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INFLUENCIA DE DIFERENTES TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y CRIOGÉNICO EN LA
RESISTENCIA AL IMPACTO Y DUREZA DE UN ACERO AISI/SAE 5160
GILBERTO MORA GUZMÁN
CRISTIAN NIÑO MARTÍNEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTA D.C.
2018
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INFLUENCIA DE DIFERENTES TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y CRIOGÉNICO EN LA
RESISTENCIA AL IMPACTO Y DUREZA DE UN ACERO AISI/SAE 5160
GILBERTO MORA GUZMAN
CRISTIAN NIÑO MARTÍNEZ
Trabajo de grado para optar por el título de
INGENIEROS MECÁNICOS
MSC. ING CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA
DIRECTOR DE PROYECTO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTA D.C. - COLOMBIA
2018
3
Nota De Aceptación
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
____________________________________
_________________________
Firma del Tutor
_________________________
Firma del Jurado
_________________________
Firma del Jurado
4
AGRADECIMIENTOS
El desarrollo de este proyecto fue posible gracias al apoyo de las personas que
aportaron sus recursos y conocimientos, para lograr ejecutar y cumplir los objetivos
planteados. Agradecemos a nuestro tutor del proyecto, Ingeniero Carlos Arturo
Bohórquez Ávila, que nos colaboró y brindó toda la atención necesaria para solucionar
el problema planteado. Al la Facultad Tecnológica y al proyecto curricular de Ingeniería
Mecánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por darnos acceso a
todos los equipos necesarios, y la formación académica adecuada para crecer tanto
personalmente como académicamente, y por último al personal de los laboratorios que
con su atención y conocimientos nos ayudaron a cumplir la meta de este proyecto.
5
TABLA CONTENIDO
GLOSARIO………………………………………………………………………….…...……….9
RESUMEN…………………………………………………..………………………..………...10
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………...…..……...12
1. PROBLEMÁTICA……………………………………………………………....................13
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………….….……...……...13
1.2. JUSTIFICACIÓN………………...………………………….……..…....……….....14
1.3. OBJETIVOS………………………………………………………….….…………..15
1.3.1. OBJETIVO GENERAL………………………………………..……..……..………15
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………….…..………….....15
2. MARCO DE REFERENCIA……………………………………………….......................16
2.1. ANTECEDENTES…………………………………………………………………....16
2.2. ACERO AISI/SAE 5160…………………………………………..………………….25
2.3. CRIOGENIA…………………………………………...………………………..…….26
2.4. INFLUENCIA DE ALGUNOS ELEMENTOS
ALEANTES EN EL ACERO……………………………………….….…..…...……..28
2.4.1. INFLUENCIA DEL CROMO EN LOS ACEROS………….…….…………….....28
2.4.2. INFLUENCIA DEL MANGANESO EN LOS ACEROS……...…………….…….29
2.4.3. INFLUENCIA DEL SILICIO EN LOS ACEROS……….….….….......................29
3 .DESARROLLO DEL PROYECTO………………………………….….....……………….30
3.1. EQUIPOS………………………………………………………….………………..30
3.2. DIAGRAMA DE METODOLOGÍA DE TRABAJO.……………………………….39
3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DEL MATERIAL……….…..……………...…..39
3.4. ESPECTROMETRÍA………………………………………………....……………..40
3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS………..…………..……………....41
3.6. TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE……………………………..……………..42
3.7. CRIOGENIA………………………………………….…..…………………………..43
3.8. REVENIDO…………………………………………….…..………………………...44
3.8. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA
OBSERVACIÓN………………………………………..………..…………………46
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………….…………………………...46
4.1. OBSERVACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA….…………….………………46
4.2. ENSAYOS MECÁNICOS……………………………………………...................53
4.2.1. DUREZAS……………………………………………………….…………...……..53
4.2.2. MICRODUREZAS………………………………….……………..………………..56
4.2.3. PRUEBAS DE IMPACTO………………………..………………………………..58
5. CONCLUSIONES…………………………………………………….……........................62
6. RECOMENDACIONES………………………………………..…….………...…………...63
7. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………64
6
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Propiedades acero SAE5160……………………………………………………….26
Tabla 2. Composición química de un acero AISI 5160…………………………………….41
Tabla3. Distribución probetas según tratamiento térmico………………..…..……………53
Tabla 4. Datos ensayo de dureza……………………………………………………….……53
Tabla 5. Datos de las desviaciones en ensayo de dureza..............................................54
Tabla 6. Promedio de datos obtenidos en el ensayo de micro dureza……….…….…....57
Tabla 7. Datos de la prueba de impacto tipo Charpy……………………………..…….....58
Tabla 8. Datos promedio de la prueba de impacto tipo Charpy………………………….59
Tabla 9. Datos de las desviaciones en ensayo de tenacidad.........................................59
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Incremento del vínculo de niveles de energía atómica con la
Disminución de temperatura.............................................................................18
Figura 2. Micrografía de un acero como ejemplo antes y después del
tratamiento criogénico………….……………………………….……..…………..18
Figura 3. Ciclo del tratamiento térmico aplicado al AISI M2.………………….…………..19
Figura 4. Esquema de los tratamientos realizados sobre las probetas de
Impacto con cada uno de los factores y sus respectivos niveles.........….……21
Figura 5. Metalografía del acero 15-5 PH…………………………………………………...23
Figura 6. Secuencia de tratamientos térmicos acero A572……….……………..….…….24
Figura 7. Espectrómetro UV-VIS-NIR………………….…………………….…..…………..31
Figura 8. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P.…………………………….............………….32
Figura 9. Termo o Recipiente con nitrógeno líquido………………………………………..33
Figura 10. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50…………..……….34
Figura 11. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V...……….………...35
Figura 12. Microscopio AXIO OBSERVER D1M……………………………………………35
Figura 13. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV…..………….….…...37
Figura 14. Durómetro GNEHM SWISS ROCK………………………......…………..……..37
Figura 15. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2……………………………...........……….38
Figura 16. Diagrama de flujo para el estudio……………………………....……….…..…..39
Figura 17. Esquema corte probetas impacto Charpy……………………....………..……40
Figura 18 Muesca de la probeta vista en el estereoscopio……………………..…..…….40
Figura 19. Secuencia de tratamiento térmico de temple…………...................................42
Figura 20. Secuencia de tratamiento térmico de criogenia………………………………..43
Figura 21. Secuencia de tratamiento térmico de revenido en diferentes
tiempos………………………….…………..………….…………………………...44
Figura 22. Secuencia de tratamiento térmico de criogenia y revenido
en diferentes tiempos………………………….………….………………………45
Figura 23. Probetas para observación en el microscopio……………………..…………..46
Figura 24. Análisis microestructura acero AISI 5160 normalizado…………….…..…….47
8
Figura 25. Análisis microestructura acero AISI 5160 templado…………….......………..48
Figura 26. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple y revenido…….……..49
Figura 27. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple,
criogenia de 12 horas y revenido…...…......………………………….…….....50
Figura 28. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple,
criogenia de 24 horas y revenido……………….........…………………………51
Figura 29. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple,
criogenia de 48 horas y revenido……………….........…………………………52
Figura 30. Desviación estándar de los datos con proceso de criogenia........................54
Figura 31. Comparación de la dureza promedio por cada serie.....................................55
Figura 32. Variación porcentual de la dureza con respecto al
material normalizado………………………………………………………..…….56
Figura 33. Comparación de durezas entre zonas claras y oscuras……………………....57
Figura 34. Desviación estándar de los datos con proceso
de criogenia para la tenacidad........................................................................60
Figura 35. Variación porcentual de la tenacidad…………………………………………...60
Figura 36. Análisis dureza y tenacidad vs tratamiento térmico.......................................61
9
GLOSARIO
ACERO: mezcla de hierro con una cantidad de carbono que varía entre el 0,03% y el
2,14%, dependiendo de su grado.
AUSTENITA: Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la
solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto
varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima
solubilidad a la temperatura de 1130 ºC, puede obtenerse una estructura austenítica en
los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero
de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este
tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien
cementita y perlita.
FERRITA: fase más blanda y dúctil de los aceros, tiene una dureza que ronda los 95
Vickers y una resistencia a la tracción de 28kg/mm2.
CEMENTITA: Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y
93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando
una dureza de 960 Vickers.
PERLITA: Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de
cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una
resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita
está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura
laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento.
MARTENSITA: solución sólida sobresaturada de carbono, típica de los aceros
templados, tiene una dureza de alrededor de 540 Vickers.
CRIOGENIA: es el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la
temperatura de ebullición del nitrógeno (-195.7 ⁰C) o a temperaturas aún más bajas.
TEMPLE: Es un tratamiento térmico consistente en el rápido enfriamiento de la pieza
para obtener determinadas propiedades de los materiales como aumento de dureza.
REVENIDO: tratamiento térmico realizado generalmente después de un temple, tiene
como objetivo alcanzar la proporción de dureza y resistencia deseadas.
10
RESUMEN
En este documento se muestran los resultados de un estudio experimental que
busca verificar los efectos de implementar la criogenia como tratamiento térmico
combinado con el temple y el revenido en un acero AISI 5160, analizando los
cambios en la microestructura del material y en su resistencia al impacto. Se
establecen diferentes tiempos de permanencia de las probetas a temperaturas
criogénicas de 12, 24 y 48 horas para cada grupo de probetas y unos elementos de
control con temple y revenido como puntos de comparación, el temple se realiza a
760°C y el revenido a 300° .
Los resultados obtenidos indican una reducción de la dureza para las probetas con
mayor tiempo de exposición a temperaturas subcero, y una resistencia al impacto
superior que las probetas tratadas convencionalmente. Se evidencia la reducción de la
austenita retenida en las series sometidas a criogenia, pero no se encuentran
variaciones significativas en la composición granular entre sí.
