INTRODUCCIÓN Antes de comenzar a analizar los problemas siguientes es necesario que el alumno repase la teoría de tratamientos térmicos en aceros y la influencia de los elementos de aleación en los mismos, así como la variación de las características resistentes y plásticas con el tratamiento térmico. Como recordatorio se tendrán en cuenta las siguientes consideraciones para los aceros de baja aleación (< 5%): • • • • • • • • Debemos distinguir en los aceros los elementos aleantes alfágenos (Si, Cr, Mo, V, W, Ti) y gammágenos (C, Mn, Ni, Cu, Al, Co). Los elementos gammágenos bajan los puntos críticos A 1 y A3 (amplían la zona de estabilidad de la fase gamma) y los alfágenos los suben. No obstante, el C y el Si no modifican la posición del punto crítico A1. Todos los elementos aleantes, y en especial el C, descienden las temperaturas de principio y fin de la transformación martensítica (M s y Mf ), salvo el Al, y en menor proporción el Co, que los suben. Todos los elementos aleantes aumentan la templabilidad (desplazan las curvas TTT hacia la derecha, a tiempos de incubación mayores) y por lo tanto, aumentan su diámetro crítico ideal φi. La acción combinada de un aumento del carbono en los aceros hipoeutectoides así como de una variada dosificación de elementos alfágenos y gammágenos proporcionarán un gran aumento en la templabilidad. La susceptibilidad al agrietamiento en el temple aumenta con el contenido en carbono y también conforme desciende la M s, cosa que evoluciona a su vez al aumentar el contenido en carbono y elementos aleantes. El carbono, por tanto, es el que mayor influencia tiene sobre la susceptibilidad al agrietamiento. Los elementos aleantes, en una proporción suficiente, desdoblan las curvas TTT en dos: nariz perlítica y nariz bainítica. Los elementos alfágenos adelantan a tiempos menores la nariz bainítica frente a la perlítica; los gammágenos actúan, al contrario. Para cualquier consideración, actúan mejor pequeñas cantidades de muchos elementos aleantes que una mayor cantidad de uno solo. Todos los elementos aleantes descienden el punto eutectoide a contenidos de carbono menores. En lo que se refiere a características resistentes y plásticas mencionaremos: 1. La dureza y resistencia de un acero de baja aleación, en estado de temple depende de su contenido en carbono. Si se le realizan revenidos posteriores, dicha resistencia irá disminuyendo con la temperatura (y en menor medida también con el tiempo), aunque será menor esta disminución si contiene elementos alfágenos, por la contribución a la resistencia de los carburos que forman. 2. La resiliencia, que caracteriza la fragilidad del material, será mínima en estado de temple, y tanto más baja cuanto mayor sea el contenido en carbono. En el revenido, la resiliencia aumenta con la temperatura, aunque se presentan fenómenos de fragilidad en revenidos bajos, así como, en algunos aceros, fragilidad Krupp. Estas consideraciones son útiles en cuanto nos permiten comparar a priori un grupo de aceros, y en consecuencia tener una buena aproximación del comportamiento relativo de ellos. Así mismo, hay que resaltar que dichas consecuencias pueden diferir en algunos ejemplos con respecto a fórmulas empíricas (fórmulas de M.Aall, fórmulas de Andrews...), sobre todo si los resultados en varios aceros tienen valores cercanos. Se considerará válida la respuesta en estos casos si se realiza una posible ordenación seguida de una breve explicación del por qué de la incertidumbre. PROBLEMA 1 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %M o %Fe 1 0,30 0,60 -- -- 1,20 -- RESTO 2 0,50 0,60 0,20 -- -- -- RESTO 3 0,50 0,60 0,65 1,50 -- 0,40 RESTO a) Si se conoce el punto crítico A3 del acero 2, explicar los posibles problemas que pueden surgir si se realizaran los tratamientos térmicos a los tres aceros