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Comprensión de la prueba de enfriamiento final de Jominy
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El ensayo de temple final Jominy se utiliza para medir la templabilidad de un acero, que es una medida de la capacidad del acero para endurecerse en profundidad en un conjunto de condiciones determinado. Este artículo considera los conceptos básicos de la templabilidad y la prueba de Jominy.
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El conocimiento sobre la templabilidad de los aceros es necesario para seleccionar la combinación adecuada de acero aleado y tratamiento térmico para minimizar las tensiones térmicas y la distorsión en la fabricación de componentes de diferentes tamaños. El ensayo de temple final Jominy es el método estándar para medir la templabilidad de los aceros. Describe la capacidad del acero para ser templado en profundidad por temple. La templabilidad depende de la composición química del acero y también puede verse afectada por condiciones de procesamiento previas, como la temperatura de austenitización. No sólo es necesario comprender la información básica proporcionada por el ensayo, sino también determinar cómo la información obtenida en el ensayo Jominy puede utilizarse para comprender los efectos de la aleación en los aceros y la microestructura del acero.
Endurecimiento
La templabilidad es la capacidad del acero para transformarse parcial o totalmente de austenita a alguna fracción de martensita a una profundidad dada debajo de la superficie cuando se enfría bajo una condición dada a partir de altas temperaturas. Un tratamiento de temple y revenido utiliza esta transformación de fase para endurecer los aceros. El templado de la microestructura de la martensita confiere al acero una buena combinación de resistencia y tenacidad. Sin templar, el martensita es duro pero quebradizo.
Para seleccionar un acero para un componente que será tratado térmicamente, es importante conocer su templabilidad. Tanto la aleación como la microestructura afectan a la templabilidad, lo que permite seleccionar el acero y la velocidad de enfriamiento correctos. El tratamiento previo del acero también afecta a la microestructura y debe tenerse en cuenta.
El endurecimiento de los aceros puede entenderse considerando que la fase austenítica del acero puede transformarse en martensita (Fig. 1a) o en una mezcla de ferrita y perlita (Fig. 1b) al enfriarse a altas temperaturas.
La reacción ferrita/perlita implica difusión, lo que lleva tiempo. Sin embargo, la transformación martensita no implica difusión y es esencialmente instantánea. Estas dos reacciones son competitivas, y la martensita se obtiene si la velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rápida para evitar la formación más lenta de ferrita y perlita. En los aceros aleados, la reacción ferrita/perlita se ralentiza aún más, lo que permite obtener martensita utilizando velocidades de enfriamiento más lentas. La transformación a otra fase posible (bainita) puede entenderse de forma similar.
La templabilidad describe la capacidad del acero para endurecerse en profundidad bajo un conjunto dado de condiciones. Por ejemplo, un acero de alta templabilidad puede transformarse en una alta fracción de martensita a profundidades de varios milímetros bajo un enfriamiento relativamente lento, como un enfriamiento por aceite. En comparación, un acero de baja templabilidad sólo puede formar una alta fracción de martensita a una profundidad inferior a 1 mm, incluso bajo un enfriamiento bastante rápido, como un enfriamiento por agua.
Los aceros de alta templabilidad son necesarios para fabricar grandes componentes de alta resistencia (como grandes tornillos extrusores para el moldeo por inyección de polímeros, pistones para trituradores de roca, soportes para ejes de minas y trenes de aterrizaje de aviones) y pequeños componentes de alta precisión (como moldes de fundición a presión, taladros y prensas para estampar monedas).