Palabras clave:
Tratamiento térmico, criogenia, resistencia al impacto, dureza, austenita retenida.
11
ABSTRACT
This document shows the results of an experimental study that seeks to verify the
effects of implementing cryogenics, as a thermal treatment combined with tempering
and tempering in an AISI 5160 steel. Analyzing its changes in the microstructure of the
material and its resistance to impact. Different dwell times of the test pieces are
established at cryogenic temperatures of 12, 24 and 48 hours for each group of test
pieces and control elements with hardening and tempering as points of comparison, the
tempering is carried out at 760 ° C and the tempering at 300 °C.
The results obtained indicate a reduction in hardness for the specimens with longer
exposure times at low temperatures, and higher impact resistance than conventionally
treated specimens. The reduction of austenite retained in the series subjected to
cryogenic is evidenced, but no significant variations are found in the granular
composition among themselves.
Keywords:
Heat treatment, cryogenic, impact strength, hardness,
12
INTRODUCCIÓN
Se han adelantado múltiples investigaciones sobre el efecto que tiene someter un
acero a un tratamiento criogénico, se ha evidenciado un cambio en sus propiedades
mecánicas con respecto a dicho material sometido a un tratamiento térmico estándar.
Como lo podemos observar en el cuarto tomo de libro ASM Handbook1, el cual
denota que al someter un acero a temperaturas inferiores a -190°c se facilita la
reducción de austenita retenida realizando su transformación a martensita. Pero no se
establece un análisis comparativo con respecto a diferentes tiempos de permanencia
a dicha temperatura ni la variación en las propiedades mecánicas, generando así la
necesidad de realizar esta investigación con esta variable de control.
La austenita retenida se encuentra presente en los aceros luego de ser sometidos a
temple, afectando su desempeño pese a su alta dureza tiene poca tenacidad, la
presencia de dicho elemento aumenta la fragilidad para el trabajo en frio como lo
demuestran en la publicación del artículo “Aplicación del Tratamiento Criogénico” de la
Revista Oficial de la Cámara Nacional de la Industria del Hierro y el Acero de México:
ACERO STEEL North American Journal2, donde la aplicación de tratamientos
térmicos con enfriamiento a muy bajas temperaturas, sirve para aumentar el
rendimiento y resistencia al desgaste para herramientas.
Para este proyecto se va a realizar el análisis del comportamiento de un acero
hipoeutectoide aleado con presencia de cromo y manganeso, frente a la exposición
durante un tiempo controlado a temperaturas criogénicas, para posteriormente someter
a pruebas mecánicas de dureza e impacto que nos permite evaluar su resistencia a la
penetración y la cantidad de energía que puede absorber en una colisión, como lo es la
tenacidad bajo la norma ASTME23 para pruebas de impacto Charpy3.
1ASM International, ASM HandbookHeat Treating- volumen 4, 1991, pág 487.
2“Aplicación del Tratamiento Criogénico” de la Revista Oficial de la Cámara Nacional de la Industria del
Hierro y el Acero de México: ACERO STEELNorth American Journal de Enero – Febrero 2001. 3 American National Standard “Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic
Materials ASTME23”.Recuperado dehttp://mhriau.ac.ir/DouranPortal/Documents/ASTME23%20(impact%20test).pdf. Septiembre.2007
13
1. PROBLEMÁTICA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los requerimientos de la industria respecto a aceros con gran tenacidad, resistencia a
la fatiga y a la tracción como lo es el AISI/SAE 5160, son de gran demanda. Porque
son precisamente los más adecuados para la fabricación de resortes, por ejemplo en la
industria automotriz es muy utilizado en la producción de ballestas y muelles
helicoidales o en el área de maquinarias, se usa en cuchillas para corte en frío de
metales o herramientas para desbaste de madera, en general piezas sometidas a
desgaste4, observando los efectos en las propiedades mecánicas que han tenido la
combinación de la criogenia con los tratamientos térmicos estándar para aceros de
herramientas como ocurre con el AISI D35, que logra una mejora en la resistencias al
desgaste pasando de un 2.09% a un 0.25% de pérdida de masa en el ensayo de
desgaste con arena seca. Esto abre la oportunidad para investigar cómo se podrían
mejorar las propiedades del acero AISI 5160.
Sin embargo el estudio de dicho tratamiento térmico se ha limitado a algunas
aleaciones en especial aceros y no se ha desarrollado extensamente, generando un
amplio campo de investigación y desarrollo que permita determinar la influencia en las
propiedades mecánicas del material, al someterlos a temperaturas criogénicas durante
diferentes lapsos de tiempo.
Para esta investigación se evaluará experimentalmente la variación de la dureza y
tenacidad del material. Esto con el fin de generar información y aportes a la industria
que permita una mirada diferente a los procesos productivos.
4ASM International, ASM HandbookHeat Treating- volumen 4, 1991, pág 124.
5 Lira. Carnet, “Aplicación de la criogenia en el tratamiento térmico de aceros para trabajo en frio AISI
D3” Universidad Católica de Perú. Julio de 2009.
14
1.2. JUSTIFICACIÓN
El estudio de aceros es un tema muy frecuente en los campos de la ingeniería
mecánica y en la ciencia de los materiales, que en función de la aplicación requiere
diversas propiedades, uno de los aspectos para la selección de una material es la
tenacidad y resistencia al desgaste, una de las variables para la fabricación de
herramientas, equipos y elementos para trabajo en frio.
Este trabajo busca realizar una investigación de la variación de algunas propiedades
mecánicas para un acero con elementos aleantes como el cromo y manganeso como
lo es el AISI/SAE 5160 al ser sometido a un temple, criogenia a diferentes tiempos de
permanencia y un posterior revenido, lo cual permita contribuir en su implementación,
parametrización e innovación en el campo de los materiales, puesto que se ha
demostrado que mejora las propiedades intrínsecas del material al lograr reducir la
presencia de austenita retenida y convertirla en martencita, verificándolo a través de
pruebas mecánicas de laboratorio como pruebas de impacto Charpy y dureza, y junto a
un análisis microestructura, determinar la variación de las propiedades según el
tratamiento utilizado.
Esta investigación con fines académicos también será de gran utilidad para la industria
ya que permitirá visualizar mejores prestaciones mecánicas para sus elementos
fabricados y complementados con etapas de criogenización en sus tratamientos
térmicos convencionales.
15
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Determinar la influencia de diferentes tratamientos térmicos a temperaturas intercríticas,
combinado con un tratamiento criogénico en la resistencia al impacto y dureza de un
acero AISI/SAE 5160.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir la secuencia de tiempos y temperaturas en el acero AISI/SAE 5160 para
realizar el tratamiento térmico y criogénico.
Realizar un análisis metalográfico y micrografía electrónica de barrido de los
resultados obtenidos en el material luego de llevar a cabo los tratamientos para
observar el comportamiento del material ante los tratamientos térmicos
aplicados.
Realizar pruebas de dureza y de impacto para determinar la influencia de los
tratamientos térmicos en las propiedades del material.
16
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. ANTECEDENTES
Para el desarrollo del contexto del proyecto se buscó información relacionada de
fuentes fiables como publicaciones de distintas universidades y tesis de grado que
abordaron el tema con interesantes conclusiones, lo que nos brinda importante
información sobre los antecedentes de los tratamientos térmicos con posterior
criogenia. Los artículos más relevantes son los citados a continuación:
Efecto de tratamiento criogénico en la distribución de esfuerzos residuales para el caso del acero carburado EN353
Al. Bensely, S. Venkatesh, D. Mohan, G. Nagarajan, A. Rajadurai y K. Junik
En esta investigación realizaron una comparación entre las propiedades del acero
EN353 que presenta una composición química de 0.12-0.18C, 0.1-0.35Si, 0.6-.01Mg,
0.75-1.25Cr, 1.0-1.25Ni, 0.08-0.15Mo; al ser sometido a tratamientos térmicos
convencionales y al tener tratamiento de criogenia, para determinar a través de la
técnica de difracción de rayos X (XRD) la variación de austenita retenida en el material
entre ambos tratamientos térmicos.
Los resultados fueron contundentes y se evidencia el cambio porcentual de la austenita
retenida, en la muestra con tratamiento térmico convencional hubo 28.1%, sin embargo
la muestra con tratamiento a -80⁰C (Sub cero) tuvo un 22% y la muestra con tratamiento
criogénico a -196⁰C y tiempo de permanencia de 24 horas con posterior revenido a
150⁰C, arrojó una concentración de austenita retenida de 14.3%, es decir una
disminución aproximadamente del 50%. Al tener menor cantidad de austenita retenida
el material cambia sus propiedades mecánicas de manera importante y los esfuerzos
residuales cambian notoriamente de manera lineal con el aumento porcentual de
martensita que no fue convertida en austenita retenida gracias a la criogenia. Es
importante resaltar que la microestructura en las muestras también sufren una variación
17
en la distribución de los granos respecto a la matriz y los elementos aleantes, de ahí la
mejora en las propiedades mecánicas.6
Proceso criogénico: un estudio de los materiales a bajas temperaturas
Susheel Kalia
En este artículo realizado por en el año 2010, abordan el tema de los tratamientos a
distintos materiales con temperaturas bajo cero, manifestando que al realizar este
proceso los materiales mejoran sus propiedades físicas y propiedades mecánicas
aumentando su resistencia a la abrasión, la erosión y la corrosión, además de hacerlos
más fuertes y durables respecto al material en su estado original. Este hecho se explica
porque la criogenia refina y estabiliza la estructura cristalina y la distribución del
carbono a través del material haciendo que este sea más fuerte. El proceso de
criogenia se desarrolla a temperatura de -196 ⁰C la cual se logra con nitrógeno que al
ser presurizado se transforma en líquido y es más práctico manipularlo para ser
utilizado en el tratamiento de los materiales a esta temperatura. La interacción de los
materiales con la temperatura debe ser controlada y el factor más relevante es el
tiempo de permanencia dentro del nitrógeno líquido y el posterior aumento de
temperatura hasta volver a la del ambiente.
