EVALUACIÓN DEL EFECTO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE
RECOCIDO, NORMALIZADO, TEMPLE Y REVENIDO EN LA
MICROESTRUCTURA Y TENACIDAD DE LOS ACEROS AISI 1045 Y AISI
4140
KAREN MARGARITA DE LEÓN CORONADO
OSNAIDER FUERTES GÓMEZ
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA
MONTERÍA, CÓRDOBA
2018
EVALUACIÓN DEL EFECTO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE
RECOCIDO, NORMALIZADO, TEMPLE Y REVENIDO EN LA
MICROESTRUCTURA Y TENACIDAD DE LOS ACEROS AISI 1045 Y AISI
4140
KAREN MARGARITA DE LEÓN CORONADO
OSNAIDER FUERTES GÓMEZ
Trabajo de grado presentado, en la modalidad de Trabajo de Investigación según
resolución 007, como parte de los requisitos para optar al Título de Ingeniero
Mecánico.
Director (s):
LUIS ARMANDO ESPITIA SANJUÁN, Ph.D.
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
INGENIERÍA MECÁNICA
MONTERÍA, CÓRDOBA
2018
La responsabilidad ética, legal y científica de las ideas, conceptos y resultados del
proyecto, serán responsabilidad de los autores.
Artículo 61, acuerdo N° 093 del 26 de noviembre de 2002 del consejo superior.
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
________________________________
Firma del jurado
________________________________
Firma del jurado
A mis padres …….
A mi ………
A mis ………
A mi …….
(La dedicatoria es opcional)
Agradecimientos especial a:
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
Agradecimientos:
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
TABLA DE CONTENIDO.
Pág.
LISTADO DE TABLAS ................................................................................................ 9
LISTADO DE FIGURAS .............................................................................................. 10
RESUMEN ...................................................................................................................... 12
1.
REVISIÓN DE LITERATURA ............................................................................ 17
1.1.
LOS METALES .................................................................................................. 17
1.2.
ALEACIONES HIERRO – CARBONO........................................................... 18
1.3.
DIAGRAMA DE FASES EN EQUILIBRIO HIERRO – CEMENTITA. ..... 21
1.4.
EL ACERO .......................................................................................................... 26
1.5.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ALEACIONES FERROSAS ............... 38
1.6.
ENSAYO DE IMPACTO ................................................................................... 46
2.
MATERIALES Y MÉTODOS.............................................................................. 51
2.1
CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y PREPARACIÓN DE LAS
PROBETAS .................................................................................................................... 51
2.2
TRATAMIENTOS TÉRMICOS ....................................................................... 53
vii
2.3
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE ACERO AISI 1045 Y AISI 4140 55
2.4
ENSAYOS DE IMPACTO MÁQUINA TIPO CHARPY A ACEROS AISI
1045 Y AISI 4140............................................................................................................ 58
2.5
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................ 61
3.
RESULTADOS Y DISCUSIONES....................................................................... 62
3.1
PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS. .......................................................... 62
3.2
CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL. ........................................ 62
3.3
TENACIDAD ...................................................................................................... 79
3.4
ANÁLISIS DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA ................................... 85
3.
CONCLUSIONES .................................................................................................. 92
4.
RECOMENDACIONES ........................................................................................ 94
5.
BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................... 95
LISTADO DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Designación de los aceros según norma AISI/SAE ..................................... 28
Tabla 2. Composición química nominal en porcentaje en peso del acero AISI
1045. ................................................................................................................................ 33
Tabla 3. Composición química nominal en porcentaje en peso del acero AISI
4140. ................................................................................................................................ 37
Tabla 4. Nomenclatura de las probetas por tipo de acero y tratamiento
térmico............................................................................................................................ 52
Tabla 7. Porcentaje de fractura a partir de medidas en mm de las caras de la
muestra. .......................................................................................................................... 61
Tabla 5. Composición química nominal y composición química medida del
acero AISI 1045 ............................................................................................................. 63
Tabla 6. Composición química nominal y composición química medida del
acero AISI 4140 ............................................................................................................. 63
Tabla 8. Estimación del porcentaje de fractura dúctil por dos métodos de
análisis de fallas por apariencia de superficie en probetas de acero AISI 1045
en estado de entrega y sometidas a diferentes tratamientos térmicos. ..................... 85
Tabla 9. Estimación del porcentaje de fractura dúctil por dos métodos de
análisis de fallas por apariencia de superficie en probetas de acero AISI 4140
en estado de entrega y sometidas a diferentes tratamientos térmicos. ..................... 87
9
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Sección transversal de un alto horno en el proceso de fundición de
hierro. ............................................................................................................................. 19
Figura 2. Estructuras cristalinas presentes en el acero a diferentes
temperaturas. Cúbica centrada en el cuerpo (a) y cúbica centrada en las
caras (b). ......................................................................................................................... 22
Figura 3. Diagrama de fases hierro-carburo de hierro. ............................................ 22
Figura 4. Fotomicrografia de austenita (x325). .......................................................... 24
Figura 5. Fotomicrografia de ferrita α (x90) .............................................................. 25
Figura 6. Microestructura de perlita en acero AISI 1080 a 2500X .......................... 26
Figura 7. Clasificación de los aceros basada en la composición química................. 30
Figura 8. Diagrama Fe-Fe3C para AISI 1045, con transformación de fases a
diferentes temperaturas. ............................................................................................... 34
Figura 9. Microestructura del acero AISI 1045 en fase ferrita-perlita 100X .......... 36
Figura 10. Resumen esquemático de los tratamientos térmicos simples para
aceros (a) hipoeutectoides (b) hipereutectoides. ......................................................... 39
Figura 11: Curva TTT, para una composición de cerca de 0.80 % de hierrocarbono. La trayectoria de enfriamiento mostrada aquí produce martensita. ....... 42
Figura 13. Esquema máquina de ensayos de impacto tipo Charpy.......................... 47
Figura 14. Gráfica de energía absorbida en función de la temperatura para
acero recocido y para acero templado y revenido. ..................................................... 48
Figura 15. Efecto de la temperatura en la superficie de los especímenes
sometidos a pruebas de impacto tipo Charpy ............................................................ 49
Figura 16. Dimensiones de probeta para ensayos tipo Charpy, espécimen A,
según ASTM E23 ........................................................................................................... 51
Figura 17. Pulidora metalográfica modelo Nano 1000 fabricada por Dace
Technologies del laboratorio de Materiales y Procesos de ingeniería
Mecánica de la universidad de Córdoba. .................................................................... 56
Figura 18. Montaje de cámara digital y microscopio óptico del laboratorio de
Materiales y Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de Córdoba........ 57
Figura 19. Partes de la máquina de ensayos tipo Charpy del laboratorio de
Materiales y Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de Córdoba........ 58
Figura 20. Apariencias guías de la fractura generada por ensayo de impacto
para la estimación del porcentaje de fractura dúctil, donde 100 % es dúctil y
0% es frágil. ................................................................................................................... 60
Figura 32. Aspecto de las probetas. ............................................................................. 62
Figura 21. Microestructura del acero AISI 1045 a) estado de entrega, b)
recocida, c) Normalizado. Microscopía óptica 1000x, nital al 5%............................ 65
Figura 22. Microestructura del acero AISI 4140 a) estado de entrega, b)
recocido, c) Normalizado. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%. ........................... 67
Figura 23. Esquema de los efectos de la recuperación, recristalización y
crecimiento de granos en las propiedades mecánicas, en la forma y tamaño de
granos. ............................................................................................................................ 69
10
Figura 24. Variación de la durezaen escala Vickers promedio en probetas de
acero AISI 1045 en estado de entrega y sometidas a tratamiento térmico de
normalizado y recocido. ................................................................................................ 70
Figura 25. Microestructura del acero AISI 1045 templado y revenido a
diferentes temperaturas, a) templada, templada y revenida a b) 200 ºC, c) 300
ºC, d) 400 ºC, e) 500 ºC, f) 600 ºC. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%............... 73
Figura 26. Microestructura del acero AISI 4140 templado y revenido a
diferentes temperaturas, a) templada, templada y revenida a b) 200 ºC, c) 300
ºC, d) 400 ºC, e) 500 ºC, f) 600 ºC. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%............... 76
Figura 27. Dureza en escala Vickers promedio en probetas de acero AISI