Las tasas de enfriamiento más lentas que se pueden utilizar para aceros de alta dureza pueden reducir las tensiones térmicas y la distorsión. Los aceros de baja templabilidad pueden utilizarse para componentes más pequeños, como cinceles y cizallas, o para componentes endurecidos en la superficie, como engranajes, en los que se desea mantener una microestructura de ferrita/perlita en el núcleo para mejorar la tenacidad. El ensayo de temple final Jominy es el método estándar para medir la templabilidad de los aceros[1]
Detalles de las pruebas
La muestra de ensayo es un cilindro de 100 mm (4 pulgadas) de largo x 25,4 mm (1 pulgada) de diámetro (Fig. 2a). La muestra de acero se normaliza (para eliminar las diferencias de microestructura debidas a trabajos previos en caliente) y luego se austeniza normalmente a una temperatura de 800-925°C (1470-1700°F). La muestra de ensayo se transfiere rápidamente al dispositivo de ensayo (Fig. 2b), que enfría el acero pulverizando un flujo controlado de agua en un extremo de la muestra (Fig. 2c). La velocidad de enfriamiento varía a lo largo de la muestra, desde muy rápido en el extremo enfriado donde el agua golpea la muestra hasta velocidades más lentas que son equivalentes al enfriamiento por aire en el otro extremo.
El espécimen redondo se muele a lo largo de su longitud en lados opuestos a una profundidad de al menos 0,38 mm (0,015 pulgadas) para eliminar el material descarburizado. Se debe tener cuidado de que la molienda no caliente la muestra, ya que esto puede provocar un temple que puede ablandar el acero.
La dureza se mide a intervalos desde el extremo enfriado, típicamente a intervalos de 1,5 mm (0,062 pulgadas) para aceros aleados y 0,75 mm (0,031 pulgadas) para aceros al carbono, comenzando lo más cerca posible del extremo enfriado. La dureza disminuye con la distancia desde el extremo apagado. La alta dureza ocurre donde se desarrollan fracciones de alto volumen de martensita. Una menor dureza indica la transformación en microestructuras de bainita o ferrita/perlita.
La medición de la dureza se lleva a cabo normalmente con un durómetro Rockwell o Vickers[1-3] Hay tablas de conversión disponibles para relacionar las diferentes escalas de dureza[4,5] si es necesario, pero se debe tener cuidado de usar las tablas correctas para el acero. Las pruebas de dureza de Rockwell y Vickers deforman el metal de forma diferente, y los resultados se ven afectados por el endurecimiento por trabajo. La templabilidad se describe mediante una curva de dureza para el acero (Fig. 3) o más comúnmente por referencia al valor de dureza a una distancia particular del extremo enfriado.
Usos de los valores de templabilidad
Con los datos del ensayo de temple final Jominy se puede determinar si un acero determinado puede templarse suficientemente en diferentes medios de temple, para diferentes diámetros de sección. Por ejemplo, la velocidad de enfriamiento a una distancia de 10 mm (0,390 pulgadas) del extremo enfriado es equivalente a la velocidad de enfriamiento en el centro de una barra de 28 mm (1,1 pulgadas) de diámetro templada con aceite. La transformación completa a martensita en el espécimen Jominy en esta posición indica que una barra de 28 mm de diámetro puede ser endurecida en toda su extensión (es decir, endurecida en todo su espesor).
Para el endurecimiento de piezas de gran tamaño se requiere un alto grado de endurecimiento. Estos datos se pueden presentar utilizando diagramas de CCT (transformación de enfriamiento continuo)[6], que se utilizan para seleccionar los aceros que mejor se adapten al tamaño del componente y al medio de enfriamiento (Fig. 4). Las tasas de enfriamiento más lentas ocurren en el núcleo de los componentes más grandes, en comparación con la tasa de enfriamiento más rápida en la superficie. En el ejemplo de la Fig. 3, la superficie se transformará en martensita, pero el núcleo tendrá una estructura bainítica con algo de martensita. Las velocidades de enfriamiento lentas a menudo se seleccionan para reducir la distorsión y la tensión residual en los componentes. La referencia 6 contiene más información sobre el tratamiento térmico y las propiedades de los aceros.
Efectos de la aleación y la microestructura
El ensayo de temple final Jominy mide los efectos de la microestructura, como el tamaño de grano y la aleación, sobre la templabilidad de los aceros. Los principales elementos de aleación que afectan a la templabilidad son el carbono; un grupo de elementos que incluye Cr, Mn, Mo, Si y Ni; y el boro[7] Reference 7 contiene más información sobre la microestructura y la metalurgia de los aceros.
