Ensayos de Templabilidad en Aceros

MATERIALES METÁLICOS

INSTITUTO DE TECNOLOGÍA “PROFESOR JORGE A. SABATO” - CNEA – UNSAM

Trabajo Práctico N° 2: “Ensayo de Templabilidad en Aceros” Integrantes: Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz

Docentes: Profesor: Ing. Guillermo Anteri Anteri Jefe de Trabajos Prácticos: Ing. Gustavo Merlone Ayudante: Ing. Andrés Pastor Ayudante de Laboratorio: Ing. Darío Ciriani

Año: 2015

Trabajo Práctico N° 2: “Ensayo de Templabilidad en Aceros”

Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz

Índice Resumen ....................................................................................................................... 3 1.

Objetivos................................................................................................................ 3

2.

Introducción ........................................................................................................... 3

2.1 Ensayo de Jominy .................................................................................................................... 3 3.

Desarrollo............................................................................................................... 5

4.

Resultados y Discusión............................................................................................ 6

4.1 Acero SAE 1040........................................................................................................................ 6 4.2 Acero SAE 4140........................................................................................................................ 7 4.3 Acero SAE 4340………………………………………………………………………………………………………..…………7 4.4 Comparación con bandas de Jominy publicadas .................................................................... 8 4.5 Comparación entre los distintos aceros ensayados ............................................................... 9 5.

Conclusiones .......................................................................................................... 9

6.

Bibliografía ........................................................................................................... 10

ANEXO: Bibliografía consultada.

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Trabajo Práctico N° 2: “Ensayo de Templabilidad en Aceros”

Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz

Resumen Durante la realización de este trabajo se buscó confeccionar curvas de templabilidad (curvas de Jominy) de aceros SAE 1040, SAE 4140 y SAE 4340, para compararlas entre sí y con las de bibliografía e interiorizarnos en las normas más comunes que regulan la práctica de estos ensayos. El acero más templable resultó ser el SAE 4340 y el menos templable el SAE 1040.

1. Objetivos El objetivo de la práctica consiste en comparar, empleando el ensayo desarrollado por Jominy, la templabilidad que poseen aceros con distinto grado de aleación. En muchos grupos de aceros, entre los que se encuentran los aceros para construcción de piezas de máquinas, aceros para recipientes a presión y aceros estructurales, la mejor combinación de las propiedades mecánicas más importantes (resistencia y tenacidad), se logra obteniendo en el material una estructura de bainita inferior o bien de martensita revenida. Aunque existen tratamientos que permiten obtener bainita inferior, en ciertos aceros (generalmente de bajo C de uso estructural o para recipientes a presión, aunque también hay aceros bainíticos de medio y alto C), resulta más frecuente la obtención de martensita revenida cuando se desea alcanzar esa combinación óptima mencionada. Es evidente que en estos casos la templabilidad se convierte en una propiedad esencial, ya que determina cuánta martensita se formará en una pieza de tamaño dado, cuando se enfríe en condiciones también especificadas. A pesar de que actualmente existen varios métodos de predicción de templabilidad en función de la composición química del acero, no han llegado aún al nivel de perfeccionamiento tal que hagan prescindible el uso de un ensayo para medir esta propiedad.

2. Introducción 2.1 Ensayo de Jominy Es el ensayo más utilizado para evaluar la templabilidad. Fue descrito por primera vez por W. E. Jominy en su trabajo: “A Hardenability Test for Carburizing Steels” publicado por la ASM (1938). Como su nombre lo indica, fue originalmente pensado para aceros de cementación (carburación) y luego su uso se extendió a los aceros bonificables. Se encuentra normalizado en: IRAM – IAS U 500  – 123; ASTM A – 255 y SAE J406b. La curva obtenida en el ensayo no sólo permite conocer la respuesta del material para distintas velocidades de enfriamiento y, por lo tanto, su templabilidad, sino que también permite comparar gráficamente la templabilidad de distintos aceros y observar la influencia de los elementos aleantes. Además, sirve para la selección de aceros por su templabilidad cuando su uso se combina con otras 3