teniendo en cuenta este punto crítico. b) Dibujar la posición relativa de las curvas TTT de los tres aceros. Solución al problema 1 a) Ordenaremos las temperaturas A3 de los tres aceros: A32 < A33 debido al contenido de elementos alfágenos del acero 3. A31 < A33 la acción de los elementos aleantes (sobre todo el % Ni en el acero 1 y los alfágenos en el acero 3) supera a la debida a la diferencia en el carbono. A32 < A31 posiblemente, por la razón anterior, aunque tendrá valores cercanos. Nos queda, por tanto: A32 < A31 < A33 Por tanto, en los aceros 1 y 3, podría darse el caso de no austenitizar completamente si no se supera su temperatura crítica, con lo que no conseguiríamos la homogeneización del material al quedar ferrita sin disolver. En el supuesto contrario (A31 < A32), el acero 1 estaría austenitizado a una temperatura superior a la recomendada, aunque por la pequeña diferencia de estas temperaturas entre ambos aceros, no existirá peligro de un excesivo engrosamiento de grano. b) Deducimos de la composición de los tres aceros: A11 < A12 < A13 A32 < A31 < A33 φi1 < φi2 < φi3 dado que a mayor contenido de carbono y elementos aleantes aumenta la templabilidad. Ms3 < Ms2 < Ms1porque se necesita mayor subenfriamiento para que se inicie la reacción martensítica con mayor contenido de carbono y elementos aleantes. En el acero 1 y en el acero 3 las reacciones perlítica y bainítica aparecen separadas por efecto de los elementos aleantes. Los aceros 2 y 3 parten de un mismo valor de dureza de temple por contener la misma cantidad de carbono. La dureza de temple del acero 1 es menor ya que posee menor cantidad de carbono. El valor inicial de resiliencia será mayor en el acero 1 que en los aceros 2 y 3, ya que a menor %C tendrá mayor plasticidad. El contenido en silicio modifica la zona de fragilidad de revenidos bajos. PROBLEMA 2 Dadas las composiciones de los aceros siguientes: ACERO %C %Mn %Si %Cr %Ni %Mo %Fe 1 0,20 0,60 0,30 -- -- -- RESTO 2 0,40 0,60 0,30 -- -- -- RESTO 3 0,40 0,60 0,30 1,50 -- 0,25 RESTO a) Comparar, razonándolo convenientemente, sus temperaturas críticas A 31, A32 y A33 , y las de principio de transformación martensítica M s1, Ms2 y Ms3. b) Dibujar, en una misma gráfica, la posición y morfología relativas de las curvas de variación de la resistencia y la resiliencia para los tres aceros en función de la temperatura de revenido. Solución al problema 2 a) Ordenaremos las temperaturas A3 de los tres aceros: A32 < A33 debido a que el acero 3 se diferencia del acero 2 en un mayor contenido de elementos alfágenos, como el Cr y el Mo, que aumentan el punto crítico A3. A32 < A31 debido al que el contenido en carbono del acero 1 es inferior al del 2, siendo el resto de los elementos aleantes igual. A33 < A31 muy posiblemente, ya que, aunque la adición de los elementos aleantes alfágenos del acero 3 (Cr y Mo) aumentarán este punto crítico, la diferencia en el contenido en carbono, inferior en el acero 1 al del 3, compensará la diferencia en los elementos aleantes. Nos queda, por tanto: A32 < A33 < A31 Respecto de las temperaturas de principio de transformación martensítica M s: Ms3 < Ms2 < Ms1 porque se necesita mayor subenfriamiento para que se inicie la reacción martensítica con mayor contenido de carbono y elementos aleantes. b) Los aceros 2 y 3 parten de un mismo valor de dureza de temple por contener la misma cantidad de carbono pero se mantendrá la dureza en el 3 superior a la del 2 en el revenido debido a la formación de carburos de los elementos alfágenos. La dureza de temple del acero 1 es menor ya que posee menor contenido en carbono. El valor inicial de resiliencia será mayor en el acero 1 que en los aceros 2 y 3, ya que a menor %C tendrá mayor plasticidad. Debido a que el contenido en silicio es el mismo en los tres aceros, la zona de fragilidad