Ensayo Jo Miny

ENSAYOJOMINY TEMPLABILIDAD La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacionada con un parámetro denominado templabilidad. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. "Templabilidad" es un término utilizado para describir la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico. Templabilidad no es dureza, que significa resistencia a la penetración, aunque se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior, es decir, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. La templabilidad viene definida por la curva TTTy la penetración del temple por la interacción de esa curva con las de enfriamiento. Por tanto, si se comparan entre sí los resultados de templar una pieza de un mismo tamaño empleando igual severidad de enfriamiento, el resultado del temple dependerá exclusivamente del acero. En ello se fundamenta el ensayo Jominy.

ENSAYOJOMINY Un procedimiento estándar utilizado ampliamente para determinar la templabilidad es el ensayo Jominy (Norma UNE-EN ISO 642- Ensayo de templabilidad por templado final). En este ensayo se mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición, como por ejemplo tamaño y forma de la pieza y tratamiento de temple. Una probeta cilíndrica de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, en primer lugar se calienta hasta temperatura superior a la A3c del acero en cuestión, en el horno adecuado, durante una media hora, para asegurar que incluso el núcleo de la probeta resulte austenizado A continuación se transporta la probeta a un dispositivo de enfriamiento (figura) construido también según norma. El tiempo transcurrido desde que se extrae la probeta el horno hasta que se inicia su refrigeración no debe superar los 5 segundos.

El dispositivo del temple tiene un elemento de fijación y centrado de la probeta, situado en la vertical del orificio de salida del agua, a fin de que el enfriamiento tenga lugar exclusivamente por su base inferior (también para ello, mientras dura el ensayo, el dispositivo deberá estar al abrigo de corrientes de aire). Templada así la probeta las velocidades de enfriamiento de todos sus puntos —por tanto también de los situados en su superficie lateral, estén más o menos alejados de la base—, resulten fijas y perfectamente conocidas. El chorro de agua tiene una velocidad de flujo y una temperatura especificadas (25 ºC). De este modo, la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de laprobeta.

Figura 1.- Representación esquemática de la probeta del ensayoJominy (a) instaurada durante eltemple (b) después del ensayo de dureza a partir del extremo templado y a lo largo de la arista.

ENSAYOJOMINY En la tabla se indican esas velocidades de enfriamiento: en función de la distancia de cada punto de la generatriz al extremo templado. Una vez enfriada plenamente la probeta se planean por rectificado dos generatrices, situadas a 180 °Cuna de otra, hasta una profundidad de 0.4 mm (para eliminar la posible decarburación superficial y para poder medir las durezas que presenta la probeta a partir del extremo templado). Conviene advertir que el rectificado debe hacerse evitando todo calentamiento que pudiera producir un posible revenido. Sedetermina la dureza a lo largo de los 50 primeros milímetros de la probeta (Figura 1b); en los primeros 12.5 mm las lecturas de dureza se toman a intervalos de 1.6 mm y en los 37.5 mm siguientes cada 3.2 mm. Setraza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado.

En la figura se comparan dos aceros: uno de poca templabilidad —curva TTT próxima al origen de tiempos— y otro de más templabilidad. Habida cuanta que las velocidades de enfriamiento son iguales en ambos casos, los resultados del temple dependen exclusivamente de la curva TTTdel acero y, por tanto, proporcionan una medida cualitativa de la templabilidad: cuanto más "templable" es el acero tanto más horizontal resulta la curva Jominy de durezas. La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la distancia al extremo templado. Un acero con alta templabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias relativamente largas, mientras que uno de baja templabilidadno.

Velocidades de enfriamiento en el ensayo Jominy u distintas distancias del extremo templado de laprobeta.

CURVASDETEMPLABILIDAD En la figura se reproduce una curva de templabilidad típica. El extremo templado se enfría más rápidamente y presenta un máximo de dureza; en esta posición y en la mayoría de los aceros, la microestructura coincide con 100 %de martensita. La velocidad de enfriamiento decrece con la distancia del extremo templado y la dureza también disminuye, como indica la figura. Al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para la difusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con martensita y bainita.