En un estudio realizado a través de la técnica de XRD se pudo determinar la forma en
que se vinculan los niveles de energía atómica con la disminución de la temperatura.
Una representación esquemática de esta interacción se muestra en la figura 1.
6 A. Bensely, S. Venkatesh, D. Mohan lal, G. Nagarajan, A. Rajadurai y K. Junik. «Effect of cryogenic
treatment on distribution of residual stress in case carburized EN 353 steel». Materials Science & Engineering, vol. 479, pp. 229-235, 2008.
18
Figura 1. Incremento del vínculo de niveles de energía atómica con la disminución de temperatura.
7
De forma análoga a este esquema se presenta el resultado del estudio XRD donde
tenemos la micrografía de un acero antes y después de aplicar criogenia como se
muestra en la figura 2.
Figura 2. Micrografía de un acero como ejemplo antes Y después del tratamiento criogénico.
7
El efecto del proceso de criogenia en el área metalúrgica produce un cambio en la
densidad molecular de la estructura generando unas superficies de contacto que
reducen la fricción, el calor y el desgaste lo cual es crucial para distintas partes en las
máquinas industriales. El cambio en la estructura es dado por la disminución en la
formación de austenita retenida y el aumento de ciertas propiedades en aceros según
los elementos aleantes que contenga, por ejemplo en aceros con alto contenido de
cromo como el A5083 mejora la resistencia a la abrasión y a la fatiga. También es
aplicable a soldaduras para mejorar propiedades, allí se nombra soldaduras realizadas
en un acero AISI304L en el cual el tratamiento de criogenia aumentó la resistencia a
esfuerzos de elongación y de compresión.7
7 S. Kalia, “Cryogenic processing: A study of materials at low temperatures,” J. Low Temp. Phys., vol 158,
no. 5–6, pp. 934–945, Nov. 2010.
19
Investigación de los efectos del proceso de criogenia en el desempeño al
desgaste y microestructura en materiales de ingeniería
Robert William Thornton
En esta publicación realizada en el año 2014 se realiza un estudio comparativo entre 3
grupos de materiales, y cada uno con distintos aceros que deberían cumplir la misma
función pero algunos son tratados térmicamente y los otros se mantienen en su estado
normalizado. El primer grupo es de aceros para ser sometidos a desgaste superficial,
más puntualmente para ser usados es discos para frenos de automóviles y utilizan un
acero SAE J431 G3000 que tiene una composición química de 3.3-3.55C, 1.90-2.20Si,
0.60-0.90Mn, <0.12S, <0.10P, para aplicar el tratamiento de criogenia con lo que se
pudo determinar que hubo un incremento del 50% en la difusividad térmica y lo
atribuyen al aumento en el tamaño de los granos de grafito.
El segundo grupo de estudio fue de aceros para herramientas donde llama la atención
los de herramientas de corte, que independientemente si era para uso en madera,
polímeros, aleaciones ligeras, o aceros, todos tienen en común 4 categorías que
definen su capacidad para el trabajo: dureza, fuerza, resistencia al desgaste y la
estabilidad térmica. Aquí toman como ejemplo una herramienta de carburo de
tungsteno cementado para cortar acero AISI 1045, la cual después del tratamiento
aumentó en un 66% la velocidad de corte, de 150m/min a 240m/min, manteniendo su
estabilidad térmica y mejorando la resistencia al desgaste.
El tercer grupo de estudio fue un tratamiento con calentamiento y enfriamiento
alternado para determinar si una herramienta de corte rápido HHS podía ser usada sin
necesidad de aceite refrigerante una vez tratada, como ejemplo usaron un acero AISI
M2 obteniendo incrementos de vida útil de la herramienta de 12.5%, 44% y 21% a
medida que se aumentaba los intercambios de caliente a frío del tratamiento. Una
gráfica del proceso se presenta en la figura 3.
20
Figura 3. Ciclo del tratamiento térmico aplicado al AISI M2.8
En todos los casos se atribuye la mejora de las propiedades mecánicas a que el
tratamiento de criogenia mejora la microestructura al distribuir de mejor manera el
carbono y los respectivos elementos aleantes que tenga el material, para determinar
cómo ocurre la transformación de estructura utilizan la observación por técnicas de
SEM y XRD8.
Comparación de la tenacidad de fractura y la rata de crecimiento de grietas por fatiga, para el acero AISI SAE 5160H, entre la condición de bonificado tradicional y la de bonificado incluyendo temperaturas bajo cero
Juan David Granados
En esta tesis elaborada en el año 2016 en la Universidad Nacional de Colombia, se
realizó un análisis de la forma en que afectan distintos tratamientos térmicos con
distintas temperaturas y distintos tiempos de permanencia del material en contacto con
el ambiente térmico, respecto a la resistencia del material en pruebas de fatiga y de
tenacidad de fractura.
8 R. W. Thornton, “Investigating the effects of cryogenic processing on the wear performance and
microstructure of engineering materials”, Thesis, University of Sheffield, 2014.
21
En el desarrollo experimental se realizó un temple convencional con revenido para
posteriormente realizar enfriamiento con temperaturas bajo cero en 2 niveles y luego
nuevamente hacer revenido también en dos niveles para determinar cuáles condiciones
favorecen más al material en su resistencia al impacto. El esquema de los tratamientos
realizados se muestra en la figura 4.
Figura 4. Esquema de los tratamientos realizados sobre las probetas de impacto con cada uno de los factores y sus respectivos niveles.
9
Con los datos obtenidos se realizó un análisis matemático a través del cálculo de una
integral J como un parámetro elasto-plástico está descrito en la norma ASTM E-1820.
Para el caso del ensayo de fatiga los datos obtenidos se tabularon y utilizando métodos
de estadística se encontró el crecimiento de la longitud de la grieta en función del
número de ciclos de carga y la carga aplicada. La medición de la velocidad de
crecimiento de grietas por fatiga se realizó a partir del registro de crecimiento de la
9 Granados Juan ,“Comparación de la tenacidad de fractura y la rata de crecimiento de grietas por fatiga,
para el acero AISI SAE 5160H, entre la condición de bonificado tradicional y la de bonificado incluyendo temperaturas bajo cero.”, Universidad Nacional de Colombia, Facultad Ingeniería. 2016.
22
grieta por medios ópticos (fotografías), y la posterior medición del tamaño de la grieta
se hizo con ayuda del software “Image J”, de acuerdo con los requerimientos
enunciados en la norma ASTM E64.
Adicional a estas pruebas se realizó un análisis de la microestructura con apoyo de
estudios SEM donde se evidencia un aumento porcentual de la matriz de martensita
respecto a las muestras sin tratar, posiblemente por la transformación de austenita en
martensita. Como resultados finales se pudo decir que La temperatura de revenido
inmediatamente posterior al temple tiene una influencia en la energía de impacto para el
acero de prueba, y respecto a los tratamientos con temperaturas bajo cero, es posible
concluir que el tratamiento criogénico profundo a -195°C tiene mayor efecto en el
comportamiento de la tenacidad de fractura y la velocidad de crecimiento de grietas por
fatiga que someter al material de prueba a un tratamiento subcero de -90°C.
Pasado y futuro de la criogenización de los materiales
José Calaf Chica
En este artículo de de la universidad de Burgos del año 2016 se describe la evolución
de la técnica de criogenia aplicada en materiales para alterar sus propiedades
mecánicas teniendo como evento de uso masivo de este método durante la segunda
guerra mundial sobre todo tipo de componentes de maquinaria y vehículos para mejorar
su resistencia al desgaste, pero fue hasta la década de los 80 cuando el doctor Randall
Barron condujo una serie de proyectos de investigación centrados en los aceros
herramienta donde corroboró una mejora espectacular (718%) de la resistencia al
desgaste de los aceros AISI D2 sometidos a tratamientos criogénicos.
En este artículo hacen mención del tratamiento realizado a un acero 15-5 PH A nivel
metalográfico, este acero muestra distinta morfología a lo largo de los tratamientos
térmicos a los que es sometido. Durante la solubilización, se produce la
homogenización de una matriz con una única fase de austenita con granos de un
tamaño aproximado de 20 µm. Tras el temple, la brusca bajada de temperatura
transforma la gran mayoría de la austenita en una matriz de cintas de martensita, como
se observa en la figura 7, con la presencia de pequeñas zonas de austenita retenida.
23
Figura 5. Metalografía del acero 15-5 PH donde se observan las cintas de martensita.
10
Una vez expuesto el proceso de criogenización y la caracterización microestructural del
acero 15-5 PH, queda atisbar si existe la posibilidad de que este tratamiento sea
aplicable y genere cambios en la capacidad mecánica de este material. Queda claro
que dos son los factores clave del tratamiento de criogenización profunda: la
transformación de la austenita retenida en martensita y el afinamiento y aumento de
carburos precipitados durante el envejecido. En el caso del acero 15-5 PH, hay una
pequeña proporción de austenita retenida que será transformada en martensita durante
el enfriamiento, pero teniendo en cuenta que la concentración de dicha austenita es
mínima para este material, no generaría mejoras apreciables a menos que se haga un
tratamiento de envejecido. La precipitación de carburos durante el este tratamiento, el
aumento de su número y reducción de tamaño se debe a las alteraciones que sufre la
red cristalina de la martensita durante el proceso de criogenización. Como conclusión
de este ensayo es que la aplicación del tratamiento de criogenización profunda con
nitrógeno líquido afecta a la resistencia al desgaste del acero.10
Efecto del tratamiento criogénico en la resistencia al impacto y la microestructura de un acero A572
Dilan Loaiza Tapiero y Freddy Ruiz Murillo
En esta tesis realizada en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, hicieron un
estudio experimental a unas probetas de acero A 572, con el cual se buscó establecer
10
Calaf Chica José “PASADO Y FUTURO DE LA CRIOGENIZACIÓN DE LOS MATERIALES” Universidad de Burgos, diciembre 2016.