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz curvas y también para especificar la templabilidad necesaria en cada aplicación particular. El ensayo posee varias limitaciones; quizás la más importante sea que no da información sobre la microestructura resultante para las distintas velocidades de enfriamiento, sino sólo acerca de la dureza (en ciertas aplicaciones esto es un inconveniente). Este ensayo consiste, simplemente, en templar una probeta de 25,4 mm (1”) de diámetro y 101,6 mm (4”) de longitud (Figura 1) mediante un chorro de agua que se encuentra a una temperatura dentro del rango contemplado por la norma y que enfría solamente la base inferior (figura 2). Se emplea para la fabricación de las probetas, barras de más de 32 mm de diámetro con el objeto de eliminar, mediante el mecanizado cualquier capa superficial descarburada que pudiese existir. Antes de realizar el mecanizado, se normaliza la probeta a una temperatura de 80 °C por encima del punto Ac3, con el objeto de regularizar las condiciones de ensayo.

Figura 1: Probeta para ensayo de Jominy

Para el templado, el calentamiento es realizado a una temperatura 60 °C por encima de la temperatura crítica superior, debiendo colocarse la probeta con grafito, viruta de fundición o atmósfera controlada (para evitar descarburaciones u oxidaciones superficiales). El tiempo que debe mantenerse la probeta a la temperatura de temple oscila entre 30 a 40 minutos. Posteriormente, se debe colocar la probeta rápidamente (no más de 5 segundos) en el dispositivo de enfriamiento para evitar que descienda demasiado la temperatura. La probeta deberá mantenerse en contacto con un chorro de agua durante no menos de 10 minutos y luego se puede (sin que se modifiquen los resultados) enfriarla totalmente en agua o en aire. Mediante este método se consiguen a lo largo de la probeta velocidades de enfriamiento entre 333 °C/s a 2,2 °C/s. Para los aceros al C y de baja aleación, la velocidad de enfriamiento correspondiente a cada punto de la probeta es la misma independientemente de los elementos aleantes, ya que estos no modifican mucho la difusividad térmica del acero para estos rangos de composición química. Esto hace que los resultados del ensayo sean comparables entre distintos aceros al C y de baja aleación.

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz Durante el ensayo, la presión de agua de enfriamiento debe permanecer constante, para ello se utiliza un depósito con un nivel constante para obtener una altura de 63,5 mm (2,5”) en el chorro de agua. La cara inferior de la probeta se encuentra a 12,7 mm (½”) del orificio de salida del agua (figura 2). Una vez terminada la experiencia, se mecanizaron 2 generatrices de la probeta situadas 180° una de la otra y se rebaja 0,38 mm (0,015”) de profundidad. Se debe evitar que durante la operación de Figura 2: Esquema del dispositivo para el ensayo de Jominy rebaje el acero se caliente por encima de 100 °C. Para comprobar que las superficies no se han revenido durante la operación de rebaje, se recomienda el siguiente procedimiento de ataque: •

• • • • •

Se preparan las siguientes soluciones: 1) 5 cm3 HNO3 + 95 cm3 H2O 2) 50 cm3 HCl + 90 cm3 H2O Atacar con la solución 1 hasta que ennegrezca la probeta. Lavar con agua caliente. Sumergir en solución 2 por 3 segundos. Lavar con agua caliente. Secar la probeta.

La presencia de zonas oscuras en la zona martensítica revela la zona revenida. La norma indica en caso de aparecer zonas revenidas que deben mecanizarse dos nuevas generatrices y efectuar el procedimiento anterior hasta comprobar que no hay zonas revenidas.

3. Desarrollo Se efectuaron ensayos sobre probetas estándar Jominy de los siguientes aceros: • • •

Acero SAE 1040. Acero SAE 4140. Acero SAE 4340.