Carbono
El carbono controla la dureza de la martensita; el aumento del contenido de carbono aumenta la dureza de los aceros hasta alrededor de
0.6 % en peso de carbono. En niveles más altos de carbono, sin embargo, la temperatura crítica para la formación de martensita se reduce a temperaturas más bajas. La transformación de austenita a martensita puede estar incompleta cuando el acero se apaga a temperatura ambiente, lo que lleva a la austenita retenida. Esta microestructura compuesta de martensita y austenita da como resultado una menor dureza del acero, aunque la dureza de la fase martensita en sí misma sigue siendo alta (Fig. 5).
El carbono también aumenta la templabilidad de los aceros al retardar la formación de perlita y ferrita. La ralentización de esta reacción estimula la formación de martensita a velocidades de enfriamiento más lentas. Sin embargo, el efecto es demasiado pequeño para ser usado comúnmente para el control de la templabilidad. Además, los aceros con alto contenido de carbono son propensos a la deformación y al agrietamiento durante el tratamiento térmico y pueden ser difíciles de mecanizar en estado recocido antes del tratamiento térmico. Es más común controlar la templabilidad utilizando otros elementos y utilizar niveles de carbono inferiores al 0,4 % en peso.
Otros elementos de aleación
Cr, Mo, Mn, Si, Ni y V retardan la transformación de fase de austenita a ferrita y perlita. Los elementos más utilizados son Cr, Mo y Mn. El retraso se debe a la necesidad de redistribuir los elementos de aleación durante la transformación de la fase difusora de austenita a ferrita y perlita. La solubilidad de los elementos varía entre las diferentes fases, y la interfaz entre la nueva fase de crecimiento no puede moverse sin la difusión de los elementos de movimiento lento. Existen interacciones bastante complejas entre los diferentes elementos, que también afectan a las temperaturas de la transformación de fase y a la microestructura resultante. Por lo tanto, las composiciones de acero aleado se describen a veces en términos de un equivalente de carbono, que describe la magnitud del efecto de todos los elementos sobre la templabilidad. Los aceros del mismo equivalente de carbono tienen una templabilidad similar.
Boro
El boro es un elemento de aleación muy potente, que normalmente requiere un 0,002-0,003 % de peso para tener el efecto equivalente de 0,5 % de peso de Mo. El efecto del boro es independiente de la cantidad de boro, siempre que se añada una cantidad suficiente. El efecto del boro es mayor en los contenidos más bajos de carbono, y se utiliza típicamente con aceros de bajo carbono.
El boro tiene una fuerte afinidad por el oxígeno y el nitrógeno, con los que forma compuestos. Por lo tanto, el boro sólo puede afectar la templabilidad de los aceros si está en solución. Esto requiere la adición de elementos de "gettering", como el aluminio y el titanio, para reaccionar preferentemente con el oxígeno y el nitrógeno del acero.
Tamaño del grano
El aumento de la granulometría de la austenita aumenta la templabilidad de los aceros. La nucleación de ferrita y perlita se produce en sitios heterogéneos como los límites de los granos de austenita. Por lo tanto, el aumento del tamaño de grano de la austenita disminuye los sitios de nucleación disponibles, lo que retarda la tasa de transformación de la fase de ferrita/perlita (Fig. 6). Este método de aumentar la templabilidad se utiliza raramente porque los aumentos sustanciales de la templabilidad requieren un gran tamaño de grano de austenita, que se obtiene a través de altas temperaturas de austenitización. La microestructura resultante es bastante gruesa, con dureza y ductilidad reducidas. Sin embargo, el tamaño de grano de la austenita puede verse afectado por otras etapas en el procesamiento del acero. Por lo tanto, la templabilidad de un acero también depende de las etapas previas utilizadas en su producción.