24
la influencia de los tratamientos térmicos de temple, criogenia y revenido sobre la
resistencia al impacto y la microestructura del material.
Durante las fases del estudio utilizaron 5 grupos de muestras donde contemplaron para
los que llevaban tratamientos de criogenia, tiempos de permanencia de 12 y 24 horas
para hacer un comparativo del cambio de las propiedades según el tiempo a bajas
temperaturas como se observa en la figura 8.
Figura 6. Secuencia de tratamientos térmicos.11
Como resultado se obtuvo que en la microestructura de la probeta con criogenia a 24
horas tuvo unos gránulos de martensita más finos que la martensita de la probeta con
criogenia a 12 horas. Esto fue determinado por medio de pruebas metalográficas, pero
no se evidenció una diferencia significativa de energía absorbida por el acero A572 con
la secuencia de tratamientos de criogenia. La dureza del material aumentó
proporcionalmente a medida que el material estuvo más tiempo a temperaturas de
criogenia, esta dureza fue mayor al del material base, pero inferior a la obtenida a la
dureza del material templado.11
11
Loaiza. Dilan, Ruiz Freddy. “Efecto del tratamiento criogénico en la resistencia al impacto y la microestructura de un acero A572” Universidad Distrital, Facultad Tecnológica , 2017.
25
2.2 ACERO AISI/SAE 5160
El acero es una aleación hierro carbono, donde el porcentaje de carbono varía entre
0,03% y el 2,14%. La variación de este porcentaje provee de ciertas características y
propiedades al material, de tal forma que existe gran variedad de aplicaciones a la
cuales se puede someter. Este es el caso de los aceros utilizados en la construcción de
estructuras o también conocidos como aceros estructurales, estos materiales tiene una
composición de hierro del 98% y contenido de carbono inferior al 1%, que combinados
con otros elementos proporcionan una alta resistencia mecánica.12
El acero AISI/SAE 5160 Es un acero aleado al cromo para temple de alta dureza y
mediana templabilidad caracterizado por su gran tenacidad, alta resistencia a la fatiga y
a la tracción debido a sus componentes elevados de carbono, cromo y manganeso.
Utilizado en la industria automotriz en la fabricación de muelles helicoidales, ballestas
para automóvil y ferrocarril, árboles de transmisión, barras de torsión, cuchillas para
corte en frío de metal, placas de presión para piezas de extrusión, cinceles, bielas,
rotores de turbinas, piezas sometidas al desgaste.
En la tabla 1 se ilustran tanto la composición química como las propiedades mecánicas
del acero SAE5160.
12
Daniel Domínguez Alonso Y Alejandro Gómez Moreno,” Caracterización microestructural de un acero de bajo carbono y contenido de manganeso cercanos al 1.5%, templado a temperaturas intercríticas y revenido” Universidad Distrital, Facultad Tecnológica, 2017.
26
Tabla 1. Propiedades acero SAE5160. Fuente: Reydin S.A.S13
2.3. CRIOGENIA
Es un tratamiento térmico en el que un material se somete en alguna fase a
temperaturas criogénicas. Un enfriamiento típico puede llegar a marcar hasta 200ºC
bajo cero en el termómetro –la temperatura de condensación del nitrógeno-, la pieza se
deja a dicha temperatura generalmente durante periodos prolongados de tiempo y se
vuelve a calentar gradualmente hasta la temperatura ambiente; normalmente el proceso
se complementa con revenidos.
El efecto de la baja temperatura sostenida puede llevar al material a sufrir
transformaciones en su microestructura debido a cambios de fase que sufre el material
en su proceso de transformación. Se sabe que produce transformación de austenita en
martensita en los aceros, precipita carburos finos y las tensiones residuales disminuyen,
13
Reydin S.A.S. Aceros para temple y revenido: SAE 5160. [en línea] http://reydin.com.co/aceros-sae-5160/
27
lo cual se traduce en cambios en propiedades mecánicas como la dureza, desgaste,
resistencia a fatiga, tenacidad, conductividad.
Existen varias teorías acerca de las transformaciones de fase que ocurren en los
metales, pero fundamentalmente ocurren dos: la transformación completa o la mayor
cantidad posible de austenita retenida a martensita y la otra transformación generada
en el material a causa de la precipitación de ETA-carburos que causan el
fortalecimiento de la pieza a niveles microscópicos. Se puede afirmar que el tratamiento
criogénico es un tratamiento de prolongación al temple en los aceros puesto que se
trata de un calentamiento en el que la austenita se transforma en martensita, una fase
más dura y resistente del acero. Sin embargo, durante los tratamientos queda austenita
sin transformar. En este caso, el tratamiento criogénico permitiría continuar con la
transformación y disminuir el porcentaje de austenita retenida, transformándola en
martensita.
El resultado de las investigaciones realizadas acerca de los tratamientos criogénicos se
ha podido demostrar que, a temperaturas criogénicas, se produce en los aceros una
precipitación de carburos, como estos precipitados se encuentran dispersos en la
superficie del material, hacen que la estructura del material sea resistente14. Sin
embargo, la transformación producida por la criogenia no explica a veces el
comportamiento de ciertos materiales. La teoría más acertada acerca del efecto de la
criogenia en los materiales es la reducción de tensiones y defectos a nivel cristalino,
pero hasta hoy, no se ha llegado a nada concluyente.15
Los tratamientos criogénicos no son tratamientos superficiales y, por consiguiente, los
elementos tratados pueden ser mecanizados o rectificados sin perdida. También, el
material tratado criogénicamente puede ser compatible con la mayoría de tratamientos
superficiales. El uso de la tecnología criogénica es limitado, sin embargo, el uso en la
ciencia de los materiales tiene un potencial grande, pues con la mejora de propiedades
con la criogenización, las industrias beneficiadas serian la de herramientas,
14
J. Huang, Y. Zhu, X. Liao, I. Beyerlin, M. Bourke y T. Mitchell, «Microstructure of cryogenic treated M2 tool Steel,» Materials Science and Design, vol. A339, pp. 241- 244, 2003. 15
L. A. Álava, «Tratamiento de materiales a temperaturas criogénicas: Evolución y aplicaciones,» Junio 2007. [En línea]. Disponible: https://researchgate.net/publication/237767160.
28
automotrices, minería, aeroespacial, etc. En efecto, puede ser de ayuda para obtener
piezas mejoradas sin necesidad de llevarlas a un tratamiento térmico convencional.16
El tratamiento criogénico es un tratamiento superficial, puesto que afecta a todo el
volumen del material. Por lo tanto, solo se realiza el tratamiento del material una vez,
frecuentemente como complemento del tratamiento de temple y seguido de revenidos.
El elemento tratado bajo la criogenia puede ser afilado o modificado cuantas veces se
desee sin tener una pérdida significativa en sus propiedades mecánicas. El tratamiento
Criogénico ofrece ventajas en los materiales que se trata ya que son compatibles con
los recubrimientos anti desgaste habituales en la industria. Y también son tratamientos
que son amigables con el medio ambiente, de modo que el nitrógeno líquido proviene
de la atmosfera terrestre, y su consumo eléctrico es muy mínimo. Los tratamientos
criogénicos se aplican a herramientas de corte o manuales a los que se desea
prolongar su vida útil reduciendo el desgaste, también se aplica a rodamientos,
engranajes, motores, transmisiones. E incluso cables, mejorando su conductividad.
2.4 INFLUENCIA DE ALGUNOS ELEMENTOS ALEANTES EN EL ACERO
2.4.1 INFLUENCIA DEL CROMO EN LOS ACEROS
Es generalmente adicionado en los aceros para incrementar la resistencia a la corrosión
y oxidación, para incrementar la templabilidad, para mejorar la resistencia a altas
temperaturas, o para mejorar la resistencia a la abrasión en aceros de alto carbono. El
cromo es un fuerte formador de carburos complejos (cromo-hierro) entran a la solución
en austenita lentamente, por lo tanto, un suficiente aumento de calor antes del revenido
es necesario. El cromo puede ser usado como un elemento de templabilidad, y es
frecuentemente usado con elementos tenaces como el níquel para producir
propiedades mecánicas superiores. En altas temperaturas, el cromo contribuye
16
L. Á. Álava, «Tratamiento criogenico profundo,» [En línea]. Disponible: , https://es.slideshare.net/elvisjhoanherreramelchor/tratamiento-criognico.
29
incrementando la resistencia es normalmente usado para aplicaciones de esta
naturaleza en conjunción con molibdeno.17
2.4.2 INFLUENCIA DEL MANGANESO EN LOS ACEROS
Tiene la menor tendencia hacia la macro segregación que cualquier otro de los
elementos comunes. Aceros por debajo del 0.60% Mn no pueden ser fácilmente
rimados. El manganeso es benéfico para la calidad de la superficie en todos los rangos
de carbono (a excepción de los aceros rimados extremadamente bajos en carbono) y
es particularmente beneficioso en aceros resulfurados. Esto contribuye en dureza y
resistencia, pero a un menor grado que el carbono, la cantidad del incremento es
dependiente del contenido de carbono, incrementando el contenido de manganeso
decrece la ductilidad y soldabilidad, pero en menor proporción que con el carbono. El
manganeso tiene un efecto fuerte sobre el incremento de la templabilidad el material.