de revenidos bajos se encontrará en los tres en el mismo rango de temperaturas.. c) Debemos ordenar los aceros primeramente de acuerdo a su templabilidad: φi1 < φi2 < φi3 dado que a mayor contenido de carbono y elementos aleantes aumenta la templabilidad. Y por último debemos ordenar las temperaturas A1: A11 = A12 < A31 Con la ordenación de los puntos críticos de los apartados anteriores, y considerando que las curvas correspondientes al acero 3 estarán desdobladas debido a la acción de los elementos aleantes, y que presentará adelantada la nariz bainítica por el predominio de elementos alfágenos, las curvas quedarán: PROBLEMA 3 En los aceros siguientes: a) ACERO %C %Mn %Si %Cr %Ni %Mo %V %Fe 1 0,30 0,50 0,10 0,80 1,50 -- -- RESTO 2 0,45 0,50 0,20 -- 1,50 -- -- RESTO 3 0,45 0,50 0,35 1,50 -- 0,60 0,20 RESTO Comparar, razonándolo convenientemente, sus puntos críticos (A 3 y Ms). b) Dibujar la posición y morfología relativas de las curvas de variación de la resistencia y la resiliencia con la temperatura de revenido para los tres aceros. c) Razonar cuál de los tres aceros será más adecuado para su utilización como acero de alta resistencia. Solución al problema 3 a) Ordenaremos las temperaturas A3 de los tres aceros: A32 < A33 ya que en el acero 3 predominan claramente los elementos alfágenos, que tendrán el efecto de aumentar este punto crítico, y en el acero 2 predominan los elementos gammagenos, que tendrán el efecto contrario. A32 < A31 el acero 1 posee menor contenido en carbono y mayor contenido de elementos alfágenos que el 2. Ambas diferencias poseen el mismo efecto de aumentar el punto crítico. Respecto de elementos gammágenos, ambos contienen la misma cantidad. A31 < A33 posiblemente ocurra así, ya que, aun existiendo una diferencia apreciable en el contenido en carbono (superior en el acero 3) que tiende a modificar de manera determinante la posición del punto crítico a temperaturas inferiores, la gran diferencia existente en los elementos de aleación, predominantemente alfágenos en el acero 3 unido a un mayor contenido de elementos gammágenos del acero 1, produce el efecto contrario, y en este caso posiblemente superen al efecto producido por la diferencia en el contenido en carbono. Nos queda, por tanto: A32 < A31 < A33 Respecto de las temperaturas de principio de transformación martensítica M s: Ms2 < Ms1 a pesar de que el acero 1 posee un contenido algo superior de elementos d e aleación, que descienden dicho punto crítico, la diferencia en el contenido de carbono produce, en este caso, un efecto más determinante, descendiendo el punto crítico del acero 2 a temperaturas más bajas que el 1. Ms3 < Ms2 el contenido superior de elementos de aleación en el acero 3, para el mismo contenido en carbono, situarán este punto crítico por debajo del 2. Nos queda, por tanto: Ms3 < Ms2 < Ms1 b) Los aceros 2 y 3 parten de un mismo valor de dureza de temple por contener la misma cantidad de carbono pero se mantendrá la dureza en el 3 superior a la del 2 en el revenido debido a la formación de carburos de los elementos alfágenos. La dureza de temple del acero 1 es menor ya que posee menor contenido en carbono. No obstante, el descenso de dureza será más suave en el acero 1 que en el 2 debido a un mayor contenido en elementos alfágenos. El valor inicial de resiliencia será mayor en el acero 1 que en los aceros 2 y 3, ya que a menor %C tendrá mayor plasticidad. El acero 1 es un acero al Cr-Ni, por lo que presentará la zona de fragilidad Krupp. Debido al contenido en silicio, diferente en los tres aceros, la zona de fragilidad de revenidos bajos se encontrará desplazada a temperaturas mayores de acuerdo a este contenido y algo más atenuada. c) Para elegir el acero más adecuado para alta resistencia, analizaremos cuál de los aceros de los que disponemos presenta