INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS...
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INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y EL REVENIDO EN LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE UN ACERO SAE 1045 Presentado por: JHON ALEXANDER ORTIZ PRECIADO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA TÉCNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2017
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INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y EL
REVENIDO EN LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE UN ACERO SAE 1045
Presentado por:
JHON ALEXANDER ORTIZ PRECIADO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
TÉCNOLOGÍA MECÁNICA
BOGOTÁ
2017
INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y EL
REVENIDO EN LA RESISTENCIA A LA FATIGA DE UN ACERO SAE 1045
Presentado por:
JHON ALEXANDER ORTIZ PRECIADO
Tutor del Proyecto
M.Sc. Carlos Bohórquez
Contenido
1 Planteamiento del problema ....................................................................................... 7
2 Estado del arte ............................................................................................................. 7
2.1 Influencia del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas
en las propiedades de tensión, impacto, tenacidad de fractura y coeficiente de
endurecimiento del acero (DC) SAE 1045 .................................................................. 8
2.2 Influencia del tiempo de revenido en las propiedades mecánicas de dureza y
resistencia a la tensión de un acero SAE 1045 .......................................................... 8
2.3 Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las
propiedades mecánicas del acero SAE 1045 ......................................................... 8
2.4 Evaluación de los parámetros de temple y revenido para el acero SAE 1045
a escala industrial ............................................................................................................ 9
2.4 Correlación de la microestructura, la dureza y la superficie de fractura con la
resistencia a la fatiga del acero 1045 ........................................................................... 9
3 Objetivos ...................................................................................................................... 10
3.1 Objetivos Generales ............................................................................................... 17
3.2 Objetivos especificos ............................................................................................. 17
4 Marco Referencial ...................................................................................................... 17
4.1 Tratamientos Termicos .......................................................................................... 17
4.2 Temple o templado ................................................................................................. 17
4.3 Revenido del acero ................................................................................................. 17
5 Fase............................................................................................................................ 173
5.1 Transformación de fase ......................................................................................... 17
5.2 Austenita .................................................................................................................. 17
5.2.1 Austenización ..................................................................................................... 173
5.3 Martensita ................................................................................................................ 17
6 Fatiga mecánica descripción del daño ................................................................. 174
6.1 Materiales afectados ............................................................................................ 174
6.2 Factores criticos .................................................................................................... 174
6.3 Unidades o equipos afectados ........................................................................... 175
7 Procedimiento ............................................................................................................. 17
7.1 Materiales y equipos ............................................................................................ 177
7.2 Espectrometría de masas ................................................................................... 177
7.3 Cálculo de temperaturas Intercríticas ................................................................ 188
7.4 Diseño experimental………………………………………………...……………19
8 Análisis y procesamiento de datos.......................................................................... 26
9. Metalografías ............................................................................................................. 30
10 Conclusiones ............................................................................................................ 38
Bibliografía ...................................................................................................................... 40
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Equipos empleados…………………………………………………………………17
Tabla 2 Composición química valores en porcentajes…………………………………...18
Tabla 3 carga aplicada correspondiente al 60% del esfuerzo ultimo…………………...20
Tabla 4 Factor tiempo y temperatura………………………………………………………22
Tabla 5 Modelo bifactorial de efectos fijos…………………………………………………23
Tabla 6 determinación del número de repeticiones utilizando como factores el tiempo y
la temperatura………………………………………………………………………………...24
Tabla 7 Número de probetas con respecto al tratamiento térmico aplicado…………..25
Tabla 8 Ferrita porcentaje de fase………………………………………………………….33
Tabla 9 Martensita porcentaje de fase……………………………………………………..34
Tabla 10 Comparativo Acero sin tratamiento térmico y material
templado……………………………………………………………………………………….35
Tabla 11 Acero templado comparativo entre los tiempos de revenido a 200
°C……………………………………………………………………………………………….36
Tabla 12 Comparativo tiempos de revenido a 400 °C, para el acero
templado……………………………………………………………………….………………37
TABLA DE GRÁFICAS
Gráfica 1 Número de ciclos contra el tratamiento térmico realizado……………………26
Gráfica 2 Número de ciclos vs las durezas obtenidas……………………………………27
Gráfica 3 Dureza y tratamiento térmico correspondiente………………………………..28
Gráfica 4 Tratamiento térmico y porcentaje de perdida………………………………….29
Gráfica 5 Durezas vs tiempos de revenido a 200 °C.…………………………………..29
Gráfica 6 Durezas vs tiempos de revenido a 400 °C.…………………………………..30
TABLA DE IMÁGENES
Imagen 1 Dimensiones probeta para el ensayo de fatiga ASTM E16……………….…16
Imagen 2 Tratamiento térmico………………………………………………………………20
Imagen 3 Acero SAE 1045 a 500X antes de realizársele el tratamiento térmico……..30
Imagen 4 Material templado a 500X………………………………………………………..31
Imagen 5 Material templado y revenido 500X…………………………………………….31
Imagen 6 Material templado y revenido a 200 °C 500X………………………………… 32
7
Introducción
La mayoría de los elementos o piezas de máquinas se fabrican no solo para soportar
cargas estáticas sino en su gran mayoría estos se diseñan para soportar cargas que
vienen y van conocidas como cargas de fatiga. Este tipo de cargas de fatiga limitan y
condicionan la vida útil de los elementos y están presentes en la mayoría de las fallas de
las máquinas. Es por esta razón que se hace necesario contar con materiales que nos
brinden propiedades mecánicas que puedan ser mejoradas mediante tratamiento al
material como: la dureza, resistencia a la tracción y el límite de elástico entre otros, un
conocimiento de cómo mejorar las propiedades mecánicas de una aleación como el acero
es de suma importancia y de responsabilidad ya que este conocimiento nos permite
comprender mejor los materiales y sus propiedades, poder acercarnos a un diseño óptimo
y seguro.