2.4.3. INFLUENCIA DEL SILICIO EN LOS ACEROS
Es uno de los principales desoxidantes usados en la elaboración de acero, por eso la
cantidad de silicio presente está relacionada con el tipo de acero. Aceros Rimados y
cubiertos (capped) contienen cantidades no significativas de silicio. Aceros semimuertos
pueden contener cantidades moderadas de silicio, además hay un límite definido de
cantidad máxima tolerada en estos aceros. Aceros muertos al carbono pueden contener
cualquier cantidad de silicio hasta 0.6% Si como máximo. El silicio es en tanto menos
efectivo que el manganeso en el incremento de dureza y resistencia en laminados. El
silicio tiene solo una suave tendencia a la segregación. En aceros de bajo carbono el
silicio usualmente es dañino para la calidad de la superficie, y esta condición es más
pronunciada en grados de bajo carbono resulfurizado.17
17
Cristhian Camilo Cortés Molano, Efectos de los elementos aleantes en los aceros, febrero de 2016,[en línea] Disponible en : http://www.academia.edu/22723813/Efectos_de_los_elementos_aleantes_en_los_aceros
30
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
Para el desarrollo de este proyecto se emplearon múltiples herramientas y equipos,
especialmente durante la preparación de las probetas para los análisis metalográficos,
como para el análisis respectivos; la mufla para el temple y revenido, la encapsuladora,
la pulidora metalográfica, se realizan varias operaciones manualmente como la
adecuación o desbaste inicial superficial previo al lapeado o brillo espejo;
adicionalmente se requirió el servicio de un recipiente o termo con nitrógeno líquido
para realizar la criogenización.
Para el análisis químico del material previo la fabricación de las probetas se emplea
espectrómetro con el cual obtenemos la composición más detallada, un microscopio
óptico para poder observar y capturar una imagen de microestructura del material,
también fue necesaria una práctica de observación en microscopio electrónico de
barrido SEM, para poder ver más detalladamente las fases presentes en el material
tratado. Para realizar el estudio de durezas y el perfil de durezas del material base y el
material con tratamiento se hizo uso de un durómetro Rockwell y microdurómetro.
3.1. EQUIPOS
Para poder llevar a cabo esta investigación fueron necesarios diferentes equipos y
herramientas, con las cuales se les dieron acabados finales a las muestras, necesarios
para poder realizar la observación, también pruebas fundamentales para la obtención
de datos y su posterior análisis.
Espectrómetro UV-VIS-NIR
El principio de funcionamiento del espectrómetro producir líneas espectrales y medir
sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia
variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo
lejano. Si la región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible. es
un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una
porción específica del espectro electromagnético. Su utilidad es realizar análisis
31
espectroscópicos para identificar materiales. La variable medida es generalmente la
intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización.18
El servicio que presta un laboratorio de espectrofotometría es la entrega de archivos
que pueden ser abiertos por programas de datos en que se grafica la intensidad
absorbida, transmitida o refractada de una muestra en función de su longitud de onda,
esta da información al usuario (analista) sobre los tipos de enlace que existen en las
moléculas y con ello determinar el compuesto que es. Además, proporciona información
cuantitativa de la muestra, espesor de película y parámetros ópticos. Generando un
análisis comparativo en función de las cantidad de muestras o ensayos tomados por el
equipo.19
Figura 7. Espectrómetro UV-VIS-NIR. Fuente: Universidad Nacional de Colombia-Laboratorio de física-Bogotá.
19
Mufla eléctrica LABTECH/LEF-POLADA
Es un horno de resistencias eléctricas diseñado para alcanzar hasta 1200°C lo cual le
permite realizar variedad de aplicaciones dentro de un laboratorio y pueden realizar
trabajos como: procesos de control, tratamientos térmicos y secado de precipitados.
Cuenta con hornos pequeños con resistencias calefactoras ocultas. Está equipada con
un control digital que se encarga de regular la temperatura de la cámara interna
compuesta principalmente por compuestos cerámicos capaces de soportal la
temperatura de trabajo del equipo. Adicionalmente cuenta con un Interruptor en la
18
ESPECTROMETRÍA. Espectroscopia UV/VIS - Aplicaciones y principios. [en línea]. http://www.espectrometria.com/espectrmetros 19
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Espectrómetro UV-VIS-NIR Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia. [en línea]. http://ciencias.bogota.unal.edu.co/departamentos/fisica/servicios-de-extension/laboratorios-y-taller/espectrofotometria
32
puerta que se encarga de cortar el suministro eléctrico para minimizar la exposición a
altas temperaturas y el consumo innecesario de energía eléctrica, esta función además
previene el daño prematuro de los elementos calefactores.20
Figura 8. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.
20
Termo o recipiente con nitrógeno líquido
Estos recipientes están fabricado con material aislante que maximiza la retención de
refrigerante es capaz de almacenas nitrógeno líquido que se mantienen a una tempera
cercana -195°C, requiere un manejo con personal calificado ya que el contacto con
en este líquido puede generar afectaciones físicas, este servicio criogenización es
brindado por Implementos Ganaderos S.A que lo emplean para el manejo de muestras
biológica.
20
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Facultad Tecnológica, Bogotá Colombia. [en línea]. http://www1.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica.
33
Figura 9. Termo o Recipiente con nitrógeno líquido. Fuente: Implementos Ganaderos. Recipiente de almacenamiento nitrógeno liquido.
Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50.
Este equipo tiene general el encapsulado de resina según la norma ASTM E3-
121Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens. Que estable
dimensiones y características del encapsulado Metkon Ecopress 50 con un
funcionamiento completamente automático con controles de microprocesador, con el
medidor de presión de lectura directa, presión de moldeo hasta 300 bar, temperatura de
hasta 200 º C, el tiempo de operación hasta 59:99 minutos, tiempo de ciclo corto, la
energía térmica de temperatura controlada del ciclo de enfriamiento 1250W,
automático, seleccionable a tamaños de moldes de 25 mm a 50 mm.20
21
Norma ASTM E3-1 Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens.año 2008.
34
Figura 10. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50.. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación
de probetas metalográficas.20
Sistema esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V.
Posee dos discos giratorios que hace mover la muestra, controlado por un
microprocesador. Estos discos pueden usarse con velocidades de rotación variable
indicada en su pantalla digital. Esto permite el ajuste de la velocidad adecuada para
cada proceso de preparación dependiendo de los requerimientos del material. Las
ruedas están montadas sobre cojinetes de bolas que permite la aplicación cargas
axiles. Sus instrumentos pueden ser utilizados para la molienda, lapeado y pulido con
discos magnéticos y respaldados con paños y por intercambio rápido.20
35
Figura 11. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas
metalográficas.20
Microscopio AXIO OBSERVER D1M
El equipo AXIO OBSERVER D1M es un microscopio metalográfico invertido que
permite efectuar el control de superficie y análisis óptico de metales. El objeto por
estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a
la luz. Actualmente cuenta con 5 diferente lentes que permiten el aumentos en 50x,
100x, 200x, 500 y 1000x. 20
Cuenta con la interfaz grafica que digitaliza la imagen registrada por el microscopio
facilitando du posterior análisis.
Figura 12. Microscopio AXIO OBSERVER D1M. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de metalografía.
20
36
Microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6490LV
El JSM-6490LV es un microscopio electrónico de barrido versátil y de alta resolución de
3.0 nm en el modo de alto vacío y 4.0 nm en el modo de bajo vacío. El modo de bajo
vacío permite la observación y análisis de muestras no conductivas, húmedas o no
compatibles con el alto vacío. La óptica electrónica permite magnificaciones desde 5X
hasta 300.000X, facilitando la búsqueda y observación de las áreas de interés. Se
pueden introducir muestras de hasta 70 mm (altura máxima).
El microscopio tiene acoplados cuatro detectores:
Detector de electrones secundarios tipo E-T (Everhart-Thornley): la señal
producida se forma a partir de una delgada capa superficial de la muestra
(cientos de nanómetros) y con una energía inferior a 50 eV. Debido a la baja
energía de estos electrones, en su trayectoria hacia el exterior de la muestra van
perdiendo energía por diferentes interacciones, por tal razón, sólo los que están
muy próximos a la superficie tienen cierta probabilidad de salir del material y
llegar al detector, dando una imagen en relieve o tridimensional.
Detector de electrones retrodispersados de estado sólido multielementos: debido
a que la emisión de estos electrones es causada por choques de tipo elástico,
con energía equivalente a la de los electrones incidentes (mayor de 50eV),
depende fuertemente del número atómico (Z) de la muestra. Esto implica que
dos zonas de la muestra con composición heterogénea se manifiestan con
distinta intensidad; aunque no haya ninguna diferencia de topografía entre ellas.
A mayor Z mayor intensidad. Las zonas con menor Z se verán más oscuras.
Detector de espectroscopia por dispersión de energía de rayos X (EDS): Cuando
el haz de electrones incide sobre la superficie de la muestra, se produce la
ionización (pérdida de electrones internos) de los átomos presentes. En este
estado un electrón de una capa más externa salta a ocupar el hueco originado.
Este salto produce una liberación de energía, equivalente a la diferencia entre las
energías que tenía cada electrón en su orbital correspondiente. Esta energía de
rayos X es única para cada elemento. Al representar la intensidad de esta
radiación electromagnética frente a su energía, se adquiere un espectro de rayos
X, compuesto por una serie de picos, denominados líneas de intensidad variable,
que se conocen como rayos X característicos.
Detector de electrones secundarios para observaciones en el modo de bajo
vacío.22
22
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Centros de Microscopía, microscopio electrónico de barrido. Vicerrectoría de Investigaciones. Disponible en: https://investigaciones.uniandes.edu.co/es/microscopio-electronico-de-barrido-jeol-jsm-6490lv
37
Figura 13. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV. Fuente: Universidad de los Andes- Centro De Microscopía Laboratorio B-101.
22
Durómetro GNEHM SWISS ROCK.
El durómetro GNEHM Swiss Rock determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de
materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma semiautomático y se
puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador
normalizado para el rango de dureza adecuado para dicho material, que produce una
huella sobre el material. En función de la profundidad y morfología de la muesca, se
obtendrá la dureza del material.20
Figura 14. Durómetro GNEHM SWISS ROCK. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de metalografía.
20
38
.
Microdurómetro SHIMADZU HMV-2.
El equipo SHIMADZU HMV-2 es un microdurómetro que permite la medición de durezas
en escala Vickers y el equivalente en la escala HRC si se encuentra en el rango
adecuado. Aplica la carga en zonas muy pequeñas de muestras metálicas. El equipo
genera una deformación plástica en una región de la muestra a analizar la deformación
generada es proporcional a la dureza del material.34
Figura 15. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2. Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de metalografía.
20
3.2. DIAGRAMA DE METODOLOGÍA DE TRABAJO
A continuación en la figura 16, se presenta un diagrama de flujo de cada uno de los
paso a realizar para el desarrollo de esta investigación.
39
Figura 16. Diagrama de flujo para el estudio. Fuente: autores.
3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN DEL MATERIAL
Para el desarrollo de este proyecto se seleccionó el acero AISI 5160, por su amplia
aplicación en la industria y la presencia de elementos aleantes como cromo y
manganeso; el cual se obtuvo gracias al aporte del material por la compañía IMAL S.A.
Nos proporcionaron platina de 4” por ½”, la cual se cortó sierra sinfín para metales con
refrigeración continua para garantizar que no hubiera sobrecalentamiento del acero,
que pudiera alterar las caracterizas del material, como puede ocurrir con una cortadora
abrasiva no refrigerada. Las probetas fueron cortas con lo indica la figura conforme a
la norma ASTM 23 que establece los parámetros para las pruebas de impacto
Charpy.23
23
ASTM 23 - 07ª Standard Test MethodsforNotched Bar ImpactTesting of MetallicMaterials, septiembre
2007.
40
Figura 17. Esquema corte probetas impacto Charpy. Fuente: Juan David Granados “comparación de la tenacidad y fractura grietas por fatiga” .
9
Figura 18. Muesca de la probeta vista en el estereoscópio. Fuente: Autores
3.4. ESPECTROMETRÍA
Para poder determinar las temperaturas intercríticas, para sus posteriores tratamientos
térmicos temple y revenido, se realizó una espectrometría en los laboratorios de física
en la Universidad Nacional de Colombia, esto con el fin de conocer la composición
química del material y poder realizar dichos cálculos.
41
A continuación, se presenta en la tabla 2, los resultados de la espectrometría realizada
a un acero AISI 5160.
Tabla 2. Composición química de un acero AISI 5160. Fuente: autores.
3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS
Para obtener las temperaturas para el temple del material, es necesario primero
realizar el cálculo para obtener el valor de las temperaturas criticas AC1 y AC3, ya que
se debe garantizar trabajar dentro de ese rango y siempre por debajo de AC3, para ello
se usan las ecuaciones 1, 224 y los datos obtenidos en la espectrometría realizada al
acero, como sigue:
𝐴𝑐1 °𝐶 = 723 − 7.08 𝑀𝑛 + 37.7 𝑆𝑖 + 18.1 𝐶𝑟 + 44.2 𝑀𝑜 + 8.95 𝑁𝑖 + 50.1 𝑉 +
21.7 𝐴𝑙 + 3.18 𝑊 + 297 𝑆 − 830 𝑁 − 11.5 𝐶 ∗ 𝑆𝑖 − 14.0 𝑀𝑛 ∗ 𝑆𝑖 − 3.10 𝑆𝑖 ∗ 𝐶𝑟 −
57.9 𝐶 ∗ 𝑀𝑜 − 15.5 𝑀𝑛 ∗ 𝑀𝑜 − 5.28 𝐶 ∗ 𝑁𝑖 − 6.0 𝑀𝑛 ∗ 𝑁𝑖 + 6.77 𝑆𝑖 ∗ 𝑁𝑖 − 0.80 𝐶𝑟 ∗
𝑁𝑖 – 27.4 𝐶 ∗ 𝑉 + 30.8 𝑀𝑜 ∗ 𝑉 − 0.84 𝐶𝑟2 – 3.46 𝑀𝑜2 – 0.46 𝑁𝑖2 − 28 𝑉2(1)
𝐴𝑐3 °𝐶 =
912 − 203 %𝐶 + 15.2 %𝑁𝑖 + 44.7 %𝑆𝑖 + 104 %𝑉 + 31.5 %𝑀𝑜 +
13.1 %𝑊 − 30 %𝑀𝑛 − 11 %𝐶𝑟 − 20 %𝐶𝑢 + 700 %𝑃 + 400 %𝐴𝑙 +
120 %𝐴𝑠 + 400(%𝑇𝑖)(2)
Las temperaturas calculadas con las ecuaciones 1 y 2 se muestran a continuación.
24
BOHÓRQUEZ, Carlos A. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045. Bogotá, Colombia: Universidad Distrital Francisco José de Caldas, sede tecnológica. Noviembre 2012.
42
Temperatura critica del Acero AISI 5160
AC1 AC3
719,2 °C 785,7 °C
Según la literatura como lo podemos encontrar en el libro ASM Handbook en el cuarto
tomo los valores obtenidos son los siguientes.25
AC1 AC3
721,5 °C±11,5 765,5 °C±16,5
3.6. TRATAMIENTO TÉRMICO TEMPLE
Ya calculadas las temperaturas intercríticas y comparar los valores teórico y los de
tablas, se realiza el tratamiento térmico de 760°C inferior a AC3, durante un tiempo
estimado de 20 minutos. A continuación, se presenta un esquema básico de la
secuencia del tratamiento térmico de temple en el acero AISI 5160.
Figura 19. Secuencia de tratamiento térmico temple a un acero AISI 5160. Fuente: autores.
25
ASM International, ASM HandbookHeatTreating- volumen 4, 1991, pág 106.
43
3.1. CRIOGENIA
Una vez las probetas están a temperatura ambiente se procede a sumergirlas en un
termo con nitrógeno líquido para continuar el enfriamiento hasta llegar a una
temperatura de -195°C en donde se mantuvieron durante tiempos controlados
separadas en tres grupos, el primero con un tiempo de permanencia de 12 horas, el
segundo grupo estuvo durante 24 horas y el tercero durante 48 horas.
Figura 20. Secuencia de tratamiento térmico de criogenia a un acero AISI 5160. Fuente: autores.
3.2. REVENIDO
Luego del tratamiento de temple y criogenia, se debe complementar con el revenido y
para esto es necesario realizar el cálculo de Ms o temperatura de transformación
martensítica, para lo cual usamos la fórmula de Sverdlin-Ness, como se aprecia en la
ecuación 3.26 Se procede de la misma forma en la que se obtuvo los datos de las
temperaturas intercríticas y se remplazan los valores de la composición química del
material:
𝑀𝑠 °𝐶 = 520 − 320(%𝐶) − 50(%𝑀𝑛) − 30(%𝐶𝑟) − 20 %𝑁𝑖 + %𝑀𝑜 − 5(%𝐶𝑢 +
%𝑆𝑖)(3)
26
GORNI, Antonio Augusto. Steel forming and heat-treating handbook. Sao Vicente, Brasil. Enero. 2017. [en línea]. http://www.datasheets.tips/images/server01/27022017/6/7acaa5946d1571c9a6f41fb1e450bb62.pdf
44
Donde:
𝑀𝑠 = 309.33 °𝐶 ± 25
Tal y como se denota en un estudio experimental la desviación de Ms para un acero
se encuentra entre los ±25°C 27
Se realiza el revenido a una temperatura de 300°C inferior a la obtenida en la ecuación
3 pero dentro de la desviación mencionada; se asume esta temperatura para todas las
probetas sometida a revenido y el medio de enfriamiento es aire a temperatura
ambiente. Con el objetivo de reducir la austenita retenida y obtener martencita.
Figura 21. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 5160. Fuente: autores.
Una vez determinado los tiempos y temperaturas del tratamiento térmico se representa
a continuación el esquema en la figura 22 en la que se puede observar el esquema
completo del tratamiento térmico para la las diferentes series.
27
K.W. Andrews, Empirical Formulae for the Calculation of Some Transformation Temperatures, JISI,
Vol.183, 1956, p 349-359.
45
Figura 22. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 5160. Fuente: autores.
3.3. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA OBSERVACIÓN
Con las probetas encapsuladas se procede a pulir la superficie con lija de agua en
diferentes tamaños de granos siguiendo un escala ascendente ,iniciando con la lija
80,100,200,360,400,600,800,1000,1500,2000 y 3000 luego con ayuda de la pulidora
metalográfica, paño y alúmina (abrasivo de grano fino), se obtiene la superficie brillo
espejo o lapeada, necesaria para la observación. Antes de realizar la observación en
los microscopios es necesario realizar un ataque químico a la superficie del material por
medio de Nital al 2% por 3 segundos.17
46
Figura 23. Probetas para observación en el microscopio, A) Lapeada, B) Con ataque químico. Fuente: autores.
