2012 TECNOLOGÍA DE MATERIALES Reconocimiento de las propiedades del ACERO AISI 4140
Danilo Quishpe Mario Bustamante 18/04/2012
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGIA Y MECANICA CARRERA DE ING MECANICA TECNOLOGÍA DE MATERIALES RECONOCIMIENTO DE LAS PROPIEDADES DE UN ACERO AISI 4140
INTEGRANTES :
BUSTAMANTE MARIO Q UISHPE DANILO
DOCENTE: ING. PATRICIO QUEZADA CURSO: 5TO “A”
FECHA: 18/04/2012
1.- Tema: Reconocimiento de las Propiedades del Acero AISI 4140 2.-Objetivos
Por medio de los conocimientos adquiridos identificar si la muestra de acero AISI 4140 posee las características necesarias para su debido comercio. Comparar los resultados obtenidos con la tabla que presenta la empresa Ivan Bohman para de esta forma certificar la autenticidad de la probeta AISI 4140
3.-Marco Teórico. La tecnología de materiales es el estudio y puesta en práctica de técnicas de análisis, estudios físicos y desarrollo de materiales.
Propiedades físicas: Estas propiedades se ponen de manifiesto ante estímulos como la electricidad, la luz, el calor o la aplicación de fuerzas.
Propiedades mecánicas: Las propiedades mecánicas de los materiales se refieren a la capacidad de los mismos de resistir acciones de cargas o fuerzas.
Propiedades químicas: Acero de aleación que responde muy bien al templado en aceite. Su contenido de cromo le permite una buena penetración de la dureza y el molibdeno le da homogeneidad en la dureza y resistencia. Con este acero se obtiene propiedades como buena resistencia al desgaste, tenacidad y ductilidad.
COMPOSICION QUIMICA AISI 4140 C 0.38/0.43% Mn 0.75/1.00% Si 0.20/0.35%
Cr 0.80/1.10% Mo 0.15/0.25%
Propiedades ópticas: Los materiales pueden ser: Opacos, Transparentes, Traslúcidos.
Propiedades acústicas: Materiales transmisores o aislantes del sonido. Propiedades eléctricas: Materiales conductores o dieléctricos Propiedades térmicas: Materiales conductores o aislantes térmicos. Las propiedades térmicas determinan el comportamiento de los materiales frente al calor.
Propiedades magnéticas: Materiales magnéticos. En física se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la intensidad de campo magnético existente y la inducción magnética que aparece en el interior de dicho material.
Dureza Una de las propiedades mecánicas que son sumamente importantes de considerar el la dureza, la cual es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada. Un método cualitativo de ordenar de forma arbitraria la dureza es ampliamente conocido y se denomina escala de Mohs, la cual va desde 1 en el extremo blando para el talco hasta 10 para el diamante. Los ensayos de dureza se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre una superficie de metal a ensayar en condiciones de carga controlada y velocidad de aplicación de esta. En estos ensayos se mide la profundidad de o tamaño de la huella resultante, lo cual se relaciona con el número de dureza; cuanto más blando es el material, mayor y más profunda es la huella, y menor es el numero de dureza.
Medición de Dureza por el Método Rockwell La medición se realiza haciendo penetrar en el metal que se vaya a ensayar una bola de acero de ⁄ de diámetro o un penetrador de diamante cónico que tiene un ángulo de vértice de 120ª. A diferencia de otro método llamado Brinell, la dureza Rockwell se determina no por el diámetro de la huella, sino por la profundidad de penetración de la bola o el cono.
Imagen No. 1 Tomada de CALLISTER, WILLIAM Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. La penetración se realiza por la acción de dos cargas aplicadas sucesivamente: la preliminar, igual a 100N y la definitiva (general) igual a 1000, 600 y 1500 N. La dureza se determina por la diferencia entre las profundidades de penetración de las huellas
ACERO AISI 4140 / ASME 709 Es un acero aleado para construcción de maquinaria, que posee una alta resistencia especialmente en medidas pequeñas y medianas. Como norma, el 4140 es suministrado, templado y revenido (temple tenaz bonificado), por lo que no se requeriría un tratamiento térmico posterior, a no ser que así lo exija la aplicación y en ese caso, se templaría en aceite para obtener propiedades mecánicas más elevadas. El acero AISI 4140 es apropiado para templarse por flama e inducción y susceptible de nitrurar.
APLICACIONES 1. Industria automotriz: ejes, bielas, cigüeñales, árboles de transmisión, etc. 2. Maquinaria: Engranajes de temple por llama, inducción o nitruración, árboles de turbinas a vapor, tornillería de alta resistencia, ejes de reductores.
