Tratamientos térmicos

Tratamientos Térmicos

OBJETIVOS

• Se pretende dar al alumno una visión práctica de lo estudiado en teoría, con la experimentación en el laboratorio, familiarizándose con los equipos y conceptos siguientes:

Termopares

Crisoles

Hornos

Termostatos

Dilatómetros

Durómetros

Solidificación

Alotropía

Relación de estructuras con las propiedades mecánicas.

Re cristalización

Fusión

• Conocer la incidencia del fenómeno de alotropía en las aleaciones que poseen dicha propiedad, tanto en el diseño de piezas (por los cambios dimensionales) como en las propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas etc., que dependen de la estructura.

• Tomar contacto con los equipos, familiarizarse con los términos más comunes utilizados en los tratamientos térmicos y relacionar los cambios estructurales que teóricamente se producen con los cambios en las propiedades mecánicas.

• Interpretar los gráficos de templabilidad obtenidos en los ensayos sobre las piezas, y su aplicación práctica.

DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS.

PROPIEDADES MECANICAS

Dependen tanto de la composición química como de la estructura cristalina que tenga el acero. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas.

Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material al dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).

Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

Dureza: Es la resistencia que ofrece una acero para dejarse penetrar.

Las propiedades físicas y mecánicas dependen del tamaño, la forma y el perfil de los micro-constituyentes presentes. Por lo general, los micro-constituyentes presentes en el acero son la ferrita, troostita, sorbita, austenita y cementita. Un metal cambia de estructura cuando se calienta a cierta temperatura y los cambios estructurales ocurren nuevamente cuando la aleación se enfrié a temperatura ambiente.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE UN METAL PURO.

Siguiendo un esquema lógico, comenzaremos por lo que sería el origen de un material tecnológico originado por la solidificación, lo que podríamos denominar cristalización primaria. El caso más sencillo y el análisis más simple consiste en construir una curva de enfriamiento de un metal puro, con el objetivo de determinar su punto de fusión.

Si un metal puro se calienta regular y uniformemente desde la temperatura ambiente hasta que pasa al estado líquido (suponiendo que en el estado sólido no sufre cambios alotrópicos) y se anota, a intervalos iguales de tiempo, la temperatura determinada mediante un termopar u otro instrumento de medida, se percibe una irregularidad en la velocidad de calentamiento que indica la temperatura a la que se produce la fusión.

Figura 1. Curvas idealizadas de enfriamiento y calentamiento de un metal puro.

El punto de transformación puede observarse gráficamente si se representa la temperatura en función del tiempo. En forma análoga se obtiene una curva de enfriamiento desde la temperatura a la que se encontraba el líquido, hasta la temperatura ambiente. En el caso ideal, la temperatura del metal habría de permanecer constante durante los procesos de fusión y solidificación, por lo que las porciones AB y A´B´ de las curvas de calentamiento y enfriamiento deberían ser perfectamente rectilíneas y paralelas al eje de tiempos. En las curvas ideales, además, el cambio de pendiente sería discontinuo en lugar de gradual.

Durante el enfriamiento del metal fundido, se establece un gradiente de temperatura entre el crisol y las paredes del horno. En consecuencia, la capa que primero solidifica es la que está en contacto con las paredes del crisol y esta capa isoterma disminuye el gradiente de temperatura entre el centro y la capa externa de la carga. Por esta causa, decrece la velocidad a que se enfría el centro de la masa del metal y se redondea la curva de enfriamiento.

Cuando solidifica el centro de la carga, la temperatura de la capa externa de metal cae rápidamente, aumentando su gradiente con respecto al centro, acelerándose la solidificación de las últimas porciones de metal líquido y volviendo a redondearse la curva de enfriamiento.

De la anterior discusión se obtiene la consecuencia de que la última porción de la meseta de la curva de calentamiento y la primera de la de enfriamiento corresponde, en efecto, a los puntos de fusión y solidificación, respectivamente. Cuando la pendiente es muy grande, la verdadera temperatura de solidificación se puede obtener extrapolando la porción más rectilínea y horizontal de la curva de enfriamiento mediante una línea recta y observando cuándo esta línea se separa de la curva original. De manera análoga se puede obtener el punto de fusión en la curva de calentamiento.

En general, las curvas de enfriamiento resultan mejor definidas que las de calentamiento, si además ponderamos la mejor manipulación de los equipos y la accesibilidad del alumno a la observación directa del crisol, que contiene el metal fundido, hace que la representación de la curva de enfriamiento sea la más práctica para determinar los cambios de estado, entre ellos el punto de fusión.

DETERMINACIÓN DE PUNTOS CRÍTICOS DE UN ACERO EUTECTOIDE.

Los puntos críticos en los metales y aleaciones en estado sólido son las temperaturas a las que se producen las transformaciones alotrópicas. Se determinan principalmente por dos métodos: el método dilato métrico y el de análisis térmico.

El método más empleado es el dilato métrico pero en general, se procura emplear todos los métodos posibles para la determinación de cada diagrama de equilibrio, asegurándose que los puntos no han sido influidos por ninguna circunstancia anormal. Se basa este método en el estudio de la variación de volumen que

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