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EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA MICROESTRUCTURA Y EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO AISI 1045
Edilberto Antonio Flórez Tavera1, Osmaider Javier Fuentes Vidal1, Luis Armando Espitia
Sanjuán1*
1 Grupo de investigación en ingeniería, ciencia y tecnología, programa de Ingeniería Mecánica - Universidad de Córdoba, Carrera 6 No. 76 -103 Montería - Córdoba - Colombia
*e-mail: [email protected]
RESUMEN
Muestras de acero AISI 1045 fueron tratadas térmicamente usando los tratamientos de recocido,
normalizado temple y revenido, este último a seis temperaturas diferentes. Después de los
tratamientos térmicos, las muestras fueron caracterizadas microestructuralmente usando
microscopia óptica y mediciones de dureza en escala Vickers. Se realizaron ensayos de tensión
bajo norma ASTM E 8M y de las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria
se calcularon los valores de módulo elástico, resiliencia, tenacidad, esfuerzo de fluencia, esfuerzo
último, porcentaje de elongación y porcentaje de reducción de área. En todos los casos, la
condición de estado de entrega del acero se utilizó como punto de comparación. Los resultados
mostraron que los tratamientos térmicos modificaron tanto la microestructura como las propiedades
mecánicas del acero AISI 1045. En las condiciones de estado de entrega, recocido y normalizado
se observó una microestructura constituida por ferrita y perlita. Los tratamientos térmicos de temple
y revenido produjeron martensita en forma de ripas, característica de aceros de medio carbono. El
esfuerzo último osciló entre 515 MPa y 1314 MPa, así mismo, el esfuerzo de fluencia varió en el
intervalo de 270 MPa hasta 1000 MPa. Los valores de resiliencia, tenacidad, porcentaje de
elongación y porcentaje de reducción de área oscilaron en los rangos de 0,53 - 3,90 J/mm3, 23,80 -
207,30 J/mm3, 4,40 - 24,40 % y 1,22 – 14,83 % respectivamente. Los valores de módulo elástico
no presentaron variaciones significativas presentando un valor promedio de 227 GPa.
Palabras Claves: Acero AISI 1045, Propiedades Mecánicas, Tratamiento Térmico.
1. INTRODUCCIÓN
Las aleaciones ferrosas, cuyo principal componente es el hierro, son las que más se producen y
las que tienen mayor interés como material para el diseño y la construcción en ingeniería, debido a
la buena combinación de propiedades como resistencia, tenacidad y ductilidad a costos
relativamente bajos [1]. Dentro de las aleaciones ferrosas se destacan dos categorías los aceros y
las fundiciones. Los aceros son aleaciones versátiles y de amplia aplicación en el campo de la
ingeniería. Sus propiedades mecánicas están determinadas principalmente por el contenido de
carbono y por los elementos aleantes empleados durante el proceso de fabricación, sin embargo,
es posible modificar propiedades específicas a través de tratamientos térmicos [2]. En el sentido
más amplio, los tratamientos térmicos son procesos en función de temperatura y tiempo aplicados
a metales y aleaciones con el fin de obtener propiedades mecánicas específicas a través de la
modificación de su microestructura. Estos procesos constan básicamente de tres etapas, una de
calentamiento en el cual se eleva la temperatura del material a un valor específico, un
sostenimiento en tiempo y temperatura determinado por la geometría y la composición del material,
y una etapa final de enfriamiento que en función de la microestructura deseada establece el medio
de enfriamiento que va a extraer calor [3,4]. Un ejemplo claro de una aleación ferrosa a la que se le
puede modificar sus propiedades mecánicas por tratamiento térmico es el AISI 1045. Este acero
simple al carbono cuyo porcentaje de carbono es de 0,45 %, se emplea típicamente en la
fabricación de partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad como por ejemplo, manivelas,
pernos, bulones, engranajes de baja velocidad, entre otros [5]. En este trabajo, se evaluó el efecto
de los tratamientos térmicos de recocido, normalizado, temple y revenido en la microestructura y en
las propiedades mecánicas del acero AISI 1045. La caracterización microestructural se realizó
usando microscopía óptica y mediciones de dureza en escala Vickers. Las propiedades mecánicas
se calcularon a partir de curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria obtenidas
a partir de ensayos de tensión bajo norma ASTM E8. Los resultados son presentados en función
del tratamiento térmico estableciendo relaciones entre microestructura y propiedades mecánicas.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Material
A partir de una barra de acero AISI 1045 con diámetro de 19,05 mm y longitud de 6 m se
maquinaron cilindros de 190 mm de longitud. La composición química del acero AISI 1045 medida
a partir de espectrometría de emisión óptica se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1. Composición química nominal y medida por Espectroscopia de Emisión Óptica del Acero
AISI 1045 en Estado de Entrega.
Elementos en porcentaje en peso
C Mn P S Fe
Valor
nominal 0,430 - 0,500 0,600 - 0,900 0,040 Max 0,050 Max Balance
Valor
medido 0,438 0,704 0,042 0,020 Balance
2.2. Tratamientos térmicos
Los cilindros fueron sometidos a los tratamientos térmicos de normalizado, recocido, temple y
revenido a cinco temperaturas diferentes. Todos los tratamientos térmicos se realizaron en un
horno tipo mufla con rampa de calentamiento de 60 ºC/min. La Tabla 2 muestra las temperaturas,
tiempos y medios de enfriamiento empleados en cada tratamiento térmico.
Tabla 2. Parámetros de los tratamientos térmicos realizados.
Tratamiento
térmico Nomenclatura
Temperatura de
austenización (°C)
Tiempo de
sostenimiento
(min)
Forma de
enfriamiento
Recocido R 815 60 Dentro del horno
apagado
Normalizado N 888 60 Aire libre no
forzado
Temple T 850 30
Agua a
temperatura
ambiente
Revenido Nomenclatura Temperatura de
revenido
Tiempo de
sostenimiento
(min)
Forma de
enfriamiento
1 TyR 200 °C 200 °C 60 Aire libre no
forzado
2 TyR 300 °C 300 °C 60 Aire libre no
forzado
3 TyR 400 °C 400 °C 60 Aire libre no
forzado
4 TyR 500 °C 500 °C 60 Aire libre no
forzado
5 TyR 600 °C 600 °C 60 Aire libre no
forzado
El estado de entrega del acero se utilizó como material de referencia en todos los casos.
2.3. Caracterización microestructural
Se tomaron muestras del acero en estado de entrega y una por cada tratamiento térmico y fueron
preparadas metalográficamente acorde a la norma ASTM E3 (2017) [6] utilizando lijas de papel
número ASTM 80, 120, 220, 320, 400, 600, 1000 y 1200. Posteriormente, fueron pulidas en un
paño impregnado con alúmina con tamaño de partícula de 1 µm. En todos los casos, la
microestructura del acero se reveló utilizando nital al 5 % acorde a la norma ASTM E407 (2015) [7].
La observación de la microestructura se realizó en un microscopio óptico de luz reflejada dotado
con cámara digital de 10 Megapíxeles y software de adquisición de imágenes. Las medidas de
dureza Vickers se realizaron acorde a la norma ASTM E92 (2017) [8].
2.4. Ensayo de tensión y propiedades mecánicas
Las probetas para los ensayos de tensión se maquinaron en un torno tipo CNC cumpliendo con las
dimensiones del espécimen 1 establecidas en la norma ASTM E8M (2017) [9]. Los ensayos de
tensión se realizaron en una máquina universal marca MTS C45-305 con capacidad máxima
nominal de 300 kN. En todos los ensayos se utilizó un extensómetro con resolución de 0,001 mm y
velocidad de ensayo de 0,03 mm/s. A partir de las gráficas de esfuerzo normal en función de la
deformación unitaria para todas las condiciones del acero, se calcularon las siguientes
propiedades: esfuerzo de fluencia, esfuerzo último, módulo elástico, resiliencia y tenacidad.
3. RESULTADOS Y DISCUCIÓN
3.1 Caracterización microestructural
La Figura 1, muestra la microestructura del acero AISI 1045 en las condiciones de estado de
entrega, recocido y normalizado.
a) estado de entrega b) recocido
c) Normalizado
Figura 1. Microestructura del acero AISI 1045, a) estado de entrega, b) recocido y c) normalizado.
Microscopía óptica, 1000x.
Al observar las anteriores microestructuras, es posible notar la presencia de dos fases. Acorde a la
composición del acero, la fase clara corresponde a ferrita y la fase oscura corresponde a perlita. La
ferrita y la perlita son las fases estables que presentarían los aceros simples al carbono en
condiciones ambientales. La ferrita es una solución sólida intersticial con átomos de carbono
disuelto en una estructura cúbica centrada en el cuerpo de hierro α [10]. En cambio, la perlita está
constituida por láminas intercaladas de ferrita y de cementita. Los Valores de dureza medidos en el
acero en la condición de estado de entrega registró el mayor valor de dureza con 247±4 HV,
seguido de la condición normalizado con 200±5 HV y el acero en condición de recocido mostró el
menor valor de 173±15 HV.
Por otra parte, la Figura 2 muestra la microestructura del acero AISI 1045 tratado térmicamente
mediante temple.
Figura 1. Microestructura del acero AISI 1045 templado constituida por martensita fresca o blanca.
Microscopía óptica, 1000x.
Véase que el temple produjo martensita fresca compuesta de tiras como hojas alargadas de hierba
o listones orientadas en direcciones paralelas y separadas. Esta morfología de la martensita es
característica de aceros templados con contenidos de carbono entre 0,2 y 0,6 % en peso.
La Figura 3, muestra los cambios de la martensita fresca en función de las cinco diferentes
temperaturas de revenido.
a)
b)
c)
d)
e)
Figura 3. Microestructura del acero AISI 1045 templado y revenido a diferentes temperaturas, a)
200 ºC, b) 300 ºC, c) 400 ºC, d) 500 ºC, e) 600 ºC. Microscopía óptica. 1000x.
Es posible observar que a medida que aumenta la temperatura de revenido aumentó la cantidad de
zonas claras en la microestructura del acero. 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, la microestructura
del acero revenido a 600°C presenta la mayor cantidad de ferrita y perlita entre todas las
temperaturas de revenido.
3.2 Propiedades mecánicas
La Figura 4, muestra las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria del acero
AISI 1045 obtenidas a partir de los ensayos de tensión para los tratamientos térmicos de recocido
(R), normalizado (N), temple y revenido (T y R) a las 5 temperaturas diferentes.
Figura 4. Curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para el acero AISI 1045
con diferentes tratamientos térmicos.
Véase que en términos generales las propiedades mecánicas del acero fueron fuertemente
modificadas por los tratamientos térmicos. El esfuerzo último del acero AISI 1045 en función del
tratamiento térmico oscila aproximadamente entre 500 MPa y 1400 MPa, así mismo, el esfuerzo de
fluencia varía en el intervalo de 200 MPa hasta 1200 MPa siendo el menor valor de ambas
propiedades para el tratamiento térmico de recocido y el mayor para la condición templado y
revenido a 200 ºC. Nótese también que los valores tanto de esfuerzo último y de fluencia para la
condición de templado y revenido a las 5 diferentes temperaturas son mayores que para los
estados de entrega, recocido y normalizado. Esta tendencia era la esperada porque el tratamiento
térmico de temple aumenta la resistencia mecánica del acero producto de la transformación
martensítica. Este tipo de estructura genera que el acero mejore sus propiedades mecánicas como
por ejemplo aumento de dureza, resistencia a la tracción y a la fluencia [1,11]. Vemos también para
T y R a 200 ºC hasta T y R a 500 ºC tienen un área bajo la curva menor comparada con T y R 600
ºC, R, N y EE; esto indica que la tenacidad para los primeros estados es menor que para los
segundos.
La tenacidad en un material corresponde a la medida de la capacidad de absorber energía antes
de la fractura [12]. Por lo general un material tenaz es dúctil, esta última da una medida de la
cantidad de deformación que puede soportar el material antes de su fractura [11]. En la Figura 4,
se observa que el acero AISI 1045 recocido presenta una deformación máxima aproximada de
0,375 mm/mm y un valor mínimo de 0,027 mm/mm para el estado T y R a 400 ºC. Los demás
estados tienen valores de deformación entre estos dos extremos. Se puede afirmar entonces que
el tratamiento térmico de recocido ofrece mayor capacidad de deformación que el resto de
tratamientos y por ende mayor ductilidad. Otro aspecto destacable, es que la condición de
templado y revenido a 600 ºC presentó mayor ductilidad puesto que mostró la mayor deformación
comparado con las otras temperaturas de revenido. Por otra parte, se observa que todas las
curvas poseen una misma pendiente en la zona elástica, esto indica a su vez que para tanto el
estado de entrega y para los diferentes tratamientos térmicos aplicados al material presenta el
mismo módulo elástico. Esto se debe a que en un tratamiento térmico se busca modificar
microestructura, es decir el arreglo de los átomos en el espacio, pero sin alterar el tipo de enlace
entre los átomos. Recordemos que el módulo elástico es una medida de la resistencia a la
separación de los átomos contiguos, es decir, de las fuerzas de enlace interatómicas [1]. Por
consiguiente, se puede afirmar que el módulo elástico es igual para el estado de entrega como
para los diferentes tratamientos térmicos. La resiliencia a temperaturas entre 200 ºC y 400 ºC
aumentó de 2,26 J/mm3 a 3,87 J/mm3 y luego disminuye hasta 0,841 J/mm3 a 600 ºC. En el caso
de la tenacidad se presentó un aumento considerable a temperaturas entre 400 ºC y 600 ºC a esta
última alcanza un valor máximo de 207 J/mm3.
La Tabla 3 relaciona todos los valores de las diferentes propiedades mecánicas calculadas a partir
de las curvas de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para todas las condiciones
evaluadas en este trabajo.
Tabla 3. Resumen de propiedades mecánicas del acero AISI 1045 en función del tratamiento
térmico.
Tratamiento
Térmico
Dureza
HV
Módulo
Elástico
GPa
Esfuerzo
de
Fluencia
MPa
Esfuerzo
Último
MPa
Resilienci
a
J/mm3
Tenacidad
J/mm3
Elong
ación
%
Reducc
ión de
área
%
Estado de
Entrega 247,80 215,26 520,00 666,69 0,53 172,73 22,00 14,83
Recocido 172,93 230,15 270,33 515,72 0,16 116,56 24,40 1,22
Normalizado 200,33 230,92 393,50 654,81 0,34 107,38 20,80 4,93
Temple y
Revenido
200 °C
591,67 227,65 725,00 1259,08 2,23 64,10 4,40 1,15
Temple y
Revenido
300 °C
513,67 227,86 930,00 1314,09 3,45 75,21 3,86 0,96
Temple y
Revenido
400 °C
424,33 230,53 1000,00 1176,38 3,87 23,71 6,37 1,88
Temple y
Revenido
500 °C
341,80 231,39 845,00 974,75 3,14 43,76 15,53 7,51
Temple y
Revenido
600 °C
281,67 220,43 624,00 773,82 0,84 207,29 17,66 14,11
4. CONCLUSIONES
Los tratamientos térmicos modificaron la microestructura y las propiedades mecánicas del acero
AISI 1045.
En las condiciones de estado de entrega, recocido y normalizado se observó una microestructura
constituida por ferrita y perlita. Por otro lado, los tratamientos térmicos de temple y revenido
produjeron una microestructura de martensita revenida en tiras, microestructura típica de aceros de
medio carbono sometidos a temple y revenido.
Los tratamientos térmicos de temple y revenido realizados en el acero AISI 1045 registraron un
aumento en su esfuerzo de fluencia y esfuerzo último con respecto al acero en estado de entrega.
A partir de los gráficos de esfuerzo normal en función de la deformación unitaria para todos los
estados del acero AISI 1045 se pudo observar que el esfuerzo último osciló entre 515 MPa y 1314
MPa, así mismo, el esfuerzo de fluencia varió en el intervalo de 270 MPa hasta 1000 MPa siendo
el menor valor de ambas propiedades para el tratamiento térmico de recocido y el mayor para la
condición templado y revenido a 200 ºC.
El acero templado y revenido presentó un comportamiento mayormente dúctil para temperaturas
de revenido superiores a 300 °C, adicionalmente a medida que se aumentó la temperatura de
revenido se observó una tendencia de recristalización y crecimiento de grano de martensita fresca
hacia granos de ferrita y cementita.
5. RFERENCIAS
[1]. Willian F. Smith, Javad Hashemi. Fundamentos de la Ciencia e Ingemiería de Materiales. Mc Graw Hill, Mexico D.F, 2006.
[2]. Alfredo Guemes Gordon, Nuria Martin Piris. Ciencia de materiales para Ingenieros. Pearson Educación, Madrid, 2012.
[3]. Pat L Mangonon. Ciencia de Materiales: Seleccion y Diseño. Pearson Educacion, México, 2001.
[4]. Asdrúbal Valencia Giraldo. Tecnología del tratamiento térmico de los metales.Universidad de Antioquia, Medellín, 2009.
[5]. Vásquez Torres E L, Barrera García D A.Influencia del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas en las propiedades de tensión, impacto, tenacidad de fractura y coeficiente de endurecimiento del acero (DP) AISI/SAE 1045.Universidad Libre De Colombia, Bogotá, 2013.
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[11]. Groover Mikell P. Funndamentos de Manufactura Moderno. Mc Graw Hill, Mexico D.F, 2007.
[12]. Callister Jr., William D. Ciencia e ingenieria de los materiales. Reverté S.A., New York, 1995.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo desean agradecer a la vicerrectoría de investigación y extensión por el
apoyo suministrado a este trabajo a través del proyecto de investigación número FI-05-16.