COMPARACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS 1020, 1045 Y
8620 TEMPLADOS DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDOS
SENDER NICOLAS MORENO SANCHEZ
URIEL ALEJANDRO ESPAÑOL MARROQUIN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2018
COMPARACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS 1020, 1045 Y
8620 TEMPLADOS DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y REVENIDOS
SENDER NICOLAS MORENO SANCHEZ
URIEL ALEJANDRO ESPAÑOL MARROQUIN
Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de
INGENIEROS MECÁNICOS
Director
Ing. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2018
AGRADECIMIENTOS
El presente proyecto ha sido posible gracias a la colaboración de aquellas
personas que aportaron todos sus conocimientos, para así lograr con éxito a
cabalidad los objetivos planteados de este. Agradecemos al tutor del proyecto,
Ingeniero Carlos Arturo Bohórquez Ávila, quien con su guía y colaboración nos
brindó toda la atención posible para encontrar solución al problema planteado. Al
proyecto curricular de Ingeniería Mecánica de la Universidad Distrital Francisco José
de Caldas y a la Facultad Tecnológica por brindarnos todas las instalaciones
necesarias y la formación pertinente al proyecto que no solo nos hará crecer
profesionalmente sino también como seres humanos, y por último a todo el personal
de los laboratorios que con su dedicación nos lograron ayudar a cumplir las
investigaciones establecidas.
NOTA DE ACEPTACIÓN ___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
___________________________________
____________________________ Firma del tutor
____________________________ Firma del jurado
____________________________ Firma del jurado
TABLA DE CONTENIDO
Pág
INTRODUCCIÓN 12
1. JUSTIFICACIÓN 14
2. OBJETIVOS 15
2.1 OBJETIVO GENERAL 15
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 15
3. MARCO TEORICO 16
3.1 CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS 17
3.2 FERRITA 17
3.3 CEMENTITA 17
3.4 PERLITA 18
3.5 AUSTENITA 19
3.6 MARTENSITA 20
3.7 MARTENSITA REVENIDA 22
3.8 TEMPLE 22
3.9 TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS 23
3.10 REVENIDO 23
3.11 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO DIFUSIONALES 23
3.12 TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE 24
3.13 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO NO DIFUSIONALES
24
4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL
PROYECTO. 26
4.1 DETERMINACION DE TEMPERATURAS DE TEMPLE A PARTIR DE
LA COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS 26
4.2 PREPARACIÓN DE PROBETAS Y SECUENCIA DE TRATAMIENTOS
30
4.3 MICROGRAFIAS 32
5. RESULTADOS Y ANALISIS DE ENSAYOS REALIZADOS 34
5.1 DUREZAS 34
5.2 MICROSCOPIA ÓPTICA 41
5.3 PORCENTAJES DE FASE 53
5.4 MICRODUREZAS 63
6. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO 67
7. CONCLUSIONES 76
8. BIBLIOGRAFIA 77
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama hierro – carbono 16
Figura 2.Secuencia de tratamientos térmicos realizados. 32
Figura 3. Ensayos de dureza realizados al acero 1020. 35
Figura 4. . Variación porcentual de la dureza del acero 1020 después de ser
tratado térmicamente. 35
Figura 5. Ensayos de dureza realizados al acero 8620. 37
Figura 6. Variación porcentual de la dureza del acero 8620 después de ser tratado
térmicamente. 37
Figura 7. Ensayos de dureza realizados al acero 1045. 39
Figura 8. Variación porcentual de la dureza del acero 1045 después de ser tratado
térmicamente. 39
Figura 9. Variación porcentual de la dureza de los aceros 1020, 8620 y 1045
después de ser tratados térmicamente. 40
Figura 10. Micrografía del Acero 1020 Sin templar. 42
Figura 11. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C. 42
Figura 12. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C. 43
Figura 13. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C y revenido a
450 °C. 44
Figura 14. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C y revenido a
450 °C. 45
Figura 15. Micrografía del acero 8620 sin templar. 46
Figura 16. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C. 46
Figura 17. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C. 47
Figura 18. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C y revenido a
450 °C. 48
Figura 19. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C y revenido a
450 °C. 49
Figura 20. Micrografía del acero 1045 sin templar 50
Figura 21. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C. 50
Figura 22. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C. 51
Figura 23. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C y revenido a
450 °C 52
Figura 24. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C y revenido a
450 °C. 53
Figura 25. Porcentajes de fases para el acero 1020 de acuerdo a los tratamientos
térmicos realizados. 56
Figura 26. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos
térmicos realizados. 59
Figura 27. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos
térmicos realizados. 61
Figura 28. Micrografías del acero 1020 tomadas con microscopio electrónico de
barrido 68
Figura 29. Micrografías del acero 1045 tomadas con microscopio electrónico de
barrido 70
Figura 30. Micrografías del acero 8620 tomadas con microscopio electrónico de
barrido 72
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1 Composición química de los materiales en estado de entrega 27
Tabla 2 Temperaturas de austenización parcial, total y de comienzo de
transformación martensítica 29
Tabla 3 Temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar temples. 29
Tabla 4. Durezas promedio del acero AISI/SAE 1020. 34
Tabla 5 Durezas promedio del acero AISI/SAE 8620 36
Tabla 6 Durezas promedio del acero AISI/SAE 1045 38
Tabla 7. Porcentajes de fases para los aceros 1020, 8620 y 1045 de acuerdo a los
tratamientos térmicos realizados. 62
Tabla 8 Microdurezas promedio de los aceros 1020, 1045 y 8620. 64
Tabla 9 Comparación microestructural de los aceros 1020, 1045 y 8620 templados
desde temperaturas intercriticas y revenidos. 74
LISTADO DE ECUACIONES
Ecuación 1.Cálculo de A1 28
Ecuación 2. Cálculo de A3 28
Ecuación 3.Cálculo de MS 28
12
INTRODUCCIÓN
Los distintos materiales que se utilizan en la industria entre ellos los metales
muchas veces necesitan ser sometidos a diferentes tratamientos térmicos como
temples, revenidos y recocidos, los cuales generan cambios en la estructura
cristalina de los mismos generando a la vez un cambio en sus propiedades
mecánicas. Esta variación depende del tipo de tratamiento térmico, así como del
rango de temperaturas y tiempos a las que vaya a ser expuesto el material durante
dicho proceso.
Los aceros AISI 1020, 1045 y 8620, difieren entre si principalmente del porcentaje
de carbono presente en su composición química, así como de los diferentes
elementos aleantes presentes en ellos. La principal característica que estos tres
aceros tienen en común es el uso que tienen en la industria. Son utilizados en gran
medida para la fabricación de partes de maquinaria como engranajes, cigüeñales,
ejes, pasadores para cadenas, bujes, entre otros.
A continuación, se muestran los resultados de un análisis comparativo entre los
aceros AISI 1020, 1045 y 8620, al ser templados a temperaturas intercríticas y
posteriormente revenidos. Mediante microscopia óptica, microscopia electrónica de
barrido y ensayos de microdureza, se analizan e identifican las microestructuras
presentes en cada material después de cada tratamiento térmico, así como los
13
porcentajes volumétricos de las fases presentes en cada muestra. También se
analizan los resultados obtenidos a partir de ensayos de dureza para cada material
estableciendo su relación con los tratamientos térmicos realizados.
