Caracterizacion de Acero 5160

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Abstract— Metallography is the discipline that studies the microscopic structural characteristics of a metal or an alloy. Undoubtedly, the microscope is the most important tool metallurgist from both scientifically and technically. Is possible to determine the grain size, shape and distribution of various phases and inclusions having great effect on the mechanical properties of metal. The microstructure reveal the mechanical and thermal treatment of metal and, under a given set of conditions, can predict their expected behavior.

Palabras claves: Tratamiento térmico, dureza, caracterización, análisis químico, bonificado, martensita, metalografia

I. INTRODUCCIÓN

Este proyecto final demuestra los conocimientos adquiridos a lo largo del semestre lo cual lo hace muy importante porque aquí se demuestra si cumplimos con los objetivos del curso. En el presente informe se muestra el proceso de análisis, caracterización, ensayos hechos y tratamientos térmicos de un acero específico que es el AISI-SAE 5160. Este acero se utiliza en la fabricación de piezas muy solicitadas que requieran una elevada dureza y tenacidad especialmente en la industria automotriz, ballestas y muelles helicoidales para automóviles y ferrocarriles. Piezas de responsabilidad que requieran una calidad especial, como arboles de trasmisión, barras de torsión, grandes engranaje engranajes trabajando sin choque, engranajes en general, etc.Este trabajo es muy importante pues a partir de aquí empezaremos el camino hacia la caracterización y tratamiento de diferentes materiales de ingeniería, creación nuevos materiales, encontrar mejores

materiales a un menor precio, en fin es algo muy importante en la industria y con muchas salidas laborales.El objetivo del presente es obtener ciertas características en un material para poder usarlo hipotéticamente en la industria.El tratamiento térmico fue escogido por nosotros para darle al material las características que requeríamos según la norma.

II. MARCO TEÓRICO

A. Generalidades

Los metales que se emplean en la industria, son aleaciones y no metales puros como hierro, oro, cromo, cobre, plata etc. debido a que sus características no son apropiadas para el uso. De los materiales puros, el hierro es uno de los elementos que se encuentra en mayor proporción, y el carbono es el que ejerce influencia más decisiva en las propiedades, características y tratamientos. El contenido de carbono de los aceros varía desde 0.035% a 1.7%, llegando en algunos casos excepcionales a 2.2%.Los aceros son fundamentalmente aleaciones de hierro-carbono, con otros elementos e impurezas. Para la fabricación de los resortes de ballesta es frecuente el uso del acero SAE 5160, cuyas propiedades mecánicas que le proporciona los componentes de aleación lo hace adecuado para su manufactura.

Tabla 1. Propiedades mecánicas del acero AISI SAE 516

Gerley José Salcedo Pérez ([email protected])Oscar Iván Medina Rojas ([email protected])

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAGrupo B - Grupo 6Diciembre de 2014

Acero AISI-SAE 5160

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B. Caracterización del material

La caracterización del material se realizó por medio de diferentes ensayos, para el presente trabajo se llevaron a cabo ensayos de composición química, dureza y metalografía.

C. Metalografía

Las fases de preparación de la probeta metalográfica son las siguientes:

1. Corte de la muestra.2. Montaje3. Desbaste4. Pulido5. Ataque químico

La preparación de la probeta consiste, en general, en obtener primero una superficie plana y semipulida, mediante el empleo de lija de finura de grano creciente o realizando este desbaste con discos adecuados sobre los que se deposita un abrasivo, terminando con un pulido fino y final sobre discos provistos de paños. El final de la operación es la obtención de una superficie especular que es la requerida para, después, efectuar el ataque y observar adecuadamente la estructura. El ataque químico para aceros generalmente se hace con Nital al 2%.Sin duda alguna, la parte más importante de la metalografía es el examen microscópico de una probeta adecuadamente preparada, empleando aumentos que, con el microscopio óptico, oscilan entre 100 y 2000 aumentos, aproximadamente. Tales estudios microscópicos proporcionan una abundante información sobre la constitución del metal o aleación investigados. Mediante ellos se pueden definir características estructurales, como el tamaño de grano, con toda claridad; se puede conocer el tamaño, forma y distribución de las fases que comprenden la aleación y de las inclusiones no metálicas, así como la presencia de segregaciones y otras heterogeneidades que tan profundamente pueden modificar las propiedades mecánicas y el comportamiento general de un metal.

D. Tratamiento térmico

El tratamiento térmico consiste en una combinación de operaciones de calentamiento, y enfriamiento, con tiempos determinados.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación

III. MATERIALES Y METODOS

A. Análisis químico

Para la composición química se utilizó un espectrómetro de chispa UV-VIS marca BAIRD, y se llevó a cabo el análisis de composición química sobre el material en estado de suministro.En la tabla 2 se puede observar los resultados y se comprobó que si se trata de un acero 5160.

B. Dureza

Se tomó dureza en escala Rockwell C en un durómetro marca WOLPERT HP-2000. Las medidas de dureza se tomaron en la superficie del material en sección transversal, esta dirección fue tomada para tener un promedio más real de la lectura de dureza, ya que las inclusiones tipo sulfuros están de punta.Se verificó que la maquina funcionara bien para eso se utilizó un patrón que desde antes de medirlo se sabía que debe dar 60 HRC. Después se tomó la dureza de la pieza de acero, en total se tomaron 5 medidas y se sacó un promedio, tabla 3.Guiándonos de los resultados concluimos que al material le habían realizado el tratamiento de normalizado.

C. Metalografía

Foto 1. Pieza antes de ser cortada

Después de haber realizado el análisis químico y determinado la dureza del material se procedió a realizar la metalografía, antes de montar la probeta se cortó la muestra en una cortadora de disco, foto 1, para obtener las dimensiones requeridas en el montaje.

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Foto 2. Cortadora de discoPara hacer el montaje se empleó una prensa hidráulica. Se añade 1 parte de resina epóxica protectora de borde y enseguida dos partes de resina fenólica verde (para relleno), antes de esto se debe mojar la base de la máquina y el material a montar con laca, esto para prevenir que se quede pegado a la prensa y sea difícil de retirar. Se asegura la tapa, y se le aplica la presión máxima de la prensa (esta va bajando lentamente) y se deja durante 10 min a 150° C. Luego de haber transcurrido ese tiempo se retira el calor y se coloca una resistencia y se vuelve a aumentar la presión (esta se mantiene estática) y se deja durante 15 min, al final de todo esto se retira la resistencia, se quita la tapa y sale la probeta lista para usar.

Foto 3. Prensa Hidráulica Foto 4. Probeta terminada

Para el lijado de la probeta se usó una desbastadora la cual tiene 4 lijas con tamaño de grano diferente, el procedimiento es simple, en la primera se lija el material uniformemente y hacia un solo lado, así hasta que solo se vean las rayas del lado hacia el que lija, después se pasa a la siguiente lija pero con

la probeta girada 90° y se procede a lijar hasta que las rayas hayan desaparecido así hasta terminar las 4 lijas. Durante el lijado se debe usar un lubricante para que la muestra no se caliente por la fricción y se pierdan las propiedades superficiales que son las que se van a analizar, en este caso el lubricante es agua.Los tamaños de lija usados para este material fueron en este orden 240, 320, 400, 600.

Foto 5. Desbastadora Múltiple StruersPara el pulido final se aplica polvo de alúmina o suspensión de 0,05 micras a un paño con pelo mediano. Se utiliza una pulidora de plato giratorio, a 150 rpm, se sostiene el material haciendo movimientos para que no quede mal el pulido. Se mantiene ahí durante 20 min o lo que requiera para el pulido completo, después de haber terminado no debe verse ni una sola raya en el material. Como lubricante se usa alúmina y agua.

Foto 6. Pulidora de paño Truers

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Foto 7. Probeta después de haber sido atacada con Nital, note el acero perdió todo su brillo.

Foto 8. Microscopio donde se realizó la observación de la probeta.


Así nomás no se puede observar nada en el material por eso se procede a hacer un ataque químico que revele las propiedades a analizar.En este punto la probeta es plana y está pulida, es un espejo.El ataque químico pondrá de manifiesto la estructura del metal ya que atacará los bordes de los granos y afectará de manera diferente a las distintas fases presentes en el metal.Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso del acero el más utilizado es el NITAL, que se prepara disolviendo ácido nítrico (2%) en etanol.Para el ataque se sumerge la probeta en Nital durante unos pocos segundos. Después del ataque el material perderá todo su brillo.Al final se observó el material por medio del microscopio a diferentes aumentos de acuerdo a lo que se quiera observar.

D.Tratamiento térmico

Para el acero 5160 se decidió hacer bonificado, Se llama así al acero templado y luego revenido.

El temple es un tratamiento térmico que consiste en enfriar muy rápidamente, la mezcla austenitica homogénea, que tenemos después de calentar el acero, con este enfriamiento rápido se consigue un aumento de dureza, ya que el resultado microscópico final es una mezcla martensítica. La temperatura de temple para los aceros hipoeutectoides son de 30-50 grados, por encima de esta temperatura, el grano de austenita crece mucho, obteniéndose austenita basta de baja tenacidad. El tiempo de enfriamiento debe de ser rápido pero solo en el intervalo de temperatura de 650-400 grados, que es donde la austenita es menos estable , y es donde se forma la mezcla de ferrita y cementito , por encima de 650 grados la velocidad puede ser más lenta, pero no tanto que permita la precipitación de ferrita o la transformación de austenita en perlita , por debajo de los 400 grados comienza la zona de estabilidad de la austenita , y el enfriamiento puede volver a ser lento, y en el intervalo de 200-300 grados, el enfriamiento debe de ser lento para evitar tensiones térmicas resultantes de un enfriamiento rápido.Se usó una muestra de 25 mm de lado para este tratamiento, el calentamiento fue a 860°C y se mantuvo ahí durante 15 minutos, se retiró y con gran rapidez se sumergió en aceite durante 10 min.Después del temple, los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos a los que están destinados. Esto se corrige con el proceso del revenido, este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura critica inferior, enfriándolo luego al aire.Los fines que se consiguen con este tratamiento son los siguientes: Mejorar los efectos del temple, llevando al

acero a un estado de mínima fragilidad. Disminuir las tensiones internas de

transformación, que se originan en el temple. Modificar las características mecánicas, en las

piezas templadas produciendo los siguientes efectos:

Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.

Aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.

La misma pieza de material anterior se colocó en horno a 600°C y se dejó durante 15 min, se retiró del horno y se dejó a enfriamiento por aire hasta que

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alcanzara la temperatura ambiente en este caso 15 min.Finalmente se realizó el análisis metalográfico de las muestras después de haber hecho el tratamiento térmico.

IV. RESULTADOS Y DISCUSION

A. Análisis químico

% en peso % en pesoFe 96,989 Co 0,01Si 0,275 B 0,0001Mo 0,023 P 0,022Al 0,004 Cr 0,948C 0,547 Ti 0,002Cu 0,15 Pb 0,01W 0,012 S 0,006Nb 0,002 V 0,012Mn 0,925 Sn 0,006Ni 0,054 Mg 0,001

Tabla 2. Composición química del material

B. Transformación de Fase

Grafica 1. Diagrama TTT Acero 5160

C. Dureza

Carga: 150 kg Rockwell CTiempo: 10sPrecarga: 10kgIdentador de diamante 1/16 in

HRC30 130 229 330 430 5

29,8 PromedioTabla 3. Dureza de la muestra de acero 5160

D.Análisis metalográficoa. Sección transversal

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Foto 9. Muestra sin atacar 100XLos objetos negros que se observan en la foto 9 son óxidos globulares, que es un tipo de inclusión.

Foto 10. Muestra atacada. 100X




b. Sección longitudinal

En la foto 14 se puede observar que sin haber realizado el ataque químico no se revelan las propiedades que se quieren analizar, en la foto 10 ya fue atacada la probeta y podemos ver con detalles la estructura del acero.En la foto 15 observamos que la parte blanca es ferrita y la parte oscura es perlita, esto se observa con mejor detalle a medida que se usa más aumento en el microscopio.También vimos que hay mayor cantidad de perlita que de ferrita.

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Se determinó que el tamaño de grano es aproximadamente 8 ASTM según lo establecido en la norma ASTM E-45.

Foto 14. Muestra sin atacar. 100X




Foto 17. Muestra atacada. 800XSe puede observar la perlita (oscura) y la ferrita (clara).

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E. Análisis Térmico

La martensita es la microestructura más dura y resistente de los, pero a la vez más frágil. Su ductilidad es prácticamente nula. De hecho, la martensita como tal es inservible en la mayoría de aplicaciones. Se le aplica un tratamiento de revenido, calentando a temp. Inferior al eutectoide, transformándose en partículas extremadamente pequeñas de cementita dispersas en una matriz de ferrita. La estructura es similar a la esferoidita, pero de menor tamaño.La velocidad de enfriamiento para el templado fue inmediata (10 min) esto para que no se formaran otros fases durante el enfriamiento y solo se obtuviera martensita.Para revenido se calentó a una temperatura menor, 600° y el enfriamiento fue al aire libre (10min) esto para que la martensita se transformara en ferrita y cementita.

a. Análisis metalográfico

Foto 18. Acero bonificado sin atacar. 100X

Foto 19. Material atacado. 100X




En las fotos se ve que hay martensita revenida y perlita además de que en algunas partes se ve austenita retenida

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V. CONCLUSIONES

El acero 5160 tiene una buena profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento térmico.

Es un acero duro de buena resistencia y tenacidad a cualquier temperatura.

Los Diagramas de Fase representan estados y transformaciones en condiciones de equilibrio, pero no aportan información sobre el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio.

Las transformaciones de fase, tanto en condiciones de equilibrio como fuera de este, y los tratamientos térmicos aplicados para lograrlas, son determinantes en el desarrollo de la estructura de los materiales REALES, y por tanto, para alcanzar las propiedades requeridas

VI. REFERENCIAS

[1] http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/ASM%20Metals%20HandBook%20Volume%204%20-%20Heat%20Treating.pdf

[2] http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase9ptt.pdf[3] http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/

7643_metalografia.pdf[4] http://www.bladesmithsforum.com/index.php?showtopic=9049[5] https://alojamientos.uva.es/guia_docente/uploads/

2012/469/45757/1/Documento7.pdf

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