al acero es el hierro 
dúctil. En la actualidad existen diferentes grados de hierro dúctil, lo que significa 
un amplio rango de propiedades que pueden ser utilizadas en diferentes 
aplicaciones. 
 
Las ventajas que presenta el hierro dúctil respecto al acero son: 
1. Aproximadamente 10% menor densidad. 
2. Mejor amortiguamiento ó absorción de vibraciones. 
3. Presenta nódulos de grafito, el cual funciona como lubricante entre 
las superficies en contacto. 
4. La energía requerida para fundirlo es mucho menor. 
5. Fluye con facilidad en formas complicadas, lo que permite eliminar 
defectos en la fundición y reducir etapas en el proceso de 
fabricación, producir piezas coladas con geometría y dimensiones 
casi finales. 
6. Maquinabilidad superior al acero [2, 3, 4]. 
 
Actualmente la empresa DANA dedicada a la fabricación de engranes 
cónicos y flechas cardan entre otras partes, pretende sustituir el acero 8620 por 
hierro dúctil en la fabricación de crucetas. Estos elementos mecánicos están 
constituidos por un cuerpo sólido con cuatro muñones como se muestra en la 
figura 2-a; formando parte del la junta cardán, la cual se utiliza en el árbol de 
transmisión de los vehículos que tienen el motor en la parte delantera y tracción en 
las llantas traseras, su objetivo es transmitir el giro y torque entre ejes que no se 
encuentran alineados, ver figura 2-b. 
 
 
 
 
 
Figura 2. (a) Componentes de la junta cardan, (b) Ubicación. 
 
 
1 Horquilla 
2 Cruceta 
3 Cojinetes de agujas 
4 Arandelas de seguridad 
Árbol de transmisión 
1 2 3 
4 
1 
(a) (b) 
Junta cardan 
INTRODUCCIÓN 
3 
 
El proceso actual de manufactura de estos elementos se muestra en la 
figura 3. 
 
Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de crucetas con acero 8620. 
 
Por lo anterior la empresa DANA pretende fabricar componentes 
empleando hierro dúctil por las ventajas ya mencionadas, poniendo énfasis en el 
costo de fabricación, con ello el proceso de manufactura se reduciría como se 
muestra en la figura 4. 
 
Figura 4. Diagrama de flujo propuesto del proceso de fabricación de crucetas con hierro 
dúctil. 
Maquinado 
Tratamiento Térmico 
 
• Austenización 900 °C 
• Austemperizado a 360 ºC 
por 3 Horas. 
Terminado 
• Lapeado 
• Limpieza 
• Pintura 
• Empaque 
Producto 
Fundición 
de Pzas. 
Maquinado Tratamiento Térmico 
 
• Precalentamiento 450 °C 
• Austenización 900 °C 
• Carburizado 5 Horas 
• Temple (Aceite) 4 min 
• Revenido 170 °C, 2H. 
Terminado 
• Lapeado 
• Limpieza 
• Pintura 
• Empaque 
Producto 
Forjado 
de Pzas. 
Rectificado 
pzas. 
INTRODUCCIÓN 
4 
 
Lo que demuestra un gran ahorro en el proceso de manufactura al reducir 
los tratamientos térmicos y los tiempos de maquinado. Por ello, uno de los 
objetivos fundamentales del presente trabajo fue realizar las propuestas que 
consistieron en emplear un tratamiento térmico de austemperizado y otro de 
temple, a fin de incrementar la resistencia al desgaste del hierro dúctil. 
 
 
Objetivos específicos. 
• Caracterización microestructural del acero 8620 y hierro dúctil antes 
y después de recibir tratamientos térmicos. Determinando cantidad y 
fases presentes, % de nodularidad, densidad de nódulos, tamaño de 
nódulos y dureza de la matriz. 
 
• Determinar el coeficiente de fricción del acero 8620 carburizado, 
templado y revenido, hierro dúctil templado y hierro dúctil 
austemperizado en condición seca y lubricada. 
 
• Determinar la tasa de desgaste y coeficiente de desgaste k de los 
tres materiales en condición seca y lubricada. 
 
• Evaluar la respuesta de estos materiales en una condición de carga 
a través de la simulación por elemento finito. 
 
• En función de los resultados obtenidos, evaluar la posibilidad de 
hacer la sustitución del acero 8620 por hierro dúctil. 
 
 
5 
 
2. Antecedentes 
 
2.1 Hierros fundidos. 
Los hierros fundidos son aleaciones ferrosas con un contenido de carbono 
entre 3.0 y 4.5% en peso y otros elementos de aleación, en ellos el carbono existe 
en forma de grafito, tanto la microestructura como su comportamiento mecánico 
depende de la composición química y si se aplicó un tratamiento térmico. Los tipos 
de hierro se clasifican en gris, dúctil, blanco y maleable. 
 
Figura 5. Microestructuras de diferentes tipos de hierro. (a) Hierro gris muestra, hojuelas de 
grafito dentro de una matriz de ferrita. (b) Hierro dúctil presenta, nódulos de grafito dentro 
de una matriz de ferrita. (c) El hierro blanco tiene regiones de cementita (clara) dentro de 
una matriz de perlita (oscura). (d) Hierro maleable presenta, rosetas de grafito en una matriz 
de ferrita [2]. 
 
En el hierro gris, el grafito se encuentra en forma de hojuelas, ver figura 5-a, 
mecánicamente es frágil debido a sus puntas agudas de las hojuelas, las cuales 
actúan como concentradores de esfuerzos. Su capacidad de amortiguamiento es 
mucho mejor que la mostrada por los aceros y tiene una alta resistencia al 
desgaste por deslizamiento. La alta fluidez a temperatura de colada hace posible 
que se puedan obtener geometrías complejas. 
(a) 
(d)(c) 
(b)
ANTECEDENTES 
6 
 
El hierro dúctil presenta nódulos o esferas en lugar de hojuelas, ver figura 5-
b, ofrece un amplio rango de propiedades mecánicas dependiendo de su matriz 
que puede ser ferrítica, perlítica o austemperizada, conocido por sus siglas en 
inglés como ADI, las cuales se utilizaron en este trabajo. 
El hierro blanco contiene una gran cantidad de carbono en forma de 
cementita en lugar de grafito, como consecuencia es extremadamente duro y muy 
frágil, lo que dificulta su maquinado. Por ello, el uso del mismo se limita a 
aplicaciones que requieren una gran resistencia al desgaste sin alto grado de 
ductilidad, éste se muestra la figura 5-c [2]. 
El hierro maleable contiene nódulos de grafito de forma irregular como se 
presenta en la figura 5-d, tiene considerable ductilidad y tenacidad al igual que el 
hierro dúctil por ello es adecuado para aplicaciones que requieren estas 
propiedades. Este tipo de hierro se prefiere para partes que requieren: Ser 
conformadas en frio, máxima maquinabilidad, adecuada resistencia al imparto a 
bajas temperaturas. 
 