una mejor combinación con revenidos bajos. En este caso, el acero 3 será el óptimo para alta resistencia ya que su zona de temperaturas para revenidos bajos es más amplia que en los otros casos por el desplazamiento de la zona de fragilidad por su contenido en Si, permitiendo obtener una buena plasticidad con mejor resistencia mecánica. PROBLEMA 4 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %Fe 1 0,30 0,60 0,35 -- -- RESTO 2 0,30 0,60 0,35 1,20 -- RESTO 3 0,45 0,60 0,35 1,20 2,50 RESTO a) Ordenar de menor a mayor los puntos críticos A3 y Ms de los aceros anteriores. Razonarlo. b) Si los tres aceros se templan en un mismo medio de enfriamiento, razonar cuál de los tres será más susceptible al agrietamiento. c) Dibujar la posición y morfología relativas de las curvas de resistencia y resiliencia en función de la temperatura de revenido de los tres aceros. Solución al problema 4 a) Las temperaturas A3 de los tres aceros: A33 < A32 ya que el acero 3 se diferencia del 2 en que contiene más carbono y mayor contenido de elementos gammágenos (Ni), con lo que su punto crítico será mucho más bajo. A33 < A31 el acero 3 contiene proporciones similares de elementos alfágenos y gammágenos, que tienden, respectivamente, a subir y bajar el punto crítico. Pero su contenido en carbono es muy superior al del acero 1, lo que, en este caso, va a ser el factor determinante. A31 < A32 se diferencian los dos aceros en el contenido en cromo, el cual, como elemento alfágeno, tiende a subir el punto crítico A 3. Nos queda, por tanto: A33 < A31 < A32 Respecto de las temperaturas de principio de transformación martensítica (Ms): Ms3 < Ms2 < Ms1 este punto crítico desciende con el contenido en carbono y elementos aleantes, con lo que claramente se aprecia su ordenación. b) La susceptibilidad al agrietamiento aumenta con el contenido en carbono y con el descenso de la Ms, con lo que el acero 3 será el más susceptible a deformaciones y roturas en el tratamiento de temple. c) Los aceros 1 y 2 parten de un mismo valor de dureza de temple por contener la misma cantidad de carbono. No obstante, debido al contenido en elementos aleantes alfágenos superior en el acero 2, la dureza durante el revenido descenderá más lentamente. La dureza de temple del acero 3 será mayor, ya que posee un contenido en carbono superior. El ablandamiento durante el revenido será similar al del acero 2 ya que posee la misma cantidad de elementos formadores de carburos. El valor inicial de resiliencia será mayor en los aceros 1 y 2 que en el acero 3, ya que a menor %C tendrá mayor plasticidad. La fragilidad de revenidos bajos se presentará en los tres aceros en el mismo intervalo de temperaturas, al poseer el mismo contenido en silicio. Además, el acero 3 presentará el fenómeno de fragilidad Krupp al tratarse de un acero al Cr-Ni. PROBLEMA 5 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %W %Fe 1 0,40 0,60 0,25 -- -- -- RESTO 2 0,40 0,60 0,25 1,50 -- 0,40 RESTO 3 0,40 0,80 0,50 1,50 1,20 0,40 RESTO a) Comparar sus temperaturas A3 y sus diámetros críticos para un mismo medio de enfriamiento, razonándolo convenientemente. b) Razonar cuál es el acero menos susceptible al agrietamiento en el temple, utilizando el mismo medio de enfriamiento. c) Indicar cuál de los tres aceros será más adecuado para utilizarlo con alta resistencia. ¿Por qué?. d) Indicar el medio de enfriamiento más adecuado en los revenidos medios (500C) y altos (650C) para cada acero, razonándolo convenientemente. Solución al problema 5 a) Como el contenido en carbono es el mismo en los tres aceros, no lo tendremos en cuenta para ninguna ordenación. Primeramente, compararemos las temperaturas A3 de los tres aceros: A33 < A32 el acero 3 se diferencia del 2 en un mayor contenido de elementos gammágenos (Mn y Ni), que descienden el punto crítico A 3 