Típico gráfico de templabilidad: dureza Rockwell Cen función de la distancia al extremo templado.

Durezas de estructuras 99.9 %y 50 % martensíticas en función del contenido decarbono

Para poder estimar —cuantitativamente— las templabilidad de aceros cuyas curvas Jominy se conocen, puede emplearse la medida J99: la distancia Jominy al extremo templado de la probeta en que laestructura de cada acero es 99 %de martensita; o lo que es igual, la distancia al extremo templado en que la dureza corresponde a 99 %de martensita en ese acero. Yla dureza de una estructura 99 %martensítica de cada acero es bien conocida puesto que, prácticamente, depende sólo de su porcentaje en carbono . En muchos casos prácticos, en vez de J99se acepta la medida J50: distancia a partir del extremo templado en que la dureza corresponde a 50 %de martensita.

A veces es más conveniente relacionar la dureza con la velocidad de enfriamiento que con la distancia al extremo templado de una probeta Jominy estándar. La velocidad de enfriamiento (tomada a partir de 704 °C) se suele indicar en el eje horizontal de un diagrama de templabilidad; esta escala se incluye en las curvas de templabilidad. La relación entre distancia y velocidad de enfriamiento es la misma para el acero al carbono que para el acero aleado, porque la velocidad de transferencia térmica es casi independiente de la composición. A veces, la velocidad de enfriamiento térmico de la distancia Jominy: la unidad de distancia Jominy es 1/16 pulgada = 1.6 mm. Sepuede trazar una correlación entre distancia al extremo templado de la probeta Jominy y las transformaciones por enfriamiento continuo.

Por ejemplo, la figura es un diagrama de transformación por enfriamiento continuo de un acero aleado eutectoide, donde también se han dibujado las curvas de enfriamiento a cuatro diferentes posiciones Jominy y se han indicado las microestructuras resultantes. También se incluyen las curvas de templabilidad de estos aceros. Correlación entre templabilidad e información del enfriamiento continuo del acero de composición eutectoide

La figura muestra curvas de templabilidad para cinco diferentes aceros aleados que contienen 0.40 %Cy diferentes cantidades de estos elementos aleantes. Una probeta es de acero al carbono (1040) y las cuatro restantes (4140, 4340, 5140 y 8640) son aceros aleados. En esta figura destacan algunos detalles. Las cinco aleaciones tienen la misma dureza en el extremo templado (57 HRC); cuya magnitud sólo depende del contenido en carbono, que es el mismo en todas estas aleaciones. Probablemente la característica más sobresaliente de estas curvas es su forma, relacionada con la templabilidad. La templabilidad del acero al carbono 1040 es baja porque la dureza desciende rápidamente a 30 HRC después de una distancia Jominy relativamente corta (1/4pulgada = 6.4 mm). Por el contrario, las disminuciones de dureza en los otros cuatro aceros aleados son claramente más graduales. Por ejemplo, a una distancia Jominy de 2 pulgadas (50 mm) las durezas de las aleaciones 4340 y 8640 son 50 y 32 HRC,respectivamente; así, la aleación 4340 es más dura que la 8640. Una probeta de acero al carbono 1040 sólo endurece la zona próxima a la superficie, mientras que en los otros cuatro aceros aleados la elevada dureza del temple profundiza mucho más.

Curvas de templabilidad para cinco diferentes aceros aleados que contienen 0.4 %C.Las composiciones aproximadas (% en peso)son: 4340-1.85 Ni; 0.80 Cr; 0.25 Mo 4140-1.0 Cr ; 0.20 Mo 8640-0.55 Ni; 0.50 Cr ; 0.20 Mo; 5140-0.85 Cr 1040 es un acero al carbono.