Ya teniendo las probetas listas se procede a realizar los ensayos metalográficos de
observación con el microscopio óptico y con SEM.
4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. OBSERVACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA
En este apartado se presentan las imágenes obtenidas en el microscopio óptico y a
través de la técnica de SEM, con una breve descripción de la forma en la
microestructura de cada muestra.
A B
47
Acero AISI 5160 normalizado
Figura 24. Análisis microestructura acero AISI 5160 normalizado. Fuente: autores.
48
Acero AISI 5160 con temple
Figura 25. Análisis microestructura acero AISI 5160 templado. Fuente: autores.
49
Acero AISI 5160 con temple + revenido
Figura 26. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple y revenido. Fuente: autores.
50
Acero AISI 5160 con temple + criogenia 12h + revenido
Figura 27. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple, criogenia de 12 horas y revenido. Fuente: autores.
51
Acero AISI 5160 con temple + revenido + criogenia 24h
Figura 28. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple, criogenia de 24 horas y revenido. Fuente: autores.
52
Acero AISI 5160 con temple + criogenia 48h + revenido
Figura 29. Análisis microestructura acero AISI 5160 con temple, Criogenia de 48 horas y revenido. Fuente: autores.
53
4.2. ENSAYOS MECÁNICOS
A continuación se nombra la distribución de las probetas, la cantidad de pieza, el
tratamiento al cual fue sometido y la serie para identificarlas.
Tabla 3. Distribución probetas según tratamiento térmico. Fuente: autores.
4.2.1. DUREZAS
Una ver realizado los correspondientes tratamientos térmicos a cada una de las series
se procede a realizar las pruebas con Durómetro GNEHM SWISS ROCK. Para poder
así observa el comportamiento en función al tratamiento. Se realiza una prueba para 3
probetas de cada serie.
Dureza
Ítem Serie Dureza HRC Promedio Dureza HV
1
1
28,0
28,4 270 2 28,2
3 29,0
4
2
57,0
56,9 653 5 58,5
6 55,2
7
3
43,6
43,8 432 8 43,7
9 44,1
10
4
41,9
42,6 428 11 42,9
12 43,1
13
5
42,2
40,6 392 14 40,4
15 39,1
16
6
46,4
46,5 479 17 46,1
18 47,0
Tabla 4. Datos obtenidos ensayo de dureza. Fuente: autores.
Distribución de la probetas
Serie Tratamiento Cantidad
1 Sin tratamiento 4
2 Temple 4
3 Temple + criogenia 12 horas+ revenido 4
4 Temple + criogenia 24 horas+ revenido 4
5 Temple + criogenia 48 horas+ revenido 4
6 Temple + revenido 4
54
En la anterior tabla se evidencia un aumento de la dureza para todas las serie con
temple. Adicional se logra observas que las probetas sometidas a criogenia presenta
una disminución de la dureza, con respecto a la serie con solo temple y revenido. El
tiempo de exposición en criogenia también influye en los valores promedio obtenidos.
Siendo las probetas con 12 horas las que presentas la mayor dureza y las de 48 horas
las de menor dureza sobre ese grupo de referencia.
Para el análisis de los datos se realizó el cálculo de la desviación estándar de cada
serie de datos como se presenta en la tabla 5, de esto se observa que para los datos
con más relevancia para esta investigación que son los de las muestras que pasaron
por criogenia, todos los datos obtenidos están contenidos entre los límites de la
desviación de los datos conjuntos de las tres series, como se observa en la gráfica de la
figura 30.
Tabla 5. Datos de las desviaciones en ensayo de dureza
para las series con criogenia. Fuente: autores.
Figura 30. Desviación estándar de los datos con proceso de criogenia. Fuente: autores.
Hay que tener en cuenta que este ensayo se realizó tomando capturas de datos, las
cuales fueron en lugares aleatorias del material.
Serie Desviación PromedioLímite
máximo
Límite
mínimo
Serie 3 1,10 43,8 44,1 43,5
Serie 4 1,03 42,6 43,2 42,0
Serie5 1,80 40,6 42,2 39,0
55
Figura 31. Comparación de la dureza promedio por cada serie. Fuente: autores.
Como se puede observar en la figura 30 la variación porcentual de la dureza con
respecto al material de suministro, al material luego de ser sometido a temple duplica
su dureza. Con el revenido aplicado convencionalmente aumenta alrededor de un
64%. Se puede observar que todas las series tratadas criogénicamente presentan
un aumento de la dureza superior al 40%, además entre dichas series el tiempo
de exposición también hace variar el los valores obtenidos, siendo la serie
correspondiente a 12 horas de permanencia la que tienes la mayor variación de
dureza con un 54% y la de 48 hora la de menor variación con 42%. El efecto del
tratamiento criogénico en la dureza del material es evidente independientemente del
tiempo de permanencia a bajas temperaturas, ya que los valores son muy cercanos
entre las probetas de 12, 24 y 48 horas de permanencia.
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
Sin tratamiento
Temple Temple + criogenia 12
horas+ revenido
Temple + criogenia 24
horas+ revenido
Temple + criogenia 48
horas+ revenido
Temple + revenido
28,4
56,9
43,8 42,6 40,646,6
Du
reza
HR
CComparación durezas promedio
56
Figura 32. Variación porcentual de la dureza con respecto
al material normalizado. Fuente: autores.
4.2.2. MICRODUREZAS
El ensayo de microdureza se realiza con el fin de mostrar el comportamiento del Acero
AISI 5160 sometido a diferentes tratamientos térmicos y del tiempo de permanecía
durante el tratamiento de Criogenia y realizar una comparación entre las muestras del
material tratado respecto al normalizado tomando muestras en distintas zonas del
material en la que se identifican dos zonas, una clara y una oscura para que se pueda
determinar qué fase está presente en cada muestra, ya sea martensita, ferrita o perlita.
A continuación en la tabla 6 se muestran los datos obtenido, con el
MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2 durante el ensayo de micro dureza a una
carga estimada 490,1 mN.
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
Temple Temple + criogenia 12
horas+ revenido
Temple + criogenia 24
horas+ revenido
Temple + criogenia 48
horas+ revenido
Temple + revenido
100,4
54,2 50,142,8
64,0
Po
rce
nta
je
Variación porcentual de la dureza con respecto al material normalizado.
57
PROMEDIO DE MICRODUREZAS (HV)
Tratamiento Zona clara
Zona oscura
Sin tratamiento 236 408
Temple 537 657
Temple + criogenia 12 horas+ revenido 352 546
Temple + criogenia 24 horas+ revenido 415 468
Temple + criogenia 48 horas+ revenido 324 418
Temple + revenido 364 462 Tabla 6. Promedio de datos obtenidos en el ensayo
de micro dureza. Fuente: autores.
En el gráfico de la figura 31 se observa una comparación entre los valores de dureza
hallados en las 2 zonas identificadas en la prueba, en donde se evidencia una
diferencia importante de dureza entre ambas zonas del material normalizado ya que
encontramos perlita en las zonas oscuras dentro de una matriz es ferrítica para las
zonas claras. Los valores más altos en las dos zonas presentes se encuentran en la
serie con temple solamente, con diferencias bajas entre los valores de dureza teniendo
en cuenta el orden de magnitud de sus valores máximos.
Figura 33.Comparación de durezas entre zonas
claras y oscuras. Fuente autores.
0
100
200
300
400
500
600
700
Sin trantamiento
Temple Temple + criogenia 12
horas+ revenido
Temple + criogenia 24
horas+ revenido
Temple + criogenia 48
horas+ revenido
Temple + revenido
Microdurezas en distintas zonas
Zona clara
Zona oscura
58
4.2.3. PRUEBAS DE IMPACTO
Una vez realizado la prueba de impacto Charpy para todas las probetas él como todas
las recomendaciones conforme al procedimiento mencionado anteriormente nos da a
conocer los siguientes resultados:
Tabla 7. Datos de la prueba de impacto tipo Charpy. Fuente: autores.
En la tabla 8 encontramos que hubo un aumento significativo de la resistencia al
impacto del material luego de ser sometido a la criogenia, siendo las probetas del
Perdida Energia registrada Energia absorvida Promediodesviación
estándar
1 0,026 4,984 4,958
2 0,437 6,143 5,706
3 0,308 9,809 9,501
4 0,437 10,74 10,303
5 0,437 2,774 2,337
6 0,437 2,744 2,307
7 0,463 1,927 1,464
8 0,437 2,385 1,948
9 0,437 14,36 13,923
10 0,437 15,04 14,603
11 0,437 15,17 14,733
12 0,437 16,93 16,493
13 0,437 16,65 16,213
14 0,437 15,52 15,083
15 0,411 17,72 17,309
16 0,437 15,68 15,243
17 0,437 17,8 17,363
18 0,437 16,65 16,213
19 0,437 16,55 16,113
20 0,437 13,58 13,143
21 0,411 12,03 11,619
22 0,437 11,95 11,513
23 0,437 11,69 11,253
24 0,437 12,68 12,243
Item Serie
Valores en Joule J=N*m
11,657
1
2
3
4
5
6
7,617
2,014
14,938
15,962
15,708
0,42
IMPACTO
2,68
0,41
1,10
1,03
1,80
59
grupo sometido a 24 horas de criogenia las que representan un mejor desempeño,
superando en más de un 30% por ciento a las probetas tratadas convencionalmente.
Tabla 8. Datos promedio de la prueba de impacto tipo Charpy. Fuente: autores.
Para este caso la desviación estándar de cada serie de datos se presenta en la tabla 9,
de esto se observa que para los datos de las muestras que pasaron por criogenia, la
mayor cantidad de datos obtenidos están contenidos entre los límites de la desviación
de los datos conjuntos de las tres series, como se observa en la gráfica de la figura 33.
