ACERO 1045. Características de empleo y aplicaciones: Es un acero de resistencia media en estado laminado o en la condición de forjado. Puede ser tratado térmicamente por templa convencional o en aceite, así como por recocido, normalizado y revenido. Es típico para ser templado a la llama o por inducción obteniéndose una dureza superficial de 55-58 Rockwell C. Es ampliamente utilizado en la industria automotriz. Se usa en partes de maquinarias que requieran dureza y tenacidad como manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranes, acoplamientos, árboles, bielas, cigüeñales, piezas de armas, etc.; también se utiliza para la fabricación de herramientas agrícolas, mecánicas y de mano. Tipo de acero: -
Medio carbono. Esfuerzos 600mpa (61 Kg. /mm2). Dureza media 30 a 40 HRc.
Grupo: Aceros al carbono para maquinaria. Perfiles usuales:
Equivalencias aproximadas: -
DIN: CK-45 IHA: F-114 BOEHELER: H AFNOR: XC-45 SAE/AISI: 1045
Análisis químico según Norma Nacional NMX B-301 (% en peso): C 0.43-0.50
Si 0.15-0.35
Mn 0.60-0.90
P màx. 0.040
S màx. 0.050
Tratamientos térmicos recomendados (valores en ºC ): PUNTOS CRÍTICOS FORJADONORMALIZADO TEMPLADOREVENIDO APROX. ABLANDAMIENTOREGENERACIÓN Ac1 Ac3 1050-1200 870-890 650-700 800-850 820-850 300-670 730 785 enfriar al aire enfriar al horno Agua 830-860 RECOCIDO
Aceite Propiedades mecánicas mínimas estimadas según SAE J1397: RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
LIMITE DE FLUENCIA
RELACIÒN DE TIPO DE ALARGA- REDUCCIÒN DUREZA MAQUINAPROCESO MIENTO DE AREA BRINELL BILIDAD Y ACABADO MPa (kgf/mm2 Ksi MPa (kgf/mm2 Ksi EN 2" % % 1212 EF = ) ) 100% CALIENTE Y 570 MAQUINADO ESTIRADO 630 EN FRÍO
58
82
310
32
45
64
91
530
54
77
16
40
163
12
35
17
55
Tratamientos térmicos de los aceros. Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas a que se someten los aceros para conseguir las propiedades y características más adecuadas a su empleo o transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como los constituyentes estructurales y como consecuencia las propiedades mecánicas. Desarrollo de los tratamientos térmicos: Constan de tres fases: A.) Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de consigna): La elevación de temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos críticos, este último es el calentamiento escalonado. B.) Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos por milímetro de espesor en el caso de querer obtener una austenización completa en el centro y superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austenítico crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frágiles. C.) Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperatura ambiente: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que se realice. Clasificación de los diferentes tipos de tratamientos térmicos: •
Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados, temples y revenidos.
•
Tratamientos superficiales: temple superficial y tratamientos termoquímicos (cementación, carbonitruración, bromuración y nitruración).
•
Tratamientos de superficie (depósitos).
Tratamientos en la masa más utilizados:
A.) Normalizado: Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido. Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura. Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono. A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente. Esta variación será más acusada cuanto más ceraca del núcleo realicemos el ensayo. B.) Recocido: Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado posterior. También es utilizado para regenerar el grano o eliminar las tensiones internas. Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan generalmente las características más adecuadas para la utilización del acero y casi siempre el material sufre un tratamiento posterior con vistas a obtener las características óptimas del mismo. Cuando esto sucede el recocido se llama también "tratamiento térmico preliminar" y al tratamiento final como "tratamiento térmico de calidad". Los tipos de recocidos son los siguientes: recocido de regeneración, recocido de engrosamiento de grano, recocidos globulares o esferoidales (recocido globular subcrítico, recocido regular de austenización incompleta o recocido globular oscilante), recocido de homogenización, recocidos subcríticos (de ablandamiento o de acritud), recocido isotérmico y recocido blanco. C.) Temples: es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica". El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la austerita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados. El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la crítica para obtener martensita. La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes". Los factores que influyen en la práctica del temple son: •
El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.
•
La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.
•
El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.
•
El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son:
aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles. Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero. D.) Revenido: es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a éste. Al conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado". El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero después de normalizado o templado, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con enfriamiento lento hasta -300ºC. Los fines que se consiguen con este tratamiento son los siguientes: - Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad. - Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple. - Modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos: · Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza. · Aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia. Los factores que influyen en el revenido son los siguientes: la temperatura de revenido sobre las características mecánicas, el tiempo de revenido (a partir de un cierto tiempo límite la variación es tan lenta que se hace antieconómica su prolongación, siendo preferible un ligero aumento de temperatura de revenido), la velocidad de enfriamiento (es prudente que el enfriamiento no se haga rápido) y las dimensiones de la pieza (la duración de un revenido es función fundamental del tamaño de la pieza recomendándose de 1 a 2 horas por cada 25mm de espesor o diámetro).
Diagrama TTT del acero 1045:
Microestructuras: FERRITA (Hierro a) Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.
Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita
La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado. CEMENTITA
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.
Microestructura del acero 1%C, red blanca de cementita En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados. PERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular. AUSTENITA Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura
ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.
Microestructura de la austenita La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. MARTENSITA Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C.
Microestructura de la martensita
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
TROOSTITA Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600C, o por revenido a 400C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. SORBITA Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650C, o por revenido a la temperatura de 600C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. BAINITA Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Microestructura de bainita superior en un acero rico en silicio. El silicio impide la precipitación de cementita, en su lugar se forman películas de austenita entre las placas de ferrita bainítica. (a) Micrografía optica; (b) micrografía de campo claro de trasmisión de electrones; imagen de campo oscuro de austenita retenida; micrografía de trasmisión de electrones, montaje de una pluma de bainita (esta pluma se veria como una única placa oscura en microscopía optica). Bhadeshia y Edmonds, Acta Metallurgica, volumen 28 (1980) 1265-1273.
Microestructura de una bainita inferior. Notar la precipitación de diferentes partículas de carburos en la placa de ferrita bainítica inferior. La bainita inferior, por otro lado, también está formada de finas placas organizadas en plumas y separadas por películas de austenita retenida y enriquecida en carbono o carburos. Bhadeshia y Edmonds, Metallurgical Transactions A, volumen 10A (1979) 895-907
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos. LEDEBURITA La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono. La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde 1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita y cementita
Tamaño de grano: La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano más fino. En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un número convencional n, de acuerdo con la formula: logG=(n-1)log2 Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100 aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el número de tamaño de grano de uno a ocho.
Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero para comparación a 100X Procedimiento: Conocer el diagrama TTT, la microestructura de las fases y el tamaño de grano es de gran importancia para poder realizar un buen análisis del acero. Para la realización de esta practica se trabajo con una barra de acero 1045 rolado en frió. Como primer paso es cortar la barra en pequeñas probetas de ½ plg de diámetro para después observada en el microscopio. A las probetas se les realizan los diferentes tipos de tratamientos térmicos para después ser pulidas a espejo mediante la utilización de lijas de diferente grosor. El pulido de una probeta tiene por objetivo la eliminación de rayas producidas en la operación de corte del material y así obtener una superficie optima para ser vista en le microscopio. Posteriormente se utiliza el paño de pulido que puede ser de tela de billar junto con un abrasivo el cual es alumina, esto como parte final del pulido. La pieza ya pulida a espejo es atacada con un reactivo, ya que una superficie pulida a espejo revela grietas, inclusiones, fases, poros, etc.; pero, normalmente hay que atacara la probeta para “revelar” la microestructura (fases, limite de grano, impurezas, zonas deformadas, etc.). El ataque se realiza por frotamiento mediante un algodón impregnado del reactivo, para después ser lavada y secada la probeta con un algodón con alcohol. Reactivo de ataque: Reactivo de ataque
Composición
Ácido nítrico (Nital)
Ac. Nítrico: 1-5 ml Alcohol metilito o etílico (98%
Usos En aceros al carbón: A) para oscurecer perlita y dar contraste entre colonias de
o absoluto) Alcohol amilico: 100ml
perlita. B) para revelar fronteras de perlita. C) para diferenciar la ferrita de la martencita.
Estos pasos fueron seguidos para las probetas sometidas a los diferentes tratamientos térmicos. Finalidad de los tratamientos: -
Recocido: ablandar. Normalizado: endurecer. Temple: endurecer. Revenido: disminuir tensiones internas.
Resultados obtenidos: Tratamiento Condiciones iniciales Recocido Normalizado Temple en agua Temple en aceite Revenido en agua Revenido en aceite
Dureza longitudinal HRc 40,44,41 28,30,25 46,46,49 45,44,45 38,43,43 26,30,36 37,31,35
Dureza transversal HRc 41,42,40 26,28,26 45,46,46 43,43,45 36,39,38 28,28,30 37,34,34
Tamaño de grano
Condiciones iniciales 82 88
Cementacion y temple
Revenido
30,32,30 59,66,65
31,30,30 43,43,46
Material 1018 8620
6 8 7 7 6 7 7
Tiempo y temperatura: -
Cementaciòn: 950ºC durante 30min. Enfriamiento a horno apagado durante 12 hrs aprox. Temple: 950ºC durante 30min. Revenido: 600ºC durante 30min.
Fotos del equipo: EQUIPO
DESCRIPCION MUFLA CON LAS PROBETAS DENTRO.
MEDICION DE LA DUREZA DE LAS PROBETAS EN HRc.
SE CORTAN LAS PROBETAS PARA QUE TENGAN DIMENSIONES ADECUADAS PARA PODER SER OBSERVADAS EN EL MICROSCOPIO.
MUFLA CON PROBETAS EN EL TRATAMIENTO DE RECOCIDO.
MEDICION DE LA DUREZA EN UNA DE LAS PROBETAS.
PROBETAS CON EL TRATAMIENTO DE NORMALIZADO.
PROBETAS AL MOMENTO DE TERMINAR EL TRATAMIENTO DE NORMALIZADO.
Fotos de las microestructuras vistas en el microscopio: MICROESTRUCTURA
DESCRIPCION
Microestructura de la probeta en condiciones normales.
Microestructura de la probeta al hacerle el recocido cuyo objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado posterior. también es utilizado para regenerar el grano o eliminar las tensiones internas.
Microestructura de la probeta al hacerle el normalizado, el cual se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºc superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. la velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido. Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura.
Microestructura de la probeta al hacerle temple en agua, el cual es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica". El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la austerita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados.
Microestructura de la probeta al hacerle temple en aceite, su finalidad es la misma que la del temple en agua.
Wwqe4
Microestructura de la probeta al hacerle el revenido en agua cuya finalidad en disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple. - modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos: · disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza. · aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.
Microestructura de la probeta al hacerle el revenido en aceite cuya finalidad es la misma que la del revenido en agua.
Conclusiones. Las durezas obtenidas a partir de los diferentes tratamientos térmicos realizados concuerdan según con la teoría. Partiendo de la dureza obtenida a condiciones normales nos damos cuenta que las dureza aumentan o disminuyen dependiendo del tratamiento, lo cual nos indica que el acero es optimo para cualquier tratamiento.