Los perfiles de dureza de la figura indican la influencia de la velocidad de enfriamiento en la microestructura. En el extremo templado, donde la velocidad de temple es aproximadamente de 600 °C/s, se forma martensita 100 %en las cinco aleaciones. A velocidades de enfriamiento menores de 70 °C/s o distancias Jominy mayores de 6.4 mm, la microestructura del acero 1040 es predominantemente perlítica con restos de ferrita proeutectoide. Sin embargo, la microestructura de los cuatro aceros aleados consta fundamentalmente de una mezcla de martensita y de bainita; el contenido de bainita crece al disminuir la velocidad deenfriamiento.

Esta disparidad en el comportamiento de la templabilidad de las cinco aleaciones de la figura se explica por la presencia de níquel, cromo y molibdeno en los aceros aleados. Estos elementos aleantes retrasan las reacciones austenita-perlita y/o bainita, lo quepermite que se forme más martensita para una velocidad de enfriamiento determinada, originando mayor dureza. El eje vertical derecho de la figura muestra la fracción aproximada de martensita presente a varios valores de dureza para estas aleaciones.

Curvas de templabilidad para cinco diferentes aceros aleados que contienen 0.4 %C.Las composiciones aproximadas (% en peso)son: 4340-1.85 Ni; 0.80 Cr; 0.25 Mo 4140-1.0 Cr ; 0.20 Mo 8640-0.55 Ni; 0.50 Cr ; 0.20 Mo; 5140-0.85 Cr 1040 es un acero al carbono.

Las curvas de templabilidad también dependen del contenido en carbono. Este efecto se demuestra en la figura 11.6 para una serie de aceros aleados en los que sólo varía la concentración de carbono. En la producción industrial del acero siempre se producen pequeñas variaciones, de una hornada a otra, en cuanto a la composición y al tamaño de grano, lo que modifica los datos de templabilidad. Por este motivo, estos datos se suministran en forma de banda, donde están representados los valores máximo y mínimo para una aleación particular. En la figura 11.7 se ha representado la banda de templabilidad del acero 8640. Una aleación específica designada con una H final (por ejemplo, 8649H) indica que la composición y características de esta aleación son tales que su curva de templabilidad entra dentro de la bandaespecífica. Figura 11.7.- Banda de templabilidad de un acero 8640 con indicación de los límites máximo y mínimo

Figura 11.6.- Curvas de templabilidad para cuatro aceros aleados de la serie 8600 cuyo contenido en carbono se indica.

INFLUENCIADELMEDIO DETEMPLE, TAMAÑO YGEOMETRÍADELAMUESTRA En el tratamiento anterior se ha discutido la influencia que la composición y el enfriamiento o velocidad de temple ejercen sobre la dureza. La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la velocidad de eliminación de la energía térmica, que es función de las características del medio de temple en contacto con la superficie de la muestra, del tamaño y de la geometría de la muestra.

"Severidad de temple" es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de enfriamiento. El temple más rápido equivale al temple más severo. De los tres medios de temple más utilizados (agua, aceite y aire) el agua es el que produce un temple más severo seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de cada medio también influye en la velocidad de eliminación del calor. Incrementando la velocidad de enfriamiento a través de la superficie de la probeta, aumenta la efectividad del temple. Los aceites de temple son adecuados para el tratamiento térmico de la mayoría de los aceros aleados. En efecto, para los aceros altos en carbono el temple en agua puede resultar demasiado severo porque produce deformaciones y grietas. El enfriamiento al aire del acero al carbono generalmente produce una microestructura casi totalmente perlitica.

Durante el temple de una probeta de acero, la energía térmica se debe transportar a la superficie antes de que ésta pueda disiparse en el medio de temple. Por consiguiente, la velocidad de enfriamiento en el interior de la estructura del acero varía con la posición y depende del tamaño y de la geometría de la probeta.

Las figuras 11.8a y 11.8b muestra la VELOCIDAD DETEMPLE(DESDE700°C) como una función del diámetro de barras cilíndricas a cuatro posiciones radiales (superficie, tres cuartos de radio, la mitad del radio y centro). Los medios de temple son agua ligeramente agitada (Figura 11.8a) y aceite (Figura 11.8b). Las velocidades de enfriamiento también se expresan como distancia Jominy equivalente, ya que estos datos a menudo se utilizan conjuntamente con las curvas de templabilidad. También se han hecho diagramas parecidos a los de la figura 11.8 para formas geométricas distintas de las barras cilíndricas (por ejemplo, láminas).

AGUA

ACEITE

Figura 11.8.- Velocidades de enfriamiento en función del diámetro de barras cilíndricas templadas con agitación suave en (a) agua y (b) aceite. Las posiciones corresponden a la superficie, tres cuartos del radio (3R/4), mitad del radio (R/2) y centro. En el eje inferior se han indicado las posiciones Jominyequivalentes

Una utilidad de estos diagramas es predecir la dureza a través de la sección de la probeta. Por ejemplo, la figura 11.9a compara la distribución radial de dureza para probetas cilíndricas de un acero aleado (4140) y de un acero al carbono (1040). Ambas tienen un diámetro de 50 mm y se han templado en agua. Observando estos perfiles se evidencia diferencia de templabilidad.

Los diámetros de las probetas también influyen en la distribución de durezas, como demuestra la Figura 11.9b, donde están representados los perfiles de durezas de cilindros 4140 de diámetros 50 mm y 100 mm templados en agua. Figura 11.9.- Perfiles de dureza radial para: (a) cilindros de 2 pulgadas (50 mm) de diámetro de muestras de acero de 1040 y 4140 templados en agua con agitación suave (b) (b) muestras de acero 4120 de 2 y 4 pulgadas (50 y 100 mm) de diámetro templados en agua con agitación suave.

Determinar el perfil de dureza para una muestra de acero 1040 de forma cilíndrica de 50 mm de diámetro que se ha templado en agua moderadamente agitada.

SOLUCIÓN

La evaluación de la velocidadde enfriamiento (en términos de la distanciade Jominy al extremo templado) en el centro, en la superficie y en posiciones mitad y tres cuartos del radio de una probeta cilíndrica se consigue utilizando la gráfica de la velocidad del enfriamiento frente al diámetro de la probeta para un medio de temple apropiado (Figura 1a). Después, la velocidad de enfriamiento de cada posición radial se convierte en un valor de dureza a partir de la gráfica de templabilidad para la aleación particular. Finalmente se determina el perfil de dureza representando la dureza en función de la posición radial.

Figura 1

Este procedimiento se muestra en la figura 1 para la posición central. Obsérvese que para un cilindro de 2 pulgadas de diámetro y templado en agua la velocidad de enfriamiento en el centro es equivalente a la que corresponde a, aproximadamente, 3/8 pulgadas del extremo templado de la probeta Jominy (Figura 1a). Esta velocidad de enfriamiento corresponde a una dureza de aproximadamente 28 HRC,como se desprende de los datos de templabilidad para el acero aleado 1042 (Figura 1b). Finalmente estos dalos se representan en un perfil de dureza en la figura 1c. Las durezas en la superficie, a la mitad y a tres cuartos del radio se determinan de modo parecido. Seincluyen los perfiles completos, y los datos utilizados se han tabulado a continuación.