al estabilizar la austenita, y un pequeño incremento de Si (alfágeno) que no va a ser significativo. A33 ¿? A31 el contenido en elementos alfágenos y gammágenos en ambos aceros está más o menos equilibrado, por lo que cabe esperar valores de las A3 cercanos, con lo que no podemos asegurar a priori cual de los dos será superior. A31 < A32 el acero 2 contiene más cantidad de elementos alfágenos (Cr y W) que el 1, con lo que claramente tendrá su punto crítico por encima. Nos queda, por tanto: A31 A33 < A32 Respecto a los diámetros críticos, la relación nos queda: φi1 < φi2 < φi3ya que el contenido de elementos aleantes aumenta la templabilidad. b) La susceptibilidad al agrietamiento aumenta con el contenido en carbono y con el descenso de la temperatura de principio de transformación martensítica (Ms), con lo que para igual contenido en carbono tendrá menos susceptibilidad al agrietamiento el que posea la M s más alta. Como la Ms disminuye con el contenido en carbono y con los elementos aleantes, será el acero 1 el que sufra menos deformaciones y peligro de roturas en el tratamiento de temple, si se utiliza el mismo medio de enfriamiento. c) La resistencia después del temple será la misma para los tres aceros, ya que contienen el mismo contenido en carbono. Pero en el tratamiento de revenido (siempre necesario después del temple) se mantendrá más alta la dureza, y por tanto su resistencia, en el acero con mayor contenido de elementos formadores de carburos (alfágenos), con lo que los aceros 2 y 3 tendrán un comportamiento parecido. No ocurre lo mismo con la fragilidad, ya que el acero 3, debido a su mayor contenido en silicio, presentará la fragilidad de revenidos bajos más atenuada y a mayores temperaturas que el acero 2, y presentará fragilidad Krupp por tratarse de un acero al cromo-níquel, con lo que no convendrá utilizarlo en revenidos intermedios. Por lo tanto, será conveniente utilizar el acero 3 como acero de alta resistencia ya que permite utilizarlo con Tª de revenido bajo más alta, ya que este acero presentará menos problemas de fragilidad que el acero 2 en este rango de temperaturas. d) El medio de enfriamiento para los tres aceros será siempre el aire, para no introducir excesivas tensiones internas debidas a las contracciones térmicas, salvo en los revenidos altos del acero 3, que deberán realizarse mucho más rápidamente (en agua, por ejemplo) para evitar la fragilidad Krupp durante el enfriamiento. El revenido a 500C del acero 3 del acero 3 no será recomendable ya que no podemos evitar la fragilidad Krupp aunque se enfríe rápidamente. PROBLEMA 6 En los aceros siguientes: ACERO %C %Mn %Si %Cr %Ni %Mo %Fe 1 0,30 0,50 0,25 -- -- -- RESTO 2 0,30 0,50 0,25 1,50 -- 0,30 RESTO 3 0,30 0,80 0,25 -- 3,00 -- RESTO a) Ordenar de menor a mayor los puntos críticos A31, A32 y A33 de dichos aceros, razonándolo convenientemente. b) Razonar cuál de los tres aceros es menos susceptible al agrietamiento en el temple, utilizando el mismo medio de enfriamiento. Solución al problema 6 a) Las temperaturas A3 de los tres aceros: A33 < A31 < A32 debido a que el contenido de carbono es el mismo en los tres aceros, solamente debemos considerar los contenidos en elementos aleantes. En el acero 3 predominan los elementos gammágenos, que tienden a descender el punto A3; en el acero 2 predominan los alfágenos, que tienden a aumentarlo; el acero 1, en el que no hay predominio importante de ninguno de los dos grupos de elementos aleantes, estará situada su A3 entre las de los otros dos aceros. b) El acero 1, ya que su temperatura de principio de transformación martensítica (M s ) será mayor debido al menor contenido de elementos aleantes, con lo que necesitaremos menos subenfriamiento para producir la transformación, con lo que se reduce el peligro de agrietamiento. c) Podemos apreciar