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz Los ensayos no pudieron realizarse en atmósfera protectora por no disponer del equipamiento necesario. En su lugar se llevaron las probetas al horno introducidas en una vaina de material carbonoso para evitar la decarburización, carburización u oxidación en caliente. Luego de su preparación por mecanizado de 2 generatrices se tomaron los valores de dureza HRC a lo largo de una de las generatrices a partir del extremo templado, empleando un durómetro Rockwel C marca GALILEO (con punta cónica de 120° de diamante, usando una carga de 150kgf). La distancia entre mediciones fue de 1,5 mm (hasta los 3mm), luego 2 mm (hasta los 15mm) y finalmente 5 mm (hasta los 50mm); esto en acuerdo con lo que establecen las normas, aprovechando la disminución del gradiente de dureza al aumentar dj. Con dichos valores se construyeron las curvas de dureza HRC en función de la distancia dj (distancia Jominy) al extremo templado (curvas Jominy).

4. Resultados y Discusión A continuación se muestran las tablas y respectivos gráficos de datos de HRC vs dj para cada uno de los tres aceros ensayados.

4.1 Acero SAE 1040 A continuación los datos se muestran en la Tabla 1 y la curva obtenida en el Gráfico 1: dj (mm)

HRC

1,5

57 51 34 26,5 26,5 26 26 25 19 17,5 17,5 16,5 15 14,5 14

3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50

Tabla 1: Datos SAE 1040

Curva de Jominy para SAE 1040 60 50 40        C        R30        H

20 10 0 0

10

20

30

40

50

dj (mm)

Gráfico 1: Curva de Jominy para SAE 1040

Pueden observarse algunas caídas abruptas y mesetas. La templabilidad es baja.

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4.2 Acero SAE 4140 A continuación los datos se muestran en la Tabla 2 y la curva obtenida en el Gráfico 2: dj (mm)

HRC

1,5

53 49 49,5 46 44 40 37,5 35,5 31 31 30,5 29 29 29 27

3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50

Curva de Jominy para SAE 4140 60 50 40        C        R30        H

20 10 0 0

10

20

30

40

50

dj (mm)

Gráfico 2: Curva de Jominy para SAE 4140

Tabla 2: Datos SAE 4140

La templabilidad resulta ser mayor que la del SAE 1040, si bien la HRC máxima disminuyó levemente.

4.3 Acero SAE 4340 A continuación los datos se muestran en la Tabla 3 y la curva obtenida en el Gráfico 3: dj (mm)

HRC

1,5

59 58,5 59 58 57 56,5 54,5 53 46,5 41,5 39 38 37 36 35

3 5 7 9 11 13 15 20 25 30 35 40 45 50

Tabla 3: Medidas SAE 4340

Curva de Jominy para SAE 4340 60 50 40        C        R30        H

20 10 0 0

10

20

30

40

50

dj (mm) Gráfico 3: Curva de Jominy para SAE 4340

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz La templabilidad de este acero es alta, obteniéndose además la HRC máxima mayor.

4.4 Comparación con bandas de Jominy publicadas Para mayor claridad se exponen a continuación las curvas obtenidas para cada hacer utilizado, superpuestas a las correspondientes bandas de Jominy publicadas para dichos aceros (Figura 3).

a)

b)

Figura 3: Superposición de bandas de Jominy de bibliografía y las curvas obtenidas para los aceros (a) SAE 1040 (b) SAE 4140 (c) SAE 4340 Las líneas de trazo grueso son las curvas obtenidas en este trabajo.

c)

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz De la Figura 3 se puede apreciar que ningún acero de los utilizados cae dentro de la banda de Jominy publicada correspondiente, si bien la curva del SAE 1040 está muy cerca de caer completamente dentro de la banda del SAE 1040H. Los otros dos aceros caen por debajo del límite inferior de su correspondiente banda.