El acero SAE 1045 es un acero ampliamente usado en la industria debido a su fácil
mecanizado y bajo costo, lo podemos encontrar en partes como: aplicaciones
automotrices, engranajes, piñones, ejes y distintas partes de maquinaria las cuales por su
uso se ven afectadas por cargas que varían en el tiempo. El tratamiento térmico es sin
duda una herramienta que nos ayuda en este proceso, ya que este tipo de acero
seleccionado al aplicarle el tratamiento térmico de temple se busca mejorar su dureza y
con el posterior revenido se busca hacerlo más dúctil.
1 Planteamiento del Problema
En la industria se tiene la necesidad de contar día a día con materiales los cuales nos
brinden las mejores propiedades mecánicas posibles, según sea su uso o propósito final,
para esto es necesario llevar a cabo estudios que nos permitan apreciar cómo es posible
mejorar el material, acercarnos a propiedades que garanticen un mayor uso de acero de
lo cual se traducen en menores costos (secciones de menor área), confiabilidad y
seguridad.
2 Estado del arte
Para la realización del proyecto se buscó información relacionado con el objetivo del
proyecto, para ello debemos revisar documentos que nos sirvan como guías, para contar
con la mayor información del tema y evitar cometer errores u omitir aspectos que hayan
8
pasado por alto en las anteriores investigaciones. También necesitamos conocer los
antecedentes para validar los resultados que se encuentren en nuestra investigación, y
generar aportes al tema.
2.1 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE DESDE
TEMPERATURAS INTERCRITICAS EN LAS PROPIEDADES DE TENSIÓN, IMPACTO,
TENACIDAD DE FRACTURA Y COEFICIENTE DE ENDURECIMIENTO DEL ACERO
(DP) SAE 1045.
“E. Vásquez, D. Barrera”
¨En esta investigación nos hablan de la importancia de controlar las temperaturas y el
tiempo que se tomen, puesto que una pequeña variación puede afectar significativamente
el material. Para poder producir un acero doble fase (DP) en donde las propiedades
mecánicas cambian (mejora su comportamiento en condiciones de trabajo) es importante
controlar muy bien las variables de Temperatura y Tiempo las cuales intervienen en la
fase de calentamiento y enfriamiento, debido a que pequeñas variaciones en el tiempo o
la temperatura empleada pueden modificar notablemente los resultados del acero por
ejemplo dar lugar a distorsiones en la matriz inducidas por el enfriamiento; en donde se
quiere que haya microestructuras de ferrita - martensita.”1
2.2 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN DE UN ACERO SAE 1045
“J. Castañeda, J. Silva”
Los autores nos proponen una temperatura y un tiempo sostenido en el cuál se presenta
la mayor variación para el tratamiento de revenido. “Con base en el diagrama esfuerzo vs
deformación se concluye que la curva del tratamiento térmico de revenido a 450 °C y 15
minutos de sostenimiento es la que mayor variación presenta con respecto a la probeta en
estado de suministro.”2
2.3 INFLUENCIA DEL TRATAMIENTO TÉRMICO DESDE TEMPERATURAS
1 E. Vasquez, D. Barrera - Influencia del tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercriticas en las propiedades
de tensión, impacto, tenacidad de fractura y coeficiente de endurecimiento del acero (DP) SAE 1045. Universidad
Distrital Francisco José de Caldas - 2016. 2 J. Castañeda; J. Silva - Influencia del tiempo de revenido de las propiedades mecánicas de dureza y resistencia a la
tensión de un acero SAE 1045 - 2016.
9
INTERCRÍTICAS EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO SAE 1045
“Carlos A. Bohórquez”
En este artículo se nos muestra que los tratamientos térmicos tienen un importante efecto
en el acero 1045. “Los valores encontrados experimentalmente se comparan con los que
se obtienen mediante el modelado matemático del cambio en la microestructura del
material. Los resultados muestran la variación en la estructura formada por ferrita y
martensita en diferentes porcentajes acorde con la temperatura desde la que se realiza el
tratamiento y la influencia de esta estructura en las propiedades finales del acero.
Mostrando relación con las referencias pues los valores de esfuerzos de fluencia
disminuyen pero aumentan las deformaciones.”3
2.4 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE Y REVENIDO PARA EL ACERO
AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL
“David Robledo, Andrés Cárdenas”
Este experimento combinó diferentes temperaturas y tiempos para los tratamientos que
trabajaremos en nuestro estudio, y nos arrojó una temperatura recomendada para la
austenización del acero AISI/SAE1045. “Los resultados obtenidos en este trabajo
sugieren que en condiciones industriales la temperatura recomendada para austenización
del acero AISI/SAE1045 es 870ªC, dado que al templar el acero desde dicha temperatura
se obtiene una dureza superficial satisfactoria (dentro del rango de dureza máxima para
un acero al carbono con 0,45% en peso de carbono) con la menor cantidad de austenita
retenida y la mayor tetragonalidad de la martensita producida.”4
2.5 CORRELACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA, LA DUREZA Y LA SUPERFICIE DE
FRACTURA CON LA RESISTENCIA A LA FATIGA DEL ACERO 1045.
“Jonnathan Muñoz, John Coronado”
Los autores nos muestran cual es la mejor y la peor condición del acero 1045 para la
resistencia a la fatiga. “Para las tres condiciones de tratamiento térmico (temple, revenido
a 300°C y revenido a 600°C) evaluadas en el acero SAE 1045, se encontró que la mayor
resistencia a la fatiga a 106 ciclos se presenta con el acero revenido a 300°C y la
3 C. Bohórquez - Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercriticas en las propiedades mecánicas del
acero SAE 1045 - 2016. 4 D. Robledo; A. Cárdenas - Evaluación de los parámetros de temple y revenido para acero AISI/SAE 1045 a escala
industrial - 2016.
10
condición más desfavorable a fatiga se presenta con el acero templado”5
“Puede existir una relación aproximadamente lineal y directamente proporcional entre la
dureza y el límite de fatiga del material para las temperaturas de revenido entre 300°C y
600°C, es decir, a medida que se aumenta la dureza (disminuye la temperatura de
revenido) se aumenta el límite de fatiga del material. Para el acero templado y sin
tratamiento de revenido no se encuentra esta misma relación.”
3. Objetivos
3.1 Objetivos Generales
Establecer la influencia del temple desde temperatura intercríticas a 760 °C y el
tiempo de revenido de 15, 30 y 45 minutos en la resistencia a la fatiga de un
acero SAE 1045.
3.2 Objetivos Específicos
● Realizar la revisión de los antecedentes.
● Establecer el número de probetas mediante un diseño experimental.
● Realizar el tratamiento térmico de temple y revenido a un acero SAE
1045.
● Realizar pruebas de Fatiga, metalografías y dureza.
● Relación metalografía resistencia a la fatiga-tiempos de revenido.
4. Marco referencial
4.1 Tratamientos Térmicos
A través de los tratamientos térmicos podemos modificar las propiedades de los metales,
mediante alteraciones de su estructura, pudiendo así desempeñar con garantías los
trabajos demandados.
El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada,
mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura
deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los factores temperatura-tiempo
5 J. Muñoz; J. Coronado - Correlación de la microestructura, la dureza y la superficie de fractura con la resistencia a la
fatiga del acero 1045 - 2016.
11
deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza.
Con el tratamiento conseguiremos modificar microscópicamente la estructura interna de
los metales, produciéndose transformaciones de tipo físico, cambios de composición y
propiedades.
El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda
alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado.
Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su
estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado
se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o
producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos
consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en
las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento
de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento
térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro
- hierro - carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que
suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los
materiales diluidos.
Entre los tratamientos térmicos más usados se tiene:
● Temple: El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los
aceros. Para ello, se calienta en general el acero a una temperatura ligeramente
más elevada que la crítica superior y se enfría luego más o menos rápidamente
(según la composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua,
aceite, etc.
● Revenido: Es un tratamiento que se da a las piezas de acero que han sido
previamente templadas. Con este tratamiento, que consiste en un calentamiento a
temperatura inferior la crítica, se disminuye la dureza y resistencia de los aceros
templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la
tenacidad, quedando el acero con la dureza o resistencia deseada.
4.2 El temple o templado
Uno de los atributos del acero, el cual es con toda certeza el de mayor significado para los
12
tratamientos térmicos es su capacidad para endurecerse. Este atributo tiene un doble
significado, es importante no únicamente con relación a la obtención de un alto nivel de
dureza o resistencia por tratamiento térmico, sino también con relación a la obtención de
un alto grado de tenacidad por medio del tratamiento térmico, lograda a partir de una
microestructura deseable, generalmente martensita revenida o bainita inferior.
Debe entenderse con claridad que el endurecimiento (hardenability) se refiere al “ancho
de endurecimiento” que se puede lograr bajo ciertas condiciones de enfriamiento bien
establecidas, y no a la dureza máxima que se puede obtener en un acero dado. La
máxima dureza depende totalmente del contenido de carbono, mientras que el
endurecimiento depende de factores como: el carbono, los elementos de aleación, y del
tamaño de grano de la austenita.
Por lo antes mencionado, es claro que para obtener una microestructura martensítica con
las propiedades deseables, el acero debe ser tratado térmicamente; el temple y el
revenido son los tratamientos térmicos comúnmente utilizados para este fin y por ello
representan el tratamiento térmico final utilizado ordinariamente para obtener las
propiedades óptimas en materiales tratados térmicamente.
El templado involucra un calentamiento hasta la región de estabilidad de la austenita
(temperatura de austenización), mantener el material durante un cierto tiempo a esta
temperatura de austenización y después un enfriamiento continuo desde esta
temperatura, hasta por debajo de la temperatura de inicio de la formación de la martensita
(Ms), a una velocidad de enfriamiento tan grande (mayor que la crítica) que la
transformación a perlita o bainita se inhibe y el producto de la transformación será la
martensita. El propósito de este tratamiento es el de obtener, para cada composición de
acero, la dureza máxima.
4.3 El revenido del acero
Como ya se mencionó anteriormente, el acero en el estado endurecido carece de
aplicación práctica debido a su condición de fragilidad, que surge por la formación de la
martensita que trae aunados grandes esfuerzos internos; por ello, es necesario hacer un
relevado de esfuerzos a fin de eliminar en cierta medida dichos esfuerzos. Por esta
13
razón, el revenido tiene como finalidad liberar los esfuerzos internos, mejorando la
ductilidad y la tenacidad del acero, pero sin que su propósito sea eliminar la dureza
obtenida por el templado.
El revenido del acero comprende el calentamiento del acero endurecido a una
temperatura abajo de la crítica inferior (Ac1) y enfriándolo a una velocidad conveniente.
5 Fase
Una fase se puede definir como un agregado homogéneo de materia (una parte de un
sistema físicamente distinta), separada de otras partes del sistema por superficies límites
bien definidas.
5.1. Transformaciones de Fase
La alotropía que presenta el hierro y algunos otros metales son transformaciones de fase
que dependen del movimiento de los átomos en el interior del material, es decir, las
transformaciones de fase en un material sólido están gobernadas por la difusión de los
átomos a través de la estructura cristalina que posee.
5.2 Austenita
Es una solución sólida de carbono en hierro γ. Esta fase se extiende sobre una gran
sección del diagrama Fe-Fe3C, con la solubilidad del carbono aumentando con la
temperatura a un máximo de 2.11% a 1148 °C. Del mismo diagrama se puede observar
que la austenita no existe a temperatura ambiente, para aceros al carbono, bajo
condiciones de equilibrio. En ciertos aceros aleados, como en el caso de los aceros para
herramientas, una pequeña porción de austenita puede retenerse en la estructura final, o
en los aceros inoxidables austeníticos.
5.2.1 Austenización.
Se entiende por “austenización del acero” la formación de la fase austenita, en forma más
o menos homogénea, a partir de la mezcla de las fases ferrita más cementita; aún si se
empieza con martensita, este constituyente se descompone en ferrita y cementita durante
el calentamiento.
Del diagrama de equilibrio Fe -Fe3C se puede ver que todas las aleaciones con menos de
2.11 %C, recorren durante su enfriamiento, después de la solidificación total, la zona
homogénea γ. En este intervalo de tiempo y temperatura, el acero se compone
14
exclusivamente de austenita, por ello, todos los constituyentes que se pueden observar a
temperatura ambiente con el microscopio, ya sea que se hayan formado en condiciones
de equilibrio (enfriamiento muy lento) o bajo razones severas de enfriamiento, se forman
entonces a partir de la austenita. De aquí la importancia del estudio de la transformación
de la austenita.) .
5.3 Martensita.
La transformación perlítica es una reacción cuyo mecanismo está determinado por
nucleación y crecimiento de los núcleos, cuyo movimiento del frente de transformación se
desarrolla con una velocidad que depende principalmente de la difusión. El mecanismo de
la formación de la martensita es totalmente diferente: debido a la importante reducción de
la temperatura de transformación, la difusión del carbono disminuye y al mismo tiempo
aumenta la tendencia a la transformación. La transformación γ → α ocurre de una vez sin
ninguna difusión de carbono, con un cambio brusco de la red cristalina.6
6. Fatiga mecánica descripción del daño
El agrietamiento por fatiga es una forma mecánica de degradación que ocurre cuando un
componente se expone a tensiones cíclicas durante un período prolongado, dando lugar a
menudo a un fallo repentino e inesperado.
Estas tensiones pueden surgir tanto de cargas mecánicas como de ciclos térmicos y
típicamente están muy por debajo de la resistencia a la deformación del material.
6.1 Materiales Afectados
Todas las aleaciones de ingeniería están sujetas a fisuración por fatiga aunque los niveles
de tensión y el número de ciclos necesarios para causar falla varían según el material.
6.2 Factores Críticos
La geometría, el nivel de estrés, el número de ciclos y las propiedades del material
(resistencia, dureza, microestructura) son los factores predominantes en la determinación
de la resistencia a la fatiga de un componente.
Diseño: Las grietas de fatiga generalmente se inician en la superficie en muescas o
6 Del Castillo Rodríguez. Felipe Díaz, Reyes Solís Alberto, 2012. Aceros estructuras y tratamientos térmicos
Pág. 17, 23, 55, 57, 65
15
elevadores de estrés bajo carga cíclica. Por esta razón, el diseño de un componente es el
factor más importante en la determinación de la resistencia de un componente a la
fisuración por fatiga. Varias características superficiales comunes pueden conducir a la
iniciación de grietas de fatiga ya que pueden actuar como concentraciones de tensión.
Algunas de estas características comunes son:
- muescas mecánicas (esquinas afiladas o arboledas);
- Agujeros de llave en los ejes de transmisión del equipo rotatorio;
- Articulación de soldadura, defectos y / o desajustes;
- Retirar las áreas de la boquilla;
- marcas de herramientas;
Para algunos materiales como el titanio, el acero al carbono y el acero de baja aleación, el
número de ciclos a la fractura por fatiga disminuye con la amplitud del esfuerzo hasta
alcanzar un límite de resistencia. Por debajo de este límite de resistencia al estrés, no se
producirá fisuración por fatiga, independientemente del número de ciclos.
Para las aleaciones con límites de resistencia, existe una correlación entre la resistencia
de tracción final (UTS) y la amplitud de tensión mínima necesaria para iniciar el fisuración
por fatiga. La relación de límite de resistencia sobre UTS está típicamente entre 0,4 y 0,5.
El tratamiento térmico puede tener un efecto significativo sobre la resistencia y, por tanto,
la resistencia a la fatiga de un metal. En general, las microestructuras de grano más fino
tienden a tener un rendimiento mejor que el grano grueso. Los tratamientos térmicos tales
como temple, pueden mejorar la resistencia a la fatiga del carbono y los aceros de baja
aleación.
Acero al carbono y titanio: Estos materiales presentan un límite de resistencia por debajo
del cual no se producen fisuras de fatiga, independientemente del número de ciclos.
6.3 Unidades o equipos afectados
Ejes giratorios en bombas centrífugas y compresores que tienen concentraciones de
tensiones debido a cambios en radios y vías clave.
16
7 Procedimiento
Se procedió a recopilar información de documentos digitales y físicos de ensayos de
fatiga realizados a un acero SAE 1045 junto con datos de tratamiento térmico realizado a
este material y evidencia el cambio en las propiedades mecánicas.
De acuerdo al estudio que se realizó fue necesario contar con los equipos de ensayos
mecánicos y metalográficos de la Universidad Distrital y de entidades privadas estos se
describen en el numeral 5.1.1. El material utilizado para este estudio es el acero SAE
1045, a este material se le realizó un estudio de composición química con el fin de
conocer el porcentaje de cada elemento que compone al acero SAE1045, con base a los
valores obtenidos se calculan las temperatura intercriticas a la cual el material será
tratado. Para realizar el ensayo de fatiga el material es mecanizado de acuerdo a las
especificaciones de la ASTM E16 como se muestra en la imagen 1:
Imagen 1. Dimensiones probeta para el ensayo de fatiga ASTM E16.
Antes de someter el material al tratamiento térmico se realiza un análisis
metalográfico para observar el cambio de las propiedades mecánicas entre el
material tratado y el sin tratar. Al acero SAE 1045 se le realiza un tratamiento
térmico de templado a 760 °C y posteriormente se somete a un revenido en dos
grupos: el primero a 200 °C y el segundo a 400 °C. El siguiente paso es realizar el
ensayo de fatiga y observar el comportamiento del material para concluir la
influencia del tratamiento.
17
7.1 Materiales y equipos
Para la ejecución de este proyecto fue necesario contar con los siguientes materiales y
equipos:
Tabla 1. Equipos empleados
7.2 Espectrometría de masas
El acero SAE 1045 fue sometido a la prueba de espectrometría para saber los porcentajes
de masas de su composición química.
18
Los resultados obtenidos para tres quemas realizadas al material se muestran en la
siguiente tabla.
Tabla 2. Composición química valores en porcentajes.
7.3 Cálculo de temperaturas Intercríticas
Para el cálculo de las temperaturas intercríticas del acero SAE 1045 se utilizan los
modelos7 teniendo en cuenta la composición química del material.
7 Kasatkin, O.G., 1984. et al. Calculation Models for Determining the Critical Points of Steel. Metal Science and Heat
Treatment, 26:1-2, 27-31.
19
Temperatura de Austenización parcial (Ac1) en grados Celsius (°C)
Ac1 °C = 723 − 7.08.Mn + 37.7
.Si + 18.1
.Cr + 44.2
.Mo + 8.95
.Ni + 50.1
.V + 21.7
.Al + 3.18
.W + 297
.S
− 830.N − 11.5
.C
.Si − 14.0
.Mn
.Si − 3.10
.Si
.Cr − 57.9
.C
.Mo − 15.5
.Mn
.Mo − 5.28
.C
.Ni − 6.0
.Mn
.Ni +
6.77.Si
.Ni – 0.80
.Cr
.Ni – 27.4
.C
.V + 30.8
.Mo
.V − 0.84
.Cr
2 – 3.46
.Mo
2 – 0.46
.Ni
2 − 28
.V
2. (Ec. 2)
Ac1 = 679 °C.
Temperatura de Austenización Total (Ac3) en grados Celsius (°C):
Ac3 °C = 912 − 370.C + 27.4.Mn + 27.3.Si − 6.35.Cr − 32.7.Ni + 95.2.V + 190.Ti + 72.Al −
64.5.Nb + 5.57.W + 332.S + 276.P + 485.N − 900.B + 16.2.Mn + 32.3.C.Si + 15.4.C.Cr +
48.C.Ni + 4.32.Si.Cr + 17.3.Si. Mo − 18.6.Si.Ni + 4.8.Mn.Ni + 40.5.Mo.V + 174.C2 + 2.46.Mn2 -
6.86.Si2 + 0.322.Cr2 + 9.9.Mo2 + 1.24.Ni2 − 60.2.V2. (Ec. 3)
Ac3 = 854 °C.
Para la elección de las temperaturas de revenido se realiza el cálculo de la temperatura
Ms (Martensita start), la cual nos permite identificar la temperatura a la cual se presenta
cambio de fase durante el revenido se puede calcular mediante (Hakan y Jiansheng,
2008).
Ms(°C)= 496.[1−0,62.C].[1−0,092.Mn].[1−0,033.Si].[1−0,045.Ni].[1−0,07.Cr].[1− 0,029.Mo].[1−
0,018.W].[1− 0,012. Co] (Ec 4)
Ms = 322 °C
7.4 Diseño experimental
El ensayo se realizó a presión atmosférica (constante). Se realizó el temple a 760 °C se
mantuvo esta temperatura durante un tiempo de 20 minutos posterior a este tiempo se
realizó el enfriamiento en aceite de las probetas.
Las probetas fueron tratadas térmicamente por grupos como se presenta en la Tabla 7.
20
Se dejaron sin tratamiento térmico un grupo de tres probetas. Otro grupo de probetas solo
fueron templadas. Las probetas fueron sometidas a distintas temperaturas y tiempos de
revenido. El tratamiento térmico aplicado para cada grupo de probetas se ilustra en la
imagen 1.
Imagen 2. Tratamiento térmico.
Para la prueba de fatiga se aplicaron cargas correspondientes al 60% del esfuerzo último
del material Tabla 3 calculado de manera individual para cada grupo de probetas tratadas
térmicamente y sin tratamiento térmico.
Tabla 3. Carga aplicada correspondiente al 60% del esfuerzo último.
El diseño experimental prescribe una serie de pautas relativas de qué variables hay que
manipular, de qué manera, cuántas veces hay que repetir el experimento con un grado de
confianza predefinido con la necesidad de una relación de causa-efecto. La realización del
diseño experimental permite a esta determinar el número de réplicas, se tienen en
consideración si se tiene interés en detectar efectos pequeños, se necesitan más replicas
que cuando se interesa en detectar efectos grandes.
21
Para la realización del experimento, se tomaron dos factores, la temperatura y el tiempo.
Se hizo la elección de la muestra (número de réplicas) basado en un diseño experimental
factorial de dos niveles, por medio de los parámetros φ2, seleccionándolo en relación a
qué factor será sensible el diseño a diferencias potenciales, importantes entre los
tratamientos.
Para determinar el tamaño de la muestra, es necesario referirse las curvas de operación
característica en el apéndice V del texto diseño y análisis de experimentos8, con el fin de
hallar la probabilidad de aceptación de la hipótesis, por medio de los parámetros φ2. 9
Elección de la muestra Número de réplicas, n.
Parámetros φ2 Diferencia especificada entre las medias de 2 tratamientos
cualesquiera
La ecuación número 5 muestra como hallar sensibilidad para el factor A, el utilizado para
esta investigación.
Sensibilidad para el factor A
φ2 =𝑛𝑏𝐷2
2𝑎𝜎2 (Ec. 5)
A continuación se presenta el significado de cada variable de la ecuación 5.
n=Número de réplicas.
a= Número de variables factor (a).
b= Número de variables factor (b).
D= Diferencia de las medias.
σ2 = Desviación estándar.
8 Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A. 2004. Diseño y análisis de experimentos Pág. 647 Apéndice V. 9 Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A. 2004. Diseño y análisis de experimentos Pág. 107 Apéndice V.
22
El valor de “n” es escogido según que factor de sensibilidad que requiera el diseño.
El número de variables “a” para el denominador en este caso el tiempo, corresponde a 3.
y el número de variables “b” para el numerador que corresponde a la temperatura es igual
a 2. La tabla 4, muestra los diferentes factores de tiempo y temperatura utilizados.
Tabla 4. Factores tiempo y temperatura.
La diferencia de las medias D y la desviación estándar σ2 de dureza para el acero es
asignada de acuerdo a experimentos previos, para este caso soportado en el artículo del
autor Pereira C. Juan; y colaboradores10 la desviación estándar es igual a 2,49. Por otro
lado la hipótesis nula deberá rechazarse con probabilidad, si la diferencia en el promedio
es hasta de 7,47. El valor D se halla mediante la ecuación 6 con la desviación estándar
anteriormente mencionada, como se muestra a continuación:
Diferencia de las medias. Ecuación 9.
𝐷 = 3 ∗ σ (Ec. 9)
𝐷 = 3 ∗ 2,49
𝐷 = 7,47
La selección de la confiabilidad del sistema a equivale a 0,05 ya que es la selección más
utilizada y adecuado para hallar la probabilidad de aceptación.
10Juan C, Duran. Luis, Van Deventer. Diego, Zambrano. Jenny C. Comportamiento mecánico a torsión de la aleación de
aluminio AA6061 tratada térmicamente.Revista Latino Americana de Metalurgia y Materiales, 2009, Pág. 8. Pereira.
23
Luego de conocer cada variable, se procede a asignar cada una de ellas, entonces de la
ecuación 8 se obtiene:
𝜑2=𝑛∗2∗7,472
2∗5∗2,492
𝜑2 = 1,8𝑛
𝜑 = √1,8𝑛2
Teniendo el valor de 𝜑 es necesario hallar los grados de libertad del numerador V1 y del
denominador V2 consultando en la tabla 5, para el modelo bifactorial de efectos fijos,
factor A en esta investigación. Con el fin de seleccionar la adecuada curva de operación
característica.
Tabla 5. Modelo bifactorial de efectos fijos
Con todas las variables halladas como lo muestra la tabla 6, se selecciona la curva
24
característica de operación adecuada, del texto Diseño y análisis de experimentos11.
Tabla 6. Determinación del número de repeticiones utilizando como factores la temperatura y el
tiempo
Se observa que después de realizados todos los pasos por medio de las curvas de
operación característica12, para n=2 réplicas, los grados de libertad del numerador V1= 2,
los del denominador V2= 6, se obtiene un riesgo β de cerca de 0,30 o una probabilidad
aproximada de 70%, la columna subrayada es el valor β disponible, concluyendo que dos
(2) réplicas se pueden utilizar por prueba de fatiga, destacando que se asume una
probabilidad baja, teniendo en cuenta el factor costo y el uso adecuado del material
disponible se realizaran tres replicas lo que permite un nivel de confianza mayor del 95%.
11 Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A. 2004. Diseño y análisis de experimentos Pág. 647 Apéndice V. 12 Douglas C. Montgomery. Limusa wiley, S.A. 2004. Diseño y análisis de experimentos Pág. 648 Apéndice V.
25
Tabla 7. Número de probetas respecto al tratamiento térmico aplicado
El tratamiento térmico de templado se realizó a la totalidad de las probetas durante un
intervalo de tiempo de 20 min.
26
8. Análisis y procesamiento de datos
Grafica 1. Número de ciclos contra el tratamiento térmico realizado.
De la gráfica 1 se puede ver como el número de ciclos que el material puede soportar
disminuye con el tratamiento térmico aplicado. Se observa una disminución del número
del ciclos del 82% entre el material base y el acero templado.
El mejor comportamiento del número de ciclos que el material puede soportar mostrado
se aprecia para el tratamiento térmico de revenido de 400 °C para un tiempo de
sostenimiento a esta temperatura de 45 minutos el cual es de 10200 ciclos.
27
. Grafica 2. Número de ciclos vs las durezas obtenidas.
En la gráfica número 2 podemos observar como a mayor dureza el número de ciclos que
puede soportar el material se hace menor.
28
Gráfica 3. Dureza y tratamiento térmico correspondiente.
En el grafico número 3 se aprecia como la mayor dureza para el Acero SAE1045 se
obtiene al tratarse térmicamente con un revenido de 200 °C durante 45 minutos. No se
observan cambios significativos respecto a los tiempos de revenido aplicados para la
temperatura de 200 °C.
Se puede observar un cambio significativo en la dureza del material al aplicársele el
temple y al realizarle los posteriores revenidos.
17,0
42,9
49,9 51,4 51,7
39,0 38,8 34,2
0
10
20
30
40
50
60
sin
tra
tam
ien
to t
érm
ico
tem
pla
do
a 7
60 °
C
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
200
°C
du
ran
te 1
5m
inu
tos
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
200
°C
du
ran
te 3
0m
inu
tos
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
200
°C
du
ran
te 4
5m
inu
tos
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
400
°C
du
ran
te 1
5m
inu
tos
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
400
°C
du
ran
te 3
0m
inu
tos
tem
pla
do
a 7
60 °
C y
reve
nid
o a
400
°C
du
ran
te 4
5m
inu
tos
Dureza RHC
29
Grafica 4. Tratamiento térmico y porcentaje de pérdida
La grafica 4 muestra la relación porcentaje de pérdida de la resistencia al número de
ciclos en comparación con el material base el cual soporto 81767 ciclos. Se observa como
el mayor porcentaje de pérdida del material para soportar ciclos se encontró para el
material revenido a la temperatura de 200 °C.
Gráfica 5. Durezas versus tiempos de revenido a 200°C.
De la gráfica número 5 podemos apreciar como la dureza aumenta al aumentar el tiempo
de revenido. La mayor dureza obtenida para esta temperatura de revenido se obtuvo para
el mayor tiempo aplicado. El cual fue de 45 minutos.
82,3%
97,3% 98,2% 97,8% 94,2%
90,3% 87,5%
templado a760 °C
templado a760 °C y
revenido a 200°C durante 15
minutos
templado a760 °C y
revenido a 200°C durante 30
minutos
templado a760 °C y
revenido a 200°C durante 45
minutos
templado a760 °C y
revenido a 400°C durante 15
minutos
templado a760 °C y
revenido a 400°C durante 30
minutos
templado a760 °C y
revenido a 400°C durante 45
minutos
49
49,5
50
50,5
51
51,5
52
15 30 45
Du
reza
(H
RC
)
Tiempo de revenido (minutos)
Revenido a 200 °C
30
Gráfica 6. Dureza versus tiempos de revenido a 400 °C.
De la gráfica 6 se puede apreciar como no hay un cambio significativo entre los tiempos
de revenido de 15 y 30 minutos se observa como la dureza disminuye para el tiempo de
revenido de 45 minutos.
De las gráficas 4 y 5 se observa un comportamiento contrario mientras que para la
temperatura de revenido de 200 ° la dureza aumenta al aumentar los tiempos de revenido
con la temperatura de revenido de 400 °C ocurre lo contrario su dureza disminuye al
aumentar el tiempo de revenido.
9. Metalografías
Imagen 3. Acero SAE1045 a 500X antes de realizársele el tratamiento térmico
30
32
34
36
38
40
15 30 45
Du
reza
(H
RC
)
Tiempo de revenido (minutos)
Revenido a 400 °C
31
En la imagen 3 se observa el material base del proyecto se pueden apreciar los límites de
grano, perlita laminar (oscura) y ferrita (Clara). Puede observarse también una red en la
imagen formada por ferrita.
