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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE LOS MATERIALES

LABORATORIO DE MATERIALES II, MT-2582

INFORME PRÁCTICA N° 4

TRATAMIENTOS TERMICOS EN ACEROS

Presentado por:

Edward Lozano Díaz, 08-11279

Misael Millán Alonzo, 08-11253

Jesús A Serrano Z, 08-11067

Sartenejas, 21 de Marzo del 2013


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RESUMEN

Para llevar a cabo la práctica de tratamientos térmicos de los aceros se utilizaron siete

probetas de acero AISI 1045 y una probeta de acero AISI 4140, las cuales fueron austenizadas

a una temperatura de 870 ºC durante 30 min. Posteriormente a 6 de las probetas AISI 1045 se

le realizaron tratamientos de Recocido, Revenido, Normalizado y Temple en tres medios

distintos (Agua, Salmuera y Aceite) para luego determinar en cada una de ellas la dureza y

hacerles una preparación metalográfica que permitiera observar su microestructura. A las dos

probetas restantes se les hizo un ensayo Jominy para determinar la templabilidad en dos aceros

de distinta composición química, y posteriormente cada una de ellas fue cortada en 6 pedazos

para su respectiva preparación metalográfica y análisis microestructural en diferentes zonas

de las mismas.

Experimentalmente el tratamiento térmico en el cual se obtuvo un mayor valor de dureza

fue el temple en agua (79,6 HRA en una de las caras y 75,8HRA en la otra), seguido del

temple en salmuera (75,6 HRA), luego el revenido (72 HRA), el temple en aceite (65,23

HRA), y por último normalizado y el recocido con 57 y 51 HRA respectivamente. Además la

templabilidad del acero AISI 4140 resulto ser mayor que la del AISI 1045.


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INDICE GENERALRESUMEN……………………………………………………………………………… .II

ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………………… ..III

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….......1

CAPITULO I: MARCO TEÓRICO………………………………….….........................2

1.1 MICROESTRUCTURAS ………………………………..................................................................3

1.2 TRATAMIENTOS TERMICOS …………………………………………………………………….......4

1.3 TEMPLABILIDAD ………………………………..……………………………..………….......5

CAPÍTULO II: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL………………………………...…7

2.1 MATERIALES ………………………………………………………………………………….………....7

2.2 EQUIPOS ………………………………………………………………………………………………....7

2.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL…………………………………………………...….............8

CAPÍTULO III: RESULTADOS Y DISCUSIONES………………………………….……….11

3.1 TRATAMIENTOS TERMICOS ……………………………………..................................................12

3.2 TEMPLABILIDAD………………………………………………………………………………….......20

CONCLUSIONES ……………………………...............................................................29

RECOMENDACIONES……………………….………………………..........................30

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………………….........31.

APÉNDICES……………………..………………………………………………… .........33

Apéndice I: …………………………………………..............................................................................33

Apéndice II: ………………………………………………………………………………………..………...34

Apendice III: ………………………………..………………….………………………… ……….………..39

DECLARACIÓN OBLIGATORIA PARA LA ENTREGA DE TAREAS O INFORMEGRUPAL……….……...40.


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INTRODUCCION

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los

aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas durante un

cierto tiempo según el tipo de acero, para luego enfriarlas en condiciones convenientes que

permitan obtener las propiedades mecánicas deseadas para una determinada aplicación [1].

En esta práctica se realizarán tratamientos térmicos de normalizado, recocido, revenido,temple al agua, temple en aceite y temple en salmuera a una serie de probetas de acero y se

estudiara experimentalmente el efecto de los tratamientos térmicos sobre las propiedades, en

base a los cambios microestructurales y las diferencias de durezas inducidos por los

tratamientos.

Asimismo se determinará la templabilidad de dos aceros de distinta composición química

mediante el ensayo estándar Jominy descrito en la norma ASTM A255-99 para estudiar cómo

afectan los elementos aleantes la aptitud al temple de un acero al carbono en base a lasdiferencias de dureza entre ellas y las cantidades de martensita, ferrita y perlita presentes en la

microestructura de cada una de las probetas en diferentes zonas de las mismas desde el

extremo templado más severamente hasta el extremo no templado.


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CAPITULO I

MARCO TEORICO

Los tratamientos térmicos son procesos en donde un metal es sometido a calentamientos y

enfriamientos controlados con el fin de modificar algunas de sus propiedades. En el caso de

los aceros, las propiedades mecánicas son modificadas por los cambios de temperaturas en

relación con el contenido de carbono y de elementos aleantes.[2][3]

Durante los tratamientos térmicos ocurren cambios en la microestructura. Al observar el

diagrama de fases Hierro- carburo de hierro para entender los cambios que ocurren por los

tratamientos térmicos, éste resulta limitado, pues, no brinda la información suficiente para

entender el enfriamiento de los aceros en condiciones fuera del equilibrio, es decir,

enfriamientos a velocidades altas, como es el caso de la transformación de la austenita a la

Martensita. Es importante aclarar que el diagrama hierro- carburo de hierro no es un verdadero

diagrama de equilibrio, ya que equilibrio implica que no existe cambio de fase con respecto al

tiempo. Sin embargo, se sabe que el compuesto carburo de hierro se descompondrá en hierro ycarbono (grafito), pero esto ocurrirá en periodos de tiempo muy largos. El carburo de hierro es

una fase metaestable y por tanto el diagrama hierro-carburo de hierro representa

condiciones metaestables, aunque puede ser considerado un diagrama en equilibrio si las

condiciones de enfriamiento y calentamiento son relativamente lentos.[4]

Para conocer la fase resultante después de los enfriamientos rápidos, así como el tiempo de

inicio y de terminación de la formación de las fases se utilizan los diagramas TTT (Tiempo


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Temperatura-Transformación), en donde se resumen las posibles transformaciones de la

austenita para cada acero.[6]

MICROESTRUCTURAS

Dependiendo del tratamiento térmico al que se somete un metal, se pueden generar

diferentes fases o microconstituyentes. Entre las estudiadas en esta práctica de laboratorio,

podemos mencionar:

Austenita: Es una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gamma, puede

contener desde 0 a 1,7% de carbono por lo que es un constituyente de composición variable.