2.2 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 
2.2.1 Tratamiento térmico de austemperizado. 
El tratamiento térmico es una herramienta que se utiliza para mejorar las 
propiedades mecánicas del hierro y acero según se requiera. 
Un esquema del tratamiento térmico de austemperizado que recibe el hierro 
dúctil se muestra en la figura 6. La primera etapa consiste en calentar y 
mantenerlo a una temperatura entre los 815 y 927 °C (según el contenido de 
carbono), este proceso se llama austenización. La segunda etapa, se basa en 
enfriar rápidamente en un baño de sales que se encuentre a una temperatura 
entre 232 y 399 °C, enfriándose posteriormente a la temperatura ambiente. 
 
Figura 6. Esquema del procesode austemperizado [3]. 
0 1 2 3 4
0
200
400
600
800
1000
 
Te
m
pe
ra
tu
ra
, °
C
Tiempo, h
A1
MS
ANTECEDENTES 
7 
 
El efecto de la temperatura de austemperizado influye en las propiedades 
mecánicas, con temperaturas cercanas a 400 °C se obtiene una alta ductilidad, 
alta resistencia a la fatiga y al impacto, relativamente menor esfuerzo de cedencia 
y resistencia a la tensión. Utilizando temperaturas cercanas a 230 °C el ADI 
presenta alta resistencia a la tensión y esfuerzo de cedencia, baja ductilidad y baja 
resistencia al impacto [2, 3]. 
 
2.2.2 Microestructura del ADI. 
La microestructura del hierro dúctil austemperizado es única en los hierros. 
Esta consiste en ferrita acicular y austenita estable con alto contenido de carbono 
la cual se llama ausferrita. 
 
Figura 7. Microestructura del ADI muestra nódulos de grafito, ferrita acicular (fase oscura) y 
austenita estable con alto contenido de carbono (fase clara) [5]. 
 
 
2.3 Propiedades mecánicas del hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y 
acero AISI 8620. 
Las propiedades mecánicas del ADI comparadas con otros materiales se 
muestran en las figuras 8 y 9. 
 
 
 
 
 
 
 
 
100 μm 20 μm 
ANTECEDENTES 
8 
 
 
 
Figura 8. Rango del esfuerzo de cedencia y ductilidad del hierro dúctil, hierro dúctil 
austemperizado y aceros forjados [3]. 
 
 
Figura 9. Resistencia a la tensión y ductilidad del hierro dúctil con diferente tipo de matriz 
[3]. 
 
Las propiedades mecánicas publicadas en diferentes referencias con 
respecto al hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y acero 8620, que tienen una 
composición química y tratamientos térmicos similares a los utilizados en este 
trabajo se resumen en las tablas 1, 2, 3 y 4. 
 
 
0 10 20 30 40
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
 
Es
fu
er
zo
 d
e 
ce
de
nc
ia
, M
Pa
Elongación, %
0 5 10 15 20 25
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Ferrítico
Perlítico
Templado y revenido
 
R
es
is
te
nc
ia
 a
 la
 te
ns
ió
n,
 M
Pa
Elongación, %
Austemperizado
Acero 
ADI 
Hierro Dúctil 
| 
10
ANTECEDENTES 
9 
 
 
 
Tabla 1. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil perlítico [2,4,6,7]. 
Composición Química 0.2% σ0. 
[MPa] 
UTS. 
[MPa]
Elong. 
[%] 
Dureza
[HRC]
C Si Mn Mg Cu 
3.5 
3.8 
2.2 
2.7 
0.6 --- 0.2 
0.5 
483 689 >6 23 
31 
3.21 2.28 0.32 0.04 0.14 339 480 --- --- 
3.3 2.5 0.47 0.067 0.46 480 805 --- --- 
3.5 2.7 0.18 0.041 0.65 465 781 --- --- 
 
 
Tabla 2. Propiedades del acero 8620 carburizado a 925 °C por 5 h, templado en aceite y 
revenido a 230 °C [4]. 
AISI 8620 
Resistencia a la tensión 1157 MPa.
Esfuerzo de cedencia 833 MPa.
Elongación 14.3 %
Reducción de área 53.2 %
Módulo de elasticidad 205 GPa.
Relación de Poisson 0.29
Maquinabilidad 65 %
Módulo de corte 80 GPa.
Dureza de superficie 61 HRC
 
 
Tabla 3. Propiedades del acero 8620 carburizado a 900 °C por 5 h, templado en aceite a 90 °C 
y revenido a 170 °C (Datos proporcionados por DANA). 
AISI 8620 
Resistencia a la tensión 1200 MPa.
Esfuerzo de cedencia 850 MPa.
Elongación 11 %
Dureza de superficie 58 HRC
 
 
 
 
ANTECEDENTES 
10 
 
Tabla 4. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil austemperizado [2,4,7,8,9,10,11]. 
 
Los datos de las tablas anteriores indican el rango de propiedades que 
pueden obtenerse con estos materiales, con ello se da a conocer que el hierro 
dúctil austemperizado a una temperatura de entre 350 y 370 °C posee 
propiedades mecánicas similares al acero 8620. 
 
2.4 Estado del arte sobre la caracterización mecánica del hierro dúctil 
austemperizado (ADI). 
Para evaluar el potencial que tiene el ADI para ser utilizado en partes 
sujetas a desgaste Y. S. Lerner and G. R. Kingsbury [11], estudiaron la resistencia 
al desgaste del ADI y un acero AISI 4140 sujetos a desgaste por deslizamiento y 
desgaste abrasivo. La resistencia del ADI fue casi cuatro veces mayor que un 
hierro 90% perlítico, solo el hierro templado con una microestructura martensítica 
Composición Química TA 
[°C
] 
0.2% 
σ0. 
[MPa
] 
UTS. 
[MPa
] 
Elong
. 
[%] 
Durez
a 
[HRC
] 
C Si Mn Mg Cu Mo 
3.5
2 
2.6
7 
0.29 0.03
2 
0.87 0.25 350
370
390
410
800 
851 
620 
660 
1125 
1104 
965 
967 
4 
8 
9 
10 
36.6 
35.5 
31 
30 
3.4
5 
2.4
3 
0.08
9 
0.06 0.061C
r 
0.024N
i 
450 640 950 6 33 
3.4 
3.8 
2.4 
2.8 
0.35 0.06 0.8 0.3 400
232
551 
1275 
861 
1585 
16 
1 
28.5 
54 
3.4
5 
2.4
8 
0.4 0.15 1.5Ni 0.3 260
302
343
371
400
1200 
1950 
950 
720 
600 
1600 
1380 
1190 
1080 
1050 
3 
6 
11 
15 
15 
43 
38 
29 
26 
23 
3.4
6 
2.6 0.15 0.04
2 
0.65 0.3 370 788 1061 --- --- 
3.5
3 
2.2
7 
0.22 0.04 0.22 0.04 260
360
1320 
901 
1333 
1036 
0.2 
1.64 
50.5 
38 
ANTECEDENTES 
11 
 