14
1. JUSTIFICACIÓN
Los artículos e investigaciones consultados previamente al planteamiento formal
de este proyecto, aunque están relacionados con los materiales en cuestión y con
los tratamientos térmicos que se quieren emplear, no tienen el alcance que al que
este proyecto pretende llegar por las razones que se exponen a continuación:
La realización del presente proyecto pretende lograr un análisis comparativo a
partir del cambio que sufren los aceros en su estructura cristalina y en su dureza al
verse sometidos a tratamientos térmicos (temple y revenido).
Finalmente se espera llegar a determinar el comportamiento a nivel
microestructural a partir de los tratamientos térmicos realizados con el fin de
establecer las principales diferencias que presentan en los aceros AISI 1020, 1045
y 8620 entre sí, de manera que permitan al lector tener un panorama de los posibles
constituyentes microscópicos presentes tras cada tratamiento y de los valores de
dureza de los 3 aceros.
15
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Identificar mediante microscopia electrónica de barrido y ensayos de microdureza
la microestructura de los aceros AISI 1020, 1045 y 8620 templados desde
temperaturas intercríticas y posteriormente revenidos.
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Establecer el número de probetas de acuerdo a los tratamientos térmicos a
realizar y constatar la composición química de los aceros 1020, 1045 y 8620
mediante espectrometría.
Realizar temples a 2 temperaturas intercríticas teniendo el agua como medio de
enfriamiento, luego realizar revenidos a una temperatura cercana a Ms.
Realizar análisis metalográfico de las probetas mediante microscopia electrónica
de barrido y ensayos de microdureza para determinar las microestructuras
presentes en cada muestra.
Posteriormente, llevar a cabo ensayos de dureza para cada muestra, comparar
los resultados obtenidos para cada caso y realizar las conclusiones respectivas.
16
3. MARCO TEORICO
A continuación, se dará una introducción a los temas que se trataran en este
proyecto de investigación mediante la consulta bibliográfica de información
relacionada.
Figura 1. Diagrama hierro – carbono (Askeland, 2004)1.
1 Askeland, D. R. (2004). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales, Cuarta Edición.
Thomson.
17
3.1 CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS
Al hablarse de temple estamos refiriéndonos a una serie de cambios en la micro
estructura de un acero por medio de la adición de energía. Este proceso genera una
serie de fases que se presentan en los aceros.2
3.2 FERRITA
La ferrita es hierro α, prácticamente, como hemos mencionado anteriormente;
puede contener cantidades muy pequeñas de carbono, siendo la solubilidad de este
elemento en la ferrita, a temperatura ambiente, de tan sólo el 0´008% en masa. En
los aceros aleados, sin embargo, la ferrita puede disolver cantidades importantes
de elementos como: cromo, molibdeno, wolframio, silicio, aluminio y vanadio, que
por ello se denominan, genéricamente, elementos alfágenos. Tiene una resistencia
mecánica apreciable de 28 kg/mm2 (280 MPa) y gran alargamiento (ductilidad) de
hasta un 35%. Su dureza oscila alrededor de los 90 HB (unidades Brinell).3
3.3 CEMENTITA
La cementita es un carburo de hierro, Fe3C, que contiene un 6´67% en masa de
carbono y un 93´33% en masa de hierro. Es el microconstituyente más duro de los
2 (2004/2005). Aleaciones Hierro - Carbono Aceros y fundiciones.
3 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-
carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 12.
18
aceros al carbono; llegando a tener una dureza superior a los 68 HRC (68 unidades
Rockwell C), lo que le hace muy frágil. Su red cristalina consiste en un
paralelepípedo ortorrómbico de gran volumen (4´5 x 5 x 6´7 Å). Es magnética hasta
los 218ºC.4
3.4 PERLITA
Se trata del agregado eutectoide, formado por capas alternativas de ferrita y
cementita (carburo de hierro, Fe3C). Posee una composición bastante definida,
tiene seis partes de hierro por una de carbono, 88% de ferrita y 12% de cementita.
Su dureza es de alrededor de los 250 HB (unidades Brinell), dependiendo de su
espaciado interlaminar, que depende de si el enfriamiento se ha llevado a cabo en
el horno (200 HB) o al aire (normalizado)(250HB). El espaciado interlaminar de la
perlita depende de la velocidad de enfriamiento: 400 nm para la perlita grosera
(horno) y 250-350 nm para enfriamiento al aire. La perlita aparece en el enfriamiento
lento de la austenita, es decir, dentro del horno o al aire (normalizado). Su
resistencia a la tracción es de aproximadamente 80 kg/ mm2 (800 MPa). 13 Su
nombre deriva de su aspecto visual nacarado semejante a las perlas, lo que hizo
que Henry Clifton Sorby, científico inglés de gran prestigio internacional (1826-
1908), la denominara perlita. La perlita es la estructura del eutectoide del acero
(0´8% C, 723ºC). Esta denominación de perlita, ya hemos visto que le fue impuesta
4 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones
hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 12
19
por Sorby. En cambio, el término eutectoide, fue ideado por el ingeniero y químico
francés Floris Osmond (1850-1914) por su semejanza con las estructuras
eutécticas, cuyo término eutéctico, ya había sido utilizado con anterioridad por el
prestigioso físico inglés F. Gutrie (1833-1886), que lo dio a conocer en una
publicación en 1884, para aquellas aleaciones de bajo punto de fusión, que
presentaban ese tipo de estructuras. De forma independiente y, prácticamente
simultánea con Floris Osmond, el profesor de metalurgia Henry Marion Howe (1848-
1922), norteamericano, publicó el término eutectoide, que fue aceptado de forma
general hasta la actualidad. Luego los términos eutéctico y eutectoide, se deben, el
primero a F. Gutrie, y el segundo tanto a F. Osmond como a H.M. Howe.5
3.5 AUSTENITA
Es una solución sólida de carbono en hierro gamma. Puede contener hasta un
2´06% de carbono en masa a la temperatura de 1147ºC . Por tanto se trata de una
típica fase de composición variable. Para retenerla a temperatura ambiente es
necesario un elevado contenido en carbono o, en aceros aleados, con presencia
suficiente de elementos gammágenos (níquel, manganeso, cobalto y cobre). La
austenita presenta una dureza de 300 HB (unidades Brinell) y una resistencia de 88
a 105 kg/ mm2 (1050 MPa) con un alargamiento del 30% al 60%. Claro está, que
estos datos se corresponden cuando la austenita está retenida a temperatura
5 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones
hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 14
20
ambiente (aceros de alto contenido en carbono o aleados). A alta temperatura es
blanda, muy dúctil, tenaz y no es magnética. Es resistente al desgaste y es la fase
más densa de los aceros. El nombre de austenita le vino por el francés Floris
Osmond (1849-1912), que junto con el metalurgista alemán Adolf Martens (1850-
1914), son los fundadores e iniciadores de la metalografía. Pues bien, Osmond, la
denominó austenita en honor al metalurgista inglés Sir William Chandler Roberts-
Austen (1843-1902). Precisamente, fue el metalurgista alemán Adolf Martens, el
que encargó y diseñó junto con el óptico, también alemán, Karl Zeiss (1816-1888),
fundador de la célebre compañía Zeiss, el primer microscopio metalográfico.6
3.6 MARTENSITA
Es el constituyente típico de los aceros templados. Consiste en una solución
sobresaturada de carbono en hierro α, aunque el cristal formado es del sistema
tetragonal. Se trata de un paralelepípedo que difiere muy poco del hierro α, cúbico
centrado en el cuerpo. Son los átomos de carbono los responsables de la
deformación de la red cristalina del hierro α, que se transforma en tetragonal. El
paralelepípedo elemental tiene dos lados iguales y otro que es un poco mayor. El
mayor, tiene una relación proporcional que varía de 1´06 a 1, cuando el contenido
en carbono varía del 1% al 0% en masa. Por calentamiento a baja temperatura, la
retícula inestable de la martensita se descompone en hierro α (ferrita) y carburos de
6 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones
hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 15
21
hierro (cementita). A esta estructura se la llamó, en los primeros años del siglo XX,
osmondita; en honor del metalurgista francés, antes citado, Floris Osmond. Este
nombre fue propuesto por el prestigioso ingeniero metalúrgico y metalógrafo alemán
Friedrich Emily Heyn (1867-1922). Este término ya no tiene vigencia, como tantos
otros en la metalurgia del acero. El nombre de martensita sí se conserva, frente al
inicial de hardenita. Este término de martensita, propuesto de nuevo por el
prestigioso Floris Osmond, lo fue 16 en honor del metalógrafo alemán, nombrado
anteriormente, Adolf Martens; creador, junto con Osmond, de la Metalografía. Las
propiedades físicas y mecánicas de la martensita varían con el contenido en
carbono del acero, llegando a su máxima dureza alrededor del 0´9% de carbono en
masa. Después de los carburos y la cementita, es el constituyente más duro de los
aceros. Tiene una resistencia mecánica que varía de 170 kg/ mm2 (1700 MPa) a
250 kg/ mm2 (2500 MPa), una dureza de 58 HRC a 68 HRC (unidades Rockwell C)
y un alargamiento de entre 2´5% y 0´5%. Es magnética como la ferrita (hierro α). Su
aspecto es marcadamente acicular, hecho que se observa muy bien en aquellos
aceros que no templan completamente y en los que queda austenita retenida a
temperatura ambiente.7
7 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones
hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 15
22
3.7 MARTENSITA REVENIDA
Conjunto de microconstituyentes resultantes de someter a la martensita a un
tratamiento térmico de revenido. Su aspecto microestructural puede variar
notablemente en función de la temperatura y del tiempo de revenido.8
3.8 TEMPLE
Con este proceso, de enfriamiento brusco desde el campo austenítico, en
distintos medios de temple: agua con sal muera, aceite o, incluso al aire, en algunos
aceros aleados; provoca la aparición de una estructura extremadamente dura, cuya
resistencia mecánica varía desde 170 kg/ mm2 (1700 MPa) hasta los 250 kg/ mm2
(2500 MPa), y durezas entre 58 HRC y 68 HRC (unidades Rockwell C). Estos
valores se obtienen dependiendo del medio de temple y contenido en carbono;
consiguiéndose las máximas resistencias, para agua con sal muera y alrededor de
un 0´9% de carbono en masa. Esta estructura denominada martensita, como ya se
ha mencionado anteriormente, es extremadamente dura y frágil, ya que sus
alargamientos se encuentran situados entre el 2´5% y el 0´5%.9
8 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-
carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 16
9 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-
carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 23
23
3.9 TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRITICAS
El tratamiento se lleva acabo seleccionando temperaturas comprendidas entre A1
y A3, para posteriormente realizar un temple en agua. Basado de un modelo
experimental se obtiene el número de probetas necesarias para tener validez
estadística. Se fabricaron las probetas de acuerdo a la norma ASTM.10
3.10 REVENIDO
El revenido consigue liberar el carbono retenido en los cristales de martensita, en
forma de carburos de hierro esferoidizados (globulizados) y la aparición o liberación
de ferrita. La temperatura de revenido y los tiempos utilizados, consiguen liberar
más o menos carburo de hierro y ferrita, lo que va a ablandando progresivamente
la martensita y, por tanto, disminuyendo su dureza y aumentando su tenacidad.11
3.11 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO DIFUSIONALES
La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido
tienen lugar por movimientos atómicos activados térmicamente. Estas
10 Bohórquez, C. A. (2012). Influencia del tratamiento térmico desde
temperaturas intercríticas en las propiedadesmecánicas del acero sae 1045.
Argentina: Mecanica Comptutacional. Pág 1
11 Criado Portal Antonio J. (2008). Estructuras metalograficas de aleaciones
hierro-carbono:aceros al carbono y fundiciones. Madrid. 2008, pág. 23
24
transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que
tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones
desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde
una o más fases son estables.12.
3.12 TRANSFORMACIÓN EUTECTOIDE
La reacción eutectoide es un equilibrio trifásico en el que una fase sólida se
desdobla en otras dos fases sólidas a temperatura constante. Tanto la precipitación
como la reacción eutectoide forman fases con distinta composición de la matriz, lo
que supone difusión de largo alcance. Los otros tipos de transformaciones se
pueden producir sin cambio de composición o difusión de largo alcance.13
3.13 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO NO DIFUSIONALES
La mayoría de las transformaciones de fase que se producen en estado sólido
tienen lugar por movimientos atómicos activados térmicamente. Estas
transformaciones se inducen por un cambio de temperatura en una aleación que
12 Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7.
Transformaciones en estado sólido.Difusionales y no difusionales. Madrid: Reduca
(Recursos Educativos). Casals, 2012, pág. 294
13 Askeland, D. R. (2004). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales, Cuarta
Edición. Thomson.
25
tiene una composición fija. La mayoría de las ocasiones son transformaciones
desde una región monofásica de un diagrama binario de fases a una región donde
una o más fases son estables.14
14 Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7.
Transformaciones en estado sólido.Difusionales y no difusionales. Madrid: Reduca (Recursos Educativos). Casals, 2012, pág. 349
26
4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL SEGUIDA EN EL DESARROLLO DEL
PROYECTO.
4.1 DETERMINACION DE TEMPERATURAS DE TEMPLE A PARTIR DE LA
COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS
Con el fin de realizar una comparación valida entre las propiedades de los aceros
AISI/SAE 1020, 1045 y 8620, se determinó hacer pruebas a cada uno de los aceros
partiendo de los materiales en estado de entrega, para luego ser templados a dos
temperaturas intercríticas cercanas a A3 y finalmente ser revenidos.
Se estableció un tamaño de probetas de diámetro ¾" y 1 cm de longitud. A partir
de esta geometría se determinaron los tiempos de temples teniendo en cuenta que
para que las probetas alcancen de manera homogénea la temperatura desde las
cuales se van a templar, es necesario exponerlas a dichas temperaturas un tiempo
aproximado de 30 minutos.
Para determinar las temperaturas de temple, se realizó un ensayo de
espectrometría a los materiales en estado de entrega con el fin de determinar la
composición química de cada uno de ellos. Este análisis arroja como resultado los
valores porcentuales de los elementos químicos presentes. Mediante la exposición
de una muestra de cada material a altas temperaturas se genera una excitación de
los electrones de los átomos presentes dentro de ellos los cuales emiten luz en
27
longitudes de onda características, que se dispersan por una rejilla o un prisma y se
detecta en el espectrómetro. Este ensayo se realizó en el Laboratorio de Materiales
y Procesos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia.
Tabla 1 Composición química de los materiales en estado de entrega
Material
1020 1045 8620 Composición Química (%)
Fe 98.700 98.112 97.117
Si 0.258 0.355 0.286
Mo 0.007 0.011 0.154
Al 0.056 0.049 0.070
C 0.182 0.433 0.182
Cu 0.007 0.084 0.181
W 0.009 0.008 0.023
Nb 0.003 0.005 0.004
Mn 0.661 0.753 0.800
Ni 0.016 0.031 0.560
Co 0.003 0.004 0.015
B 0.0038 0.0018 0.0007
P 0.018 0.046 0.024
Cr 0.054 0.058 0.551
Ti 0.001 0.000 0.000
Pb 0.007 0.008 0.009
S 0.012 0.019 0.010
V 0.002 0.004 0.004
Sn 0.001 0.006 0.008
Mg 0.000 0.000 0.000
Fuente: Autores
28
A1= 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 Si + 6,77 Si Ni – 0,80 Cr Ni – 27,4 C V + 30,8 Mo V –
0,84 Cr² - 3,46 Mo² - 0,46 Ni² - 28V.
Ecuación 1.Cálculo de A1 (Gorni, 2002, pág. 4)
A3 = 912 – 370 C – 27,4 Mn + 27,3 Si – 6,35 Cr – 32,7 Ni + 95,2 V + 190 Ti + 72,0
Al + 64,5 Nb + 5,57 W + 332 S + 276 P + 485 N – 900 B + 16,2 C Mn + 32,3 C Si +
15,4 C Cr + 48,0 C Ni + 4,32 Si Cr – 17,3 Si Mo – 18,6 Si Ni + 4,80 Mn Ni + 40,5 Mo
V + 174 C² + 2,46 Mn² - 6,86 Si² + 0,322 Cr² + 9,90 Mo² + 1,24 Ni ² - 60,2 V.
Ecuación 2. Cálculo de A3 (Gorni, 2002, pág. 5)
Ms = 512 – 453 C + 217 C2 – 16.9 Ni + 15 Cr – 9.5 Mo - 71.5 C Mn – 67.7 C Cr
Ecuación 3.Cálculo de MS (Gorni, 2002, pág. 25)
En la siguiente tabla muestran las temperaturas de austenización parcial y
austenización total para cada material basado en los porcentajes de los elementos
presentes, así como la determinación de las temperaturas a partir de las cuales
inicia la transformación martensítica
.
29
Tabla 2 Temperaturas de austenización parcial, total y de comienzo de transformación martensítica
Material
1020 1045 8620 Temperaturas de austenización parcial, total y Ms
A1 731.27 C 729.78 C 743.97 C
A3 853.05 C 808.90 C 864.19 C
Ms 427.95 C 331.76 C 416.89 C
Fuente: Autores
Las temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar los temples, se
determinaron con el fin de garantizar que después del temple un material de
características Dualphase (doble fase microestructural). Para esto, la temperatura
A1 de cada material se le sumo el 15% de su valor, y a cada temperatura A3 se le
resto el 15%.
Así mismo, se decidió que la temperatura de revenido tuviera un valor superior a
Ms para cada material.
Tabla 3 Temperaturas intercríticas seleccionadas para realizar temples.
Material 1020 1045 8620
Temperaturas de Temple
TT1 755 C 740 C 770 C
TT2 825 C 770 C 840 C
Ms 450 C 450 C 450 C
Fuente: Autores.
30
4.2 PREPARACIÓN DE PROBETAS Y SECUENCIA DE TRATAMIENTOS
A partir de las temperaturas intercríticas se encuentran en la tabla 3, se realizaron
dos temples en agua para cada material a partir de las temperaturas de temple
seleccionadas. Así mismo, se realizó revenido en agua para cada muestra templada
de cada material. Estos tratamientos térmicos fueron realizados en una mufla
eléctrica LABTECH/LEF-P TYPE.
31
32
Figura 2.Secuencia de tratamientos térmicos realizados. Fuente: Elaborado por los autores.
4.3 MICROGRAFIAS
Con el fin de observar las microestructuras presentes, de las muestras de los
materiales después de realizar los tratamientos térmicos, fue necesario realizar una
preparación metalográfica según la norma ASTM E-3 la cual consistió en pulir las
superficies que se van a observar en el microscopio, desbastándolas en lijadoras
manuales usando lijas de calibre 400, 600, 1000, 1200, 1500 y 2000. Posteriormente
33
se empleó el sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V. En este
equipo se utilizó algodón perchado y alúmina, para obtener el material con acabado
lapeado.
Finalmente, todas las probetas fueron atacadas químicamente con 97% de
alcohol etílico y 3% de ácido nítrico con el fin de revelar visualmente las
microestructuras presentes. Se utilizó el microscopio AXIO OBSERVER D1M para
tomar micrografías ópticas a las probetas en aumentos de 100x, 500x y 1000x.
Posteriormente se utilizó el microscopio electrónico de barrido JSM-6490LV para
obtener micrografías en aumentos de 1000x, 3000x y 5000x.
34
5. RESULTADOS Y ANALISIS DE ENSAYOS REALIZADOS
En este apartado se mostrarán los resultados de cada prueba realizada en el
material y se dará una descripción de los factores que afectaron lo ocurrido en cada
ensayo.
5.1 DUREZAS
Se realizaron ensayos de dureza para cada probeta, cuyos valores variaron
según los tratamientos térmicos aplicados. Los ensayos fueron realizados en la
Universidad Distrital en el laboratorio de metalografía en el Durómetro GNEHM
Swiss Rock.
Por cada serie de tratamientos se realizaron 5 tomas de dureza, cuyos valores
se obtuvieron en escalas de dureza Rockwell. En la siguiente tabla se muestran los
resultados promedios de dichas mediciones y el valor de la desviación estándar
entre los datos obtenidos.
Tabla 4. Durezas promedio del acero AISI/SAE 1020.
DUREZAS PROMEDIO ACERO 1020
TRATAMIENTO TERMICO DESVIACIÓN ESTANDAR
DUREZA ROCKWELL
DUREZA VICKERS
MATERIAL BASE 0.5727 90,74 HRB 184 HV
TEMPLADO A 755 C 3.1198 25,94 HRC 255 HV
TEMPLADO A 825 C 1.2538 37,22 HRC 351 HV
TEMPLADO A 755 C Y REVENIDO A 450 C
3.3395 95,18 HRB 218 HV
TEMPLADO A 825 C Y REVENIDO A 450 C
2.0025 26,5 HRC 258 HV
Fuente: Autores
35
Figura 3. Ensayos de dureza realizados al acero 1020. Elaborado por los autores.
Figura 4. . Variación porcentual de la dureza del acero 1020 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
SIN TEMPLE TEMPLADO A 755°C TEMPLADO A 825°C TEMPLADO A 755°CY REVENIDO A 450°C
TEMPLADO A 825°CY
REVENIDO A 450°C
PO
RC
ENTA
JE D
E V
AR
IAC
IÓN
DE
DU
REZ
A [
%]
ACERO 1020
36
De acuerdo con los resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas en el
durómetro, se puede observar que el material tratado térmicamente desde 825°C
es el que opone mayor resistencia al ser penetrado, con un promedio de dureza
total de 351 HV. La figura 4 ilustra el aumento porcentual de la dureza del acero
AISI/SAE 1020 después de cada tratamiento térmico en comparación con el material
base. Se observa que la dureza máxima se obtiene al templar el acero AISI/SAE
1020 a 825 °C, lo cual se ve representado en un aumento porcentual del 94%. Así
mismo el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 755 ° C y revenirlo
a 450 °C es del 15%. Mientras que el aumento porcentual de la dureza al templar el
material a 825 ° C y revenirlo a 450 °C es del 47%.
Tabla 5 Durezas promedio del acero AISI/SAE 8620
DUREZAS PROMEDIO ACERO 8620
TRATAMIENTO TERMICO DESVIACIÓN ESTANDAR
DUREZA ROCKWELL
DUREZA VICKERS
MATERIAL BASE 1.0986 90,38 HRB 183 HV
TEMPLADO A 770 C 1.1735 36,22 HRC 342 HV
TEMPLADO A 840 C 2.6913 40,16 HRC 388 HV
TEMPLADO A 770 C Y REVENIDO A 450 C
1.5076 29,14 HRC 277 HV
TEMPLADO A 840 Y REVENIDO A 450 C
0.8933 35,94 HRC 332 HV
Fuente: Autores
37
Figura 5. Ensayos de dureza realizados al acero 8620. Elaborado por los autores.
Figura 6. Variación porcentual de la dureza del acero 8620 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores.
En los tratamientos térmicos realizados al material AISI/SAE 8620, el temple
realizado desde 840°C presenta la mayor dureza la cual corresponde a un valor de
388 HV. La figura 6 ilustra el aumento porcentual de la dureza del acero AISI/SAE
0
20
40
60
80
100
120
SIN TEMPLE TEMPLADO A 770°C TEMPLADO A 840°C TEMPLADO A 770°CY REVENIDO A 450°C
TEMPLADO A 840°CY
REVENIDO A 450°C
PO
RC
ENTA
JE D
E V
AR
IAC
IÓN
DE
DU
REZ
A [
%]
ACERO 8620
38
8620 después de cada tratamiento térmico en comparación con el material base. Se
observa que la dureza máxima se obtiene al templar el acero AISI/SAE 8620 a
840°C, lo cual se ve representado en un aumento porcentual del 112%. Así mismo
el aumento porcentual de la dureza al templar el material a 770 ° C y revenirlo a 450
°C es del 59%. Mientras que el aumento porcentual de la dureza al templar el
material a 840 ° C y revenirlo a 450 °C es del 90%.
Tabla 6 Durezas promedio del acero AISI/SAE 1045
DUREZAS PROMEDIO ACERO 1045
TRATAMIENTO TERMICO DESVIACIÓN ESTANDAR
DUREZA ROCKWELL
DUREZA
VICKERS
MATERIAL BASE 1.3766 97 HRB 222 HV
TEMPLADO A 740 C 1.7564 44,3 HRC 438 HV
TEMPLADO A 770 C 1.5534 47,54 HRC 474 HV
TEMPLADO A 740 C Y REVENIDO A 450 C
1.3405 31,88 HRC 292 HV
TEMPLADO A 770 C Y REVENIDO A 450 C
0.5983 34,04 HRC 320 HV
Fuente: Autores
39
Figura 7. Ensayos de dureza realizados al acero 1045. Elaborado por los autores.
Figura 8. Variación porcentual de la dureza del acero 1045 después de ser tratado térmicamente. Elaborado por los autores.
0
20
40
60
80
100
120
SIN TEMPLE TEMPLADO A740°C
TEMPLADO A770°C
TEMPLADO A740°C
Y REVENIDO A450°C
TEMPLADO A770°C Y
REVENIDO A 450°C
PO
RC
ENTA
JE D
E V
AR
IAC
IÓN
DE
DU
REZ
A [
%]
ACERO 1045
40
El comportamiento del acero 1045 resulta similar al de los otros dos aceros en
los cuales la mayor dureza corresponde a la muestra templada desde la temperatura
más alta (770°C), con un valor promedio de 474 HV (113% respecto a la dureza del
material base) cuyo valor disminuye al ser revenida. La muestra templada a 740°C
tuvo un aumento porcentual del 96%. El aumento porcentual de la dureza al templar
el material a 740 ° C y revenirlo a 450 °C es del 41%. Mientras que el aumento
porcentual de la dureza al templar el material a 770 ° C y revenirlo a 450 °C es del
49%.
Figura 9. Variación porcentual de la dureza de los aceros 1020, 8620 y 1045 después de ser tratados térmicamente. Elaborado por los autores.
0
20
40
60
80
100
120
AC
ERO
10
20
SIN
TEM
PLE
AC
ERO
10
20
TEM
PLA
DO
A7
55
°C
AC
ERO
10
20
TEM
PLA
DO
A8
25
°C
AC
ERO
10
20
TEM
PLA
DO
A7
55
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°C
AC
ERO
10
20
TEM
PLA
DO
A8
25
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°C
AC
ERO
86
20
SIN
TEM
PLE
AC
ERO
86
20
TEM
PLA
DO
A7
70
°C
AC
ERO
86
20
TEM
PLA
DO
A8
40
°C
AC
ERO
86
20
TEM
PLA
DO
A7
70
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°C
AC
ERO
86
20
TEM
PLA
DO
A8
40
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°C
AC
ERO
10
45
SIN
TEM
PLE
AC
ERO
10
45
TEM
PLA
DO
A7
40
°C
AC
ERO
10
45
TEM
PLA
DO
A7
70
°C
AC
ERO
10
45
TEM
PLA
DO
A7
40
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°C
AC
ERO
10
45
TEM
PLA
DO
A7
70
°C Y
REV
ENID
O A
45
0°CP
OR
CEN
TAJE
DE
VA
RIA
CIÓ
N D
E D
UR
EZA
[%
]
VARIACIÓN PORCENTUAL EN LA DUREZA DE LOS ACEROS 1020, 8620 Y 1045
41
La figura 9 compara los aumentos porcentuales de los 3 aceros, en la cual se
evidencia un comportamiento similar en la variación porcentual de dureza, ya que
esta aumenta a medida que la temperatura de temple es más próxima a A3. Así
mismo, el revenido posterior al temple ocasiona una reducción de la dureza de los
materiales la cual es más significativa en el acero 1020.
5.2 MICROSCOPIA ÓPTICA
Después de tener atacadas las probetas se procedió a realizar las pruebas de
microscopia óptica en un microscopio AXIO OBSERVER D1M, las micrografías
fueron capturadas con una cámara digital Axiocam 5M y procesadas con el software
AxioVision 4,8. Como resultado se muestran las imágenes en las que se evidencian
las microestructuras presentes en cada muestra después de ser tratadas
térmicamente, las cuales se identifican inicialmente por su morfología, y
posteriormente se corroboran en la parte final de este documento teniendo en
cuenta los ensayos de microdureza y las micrografías obtenidas mediante el
microscopio electrónico de barrido.
42
Figura 10. Micrografía del Acero 1020 Sin templar a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la
fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura corresponde a colonias
de perlita.
Figura 11. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C a 500x. Elaborado por los autores.
43
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A1, en donde la fase clara corresponde a granos de
ferrita y la fase oscura corresponde a una formación de martensita.
Figura 12. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A3, en donde la fase clara corresponde a granos de
ferrita y la fase oscura a una formación de martensita.
44
Figura 13. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 755 °C y revenido a 450 °C a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A1 y posteriormente revenido, en donde la fase
blanca corresponde a granos de ferrita la cual se redistribuyó en granos más
pequeños y la fase oscura corresponde a una fase de martensita revenida.
45
Figura 14. Micrografía del acero 1020 templado en agua a 825 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A3 y posteriormente revenido, en donde la fase
blanca corresponde a granos de ferrita la cual se redistribuyó en granos más
pequeños y la fase oscura corresponde a una fase de martensita revenida.
46
Figura 15. Micrografía del acero 8620 sin templar tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la
fase blanca corresponde a granos de ferrita y la fase oscura a colonias de perlita,
también se puede observar inclusiones de algunos de los elementos aleantes que
componen el acero 8620.
Figura 16. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
47
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A1, en donde la fase clara corresponde a granos de
ferrita y la fase oscura a una formación parcial de martensita.
Figura 17. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A3, en donde existe una fase clara correspondiente
a una matriz ferrítica alrededor de la cual se evidencian agujas de martensita.
48
Figura 18. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x.
Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A1 y posteriormente revenido, en donde se
evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita, y una fase oscura que
corresponde a una formación parcial de martensita revenida.
49
Figura 19. Micrografía del acero 8620 templado en agua a 840 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A3 y posteriormente revenido, en donde se
evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita, y una fase oscura que
corresponde a martensita revenida.
50
Figura 20. Micrografía del acero 1045 sin templar tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material en estado de entrega en donde la
fase clara corresponde a granos de ferrita y la fase oscura corresponde a colonias
de perlita (densidad de cementita elevada).
Figura 21. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
51
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana A1, en donde existe una fase clara correspondiente
a granos de ferrita y una fase oscura correspondiente a una formación parcial de
martensita. También se observa la presencia de algunas colonias de perlita.
Figura 22. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C tomada a 500x. Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana a A3, en donde existe una fase clara
correspondiente a una matriz ferrítica alrededor de la cual se evidencian grandes
cantidades de agujas de martensita.
52
Figura 23. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 740 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x.
Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana a A1 y posteriormente revenido, en donde se
evidencia una fase clara que corresponde a granos de ferrita de tamaño pequeño,
y una fase oscura que corresponde a una formación de martensita revenida en los
alrededores de una matriz ferrítica.
53
Figura 24. Micrografía del acero 1045 templado en agua a 770 °C y revenido a 450 °C tomada a 500x.
Elaborado por los autores.
Se observan las microestructuras del material después de ser templado a una
temperatura intercrítica cercana a A3 y posteriormente revenido, en donde se
evidencia una fase clara que corresponde a pequeñas matrices de ferrita alrededor
de las cuales existe una fase oscura que corresponde a una formación de martensita
revenida.
5.3 PORCENTAJES DE FASE
Al observar las microestructuras obtenidas en los materiales de estudio después
de realizados los tratamientos térmicos, se procede a determinar los porcentajes de
fase por medio del analizador de imagen suministrado por el software adjunto al
equipo AXIO OBSERVER D1M.
54
A continuación, se ilustran dos fases diferenciadas por color, con las cuales se
busca determinar la cantidad de área cubierta por cada uno de los constituyentes
microestructurales en cada tratamiento térmico. Cabe resaltar que esta
identificación de fases está condicionada por la identificación que realiza el software
AxioVision 4.8, a las microestructuras presentes en la imagen de acuerdo a su
tonalidad y color, por lo cual, los porcentajes otorgados por el software son
aproximados.
Así mismo, se destaca que estos resultados corresponden a una zona específica
de análisis en cada probeta y que pueden variar en mayor o menor proporción de
acuerdo al área de estudio de cada muestra y a la homogeneidad de los
tratamientos térmicos realizados.
PORCENTAJE DE FASES APROXIMADOS DEL ACERO 1020
1020 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 43.46%; Perlita (Rojo) 53.75%
55
1020 TEMPLADO A 755 °C: Ferrita (Verde) 31.73%; Martensita (Rojo) 67.62%
1020 TEMPLADO A 825 °C: Ferrita (Verde) 44.38%; Martensita (Rojo) 53.73%
56
1020 TEMPLADO A 755 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 43.55%;
Martensita + Perlita (Rojo) 55.72%
1020 TEMPLADO A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 48.13%;
Martensita + Perlita (Rojo) 51.15%
Figura 25. Porcentajes de fases para el acero 1020 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.
57
PORCENTAJES DE FASES ACERO 8620
8620 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 46.53%; Perlita (Rojo) 51.98%
8620 TEMPLADO A 770 °C: Ferrita (Verde) 54.88%; Martensita (Rojo) 43.10%
58
8620 TEMPLADO A 840 °C: Ferrita (Verde) 51.67%; Martensita (Rojo) 41.56%
8620 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 54.25%;
Martensita (Rojo) 44.94%
59
8620 TEMPLADO A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 59.79%;
Martensita (Rojo) 36.10%
Figura 26. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.
PORCENTAJES DE FASES ACERO 1045
1045 SIN TEMPLAR: Ferrita (Verde) 46.29%; Perlita (Rojo) 52.79%
60
1045 TEMPLADO A 740 °C: Ferrita (Verde) 65.41%; Martensita + Perlita (Rojo)
33.79%
1045 TEMPLADO A 770 °C: Ferrita (Verde) 45.85%; Martensita (Rojo) 53.15%
61
1045 TEMPLADO A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 30.64%;
Martensita (Rojo) 59.09%
1045 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C: Ferrita (Verde) 41.35%;
Martensita (Rojo) 54.51%
Figura 27. Porcentajes de fases para el acero 8620 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados. Elaborado por los autores.
62
Tabla 7. Porcentajes de fases para los aceros 1020, 8620 y 1045 de acuerdo a los tratamientos térmicos realizados.
ACERO 1020 % FASE ACERO 8620 % FASE ACERO 1045 % FASE
MATERIAL BASE
F:46.46% P:53.75%
MATERIAL BASE
F:46.53%; P:51.98%
MATERIAL BASE
F:46.29% P:52.79%
TEMPLADO A 755 °C
F:31.73%; M:67.62%
TEMPLADO A 770 °C
F:54.88%; M:43.10%
TEMPLADO A 740 °C
F:65.41% M:33.79%
TEMPLADO A 825 °C
F:44.38% M:53.73%
TEMPLADO A 840 °C
F:51.67%; M:41.56%
TEMPLADO A 770 °C
F:45.85% M:53.15%
TEMPLADO A 755 °C Y
REVENIDO A 450 °C
F:43.55%; M:55.72%
TEMPLADO A 770 °C Y
REVENIDO A 450°C
F:54.25% M:44.94%
TEMPLADO A 740 °C Y
REVENIDO A 450 °C
F:30.64 M:59.09
TEMPLADO A 825 °C Y
REVENIDO A 450 °C
F:48.13%; M:51.15%
TEMPLADO A 840 °C Y
REVENIDO A 450 °C
F:59.79% M:36.10%
TEMPLADO A 770 °C Y
REVENIDO A 450 °C
F:41.35% M:54.51%
Fuente: Autores
La tabla 7 reúne los porcentajes de fase obtenidos para cada material de acuerdo
al tratamiento térmico realizado.
En el acero 1020, se observa como el porcentaje de ferrita se reduce al ser
templado a temperaturas intercríticas para dar lugar a la formación de otras
microestructuras, y como el mismo tiende a reestablecerse e incluso a aumentar
después de ser revenido comparándolo con el material base. Así mismo el valor
porcentual de la martensita que se obtuvo después de templar el material a las dos
63
temperaturas intercríticas seleccionadas, se redujo después de realizar los
revenidos.
En el acero 8620, la formación de la fase ferrítica aumenta al templar el material
a temperaturas intercríticas. Durante este tratamiento, desaparece la fase de perlita
y aparece una estructura martensitica en similar proporción para ambos temples.
Posteriormente al realizar los revenidos, la martensita se reduce porcentualmente
al ser revenida.
Para el acero 1045, la ferrita de la muestra templada a la temperatura intercrítica
de 740 °C aumenta con respecto al material en estado de entrega, mientras que la
perlita se reduce y en su lugar aparece parcialmente una fracción de martensita,
Mientras que, en el temple realizado a 770 °C, la ferrita se reduce ligeramente, y el
porcentaje de martensita aumenta significativamente. Posteriormente al realizar los
revenidos, la martensita abarca ligeramente más área con respecto a las probetas
templadas.
5.4 MICRODUREZAS
Las muestras se analizaron en el microdurómetro SHIMADZU HMV-2 que cumple
con la norma ASTM E3848, se tomaron cinco indentaciones por microestructura. La
mayoría de las probetas contiene dos fases diferenciadas, una clara y otra oscura.
Algunas otras presentan una fase múltiple cuya forma y valor de microdureza indica
64
agujas de martensita dentro de una matriz ferrítica. Todos los ensayos se realizaron
tomando una carga de 245.2 mN, la cual se aplicó durante treinta segundos. Los
resultados de las microdurezas promedio de cada muestra se observan en la
siguiente tabla:
Tabla 8 Microdurezas promedio de los aceros 1020, 1045 y 8620.
TRATAMIENTO TERMICO FASE MICRODUREZA
(HV)
1020 SIN TEMPLAR
FASE CLARA: FERRITA 186.0
FASE OSCURA: PERLITA 251.7
1020 TEMPLADO A 755 °C
FASE CLARA: FERRITA 264.6
FASE OSCURA: MARTENSITA
347.5
1020 TEMPLADO A 825 °C
FASE CLARA: FERRITA 352.4
FASE OSCURA: MARTENSITA
461.1
1020 TEMPLADO A 755 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE CLARA: FERRITA 259.4
FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA
360.3
1020 TEMPLADO A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE CLARA: FERRITA 352.0
FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA
452.6
65
8620 SIN TEMPLAR
FASE CLARA: FERRITA 162.2
FASE OSCURA: PERLITA + INCLUSIONES DE
ELEMENTOS ALEANTES 233.5
8620 TEMPLADO A 770 °C
FASE CLARA: FERRITA 306.0
FASE OSCURA: MARTENSITA
499.6
8620 TEMPLADO A 840 °C
FASE MULTIPLE: MARTENSITA
CONTENIDA EN MATRIZ FERRITICA
518.2
8620 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE CLARA : FERRITA 272.0
FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA
504.8
8620 TEMPLADO A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE CLARA: FERRITA 484.3
FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA
555
1045 SIN TEMPLAR
FASE CLARA: FERRITA 292.2
FASE OSCURA: PERLITA 371.7
1045 TEMPLADO A 740 °C
FASE CLARA: FERRITA 662
FASE OSCURA: MARTENSITA Y PERLITA
783
1045 TEMPLADO A 770 °C
FASE MULTIPLE: AGUJAS DE
MARTENSITA CONTENIDA EN MATRIZ
FERRITICA
765.8
66
1045 TEMPLADO A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE CLARA: FERRITA 346.7
FASE OSCURA: MARTENSITA REVENIDA
463.7
1045 TEMPLADO A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C
FASE MULTIPLE: PEQUEÑAS ISLAS DE
FERRITA CONTENIDAS EN MATRIZ
MARTENSITICA
469.4
Fuente: Autores
Se observa un comportamiento claro en el cual al incrementar el tiempo de
revenido o la temperatura del mismo, la fase oscura (Perlita o Martensita) se
ablanda, y la fase clara incrementa su dureza esto producto del proceso de difusión
de carbono que ocurre en el material en el cual, la fase con mayor cantidad de
carbono cede este elemento a la fase con menor concentración, lo cual genera un
endurecimiento.
67
6. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO
En las figuras 28, 29 y 30 se muestran las imágenes obtenidas en el microscopio
electrónico de barrido JSM-6490LV de la Universidad de los Andes donde se
evidencian las microestructuras presentes en las probetas de estudio a mayores
aumentos (1000x, 3000x y 5000x) lo cual nos permite observar detalladamente las
fases de cada muestra, que en conjunto con los valores de microdureza permiten
identificarlas con exactitud. La parte derecha de las micrografías nos indica la
morfología de la superficie de las probetas y la parte izquierda nos da una tonalidad
en escala de grises para definir la fase existente en la muestra. La letra F representa
la fase de ferrita, P representa la perlita, la letra M corresponde a martensita, MR
representa martensita revenida.
68
MICROGRAFÍAS DEL ACERO 1020 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO
Material en estado de entrega Acero 1020 Acero 1020 templado a 825 °C
Acero 1020 templado a 755 °C y revenido a 450 °C
Acero 1020 templado a 825 °C y revenido a 450 °C
Figura 28. Micrografías del acero 1020 tomadas con microscopio electrónico de barrido
Para el acero 1020 en estado de entrega, cuya dureza general promedio
corresponde a un valor de 184 HV, se observan como las fases microestructurales
presentes cambian de ferrita y perlita, a pequeños granos de ferrita rodeados de
agujas que aparente son de martensita. Debido al valor de microdureza de 461 HV
que se obtuvo en dicha fase, se pudo determinar que esta corresponde a martensita
cuya dureza se ve condicionada por el bajo porcentaje de carbono del acero 1020.
69
Se evidencia mayor contenido de martensita en la probeta templada a 825 °C
comparándola con la que fue templada a 755 °C debido a la mayor transformación
de ferrita en austenita durante el calentamiento, lo cual produce que en momento
de templar la probeta sea mayor la cantidad de austenita que se transforma en
martensita. Una vez el material es revenido ocurre una difusión del carbono de
manera laminar en los granos de ferrita.