Todos los aceros se encuentran formados por cristales de austenita cuando se calientan porencima de sus temperaturas críticas durante un tiempo adecuado, y aunque es un constituyente

inestable suele estar presente a temperatura ambiente en aceros de alto contenido de carbono o

de alta aleación que fueron enfriados muy rápidamente [1].

Perlita: Microconstituyente bifásico compuesto por capas alternadas de ferrita y cementita,

aparece por lo general en el enfriamiento lento de la austenita o por transformación isotérmica

de la austenita a temperaturas relativamente altas e inferiores al punto de transformación

eutectoide. Según su distancia interlaminar la perlita se puede clasificar en:

-

Perlita gruesa: se forma a temperaturas por debajo pero muy próximas al eutectoide y

está constituido por láminas alternas de ferrita (alfa) y Fe3C; debido a que se encuentra

alrededor de los 650 °C. Las velocidades de difusión son relativamente elevadas y los

átomos de carbono pueden recorrer largas distancias, formando láminas gruesas.

- Perlita fina: se forma a los 540 °C. El proceso de difusión de carbono es más lento por

la disminución de la temperatura, generando una reducción en el grosor de las

capas.[7][8]

Bainita: Es un microconstituyente bifásico, el cual contiene ferrita y cementita. La

transformación de la austenita a la bainita depende del tiempo y de la temperatura y se puede

representar en un diagrama de transformación isotérmico, a temperaturas inferiores a las de


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formación de la perlita. Este microconstituyente puede tener forma de aguja o de placas

dependiendo de la temperatura de transformación.[7]

Martensita: Es un microconstituyente que resulta de la transformación, a altas velocidades,

sin difusión de la austenita. En lugar de la difusión del carbono para formar fases separadas

(alfa y Fe3C), la transformación martensítica lleva asociada una brusca reordenación de los

átomos de Fe y de C desde la red FCC de la solución de Fe-gamma que da lugar a una

solución solida con red tetragonal centrada en el cuerpo (BCT).[7][9]

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

RECOCIDO

Es un proceso que se utiliza generalmente para la restauración de las propiedades originales

de una aleación trabajada en frío o con algún tratamiento térmico con el fin de incrementar la

ductilidad, eliminación de tensiones residuales, refinar el grano, mejorar la maquinabilidad,

mejorar propiedades térmicas y magnéticas. Este proceso consiste en calentar el metal a una

temperatura relativamente alta, mantenerlo durante cierto tiempo y luego dejarlo enfriar

lentamente.[10][4]

NORMALIZADO

Proceso que consiste en un calentamiento hasta una temperatura conveniente por encima del

rango de transformación en la línea de temperatura crítica superior, seguido por un

enfriamiento en aire quieto (sin agitar) hasta temperatura ambiente. El propósito de la

normalización es producir un acero más duro y fuerte que el obtenido a través del recocido

total, de manera que para algunas aplicaciones la normalización puede ser un tratamiento

térmico final.[11][4]


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TEMPLE

Es un Proceso que se utiliza para aumentar la dureza, la resistencia y la elasticidad del

acero. Consiste en calentar un acero hasta temperaturas en donde se obtiene una fase

austenítica y luego se realiza a un enfriamiento rápido, usualmente por inmersión de la pieza

en agua o aceite. Debido a las altas velocidades de enfriamiento el carbono no puede

difundirse, lo que da paso a la formación una estructura martensítica.[11]

REVENIDO:

Consiste en el calentamiento del acero templado hasta una temperatura inferior por debajodel rango de transformación controlando la permanencia a esta temperatura y enfriamiento

posterior a una velocidad conveniente. Este procedimiento se realiza con la finalidad de

eliminar las tensiones en el acero, aumentar su ductilidad, y disminuir la dureza.[11]

TEMPLABILIDAD

Es la profundidad o espesor de la capa de martensita que se obtiene calentando y templado

subsecuentemente. La templabilidad depende de la cantidad de carbono que presente, el

tamaño del grano de la austenita, de los elementos de la aleación presentes en el material y de

la velocidad de enfriamiento. Para determinar la capacidad de endurecimiento de una aleación

se realiza el ensayo de Jominy.[7][10]

ENSAYO DE JOMINY

Es una prueba utilizada para determinar la templabilidad de una aleación. En este ensayo se

mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de

la pieza (a excepción de la composición química de la probeta de acero), como lo son el

tamaño y forma de la pieza. Esta prueba consiste en austenizar una probeta cilíndrica de 100


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mm de largo y 25 mm de diámetro, para luego enfriarla directamente en un extremo

utilizando una corriente de agua a temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento varía

por tanto a todo lo largo de la barra, siendo más elevada la velocidad en el extremo inferior

que está en contacto directo con el agua. La dureza a lo largo de la probeta se mide entonces a

varias distancias del extremo templado hasta llegar a los 50 mm. En los primeros 12 mm las

lecturas de dureza se realizan en intervalos de 1,6 mm y en los 37,5 mm siguientes cada 3,2

mm. Posteriormente se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza

en función de la distancia al extremo templado.[7][10]


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CAPITULO II

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

2.1 MATERIALES

Durante el desarrollo de esta práctica se utilizaron los siguientes materiales:

-6 probetas cilíndricas pequeñas de Acero AISI 1045. Medidas aproximadas: diámetro de 2,5

cm, altura de 1,5 cm.

-2 probetas cilíndricas de acero para ensayo de Jominy: una de Acero AISI 1045 y una de

Acero AISI 4140. Medidas: diámetro de 2,5 cm, altura de 10 cm.

-Agua

-Aceite

-Nital

A continuación se presenta una tabla con las características del reactivo empleado, el nital:

Tabla 2.1.1: Propiedades del reactivo utilizado [5]

Reactivos Composición

Nital Etanol (60-100%), Metanol (1-5%)

Ácido nítrico (5-10%).