exhibió una resistencia mayor que el ADI, por otra parte el desgaste del acero fue 
relativamente menor comparándolo con el ADI. 
La resistencia al desgaste del ADI es atribuida al posible cambio que se da 
en la superficie de desgaste, la austenita estable con alto contenido de carbono se 
transforma en martensita. 
John R. Keough y Kathy L. Hayrynen [20], examinaron los datos disponibles 
en la literatura sobre los modos de desgaste: abrasivo, adhesivo y por erosión. 
Utilizando el primero de ellos, obtuvieron que la resistencia al desgaste del ADI no 
depende de la dureza del material cuando se generan altos esfuerzos, esto como 
resultado de la posible transformación de austenita a martensita en la superficie de 
prueba. Cuando los esfuerzos no son lo suficientemente grandes para iniciar la 
transformación, el desgaste es proporcional a la dureza de la muestra. La 
resistencia a la abrasión del ADI se puede mejorar incrementando el volumen de 
carburos en la superficie. 
Para determinar la causa del incremento en la resistencia al desgaste del 
ADI comparada con hierros dúctiles sin tratamiento térmico J. Zimba, y 
colaboradores [21], estudiaron la resistencia a la tensión, desgaste, tenacidad y 
dureza de un ADI, un acero EN 24 frecuentemente utilizado en aplicaciones que 
requieren buena resistencia al desgaste y un acero SAE 1020 utilizado como 
estándar en pruebas de desgaste. Reportando que el austemperizado en un rango 
de temperaturas 340-375 °C mejora significativamente la resistencia a la tensión y 
al desgaste con sacrificio de la ductilidad y tenacidad. La resistencia a la abrasión 
del ADI es muy superior al hierro dúctil y es comparable a la de aceros que tienen 
aproximadamente dos veces su dureza del ADI. Existe una transformación de 
austenita retenida en martensita (comprobado con DRX), este fenómeno endurece 
la superficie del ADI, con ello se incrementa la resistencia al desgaste; a partir que 
la transformación solo es en la superficie no se pierde tenacidad en el material, 
resultando una buena combinación de alta resistencia, tenacidad y resistencia al 
desgaste. 
A. Refaey, N. Fatahalla [22], Compararon la microestructura, resistencia, 
impacto, fractografía y características de desgaste de un ADI, un hierro nodular de 
baja aleación. Las propiedades de desgaste fueron determinadas usando una 
maquina de perno sobre disco en condiciones de deslizamiento seco. Algunos 
resultados son: la masa perdida del ADI es cercana al hierro dúctil de baja 
aleación, presentando buena resistencia al desgate, la cual está principalmente 
relacionada con la dureza, la masa perdida está directamente relacionada con la 
velocidad de deslizamiento y carga aplicada en la prueba. 
La resistencia al desgaste abrasivo puede evaluarse a través de la prueba 
llamada “Dry sand/rubber wheel” (Norma ASTM G-65) y según lo reportado por los 
investigadores Dommarco, Sousa y Sikora [23], sugieren que para disminuir la tasa 
de desgaste es recomendable tener una baja densidad de nódulos ya que estos 
tienen una influencia negativa aun en matrices de alta dureza. Proponen un factor, 
el cual puede ser una herramienta para predecir el desgaste abrasivo en 
materiales con diferentesdurezas y ductilidad. 
ANTECEDENTES 
12 
 
 
Respecto a la fatiga por contacto de rodadura (FCR) Dommarco y Salvande 
[24], realizaron experimentos utilizando hierro dúctil austemperizado y acero AISI 
4140 reportando el efecto que tiene la dureza de la matriz en este tipo de 
desgaste, presentando un incremento en la resistencia cuando la temperatura de 
austemperizado decrece. Esto se atribuye a que la alta dureza retrasa la 
acumulación microplástica y por ello la nucleación de grietas, El ADI presenta un 
tiempo de vida menor que el acero AISI 4140. 
Considerando que la falla por fatiga por contacto de rodadura (FCR) está 
compuesta por tres etapas: nucleación, propagación y fractura, la nucleación 
consume cerca del 85% de la vida total y la presencia de nódulos es importante ya 
que actúan como sitios de nucleación. El acero AISI 4140 templado y revenido 
ensayado tuvo una resistencia siete veces mayor que el hierro dúctil 
austemperizado a 300° C y dos veces más que el tratado a 240° C, también se 
reporta que el ADI no es susceptible a la presencia de defectos artificiales ya que 
el tiempo de vida es similar al registrado sin la presencia de estos defectos, 
mientras que los aceros ensayados disminuyen 15% su tiempo de vida con la 
presencia de los mismos. 
El progreso de agrietamiento del ADI se caracteriza por un continuo cambio 
de dirección de la grieta, aparentemente causado por la presencia de nódulos 
cerca de la punta de la grieta. Esta propagación involucra las pequeñas grietas 
que se generan en los nódulos, como una consecuencia de los esfuerzos 
inducidos en la vecindad de éstos por avance de la grieta principal. La generación 
de grietas secundarias funciona como un mecanismo de reforzamiento, porque la 
grieta requiere una cantidad extra de energía para continuar avanzando, así 
mismo, así mismo, ésta es obstruida por la austenita retenida de la matriz de 
ausferrita que puede transformarse en martensita por esfuerzo o deformación, lo 
cual, consume más energía. También se generan esfuerzos residuales de 
compresión, los cuales reducen la propagación de la grieta. Otro factor que explica 
su buena resistencia a la fatiga es el conteo de nódulos, la propagación de grieta 
es fuertemente influenciada por la presencia de nódulos justo por debajo de la 
superficie de contacto. 
Aunque se considera la buena resistencia del ADI a la propagación de 
grietas, ésta es solo una pequeña fracción del tiempo total de vida. El tiempo de 
vida o resistencia a la fatiga está determinado por la nucleación de grietas en el 
caso del hierro dúctil, los nódulos actúan como defectos naturales donde las 
grietas se nuclean fácilmente. 
Además de evaluar el comportamiento del hierro dúctil austemperizado a 
diferentes temperaturas, también se ha evaluado el efecto que tiene incrementar la 
densidad de nódulos sobre la resistencia al desgaste. Por ello, el grupo de 
tribología integrado por Rebasa, Dommarco y Sikora [25], reportaron que la falla 
por fatiga por contacto de rodadura es un proceso probabilístico, la probabilidad de 
falla aumenta incrementando la densidad de nódulos, pero esto solo es aplicable 
cuando el desgaste es de tipo abrasivo. Por el contrario, el desgaste por contacto 
ANTECEDENTES 
13 
 