3. Industria petrolera: Taladros, brocas, barreras, cuerpos de escariadores, vástagos de pistón
4.-Equipos y Materiales
Abrasivos (Lija y Lima).
Muestra de Acero AISI 4140.
Esmeril.
Martillo.
Yunque de hierro fundido.
Cámara de Fotos.
Microscopio.
Nital al 3%.
Alúmina.
Guantes.
Sierra.
Durómetro.
Entenalla.
5.- Procedimiento Micrografía:
Se preparan los equipos y materiales para realizar los diversos procesos que nos llevaran a determinar el metal utilizado.
El primer paso es desbastar la muestra.
Segundo paso es utilizar los diferentes abrasivos para realiza el pulido mecánico de la muestra
Empiece por el abrasivo 180 hasta que las ralladuras vayan en un mismo sentido.
Repetimos el proceso con distintos abrasivos hasta llegar a una de las lijas más finas que puede ser la 1500.
Buscar el reactivo químico correcto para el ataque, en este caso será Nital al 3%.
Colocamos el reactivo en un plato Petri.
Y según las instrucciones encontradas para este material procedemos a sumergir la muestra en el reactivo por periodos distintos de tiempo.
Al completar el tiempo se procede a retirar la probeta del reactivo y la lavamos con abundante agua.
Secamos la probeta y verificamos los cambios en el microscopio.
Si es que el resultado no es el deseado realizar el mismo proceso con el mismo reactivo variando un poco el tiempo.
Ensayo de dureza:
Con la muestra que tenemos de un acero específico procedemos a preparar los equipos necesarios para realizar el ensayo.
Realizamos un Desbaste tosco de la muestra con ayuda de una lima hasta tener las dos caras de la probeta paralelas y así realizar las pruebas.
Coloque la pieza en el durómetro.
Ubique la carga necesaria de acuerdo a la escala.
Realice una precarga, encerar y aplicar la carga.
Mida las durezas en las diferentes escalas de acuerdo a los materiales, realice este paso 3 veces para cada muestra y utilizando la carga de 100 kg para muestras más blandas y 150 kg para muestras más duras, intercambiar la puntas del durómetro dependiendo de la muestra.
6.-Resultados: Propiedades
Características en el acero 4140
Físicas
El Acero AISI 4140, tiene una DENSIDAD teórica de 7,85 g/cm3, otorgado por sus aleantes, en este caso no tiene mucha distinción con el manejo teórico del acero común, es decir sin tomar en cuenta la clase de acero.
Densidad 7.85 g/cm3 (0.284 lb/in3)
Este tipo de acero si posee CONDUCTIVIDAD TÉRMICA, ya que al ser sometido al calor en un extremo, lo transfiere a través de su longitud en un tiempo muy corto, así mismo al ser sometido a una corriente eléctrica, fácilmente la transmite a través de sí.
Mecánicas
Dureza 275 - 320 HB (29 – 34 HRc) Esfuerzo a la fluencia: 690 MPa (100 KSI) Esfuerzo máximo: 900 - 1050 MPa (130 - 152 KSI) Elongación mínima 12% Reducción de área mínima 50%
Conserva dureza y alta resistencia debido al contenido de cromo, manganeso y molibdeno que presenta la probeta. Ya que al ejercer un golpe fuerte sobre la probeta mediante el martillo esta no se deformó. Tiene una tenacidad grande ya que es difícil de doblar y al realizar la micrografía los granos son muy pequeños lo que nos dice que el material es duro y por lo tanto posee una tenacidad grande. Tiene una resistencia alta aunque comparado con otros aceros este acero resulta más fácil de cortarlo transversalmente.
Propiedad Instrumento Dureza
ENSAYO DE DUREZA Material
Durómetr o
Acero AISI 4140
Resultados Carga: 150 kg Punta de Diamante N° De medidas : 3 34 Rockwell C 34 Rockwell C 33 Rockwell C Margen de dureza: 275 – 320 HB
Comparación
Para el Acero AISI 4340 se tomo varias medidas de dureza, de las cuales se obtuvo un promedio.
Acero AISI 4140 Equivalencia (HB) 34 Rockwell C
319 Hard Brinell
34 Rockwell C
319 Hard Brinell
33 Rockwell C
311 Hard Brinell
Promedio 34 Rockwell C
319 Hard Brinell
Lo que nos muestra que el Acero AISI 4140 está dentro del margen permitido en cuanto a dureza
MICROGRAFÍAS DEL ACERO AISI 4140
Solución para el ataque químico del acero: Nital al 3%.