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2.2. EQUIPOS

A continuación se presenta una lista con todos los equipos que se emplearon en el desarrollo

de la práctica:

-Horno de resistencia eléctrica marca KC-Ceramics

-Bomba Jominy marca MC-Egleban

-Esmeriladora de cinta (desbaste grueso) marca Leco BG-30

-Desbastadora (desbaste fino) marca Handimet Grinder No. 39-1470 AB

-Durómetro marca Skoda RB1-220V

-Pulidora marca Leco GP-25

-Cortadora marca Leco MSX255M

-Microscopio Óptico marca Versamet-2, Union.

-Pinzas

-Guantes

-Careta

2.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para empezar, se introdujeron en el horno de resistencia eléctrica 6 probetas cilíndricas

pequeñas del mismo tipo de acero (1045), y dos probetas para ensayo Jominy: una de acero

1045, y otra de acero 4140. El horno se llevó a una temperatura de 870 °C, durante media

hora. Tras los 30 minutos en el horno, las probetas fueron retiradas acorde al tratamiento

térmico a recibir, usando la protección adecuada (guantes, caretas y pinzas).

La primera probeta en ser retirada fue sometida al tratamiento de temple al agua, lo cual se

hizo sumergiendo la probeta directamente en el agua y agitándola para evitar que se formara

vapor en la misma, y así mantener el cambio brusco de temperatura.

La siguiente probeta que se sacó del horno fue la de temple en salmuera. Se extrajo la

probeta y se introdujo en la salmuera, agitando.


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Acto seguido, se retiró del horno otra probeta que se sometió al temple en aceite. Tras sacar

la pieza del horno, se agitó constantemente en el aceite.

Posteriormente se realizó el temple al aire, por lo cual se sacó del horno y simplemente se

colocó encima de un refractario.

A la siguiente probeta pequeña se le aplicó temple en agua, agitándola, y luego se introdujo

en un horno, a temperatura de revenido, aproximadamente 180 °C.

Luego se procedió a sacar la primera de las muestras para el ensayo Jominy, la de acero

1045. Tras extraerla del horno, se fijó en el soporte de la bomba Jominy en forma vertical y

desde abajo se le disparó un chorro de agua a temperatura ambiente durante diez (10) minutos.

Luego se colocó sobre material refractario y se dejó enfriar a temperatura ambiente.

Posteriormente se repitió el procedimiento para la probeta de acero 4140.

Para el último tratamiento térmico, se apagó el horno, dejando una probeta pequeña de acero

1045 enfriándose dentro. A esto se le conoce como recocido.

Mediante el uso de un durómetro se hicieron ensayos de dureza en ambas muestras del

ensayo Jominy, de forma longitudinal, aproximadamente cada 0,3 cm, en dos planos

desbastados previamente a cada lado.

Para llevar a cabo dicho ensayo de dureza, se hicieron mediciones en la escala Rockwell C

hasta que los valores se acercaron a 20, entonces se utilizó la escala de Rockwell B.

Seguidamente, los resultados se llevaron a Rockwell A, para que todos estuvieran en la misma

escala y así poder compararlos correctamente. Se procedió a hacer lo mismo con las probetas

pequeñas de acero 1045, en sus caras transversales.

Posteriormente a cada probeta Jominy se le cortó en 6 partes iguales de aproximadamente

1,7 cm y se desbastaron sus caras transversales inferiores (las más cercanas al chorro de agua

en cada pieza) usando una esmeriladora de cinta y luego una desbastadora fina (hasta la lija de

320 grid), luego se pulieron y se atacaron con nital durante 5 segundos. Finalmente, utilizando

un microscopio óptico, se tomaron varias fotomicrografías con distintos aumentos.

A las demás probetas de acero 1045 (las pequeñas), se les desbastaron al menos una cara

transversal (en el temple al agua fueron ambas caras, por si no se introdujo correctamente en el

agua y poder comparar valores de mejor forma), tanto con desbaste grueso como fino. Luego


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se les pulieron y se les hizo ensayo de dureza. Posteriormente se volvieron a desbastar y pulir,

se atacaron y se tomaron varias fotomicrografías a distintos aumentos.

Finalmente se utilizó el microscopio para determinar el tamaño de grano en todas las piezas

y por el uso de análisis puntual, se calcularon los porcentajes de cada fase existente en cada

pieza.


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CAPITULO III

RESULTADOS Y DISCUSIONES

En esta práctica se utilizaron dos tipos de aceros: AISI 1045 y AISI 4140. El primero de

ellos según los sistemas de clasificación de aceros del AISI ( American Iron and Steel Institute)

y el SAE (Society of automotive Engineers) se trata de un acero al carbono con 0,45% de

carbono y aunque suele tener moderadas cantidades de manganeso y silicio no se considera un

acero aleado, por otro lado el segundo es un acero aleado al cromo-molibdeno también con

ciertas cantidades de manganeso y silicio[8] (ver tabla 1).

Tabla 3.1. Composición química de aceros AISI-SAE.[8]

Número AISI-SAE %Carbono %Silicio %Manganeso %Cromo %Molibdeno

1045 0,43-0,50 0,15-0,35 0,60-0,90 - -

4140 0,38-0,43 0,15-0,30 0,75-1,00 0,80-1.10 0,15-0,25

Los aceros al Cromo-Molibdeno con 1% de Cromo y 0,25% de Molibdeno tienen muchas

aplicaciones en forma de tubos, barras y piezas forjadas para elementos de aviones y

automóviles, debido a sus favorables propiedades mecánicas y buena soldabilidad. Mientras

que los aceros al carbono hipoeuctectoides con 0,45% de carbono se utilizan comúnmente en

Ejes, pernos, engranajes, bielas, pasadores, rodillos, trinquetes, cigüeñales, y barras de torsión

entre otros [12]


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TRATAMIENTOS TERMICOS

A continuación se presentan las fotomicrografías de las muestras sometidas a

diferentes tratamientos térmicos y las tablas que exponen el porcentaje de las fases formadas,

el tamaño de grano y la dureza presente en las probetas.

Figura 3.1. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Recocido (nital al 5%) a

1115X.

Figura 3.2. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Recocido (nital al 5%) a

3040X.