4.5 Comparación entre los distintos aceros ensayados Para tener una visión más clara de la templabilidad relativa de los aceros ensayados, se han superpuesto las tres curvas obtenidas en el Gráfico 4 para poder compararlas entre sí

Curvas de Jominy obtenidas 60 50 40        C        R30        H

SAE 1040 SAE 4140

20

SAE 4340

10 0 0

10

20

30

40

50

dj (mm)

Gráfico 4: Comparación entre las tres curvas de Jominy obtenidas en este trabajo

Se observa que el orden de templabilidad decreciente resultante fue el siguiente: SAE 4340, SAE 4140, SAE 1040. Asimismo, las durezas máximas son, en orden decreciente: SAE 4340, SAE 1040, SAE 4140.

5. Conclusiones La metalurgia indica que la templabilidad de un acero aumenta en general al aumentar su contenido de aleantes (si bien algunos aleantes tienen un efecto mayor que otros). Si ordenamos los tres aceros ensayados en orden decreciente de contenido de aleantes el orden sería SAE 4340, SAE 4140, SAE 1040. Este es el mismo orden de templabilidades que se observa en el Gráfico 4. La Figura 3 indica que de los tres aceros ensayados, ninguno dio como resultado una curva que caiga totalmente dentro de su correspondiente banda de Jominy, por lo que podemos afirmar que ninguno de los tres es calidad H., El SAE 1040 es el que está más cerca de serlo. 9

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Nicolás Fernández Cuervo – Ignacio Mera – Ignacio Lafoz El hecho de que las curvas obtenidas resulten estar por debajo de las curvas inferiores de las bandas a dj alto (casos SAE 4140 y SAE 4340) indica que la templabilidad es menor de la mínima garantizada para los correspondientes aceros de calidad H. Esta relativa menor templabilidad de nuestras coladas puede tener una explicación basada en la composición química de estos aceros. Es probable que el contenido de aleantes de ambos sea menor que el mínimo establecido en las hojas de características correspondientes. Esto conduciría a un descenso de templabilidad respecto de lo que indica la curva inferior de la banda de Jominy. Otro punto de análisis es la dureza máxima registrada en cada probeta. Sabemos que la dureza en un punto cualquiera de un acero templado depende de la dureza del microconstituyente predominante (martensita en este caso) y la fracción en volumen de dicho microconstituyente. En el extremo templado se supone que la fracción de martensita es tan alta que la púnica variable que determina la dureza máxima es la dureza de la martensita obtenida que depende, casi exclusivamente, del porcentaje de C del acero. Entonces las variaciones de dureza máxima indican que, a pesar de ser aceros con un contenido de C de 0,4% según la nomenclatura, el contenido de C es distinto en cada acero (siendo mayor en el acero que presente mayor dureza). Esto, teniendo en cuenta las observaciones de la sección 4.5 del orden de durezas, sugiere que el contenido de C es, en orden decreciente: SAE 4340, SAE 1040, SAE 4140. Además de esto, una comparación con las bandas del Gráfico 4 muestra que los aceros SAE 4340 y SAE 1040 tienen una dureza máxima casi correspondiente con la de la curva superior de su banda correspondiente. Podemos asociar este valor de dureza máxima en la curva superior de la banda de Jominy con el valor máximo de C de la hoja de características del acero correspondiente y establecer así el contenido de C de nuestras coladas de SAE 4340 y 1040, que serían aproximadamente 0,43% y 0,42% de C, respectivamente. Una asociación análoga se puede hacer en el caso del SAE 4140, sólo que con la dureza máxima de la curva inferior de la banda. La estimación del porcentaje de C nos da en este caso un aproximado de 0,38% de C. Estos porcentajes de C estimados explicarían las diferencias de dureza máxima registradas.

6. Bibliografía 1) “ACEROS PARA CONSTRUCCIÓN MECÁNICA, Hojas de Características”, Instituto Argentino de Siderurgia, 2ª edición, reimpresión, noviembre 1987. 2) Norma IRAM-IAS U 500-123, “Acero. Método de determinación de la templabilidad por ensayo de Jominy”, 1978.

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