Micrografía obtenida en el laboratorio
Microestructura del acero 4140, matriz (martensita revenida, 100X, 3% nital)
Micrografía Bibliográfica
(100x)
(200x) Microestructura del acero 4140, matriz (martensita revenida, 200X, 3% nital)
Microestructura del acero 4140, matriz (martensita revenida, 400X, 3% nital)
(400x)
ENSAYO DE TRACCIÓN Para conocer las cargas que pueden soportar los materiales, se efectúan ensayos para medir su comportamiento en distintas situaciones. El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de ensayo de tracción se muestra en la figura.
Equipos y materiales: 1. 2. 3. 4.
Calibrador pie de rey Micrómetro Flexómetro Maquina de ensayos universales
Procedimiento: 1. Medir las dimensiones de la seccion transversal(ancho,diámetro) 2. Medir la longitud entre marcas 3. Aplicar carga con la maquina de ensayos universales hasta que se rompa la prbeta. 4. Determinar la longitud final entre marcasen la rotura
Resultados: d1 (mm)
d2 (mm)
So inc So fin (mm2) (mm2)
Lo (mm)
Lu (mm)
Fe (Kg)
Fm (Kg)
Re (Kg/cm2)
Re (PSI)
12,70
9,52
126,68 71,18
50,0
60,80
8108,1
9375,0
6400,6
91080,6
Rm (Kg/cm2)
Rm (PSI)
A (%)
So (%)
Identificación Fe mm
Fe V
Fm mm
Fm V
7400,7
105312,0
21,6
43,8
Probeta N° 1
3,24
55,5
3,75
48
Donde: d1= diámetro inicial Lo= Longitud inicial Re= esfuerzo en la fluencia d2= diámetro final Lu= Longitud final Rm = esfuerzo último So inc =Área inicial Fe= Carga en la fluencia A= Alargamiento % So fin =Área final Fm= carga última So= Reducción de área %
Comparación: Los parámetros están dentro de los datos bibliográficos de los ensayos de tracción para en acero AISI 4140, por lo que si cumple con las normas. Propiedades mecánicas mínimas estimadas:
TIPO DE PROCESO Y ACABADO
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
LÍMITE DE FLUENCIA
MPa (kgf/mm2) Ksi
MPa (kgf/mm2) Ksi
CALIENTE Y 614 MAQUINADO ESTIRADO EN 703 FRÍO TEMPLADO Y 1172 REVENIDO*
ALARGAMIENTO EN 2" %
REDUCCIÓN DUREZA DE ÁREA BRINELL %
63
89
427
44
62
26
57
187
72
102
620
63
90
18
50
223
120
170
1096
112
159
16
50
341
RELACIÓN DE MAQUINABILIDAD 1212 EF = 100% 70
ENSAYO DE IMPACTO CHARPY
Consiste en la rotura de una probeta entallada colocada entre dos (Método Charpy), mediante un solo golpe. Se RESILIENCIA (KC ) a la energía absorbida en la rotura por unidad de área de la seccióón posterior de la entalla. La resiliencia es un índice de la tenacidad.
PROCEDIMIENTO: 1. 2.
3. 4.
Se pesan las probetas Sin instalar probeta alguna se eleva el péndulo y se engatilla, para ser liberado luego. Se deja que el péndulo realice unos cuantos vaivenes (3) y se detiene. La energía gastada en este proceso se anota. Se instala la probeta en los apoyos, se engatilla y se suelta el péndulo, produciéndose la ruptura de la probeta. Luego de detenido se anota la energía aplicada en el proceso. Se calcula la energía cinética, aplicada a las fracciones de probeta. Se realiza el grafico de la energía invertida en la rotura de la probeta.
RESULTADOS:
a [mm]
b [mm]
Area [mm2]
E [kg*m]
E (J)
KCU [Kg/mm]
IDENTIFICACIÓN
Lectura (Kg*m)
10,01 Donde:
8,14
81,48
2,20
21,6
27,0
1
2,2
a,b: dimensiones E: Energía absorbida KCU: Resistencia al impacto La probeta normalizada deba tener 56 mm de longitud y los lados de la sección cuadrada deben tener 10 mm, en el centro de la longitud debe haber una entalla en “v” de 45° incluido el Angulo, 2 mm de profundidad y 0.25 mm de radio de la raíz.
El plano de simetría de la entalla debe ser perpendicular al eje longitudinal de la probeta. El acero de la probeta es 1020 Las tolerancias en las dimensiones específicas de las probetas deben ser los indicados en las tablas de la norma. La preparación se debe realizar de tal forma, que se minimice cualquier alteración de la probeta, por ejemplo una alteración debida a maquinado en frío o en caliente. La entalla se debe preparar cuidadosamente para que no aparezcas en su base. La probeta se debe marca en cualquier superficie que no este en contacto con los soportes o yunques y en una posición alejada de la entalla, para evitar los efectos del endurecimiento inducido por el troquelado.
