Download pdf - TRATAMIENTO TERMICO

TRATAMIENTO TERMICO

INGENIERIA DE MATERIALES

1

INTRODUCCION

En el proceso de formacin de un Ingeniero Industrial, es muy importante el conocimiento

de la Ciencia e Ingeniera de los Materiales, ya que sta proporciona las herramientas

necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es

necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseos de componentes, sistemas y

procesos que sean confiables y econmicos.

Los Tratamientos Trmicos son una herramienta muy utilizada para la obtencin de

propiedades mecnicas adecuadas necesarias en determinados procesos de produccin.

Este laboratorio es realizado con el fin de conocer y relacionarse con los ensayos de

Tratamientos Trmicos realizados sobre piezas metlicas, y as, estar en capacidad de

medir las propiedades obtenidas al realizar este proceso, tales como cambios en la

dureza del material y efectos sobre el material, entre otros.

De igual forma, tambin tiene por objetivo desarrollar habilidades para manejar los

instrumentos requeridos en la prctica tales como el durmetro y el horno para el

calentamiento de las piezas.

Para la correcta realizacin de esta prueba, se recomienda que los estudiantes hayan

comprendido previamente el contenido de sta, consignado en el Protocolo.

TRATAMIENTO TERMICO


2

I. MARCO TEORICO

TRATAMIENTO TERMICO

El Tratamiento Trmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para

efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades

mecnicas. El objetivo de los tratamientos trmicos es proporcionar a los materiales unas

propiedades especficas adecuadas para su conformacin o uso final. No modifican la

composicin qumica de los materiales, pero si otros factores tales como los

constituyentes estructurales y la granulometra, y como consecuencia las propiedades

mecnicas.

Se pueden realizar Tratamientos Trmicos sobre una parte la totalidad de la pieza en

uno varios pasos de la secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se

aplica antes del proceso de formado (recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo

ms fcilmente mientras se encuentra caliente). En otros casos, se usa para aliviar los

efectos del endurecimiento por deformacin. Finalmente, se puede realizar al final de la

secuencia de manufactura para lograr resistencia y dureza.

ETAPAS DE UN TRATAMIENTO TERMICO

Consta de tres fases

A. Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevacin de temperatura debe ser

uniforme en la pieza.

B. Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformacin del

constituyente estructural de partida. Puede considerarse suficiente una

permanencia de unos 2 minutos por milmetro de espesor.

C. Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en funcin

del tipo de tratamiento que se realice.

TRATAMIENTO TERMICO


3

TIPOS DE TRATAMIENTO TERMICO

Existen varios tipos de Tratamientos Trmicos, pero hablaremos solo de tres: Recocido,

Temple y Revenido. A continuacin se presentan las principales caractersticas de cada

uno de estos tipos de Tratamientos Trmicos:

A. RECOCIDO: trmico que normalmente consiste en calentar un material metlico a

temperatura elevada durante largo tiempo, con objeto de bajar la densidad de

dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad.

El Recocido se realiza principalmente para:

Alterar la estructura del material para obtener las propiedades mecnicas

deseadas, ablandando el metal y mejorando su maquinabilidad.

Recristalizar los metales trabajados en fro.

Para aliviar los esfuerzos residuales.

Las operaciones de Recocido se ejecutan algunas veces con el nico propsito de

aliviar los esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causadas por los procesos

de formado previo. Este tratamiento es conocido como Recocido para Alivio de

Esfuerzos, el cual ayuda a reducir la distorsin y las variaciones dimensinales

que pueden resultar de otra manera en las partes que fueron sometidas a

esfuerzos.

Se debe tener en cuenta que el Recocido no proporciona generalmente las

caractersticas ms adecuadas para la utilizacin del acero. Por lo general, al

material se le realiza un tratamiento posterior con el objetivo de obtener las

caractersticas ptimas deseadas.

B. TEMPLE: El Temple es un tratamiento trmico que tiene por objetivo aumentar la

dureza y resistencia mecnica del material, transformando toda la masa en

Austenita con el calentamiento y despus, por medio de un enfriamiento brusco

(con aceites, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente

duro tpico de los aceros templados.

En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta del

mismo, adems, la temperatura para el calentamiento ptimo debe ser siempre

TRATAMIENTO TERMICO


4

superior a la crtica para poder obtener de esta forma la Martensita. Existen varios

tipos de Temple, clasificados en funcin del resultado que se quiera obtener y en

funcin de la propiedad que presentan casi todos los aceros, llamada

Templabilidad (capacidad a la penetracin del temple), que a su vez depende,

fundamentalmente, del dimetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

C. REVENIDO: El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que

generalmente prosigue a ste. Despus del Temple, los aceros suelen quedar

demasiados duros y frgiles para los usos a los cuales estn destinados. Lo

anterior se puede corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y

la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad.

Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos trmicos para la fabricacin del acero de

Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses (Siglo XII d.C.). Es

posible obtener una dispersin excepcionalmente fina de Fe3C (conocida como

martensita revenida) si primero se templa la austerita para producir martensita, y despus

se realiza el revenido. Durante el revenido, se forma una mezcla ntima de ferrita y

cementita a partir de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades

fsicas del acero. (Ver Figura)

TRATAMIENTO TERMICO


5

Este tratamiento trmico consiste en calentar el acero, (despus de haberle realizado un

Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crtico (o temperatura de

recristalizacin), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rpido cuando se

pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al mximo

las tensiones trmicas que pueden generar deformaciones.

TRATAMIENTO TERMICO


6

DUREZA

La Dureza es la capacidad de una sustancia slida para resistir deformacin o abrasin

de su superficie. Est relacionada con la solidez, la durabilidad y la resistencia de

sustancias slidas, y, en sentido amplio, ste trmino suele extenderse para incluir todas

estas propiedades.

Se aplican varias interpretaciones al trmino en funcin de su uso. En Mineraloga, la

dureza se define como la resistencia al rayado de la superficie lisa de un mineral. Una

superficie blanda se raya con ms facilidad que una dura; de esta forma un mineral duro,

como el diamante, rayar uno blando, como el grafito, mientras que la situacin inversa

nunca se producir.

En Metalurgia e Ingeniera, la dureza se determina presionando una bolita o un cono de

material duro (impactadores) sobre la superficie estudiada y midiendo el tamao de la

indentacin resultante. Los metales duros se indentan menos que los blandos. Este

mtodo para establecer la dureza de una superficie metlica se conoce como prueba de

Brinell, en honor al ingeniero sueco Johann Brinell, que invent la mquina de Brinell para

medidas de dureza de metales y aleaciones.

TIPOS DE ENSAYO DE DUREZA

Cuando se realiza un ensayo de dureza, lo que se busca medir es la resistencia de la

superficie de un material a la penetracin de un objeto duro. Se han desarrollado varias

pruebas de este tipo, pero las ms comunes son la Rockwell y la Brinell.

En el ensayo de dureza Brinell, una esfera de acero duro, se oprime sobre la superficie

del material, luego se mide el dimetro de la penetracin y posteriormente se calcula el

nmero de dureza (HB) utilizando la siguiente formula:

TRATAMIENTO TERMICO


7

El ensayo de dureza Rockwell utiliza una pequea bola de acero para materiales blandos

y un cono de diamante para materiales duros. La profundidad de penetracin es medida

automticamente por el instrumento utilizado.

Existen otros tipos de ensayos de micro dureza, los cuales son el ensayo Vickers y el

ensayo Knoop. Estos tipos de ensayos producen penetraciones tan pequeas que

requieren de un microscopio para poder realizar su medicin.

Para ensayar materiales muy blandos y elsticos, tales como cauchos y plsticos no

rgidos, se utiliza el ensayo de dureza Shore, el cual mide la resistencia a la penetracin

elstica. Los impactadores para este tipo de ensayos de dureza son de acero de punta

cnica. En esta prueba no se presentan deformaciones permanentes.

DUROMETRO

El durmetro es un instrumento desarrollado para determinar la dureza de materiales.

Este aparato es distinguido por su alta exactitud, amplio rango y simplicidad de operacin.

TRATAMIENTO TERMICO


8

HORNO ELECTRICO

Un horno elctrico es un dispositivo que se calienta por electricidad, empleado en la

industria para fundir metales o cocer cermica, cualquier otro material. Tambin se

conoce como horno electrotrmico.

El tipo ms sencillo de horno elctrico es el horno de resistencia (es el utilizado en el

laboratorio), en el que se genera calor haciendo pasar una corriente elctrica por un

elemento resistivo que rodea el horno. En los hornos que se calientan desde el exterior, el

elemento calefactor puede adoptar la forma de una bobina de alambre enrollada alrededor

de un tubo de material refractario o puede consistir en un tubo de metal u otro material

resistivo, como el carborundo. Los hornos de resistencia son especialmente tiles en

aplicaciones en las que se necesita un horno pequeo cuya temperatura pueda

controlarse de forma precisa. Estos hornos pequeos se utilizan mucho en los

laboratorios y tambin se emplean en el tratamiento trmico de las herramientas.

TRATAMIENTO TERMICO


9

II. PARTE EXPERIMENTAL

Los materiales que se han utilizado en esta sesin de laboratorio, son los mismos con los

que hemos venido trabajando en anteriores ocasiones, los cuales son:

Acero Inoxidable

Acero Comercial

Aluminio

DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO

Este experimento lo podemos subdividir en dos partes, la experiencia en fro y la

experiencia en caliente, para ambos escenarios debemos realizar mediciones de ciertas

cantidades fsicas de las probetas.

Medir las dimensiones de las barras, aprovechando que son barras circulares, debemos

obtener los valores del dimetro y la altura de los mismos, para este procedimiento se

utilizar el instrumento de medicin denominado Vernier, tambin llamado pie de rey.

Procedemos a tabular los resultados obtenidos.

TRATAMIENTO TERMICO


10

MATERIAL ALTURA (cm) DIAMETRO (cm)

ACERO INOXIDABLE 2.05 2.96

ACERO COMERCIAL 2.3 3.78

ALUMINIO 1.53 3.61

Una vez que se tienen las dimensiones de las probetas, se proceder a medir con el

durmetro porttil las durezas. Presentamos una tabla con las durezas tomadas.

MEDICIN DE DUREZAS CON EL DURMETRO

ACERO ALEADO ACERO COMERCIAL ALUMINIO

116 419 28

107 409 36

96 411 56

99 417 50

94 412 51

PROMEDIO = 102 HB PROMEDIO = 413 HL PROMEDIO = 44 HB

Teniendo ya estas cantidades se proceder a calentar las probetas, para este fin se

utilizar el horno ubicado en el laboratorio. Con las precauciones debidas, dadas por el

profesor, realizamos el calentamiento para darle sentido a nuestra prctica de laboratorio.

TRATAMIENTO TERMICO


11

Segn el principio fsico de dilatacin trmica, esperamos que, segn los coeficientes de

dilatacin trmica (constantes para cada material a unas condiciones ambientales dadas),

las probetas experimenten alteraciones en su longitud, presentadas como conservacin

de la forma, pero aumento de sus dimensiones. Medimos las probetas en su nuevo

estado fsico, utilizando el vernier y procedemos a tabular los datos encontrados.

MATERIAL ALTURA (cm) DIAMETRO (cm)

ACERO INOXIDABLE 2.075 3.028

ACERO COMERCIAL 2.31 3.8

ALUMINIO 1.51 3.665

TOMA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

CUADRO COMPARATIVO DESPUES DEL TRATAMIENTO TERMICO

MATERIAL TIEMPO ALTURA ALTURA DIAMETRO DIAMETRO

ACERO INOXIDABLE

202 INICIAL: 2.05

0.025 INICIAL: 2.96 0.068

FINAL: 2.075

FINAL: 3.028

ACERO COMERCIAL

120 INICIAL: 2.3 0.01 INICIAL: 3.78 0.02 FINAL: 2.31 FINAL: 3.80

ALUMINIO 90 INICIAL: 1.53

0.02 INICIAL: 3.61 0.045

FINAL: 1.51 FINAL: 3.665

TRATAMIENTO TERMICO


12

III. ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Cuando un cuerpo slido se calienta aumentan todas sus dimensiones:

longitud, superficie y volumen, por lo que la dilatacin puede ser: lineal,

superficial o volumtrica.

En nuestro caso al usar barras tenemos una dilatacin lineal porque cuando se

calienta un cuerpo slido se observa un aumento de su longitud como lo que

ocurri con la barra de aluminio que siendo su longitud inicial 12.45 mm se

dilato a 12.5 mm teniendo una variacin de 0.05 mm, se observa tambin que

en el acero comercial la longitud inicial es de 18.55 mm y la final es de 18.8

teniendo una variacin de 0.25 mm, por ltimo vemos que en el acero aleado

su longitud inicial es de 12.70mm y la final despus de meter al horno es de

14.65, analizamos estos resultados y vemos que el acero aleado tuvo mayor

dilatacin con respecto a los dems materiales, se observa que tambin varan

su dimetros ,el aluminio aument su dimetro en 0.1mm, mientras que el

acero comercial aument en 0.6 mm al igual que el acero aleado con 2.95

mm teniendo este la mayor dilatacin con respecto al dimetro.

IV. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

Algunas consideraciones a tener en cuenta antes, durante y despus

del tratamiento trmico son:

Estado de suministro del material (si est recocido o bonificado).

Temperatura de temple segn la aplicacin.

Medio de enfriamiento. El temple debera realizarse en medios que

garanticen uniformidad y velocidad de enfriamiento uniforme.

Para evitar tensiones trmicas durante el tratamiento, debern

programarse escalones de equilibrado de temperatura en toda la masa.

Consultar las curvas de revenido para la obtencin de la dureza

deseada.

TRATAMIENTO TERMICO


13

Evaluar el nmero mnimo de revenidos necesarios para la eliminacin

completa de martensita residual.

Evitar las temperaturas de revenido de baja tenacidad.

Revenir inmediatamente despus del enfriamiento de temple.

No intentar acelerar la operacin de tratamiento trmico.

La carburacin o descarburacin es un factor importante, utilizar

atmsferas adecuadas o mejor en vaco.

Evitar templar nuevamente sin realizar previamente un recocido total.

En general, los aceros para herramientas, tanto para trabajo en fro

como en caliente, y transformacin de plstico deben ser estabilizados

para eliminar tensiones causadas durante su mecanizacin y

transformacin.