Figura 1

Sedesea obtener una probeta cilíndrica de 38 mm de diámetro austenizada y templada con una microestructura que como mínimo contenga 80 %de martensita en el centro. Escoger el acero idóneo de entre el 4340, 4140, 8640, 5140 y 1040 si el medio de temple es (a) aceite moderadamente agitado y (b) agua moderadamente agitada. Justificar la eleccion. Dado que la tasa de enfriamiento es la más baja en el centro, queremos un mínimo de 80% de martensita en la posición central. De la figura 11.16 (b), la velocidad de enfriamiento es igual a una distancia equivalente desde el extremo templado de 12 mm (1/2 in). De acuerdo con la figura 11.13, la dureza correspondiente al 80% de martensita para estas aleaciones es de 50 HRC. Por lo tanto, todo lo que necesitamos hacer es 38 determinar cuál de las aleaciones tiene una dureza de 50 HRC a una distancia equivalente del extremo templado de 12 mm (1/2 in). A una distancia equivalente de 12 mm (1/2 in), las siguientes durezas se determinan a partir de la Figura 11.13 para las diversas aleaciones. Aleacion Dureza (HRC) 4340 55 4140 52 8640 48 5140 42 1040 25 Por lo tanto, solo las aleaciones 4340 y 4140 calificarán

12 mm

ACEITE

Sedesea obtener una probeta cilindrica de 38 mm de diámetro austenizada y templada con una microestructura que como mínimo contenga80 %de martensita en el centro. Escoger el acero idóneo de entre el 4340, 4140, 8640, 5140 y 1040 si el medio de temple es (a) aceite moderadamente agitado y (b) agua moderadamente agitada. Justificar la elección.

(b).Para agua moderadamente agitada, la velocidad de enfriamiento en el centro de una muestra de 38 mm de diámetro es una distancia equivalente de 8 mm (5/16 pulg.) Del extremo templado [Figura 11.16 (a)]. En esta posición, las siguientes durezas se determinan a partir de la Figura 11.13 para las varias aleaciones. Alloy Hardness (HRC) 4340 56 4140 55 8640 54 5140 49 1040 32 Todavía es necesario tener una dureza de 50 HRC o más en el centro; por lo tanto, las aleaciones 4340, 4140 y 8640 califican

38

8 mm

AGUA

(a).- Una probeta cilíndrica de acero 4140 se ha austenizado y templado en aceite moderadamente agitado. Si la microestructura del centro consiste en 50 %como mínimo de martensita, ¿cuál es el diámetro adecuado? Justificar la respuesta. (b).- Un cilindro de acero 8660 se ha austenizado y templado en aceite con agitación moderada. Si la dureza de la superficie debe ser de 58 HRC,¿cuál es el diámetro adecuado? Justificar larespues ta . Se nos pide que determinemos el diámetro máximo posible para una pieza cilíndrica de acero 4140 que se debe templar en aceite moderadamente agitado de modo que la microestructura consista en al menos 50% de martensita en toda la pieza. De la figura 11.13, la distancia equivalente desde el extremo templado de un acero 4140 para obtener un 50% de martensita (o una dureza de 42.5 HRC) es de 26 mm. Por lo tanto, la velocidad de enfriamiento en el centro de la muestra debe corresponder a esta distancia equivalente. Usando la figura 11.16 (b), la curva del espécimen central toma un valor de 26 mm de distancia equivalente con un diámetro de alrededor de 75 mm

26 mm

ACEITE

(b).- Un cilindro de acero 8660 se ha austenizado y templado en aceite con agitación moderada. Si la dureza de la superficie debe ser de 58 HRC,¿cuál es el diámetro adecuado? Justificar larespuesta.

(b).- 95 mm 95 mm

18 mm 18 mm

ACEITE

Problema propuesto Comparar la efectividad de los temples en agua y en aceite, ambos con agitación moderada, mediante la representación gráfica de los perfiles de dureza radial en probetas cilíndricas de 75 mm de diámetro de un acero 8640 templadas en ambos medios