Tabla 9. Datos de las desviaciones en ensayo de tenacidad
para las series con criogenia. Fuente: autores.
Serie Desviación PromedioLímite
máximo
Límite
mínimo
3 0,26 14,9 16,0 13,8
4 0,64 16,0 17,0 14,9
5 1,56 15,7 17,5 13,9
Energía promedio absorbida ensayo Charpy en Joule Serie Tratamiento Cantidad
1 Sin tratamiento 7,617 2 Temple 2,014 3 Temple + criogenia 12 horas+ revenido 14,938 4 Temple + criogenia 24 horas+ revenido 15,962 5 Temple + criogenia 48 horas+ revenido 15,708 6 Temple + revenido 11,657
60
Figura 34. Desviación estándar de los datos con proceso
de criogenia para la tenacidad. Fuente: autores.
El efecto del tratamiento criogénico en la tenacidad del material es evidente
independientemente del tiempo de permanencia a bajas temperaturas, ya que los
valores son muy cercanos entre las muestras sometidas a tiempos de 12, 24 y 48
horas de permanencia, siendo los más distantes los obtenidos en la serie 3.
Figura 35. Variación porcentual de la tenacidad. Fuente: autores.
Con respecto a la variación porcentual de la resistencia al impacto con respecto al material de suministro nos permite identificar que las series sometida a criogenia presenten un aumento superior al 96% , Se puede observar que las series con criogenia se obtiene más de un 40% de tenacidad que el material tratado convencionalmente con el temple y revenido.
-100,0
-50,0
0,0
50,0
100,0
150,0
Temple Temple + criogenia 12
horas+ revenido
Temple + criogenia 24
horas+ revenido
Temple + criogenia 48
horas+ revenido
Temple + revenido
-73,6
96,1109,6 106,2
53,0
PO
RC
ENTA
JE
Variación porcentual de la tenaciadad con respecto al material de suministro
61
También se puede evidencia una reducción de la tenacidad en la serie sometida a solo temple, con una reducción del 73,6% que puede ser producto de tensiones internas del material y cambios en la microestructura del material.
Figura 36. Análisis dureza y tenacidad vs tratamiento térmico. Fuente: autores.
En la figura 36 se puede verificar el comportamiento de la dureza y resistencia al
impacto de cada series tratadas térmicamente, permitiendo seleccionar cuál de ellas
genera el mejor comportamiento al combinar cada una de las propiedades del
material según sea su aplicación.
0
10
20
30
40
50
60
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Sin tratamiento Temple Temple + criogenia 12
horas+ revenido
Temple + criogenia 24
horas+ revenido
Temple + criogenia 48
horas+ revenido
Temple + revenido
Du
reza
en
HR
C
Ten
acid
ad e
n jo
ule
Dureza y Tenacidad vs Tramiento termico
Energía absorbida Dureza en HRC
62
5. CONCLUSIONES
El efecto del uso de tratamiento criogénico combinado con el temple y revenido
demuestra una disminución en su dureza de hasta el 12% respecto al
tratamiento de bonificado tradicional.
Se observa que el material al ser sometido a la criogenia sufre un aumento en su
tenacidad cercano al 37% con respecto a las probetas tratadas
convencionalmente. Propiedad que se ve afectada por la concentración de
austenita retenida, generada durante el temple, con lo cual se refleja una
reducción de este componente.
La influencia del tiempo de permanencia en criogenia demuestra una variación
en la microestructura de las muestras de modo que a mayor cantidad de horas
se van formando granos más finos, sin embargo la variación para la tenacidad y
la dureza en función del tiempo no presenta diferencias relevantes.
Por medio de la prueba de microdureza se pudo establecer que el material
presenta una mayor isotropía con 24 horas de criogenia, ya que los valores de
dureza tienen menor variación entre las zonas claras y zonas oscuras para esta
serie de probetas.
63
6. RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar pruebas de dureza y de tenacidad para las probetas
sometidas a criogenia con una amplia cantidad de toma de datos para tener
un criterio más certero del cambio de estas propiedades en función del
tiempo de permanencia a bajas temperaturas, con la menor desviación
entre los datos obtenidos.
Se recomienda complementar el estudio del comportamiento de este acero
con pruebas mecánicas de flexión, tensión y torsión para poder
caracterizar las propiedades el acero AISI 5160.
Se podría complementar la caracterización del material experimentado
con diferentes temperaturas de revenido por debajo y por encimas de la
temperatura de transformación de la martecita Ms.
Se podría efectuar el estudio metalográfico con el material sometido a
temple y criogenia solamente para evidenciar el comportamiento granular
y el efecto a temperatura subcero.
64
7. BIBLIOGRAFÍA
1 ASM International, ASM HandbookHeat Treating- volumen 4, 1991, pág. 487.
2 Aplicación del Tratamiento Criogénico” de la Revista Oficial de la Cámara
Nacional de la Industria del Hierro y el Acero de México: ACERO STEELNorth
American Journal de Enero – Febrero 2001.
3 American National Standard “Standard Test Methods for Notched Bar Impact
Testing of Metallic Materials ASTME23” Septiembre.2007.
4 1ASM International, ASM HandbookHeat Treating- volumen 4, 1991, pág. 124.
5 Lira. Carnet, “Aplicación de la criogenia en el tratamiento térmico de aceros
para trabajo en frio AISI D3” Universidad Católica de Perú. Julio de 2009.
6 A. Bensely, S. Venkatesh, D. Mohan lal, G. Nagarajan, A. Rajadurai y K. Junik.
«Effect of cryogenic treatment on distribution of residual stress in case carburized
EN 353 steel». Materials Science & Engineering, vol. 479, pp. 229-235, 2008.
7 S. Kalia, “Cryogenic processing: A study of materials at low temperatures,” J.
Low Temp. Phys., vol 158, no. 5–6, pp. 934–945, Nov. 2010.
8 R. W. Thornton, “Investigating the effects of cryogenic processing on the wear
performance and microstructure of engineering materials”, Thesis, University of
Sheffield, 2014.
9 Granados Juan, “Comparación de la tenacidad de fractura y la rata de
crecimiento de grietas por fatiga, para el acero AISI SAE 5160H, entre la condición
de bonificado tradicional y la de bonificado incluyendo temperaturas bajo cero.”,
Universidad Nacional de Colombia, Facultad Ingeniería. 2016.
10 Calaf Chica José “PASADO Y FUTURO DE LA CRIOGENIZACIÓN DE LOS
MATERIALES” Universidad de Burgos, diciembre 2016.
65
11 Loaiza. Dilan, Ruiz Freddy. “Efecto del tratamiento criogénico en la resistencia
al impacto y la microestructura de un acero A572” Universidad Distrital, Facultad
Tecnológica, 2017.
12 Daniel Domínguez Alonso Y Alejandro Gómez Moreno,” Caracterización
microestructural de un acero de bajo carbono y contenido de manganeso cercanos
al 1.5%, templado a temperaturas intercríticas y revenido” Universidad Distrital,
Facultad Tecnológica, 2017.
13 Reydin S.A.S. Aceros para temple y revenido: SAE 5160. [en línea]
http://reydin.com.co/aceros-sae-5160/
14 J. Huang, Y. Zhu, X. Liao, I. Beyerlin, M. Bourke y T. Mitchell, «Microstructure of
cryogenic treated M2 tool Steel,» Materials Science and Design, vol. A339, pp.
241- 244, 2003.
15 L. A. Álava, «Tratamiento de materiales a temperaturas criogénicas: Evolución y
aplicaciones,» Junio 2007. [En línea]. Disponible:
https://researchgate.net/publication/237767160.
16 L. Á. Álava, «Tratamiento criogenico profundo,» [En línea]. Disponible:
https://es.slideshare.net/elvisjhoanherreramelchor/tratamiento-criognico.
17 Cristhian Camilo Cortés Molano, Efectos de los elementos aleantes en los
aceros, febrero de 2016,[en línea] Disponible en :
http://www.academia.edu/22723813/Efectos_de_los_elementos_aleantes_en_los_
aceros
18 ESPECTROMETRÍA. Espectroscopia UV/VIS - Aplicaciones y principios. [en
línea]. http://www.espectrometria.com/espectrmetros
19 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Espectrómetro UV-VIS-NIR
Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia. [en línea].
http://ciencias.bogota.unal.edu.co/departamentos/fisica/servicios-de-
extension/laboratorios-y-taller/espectrofotometria
20 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y
Talleres de Mecánica. Facultad Tecnológica, Bogotá Colombia. [en línea].
http://www1.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica.
66
21 Norma ASTM E3-1 Standard Practice for Preparation of Metallographic
Specimens.año 2008.
22 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Centros de Microscopía, microscopio
electrónico de barrido. Vicerrectoría de Investigaciones. Disponible en:
https://investigaciones.uniandes.edu.co/es/microscopio-electronico-de-barrido-jeol-
jsm-6490lv.
23ASTM 23 - 07ª Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of
Metallic Materials, septiembre 2007.
24 BOHÓRQUEZ, Carlos A. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas
intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045. Bogotá,
Colombia: Universidad Distrital Francisco José de Caldas, sede tecnológica.
Noviembre, 2012.
25 ASM International, ASM HandbookHeatTreating- volumen 4, 1991, pág 106. 26 GORNI, Antonio Augusto. Steel forming and heat-treating handbook. Sao
Vicente, Brasil. Enero. 2017. [en línea].
http://www.datasheets.tips/images/server01/27022017/6/7acaa5946d1571c9a6f41
fb1e450bb62.pdf
27 K.W. Andrews, Empirical Formulae for the Calculation of Some Transformation
Temperatures, JISI, Vol.183, 1956, p 349-359.