Figura 3.3. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Revenido (nital al 5%) a

1115X

Figura 3.4. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Revenido (nital al 5%) a

3040X.


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Salmuera

Figura 3.5. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Normalizado (nital al 5%) a

1115X

Figura 3.6. Fotomicrografía de acero 1045 conTratamiento Térmico Normalizado (nital al 5%) a

3040X.

Figura 3.7. Fotomicrografía Temple en salmuera delacero 1045 a 3040X (nital al 5%)

Figura 3.8. Fotomicrografía Temple en agua lado Adel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)

Figura 3.9. Fotomicrografía Temple en agua lado Bdel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)

Figura 3.10. Fotomicrografía Temple en Aceite lado Bdel acero 1045 a 3040X (nital al 5%)


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Tabla 3.2. Durezas de las probetas con tratamientos térmicos.

Tratamiento Térmico

Temple en agua (cara A) 79,6

Temple en agua (cara B) 75,8Temple en salmuera 75,6

Revenido 72

Temple en aceite 65,23

Normalizado 57

Recocido 51

Tabla 3.3. Tamaño de grano.


Normalizado

Recocido

7

2,25

Tabla 3.4. Porcentaje de fase martensítica.


Temple en agua (cara A) 46,21

Temple en agua (cara B) 40,38

Temple en salmuera 70

Revenido 67 (revenida)


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Tabla 3.5. Porcentaje de fase perlítica.


Recocido 52

Normalizado 81

3.1. RECOCIDO:

Es un tratamiento térmico que consigue disminuir los esfuerzos residuales, aumentar la

ductilidad del material y disminuir su dureza, ya que al aplicar recocido, los tamaños de grano

son mayores. Al observar la tabla 3.2 se puede notar que efectivamente, entre todos los

tratamientos térmicos aplicados, el recocido es el que arroja menores valores de dureza. [8]

En las fotomicrografías del recocido, figuras 3.1 y 3.2, se pueden observar tamaños de grano

mayores a los que presentan las fotomicrografías de los demás tratamientos térmicos, lo cual

es consistente con lo esperado teóricamente, y se puede corroborar al observar la tabla 3.3, que

señala que el número de tamaño de grano para la pieza recocida es de 2,25. Por ser éste el

mayor número de tamaño de grano entre los obtenidos experimentalmente, es de esperar que

la pieza recocida presente una menor dureza.

Si se observa la figura 3.2 se puede ver la fase perlítica, con sus características láminas deferrita y cementita. De este modo, la presencia de fases que muestran las imágenes 3.1 y 3.2 es

acorde a lo que se espera al observar el diagrama de fases Fe-C (anexo, figura A-6). Es

importante notar que el porcentaje de perlita en la pieza es de aproximadamente 52%, como

indica la tabla 3.5. [13]

Así, debido a la nucleación y formación de nuevos granos (que son de mayor tamaño), se

explica que la dureza de la pieza recocida sea de 51 HRA, menor a la de los demás

tratamientos.


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3.2. NORMALIZADO:

La normalización es un tratamiento térmico que refina el tamaño de grano y busca

homogeneizar la microestructura en el acero. Al revisar la tabla 3.3, se puede observar que el

tamaño de grano ha disminuido a 7, comparado por ejemplo con el tamaño de grano delrecocido (2,25), se puede concluir que se ha reducido considerablemente el tamaño de

grano.[13]

Además, se puede observar en la figura 3.5 que la estructura tiene una gran cantidad de

perlita, observación respaldada por la tabla 3.5, la cual reporta un porcentaje de perlita de

81%, lo que sugiere que la microestructura de la pieza es bastante homogénea.

Esta pieza, con un tamaño de grano pequeño y un alto porcentaje de perlita (que por la figura

3.6, parece tratarse de perlita fina – espacios interplanares de menos de 0,5 micras, muy

pequeños-), presentó, según la tabla 3.2, una dureza de 57 HRA.

Todo esto explica por qué es más dura que la pieza recocida, pero más blanda que los

tratamientos de temple y revenido (cuyos datos también están reflejados en la tabla 3.2).

3.3. TEMPLE:

Al observar la figura 3.7 que corresponde al temple realizado en un medio de salmuera, las

figuras 3.8 y 3.9 que pertenecen al temple realizado en agua y la figura 3.10 que corresponde

con el templado en aceite, se puede apreciar la presencia de una estructura en forma de cinta

denominada martensita, por ser un acero de bajo carbono. En las cuatro figuras mencionadas

anteriormente se puede apreciar que existen zonas oscuras correspondientes a la fase

martensítica y zonas claras que representan la austenita retenida que no fue capaz de

transformarse a causa de la rapidez de este tratamiento térmico.[4]

Al observar la figura 3.7, correspondiente al templado en salmuera, se aprecia que tiene una

gran cantidad de martensita al igual que las de temple en agua (figura 3.8 y 3.9) y éstas a su

vez tienen mayor fase martensítica que el temple en aceite (figura 3.10).


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Estas diferencias entre las proporciones de fases para las distintas piezas templadas se deben

a la severidad del temple. La severidad del temple es la efectividad del medio utilizado para

enfriar las probetas, relacionado con la capacidad de extracción de calor del mismo. Es decir,

un templado con una velocidad muy alta es un templado con una mayor severidad.[14]

De la figura 3.11 se observa que el temple en salmuera tiene mayor velocidad de

enfriamiento que el temple en agua y éste último, mayor velocidad que el temple realizado en

aceite. Por lo tanto, en el templado en salmuera se tiene una mayor transformación deaustenita en martensita que en los otros temples a causa de la severidad de este medio.

Los medios de temple son utilizados de acuerdo a la rapidez con la que se debe hacer el

temple, pues debido a las diferencias en las conductividades térmicas, calores específicos, y

calores de vaporización de estos medios, la tasa de enfriamiento o la severidad del temple, es

también diferente.[10]

La salmuera enfría muy rápido porque la sal ayuda a nuclear burbujas en la interfaz metal

agua, lo que disminuye la etapa de formación de la capa de vapor en el proceso de templado; a

su vez el agua enfría con menor severidad que la salmuera, mientras que el aceite enfría a una

menor velocidad que el agua.[10] (fotografías de la capa de vapor y burbujas que se producen

alrededor de las probetas metálicas al introducirlas en el medio de temple se pueden ver en el

apéndice II figuras A-9, A-10 y A-11)

Figura 3.11.Efecto del medio de temple sobre las velocidades de enfriamiento.[14]


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Sin embargo, los resultados obtenidos experimentalmente entre el temple en salmuera y el

temple en agua no son consistentes con los esperados teóricamente. En la tabla 3.2 se puede

observar que los temples en agua generaron una mayor dureza en el acero que el temple

realizado en salmuera. Por otra parte, la pieza sumergida en un medio de aceite generó una

menor dureza que los temples anteriores, concordando con los datos extraídos de la

bibliografía.

Se presume que la inconsistencia en los resultados pudo ser generada por errores de tipo

sistemático en el momento en que se realizó el temple en salmuera, donde la agitación de la

muestra en este medio pudo no haber sido lo suficientemente rápida como para que el calor

pudiese ser disipado eficazmente.

La agitación es un factor significativo en la velocidad de enfriamiento y la siguiente tabladonde se muestra la relación entre la agitación y la severidad de temple (H) así lo deja ver

Tabla 3.6 Severidad del temple (H) a diferentes niveles de agitación [15]

AgitaciónMedio

Aire Aceite Agua Salmuera

Ninguna 0,02 0,25-0,30 0,9-1,0 2

Moderada - 0,3-0,4 1,0-1.3 2-2,2

Acentuada - 0,4-0,5 1,4-1,5 -

Fuerte 0,05 0,5-0,8 1,6-2,0 -

Violenta - 0,8-1,1 4 5

En la 3.6 se puede notar que si la agitación en el agua es lo suficientemente fuerte con

respecto a la de salmuera la severidad de temple (H) en el medio acuoso puede llegar a ser

igual o mayor que la del temple en el medio salino.

Es importante destacar que existen dos resultados de la dureza proveniente del temple en

agua (ver tabla 3.2). Esto se debe a que se realizaron dos mediciones, pues al momento de

realizar el tratamiento térmico no se sumergió completamente la pieza en el medio, por ello se

obtuvieron durezas diferentes en las caras trasversales de las probetas.


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3.4. REVENIDO

Al calentar una pieza de acero templado por debajo de su temperatura crítica y enfriarla de

manera controlada (puede ser con agua o con aceite), se consigue que la misma pierda algo de

dureza (aumentando la tenacidad), pero que disminuyan las tensiones internas y que seaumente la resistencia al impacto. [13].

La probeta a la que se le hizo el revenido mostró una dureza de 72HRA, como se puede ver

en la tabla 3.2. A su vez, al observar la dureza de las piezas templadas y compararlas con la

obtenida por revenido, el análisis arroja que el temple en agua (79,6 y 75,8 HRA) y el temple

en salmuera (75,6 HRA) presentan una dureza mayor a la de la pieza revenida, pero el temple

en aceite no (65,23 HRA).

Las variaciones de características que experimentan los aceros por efecto del revenido son

debidas a cambios microestructurales que consisten, principalmente, en la descomposición de

la martensita obtenida en el temple y se transforma en otros constituyentes más estables.

Al comparar los valores de dureza obtenidos en el temple en agua con los del revenido,

podemos observar que la pieza del primer tratamiento es más dura. Esto es acorde a lo que se

esperaba, pues como se mencionó antes, al calentar la pieza por debajo de su temperatura

crítica y enfriarla de forma controlada, se disminuye la dureza del material. Esto explica el

hecho de que la pieza revenida es menos dura que la del temple en agua.

Sin embargo, los resultados obtenidos para la pieza revenida no son completamente

confiables, ya que el procedimiento de este tratamiento térmico no se llevó a cabo de la

manera más adecuada, pues la probeta se retiró muy pronto del medio de temple. Aunque la

pieza se volvió a introducir rápidamente, es posible que los resultados se hayan visto afectados


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3.5. TEMPLABILIDAD

Siguiendo los lineamientos dictados por la norma ASTM A255-99 se procedió a realizar el

ensayo de Jominy para medir la templabilidad en dos barras de acero 4140 y 1045 de 4

pulgadas de longitud y 1 pulgada de diámetro, luego de esto las barras se sometieron a una prueba de dureza donde se midió, mediante el uso de un durómetro la dureza Rockwell cada

1/8 de pulgada desde el extremo templado hasta el final de la barra en los dos planos de la

misma.

A continuación se muestran las curvas de Jominy para cada acero, obtenidas a partir de los

datos experimentales (ver apéndice 1 tabla A-1).

50

55

60

65

70

75

80

85

0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000

D u r e z a R o c k w e l l A

Distancia del extremo templado 1/8 pulgada

Plano A

4140

Plano B

4140

Plano A

1045

Plano B

1045

50,00

55,00

60,00

65,00

70,00

75,00

80,00

85,00

0,0000 1,0000 2,0000 3,0000 4,0000

D u r e z a R o c k w e l l A

Distancia del extremo templado 1/8 pulgada

Acero 4140

Acero 1045

Figura 3.12. Curvas de Jominy para los aceros 4140 y 1045 por planos de la probeta

Figura 3.13. Curvas de Jominy para los aceros 4140 y 1045


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21

Cada curva de Jominy representa la dureza en función de la distancia entre el punto

considerado y la extremidad enfriada, en los aceros de alta templabilidad se obtiene un

descenso suave de la dureza y en el acero de baja templabilidad, una disminución brusca [16].

Por ello al ver las figuras 3.5.1 y 3.5.2 se puede decir que la templabilidad del acero 4140 es

mucho mayor a la del acero 1045.

En ambas curvas la dureza disminuye a medida que aumenta la distancia debido a que la

velocidad de enfriamiento (Ve) no es constante en todo el volumen de las probetas si no que se

va haciendo menor a mayores distancias en conjunto con la cantidad de martensita, hasta que

se alcanza una velocidad de enfriamiento que coincide con la nariz de la curva de el diagrama

TTT (temperatura, tiempo, transformación) y se denomina velocidad crítica de temple

(Vc)(ver figura 3.13), en la cual se deja de formar martensita y empiezan a formarse otras

estructuras cuya dureza es menor a la de la martensita, como la perlita por ejemplo. [15] (ver

figuras 3.13 y 3.14)).

Figura 3.13. Representación esquemática de las zonas de temple perfecto y de temple imperfecto en una probeta Jominy [15]


25/47

22

La composición química de un acero y en especial el contenido de elementos aleados es el

factor que influye más decisivamente en la forma de la curva TTT, por lo general los

elementos de aleación tienden a retardar el comienzo de las transformaciones y aumentar la

duración de las mismas, por lo que un acero de mejor templabilidad presentara un diagrama

TTT mas desplazado hacia la derecha. El efecto y la magnitud de la influencia de los diversos

aleantes son diferentes de unos casos a otros [1].

Los elementos aleantes como el Cromo y el Molibdeno que forman carburos aun en pequeñas

cantidades son los responsables de que en algunos diagramas TTT aparezcan dos narices, una

Figura 3.14 Velocidades de enfriamiento en diferentes posiciones de una probeta Jominy, sobre undiagrama TTT para un acero 1045


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23

de transformación perlítica y otra de transformación bainítica.[1] (Ejemplos de diagramas TTT

para los aceros AISI 4140 y 1045 se encuentran en el apéndice II-figuras A-7 y A-8))

La templabilidad de un acero es una función de su composición química, de la cantidad de

austenita heterogénea y de partículas insolubles así como del tamaño de los granos de

austenita que contiene al momento de hacer el temple. Un metal de gran templabilidad es uno

cuya austenita es capaz de transformarse a martensita sin formación de perlita, aun cuando la

velocidad de enfriamiento sea relativamente lenta. De manera recíproca, se requieren elevadas

velocidades de enfriamiento para formar martensita en los aceros de baja templabilidad [18].

A diferencia del 1045 el acero 4140 posee aleantes que mejoran la aptitud para el temple, en

el caso del molibdeno como resultado de una notable disminución de la zona crítica durante el

enfriamiento y en el caso del cromo porque tiende a evitar la formación de perlita durante el

enfriamiento. [12]

A continuación se presentan dos graficas de referencia que muestran como influencian el

factor de templabilidad y la dureza distintos elementos de aleación donde se incluye el Cromo

y el Molibdeno.

Figura 3.15. Influencia de los elementos de aleación enel aumento de dureza de la ferrita de los aceros de bajo

contenido de carbono [1]

Figura 3.16. Influencia de los elementos dealeación en la templabilidad de los aceros [1]


27/47

24

Finalmente se procedió a cortar cada barra de acero en 6 pequeñas probetas (ver figura 12)

para su respectiva preparación metalográfica y posterior estudio de las mismas bajo el

microscopio.

Donde la pieza 1 corresponde al extremo más templado que mantuvo contacto directo con elchorro de agua y la 6 al no templado por donde se hallaban los sujetadores de la barra.

A continuación se muestran las fotomicrografías de cada una de las 6 probetascorrespondientes a cada barra de acero.

Figura 3.17. Esquema del corte

Figura 3.18. Fotomicrografia pieza 1 del acero 4140 a3040X (nital al 5%)



28/47

25

El temple más severo tuvo lugar en la pieza 1 de cada barra de acero, y es por ello que las

mayores cantidades de martensita se pueden observar en las figuras 13 y 14. Una muestra de

martensita vista al microscopio aparece como placas lenticulares que dividen los granos de la

matriz; estas estructuras se tocan más nunca se cruzan una con otra. [19] (Una fotomicrografía

de referencia se puede encontrar en el apéndice II- figura A-1).

La martensita es el componente más importante del acero templado sin revenir. Es el más

duro de los componentes posibles obtenidos por tratamiento térmico en un acero de cualquiercomposición química. [12]

En las fotomicrografias de las figuras 15 y 16 correspondientes a las piezas número 2 ya se

empieza a notar una disminución gradual en la cantidad de martensita. Dicha disminución es

mayor para el acero 1045 en comparación con el 4140.




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26

Figura 3.22. Fotomicrografía pieza 3 del acero 1045 a3040X (nital al 5%)





30/47

27

Todas las fotomicrografías son consistentes con los resultados obtenidos en la curva de

Jominy debido a que en el acero 4140 se puede notar aparte de algunos microconstituyentes

perliticos, la presencia de ciertas cantidades de martensita hasta las piezas 5 y 6 (ver figuras

21 y 23), mientras que en el acero 1045 ya a partir de la pieza número 4 (ver figuras 20, 22 y

24) se empiezan a ver granos de ferrita y colonias perlíticas bien definidas.

Se presume que parte de las zonas oscuras con formas agudas en las fotomicrografías de las

piezas 3, 4 y 5 del acero 4140 (ver figuras 17, 19 y 21) son estructuras bainíticas, ya que éstas

por lo general se ven oscuras en la muestra atacada. Sin embargo resulta muy fácil


Figura 3.25. Fotomicrografía pieza 5 del acero 4140a 3040X (nital al 5%)

Figura 3.28. Fotomicrografía pieza 6 del acero1045 a 3040X (nital al 5%)

Figura 3.27. Fotomicrografía pieza 6 del acero 4140a 3040X (nital al 5%)


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28

confundirlas con la perlita cuando se ve con un microscopio óptico, debido a su gran parecido

por ser ambas un agregado de ferrita y cementita, la mejor manera de resolver sus detalles es

mediante el microscopio electrónico. (Ejemplos de fotomicrografías de referencia tanto del

microscopio electrónico como del óptico se pueden encontrar en el apéndice II, figuras A-3,

A-4 y A-5).


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29

CONCLUSIONES

El acero 4140 tuvo una templabilidad mayor que el 1045.

Los elementos aleantes del acero 4140 mejoran su aptitud al temple.

En el tratamiento térmico en el cual se obtuvo una menor dureza fue en el recocido,

mientras que en el del temple al agua se obtuvo el mayor.

Los tamaños de grano en la probeta a la cual se le hizo recocido resultaron ser

mayores que los de la probeta a la cual se le hizo tratamiento de normalizado

La dureza de la probeta de acero revenido resultó ser menor a la de la probeta que se le

hizo solo temple al agua.

En un principio la inmersión de la probeta de temple al agua no se hizo correctamente

y una de sus caras quedo fuera del medio de temple durante breves segundos, por lo

que hubo que ensayar la probeta por ambas caras.

El temple en agua realizado a la probeta destinada al tratamiento térmico revenido no

se efectuó de la manera adecuada ya que se retiró rápidamente del medio de temple.

En los tres medios de temple se obtuvo una microestructura homogéneas

principalmente de martensita.

En los tratamientos térmicos de recocido y normalizado se obtuvo una microestructura

formada por perlita y ferrita.


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30

RECOMENDACIONES

Para poder establecer comparaciones más precisas entre los temples en distintos medios es

recomendable controlar la velocidad e intensidad con la que se agita la pieza, para asegurarse

de no estar introduciendo errores en el ensayo que puedan llevar a resultados inconsistentes y

conclusiones erróneas. Una manera de hacerlo puede ser automatizando el proceso de manera

tal que todas las muestras puedan ser agitadas con la misma velocidad, o rociándole a las

piezas el fluido a presión sobre toda su superficie.


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31

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] J. Apraiz Barreiro. “Tratamientos térmicos de los aceros” 8va Edición. Editorial Dossat -

Plaza de Santa Ana. Madrid España 1974 pag: 69-101, 114-116, 152-159, 177-187, 191-195,

211-217, 241-256.

[2] DeGarmo, E.P, Black, J.T, Kohser, R.A. “Materiales y Procesos de Fabricación”, Editorial

Reverté, S.A, 2da Edición Vol 1. España, 2002. Pag:159

[3] Angiolani, Argeo. “Introducción a la Química Industrial: Fundamentos Químicos yTecnológicos”, Editorial Andrés Bello, Chile, Santiago de Chile,1960, pag: 585.

[4] Avner Sidney H, “Introducción a la Metalurgia Física”, Editorial. Mc Graw Hill, 2da.

Edición, México, pag: 234, 252-257, 270-271, 286-316.

[5] F. R. Morral, E. Jimeno, P. Molera “Metalurgia General” Vol. 2, Editado por Reverté,

S.A, España, (1985). Págs. 705-711, 1087-1100.

[6] Pazos Peinado, Norma. “Tecnología de los Metales ”, Editorial Universidad CatólicaAndrés Bello , Venezuela, Caracas, 2006, pag:183

[7] Callister William, “Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. Vol.2. Ed.

Reverte. España,2007, pags. 310-316, 341

[8] Askeland, Donald R. “Ciencia e ingeniería de los materiales”. Editorial Internacional

Thomson, 3era Edición, México, 1998, Pág: 182, 313-325

[9] Shakelford, James F. “Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros”. EditorialPrentice Hall, 2005. Pag: 353.

[10] Serope Kalpakjian, Stiven R. Schmid.”Manufactura, Ingeniería y Tecnología”. Editorial

Prentice Hall. Cuarta edición. Mexico. 2002. Pag: 120-126.

[11] Kucher, A. “Tecnología de Metales”, Editorial Mir Moscú, 1989, pag: 21, 75.


35/47

32

[12] Richard Henry Greaves, Harold Wrighton. “Metalografía Microscópica Practica”.

Editorial Urmo. Espartero Bilbao España.1979. Pag: 113-131.

[13] D.M.K. de Grinberg “Tratamientos Térmicos de Aceros”. Primera Edición, Editorial

Limusa, México (1986). Pag: 32,62.

[14] Molera Solá, Pere, “Tratamientos Térmicos de Los Metales”, Editorial Prodúctica,

España,1991, pags: 45-46.

[15] P. J. Maroni “Templabilidad un método para seleccionar aceros” Editorial Mitre, Buenos

Aires Argentina 1976, pag: 66-74.

[16] A.P Guliáev. Metalografía”. Editorial Mir.Moscú.1978. Pag:309-318.

[17] ASM Metals Handbook vol 4 “Heat Treating” pag: 54

[18] C. Chaussin, G. Hilly, P.Chevenard. “Metalurgia” tomo 1 “Aleaciones Metalicas”

Editorial Urmo. España 1975. Pp 167-172.

[19] W Hayden, G Moffatt, J Wolff “Introducción a la ciencia de los materiales ” Vol 3.

Limusa Wiley. Mexico 1968 Pág: 186-188.

[20] MEHL, Robert. “Atlas of microstructures of industrial alloys”, 8va edición. Metals