que el acero 1 tendrá una templabilidad mucho menor que los aceros 2 y 3, con lo que sus curvas estarán situadas en tiempos de incubación menores. Seguidamente se situarán las del acero 2 y por último las del 3, ya que así nos lo indica el enunciado del problema. No obstante, la templabilidad de los aceros 2 y 3 tendrá valores cercanos, con lo que sus curvas estarán próximas. La relación de los puntos críticos A3 es la que hemos deducido en el apartado a. Debido a que poseen el mismo porcentaje de carbono los tres aceros, la relación de las A 1 será similar a la de las A3: A13 < A11 < A12. Respecto a las temperaturas M s, el orden será: M s1 > Ms2 > Ms3, por el contenido en elementos aleantes. Además, el los aceros 2 y 3 tendrán desdobladas las curvas TTT, adelantando la nariz bainítica el acero 2 y la perlítica el 3. PROBLEMA 7 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %V %Fe 1 0,35 0,50 0,30 -- -- -- RESTO 2 0,35 0,50 0,30 1,50 -- 0,60 RESTO 3 0,50 0,50 0,30 1,50 2,40 0,60 RESTO a) Ordenar de mayor a menor los puntos críticos de los tres aceros, así como sus temperaturas Ms, razonándolo convenientemente. b) ¿Cuál de los tres aceros admitirá un medio de temple de menor severidad?. ¿Por qué?. c) Dibujar la posición relativa de las curvas de resistencia y resiliencia para los tres aceros en función de la temperatura de revenido. Solución al problema 7 a) Primeramente compararemos las temperaturas A3 de los tres aceros: A33 < A31 < A32 la más alta es la del acero 2 ya que posee el contenido más bajo en carbono y predominan los elementos alfágenos. La más baja será la del acero 3, debido principalmente al mayor contenido en carbono, ya que los dos tipos de elementos aleantes están bastante equilibrados. Respecto a las temperaturas A1: A13 < A11 < A12 la más alta será la del acero 2, por los elementos alfágenos. Los aceros 1 y 3 tendrán los puntos críticos A1 cercanos, aunque posiblemente será menor en el acero 3 ya que en éste, el contenido en elementos gammágenos es ligeramente superior al de alfágenos. Respecto a las temperaturas M s: Ms3 < Ms2 < Ms1 el acero 3 tendrá el valor más bajo, debido al mayor contenido en carbono y elementos aleantes. El acero 1 tendrá la M s más alta, ya que su contenido en carbono y elementos aleantes es el menor. b) Evidentemente admitirá menor severidad de temple el acero con más alta templabilidad, que en nuestro caso será el acero 3, debido al mayor contenido en carbono y elementos aleantes. c) La resistencia después del temple será superior en el acero 3 por su mayor contenido en carbono. Además, en el tratamiento de revenido se mantendrá más alta la dureza en este acero, y por tanto su resistencia, debido al contenido de elementos formadores de carburos (alfágenos). Los aceros 1 y 2 parten de una dureza de temple será inferior, aunque se mantendrá más alta en el revenido en el acero 2. Respecto a la resiliencia, ya que el acero 3 contiene más carbono, partirá en el temple de un valor inferior a los de los otros dos aceros. Los tres aceros tendrán la zona de fragilidad de revenidos bajos en el mismo rango de temperaturas, al tener contenidos en silicio similares. Además, el acero 3 tendrá fragilidad Krupp al ser un acero al Cr-Ni. PROBLEMA 8 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %V %Fe 1 0,30 0,60 -- -- -- -- RESTO 2 0,40 0,60 0,65 1,50 -- 0,50 RESTO 3 0,40 0,60 1,25 1,50 2,00 0,50 RESTO a) Comparar, razonándolo convenientemente, los diámetros críticos y las temperaturas Ms de los tres aceros. b) ¿Cuál de los tres aceros será más susceptible al agrietamiento en el temple utilizando el mismo medio de enfriamiento?. ¿Por qué?. c) Dibujar la posición y morfología relativas de las curvas de variación de la resistencia y resiliencia para en función de la temperatura de revenido. Solución al problema 8 a) