DUREZA DE UN ACERO DESCARBURIZADO

UNIVERSIDAD NACIONAL ENSAYO DE DUREZA EN UN ACERO DE TRUJILLO SOMETIDO A UN TRATAMIENTO TERMICO

PRACTICA N 1

ENSAYO DE DUREZA EN UN ACERO SOMETIDO A UN TRATAMIENTO TERMICOI.- RESUMEN: En la presente practica vamos a tener que determinar cmo influye el proceso de descarburacin en un acero 1045, en el cual primero prepararemos al acero para luego medir su porcentaje de carbono inicial y luego de sometido al proceso trmico podremos comprobar cul es el porcentaje de carbono perdido.

II. OBJETIVOS:

Obtener la difusin del carbono en el hierro.

Encontrar el valor de la dureza brinell del acero (AISI-SAE 1045). Encontrar el valor de dureza del rokwell del acero (AISI-SAE 1045).III. MARCO TEORICO:El fenmeno de la descarburacin de los aceros consiste en la perdida de parte del carbono de su composicin qumica durante un tratamiento a elevada temperatura, debido a su interaccin con una atmosfera gaseosa. Eso suele conducir a un empeoramiento de sus propiedades mecnicas, sobre todo en las zonas prximas a la superficie del material. El grado de descarburacin es funcin de la temperatura, de la composicin qumica del acero y de la composicin qumica de la fase gaseosa con la que reacciona. En estos procesos se requiere una buena prediccin de las condiciones en que se verifican estas reacciones y su extensin. Por tanto el anlisis termodinmico de las reacciones gas- solido tiene un gran inters.En sistemas en los que hay un flujo continuo de gas, el equilibrio viene determinado por las condiciones de la fase gaseosa, ms que por la composicin qumica del acero. Por tanto el control de las reacciones de carburacin o descarburacin viene dado por el potencial de carbono en la fase gaseosa, es decir por la actividad del carbono. Este parmetro es funcin de la composicin qumica de la fase gaseosa y de la temperatura.

En la prctica industrial se suelen emplear diferentes atmosferas, contiene especies reductoras, oxidantes o carburantes tales como: CO, CO2, CH4 O H2. Descarburacin es el proceso contrario a la carburacin, es decir, dirigidas a disminuir el contenido de carbono en los metales (normalmente de acero). Descarburacin ocurre cuando el carbono en el metal reacciona con los gases presentes en la atmsfera. Las reacciones ms comunes son tambin llamada la reaccin Boudouard. En descarburacin total la capa superior del acero se compone principalmente de materiales de ferrita, mientras que en descarburacin parcial se presenta un mezcla de materiales quepuedes estar presentes.VENTAJAS DE LA DESCARBURACION:

Reduccin de costos y de tiempo de proceso. Remplazo del xido de hierro. Mejor control de la composicin qumica.DIFUSION EN LA DESCARBURACION:

La difusin puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. Los tomos de gases, lquidos y slidos estn en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un perodo de tiempo. En los gases, el movimiento de los tomos es relativamente veloz, tal efecto se puede apreciar por el rpido avance de los olores desprendidos al cocinar o el de las partculas de humo. En los lquidos, los tomos poseen un movimiento ms lento, esto se pone en evidencia en el movimiento de las tintas que se disuelven en agua lquida. El transporte de masa en lquidos y slidos se origina generalmente debido a una combinacin de conveccin (movilizacin de fluido) y difusin. En los slidos, estos movimientos atmicos quedan restringidos (no existe conveccin), debido a los enlaces que mantienen los tomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el nico mecanismo de transporte de masa es la difusin. Sin embargo las vibraciones trmicas que tienen lugar en slidos permiten que algunos tomos se muevan. La difusin de stos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado slido llevan consigo movimientos atmicos; como ejemplo se pueden citar la formacin de ncleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalizacin de un metal trabajado en fro y la precipitacin de una segunda fase a partir de una solucin slida.Existen dos mecanismos principales de difusin en los tomos en una estructura cristalina: mecanismo de vacantes o sustitucional, y el mecanismo intersticial. Mtodo de dureza por rebote o elstico, consiste en dejar caer una herramienta con carga y altura definida sobre la superficie del material a ensayar, de tal forma que al chocar con dicha superficie se provoque un rebote de la herramienta, cuya altura est directamente relacionada con la dureza elstica del material. Dureza elstica: Reaccin elstica del material cuando se deja caer sobre l un cuerpo ms duro. Dureza Pendular: Resistencia que opone un material a que oscile un pndulo sobre l.DUREZA BRINELL:

Definimos a la dureza como la resistencia de los materiales a ser penetrados, a absorber energa o a ser cortados. La clasificacin delos mtodos de dureza de acuerdo al procedimiento empleado para su realizacin se divide en tres importantes grupos:

* Los que miden la resistencia que oponen los cuerpos a la penetracin o indentacin.*Los que miden la resistencia elstica o al rebote.* Los que miden la resistencia que oponen los cuerpos al corte o la abrasin.

El mtodo por penetracin est basado en la aplicacin de una carga esttica sobre la superficie de un material para provocarle una deformacin permanente conocida como indentacin o huella, la cual presenta una profundidad que est en relacin inversa al nmero de dureza del material ensayado. El mtodo de dureza por rebote o elstico, consiste en dejar caer una herramienta con carga y altura definida sobre la superficie del material a ensayar, de tal forma que al chocar con dicha superficie se provoque un rebote de la herramienta, cuya altura est directamente relacionada con la dureza elstica del material. El mtodo que mide la resistencia que oponen los cuerpos a la abrasin o al corte, consiste en efectuar una ranura con una herramienta de corte o abrasiva al material a ensayar. Dependiendo del tipo demarca presentada, se determinar la dureza del material, es decir, si la ranuras que presenta en forma profunda u opaca.La carga a utilizar en el ensayo se puede obtener con la siguiente expresin: Donde:: carga a utilizar medida en [kilopondio(kp)].

: Constante para cada material, que puede valer 1 (Madera), 5 (aluminio,cobrey sus aleaciones), 10 (magnesioy sus aleaciones), y 30 (aceros).

: Dimetro de la bola (indentador) medida en [mm].

La escala de dureza establecida por Molis:

Todava en uso hoy da en la mineraloga, clasifica las materias minerales en 10 grados de dureza.La dureza va subiendo as desde los materiales blandos, por ejemplo talco (dureza 1)

yeso (dureza 2)

corindn (dureza 9)

diamante (dureza 10)

La ordenacin se ha hecho por estudios comparativos a base de un ensayo de rayado. Si por ejemplo se raya una materia con yeso, y a su vez esta misma raya el talco, su dureza queda comprendida entonces cutre 1 y 2.

El ensayo de dureza como resistencia al rayado introducido por Mohs es, muy poco preciso cuando se aplica a metales para establecer con el la diferenciacin ms rigurosa que en este caso se necesita para emitir un dictamen sobre un material.Por mtodos de ensayo estticos debe entenderse que se trata de procedimientos en los que la velocidad de penetracin del cuerpo ms duro no tiene gran influencia en el resultado del ensayo.Los mtodos estticos hoy da generalmente empleados se diferencian sustancialmente por la forma del cuerpo penetrante y la forma de medicin de la huella.

DUREZA ROCKWELL escala "C":

En el mtodo Rockwell- C, como cuerpo penetrador, no se emplea la bola de 1/16" usual en el mtodo Rockwell-B, sino un diamante cnico, que permite ensayar tambin materiales duros, por ejemplo aceros templados. El mtodo C ha ampliado as sensiblemente el campo de aplicacin del ensayo de dureza y ha encontrado gran aceptacin en la industria de herramientas.Como diamante de ensayo se utiliza un cono con ngulo en la punta de 120", aunque de punta algo redondeada de 0,2 mm de radio.En el ensayo RockweIl-C se utiliza una carga inicial de 10 kp. La carga adicional que se aplica es de 140 kp.La medicin se hace tambin aqu como medida diferencial de la profundidad de penetracin entre la posicin con carga inicial aplicada (posicin cero) y la profundidad de penetracin despus de retirar la carga adicional y quedar slo la inicial, es decir, despus de la desaparicin de la deformacin elstica.Las huellas resultantes tendran que tener siempre, al contrario que las huellas de la bola, formas geomtricas semejantes incluso a distintas profundidades de penetracin, si es que el cono no tuviese la punta redondeada. Esta diferencia se pone, naturalmente, tanto ms de manifiesto cuanto ms pequea sea la impresin y se manifestar, por consiguiente, sobre todo en el ensayo de materiales de gran dureza.

El radio de la punta del cono del brale tiene un efecto particularmente desfavorable cuando se trabaja con cargas pequeas, es decir, no con la carga normal de 150 kp en total. Si por cuestin de principio no se quisiese efectuar otros mtodos de ensayo, empleando el mtodo Rockwell, se tendr que aplicar una carga pequea siempre que se trate de determinar la dureza de capas superficiales delgadas (capas cementadas).Aparte del ensayo con el aparato Rockwell normal aplicando una carga reducida (50 y 100 kg de carga total).La carga hay que aplicarla en el ensayo Rockwell-C de forma continua y sin brusquedades. El cuerpo penetrante tiene que moverse perpendicularmente a la pieza.En la norma DIN 50103 no se estipula ningn tiempo de carga. nicamente se dice que la descarga no debe hacerse hasta que se haya detenido la aguja del medidor de penetracin.En cuanto a la velocidad de carga se seala, en cambio, que hay que aplicarla en 3 a 6 segundos.La dureza Rockwell leda en el dispositivo de medida hay que darla en nmeros enteros, dado que, con miras a las imprecisiones y dispersiones de la medicin, no son admisibles los decimales al indicar la dureza Rockwell.

MEDICION DE LA PROFUNDIDAD DE LA HUELLA

Dado que el comparador utilizado para la medicin de la profundidad de la huella en el ensayo Rockwell-B y C (excepcin hecha de los aparatos Super-RockweIl) indica una penetracin de 0,002 mm por unidad de la escala, se puede conocer la medida de dicha profundidad por la indicacin directa del comparador.Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que Rockwell obtiene los valores de dureza sealados, deduciendo la profundidad de la huella (e) de un valor fijo.Por consiguiente, la dureza Rockwell, una vez leda en el comparador la profundidad de la huella, resulta:

DRC = 100 - eDRR = 130 e 100 y 130 son ah los dos valores fijosdiferentes para DRC y DRB. Por esta deduccin de un valor fijo previo se obtienen durezas Rockwell ms pequeas cuanto mayor es la profundidad (e), o a la inversa, segn aumenta la dureza (menor penetracin) se tendr un valor ms alto de dureza Rockwell.

Esto corresponde a la innata apreciacin de la dureza, a la que, como es costumbre tambin en el ensayo Brinell, cuanto mayor es la resistencia a la penetracin se quiere indicar con una cifra ms alta.A base de la dureza Rockwell se puede calcular entonces la profundidad de penetracin (e) como sigue:

Dureza Rockwell-C: e = (100-DRC)- 0,002 mm.Dureza Rockwell-5: e = (130-DRB) -0,002 mm.

Adems del espesor de pared mnimo exigido, en el ejemplo citado puede verse claramente la enorme influencia que tiene el radio de redondeo del diamante Rockwell.

Cuando, como en este caso, con gran dureza de la pieza (acero templado para herramientas), la profundidad de penetracin es slo de 0,07 mm, se producir no una impresin cnica, sino una esfrica, si el cono de diamante tiene un radio de redondeo de 0,2 mm. Por lo tanto, a diferentes durezas y profundidades de penetracin, no aparecen en esta regin de dureza huellas semejantes geomtricamente.

Tabla.N1:Cuadro de especificaciones del procedimiento y el Ensayo RockwellDUREZA ROCKWELL escala "B":

La diferencia principal entre el ensayo Rockwell y Brinell consiste en que, en el mtodo Rockwell se mide la profundidad de penetracin del cuerpo de ensayo, mientras que en el Brinell se determina el rea del segmento esfrico por el dimetro de la impresin de la bola.Si se combina el punzn penetrador con un reloj comparador, se tiene entonces en el ensayo Rockwell la posibilidad de leer la dureza inmediatamente en la mquina y de acortar as el tiempo de ensayo en comparacin con la prueba Brinell. Esta ventaja se ha visto, no obstante, muy restringida por la lectura ptica introducida ms tarde en los equipos Brinell.Hay que poner de relieve que el mtodo Rockwell - B emplea una bola muy pequea de 1/16", cuya impresin no constituye con frecuencia un inconveniente para el ensayo de piezas acabadas.Por otra parte, el pequeo dimetro de bola reduce la exactitud del mtodo. La medicin de la profundidad de penetracin con un reloj comparador tampoco podr hacerse en general con la misma exactitud que una medicin ptica del dimetro de la impresin. A esto hay que aadir que en el supuesto de unas impresiones de bola iguales en ambos mtodos, lo que no se da a causa de la bola de 1/16", la medicin de la profundidad tiene que dar siempre por resultado valores menores y, por consiguiente, menor exactitud que la medicin del dimetro. Por eso, en el ensayo Brinell el error de medida ser menor que en el mtodo Rockwell.Una medicin de la profundidad, en la que por el tamao del cuerpo penetrador los valores absolutos son pequeos, tiene que dar lugar a errores mayores si antes de la carga no se ha fijado exactamente la posicin de partida (posicin cero) de la bola y si existen irregularidades superficiales.Esto significa que tanto en Rockwell como en Brinell se lleva a cabo la lectura despus de la recuperacin elstica del material que sigue; la descarga, en este caso, excepto la carga inicial que permanece actuando.

Tabla. N2: Cuadro de especificaciones del procedimiento y el clculo del Ensayo Brinell.La Tabla N3 Muestra las equivalencias entre algunos de los nmeros de dureza superficial y presenta una estimacin de la resistencia a la traccin.Dureza Vickers HVDureza Brinell HBDureza RockwellResistencia a la Tensin N/mm2.

HRBHRC

8076255

8580,741270

9085,548285

9590,252305

1009556,2320

10599,8335

11010552,3350

115109370

12011466,7385

125119400

13012471,2415

135128430

14013375450

145138465

15014378,7480

155147495

160152510

165156530

17016285545

175166560

18017187,1575

185176595

19018189,5610

195185625

20019091,5640

20519592,5660

21019993,5675

21520494690

22020995705

22521496720

23021996,7740

235223755

24022898,120,3770

24523321,3785

25023899,522,2800

25524223,1820

26024724835

26525224,8850

27025725,6865

27526126,4880

28026627,1900

28527127,8915

29027628,5930

29528029,2950

30028529,8965

31029531995

32030432,21030

33031433,31060

34032334,41095

35033335,51125

36034236,61155

37035237,71190

38036138,81220

39037139,81255

40038040,81290

41039041,81320

42039942,71350

43040943,61385

44041844,51420

45042845,31455

46043746,11485

47044746,91520

480(456)47,71555

490(466)48,41595

500(475)49,11630

510(485)49,81665

520(494)50,91700

530(504)51,11740

540(513)51,71775

550(523)52,31810

560(532)531845

570(542)53,61880

580(551)54,11920

590(561)54,71955

600(570)55,22030

610(580)55,72070

620(589)56,32105

630(599)56,82145

640(608)57,32180

650(618)57,8

66058,3

67058,8

68059,2

69059,7

70060,1

72061

74061,8

76062,5

78063,3

80064

82064,7

84065,3

86065,9

88066,4

90067

92067,5

94068

IV.- MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

4.1. Preparacin de muestra Materiales

Acero (AISI-SAE 1045) de 22mm dimetro y 1 pulgada. Lija al agua: N 80, 120, 220, 320, 400, 600, 800, 1000,1500. Alcohol 96 (250ml-500ml) Algodn Recipiente

Vidrio

Agua

4.2. Equipos Mquina dureza

Cmara fotogrfica Horno

Compresora4.3. Instrumentos

1 Identador rockwell 1 Identador brinell

1 Vickers

V.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 5.1 Seccionamiento del acero: Se cort el acero con las medidas que necesitamos en este caso de 22mm de dimetro y de una pulgada. Para poder realizar el seccionamiento se tuvo que hacer uso de una sierra manual se tiene que tener cuidado ya que el acero se puede calentar y causar lesiones.5.2. Preparacin de las superficies del acero:Tuvimos que hacer que las caras del acero queden planas para esto hicimos uso de un esmeril y le pasamos en las caras y se le hizo tambin un corte en en los dos costados de esta barrita de acero. Finalmente tuvimos que lijar estas caras para que estas tengas las superficies lisas y no daen el equipo de dureza que se utiliz.5.3 Medicin de la de la dureza en el rodwell de escala C:

Tuvimos que ir al laboratorio para poder medir la dureza del acero antes de realizar la descarburacin, para eso se coloc la probeta en el equipo de dureza (durmetro digital) en donde utilizamos el rodwell a escala C.

5.4. Descarburacin del acero (AISI-SAE 1045):Se tuvo que colocar el acero en un horno en el cual estuvo alimentado por un baln de gas en donde tambin se hizo uso de una compresora para aumentar la llama para que todas las probetas puestas en el horno tengan la misma temperatura y estn lista en el mismo tiempo.5.5. Desbastado del acero despus de haber estado en el horno:

Despus de haber realizado la descarburacin en el horno para poder comprobar el porcentaje de carbono que perdi, se tuvo que cortar la probeta por la mitad ya que en esta parte de la probeta vamos a poder observar ms claramente que cantidad de carbono se perdi y luego de cortar esta superficie tenemos que lijarla para obtener una superficie lisa esto se realiz con las lijas N(80,100,120,220,320,400,600,800,1000,1500).5.6. Marcamos la cara del acero:Se marca la cara del acero en donde se trabajara en donde se le hace un marcado en forma de equis y una raya en el centro con las rayas de la regla para poder colocarla en mquina durmetro digital y poder medir cuanto carbono se perdi cada cierta distancia.

5.7. Ajustar el sistema digital de acuerdo al tipo de identador a emplear.Se realiz la seleccin de la carga en este caso nosotros trabajamos con el rodwell a escala B.IDENTADORES CON LOS CONTAMOSIdentadorIdentificacinTiposAplicacin

ROCKWELL09066 (diamante)HRA, HRC, HRDMateriales duros.

ROCKWELLBlanco(carburo tungsteno)HRB, HRG, HRFMetales Blandos

VICKERS08631 (pirmide)HV100/HV30

HV10/HV5/HV3Todo tipo de

materiales

BRINELLEsfrica 1mmEscalas: 1/30, 1/10, 1/5Aleaciones

blandas Pb/Al/Sn

1. MEDICION DE LA DUREZA VICKERS:

Primero se tuvo que colocar el identador, luego se ajusta la palanca o carga seleccionada en este caso sera rodwell a escala c.Pulsamos men y se ajust la pantalla a (HVXXX) que es el valor de caga seleccionada, luego le damos enter. Situamos la probeta en la mquina para aplicar la carga para esto utilizamos el ocular para poder medir la primara diagonal que se hizo en la cara de la probeta luego de haber medido toda esa diagonal se tiene que girar el ocular para medir la segunda diagonal.2. MEDICION DE DUREZA DEL ROCWELL Colocamos el identador, se ajusta la palanca a carga seleccionada y luego pulsamos men y ajustamos la pantalla a HRBA y luego le damos enter.

Situamos la probeta en la mquina del durmetro digital en donde se tiene que acercar el acero hasta que observar que las barras en la pantalla estn completas, luego se le da enter y se aplica la carga en donde la maquina nos proporcionara tres medidas.3. MEDICION DE DUREZA DEL BRINELLSe coloca el identador en este caso es esfrico, luego se ajusta la palanca con la carga deseada. Luego se tiene que ajustar la pantalla a con la escala que se va a trabajar.Situamos la probeta y le aplicamos la carga y luego leeremos la dureza en la pantalla.

Fig.1. Durmetro digital.5.8. Colocamos la muestra a ensayar sobre la plataforma del equipo y elegir el punto de indentacin.

5.9. Realizamos la indentacin sobre la muestra con la carga previamente seleccionada.

ANEXOS

Ensayo ROCKWELL A, C, D

Indentador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD)

Carga:

PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg

Formula: HRA, HRC, HRD = 100 - 500t

Ensayo BRINELL.

Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno.

Carga = P

Frmula: HBN =

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