1045 y AISI 4140 sometidas a tratamiento térmico de revenido a 200°C,
300°C, 400 °C, 500 °C y 600 °C. ................................................................................... 78
Figura 28. Curvas de dureza de la martensita revenida en función de la
temperatura de revenido, para aceros al carbono con cantidades
despreciables de otros aleantes. ................................................................................... 79
Figura 29. Diagrama de barras de energía absorbida en ensayo tipo Charpy
en función de estado de entrega y tratamientos térmicos de normalizado y
recocido en probetas de acero a) AISI 1045 y b) AISI.4140...................................... 80
Figura 30. Energía absorbida en ensayo tipo Charpy en función del
tratamiento térmico de revenido a 200 °C, 300 °C, 400°C, 500 °C y 600 °C en
probetas de acero AISI 1045 y AISI 4140. .................................................................. 81
Figura 31. Energía liberada en ensayos de impacto tipo Izod y Charpy en
función de la temperatura de revenido. Para aceros entre 0,4 y 0,5 % C. .............. 83
11
RESUMEN
A partir de barras de acero AISI 1045 y AISI 4140 se elaboraron probetas de ensayos de
impacto tipo Charpy según la norma ASTM E23. Por espectroscopia de emisión óptica se
corroboró que las composiciones químicas de los aceros correspondieran a los rangos
nominales designados por la norma para cada acero.
Las probetas fueron sometidas a tratamientos térmicos de recocido, normalizado, temple
y revenido a 200, 300, 400, 500 y 600 °C y luego ensayadas en la máquina de impacto
tipo Charpy. Paralelamente, antes y después de los tratamientos térmicos se analizó la
microestructura y se tomaron medidas de dureza en escala Vickers en ambos aceros. Con
los resultados obtenidos, se elaboraron gráficas de dureza y tenacidad en función de los
tratamientos térmicos.
Los tratamientos térmicos realizados a los aceros AISI 1045 y AISI 4140 modificaron
microestructura, dureza y tenacidad. Se encontró que la microestructura en estado de
entrega de los dos aceros AISI 4140 y AISI 1045 está constituida por ferrita primaria y
perlita, microestructura típica de aceros hipoeutectoides. Los tratamientos de temple y
revenido produjeron una microestructura martensítica típica de aceros de medio carbono.
Los tratamientos térmicos de recocido y normalizado produjeron una microestructura
ferrítica - perlítica con diferencias en tamaño, homogeneidad y forma de los granos. La
dureza disminuyó con el aumento de la temperatura de revenido, con valores que oscilaron
12
entre 592±29 - 282±9 HV y 542±14 - 308 59 HV para el AISI 1045 y AISI 4140
respectivamente.
En estado de entrega los dos aceros en estudio presentaron mayor dureza en comparación
con los resultados obtenidos luego de los tratamientos térmicos de recocido y
normalizado.
La tenacidad aumenta junto con la temperatura de revenido, los mayores resultados se
obtuvieron para las temperaturas más altas, siendo la mayor tenacidad registrada de
310±11 J para el acero AISI 1045 y 293±4 J para el acero AISI 4140. La tenacidad de los
aceros en su estado de entrega fue mejorada luego de que estos fueran normalizados o
recocidos, presentándose una mayor tenacidad para las probetas recocidas de los aceros.
Al analizar el porcentaje de falla dúctil en los aceros AISI 1045 y AISI 4140 se puede
afirmar que la ductilidad aumenta y es característica de estos dos aceros al aumentar la
temperatura de revenido, mientras que en estado de entrega, recocido y normalizado, el
porcentaje de falla dúctil depende del tamaño de grano que se presente en cada
microestructura luego del tratamiento térmico.
Palabras Clave: tratamientos térmicos, microestructura, dureza, tenacidad.
13
14
INTRODUCCIÓN
En Colombia para el año 2016 se consumieron aproximadamente 3,6 millones de
toneladas de acero (ANDI, 2016) que se destinaron a una amplia variedad de aplicaciones
desde la construcción de casas, carreteras, puentes, estructuras hasta la manufactura de
componentes mecánicos.
El acero es una aleación hierro-carbono que pertenece a la familia de aleaciones ferrosas
y es considerada una de las aleaciones más versátiles y con mayores aplicaciones en el
campo de la ingeniería. Sus propiedades mecánicas varían según los elementos aleantes,
el porcentaje de carbono en su composición y la aplicación de tratamientos térmicos
(Callister, 2001).
Entre los aceros más comerciales se encuentran el AISI 1045; un acero simple al carbono
y el AISI 4140; un acero al cromo-molibdeno. El AISI 1045 es utilizado para la
manufactura de elementos mecánicos, posee buena soldabilidad, maquinabilidad y alta
dureza. Mientras que el acero AISI 4140 es empleado para la fabricación de piezas que
requieren alta resistencia a la tracción, a la fatiga y torsión. Adicionalmente, el cromo en
su composición química promueve propiedades anticorrosivas.
Con el fin de generar desde la academia datos obtenidos a partir de prácticas y
procedimientos de laboratorio que sirvan como guía para la experimentación en el área de
los aceros y el desarrollo de nuevas aplicaciones de estos materiales; en este trabajo se
presentan los resultados obtenidos experimentalmente al evaluar el efecto de los
tratamientos térmicos de recocido, normalizado, temple y revenido en la microestructura,
15
tenacidad y dureza de los aceros AISI 1045 y AISI 4140. Además, se describen los
procedimientos y la teoría relacionada para el desarrollo y la contextualización de este
trabajo.
16
1. REVISIÓN DE LITERATURA
1.1. LOS METALES
Los metales son aquellos elementos presentes en la corteza terrestre con gran número de
electrones deslocalizados que le asignan a este tipo de materiales propiedades específicas,
como buena conductividad eléctrica, conductividad térmica, resistencia y deformabilidad
(Callister, 2001). Este tipo de materiales han sido utilizados desde aproximadamente 6000
años. Tuvieron origen en la región de Oriente, siendo utilizados en su estado natural de
extracción, moldeados con técnicas de martillo o batido para dar forma a herramientas que
se adaptaran a las necesidades de la época. Se obtienen a partir de minerales o compuestos
inorgánicos formados por elementos metálicos como hierro, cobre, aluminio, níquel y
otros no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno, mezclados en rocas a las que se
les denomina menas (Askeland, Fulay, & Wright, 2011) (Ruiz, 2014).
La edad de los metales según Blanco, Escudero, & García (2014) se registra en el año
4000 A.C. tiempo en el cual el hombre empezó a conocer los alcances del fuego y a
aplicarlo en el trabajo con los metales dando inicio al desarrollo de la metalurgia.
Entre los metales el cobre fue el primero en ser encontrado en la corteza terrestre, este se
extraía al calentar a altas temperaturas las menas de cobre como la calcopirita, bornita o
malaquita (Cenobio, Jaramillo, & García, 2017).
En el año 3000-1500 A.C. el hombre descubrió el arte de la aleación cuando empezó a
realizar fundiciones con mezclas de diferentes tipos de menas, fue entonces cuando al
mezclar calcopirita y casiterita, menas de cobre y de estaño respectivamente, observó
cómo mejoraron ciertas características con respecto al metal cobre inicial, produciendo un
17
nuevo material llamado bronce, una aleación con mayor resistencia que abrió la
posibilidad de crear nuevas herramientas en la agricultura y la ganadería. Con este
descubrimiento se dio origen a la edad de bronce (Blanco, Escudero, & García, 2014)
(Menard, 2003).
Con el tiempo el bronce se convirtió en una aleación asediada por su dureza y resistencia,
lo que causó un aumento en la demanda del cobre y estaño provocando sus escases y el
desarrollo de nuevos materiales. En el año 1200 A.C. surgieron las fundiciones de hierro,
gracias al avance en los diseños de hornos para fundiciones capaces de alcanzar la
temperatura requerida para extraer el hierro de sus menas (Groove, 2007) (Menard, 2003).
En la actualidad el cobre es utilizado principalmente para disipar calor y conducir
electricidad, el bronce para elaborar cañerías, chapas metálicas y elementos decorativos,
y el hierro usado como materia prima en aleaciones para la construcción de edificios,
vehículos, máquinas y herramientas, destacándose el acero como la aleación con mayores
aplicaciones en la industria.
1.2. ALEACIONES HIERRO – CARBONO
Los materiales metálicos se pueden dividir en dos familias teniendo en cuenta el contenido
de hierro. La primera familia está conformada por los metales en los que el hierro es el
aleante principal o metales ferrosos como los aceros y las fundiciones de hierro. La
segunda familia es la de los metales no ferrosos y está constituida por aquellos metales
en los que el hierro no es el aleante principal como las aleaciones de aluminio, cobre,
níquel, entre otros (Askeland, Fulay, & Wright, 2011).
18
Entre los metales, el hierro es el cuarto elemento más abundante en la tierra, se encuentra
en forma natural compuesto con otros elementos como el oxígeno y el azufre. No es
posible obtener hierro en un 100 % como es el caso de muchos metales, pero existen
menas de óxido de hierro, como la magnetita que puede contenerlo hasta en un 70 %, la
hematita un 60 %, la limonita un 50 % y menas carbonadas como la siderita que puede
contenerlo en un 48 % (Hernandez, 2005).
El hierro se convirtió en el metal aleante más utilizado, al ser mezclado con otros
elementos metálicos y no metálicos dando origen a nuevas aleaciones como los aceros que
tienen una gran variedad de propiedades mecánicas que les permiten ser usados en
diversas aplicaciones.
La producción de hierro empieza en los altos hornos como el que se en la Figura 1. Estos
hornos son cámaras refractarias que alcanzan decenas de metros de alto, tienen de 9 a 11
m de diámetro y en su base alcanzan hasta 1650 °C (Groove, 2007).
Figura 1. Sección transversal de un alto horno en el proceso de fundición de hierro.
Tomado de: Gómez, 2007.
19
En el alto horno se introducen los óxidos de hierro junto con coque y caliza. El coque es
el combustible que ayuda a generar el calor requerido y funciona como agente reductor de
impurezas al producir monóxido de carbono y provocar la emisión de gases al exterior
(Barreiro, 1978). La caliza actúa como fundente, crea escoria líquida y la hace flotar para
su eliminación por medio de la tobera D de la figura 1, mientras que por la tobera C se
extrae el arrabio o hierro de primera fundición que según Groove (2007) contiene más
del 4% de carbono, más otras impurezas: 0.3 % − 1.3 % de silicio, 0.5 − 2.0 % de
manganeso, 0.1 − 1.0 % de fosforo, y 0.02−0.08 % de azufre. El arrabio se somete a otros
procesos en un horno convertidor hasta conseguir una mayor pureza en el hierro para
obtener hierro fundido o aceros según sean los requerimientos en la fabricación.
En la producción, refinación y procesamiento de acero se utilizan productos que pueden
agregar impurezas en la aleación, en la mayoría de los aceros se aplican restricciones a las
cantidades permitidas de estos elementos residuales que con estrictas prácticas de
fabricación se pueden controlar y mantener esos elementos en niveles aceptables (Groove,
2007).
El azufre y el fósforo generalmente se consideran como elementos perjudiciales para las
propiedades mecánicas de los aceros. El azufre provoca fragilidad a altas temperaturas,
reduce la resistencia a la fatiga y disminuye la estabilidad a la corrosión, por otra parte, el
fosforo da al acero una alta fragilidad a temperatura ambiente. Otros elementos de aleación
residual como el antimonio, arsénico, estaño, hidrogeno, nitrógeno y el oxígeno también
son considerados impurezas, pero ejercen generalmente una influencia menor que el
azufre y el fósforo sobre las propiedades del acero (Smallman & Bishop, 1999).
20
1.3. DIAGRAMA DE FASES EN EQUILIBRIO HIERRO – CEMENTITA.
Para predecir el comportamiento microestructural de las aleaciones frente a ciertas
variaciones en el ambiente se utilizan los diagramas de fases o diagramas de equilibrio,
que son representaciones gráficas en las que se muestran las transformación, aparición o
desaparición de fases y campos de fases bebido a determinados cambios en la
composición, temperatura y presión (Callister, 2001).
El hierro (Fe) es un material alotrópico, es decir, que puede existir en más de un tipo de
estructura cristalina dependiendo de la temperatura y de la presión. En un proceso de
enfriamiento y en un estado puro, a 1538 °C el hierro se solidifica formando una estructura
cúbica centrada en el cuerpo (BCC) llamada ferrita delta, luego a 1401 °C cambia a una
estructura cúbica centrada en las caras (FCC) conocida como austenita. Posteriormente,
por debajo de 912 °C se transforma a ferrita alfa, una estructura cúbica centrada en el
cuerpo. La Figura 2 muestra las diferentes estructuras cristalinas que puede adoptar el
hierro en función de la temperatura y de la presión. El comportamiento de la estructura
cristalina con respecto a la a temperatura, composición y presión se verá afectado por los
elementos aleantes como carbono, el magnesio, silicio, cromo, níquel, molibdeno entre
otros (Apraiz, 1984).
21
Figura 2. Estructuras cristalinas presentes en el acero a diferentes temperaturas. Cúbica
centrada en el cuerpo (a) y cúbica centrada en las caras (b).
Tomado de: Kalpakjian, 2008.
El diagrama de fases en equilibrio Fe – Fe3C mostrado en la figura 3 es uno de los sistemas
binarios más estudiados en ingeniería.
Figura 3. Diagrama de fases hierro-carburo de hierro.
Tomado de: Callister, 2001.
22
Este diagrama está constituido principalmente por las fundiciones de hierro que se
encuentran a más del 2,14 % en peso de carbono y los aceros que tienen contenidos en
peso de carbono entre 0,022 y 2,14 %. Para contenidos de carbono menores a 0,022 % se
considera hierro puro.
El diagrama Fe-Fe3C mostrado en la figura 3 inicia en la frontera vertical izquierda en
donde está el hierro puro. Por su parte la línea horizontal inferior representa la variación
del porcentaje en peso de carbono que aumenta hacia la derecha hasta una concentración
de 6,70 % donde se genera carburo de hierro o cementita (Fe3C).
La cementita es una fase metaestable, es decir, está fuera del equilibrio termodinámico,
pero mantiene sus propiedades a través del tiempo, por tanto, el diagrama hierro –
cementita no es un diagrama de fases en equilibrio. El diagrama de fases en equilibrio del
sistema hierro – carbono es el diagrama hierro - grafito puro, pero este se subdivide para
facilitar el estudio de los aceros y fundiciones los cuales se encuentran a concentraciones
menores a 6,70 % de C. Así el diagrama hierro – cementita es el utilizado por preferencia
en ingeniería en el estudio de las aleaciones ferrosas y en especial de los aceros
(Kalpakjian & Schmid, 2008) (Reed-Hill, 1971).
1.3.1. Fases presentes en el diagrama Fe – Fe3C
El diagrama Fe–Fe3C puede ser definido como la representación de un sistema
heterogéneo ya que en él se puede diferenciar más de dos fases, es decir, se pueden
distinguir limites discontinuos y abruptos que lo dividen en porciones y cada una de éstas
tiene propiedades físicas o químicas homogéneas definidas.
23
En los aceros simples al carbono en un proceso de enfriamiento lento y dependiendo de la
composición se presentan varios tipos de combinaciones en soluciones sólidas como la
austenita, la ferrita, cementita y una reacción eutectoide llamada perlita.
En Figura 4 se muestra La austenita o fase γ del hierro que es la fase que mayor espacio
ocupa en el diagrama Fe-Fe3C. Tiene una estructura cúbica centrada en las caras (FCC),
no es una fase magnética y es estable sobre los 727 °C. Como indica la Figura 3, la máxima
solubilidad del carbono en la austenita es de 2,14 % en peso a 1147 °C. Las
transformaciones de fase de la austenita son muy importantes en los tratamientos térmicos
de los aceros.
Figura 4. Fotomicrografia de austenita (x325).
Tomada de: Callister, 2001.
La ferrita α es una fase sólida que tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
y en ésta solo son solubles muy pequeñas cantidades de carbono pero que influyen
notablemente en sus propiedades, su solubilidad de C máxima es de 0,022 a 727 °C. Esta
fase es relativamente blanda, y por debajo de los 768 °C adquiere propiedades magnéticas,
A 1394 °C aparece en el diagrama Fe–Fe3C una fase con propiedades similares a la ferrita
α llamada ferrita δ.
24
Figura 5. Fotomicrografia de ferrita α (x90)
Tomada de: Callister, 2001.
La Cementita es una fase sólida, magnética, con estructura cristalina ortorrómbica y con
una proporción Fe:C de 3:1, es decir, el carbono constituye un porcentaje atómico del 25
% o un 6,70 % en peso en la cementita. Su contenido de carbono hace que sea un
compuesto frágil y a la vez mejora la resistencia a la compresión de algunos aceros debido
a que es el compuesto más duro presente en el diagrama Fe- Fe3C. (Moore & Kibbey,
2005)
La perlita es una reacción eutectoide hierro–carburo de hierro, estable por debajo de 727
°C y con un porcentaje en peso de carbono de 0,76. Cuando se enfría la austenita una parte
de esta se transforma en fase ferrítica la cual tendrá poco contenido de C y la austenita
restante se transforma en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. La
relación de espesores en las láminas de ferrita y cementita en la perlita es
aproximadamente de 8 a 1. En la figura 6 se muestra una metalografía de la perlita.
25
Figura 6. Microestructura de perlita en acero AISI 1080 a 2500X
Tomada de: Kalpakjian & Schmid, 2008.
1.4. EL ACERO
El acero es una aleación ferrosa con un contenido de carbono que varía entre 0.022 % y
2.14 % en peso. En la composición de los aceros también es común encontrar otros
elementos aleantes como el manganeso, cromo, níquel y molibdeno; sin embargo, el
carbono siempre será el aleante principal (Groove, 2007).
Entre los materiales metálicos, los aceros constituyen la categoría más utilizada gracias a
que con ellos se obtienen especificaciones muy precisas con costos relativamente bajos en
fabricación en masa. Otra causa de su amplia implementación es debido a la versatilidad
de su microestructura y en consecuencia su amplia gama de propiedades mecánicas, las
cuales van desde niveles moderados de esfuerzo de fluencia que oscilan entre 200 y 300
MPa con excelente ductilidad para aceros simples al carbono, hasta valores superiores a
1400 MPa correspondientes a aceros de alta aleación (ASM internacional, 1991)
26
1.4.1. Designación de los aceros
Las especificaciones sobre el contenido de carbono, tipos de aleaciones, condiciones y
propiedades mecánicas en los aceros, además de sus aplicaciones han sido designadas por
organizaciones en distintos países del mundo. A partir de números, letras y símbolos es
posible nombrar y clasificar los aceros según sus características principales.
La American Iron and Steel Institute (AISI), es la encargada de proporcionar las
estadísticas de producción, informar novedades y especificar datos sobre los procesos de
fabricación y la composición química del acero, sin embargo esta no describe
especificaciones del material para su uso comercial, por lo que en conjunto con la Society
of Automotive Engineers (SAE), se creó la designación AISI/SAE, una numeración de
cuatro o cinco dígitos que indican la composición aproximada de cada acero, siendo esta
la más utilizada en Estados Unidos y países Latinoamericanos a nivel industrial
(Universidad Nacional la Plata, 2017) (Bringas, 2004).
Según lo designado por la norma AISI/SAE los primeros dos dígitos indican los elementos
aleantes que hacen parte del acero y los últimos dos o tres dígitos especifican el porcentaje
de carbono en peso del acero. En algunos casos estos dígitos están acompañados por una
letra como la M, la L y la B, donde M identifica a un acero de alta calidad comercial, L
un contenido de plomo entre 0,15 a 0,35 % y B un contenido de Boro 0,0005 a 0,003 %.,
esta letra puede ir de prefijo, insertada entre el primer y segundo digito o entre el segundo
y tercer digito (ASM internacional, 1991) (Callister, 2001).
27
Designación
10XX
11XX
13XX
15XX
23XX
25XX
31XX
33XX
40XX
44XX
45XX
41XX
43XX
47XX
46XX
48XX
50XX
51XX
50XXX
51XXX
52XXX
61XXX
xxBxx
Tabla 1. Designación de los aceros según norma AISI/SAE
Tipo de acero y contenido de aleación nominal
Aceros al Carbono
Aceros ordinarios al carbono
Aceros al carbono resulfurados, corte libre
Aceros al Manganeso
Aceros con 1,75 % Mn (1,5 %-2,0 %)
Aceros al manganeso (1,0 %-1,65 %)
Aceros al Níquel
Aceros al Níquel 3,5 % (3,25 %-375 %)
Aceros al Níquel 5,0 % (4,75 %-5,25 %)
Aceros al Ni-Cr
Aceros al Níquel-Cromo 1,25 % Ni y 0,65 % Cr
Aceros al Níquel-Cromo 3,50 % Ni y 1,60 % Cr
Aceros al Molibdeno
Aceros al molibdeno 0,25 % de Mo
Molibdeno (0,40 %-0,53 % Mo)
Molibdeno (0,55 %)
Aceros al Cr-Mo
Aceros con Cromo (0,40 %-1,20 % Cr) ;(0,08%-0,25 % Mo)
Aceros al Ni-Cr-Mo
Aceros al Ni-Cr-Mo (1,8 % Ni-0,65 % Cr-0,25 % Mo)
Ni-Cromo-Molibdeno (1,05 % Ni-0,45 % Cr-0,20 % Mo)
Aceros al Ni-Mo
Níquel-Molibdeno (1,80 % Ni-0,20 % Mo)
Níquel-Molibdeno (3,5 % Ni-0,25 % Mo)
Aceros al Cromo
Aceros al Cromo (0,28 %-0,40 %)
Aceros al Cromo (0,8 %-1,05 %)
Aceros al Cr resistente al desgaste
Acero resistente al desgaste con 0,50 % Cr
Acero resistente al desgaste con 1,0 % Cr
Acero resistente al desgaste con 1,45 % Cr
Aceros al Cr-Vanadio V
Acero al Cromo-Vanadio (0,75 % Cr-0,15 % V)
Aceros al Boro
Acero al bromo (0.0005 % a 0.003 % B)
Tomada de: ASM International, 1991.
28
1.4.2. Clasificación de los aceros.
Para distinguir los aceros generalmente se tiene en cuenta una o varias características
comunes, lo que provoca una gran variedad de categorías. Según los ASM (1991) los
aceros pueden clasificarse por cualquiera de las siguientes características:

Método de fabricación.

Método de acabado.

Microestructura.

Nivel de resistencia requerido.

Tratamientos térmicos.

Calidad.

Forma del producto.

Composición química.
La clasificación según la composición química se muestra en la Figura 7 y es utilizada
ampliamente a nivel internacional. En esta disposición se separa a los aceros dependiendo
del porcentaje de elementos aleantes (EE.AA.) que contengan.
29
Aceros
Baja aleación
Alta aleación
(≤ 5 % EE.AA.)
(> 5 % EE.AA.)
Bajo carbono
Medio carbono
Alto carbono
(< 0,25 % C)
(0,2 - 0.5 % C)
(> 0.5 % C)
Simples
HSLA
Simples
Tratables
Simples Herramientas
térmicamente
Inoxidables
Figura 7. Clasificación de los aceros basada en la composición química.
Tomada de: Callister (2001).
Los aceros de baja aleación tienen EE.AA. en cantidades menores o iguales al 5 % en
peso y ocupan gran parte del espectro de los aceros comerciales. Estos aceros se
encuentran en un grupo que abarca los aceros simples al carbono, los aceros de alta
resistencia y baja aleación y aceros para herramientas. Los aceros de alta aleación son
aquellos que tienen EE.AA. con un porcentaje en peso mayor al 5 % y en los que se
encuentran los aceros de herramientas y aceros inoxidables.
Los aceros simples al carbono tienen como aleante principal al carbono acompañado por
otros elementos en pequeñas cantidades, entonces al no tener más del 5 % EE.AA.
adicionales se consideran aceros de baja aleación. Los aceros simples generalmente se
clasifican de acuerdo con el contenido de carbono en aceros de bajo carbono con menos
de 0,25 % en peso de C, aceros de medio carbono comprendidos entre 0,25 y 0,5 % en
30
peso de C y alto carbono con composiciones entre 0,5 y 1,4 % en peso de C (Smallman &
Bishop, 1999).
Los aceros de bajo carbono no responden a los tratamientos ya que por su bajo contenido
en carbono no se da la formación de martensita. La microestructura estable consiste en
ferrita y perlita lo que los convierte en aceros relativamente blandos y de baja resistencia,
pero con excelente ductilidad y tenacidad. Además, son soldables, de fácil mecanizado y
baratos, lo que los hace ideales para ser utilizados en aplicaciones en donde se exija poca
resistencia como carrocerías de automóviles, vigas, láminas para tuberías, edificios y
puentes. Tienen limite elástico de 275 MPa, entre 415 y 550 MPa en su resistencia a la
tensión y una ductilidad del 25 % EL (Groove, 2007).
Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) o aceros mircroaleados son un
grupo de aceros de bajo carbono con elementos de aleación como cobre, vanadio, níquel
y molibdeno que los convierte en aceros con ductilidad, formabilidad y soldabilidad
inferior. Sin embargo, estos aceros son más resistentes a la corrosión y tienen mayor
resistencia mecánica que los aceros de bajo carbono. los aceros HSLA se producen
generalmente en forma de lámina mediante microaleación y laminado en caliente con
ambiente controlado. A partir de estos aceros se fabrican placas, barras y formas
estructurales que se suelen utilizar en de carrocerías automotrices y otros equipos de
transporte, diversas aplicaciones industriales y estructuras variadas (Kalpakjian &
Schmid, 2008) (Callister, 2001).
En los aceros medios al carbono el contenido en carbono se encuentra entre 0,25 y 0,6
% en peso. Estos aceros son susceptibles a ser tratados térmicamente para mejorar sus
31
propiedades mecánicas y generalmente se utiliza en aplicaciones que requieren mayor
resistencia que la disponible en los aceros al bajo carbono, como en maquinaria, partes de
equipos automotores y agrícolas, equipo ferroviario y partes de maquinaria para el trabajo
de los metales. Se suelen utilizar en condición de revenido, con microestructura de
martensita revenida. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno mejoran la capacidad de
estas aleaciones para ser tratados térmicamente generando así gran variedad de
combinaciones resistencia-ductilidad. Estos aceros tratables térmicamente son más
resistentes que los aceros medios en carbono, pero menos dúctiles y tenaces (Kalpakjian
& Schmid, 2008).
Para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores y también rigidez y dureza se
emplean los aceros de alto carbono que se pueden utilizar en resortes, herramientas y
hojas de corte y piezas resistentes al desgaste. Contienen carbono en cantidades superiores
a 0.6 % en peso. Generalmente, se utilizan en condición templada y revenida en las cuales
son especialmente resistente al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramientas de
corte (Groove, 2007) (Callister, 2001).
Los aceros para herramientas son una clase de aceros diseñada para su uso en
herramientas de corte industriales, troqueles y moldes. Estos aceros pueden ser fabricados
con aceros de alto carbono con aleaciones con cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno o
con niveles altos de elementos de aleación. Principalmente para mejorar la dureza,
disminuir las distorsiones en tratamientos con calor, obtener dureza en caliente, resistencia
a la abrasión y una tenacidad mejorada. Para obtener o mejorar estas propiedades los
aceros para herramienta se tratan térmicamente (Callister, 2001).
32
Los aceros inoxidables son aceros de alta aleación, es decir sus elementos aleantes
adicionales superan en 5 % en peso la composición. Los aceros inoxidables se caracterizan
por su resistencia a la corrosión, alta resistencia y ductilidad, así como por su elevado
contenido de cromo. Tienen una película protectora que se vuelve a formar en caso de que
se raye la superficie. Para que este proceso ocurra, el contenido mínimo de cromo debe
ser de 11 % en peso y debe estar en solución sólida. Además del cromo, otros elementos
de aleación típicos de los aceros inoxidables son el níquel, molibdeno, cobre, titanio,
silicio, manganeso, entre otros. A mayor contenido de carbono, menor será la resistencia
a la corrosión de los aceros inoxidables (Kalpakjian & Schmid, 2008)
1.4.3. Acero AISI 1045
De acuerdo con la Tabla 2 el acero AISI 1045 en su composición química nominal tiene
un porcentaje en peso de carbono entre 0,43 y 0,50 %. El carbono es el aleante principal,
por lo tanto, el acero AISI 1045 es un acero de baja aleación y de medio carbono.
Tabla 2. Composición química nominal en porcentaje en peso del acero AISI 1045.
Carbono
0,43- 0,50
Rangos de composición química porcentaje en peso
Azufre
Fósforo
Silicio
0,04 (Max)
0,04 (Max)
0,15-0,35
Tomada de: ASM internacional, (1991)
Manganeso
0,60-0,90
El acero AISI 1045 es un acero hipoeutectoide por poseer un contenido de carbono
inferior al 0,77 % en peso, mientras aquellos que tienen 0,77 % son llamados aceros
eutectoides y los de un porcentaje superior a 0,77 % aceros hipereutectoides (Callister,
2001).
33
Según el diagrama mostrado en la Figura 8, para un acero con 0,45 % en peso de carbono
se observan diferentes cambios de fase en función de la temperatura, es decir, muestra la
variación de la microestructura para diferentes intervalos de temperatura, con un
porcentaje constante de carbono. El acero sufre transformaciones en su microestructura al
presentarse en ella distintas fases homogéneas y heterogéneas, antes de alcanzar la fase
estable.
Figura 8. Diagrama Fe-Fe3C para AISI 1045, con transformación de fases a diferentes
temperaturas.
Tomada de: Callister, 2001.
En el acero AISI 1045 están presentes fases como la cementita, la ferrita, la austenita y la
fase liquida, además existen regiones heterogéneas o campos de fases en las que coexisten
la ferrita con la perlita, la austenita con la ferrita y la austenita con la fase liquida. La
34
proporción de una fase en los campos de fase pude ser hallada mediante la regla de la
palanca, un método que permite determinar la composición química y los porcentajes de
cada fase presente.
En el diagrama Fe-Fe3C mostrado en la figura 3 para aceros simples al carbono sometidos
a un enfriamiento teórico relativamente lento, se muestra que el acero AISI 1045 inicia su
solidificación aproximadamente a los 1520 °C y por debajo de esta temperatura se da una
transformación representada con un campo de fase compuesto por fase liquida y ferrita .
Luego a los 1480 °C, la ferrita  da paso a la a fase austenítica que junto con la fase líquida
permanece en la microestructura del acero hasta los 1400 °C aproximadamente, al llegar
a esta temperatura se solidifica completamente el acero y se obtiene la fase homogénea
austenita mostrada en la figura 8; que se mantiene hasta la temperatura crítica de
enfriamiento demarcada por la línea Ar3 de 880 °C, lo que indica un nuevo cambio en la
microestructura y el fin de la fase homogénea austenita.
Paralelo al crecimiento de los granos austeníticos compactos homogéneos que se observan
en la figura 8, comienzan a nacer cristales de ferrita α proeutectoide o primaria, llamada
así por ser la primera ferrita en formarse en el proceso de calentamiento,
microscópicamente se puede observar como franjas de ferrita aparecen alrededor de los
granos austeníticos y la ferrita que se formó a expensas de la austenita inicia una
transformación magnética,
Al continuar con el enfriamiento se da origen a una nueva microestructura a los 720 °C, a
esta temperatura la ferrita α permanece y la austenita se transforma bruscamente en perlita.
35
Finalmente, a una temperatura ambiente el acero AISI 1045 tendrá en su estructura perlita
y ferrita α, parte oscura y parte clara respectivamente en la figura 9. La perlita está
compuesta por ferrita secundaria y cementita Fe3C, siendo esta la fase heterogénea
metaestable del acero. (Apraiz, 1984)
Figura 9. Microestructura del acero AISI 1045 en fase ferrita-perlita 100X
Tomada de: Ramos, 2013.
En su aplicabilidad el acero AISI 1045 presenta buena resistencia mecánica, resistencia al
desgaste y tenacidad estando en condiciones de suministro, obtenido de una laminación
en caliente o con previa realización de tratamientos térmicos de temple y revenido en la
etapa de conformado; es utilizado ampliamente por su bajo costo en comparación con
otros aceros de baja aleación y por sus propiedades para la fabricación de elementos
mecánicos, como ejes de resistencia media, engranes de baja velocidad, herramientas
mecánicas y para la agricultura, es considerado además un acero de buena maquinabilidad
y soldabilidad.
36
1.4.4. Acero AISI 4140
El acero AISI 4140, es una aleación que pertenece a la familia de aleaciones ferrosas, de
baja aleación. Como lo indica la norma AISI/SAE además de hierro y carbono tiene
adicionados elementos aleantes como el cromo y el molibdeno para mejorar algunas de
sus propiedades mecánicas. En menores proporciones a modo de impurezas contiene
fosforo, azufre, silicio y manganeso. Su porcentaje de carbono oscila entre 0,38 y 0,43 %
en peso por lo que es un acero hipoeutectoide de medio carbono, el contenido del resto
de sus componentes se puede ver en la tabla 3.
Tabla 3. Composición química nominal en porcentaje en peso del acero AISI 4140.
Rangos de composición química porcentaje en peso
Carbono
0,38-0,43
Azufre
0,04(Max)
Fósforo
0,035 (Max)
Silicio
0,15-0,35
Manganeso Cromo Molibdeno
0,75-1
0,8-1.1 0,15-0,25
Tomada de: Ficha técnica SUMINDU S.A
El acero AISI 4140, al ser un acero hipoeutectoide según Barreiro (1978) tiene en su fase
metaestable una mezcla heterogénea en la que coexiste la ferrita α y perlita, esta última
conformada por ferrita secundaria y cementita Fe3C.
El acero AISI 4140 no es un acero simple al carbono por lo que el diagrama Fe-Fe3C no
es aplicable en su totalidad para la predicción de su microestructura. Esto se debe a que
los elementos aleantes en este acero generan modificaciones en las temperaturas a las que
ocurren los cambios de fase y pueden provocar variaciones en la composición de cada
campo, ocasionando el aumento o disminución de estas secciones representadas en los
diagramas de equilibrio.
37
De acuerdo con experimentaciones y modelos termodinámicos ha sido posible establecer
los puntos críticos o temperaturas críticas que indican transiciones relevantes del acero
AISI 4140. Al iniciarse un proceso de calentamiento lento y llegar a la temperatura critica
de calentamiento Ac1 de 749 °C, ocurre una transición desde una microestructura
conformada por ferrita α y perlita, a una constituida por austenita y ferrita α luego esta
desaparece cuando se alcanza el punto crítico superior Ac3 que corresponde a los 793 °C
con la transformación total de la solución sólida en austenita (Chipalkarti, 1994).
El acero AISI 4140 es utilizado en componentes mecánicos de uso común. Este acero tiene
buena capacidad de endurecimiento en secciones transversales de gran tamaño, buena
resistencia a la fractura y la fatiga. En este acero se pueden encontrar fabricados elementos
como: cojinetes, engranes, tuercas, tornillos y varillas, es de bajo costo y es uno de los
aceros más comercializados en la industria. (SUMINDU, S.A, 2010)
1.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ALEACIONES FERROSAS
Dependiendo de las condiciones de trabajo de una pieza metálica, esta debe tener
propiedades específicas para soportar esfuerzos de choque, vibraciones y rozamiento
superficial. Con el fin de “adaptar” los materiales metálicos a las condiciones de trabajo
se mejoran sus propiedades mecánicas. Esto se logra mediante la ejecución tratamientos
térmicos que son procesos en los que no se modifica composición química, sino que se
induce a la transformación de fases y a la alteración de la microestructura de los metales,
mediante una sucesión de operaciones controladas de calentamiento y enfriamiento a
diferentes velocidades. Estas operaciones tienen comportamientos como los mostrados en
38
el esquema de la figura 10 y modifican propiedades mecánicas como la resistencia, dureza,
Recocido
Intermedio
Temperatura
Temperatura
ductilidad, tenacidad y resistencia al desgaste (Kalpakjian & Schmid, 2008).
Normalizado
Esferoidización
Recocido
Recocido
Normalizado
Tiempo
Tiempo
Figura 10. Resumen esquemático de los tratamientos térmicos simples para aceros (a)
hipoeutectoides (b) hipereutectoides.
Tomada de: Callister, (2001)
Los efectos del tratamiento térmico dependen de variables como:

Tipo de aleación que se está tratando.

Composición y su microestructura.

El grado de trabajo previo en frío.

Velocidades de calentamiento y de enfriamiento durante el tratamiento.
Todos estos factores deben considerarse para evitar problemas como el agrietamiento, la
distorsión y la falta de uniformidad de las propiedades a lo largo de la parte tratada
térmicamente (Kalpakjian & Schmid, 2008).
39
1.5.1. Transformaciones de la austenita.
La velocidad de enfriamiento juega un papel importante en las transformaciones de la
austenita. Si la velocidad de enfriamiento aumenta la estructura de equilibrio ferrita –
cementita cambia hasta obtener variados tipos de microestructura con diferentes
propiedades mecánicas, dependen de la velocidad de enfriamiento y la composición del
acero (Sturla, 2002). Debido a su importancia tecnológica, se definirán las estructuras
perlita, esferoidita, bainita, martensita y martensita revenida.
La perlita se presenta cuando hay láminas intercaladas de ferrita y cementita en la
estructura del acero eutectoide. Si la velocidad de enfriamiento es relativamente alta en
medios tales como el aire se generan láminas delgadas y apretadas una contra otra. Esta
configuración se le llama perlita fina, en cambio si se da un enfriamiento lento como el
que se da dentro del horno las láminas intercaladas resultaran gruesas y espaciadas, a esta
disposición se le conoce con el nombre de perlita gruesa (Apraiz, 1984)
Cuando se calienta la perlita justo debajo de la temperatura eutectoide y después se
mantiene a esa temperatura por cierto periodo, la cementita laminar se transforma en
formas casi esféricas, a esta disposición se le conoce con el nombre de esferoidita. A
diferencia de las formas laminares de la cementita. Las esferoiditas son menos propensas
a la concentración de esfuerzos debido a sus formas redondeadas, en consecuencia, esta
estructura tiene mayor tenacidad y menor dureza que la estructura perlítica, por tanto, se
puede trabajar en frío, ya que la ferrita dúctil posee una tenacidad alta y las partículas
esferoidales de carburo evitan la iniciación de grietas dentro del material (Kalpakjian &
Schmid, 2008).
40
Visible sólo a grandes aumentos, la bainita es una microestructura muy fina que consiste
en ferrita y cementita, algo similar a la perlítica, pero con una morfología diferente. Se
puede producir en aceros con elementos de aleación y a velocidades de enfriamiento
mayores que las requeridas para la transformación a perlita (Groove, 2007).
La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y es una solución sólida
sobresaturada de carbono en hierro alfa se obtiene al enfriar austenita a alta velocidad
(Apraiz, 1984), su estructura F.C.C. se transforma en una estructura tetragonal centrada
en el cuerpo B.C.T. Sus propiedades mecánicas varían con la composición, aumentando
su dureza, resistencia y fragilidad con el contenido de carbono. Esta microestructura
presenta un aspecto formando agujas en zig zag. Por otro lado, si se quieren mejoras las
propiedades mecánicas se puede realizar un revenido para obtener martensita revenida
(Apraiz, 1984).
Si la temperatura a la que se enfría la aleación no es lo suficientemente baja, sólo una
porción de la estructura se transforma en martensita. El resto es austenita retenida, que
bajo el ataque del nital, es visible como áreas blancas en la estructura junto con la
martensita oscura, semejante a agujas. La austenita retenida puede ocasionar inestabilidad
dimensional y agrietamiento, además de reducir la dureza y resistencia de la aleación
(Kalpakjian & Schmid, 2008).
41
1.5.2. Diagrama de transformación tiempo – temperatura.
El diagrama de transformación tiempo temperatura (TTT) como el mostrado en la figura
11 permite diseñar tablas de tratamiento térmico usadas para predecir y obtener
determinadas microestructuras en los aceros. Estos diagramas muestran el papel de la
velocidad de enfriamiento en la transformación de austenita en varias fases posibles. El
tiempo se representa logarítmicamente a lo largo del eje horizontal y la temperatura en el
eje vertical. La curva se interpreta a partir del tiempo cero en la región austenita y continúa
hacia abajo y a la derecha a lo largo de una trayectoria que muestra cómo se enfría el metal
en función del tiempo.
Figura 11: Curva TTT, para una composición de cerca de 0.80 % de hierro-carbono. La
trayectoria de enfriamiento mostrada aquí produce martensita.
Tomado de: Askeland, 1998
Si la velocidad de enfriamiento es lenta, la trayectoria pasa a través de la región α+Fe3C,
permitiendo una transformación austenita en perlita o bainita. Como estas
transformaciones toman tiempo, el diagrama TTT muestra dos curvas que representan el
inicio y el fin de la transformación a través del tiempo, permitiendo identificar las regiones
42
de fase con los subíndices s y f. La perlita se obtiene por enfriamiento lento de la austenita,
de manera que la trayectoria de enfriamiento pase a través de P s arriba de la “nariz” de la
curva TTT. Por otro lado, La bainita se produce mediante un enfriamiento inicial rápido a
una temperatura por encima de Ms, de manera que se evite la nariz de la curva TTT; de
esto sigue un enfriamiento mucho más lento para pasar a través de Bs y dentro de la región
α+Fe3C. Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida (indicada por la
línea punteada en la figura 11), la austenita se transforma en martensita. Durante el
enfriamiento, la transformación de la martensita empieza a cierta temperatura Ms y
termina a una temperatura más baja Mf, como se muestra en el diagrama TTT. En los
puntos entre estos dos niveles, el acero es una mezcla de austenita y martensita. Si se
detiene el enfriamiento a una temperatura entre las líneas Ms y Mf, la austenita se
transformará en bainita en cuanto la trayectoria tiempo-temperatura cruce el umbral de Bs.
1.5.3. Tratamientos térmicos de aleaciones ferrosas.
Según Apraiz Barreiro (1984) los tratamientos térmicos son aquellos procedimientos que
tienen como objeto mejorar las propiedades y características de los aceros con el objetivo
de ampliar su campo de utilización. Los tratamientos térmicos consisten en calentar y
mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto
tiempo para luego enfriarlas en condiciones convenientes. De esta forma se modifica la
estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay
también cambios en la composición del metal. A continuación, se definirán algunos de los
tratamientos térmicos más usados.
43
Recocido: Operaciones como el laminado, la forja, colada tienen procesos de
enfriamientos no uniformes, causando en el material tensiones interiores y heterogenidad
en la estructura y propiedades de la pieza. Para eliminar estas imperfecciones se recurre
al tratamiento térmico de recocido que consiste en calentar un material metálico a una
temperatura 30 °C por encima de Acm o Ac3 según sea un acero hipoeutectoide o
hipereutectoide. Se debe exponer la pieza a una temperatura constante y mantenerla
durante un período de una hora aproximadamente. Luego se deja enfriar lentamente, a una
Comentado [OFG1]: Buscar el medio por el que se determina el
tiempo de sostenimiento.
tasa de 200 °C hora para aceros al carbono o de 30 a 100 °C para aceros aleados, con el
Comentado [KMDLC2R1]:
objetivo de bajar la densidad de dislocaciones, impartir ductilidad y mejorar la
maquinabilidad de los materiales. (Valencia, 1992) (Askeland, Fulay, & Wright, 2011)
(Kucher, 1989).
Normalizado: Este tratamiento tiene como propósito obtener una estructura perlítica de
grano fino y distribución homogénea, y se emplea para mejorar la maquinabilidad,
modificar y refinar el grano para mejorar las propiedades del acero en operaciones de
endurecimiento (Callister, 2001).
El normalizado se realiza calentando la muestra de 55 °C a 85 °C por encima de su
temperatura crítica superior AC3 o AC1. Se debe mantener esta temperatura el tiempo
suficiente para conseguir la completa transformación a austenita, tiempo que no debe
superar 1 hora por cada 25 mm de material según (Valencia, 1992). El tratamiento termina
enfriando el acero al aire.
Temple: El temple se utiliza para obtener tipos de aceros de alta dureza, aceros
martensíticos. Este tratamiento consiste en elevar la temperatura hasta la temperatura de
44
austenización, determinada por la composición química del acero a tratar. Este tratamiento
requiere mantener la temperatura de austenización por un tiempo que garantice la
homogenización en toda la microestructura del material. Según Valencia (1992) el tiempo
de sostenimiento es deducido empíricamente por las fórmulas 1 y 2, para diámetros
menores y superiores a 25 mm respectivamente.
𝑡(min) = 20 +
𝐷
2
(𝑚𝑚)
1
𝐷
2
120
𝑡(horas) = +
(𝑚𝑚)
(1)
(2)
luego de mantener la temperatura austenítica el acero se somete a enfriamientos rápidos,
bruscos y continuos ya sea en agua, aceito o al aire. (Askeland, Fulay, & Wright, 2011)
Revenido: Los aceros después del temple generalmente suelen quedar demasiado duros y
frágiles para ciertos usos. Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido, que
es un tratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su
temperatura crítica inferior. El tiempo de sostenimiento varía según las dimensiones de la
muestra, según Valencia (1992) se debe sostener la temperatura una hora por cada pulgada
de espesor del material a tratar. Finalmente se debe enfriar al aire libre, en aceite o agua,
según la composición del material. El objetivo del revenido no es eliminar los efectos del
temple sino modificarlos, disminuyendo la dureza y resistencia, aumentando la tenacidad
y eliminando también las tensiones internas que tienen siempre los acero templados
(Apraiz, 1984).
45
1.6. ENSAYO DE IMPACTO
Los ensayos mecánicos tienen como finalidad determinar características y propiedades
mecánicas de los materiales como dureza, esfuerzo de fluencia, tenacidad, resistencia a la
tensión y compresión. Este tipo de ensayos se realizan mediante máquinas, parámetros y
procedimientos establecidos por normas técnicas como las ASTM, ISO entre otras (Smith,
1998).
En los ensayos de impacto se aplican velocidades de deformación relativamente altas lo
cual provoca un comportamiento frágil en el material, que es mucho mayor comparado
con lo observado regularmente en ensayos de tensión, debido a la velocidad de aplicación
del esfuerzo. En los ensayos de impacto, el material es sometido a un golpe súbito e
intenso, lo que propicia que el material absorba la energía suministrada por el impacto en
poco tiempo y este termine evidenciando un comportamiento frágil.
La energía absorbida por el material durante el ensayo antes de su fractura en condiciones
de impacto es lo que se conoce como tenacidad, existen diferentes procedimientos para
evaluar esta propiedad mecánica en los materiales, como el ensayo tipo Izod generalmente
para materiales no metálicos y el ensayo tipo Charpy (Askeland, Fulay, & Wright, 2011).
Para la realización de estos ensayos existen normas como ASTM E23 (2016), ISO 148
(2009) entre otras. Estas normas se encargan de regular el procedimiento y establecer las
generalidades que se deben tener en cuenta para este tipo de ensayos, como las medidas
de seguridad para el uso de la máquina, las especificaciones y medidas para la elaboración
de las probetas a ensayar y la forma en que se deben expresar los resultados.
46
El montaje del ensayo de impacto en máquina tipo Charpy que se muestra en la figura 12,
consiste en dejar caer un péndulo pesado desde una altura inicial h que determina la
velocidad de aplicación en el momento del impacto.
Indicador
Yunque
Figura 12. Esquema máquina de ensayos de impacto tipo Charpy
Tomada de: Callister, 2001.
Este movimiento describe un arco y posteriormente golpea y rompe la probeta hasta llegar
a una altura final menor h’. Después de conocer las alturas h y h’ se puede determinar la
energía absorbida al calcular la diferencia entre energías potenciales utilizando la ecuación
1, donde m es la masa del péndulo y g es la gravedad.
𝐸𝑎 = 𝑚𝑔(ℎ − ℎ´)
47
(1)
Sin embargo, en ocasiones la medida de h puede no ser tan precisa por lo que es
recomendable aplicar relaciones trigonométricas en función del largo del brazo del
péndulo y de los ángulos 𝛼, 𝛽 que se muestran en la figura 12 y aplicar la ecuación 2, el
resultado de la energía absorbida que resulta de las ecuaciones 1 y 2 se expresa en Joules
(J) (Y.Ortega, 2006)
𝐸𝑎 = 𝑚𝑔𝐿(𝑐𝑜𝑠𝛽 − 𝑐𝑜𝑠𝛼)
(2)
La energía absorbida en las probetas durante la realización de ensayos de impacto
disminuye al decrecer la temperatura. Dos aceros en iguales condiciones pueden presentar
resistencia al impacto totalmente diferentes en función de la temperatura. La figura 13
muestra las variaciones en la energía absorbida en función de la temperatura para un
mismo acero con diferente tratamiento térmico. Véase que, para ambas condiciones, la
energía absorbida disminuye con la temperatura. Adicionalmente, para una misma
temperatura el acero en estado recocido absorbe más energía que el acero templado y
revenido.
Figura 13. Gráfica de energía absorbida en función de la temperatura para acero
recocido y para acero templado y revenido.
Tomado de: Meyers & Chawla, 2008.
48
Según Meyers & Chawla, la temperatura en la que el acero varía drásticamente sus
propiedades mecánicas y en la que pasa de absorber una fractura de alta energía de impacto
a una baja, se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil. La figura 14 muestra
la zona de fractura después de ensayos de impacto realizados a diferentes temperaturas.
.
Figura 14. Efecto de la temperatura en la superficie de los especímenes sometidos a
pruebas de impacto tipo Charpy
Tomado de: Meyers & Chawla, 2008.
En el espécimen mostrado en la figura 15a se da una fractura completamente frágil en los
especímenes mostrados en la figura 15b y 15c se dio una fractura mixta y en el espécimen
15d una fractura dúctil dado que Ta < Tb < Tc < Td. Entre más fibrosa sea la zona de fractura
mayor ductilidad y resistencia al impacto puede presentar el material.
Generalmente se realizan ensayos a diferentes temperaturas para determinar la
temperatura de transición de forma arbitraria, debido a que es un parámetro importante
para la selección de un material en términos de tenacidad, esta temperatura depende de la
49
composición química del material, de su procesamiento, de los tratamientos térmicos a los
que haya estado sometido y de su microestructura. (Meyers & Chawla, 2008).
En el campo de la ingeniería el análisis de los resultados es imprescindible para conocer
la forma en la que se comportan mecánicamente los materiales cuando se encuentran en
condiciones extremas de servicio. Los resultados obtenidos mediante el ensayo de impacto
pueden variar en función del ángulo de elevación del péndulo, la presencia de
concentradores de esfuerzos en el espécimen seleccionado como probeta y por la
exposición del material a diferentes temperaturas (Askeland, Fulay, & Wright, 2011).
50
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 CARACTERIZACIÓN QUÍMICA Y PREPARACIÓN DE LAS
PROBETAS
2.1.1 Caracterización química.
Con el objetivo de verificar que los contenidos de elementos químicos presentes en los
materiales para la fabricación de las probetas correspondían a los aceros AISI 1045 y AISI
4140, se tomaron dos probetas del estado inicial de los aceros para un análisis de
composición química. Dicho análisis se realizó a través de espectrometría de emisión
óptica en el Laboratorio de Fundición de la Universidad de Antioquia.
2.1.2 Preparación de las probetas
Buscando un menor consumo de material y considerando las dimensiones finales de las
probetas, éstas se fabricaron a partir de dos barras de 2000 mm de longitud con sección
transversal de 15,87 mm de diámetro. Como el fin último de las probetas fue utilizarlas
en el ensayo de impacto, estas se produjeron con las dimensiones mostradas en la figura
15 acorde a las probetas tipo A utilizadas en ensayos de impacto acorde a la norma ASTM
E23 (ASTM international, 2016).
Figura 15. Dimensiones de probeta para ensayos tipo Charpy, espécimen A, según
ASTM E23
Tomada de: ASTM international, 2001.
51
El proceso de manufactura para todas las probetas consistió en dividir las barras circulares
en secciones de 120 mm de longitud, luego cada una de estas secciones fueron sometidas
a un proceso de desbaste para pasar de la sección circular a una cuadrada de 10 mm x 10
mm. Posteriormente, se sometieron las barras a un proceso de ranurado para elaborar la
muesca con las dimensiones y en la ubicación requerida. Por último, se dividieron las
barras en pedazos de 55 mm. Para facilitar la identificación y la organización de las
probetas acorde a los tratamientos térmicos en función de los aceros utilizados, se crearon
diferentes grupos acorde a la nomenclatura mostrada en la tabla 4.
Tabla 4. Nomenclatura de las probetas por tipo de acero y tratamiento térmico.
Grupo
Cantidad Acero
Condición
E1
3
AISI 1045
Estado de entrega
E4
3
AISI 4140
Estado de entrega
R1
3
AISI 1045
Recocida
R4
3
AISI 4140
Recocida
N1
3
AISI 1045
Normalizada
N4
3
AISI 4140
Normalizada
R12
3
AISI 1045
Normalizada, templada, revenida 200 °C
R42
3
AISI 4140
Normalizada, templada, revenida 200 °C
R13
3
AISI 1045
Normalizada, templada, revenida 300 °C
R43
3
AISI 4140
Normalizada, templada, revenida 300 °C
R14
3
AISI 1045
Normalizada, templada, revenida 400 °C
R44
3
AISI 4140
Normalizada, templada, revenida 400 °C
R15
3
AISI 1045
Normalizada, templada, revenida 500 °C
R45
3
AISI 4140
Normalizada, templada, revenida 500 °C
R16
3
AISI 1045
Normalizada, templada, revenida 600 °C
R46
3
AISI 4140
Normalizada, templada, revenida 600 °C
Tomado de: Autores, 2018.
52
Acorde a la Tabla 4 se determinó que para el desarrollo de los tratamientos y los ensayos
posteriores era necesario fabricar 60 probetas, elaboradas en partes iguales en acero AISI
1045 y acero AISI 4140.
2.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Luego de la preparación de las probetas se realizaron los tratamientos térmicos de
recocido, normalizado, temple y revenido a 200, 300, 400, 500 y 600 °C en un horno tipo
mufla modelo D8 fabricado por Industrias Terrígeno propio del laboratorio de Materiales
y Procesos del programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Córdoba.
Figura 17. Mufla modelo D8 fabricado por Industrias Terrígeno del laboratorio de
Materiales y Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de Córdoba.
Tomada de: Autores, 2017.
2.2.1 Tratamiento de recocido para aceros AISI 1045 y AISI 4140
El tratamiento de recocido se aplicó a tres probetas de acero AISI 1045 y a tres de acero
AISI 4140. Según lo recomendado por ASM International (1991), se programó el horno a
una temperatura de 815 °C para el AISI 1045 y 872 °C para el AISI 4140. El horno tardó
53
aproximadamente 15 minutos en alcanzar estas temperaturas, luego se introdujeron las
probetas durante 45 minutos garantizando un calentamiento homogéneo. Siguiendo los
lineamientos para este tratamiento térmico se dejaron enfriar las probetas dentro del horno
hasta llegar a la temperatura ambiente.
2.2.2 Tratamiento de normalizado para aceros ASIS 1045 y AISI 4140
Con el fin de evitar la precipitación de carburos se aplicó el tratamiento térmico de
normalizado antes del temple y su posterior revenido. Por lo tanto, se determinó que se
debían normalizar 18 probetas del acero AISI 1045 y 18 de AISI 4140.
El procedimiento consistió en llevar el horno hasta una temperatura de sostenimiento de
888 °C para las probetas de acero AISI 1045 y a 880 °C para las de AISI 4140 (ASM
International, 1991). Después de introducir las probetas y estabilizar la temperatura
interna del horno, se sostuvo la temperatura durante 40 minutos, posteriormente se
extrajeron las piezas para su enfriamiento al aire libre.
2.2.3 Tratamiento de temple para aceros ASIS 1045 y AISI 4140
Teniendo en cuenta número de probetas a ser revenidas se tomaron 15 probetas por cada
tipo de acero a tratar y se sometieron al tratamiento térmico de temple. Inicialmente se
calentó el horno hasta una temperatura de austenización de 850 °C para el acero AISI 1045
y de 860 °C para el acero AISI 4140.
Cuando se introdujeron las probetas en el horno se midió el tiempo necesario para que
este alcanzara nuevamente la temperatura de sostenimiento y después se cronometró 40
minutos. Finalizado este tiempo, las probetas fueron extraídas del horno e introducidas en
54
un medio líquido con el fin de aumentar la velocidad de enfriamiento y obtener la
estructura martensítica. Las probetas de AISI 4140 fueron sumergidas en aceite buscando
evitar agrietamiento y distorsión. El acero AISI 1045 se enfrió en agua.
2.2.4 Tratamientos de revenido para aceros ASIS 1045 y AISI 4140
El tratamiento de revenido se realizó a temperaturas de 200, 300, 400, 500, 600 °C, dando
como resultado diez grupos de probetas, cinco por cada tipo de acero a tratar. El
procedimiento para todos los grupos de probetas consistió en calentar el horno y
estabilizarlo la temperatura necesaria, se introdujeron las probetas y se extrajeron luego
de 40 minutos para ser enfriadas al aire libre.
2.3 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE ACERO AISI 1045 Y AISI 4140
Se tomó una muestra de cada grupo y se seleccionó una de las caras axiales a la probeta y
paralelas a la orientación del laminado para realizar el estudio metalográfico de cada
muestra. Inicialmente se hizo un desbaste en cada una de ellas, utilizando papeles de lija
de diferentes tamaños de grano, iniciando con papeles de lija número ASTM 80, pasando
progresivamente por lijas ASTM 120, 240, 360, 400, 600 hasta llegar finalmente a una de
grano fino como la ASTM 1200. Para este desbaste se tuvo en cuenta que el lijado fuera
uniforme y para cada cambio de lija se realizó un cambio de dirección de lijado
aproximado de 90 °.
En la Figura 16 se muestra la pulidora metalográfica modelo Nano 1000 fabricada por
Dace Technologies del laboratorio de Materiales y Procesos del programa de Ingeniería
Mecánica de la Universidad de Córdoba, utilizada para obtener un acabado superficial
tipo espejo. Se obtuvo este acabado superficial utilizando en la pulidora un paño
55
impregnado de una solución acuosa con alúmina o polvo de óxido de aluminio (𝐴𝑙2 𝑂3 )
con tamaño de partículas de 12 µm.
Figura 16. Pulidora metalográfica modelo Nano 1000 fabricada por Dace Technologies
del laboratorio de Materiales y Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de
Córdoba.
Tomado de: Autores, 2018.
Para revelar la microestructura en cada una de las probetas se efectuó un ataque químico.
Siguiendo las instrucciones de la norma ASTM E407 (ASTM International, 2015), la
superficie pulida de cada muestra se sumergió en una solución de nital a 5 % de
concentración por un tiempo aproximado de 3 segundos para el acero AISI 1045 y
alrededor de 2 segundos para el acero AISI 4140.
56
Finalmente, las probetas fueron lavadas y secadas con aire caliente y se observaron en un
microscopio óptico de luz reflejada modelo GX41 marca Olympus, dotado con cámara
digital Moticam de 10 Megapixeles y software de adquisición de imágenes Motic Images
Plus 2.0. Se identificaron las fases presentes en las probetas en estado de entrega y las
variaciones ocasionadas en la microestructura luego de someterlas a los tratamientos
térmicos de recocido, normalizado temple y revenido.
Figura 17. Montaje de cámara digital y microscopio óptico del laboratorio de Materiales
y Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de Córdoba.
Tomada de: Autores, 2017.
Finalmente se realizaron medidas de dureza en escala Vickers bajo la norma ASTM E92
(ASTM International, 2017) a todas las probetas. Se relacionó esta propiedad con los
cambios en la microestructura de los aceros provocados luego de haberlos sometidos a los
tratamientos térmicos de normalizado, temple, revenido y recocido.
57
2.4 ENSAYOS DE IMPACTO MÁQUINA TIPO CHARPY A ACEROS AISI
1045 Y AISI 4140.
2.4.1 Ensayos de impacto en máquina tipo Charpy
Se realizaron ensayos de impacto en máquina tipo Charpy a las probetas en estado de
entrega y a todas las probetas tratadas térmicamente. Para la realización de estos ensayos
se utilizó la máquina de ensayos de impacto tipo Charpy del Laboratorio de Materiales y
Procesos del programa de Ingeniería Mecánica mostrada en la figura 18.
Figura 18. Partes de la máquina de ensayos tipo Charpy del laboratorio de Materiales y
Procesos de ingeniería Mecánica de la universidad de Córdoba.
Tomada de: Autores, 2018.
58
Esta máquina diseñada y construida por estudiantes del programa cuenta con una energía
de entrega 324,46 J y con capacidad de ensayar materiales con valores de esfuerzo de
ruptura próximo a 770 MPa (Castillo & Espitia, 2016).
Siguiendo las instrucciones de Castillo y Espitia (2016), previo al ensayo se limpió la
superficie de los componentes de la máquina y se verificó su correcto funcionamiento
mediante un ensayo en vacío.
Para iniciar con el ensayo se calibró el medidor en su posición de origen y a continuación
se elevó el sistema pendular hasta poder sujetarlo con el pasador. Posteriormente se ubicó
la probeta en el yunque, de tal forma que la superficie que iba a ser impactada fuera
opuesta a la cara donde se encontraba la muesca. Seguidamente se impactó la probeta con
el percutor, luego de tirar de la palanca de liberación y desenganchar el brazo pendular.
Después de la fractura se hizo lectura y se tomó nota de la información arrojada por el
medidor. Con la ecuación 3 y los datos arrojados por el ensayo se halló la energía
absorbida por el material. Este procedimiento se repitió con cada una de las probetas en
acero AISI 1045 y AISI 4140 en estado de entrega y las sometidas a los tratamientos
térmicos de recocido, normalizado, temple y revenido.
Después de los ensayos, con la ayuda de un microscopio estereoscopico Motic SMZ-171
y el software de imágenes Motic Images Plus 2.0 se realizó un registro de imágenes que
muestran las superficies de falla en cada probeta para cada tratamiento térmico,
seguidamente se efectuó el análisis de falla dúctil acorde a la norma ASTM E23 (ASTM
international, 2016). Esta norma recomienda aplicar al menos dos de los metodos de
analisis de fallas por apariencia de superficie razón por la cual se utilizó inicialmente el
59
método de comparación con la guía de estimación de apariencias de fractura, que consiste
en comparar las caras de las fracturas obtenidas en el ensayo con las guía mostrada en la
figuraFigura 19 y a partir de esto determinar el porcentaje de falla dúctil.
100 %
85 %
70 %
60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
0%
Figura 19. Apariencias guías de la fractura generada por ensayo de impacto para la
estimación del porcentaje de fractura dúctil, donde 100 % es dúctil y 0% es frágil.
Fuente: ASTM international, 2016.
Como segundo método para deteminar el porcentaje de fractura frágil se midieron los
lados de la zona plana en la fractura y con ayuda de la ¡Error! No se encuentra el origen d
e la referencia. se determinó el porcentaje de falla dúctil.
60
Tabla 5. Porcentaje de fractura a partir de medidas en mm de las caras de la muestra.
Tomada de: ASTM international, 2016.
2.5 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS
Se analizaron los resultados estableciendo relaciones entre la microestructura, dureza y
resistencia al impacto de los materiales a través de gráficos que describen tanto la energía
absorbida promedio como la dureza promedio en función de los tratamientos térmicos.
Posteriormente, con estos resultados se elaboró una base de datos que incluye
microestructura y las propiedades mecánicas de tenacidad y dureza de los aceros AISI
1045 y AISI 4140 para que sirva como insumo para futuras investigaciones en estos
materiales.
61
3. RESULTADOS Y DISCUSIONES
3.1 PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS.
En la figuraFigura 20. Aspecto de las probetas. se muestra el aspecto final de las probetas
maquinadas bajo las dimensiones y parámetros establecidos por la norma ASTM E23
(ASTM international, 2016).
Figura 20. Aspecto de las probetas.
Fuente: Autores, 2018.
3.2 CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL.
3.2.1 Caracterización química de las probetas en estado de entrega.
Los resultados del análisis químico por espectrometría de emisión óptica realizados a los
aceros AISI 1045 y AISI 4140 se presentan en la tabla 5 y tabla 6 respectivamente.
62
Tabla 6. Composición química nominal y composición química medida del acero AISI
1045
Valores
Nominal
Medido
%C
0,430 - 0,500
0,438
% Mn
%P
0,600 - 0,900
0,040 Max
0,704
0,042
Fuente: Autores, 2018.
%S
% Fe
0,050 Max Balance
0,020
Balance
Tabla 7. Composición química nominal y composición química medida del acero AISI
4140
Valores % C
Nominal 0,380 0,430
Medido 0,404
% Cr
% Mn
% Si
0,800 –
0,750 –
0,150 –
1,100
1,00
0,300
0,919
0,846
0,222
Fuente: Autores,2018.
% Mo
0,150 0,250
0,171
% Fe
Balance
Balance
Como se puede observar, en ambos aceros los porcentajes medidos de cada elemento se
encuentran dentro de los rangos nominales establecidos por las normas AISI 1045 y AISI
4140. Véase que el porcentaje de carbono arrojado para el acero AISI 1045 lo ubica en el
grupo de aceros simples de medio carbono. Nótese también que los valores de silicio y
azufre considerados impurezas se encuentran por debajo de lo permitido por la norma y
en estas proporciones no deberían afectar las propiedades o el comportamiento de este
acero.
Por otro lado, la composición química mostrada en la Tabla 6 ubica al acero AISI 4140
como un acero de baja aleación de medio carbono, con el cromo como elemento aleante
principal. El cromo le confiere a este acero mejor templabilidad, tenacidad y resistencia
al desgaste y a la corrosión en comparación con un acero simple al carbono. Además, en
esta composición también se encuentra molibdeno y manganeso al 0,171 % y a 0,846 %
respectivamente, estos elementos al igual que el cromo mejorar la templabilidad y
63
tenacidad, la resistencia a temperaturas elevadas, la dureza, termofluencia y la resistencia
al desgaste. (Kalpakjian & Schmid, 2008).
3.2.2 Microestructura de los aceros AISI 4140 y AISI 1045 tratados
térmicamente.
A continuación, en la figura 21, se muestra la microestructura del acero AISI 1045 en
estado de entrega, normalizado y recocido, luego de ser lijadas, pulidas y atacadas con
nital al 5 %.
a.
64
b.
c.
Figura 21. Microestructura del acero AISI 1045 a) estado de entrega, b) recocida, c)
Normalizado. Microscopía óptica 1000x, nital al 5%.
Tomado de: Autores, 2018.
Nótese en la figura 21 que el acero AISI 1045 en estado de entrega, normalizado y
recocido presenta la microestructura típica de aceros hipoeutectoides constituida por
65
ferrita proeutectoide (zonas blancas) y perlita (zonas oscuras). Por otro lado, al medir la
dureza se presentaron diferentes valores. En estado de entrega las probetas tuvieron una
magnitud de 248±4 HV, mientras que las sometidas a normalizado registraron 200±5 HV
y las recocidas ostentaron una dureza de 173±15 HV.
La figura 22 muestra la microestructura del acero AISI 4140 en estado de entrega,
normalizado y recocido, luego de ser lijadas, pulidas y atacadas con nital al 5 %.
a.
66
b.
c.
Figura 22. Microestructura del acero AISI 4140 a) estado de entrega, b) recocido, c)
Normalizado. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%.
Tomado de: Autores, 2018.
67
Es posible observar que en todas las microestructuras del acero AISI 4140 coexisten
granos de ferrita y perlita, sin embargo, estas muestran variación en la homogeneidad de
forma y tamaño de grano, dependiendo si se encuentran en estado de entrega, normalizado
o recocido. Los valores de dureza medidos fueron en promedio 584±4 HV, 309±6 HV y
177±9 HV, para las condiciones de estado de entrega, normalizado y recocido
respectivamente. Estas magnitudes se acercan a los registrados en Metals Handbook
(ASM International, 1998), de 318 HV para el acero normalizado y 197 HV para el mismo
acero en estado recocido.
Al analizar en conjunto las microestructuras de ambos aceros, se pudo observar que las
probetas recocidas exhiben un tamaño de grano mayor que el observado en las
normalizadas, donde se observaron granos más refinados y homogéneos en tamaño.
Teniendo en cuenta este escenario y la información suministrada por la figura 21 se puede
afirmar que hay una relación directa entre tamaño de grano y dureza, pues al presentar
mayor tamaño de grano, la dureza tiende a disminuir.
Por otro lado, las probetas en estado de entrega mostraron en su microestructura granos
de mayor tamaño en comparación con los revelados en las probetas tratadas térmicamente
mediante normalizado y recocido, sin embargo, estas presentaron mayor dureza, este
hecho se atribuye al proceso de laminación en la producción de las barras utilizadas en la
fabricación de las probetas.
La laminación a temperatura ambiente causa que los granos se giren en la misma dirección
de la fuerza de tensión y provoca un aumento en la dureza del acero, causando un
endurecimiento por deformación (Kalpakjian & Schmid, 2008) y como muestra la figura
68
23 es revertido al calentar las probetas hasta la temperatura de recristalización, que en este
caso fue alcanzada en los tratamientos de normalizado, esto se ve reflejado en la
disminución de la dureza de las probetas sometidas a estos tratamientos.
Figura 23. Esquema de los efectos de la recuperación, recristalización y crecimiento de
granos en las propiedades mecánicas, en la forma y tamaño de granos.
Tomada de: Kalpakjian & Schmid, 2008.
En la figura 24 se muestra los resultados de la dureza en escala Vickers obtenida para
ambos aceros en estado de entrega y sometidos a los tratamientos térmicos de normalizado
y recocido. En ella se comprueba la relación entre tamaño y homogeneidad de grano y
dureza discutida anteriormente.
69
b.
Estado de
Entrega
Normalizado
Dureza Vickers (HV)
Dureza Vckers (HV)
a.
300
250
200
150
100
50
0
Recocido
Estado
700
600
500
400
300
200
100
0
Estado de
Entrega
Normalizado
Recocido
Estado
Figura 24. Variación de la durezaen escala Vickers promedio en probetas de acero AISI
1045 en estado de entrega y sometidas a tratamiento térmico de normalizado y recocido.
Tomada de: Autores, 2018.
La velocidad de enfriamiento es otro factor que causa variación en la dureza, debido a que
al pasar de un enfriamiento de baja velocidad como el necesario en el recocido a otro de
mayor velocidad como en el normalizado, los granos de perlita tienden a refinarse
mientras que los de ferrita pierden intensidad, validando lo dicho por ASM International
(1998) que la dureza de los aceros con microestructura ferrita- perlita aumenta junto con
el contenido de perlita y se incrementan aún más si ocurren reducciones en el
espaciamiento interlaminar.
La figura 25 y la figura 26 muestran la microestructura de los aceros AISI 1045 y AISI
4140 después de los tratamientos de temple y revenido a diferentes temperaturas.
70
a.
b.
71
c.
d.
72
e.
f.
Figura 25. Microestructura del acero AISI 1045 templado y revenido a diferentes
temperaturas, a) templada, templada y revenida a b) 200 ºC, c) 300 ºC, d) 400 ºC, e) 500
ºC, f) 600 ºC. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%.
Tomado de: Autores, 2018.
73
a.
b.
74
c.
d.
75
e.
f.
Figura 26. Microestructura del acero AISI 4140 templado y revenido a diferentes
temperaturas, a) templada, templada y revenida a b) 200 ºC, c) 300 ºC, d) 400 ºC, e) 500
ºC, f) 600 ºC. Micrografía óptica 1000x, nital al 5%.
Tomada de: Autores, 2018.
76
Al observar la microestructura de ambos aceros se pudo identificar la presencia de
martensita en tiras en todas las condiciones de tratamiento. Este tipo de martensita es típica
de aceros de medio carbono. Adicionalmente, a medida que aumenta la temperatura de
revenido se observó un aumento en la cantidad de zonas claras en la microestructura de
los aceros. De acuerdo con la teoría, estas zonas se dan como resultado del revenimiento
de la martensita, proceso en el cual la martensita comienza a ceder átomos de carbono
creando ferrita y perlita, produciendo mayores cantidades a medida que aumenta la
temperatura de revenido y/o el tiempo de revenido. Por esta razón, las microestructuras de
ambos aceros revenidos a 600°C presentan la mayor cantidad de ferrita y perlita entre
todas las temperaturas de revenido.
Al comparar las imágenes de la microestructura del acero a diferentes temperaturas de
revenido, se observa un crecimiento de las zonas claras, a partir de esto es posible afirmar
que los granos de martensita y la austenita retenida van cediendo espacio y átomos de
carbono a los granos de ferrita a medida que se aumenta la temperatura de revenido.
También es sabido que a una temperatura de revenido de 200° C, ocurre una redistribución
de carbono hacia lugares intersticiales con menor energía, precipitándolo hasta disminuir
la sobresaturación de carbono en la martensita con la formación del carburo ε. Al aumentar
la temperatura de revenido entre 200 y 300 °C se descompone la austenita retenida en
ferrita y cementita y a más de 300° C se precipita el carburo ε formando cementita,
causando la pérdida paulatina de los efectos producidos por el temple a medida que se
aumenta la temperatura de revenido (Sanz, 1962).
77
El cambio microestructural que se da con el aumento de la temperatura de revenido causa
variaciones en la dureza de los aceros. La figura 27 muestra la variación de dureza en
escala Vickers en función de la temperatura de revenido para ambos aceros.
650
600
Dureza Vickers
550
500
450
400
350
Dureza AISI
1045
300
250
200
100
200
300
400
500
600
Temperatura de revenido (°C)
Figura 27. Dureza en escala Vickers promedio en probetas de acero AISI 1045 y AISI
4140 sometidas a tratamiento térmico de revenido a 200°C, 300°C, 400 °C, 500 °C y
600 °C.
Tomada de: Autores, 2018.
Los resultados mostraron que la dureza disminuyó con el aumento de la temperatura de
revenido, tendencia acorde con lo reportado en la literatura. Los valores mínimos y
máximos medidos fueron 200±34 HV (Normalizado) y 592± 28 HV (Templado y
revenido 200 °C) para el AISI 1045. Para el acero AISI 4140, 173±8 HV (Recocido) y
584± 4 HV (Estado de Entrega) corresponden a los valores mínimo y máximo de dureza.
Adicionalmente, se pudo apreciar que la curva del acero AISI 4140 tiende a ser menos
inclinada que la del acero AISI 1045. Esto se debe a que el AISI 4140 tiene una
composición que incluye elementos aleantes como el cromo y el silicio que le otorgan a
78
la martensita una mayor estabilidad. Este fenómeno permite que la martensita conserve su
estructura a mayores temperaturas y retarde su difusión, permitiendo que se conserve
ciertos efectos del temple aún si el revenido se hace a altas temperaturas (Valencia, 1992).
La figura 28 muestra la variación de la dureza en función de la temperatura de revenido
de aceros con diferentes contenidos de carbono reportado por Yanzon y Aranda (2015).
Estos resultados corroboran la tendencia de disminución en la dureza a medida que
aumenta la temperatura de revenido.
Dureza de la martensita revenida- Aleación Fe-C
Figura 28. Curvas de dureza de la martensita revenida en función de la temperatura de
revenido, para aceros al carbono con cantidades despreciables de otros aleantes.
Tomado de: Yanzon & Aranda, 2015
3.3 TENACIDAD
A partir de los datos arrojados por el ensayo de impacto tipo Charpy se crearon los
diagramas de barras de la figura 29, donde se muestra la energía absorbida en los ensayos
de impacto en función de la muestra en condiciones de estado de entrega y luego de
aplicarle el tratamiento térmico de normalizado y recocido.
79
b.
200
Energía Absrobida (J)
Energía Absorbida (J)
a.
150
100
50
150
100
50
0
0
Estado de
entrega
Normalizado
Estado de
entrega
Recocido
Estado
Normalizado
Recocido
Estado
Figura 29. Diagrama de barras de energía absorbida en ensayo tipo Charpy en función
de estado de entrega y tratamientos térmicos de normalizado y recocido en probetas de
acero a) AISI 1045 y b) AISI.4140
Tomada de: Autores, 2018.
En la figura 29a se observa que el acero AISI 1045 en estado de entrega muestra una
tenacidad de 55±3 J, al someterse a un tratamiento térmico de normalizado esta propiedad
mejoró hasta alcanzar 145±9 J, pero la mayor tenacidad se dio al alcanzar los 160±13 J,
al aplicar un tratamiento térmico de recocido.
La tenacidad del acero AISI 4140 presentó un comportamiento similar al acero AISI 1045,
debido a que su máximo valor de tenacidad se obtuvo como resultado del recocido con
123±7 J, decreciendo con el normalizado hasta 63±24 J y finalmente en su estado de
entrega presentó 47±11 J.
Teniendo en cuenta el comportamiento de los resultados de tenacidad ilustrados en la
figura 28 y la microestructura de los aceros sometidos a tratamietos térmicos de
normalizado y recocido, es posible inferir que hay una relación entre el tamaño de grano
80
y la tenacidad, ya que a medida que aumenta el tamaño de grano se exhibe mayor
tenacidad en los aceros ensayados.
La Figura 30. Energía absorbida en ensayo tipo Charpy en función del tratamiento térmico
de revenido a 200 °C, 300 °C, 400°C, 500 °C y 600 °C en probetas de acero AISI 1045 y
AISI 4140.muestra la variación de la tenacidad en función de la temperatura de revenido
para los aceros AISI 1045 y AISI 4140.
Comentado [U3]: Arreglar la desviación.
350
Energía Absorbida (J)
300
250
200
150
100
AISI 1045
50
AISI 4140
0
100
200
300
400
500
600
Temperatura de revenido (°C)
Figura 30. Energía absorbida en ensayo tipo Charpy en función del tratamiento térmico
de revenido a 200 °C, 300 °C, 400°C, 500 °C y 600 °C en probetas de acero AISI 1045 y
AISI 4140.
Tomada de: Autores, 2018.
En la gráfica la curva continua representa la variación de la tenacidad del acero AISI 4140,
que al igual que la acero AISI 1045, exhibe una tendencia a crecer a la par con el
incremento de la temperatura de revenido, y mejoró la tenacidad del acero en un 55 % con
respecto a su estado de entrega.
81
Véase que a medida que aumenta la temperatura de revenido crecen los valores de
tenacidad en ambos aceros. El acero AISI 1045 presenta para la menor y mayor
temperatura de revenido una tenacidad de 97±30 y 310±11 J respectivamente. Por otro
lado, el acero AISI 4140 presentó valores de 73±23 J y 293±4 J. Los resultados corroboran
la teoría de aceros que dice que el tratamiento térmico de revenido se utiliza para mejor
tenacidad a expensas de una disminución en la dureza.
El mayor valor de tenacidad obtenido para ambos aceros se dio luego del temple y
revenido a 600 °C, el del acero AISI 1045 fue de 310±11 J y el del AISI 4140 de 293±4
J, a su vez los más bajos índices de tenacidad se dieron en los aceros en estado de entrega,
posicionando al acero AISI 1045 con 55± 3 J y al AISI 4140 con 47± 11 J, esto debido a
su condición de laminado en frío.
Finalmente, los valores de tenacidad del acero AISI 10 45 son mayores que los reportados
por el AISI 4140. Esto se debe a que el acero AISI 4140 en su composición tiene aleantes
como el cromo y el silicio que son elementos retardantes de la transformación de la
martensita, esto provoca una fragilidad prolongada a través de los cambios ascendentes en
la temperatura de revenido (Sanz, 1962).
A pesar de que los valores de tenacidad tienen una tendencia creciente, no son regulares
al aumentar la temperatura del revenido. Este fenómeno es llamado TME (Temper
martensite embrittlement) o fragilidad al revenido, se ilustra en la Figura 31 y se puede
apreciar en la Figura 30 en los aceros AISI 1045 y AISI 4140, en la curvas que representan
la tenacidad en el intervalo de revenido entre 300 °C y 500 °C se presenta un “valle” o
una alteración en la tendencia de los demás datos este intervalo corresponde a la tercera
82
etapa del revenido caracterizada por la disolución del carbono ε y precipitación del
carbono de la martensita en cementita y esta se concentra en los borde de los granos de la
martensita original formando una película extremadamente frágil disminuyendo la
tenacidad del material (Meyers & Chawla, 2008).
Comentado [OFG4]: Cambiar unidades
~ 135
Energía absorbida (J)
~ 108
~81
~54
~27
0
~ 93
~204
~316
~427
~538
~649
Temperatura de revenido en (°C)
Figura 31. Energía liberada en ensayos de impacto tipo Izod y Charpy en función de la
temperatura de revenido. Para aceros entre 0,4 y 0,5 % C.
Adaptada de: Universidad Nacional la Plata, 2017.
Al comparar la tendencia de la fFigura 31 la cual representa la variación de la tenacidad
en función de la temperatura de revenido para aceros con contenidos de carbono entre 0,4
% y 0,5 % similar a los aceros AISI 1045 y AISI 4140 se puede apreciar que los valores
para un revenido a 200 °C están alrededor de los 27 J de tenacidad, sin embargo, los
valores medidos en el acero AISI 1045 y 4140 son de 97±30 J y 73±23 J. En el caso del
revenido a 300 °C el valor teórico encuentra cerca de los 14 J mientras que los medidos
son de 146±61 J (AISI 1045) y 64±32 J (AISI 4140). El revenido a 400 °C tiene arrojó
valor teórico de tenacidad próximo a los 41 J y el valor medido en acero AISI 1045 fue de
83
232±28 J y en AISI 4140 fue de 134±34 J. Por su parte a 500 °C se da una tenacidad
cercano 68 J mientras que el valor medido para AISI 1045 fue de 265±13 J y AISI 4140
233±27 J. Finalmente a 600 °C la tenacidad media ronda los 108 J y al ser medida en AISI
1045 dio valores de 310±11 J y 293±4 para AISI 4140.
Obsérvese que se presentaron desviaciones considerables entre los valores teóricos y los
resultados obtenidos esto pudo ser producto de variables no controlables o indirectas que
afectaron el proceso de medición y experimentación. Los resultados de estos experimentos
se ven afectado por factores como los indicados por la norma ASTM E23, por ejemplo, el
esfuerzo último del acero AISI 4140 de 670 MPa supera el 80% de la capacidad de la
máquina, por ende, las vibraciones generadas en el ensayo causaron desprendimientos de
material en la base de concreto de la máquina al absorber parte de la energía liberada en
el impacto. La norma ASTM E23 concluye que si la máquina de ensayos de impacto tipo
Charpy no cuenta con una base suficientemente rígida puede presentar tenacidades con
excesos desde 122 hasta 136 J en materiales dúctiles (ASTM international, 2016).
Considerando la microestructura de los aceros AISI 1045 y AISI 4140 mostrada en la
figuras 23 y 24 después de ser templados y revenidos a diferentes temperaturas, se puede
notar la tendencia generalizada hacia la disminución de la martensita en función del
aumento de la temperatura de revenido, este hecho conlleva a la disminución de la
fragilidad conferida por esta microestructura, por lo tanto, aumentar la temperatura de
revenido provoca un incremento la tenacidad de los aceros (Valencia, 1992).
3.4 ANÁLISIS DE LAS SUPERFICIES DE FRACTURA
Las tablas Tabla 8
84
Tabla 9 muestran el aspecto de la fractura por impacto del acero el AISI 1045 y AISI 4140
respectivamente para todas las condiciones junto con el porcentaje de falla dúctil medido
por comparación de superficie (Método 1) y medición del área de fractura plana (Método
2).
Tabla 8. Estimación del porcentaje de fractura dúctil por dos métodos de análisis de
fallas por apariencia de superficie en probetas de acero AISI 1045 en estado de entrega y
sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Estado de entrega
0%
2%
Normalizado
Apariencia de la falla
40 %
34 %
Recocido
Estado
Porcentaje de falla
dúctil
Método Método
1
2
30 %
37 %
85
Tomada de: Autores 2018.
86
Temple y Revenido a Temple y Revenido a Temple y Revenido a Temple y Revenido a Temple y Revenido a
600 °C
500 °C
400 °C
300 °C
200 °C
10 %
8%
20 %
18 %
50 %
50 %
50 %
52 %
60 %
55 %
Tabla 9. Estimación del porcentaje de fractura dúctil por dos métodos de análisis de
fallas por apariencia de superficie en probetas de acero AISI 4140 en estado de entrega y
sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Estado de entrega
0%
0%
Normalizado
0%
0%
Recocido
Apariencia de la falla
20 %
17 %
Temple y Revenido a
200 °C
Estado
Porcentaje de falla
dúctil
Método Método
1
2
10 %
8%
87
Temple y Revenido a Temple y Revenido a Temple y Revenido a Temple y Revenido a
600 °C
500 °C
400 °C
300 °C
0%
0%
20 %
17 %
50%
41 %
60%
51 %
Tomado de: Autores, 2018.
Según lo observado en la Tabla 8, Se puede afirmar que el acero AISI 1045 en estado de
entrega presentó una falla frágil con 0 %, además, la fractura dejó una superficie lisa,
según Meyers & Chawla (2008), se generó poca deformación plástica del metal adyacente
a la grieta. A su vez la probeta normalizada presentó un porcentaje de falla dúctil mayor
al estado de entrega entre 34 y 40 % y el recocido presentó un porcentaje de falla dúctil
entre 30 – 37 %.
88
Por otro lado, las probetas revenidas de acero AISI 1045 presentaron un cambio constante
en el aspecto de la falla, pasando de un porcentaje de falla dúctil en el revenido a 200 °C
con 8 %, y aumentando con la temperatura de revenido hasta el revenido a 600 °C donde
se presentó un 60 % de falla dúctil. donde se presentó el mayor porcentaje de fractura
dúctil en este material. Estos resultados evidencian que el aumento de la temperatura de
revenido favorece la tendencia del acero a una respuesta dúctil.
El aspecto de la falla y los porcentajes de falla dúctil mostrasdos en la tabla
89
Tabla 9 En el acero AISI 4140 muestran que en estado de entrega y normalizado tuvieron
el mismo porcentaje de falla dúctil mientras el recocido tuvo del 17 al 20 % en este
aspecto.
Con el aumento de la temperatura de revenido el porcentaje de falla se comportó de forma
similar al acero AISI 1045, el mayor porcentaje de ductilidad se presentó al templar y
revenir las probetas a 500 °C y 600 °C, como se ve en la
90
Tabla 9 con porcentajes entre 50 y 60 %, el porcentaje de ductilidad se podria decir va en
incremento con la temperatura de revenido, sin embargo se registra un valor por debajo
de los porcentajes que marcan la tendencia de incremento, lo que se explicaria con el
fenomeno de fragilidad causada por el revenido, a temperaturas entre 200 °C y 300 °C.
Entre los dos métodos empleados en la estimación del porcentaje de falla dúctil se presentó
una variación entre 0 y 25 %, esto se debe a que estos procedimientos están propensos a
variaciones debido a que las mediciones se hacen sobre superficies irregulares que pueden
dar cabida a errores en la toma de datos y la observación de las superficies.
Finalmente todos los datos obtenidos en los en microestructura, dureza, tenacidad y
porcentaje falla dúctil se relacionan con los tratamientos térmicos en la tabla 10.
91
Tabla 10. Estimación del porcentaje de fractura dúctil por dos métodos de análisis de
fallas por apariencia de superficie en probetas de acero AISI 1045 en estado de entrega y
sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Acero
Código
Estado
E1
N1
R1
R12
Entrega
Perlita+ferrita
Normalizado Perlita+ferrita
Recocido
Perlita+ferrita
Temple,
Martensita
Revenido
revenida
200 °C
Temple,
Martensita
513
Revenido
revenida
300 °C
Temple,
Martensita
424
Revenido
revenida
400 °C
Temple,
Martensita
341
Revenido
revenida
500 °C
Temple,
Martensita
281
Revenido
revenida
600 °C
Entrega
Perlita+ferrite
584
Normalizado Perlita+ferrite
309
Recocido
Perlita+ferrita
177
Temple,
Martensita
542
Revenido
revenida
200 °C
Temple,
Martensita
519
Revenido
revenida
300 °C
Temple,
Martensita
459
Revenido
revenida
400 °C
Temple,
Martensita
364
Revenido
revenida
500 °C
Temple,
Martensita
307
Revenido
revenida
600 °C
Tomado de: Autores,2018.
R13
1045
R14
R15
R16
E4
N4
R4
R42
R43
4140
R44
R45
R46
Microestructura
92
Dureza
(HV)
247
200
172
591
Tenacidad
(J)
54
145
160
96
% Falla
dúctil
0
40
30
10
145
20
231
50
265
50
309
60
47
63
123
72
0
0
20
10
63
0
111
20
233
50
292
60
4. CONCLUSIONES
Los resultados de la espectrometría de emisión óptica arrojaron valores que se encontraban
en los rangos permitidos por la norma para considerar los aceros tratados como AISI 1045
y AISI 4140.
Tanto en el acero AISI 1045 como en el AISI 4140 mostraron una microestructura
compuesta por granos de perlita con granos de ferrita primaria en el estado de entrega,
presentando una dureza superior a la arrojada luego de hacer los tratamientos térmicos de
recocido y normalizado, resultado atribuido al proceso previo de laminado en frío.
Los tratamientos térmicos de recocido y normalizado modificaron en términos de tamaño,
y homogeneidad los granos de ferrita y perlita. Se corroboró que tamaños menores de
grano producen mayores valores de dureza.
Los tratamientos térmicos de temple y revenido produjeron martensita en forma de tiras,
microestructura típica de aceros de medio carbono. Al aumentar la temperatura de
revenido, la martensita libera átomos de carbono y se convierten en ferrita y cementita,
provocando cambios microestructurales y por ende cambios en las propiedades mecánicas
de los aceros.
Los tratamientos térmicos modificaron la microestuctura del acero AISI 1045 y por
defecto su tenacidad mostrando un rango comprendido desde los 55±3 J valor definido
para su estado de entrega hasta un valor 310 ±11 J en la condición de templado y revenido
a 600 °C. De igual forma para el acero AISI 4140 los tratamientos térmicos tuvieron el
93
mismo efecto produciendo una tenacidad mínima en 47±11 en estado de entrega y una
máxima de 293±4 J en las probetas templadas y revenidas a 600 °C.
El comportamiento en la fractura del material cambio dependiendo del tratamiento
térmico al que fue sometido, siendo el mayor porcentaje de ductilidad aquel dado en los
aceros sometidos a altas temperaturas de revenido.
94
5. RECOMENDACIONES

Evaluar los efectos del tratamiento de Revenido sobre la microestructura y
tenacidad de los aceros, pero manteniendo la temperatura constante y variando los
tiempos de permanencia en el horno y comparar los resultados con los datos
arrojados por este trabajo.

Aplicar simulaciones con modelos computacionales que permitan predecir el
comportamiento de los materiales y permitan comparar los resultados simulados.

Realizar modificaciones a la Máquina de ensayos tipo Charpy de Laboratorio de
Materiales y procesos del programa de Ingeniería Mecánica, que faciliten un mejor
posicionamiento de las probetas a ensayar, disminuyan la energía absorbida por la
estructura y base de la máquina, y eviten el atascamiento de probetas con el fin de
mejorar la confiabilidad de los datos arrojado por este dispositivo.
95
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