70
MICROGRAFÍAS DEL ACERO 1045 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO
Material en estado de entrega Acero 1045 Acero 1045 templado a 770 °C
Acero 1045 templado a 740 °C y revenido a 450 °C
Acero 1045 templado a 770 °C y revenido a 450°C
Figura 29. Micrografías del acero 1045 tomadas con microscopio electrónico de barrido
Para el acero 1045 en estado de entrega se evidencian fases de ferrita y perlita
las cuales tienen un contenido de carbono mayor en comparación con el acero 1020.
Esto genera que en el momento del temple se obtenga una estructura definida de
agujas de martensita, la cual se corrobora al ver el valor de microdureza de 783 HV
para la probeta templada a 770 °C y de 765.8 HV para la probeta templada a 740
°C la cual se encuentra dentro de una matriz ferritica, teniendo en cuenta que el
71
volumen de martensita aumenta en la probeta templada a 770 °C al ser comparada
con la probeta templada a 740°C.
Al ser revenida ocurre una difusión del carbono en las agujas de martensita
generando martensita revenida cuya dureza disminuye mientras su estabilidad
microestructural se ve beneficiada, generando un material más dúctil.
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MICROGRAFÍAS DEL ACERO 8620 TOMADAS CON MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO
Acero 8620 templado a 770 °C Acero 8620 templado a 840 °C
Acero 8620 templado a 770 °C y revenido a 450 °C
Acero 8620 templado a 840 °C y revenido a 450 °C
Figura 30. Micrografías del acero 8620 tomadas con microscopio electrónico de barrido
Para el acero 8620 se evidencian fases de ferrita y perlita en la micrografía del
material en estado de entrega. Esta micrografía es muy similar a la del material 1020
en estado de entrega debido a que tienen igual contenido de carbono
(aproximadamente 0.20%). Sin embargo, en el acero 8620 hacen presencia algunos
carburos formados por los elementos aleantes que contiene el material, los cuales
no se pudieron identificar mediante las micrografías.
73
Al templar el acero 8620 a una temperatura cercana a A1 se evidencia una fase
mixta de ferrita y martensita en menor proporción.
El temple del acero 8620 realizado a 840 °C (cercana a A3) permite evidenciar
una transformación trascendente respecto a la imagen del acero 8620 en estado de
entrega. Casi toda la austenita se transforma en martensita.
Una vez el acero 8620 es revenido reaparecen granos de ferrita y martensita
revenida en el límite de grano de la misma.
La tabla 9 consolida los datos obtenidos en el desarrollo del proyecto y permite
al lector obtener un panorama de los valores esperados de dureza, microdureza,
así como las fases microestructurales que se obtienen al templar y revenir los
aceros 1020, 1045 y 8620 desde temperaturas intercríticas.
74
Tabla 9 Comparación microestructural de los aceros 1020, 1045 y 8620 templados desde temperaturas intercriticas y revenidos.
MATERIAL
DUREZAS
MICRODUREZAS / FASES
1020 SIN TEMPLE
184 HV
FERRITA:186.0HV + PERLITA:
251.7HV
1020 TEMPLE A 755 °C
255 HV
FERRITA:264.6HV +
MARTENSITA:347.5HV
1020 TEMPLE A 825 °C
351 HV
FERRITA:352.4HV +
MARTENSITA:461.1HV
1020 TEMPLE A755 °C Y REVENIDO A 450 °C
218 HV
FERRITA:259.4HV +
(MARTENSITA
REVENIDA):360.3HV
1020 TEMPLE A 825 °C Y REVENIDO A 450 °C
258 HV
FERRITA:352.0HV +
(MARTENSITA
REVENIDA):452.6HV
1045 SIN TEMPLE
222 HV
FERRITA:292.2HV +
PERLITA:371.7HV
1045 TEMPLE A 740 °C
438 HV
FERRITA:662HV +
(MARTENSITA):783HV
1045 TEMPLE 770 °C
474 HV
(AGUAS DE MARTENSITA +
FERRITA):765.8
1045 TEMPLE A 740 °C Y REVENIDO A 450 °C
292 HV
FERRITA:346.7HV +
MARTENSITA
REVENIDA:463.7HV
75
1045 TEMPLE A 770 °C Y REVENIDO 450 °C
320 HV
(FERRITA+
MARTENSITA):469.4HV
8620 SIN TEMPLE
183 HV
FERRITA:162HV + (PERLITA +
CARBUROS ALEADOS):233.5
8620 TEMPLE A 770 °C
342 HV
FERRITA:306.0HV +
MARTENSITA:499.6HV
8620 TEMPLE A 840 °C
388 HV
(FERRITA + MARTENSITA):
518.2HV
8620 TEMPLE A 770 °C Y REVENIDO A 450 °C
277 HV
FERRITA:272.0HV +
MARTENSITA:504.8HV
8620 TEMPLE A 840 °C Y REVENIDO A 450 °C
332 HV
FERRITA:484.3HV +
MARTENSITA:555HV
Fuente: Autores.
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7. CONCLUSIONES
Se identifica un comportamiento característico similar entre los aceros 1020,
1045 y 8620 al ser sometidos a una serie de tratamientos térmicos de temples a
temperaturas intercríticas y revenidos a 450 °C durante 15 minutos.
Como resultado de las pruebas de dureza se evidencia un endurecimiento
general de los materiales tratados térmicamente, siendo mayor el aumento
porcentual de los aceros templados a temperaturas cercanas a A3. También como
era de esperarse, ocurre una reducción de la dureza en las probetas después de
ser revenidas, la cual es mayor en el acero 1045, seguida por el acero 1020, y
menos evidente en el acero 8620 en términos porcentuales.
Se logra identificar morfológicamente mediante la obtención de micrografías
ópticas y electrónicas de las muestras las microestructuras presentes después de
realizar cada tratamiento térmico; en las cuales se evidencia la transformación de la
microestructura ferrítica-perlítica (material base), a una microestructura ferrítica-
martenstica en la mayoría de los tratamientos realizados; teniendo como diferencia
principal la proporción porcentual en la que se encuentran distribuidas las fases en
las muestras, el valor de dureza general y las microdurezas específicas de acuerdo
a la composición del material.
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8. BIBLIOGRAFIA
Askeland, D. R. ((2004)). Ciencia E. Ingenieria De Los Materiales. Cuarta Edición.
Carlos. Bohórquez. ((2012). ). Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas
intercríticas en las propiedadesmecánicas del acero sae 1045. . Argentina: Mecanica
Comptutacional.
Casals, M. C. (2012). Diagramas y transformaciones de fase7. Transformaciones en estado
sólido.Difusionales y no difusionales. . Madrid: Reduca (Recursos Educativos).
Casals, .
fundiciones., A. H.-C. ((2004/2005).). Aceros y fundiciones.
Gorni, A. A. (2002). STEEL FORMING AND HEAT TREATING HANDBOOK. SAN
VICENTE, BRAZIL.
Portal, A. C. (2008).). Estructuras metalograficas de aleaciones hierro-carbono:aceros al
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