por rodadura tuvo una notable disminución en hierros con alta nodularidad, la cual 
fue una quinta parte de la generada en piezas con densidad de nódulos promedio. 
Otro estudio realizado por los investigadores Dommarco, Jaurguiberry y 
Sikora [26], reportaron que el tamaño de nódulos afecta la vida de fatiga por 
contacto de rodadura independientemente de la microestructura del hierro dúctil, 
su resistencia a él es afectada por cambios en el tamaño de nódulos, pero ésta 
puede ser mejorada incrementando el área de contacto. 
En lo referente a desgaste por deslizamiento Gangasani [27], realizó un 
estudio comparativo del comportamiento de dos tipos comerciales de hierro dúctil 
65-45-12 y 80-55-06, los cuales fueron austemperizados a diferentes 
temperaturas, la evaluación se realizó a través del método “3 pernos sobre disco”, 
el cual se utiliza para determinar el comportamiento al desgaste de materiales en 
condición seca, reportó que cuando la carga de prueba es relativamente baja, el 
material perdido está relacionado solo a la dureza inicial de las muestras ya que 
no existe evidencia de formación de martensita. La tasa de desgaste del hierro 
austemperizado a 250 °C fue las más baja de los materiales ensayados. 
Respecto a las propiedades mecánicas que se obtienen con este material 
Yoon-Jun Kim, y colaboradores [28], encontraron que un hierro dúctil 
austemperizado tiene mayor ductilidad cuando se trata térmicamente a una 
temperatura de 410°C con elongaciones del 10% y a una temperatura de 350°C se 
obtiene la resistencia más alta 1125 MPa con una ductilidad del 8%. También 
reportaron que la adición de cobre y molibdeno es muy importante para el 
incremento de la resistencia a la tensión. 
A. Refaey y N. Fatahalla [29], realizaron una comparación entre un ADI y un 
hierro dúctil aleado con níquel y molibdeno reportando valores de dureza 1.5 
mayores que las del ADI y 2.5 más grandes que el hierro dúctil convencional. 
Esfuerzos de cedencia de 340 MPa para hierro dúctil convencional, 640 MPa para 
ADI y 750 MPa para el hierro aleado. El ADI registró una pérdida de masa 
semejante al hierro aleado mostrando buena resistencia al desgaste en condición 
seca, su resistencia al desgaste se encuentra directamente relacionada con la 
dureza de la matriz. 
 
2.5 Proyectos automotrices que utilizan hierro dúctil austemperizado (ADI). 
General Motors inició un proyecto en los años 60´s, el cual fue un programa 
de desarrollo de engranes con ADI, después de una década de investigación, en 
1977 GM lanzó un juego de engranes hipoidales presentados en la figura 10, 
instalados en vehículos de medio tamaño producidos por Pontiac. Se estuvieron 
manufacturando engranes hasta que la producción de vehículos cesó [30]. 
 
ANT
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un 
del
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2.6
sig
Pet
com
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TECEDENTES 
 
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Figura 11
6 Tribología
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ANTECEDENTES 
15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1. Un cuerpo base o primario sujeto a desgaste. 
2. Un cuerpo secundario o de fricción bajo condiciones de desgaste. 
3. Sustancia intermedia entre las superficies en contacto: aceite, grasa, 
polvo, fibras, abrasivos, agua, vapor, gases, etc. 
4. Medio ambiente donde se encuentra el sistema, si éste se encuentra 
inmerso en gases, líquidos, bajo diferentes presioneso 
temperaturas. 
 
2.7 Desgaste. 
El desgaste es definido como: Desprendimiento de partículas que ocurre 
en la superficie de sólidos que se encuentran en contacto y movimiento 
relativo, producto de la acción de una carga [13]. 
El desgaste produce daño en las superficies de contacto y el análisis e 
interpretación de las mismas puede resultar compleja debido a que generalmente 
es una combinación de dos o más tipos de daños, pero es posible hacer una 
clasificación utilizando tipos idealizados [14], como los que se describen a 
continuación. 
1. Daños de superficie sin intercambio de material. 
a. Cambios estructurales: Daño por cambios estructurales como 
envejecimiento, revenido, transformaciones de fase, etc. 
b. Deformación plástica: Daño caracterizado por deformación de 
alguna capa de la superficie localizada o extensa, la última se 
revela como un cambio de forma. 
c. Agrietamiento de superficie: Daño causado por un excesivo 
contacto local o variaciones cíclicas de temperatura o 
esfuerzos, el último caso produce arreglos densos de grietas 
paralelas mientras que las variaciones térmicas generan 
arreglos de redes de grietas. 
2. Daños de superficie que involucra pérdida de material: desgaste. 
El material perdido de la superficie puede presentar varias 
formas y tamaños. 
3
1
2Fricción 
Velocidad 
Carga 
4
Desgaste 
ANT
2.8
pul
de 
tipo
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TECEDENTES 
3. 
4. C
a
 
8 Tipos de 
Existen
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partículas 
os de desga
1. 
2. 
3. 
4. 
 
8.1 Desgas
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8.2 Desgas
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 . . . . 
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18 
 
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F
 
2.6
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[18]
 
 
TECEDENTES 
5.4 Desgas
La corr
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Figura 16. El 
6 Máquina t
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19 
 
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[14]. 
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2.6
 
TECEDENTES 
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2. 
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9. 
10. 
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Figura 18
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99. 
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20 
 
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e se 
on la 
to. 
esión 
perno 
arga. 
ones 
ANTECEDENTES 
21 
 
La cantidad de desgaste es determinada midiendo y pesando las probetas 
antes y después de la prueba, la cantidad de materia perdida es convertida a 
volumen perdido en mm3 utilizando el valor de la densidad de las muestras. 
Los valores de desgaste se reportan en gráficas de volumen perdido contra 
distancia recorrida lo que permite conocer la tasa de desgaste del material 
estudiado. 
 
El desgaste en cualquier sistema depende de varios parámetros como: 
carga aplicada, velocidad de deslizamiento, distancia recorrida, medio ambiente 
(lubricado, seco, presión, vacio, temperatura, corrosivo, etc.) y las propiedades del 
material. Este tipo de ensayos se utilizan para evaluar el desgaste de un material 
en condiciones reales de servicio. 
 
22 
 
3. Desarrollo experimental 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 19. Diagrama de flujo del procedimiento experimental utilizado. 
 