¿Es posible producir una aleación de hierro-carbono de composición eutectoide (0.77% C) que tenga una dureza mínima de 90 HRB y un mínimo ductilidad del 35% RA? Si es así, describa el tratamiento térmico de enfriamiento continuo al que la aleación estaría sujeta lograr estas propiedades. Si no es posible, explica por qué. Este problema indaga sobre la posibilidad de producir una aleación de hierro-carbono de composición eutectoide que tenga una dureza mínima de 90 HRB y una ductilidad mínima de 35% RA. Si la aleación es posible, entonces se debe estipular el tratamiento térmico de enfriamiento continuo. De acuerdo con las figuras (a) y (b), la siguiente es una tabulación de durezas Rockwell B y porcentajes de reducción del área para perlitas finas y gruesas y esferoíta para una aleación de 0.77% en peso de C. Microstructure HRB %RA Fine pearlite >100 22 Coarse pearlite 93 29 Spheroidite 88 68 Por lo tanto, ninguna de las microestructuras cumple estos dos criterios. Perlitas finas y gruesas son lo suficientemente difíciles, pero carecen de la ductilidad requerida. La esheroidita es suficientemente dúctil, pero no cumple el criterio de dureza.

. EJEMPLO DE DISEÑO 11.1 - Selección de aleación de acero y tratamiento térmico Es necesario seleccionar una aleación de acero para un eje de salida de la caja de engranajes. El diseño requiere un 1 en. diámetro del eje cilíndrico con una dureza superficial de al menos 38 HRC y una ductilidad mínima de 12% EL. Especifique una aleación y un tratamiento que cumplan con estos criterios. Solución En primer lugar, el costo también es una consideración de diseño importante. Esto probablemente eliminaría aceros relativamente caros, como el inoxidable y aquellos que son endurecibles por precipitación. Por lo tanto, comencemos por examinar los aceros de carbono liso y de baja aleación, y qué tratamientos están disponibles para alterar sus características mecánicas. Es poco probable que simplemente trabajando en frío uno de estos aceros produzca la combinación deseada de dureza y ductilidad. Por ejemplo, de la Figura 1, una dureza de 38 HRC corresponde a una resistencia a la tracción de 1200 MPa. La resistencia a la tracción como función% de trabajo en frío para un acero 1040 se representa en la Figura 2b. Aquí se puede notar que % CW, se logra una resistencia a la tracción de solo alrededor de 900 MPa; además, la ductilidad correspondiente es aproximada % EL (Figura 2c). Por lo tanto, ambas propiedades no alcanzan las especificadas en el diseño; además, otros aceros de bajo carbono o de baja aleación probablemente no alcanzarán los valores mínimos requeridos.

Figure 2

Figure 1

Otra posibilidad es realizar una serie de tratamientos térmicos en los que el acero es austenizado, templado (para formar martensita) y finalmente templado. Examinemos ahora las propiedades mecánicas de varios aceros de carbono liso y de baja aleación que se han tratado térmicamente de esta manera. Para comenzar, la dureza de la superficie del material templado (que finalmente afecta la dureza templada) dependerá tanto del contenido de la aleación como del diámetro del eje. Por ejemplo, el grado en que la dureza de la superficie disminuye con el diámetro se representa en la Tabla 11.10 para un acero 1060 que se enfrió con aceite. Además, la dureza superficial templada también dependerá de la temperatura y el tiempo de revenido.

Se recogieron datos de dureza y ductilidad templados y templados para un solo carbono simple (AISI / SAE 1040) y varios aceros de baja aleación comunes y de fácil acceso, cuyos datos se presentan en la Tabla 11.11. Se indica el medio de enfriamiento (ya sea aceite o agua) y las temperaturas de temple fueron de 540 ºC, 595 ºC y 650 ºC. Como se puede observar, las únicas combinaciones de aleación y tratamiento térmico que cumplen los criterios estipulados son templado 4150 / aceite-540 ºC, temple 4340 / aceite-540 ºC y temple 6150 / aceite-40 ºC. Los datos de estas aleaciones / tratamientos térmicos están en negrita en la tabla. Los costos de estos tres materiales son probablemente comparables; sin embargo, se debe realizar un análisis de costos. Además, la aleación 6150 tiene la mayor ductilidad (por un margen estrecho), lo que le daría una ligera ventaja en el proceso de selección.