handbook, Volumen 7. ASM. Pp 191


36/47

33

APENDICE I

Tabla A-1. Resultados de dureza en las probetas de Jominy cada 1/8 de pulgada

Dureza Probeta de Acero 4140

Distancia

en

pulgadas

Dureza Probeta de Acero

1045

lado A lado B Promedio Lado A Lado B PromedioRockwell

C

Rockwell

A

Rockwell

A

Rockwell

C Rockwell A

Rockwell

A

Rockwell

A Rockwell A

57 79,6 79,6 57 79,60 0,1250 78,0 68,40 73,20

58 80,1 79,6 57 79,85 0,2500 67,4 64,30 65,85

56 79,0 79,0 56 79,00 0,3750 64,6 63,30 63,95

55 78,5 79,0 56 78,75 0,5000 63,8 63,30 63,55

55 78,5 76,8 52 77,65 0,6250 62,0 63,30 62,65

51 76,3 75,2 49 75,75 0,7500 62,8 62,00 62,40

49 75,2 74,7 48 74,95 0,8750 62,4 62,40 62,40

45 73,1 72,0 43 72,55 1,0000 62,0 61,50 61,75

43 72,0 70,9 41 71,45 1,1250 62,0 60,50 61,25

42 71,5 71,5 42 71,50 1,2500 61,5 60,90 61,20

40 70,4 70,9 41 70,65 1,3750 60,5 60,90 60,70

40 70,4 70,4 40 70,40 1,5000 60,2 59,50 59,85

39 69,9 69,4 38 69,65 1,6250 60,2 58,90 59,55

38 69,4 69,4 38 69,40 1,7500 60,2 58,30 59,25

38 69,4 69,4 38 69,40 1,8750 60,2 58,30 59,25

37 68,9 69,4 38 69,15 2,0000 59,5 58,90 59,20

37 68,9 69,4 38 69,15 2,1250 59,5 58,90 59,20

36 68,4 69,4 38 68,90 2,2500 59,5 58,30 58,90

37 68,9 69,4 38 69,15 2,3750 58,9 58,90 58,90

37 68,9 69,4 38 69,15 2,5000 58,9 58,30 58,60

35 67,9 68,4 36 68,15 2,6250 58,9 57,60 58,25

37 68,9 68,9 37 68,90 2,7500 58,3 57,60 57,95

36 68,4 68,4 36 68,40 2,8750 58,3 57,60 57,95

37 68,9 68,9 37 68,90 3,0000 58,3 57,60 57,95

36 68,4 68,4 36 68,40 3,1250 57,6 57,00 57,30

36 68,4 68,9 37 68,65 3,2500 58,3 57,60 57,95

37 68,9 68,4 36 68,65 3,3750 58,3 57,60 57,95

36 68,4 67,9 35 68,15 3,5000 58,3 57,60 57,95

35 67,9 67,9 35 67,90 3,6250 58,3 57,60 57,95

34 67,4 67,9 35 67,65 3,7500 58,3 57,60 57,95

35 67,9 67,4 34 67,65 3,8750 57,6 57,60 57,60


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34

APENDICE II

A continuación se muestran una serie fotomicrografías de referencia obtenidas a partir de

la bibliografía para las distintas estructuras que se buscan conseguir con los diversos

tratamientos térmicos.

Figura A-1.Martensita en un acero demedio carbono a 370X [19]

Figura A-1.Martensita en un acero 4140a 500X (nital al 2%) [20]

Figura A-3. Microestructura de bainita vista

con un microscopio electrónico a 15000X [4] Figura A-4. Bainita plumosa y bainita fina en

una matriz martensítica (blanca) 1000X [4]


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35

Figura A-6. Diagrama Fe-C [13]

Figura A-5. Microestructura de bainita vistacon un microscopio electrónico a 15000X [4]

Figura A-4. Bainita Acicular o inferioragujas negras en una matriz martensitica [4]


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36

Figura A-7 diagrama TTT para un acero 4140 [17]

Figura A-8 diagrama TTT para un acero 1045 [17]


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37

Figura A-9 Burbujas que se generan al templar una probeta de acero en salmuera [1]

Figura A-10 Capa de vapor alrededor de una probetatemplada en agua [1]


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38

Figura A-11 burbujas de vapor que envuelven la periferia de una pieza templada en aceite [1]


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APENDICE III

Procedimiento para los cálculos de porcentaje de fases y tamaño de grano

Para determinar la fracción de puntos (Pp) se utiliza la siguiente igualdad:

() ∑

Para determinar el porcentaje de una fase (por Ej: ), se usa esta ecuación:

Un ejemplo de este cálculo se realizó para calcular el porcentaje de perlita en el Normalizado:

()


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40

Para calcular los números de tamaño de grano ASTM en las probetas que fueron recocidas y

normalizadas por el método de Jeffries se utilizó el software Digimizer en su versión 3.0. para

trazar las líneas y circunferencias necesarias sobre varias fotomicrografías a diferentes

aumentos. Un ejemplo se encuentra en la siguiente fotomicrografía del recocido

Luego de esto, se hizo el conteo de los granos en cada una y con la ayuda de las siguientes

ecuaciones se procedió a calcular cada valor de G.

Relación de Jeffries para determinar el número de granos por milímetro cuadrado (NA) y

número ASTM de tamaño de grano (G):

Nº Pα (± 1) PT (± 1) Vα (± 0.01) 1 28,0 36,0 0,692 27,0 36,0 0,553 28,0 36,0 0,764 26,0 36,0 0,675 29,0 36,0 0,676 30,0 36,0 0,61

Promedio 28 36,0 0,66Desviación

E.3,4 0,0 0,07

Tabla A-2 . Porcenta e de fase erlita en el Normalizado


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41

A continuación se presentará las tablas en donde se expresa las mediciones de dureza de

cada uno de los tratamientos térmicos:

Tabla A-3. Dureza del Recocido

Dureza Rockwell B Rockwell A

1 81 50

2 85 52,3

3 85 51,7

Promedio 83,7 51,3

Desviación Estándar 2,3 1,2

Tabla A-4. Dureza del Normalizado

Dureza Rockwell B Rockwell A

1 91,0 55,8

2 94,0 57,6

3 95,0 58,3

Promedio 93,3 57,2



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42

Tabla A-4. Dureza Temple

Dureza Rockwell C Rockwell A

Temple en aceite 30 ± 2,3 65,2 ± 1,5

Temple en agua (lado A) 57 ±2,6 79,6 ±1,4Temple en agua (lado B) 50 ± 2,0 75,8± 1,1

Temple en salmuera 49 ± 2,1 75,4 ± 0,4

Tabla A-5. Dureza del Revenido

Dureza Rockwell C Rockwell A1 43,3 72

2 45,1 73,1

3 41,9 70,9

Promedio 43 72



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DECLARACIÓN OBLIGATORIA PARA ENTREGA DE TAREAS O INFORME

GRUPAL

Entendemos que la honestidad académica es uno de los valores esenciales de la USB, y

que la falta de probidad en el ejercicio de las obligaciones de un estudiante, como por ejemplo

el plagio y la copia de un examen, son violaciones de las normas de la USB que pueden ser

sancionadas severamente.

Declaramos además que estamos en conocimiento de todos los elementos del trabajocontenido en la presente, y que dicho trabajo ha sido realizado solamente por los miembros de

nuestro grupo.

Nombre y Apellido: Misael Millán Firma:

Nombre y Apellido: Edward Lozano Firma:

Nombre y Apellido: Jesús Serrano Firma:


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