Conclusión y Propuesta 
Evaluación 
Determinar 
Magnitud de cargas 
Análisis 
Método Elemento Finito 
(FEM) 
Modelo por diseño 
asistido por computadora 
(CAD) 
Tratamientos Térmicos 
Ensayos de dureza 
Ensayos de desgaste 
(Perno sobre Disco) 
Fabricación de Probetas 
Caracterización 
microestructural 
Propiedades Mecánicas 
(Literatura) 
DES
 
3.1
em
3.2
cilí
pos
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SARROLLO EXP
 Materiale
Los ma
1. 
2. 
3
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Hierro d
 
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0.18 0
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Fig
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0.63 0.
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sus siglas 
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0.01 0.02 
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hierro d
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dúctil. 
y el trata
o en 8620C
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ón química
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Cu 
16 
cionados p
ricaron prob
dúctil y a
amiento tér
CTR. 
23 
 
a fue 
s del 
por la 
betas 
cero, 
rmico 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
24 
 
3.3 Tratamientos térmicos realizados. 
3.3.1 Acero 8620 carburizado, templado y revenido. 
Se utilizó un horno de retorta y una atmósfera de metanol-nitrógeno para 
aplicar tratamientos térmicos al acero 8620 los cuales fueron: carburizado a una 
temperatura de 900 ± 20° C por 5 horas, un temple en aceite hasta un 
temperatura de 80-90° C y finalmente un revenido a 160-170° C por 2 horas. 
 
3.3.2 Hierro dúctil templado. 
Se llevó a cabo en un horno de tubo horizontal marca Carbolite modelo 
CTF; se utilizó una atmósfera de argón para evitar la oxidación de la probeta. El 
calentamiento del horno se hizo con una rampa de 10 °C por minuto hasta 
alcanzar la temperatura de austenización (Tγ) de 900 °C y se mantuvo por 1.5 
horas. Esta temperatura se monitoreó a través de un termopar externo, el cual se 
introdujo en el tubo justo en la ubicación de la muestra. Posteriormente las 
muestras se templaron en agua a temperatura ambiente. 
 
 
Figura 21. Horno de tubo horizontal utilizado. 
 
3.3.3 Hierro dúctil austemperizado. 
Los trabajos expuestos en forma general concluyen que para tener buena 
resistencia al desgaste se debe tener alta dureza para evitar la deformación, la 
generación y propagación de grietas, sin embargo se pierde ductilidad. 
Según las características de funcionamiento de la cruceta descritas en la 
introducción de este trabajo, esta parte debe poseer además un valor considerable 
de ductilidad con el fin de que esta pieza absorba la mayor cantidad de esfuerzos 
generados. Para producir un hierro con una ductilidad del 11% y resistencia 
mecánica de 1100 MPa, semejantes al que posee el acero 8620 según la tabla 3; 
se utilizó una temperatura de austemperizado de 360 °C, la cual se extrajo de la 
figura 22. 
Se utilizó el mismo equipo y condiciones de austenización que el temple; 
para el austemperizado se utilizó plomo líquido como medio de temple, el cual se 
Ubicación de la probeta 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
25 
 
mantuvo a una temperatura de 360 °C, una vez concluidas 1.5 horas a 900 °C las 
probetas se extrajeron y se sumergieron en el baño de plomo durante un período 
de 3 horas a temperatura constante. 
 
Figura 22. Resistencia a la tensión y elongación del ADI según la temperatura de 
austemperizado [4]. 
 
3.4 Metalografía. 
Se realizó un corte transversal en cada una de las probetas de acero 
8620CTR, HDT y ADI con el fin de observar la microestructura en la parte central 
de la misma. 
La preparación de metalografías en hierro dúctil es algo diferente y difícil 
debido a que se deben mantener la máxima cantidad de nódulos de grafito en la 
matriz, por esta razón este procedimiento se realizó según las recomendaciones 
del manual ASM volumen 9, que específica el equipo y materiales a utilizar [32]. 
Para el desbaste se utilizaron lijas de carburo de silicio con graduación: 
240, 500, 1000, 2000 y 4000. En el pulido se utilizó pasta de diamante de 1 µm. 
Las muestras fueron atacadas con reactivo de nital al 2% y observadas con 
un microscopio metalográfico equipado con analizador de imágenes. 
 
220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
0
2
4
6
8
10
12
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
El
on
ga
ci
ón
, %
 
U
TS
, M
Pa
Temperatura de austemperizado, °C
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
26 
 
3.5 Ensayos de dureza. 
Se realizaron siete ensayos de microdureza Vickers en la matriz de las 
probetas de acero 8620CTR, HDT y ADI, utilizando una carga de 50 gramos y un 
tiempo de aplicación de12 segundos en un durómetro marca Mitutoyo modelo HV-
113. 
 
Figura 23. Microdurómetro utilizado. 
 
3.6 Ensayos de desgaste por deslizamiento. 
Los pernos utilizados fueron los rodamientos tipo aguja del cojinete (Figura 
24-a), los cuales están fabricados con acero DIN Cr 6 que es un acero al cromo 
con alto contenido de carbono (0.95- 1.10% C). Los discos utilizados fueron las 
probetas manufacturadas especialmente para el presente trabajo experimental. 
Las condiciones de prueba utilizadas fueron: 25 mm de diámetro de la 
huella, 350 R. P. M. (ajustadas con tacómetro digital, ver figura 24-b) para una 
velocidad tangencial de 0.458 m/s, 140 N de carga normal y se ajustó el tiempo de 
prueba para que la distancia recorrida fuera de 200 m para la condición seca y 
1000 m para la condición lubricada. Se usó grasa Chevron ultra duty grease®, con 
viscosidad cinemática de 400 cSt a temperatura ambiente. 
Se realizaron cuatro ensayos de desgaste de cada material, los valores del 
peso perdido para la distancia acordada fueron evaluados por medio de una 
balanza marca Scientech modelo SA 310 con una precisión de 0.0001 g (figura 
24-c). 
Se midió la fuerza de fricción de los tres materiales en condición seca y 
lubricada utilizando una celda de carga marca PASCO 4500, utilizando una carga 
de 9.81 N por 1 minuto, la configuración utilizada se presenta en la figura 24-d. 
DES
Fig
de 
par
 
3.8
es 
con
un 
sim
det
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con
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25.
Fig
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SARROLLO EXP
ura 24. Proc
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8 Simulació
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. 
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(c) 
PERIMENTAL 
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ción. 
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ero 8620CT
cual tiene u
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o y disco util
so perdido, 
los materia
la cruceta
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e análisis e
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que el otro 
mo se mue
 
solo se aplic
 
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r esta razó
estructural
y hierro d
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ca en un ext
(b) 
(d) 
27 
 
ajuste 
ración 
estión 
o, se 
m en 
n, se 
para 
dúctil 
cidad 
e fijo 
figura 
tremo 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
28 
 
Para realizar este análisis se modeló la geometría de la cruceta según sus 
dimensiones reales (Apéndice A), para ello los muñones se ubicaron en dirección 
de los ejes X y Y, como se muestra en la figura 26. 
 
 
Figura 26. Modelo de la cruceta en CAD. 
 
3.8.1 Determinación de fuerzas. 
Para determinar la magnitud de las fuerzas que actúan en la cruceta, se 
elaboró el diagrama de cuerpo libre mostrado en la figura 27, en ella se manifiesta 
que una horquilla está limitada a cualquier desplazamiento, ésta transmite la 
restricción a los cojinetes respectivos y finalmente a los muñones, de la misma 
forma, el torque aplicado (Τ) o par de fuerzas (2F) es transmitido a los dos 
muñones restantes. 
 
Figura 27. Diagrama de cuerpo libre para determinar las cargas aplicadas. 
X 
Y Z 
X 
Y
F
F
Τ 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
29 
 
Para determinar el valor de fuerza F aplicada en la parte media del cojinete, 
se conoce que, el valor del momento de un par de fuerzas es igual al producto de 
una de ellas por la distancia que las separa. 
 
dF ×=Τ . . . . . . . . . . . . . . 4 
 
En este caso la distancia es la longitud de 98.49 mm. Determinando una 
fuerza de 63,965 N. 
Un análisis detallado de cómo se transmite la fuerza desde el cojinete hasta 
el muñón se presenta en la figura 28. Considerando que los rodamientos solo 
transmiten la fuerza radial y que la anteriormente calculada F solo actúan en el eje 
Y, se establece que ésta se divide en varias de menor magnitud (f), las cuales 
tienen componentes en el eje Y y Z, solo se consideraron las fY, debido a que las 
fZ se eliminan al actuar en sentidos opuestos. 
También se observa que la magnitud de las componentes fY es diferente, 
siendo máxima (558.21 N) a 0° y cero a 90° y 270°, esto produce el perfil de la 
fuerza distribuida. 
 
Figura 28. Análisis de fuerzas que actúan en el cojinete y muñón. 
 
La periferia del muñón de dividió en 36 partes para aplicar una fuerza 
diferente en cada una de ellas, la cual se determinó empleando una hoja de 
cálculo y utilizando la ecuación 5. Los resultados se agruparon cada 10°, 
correspondientes a cada segmento. 
270° 
Y 
Z 
 
α 
f máx. 
Horquilla 
Cojinete 
Rodamientos 
tipo aguja 
270°
90°
Muñón 
F 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
30 
 
 
FCos 
270
=∑
90
αf . . . . . . . . . . . . . 5 
Donde: 
 f Fuerza transmitida por las agujas del cojinete 
 F Fuerza transmitida por la horquilla 
 
La presión en cada segmento se determinó utilizando la ecuación 6, los 
valores obtenidos anteriormente y la aérea de cada uno de ellos, los resultados se 
muestran en la tabla 5. 
Dlπ
∑
°
α
= 10segmento
 f
P
Cos 36
 . . . . . . . . . . . 6 
Donde: 
 D Diámetro del muñón, (0.0271 m) 
l Longitud del muñón, (0.01921 m) 
 
 
Tabla 5. Presión aplicada a cada segmento del muñón. 
Ángulo ∑ Fuerza [N] Psegmento [Pa] 
90-99 437.42 9628402.12
100-109 1395.90 30726321.03
110-119 2311.97 50890636.22
120-129 3157.79 69508665.18
130-139 3907.66 86014708.52
140-149 4538.80 99907238.46
150-159 5032.03 110764137.53
160-169 5372.36 118255524.32
170-179 5549.46 122153776.85
181-190 5549.46 122153776.85
191-200 5372.36 118255524.32
201-210 5032.03 110764137.53
211-220 4538.80 99907238.46
221-230 3907.66 86014708.52
231-240 3157.79 69508665.18
241-250 2311.97 50890636.22
251-260 1395.90 30726321.03
261-270 437.42 9628402.12
 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
31 
 
3.8.2 Condiciones de análisis. 
Como plataforma de análisis se utilizó el software ANSYS; el modelo fue 
importado del archivo .sat generado en Mechanical Desktop. Se consideró un 
análisis tipo lineal y estático utilizando las propiedades correspondientes al acero 
AISI 8620 mostradas en la tabla 3 (E = 205 GPa y ν = 0.29). Para su discretización 
se empleó el elemento Solid45, utilizado para resolver estructuras sólidas en 3D, 
su forma primaria es un cuadrilátero, definido por ocho nodos con tres grados de 
libertad en cada uno (desplazamiento en X, Y y Z), lo anterior produjo 850,787 
elementos finitos como se aprecia en la figura 29. 
Para simular la condición de carga, primero se aplicó la restricción a 
cualquier desplazamiento a las superficies de dos muñones opuestos, 
posteriormente se aplicaron las presiones de la tabla 5 en cada segmento de los 
muñones restantes como se muestra en la figura 30. 
Después de obtener la solución, se obtuvieron los esfuerzos de Von Mises, 
conocido como: criterio de máxima energía de distorsión, establece que el material 
no fluirá en el punto analizado siempre que la energía por unidad de volumen en el 
mismo, no supere la que se da en el momento de la fluencia en un ensayo de 
tensión. 
 
. 
Figura 29. Modelo seccionado en elementos finitos. 
 
 
DESARROLLO EXPERIMENTAL 
32 
 
 
Figura 30. Distribución de presiones en los muñones. 
 
 
4. 
 
4.1
4.1
862
pre
ma
Fig
per
rete
Result
 Caracteri
.1 Acero 8
La micr
20CTR, en 
esenta en 
artensita y p
ura 31. Mic
rlita (fase os
enida (fase c
tados 
zación mic
8620CTR. 
roestructura
ellase obs
la figura 3
pequeñas z
roestructura
scura). (b) C
clara) y aguja
(a) 
(b) 
croestructu
a presentad
servan las f
31-b, ésta 
zonas de au
a del acero 
Capa carbur
as de marten
ural del ac
da en la fig
fases de fe
tiene un e
ustenita rete
8620CTR. (a
rizada, mues
nsita. 
cero 8620C
gura 31-a c
rrita y perlit
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enida. 
a) Matriz, p
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CTR, HDT y
orresponde
ta. La capa
550 µm, 
resenta ferr
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10
10 
y ADI. 
e a la matri
a carburizad
compuesta
 
 
rita (fase cla
30% de aus
 μm 
μm 
33 
 
z del 
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tenita 
RES
4.1
mu
(for
la 
par
ana
ést
peq
nód
cua
figu
Fig
una
 
SULTADOS 
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68 μm2. 
709 μm2. 
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50 μm
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RESULTADOS 
35 
 
Las probetas se atacaron químicamente con nital al 2%, revelando las fases 
de la microestructura, siendo 10% de grafito, 27% de ferrita y 63% de perlita como 
se observa en la figura 33-a. La misma figura a mayor magnificación muestra 
perlita gruesa. 
 
 
 
Figura 33. (a) Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos atacada con nital al 
2%, muestra un porcentaje de fases: 10% grafito, 27% ferrita y 63% perlita. (b) Nódulos de 
grafito rodeados de una corona de ferrita y una matriz de perlita gruesa. 
 
La microestructura del hierro dúctil templado, se presenta en la figura 34, 
donde se observa una completa transformación de la perlita y ferrita en agujas de 
martensita, también muestra pequeñas zonas de austenita retenida. 
(b) 
(a) 
10 μm 
50 μm 
RESULTADOS 
36 
 
 
 
 
Figura 34. Microestructura del hierro dúctil templado, (a) presenta nódulos de grafito en una 
matriz martensítica. (b) zonas de austenita retenida (fase blanca central). 
 
 
4.1.3 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 
La microestructura del hierro dúctil austemperizado se indica en la figura 35, 
en ella se observa una matriz de ausferrita la cual consiste en ferrita acicular y 
austenita estable con alto contenido de carbono. 
 
 
Austenita retenida
(a) 
(b) 10 μm 
50 μm 
RES
Fig
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4.2
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SULTADOS 
 
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50 μm 
 
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m 
37 
 
grafito 
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siete 
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RESULTADOS 
38 
 
Tabla 7. Durezas HV y HRC de los materiales ensayados. 
Probeta Microdureza Vickers
[HV] 
Dureza Rockwell C
[HRC] 
Acero 8620CTR 656 57.8 
Hierro dúctil perlítico 326 32.8 
ADI 485 48 
Hierro dúctil templado 867 65 
Acero DIN Cr 6 800 64[33] 
 
4.3 Caracterización tribológica. 
4.3.1 Fuerza de fricción en condición lubricada y seca. 
 
Para determinar el coeficiente de fricción (μ), se hizo una relación del 
promedio de la fuerza de fricción para cada aleación y la carga aplicada, los 
resultados de cada condición de prueba se muestra en la tabla 8. 
 
μ = 
aplicada Carga
fricción de Fuerza . . . . . . . . . . . 7 
 
Tabla 8. Coeficientes de fricción de los tres materiales estudiados. 
Probeta 
μ 
Seco 
μ 
Lubricado
8620CTR 0.15987 0.01121 
ADI 0.17023 0.07849 
HDT 0.15089 0.02404 
 
4.3.2 Volumen perdido. 
Los gráficos de volumen perdido contra distancia recorrida de los tres 
materiales se evaluaron cada 200 y 1000 m recorridos. La densidad de cada 
material se determinó dividiendo el valor de masa inicial entre el volumen según 
las dimensiones de la probeta. Las densidades utilizadas fueron: 7.7901 g/cm3 
para el 8620CTR, 7.0995 g/cm3 para el ADI y 7.0199 g/cm3 para el hierro dúctil 
templado. Se reporta el valor promedio de cuatro pruebas realizadas en cada 
material por condición seca y lubricada. 
Los resultados de los ensayos de desgaste en condición seca se presentan 
en la figura 36. Muestra que el volumen perdido de la superficie del ADI fue el 
mayor, seguido del acero 8620CTR, mientras que el hierro dúctil templado 
RESULTADOS 
39 
 
presentó la menor pérdida. Respecto a las pruebas lubricadas, en general se 
registró menor pérdida de volumen debido a la acción del lubricante que impide el 
contacto directo entre las superficies del perno y disco, reduciendo 
considerablemente la fricción y el calentamiento del material. La figura 37, muestra 
el volumen perdido cada 1000 m en condición lubricada, observándose que el ADI 
sigue presentando la mayor pérdida de volumen, mientras que el acero 8620CTR 
tuvo la menor pérdida de volumen. 
 
Figura 36. Volumen perdido en condición seca en relación con la distancia recorrida. 
 
 
Figura 37. Volumen perdido en condición lubricada en relación con la distancia recorrida. 
0 200 400 600 800 1000 1200
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
 
V
ol
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en
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 , 
m
m
3
Distancia recorrida, m
 8620CTR
 ADI
 HDT
0 2000 4000 6000
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
 
V
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do
, m
m
3
Distancia recorrida, m
 8620CTR
 ADI
 HDT
RESULTADOS 
40 
 
4.3.3 Tasa de desgaste. 
La tasa de desgaste de los tres materiales en ambas condiciones de prueba 
se muestra en la figura 37. 
 
 
Figura 38. Tasas de desgaste de los materiales ensayados en condición seca y lubricada. 
 
 
4.3.4 Coeficiente de desgaste. 
El coeficiente dimensional de desgaste k se presenta en la figura 36. 
 
Figura 39. Coeficiente dimensional de desgaste k, de cada material ensayado en condición 
seca y lubricada. 
8620CTR ADI HDT
0.0
5.0x10-4
1.0x10-3
1.5x10-3
2.0x10-3
8.054x10-4
1.850x10-3
5.138x10-57.044x10
-5
1.460x10-3
Ta
sa
 d
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de
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, m
m
3 /m
Material
 Lubricada
 Seca
4.739x10-5
8620CTR ADI HDT
0.0
2.0x10-6
4.0x10-6
6.0x10-6
8.0x10-6
1.0x10-5
1.2x10-5
1.4x10-5
5.753x10-6
1.317x10-5
3.670x10-75.031x10
-7
1.042x10-5
k,
 
m
m
3 
N
-1
m
-1
Material
 Lubricada
 Seca
3.385x10-7
RESULTADOS 
41 
 
4.3.5 Micrografías de las huellas de desgaste. 
Para determinar el mecanismo de desgate de los tres materiales en cada 
condición de prueba se analizaron las huellas de desgaste a través de 
microscopía electrónica debarrido, cuyos resultados se exhiben en las figuras 40, 
41 y 42. 
Las figuras 40-a y 40-c, corresponden a la huella de desgate del acero 
8620CTR en condición seca, se identifican dos mecanismos de desgaste: 
Deformación plástica y resquebrajamiento de la red cristalina, mientras que en 
condición lubricada se percibe menor deformación plástica, así como daños 
superficiales debido a las impurezas o poros donde se concentran los esfuerzos, 
lo anterior se exhibe en las figuras 40-b y 40-d. 
 
 
 
Figura 40. Huellas de desgaste del acero 8620CTR. (a) y (c) Condición seca. (b) y (d) 
Condición lubricada. 
 
 
 
(a) Resquebrajamiento Deformación plástica (b) Deformación plástica 
(c) (d) Daños superficiales 
Condición seca Condición Lubricada 
1 0 0 μm 1 0 0 μm 
1 0 μm 1 0 μm 
RESULTADOS 
42 
 
 
Las huellas de desgaste del hierro dúctil austemperizado en condición seca 
se presentan en las figuras 41-a y 41-c, se observa que debido al desgaste por 
adhesión, existe una gran deformación plástica, delaminación y resquebrajamiento 
de la matriz. Las figuras 41-b y 41-d, corresponden a la condición lubricada donde 
se percibe reducida deformación plástica, así como resquebrajamiento con menor 
daño superficial. 
 