Imagen 4. Material templado 500X.
En la imagen 4 se observa el acero templado se puede observar ferrita y aumento de la
presencia de Martensita las fronteras de grano ya no se aprecian de manera tan clara
como podía hacerse en la imagen 3.
Imagen 5. Material templado y revenido 500X.
32
En la imagen 5 se aprecia martensita revenida al realizársele el revenido durante 30
minutos a temperatura de 200 °C. Se observa una disminución drástica con respecto al
tamaño de grano original del material ya no se aprecia la red de ferrita.
Imagen 6. Material templado y revenido a 200°C 500X.
La imagen 6 muestra el Acero templado y revenido a 200 °C durante 45 minutos no se
aprecian cambios significativos respecto a la morfología de las fases observada
previamente en la imagen 5.
33
Tabla 8. Ferrita porcentaje de fase. (La fase de ferrita se ilustra en color verde).
De la tabla 8 se puede apreciar como al comparar el porcentaje de ferrita presente en el
material base 14,01% y el porcentaje de ferrita después de llevarse a cabo el temple
14,29 % se mantiene sin presentar mayor variación al realizar el temple.
Después de realizado el temple se observa cómo se destruye la red de ferrita que se
extendía a lo largo de la microestructura del material
34
Tabla 9. Martensita porcentaje de fase. (La fase de ferrita se ilustra en color verde).
En la tabla 9 se ilustra el porcentaje presente de martensita en color rojo. Se observa
como los porcentajes de la fase martensitica presente para el material a la temperatura de
revenido de 200 °C, para los tiempos indicados no muestran mayor cambio su contenido
de martensita, lo cual concuerda con la poca variación entre las durezas obtenidas para
estos revenidos.
35
Tabla 10. Comparativo Acero sin tratamiento térmico y material templado.
De la tabla 10 se puede ver como ya no son claros de distinguir los límites de grano y el tamaño de grano. La red
fina de ferrita apreciable a lo largo del material sin templar desaparece y hace difusa durante el temple.
Martensita
Ferrita
Red de Ferrita
Ferrita
36
Tabla 11. Acero templado comparativo entre los tiempos de revenido a 200 °C.
Se puede ver como para los tiempos de revenidos de 15, 30 y 45 minutos no se aprecian mayores cambios. La fase
predominante para los tres tiempos es martensita.
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Ferrita
37
Tabla 12. Comparativo tiempos de revenido a 400 °C, para el acero templado.
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
Martensita revenida
38
10. Conclusiones
Se puede observar como el cambio en la microestructura del material ocasiona que la
resistencia del material a la falla por fatiga sea menor. La fase predominante al finalizar el
tratamiento térmico para ambas temperaturas de revenido 200 °C y 400 °C a distintos
tiempos es Martensita, la cual presenta una alta dureza lo cual ocasiona que el material
se torne frágil.
La alta dureza del material alcanzada con el tratamiento térmico ocasiona que no tenga
un buen comportamiento a la Fatiga. Al aumentar la dureza del material se disminuye el
número de ciclos que el acero puede soportar.
Para las condiciones de temple a 760 °C y revenido a 200 °C durante los tiempos de
revenido de 15, 30 y 45 minutos se encontró la mayor desfavorabilidad frente a la falla por
fatiga la cual fue de 1828 ciclos en promedio. La mayor resistencia se logró para el temple
de 760 °C, revenido de 400 °C durante el tiempo 45 minutos 10200 ciclos.
El mayor número de ciclos después de realizados los tratamientos térmicos de revenido
se experimentó para la temperatura de 400°C. El cual fue de 10200 ciclos en promedio.
Esto debido a la transformación de la fase martensitica, la cual se presenta para
temperaturas mayores a 323 °C (temperatura Ms-Martensita start). Se mejoró el
comportamiento del material a la falla por fatiga para temperaturas de revenido por
encima de esta temperatura. Para temperaturas de revenido inferiores a la temperatura
Ms se observó un comportamiento de mayor desfavorabilidad con respecto a la falla por
fatiga.
Las tensiones internas ocasionadas al material durante el tratamiento térmico hacen que
su resistencia a la falla por fatiga disminuya. La microestructura resultante hace crítica la
falla por fatiga.
Al disminuir la morfología granular también disminuye la resistencia a la falla por fatiga.
Al aumentar la presencia de Martensita y disminuir la presencia de ferrita se disminuyen el
número de ciclos que puede soportar el material. La vida útil del acero se reduce
considerablemente al ser sometido a fatiga. Se observa una relación directa entre la
39
cantidad de Martensita presente y el número de ciclos. A mayor presencia de Martensita
en el material menor se hace el número de ciclos que el material puede soportar
Se esperaba encontrar un mayor alivio tensiones internas para la temperatura de revenido
de 200 °C, lo cual se viera reflejado en una mayor resistencia a la falla por fatiga. No se
observan cambios significativos en las propiedades del material entre los tiempos de 15,
30 y 45 minutos seleccionados para realizar los revenidos.
En la resistencia a la fatiga este tipo de tratamiento térmico disminuye considerablemente
la vida útil de este tipo de acero por lo cual el tratamiento térmico desarrollado en este
proyecto no es recomendable.
40
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