ENSAYO DE CHISPA Si se acerca una probeta de acero a una muela de esmeril en movimiento, los granos de la muela arrancan pequeñas partículas de acero, calentándolas hasta la temperatura de fusión, cuando esto ocurre se producen varias explosiones, en estas se va a descomponer carbono en combinación con el oxigeno del aire del medio ambiente, pero debemos notar que esto solo sucede con los materiales ferrosos. Esta práctica sirve para clasificar los tipos de aceros en base a su composición, verificamos las chispas que se producen al poner en contacto el material en una muela de esmeril que gira a gran velocidad (3,500 r.p.m.)-
De ella se desprenden determinadas estelas, con longitudes colores y explosiones de acuerdo a la cantidad de carbono que contiene el acero.
De los metales se desprenden chispas con punta de lanza, estelas interrumpidas, además las explosiones tienen diferentes formas: floreadas, ranaje, gotas, etc. Así podemos determinar coloraciones y detalles de las chispas que producen los aceros.
Los aceros de bajo contenido de carbono forman pocos destellos, de una a dos explosiones con estelas delgadas y débiles.
Los aceros de contenido medio de carbono producen estelas muy ramificadas y explosiones un poco más frecuentes en forma de ranaje.
Los aceros de alto carbono producen estelas abundantes, lisas e interrumpidas además explosiones desde el inicio. FORMA DE LAS CHISPAS Ramillete con espinas, y puntas de lanza color rojo Líneas continuas, algunas espinas, formado por estallidos de Carbono
IMÁGENES DE CHISPAS
TIPO DE ACERO
Composición en %
Acero templado y revenido
0,42 C 1,1 Cr 0,2 Mo
Acero endurecido
0,21 C 1,3 Mn 1,2 Cr
Líneas continuas, más espinas se formaron por estallidos de Carbono
Acero al carbono para herramientas
0,45 C 0,3 Si 0,7 Mn
Muchos estallidos de Carbono que empiezan al pie del haz, muchos ramos
Acero al carbono para herramientas
1,05 C 0,2 Si 0,2 Mn
Antes de los estallidos de Carbono se incrementa la luz en el flujo primario. Muchos ramos pequeños
Acero aleado con Mn-Si
0,60 C 1,0 Si 1,1 Mn 0,3 Cr
Flujo de líneas amarilla, aclarando en el centro, formando espinas en los extremos
Acero para herramientas aleado Mn
0,90 C 2,0 Mn 0,4 Cr 0,1 V
Pocos estallidos finos de Carbono seguidos por club liso luminoso
Acero para herramientas aleado W
0,60 C 0,6 Si 1,1 Cr 0,2 V 2,0 W
Un flujo delgado y lineal, el cuadro de la chispa vivo, líneas discontinuas en las cabezas
Acero para herramientas aleado Cr-W
1,05 C 1,0 Mn 1,0 Cr 1,2 W
Haz corto Templado: con pocos Endurecido: con muchos ramos luminosos
Acero para herramientas aleado con Cr carbono alto, ledeburita alta
1,55 C 12,0 Cr 0,7 Mo 1,0 V
El flujo de líneas continuas, alguno los estallidos de carbono, línea coloreada de naranja en la cabeza
Acero para trabajo en caliente, alta aleación
0,40 C 1,0 Si 5,3 Cr 1,4 Mo 1,0 V
Acero de alta velocidad
0,90 C 4,1 Cr 5,0 Mo 1,9 V 6,4 W
Acero de alta velocidad
1.23 C 4,1 Cr 3,8 Mo 3,3 V 10,0 W 10,5 Co
El flujo de líneas rojo oscuro con brillo en la punta de la lanza, pocas espinas
Líneas del flujo rojas, punteadas oscuras con brillos en las cabezas de la línea
Haz corto con espina como los estallidos de carbono
Flujo continuo, línea sin los estallidos de carbono
Acero inoxidable
0,40 C 13,0 Cr
Acero inoxidable
<0,07 C 18,5 Cr 9,0 Ni
Materiales y Equipos: 1. Esmeril 2. Flexómetro 3. Diferentes muestras de acero (AISI 4140) 4. Equipo fotográfico (opcional)
Procedimiento: 1. Acerque la muestra al esmeril 2. Observe la forma y color de las chispas 3. Mida las estelas de las chispas 4. Tome fotografías de las chispas para el respectivo análisis y comparación
Resultados: Material
Deducción Tipo de Chispa
Material N°1 Termina en estallido, se incrementa la
Acero para herramientas aleado Mn
luz en el flujo primario. Muchos ramos pequeños y color rojizo
Comparación: Los resultados están de acuerdo a la norma de chispa ya que el acero AISI 4140 consta de un gran porcentaje de Mn en sus propiedades químicas.