 
 
Figura 41. Huellas de desgaste de hierro dúctil austemperizado. (a) y (c) Condición seca. (c) 
y (d) Lubricada. 
 
 
 
 
 
(a) Deformación plástica (b) Deformación plástica Nódulos
(c) Delaminación Grieta (d) Daños superficiales 
Condición seca Condición Lubricada 
1 0 0 μm 1 0 0 μm 
1 0 μm 1 0 μm 
RESULTADOS 
43 
 
En la figura 42-a, se indica la huella en condición seca del hierro dúctil 
templado donde casi no existe deformación plástica de la matriz por el contrario se 
observa un agrietamiento y material adherido del perno. En la figura 42-c, se 
contempla claramente la delaminación que sufre la matriz justo en los perímetros 
de los nódulos. 
La figura 42-b, correspondiente a la condición lubricada presenta mínima 
deformación plástica de la matriz; el desgaste revela pequeños nódulos de grafito, 
así como reducidos daños superficiales. La figura 42-d, presenta escasa 
deformación plástica, esto es evidente en la periferia de los nódulos. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 42. Huellas de desgaste de hierro dúctil templado en condición seca y lubricada. 
 
 
 
 
(a) Grietas Material adherido (b) Nódulos 
(c) Delaminación (d) Deformación plástica 
Condición seca Condición Lubricada 
1 0 0 μm 
1 0 μm 1 0 μm 
1 0 μm 
RESULTADOS 
44 
 
4.4 Análisis por elemento finito. 
 
Los resultados del análisis por elemento finito se muestran en la figura 43, 
éstos corresponden a los esfuerzos de Von Mises generados en la cruceta 
fabricada con acero 8620CTR. En ella se observa que la zona donde se 
concentran los esfuerzos se localiza en la base de los muñones, alcanzando un 
valor de hasta 760 MPa. 
Realizando este mismo análisis utilizando las propiedades del hierro dúctil y 
hierro dúctil austemperizado (E=175 GPa y ν=0.28), se obtiene un esfuerzo 
máximo generado de 775 MPa. 
Una cruceta fabricada con acero 8620 resiste este valor de torque porque 
su esfuerzo de cedencia es de 833 MPa, el cual es mayor al esfuerzo máximo 
generado en la base de los muñones, mientras que una fabricada con hierro dúctil 
no puede soportar este torque debido a que los esfuerzos generados superan por 
mucho el valor de su esfuerzo de cedencia que es de 483 MPa. 
Considerando los valores reportados [8, 9, 10], se tiene que el esfuerzo de 
cedencia del hierro dúctil austemperizado a una temperatura de 360° C, con una 
composición química similar tiene un rango de 800 y 900 MPa. 
Por otra parte, se tiene que la dureza de la matriz austemperizada alcanzó 
un valor de 48 HRC esto hace que el material tenga un esfuerzo de cedencia más 
elevado a los reportados. Para fines de comparación, se utilizó el valor mínimo 
reportado de 800 MPa. En consecuencia sí puede resistir el torque requerido. 
 
 
RESULTADOS 
45 
 
 
 
 
Figura 43. Localización y magnitud de los esfuerzos generados en la cruceta. 
 
 
46 
 
 
5. Discusión de resultados 
 
 5.1 Caracterización microestructural. 
La matriz del acero 8620 está compuesta por las fases de ferrita y perlita 
según la Figura 31, por lo que la matriz de la cruceta tiene adecuadas propiedades 
de ductilidad y tenacidad, mientras que la capa carburizada presenta agujas de 
martensita y un porcentaje del 30% de austenita retenida, su aportación a la 
resistencia mecánica del acero es mínima, debido a que tiene un espesor de 550 
μm dado que su función, es incrementar la dureza (57.8 HRC); obteniendo una 
superficie resistente al desgaste y una matriz dúctil. 
El hierro dúctil presenta una densidad de nódulos total de 1040 
nódulos/mm2 considerando todos los tamaños. Sin embargo, utilizando el criterio 
de solo cuantificar aquellos con un área mayor a 100 μm2, se determinó una 
densidad de 277 nódulos/mm2. En tanto que la nodularidad de las partículas de 
grafito es del 85%, esto en base a la comparación realizada con tablas. 
La matriz del hierro dúctil presentada en la Figura 33, tiene una 
microestructura compuesta por 10% nódulos de grafito, 27% ferrita y 63% perlita 
gruesa, como el que posee un hierro dúctil comercial denominado 100-70-03, el 
cual ofrece una favorable combinación de resistencia mecánica y tenacidad 
[2,3,4,6,7], con dureza de su matriz de 32.8 HRC. 
El proceso de temple en hierro dúctil se realizó de una manera correcta ya 
que en su microestructura presentada en la Figura 34, se pueden identificar 
fácilmente nódulos rodeados de agujas de martensita, así como también 
pequeñas zonas de austenita retenida, con dureza de su matriz de 65 HRC. 
El tratamiento de austemperizado produjo la microestructura de la Figura 
35, la cual consiste en ferrita acicular y zonas de austenita estable con alto 
contenido de carbono. Utilizando la temperatura de austemperizado de 360 °C, se 
obtuvo una dureza de matriz de 48 HRC (485 HV), ésta solo se alcanza cuando se 
templa a bajas temperaturas (alrededor de 260 °C) [3,5,10,11], como se muestra en 
la Figura 44, lo anterior se puede atribuir al uso de plomo líquido como medio de 
temple, dado que es un metal; teniendo mejor conductividad térmica que las sales 
fundidas que normalmente se utilizan. 
DISCUSIÓN DE RESULTADOS 
47 
 
 
Figura 44. Dureza promedio en función de la temperatura de austemperizado. Las barras de 
error representan la desviación estándar determinada de siete mediciones de dureza en 
cada caso [5]. 
 
 
5.2 Ensayos de resistencia al desgaste. 
La Figura 36, muestra el comportamiento de los tres materiales utilizados 
en condición seca. 
El acero 8620CTR inicialmente presenta una pérdida de volumen 
considerable, debido a que el perno forma una huella en el disco, la cual se 
visualiza por el daño de la superficie. La cantidad de volumen perdido tiene una 
tendencia casi lineal según sea la distancia recorrida. 
El comportamiento del ADI es muy variado, inicialmente presenta una gran 
pérdida de volumen, debido a que la matriz tiene menor dureza que el perno y a 
que el grafito no funciona como lubricante, porque es arrancado junto con la 
matriz. Posteriormente, se estabiliza probablemente por la transformación 
reportada de austenita retenida a martensita [11,20,21], ya que se producen 
grandes esfuerzos. Por último, la cantidad de volumen perdido es muy grande 
comparada con el acero 8620CTR. 
El hierro templado registró mayor resistencia al desgaste en el inicio del 
ensayo, siendo similar a la presentada por el acero 8620CTR. Posteriormente, la 
cantidad de volumen perdido se estabiliza, debido a la acción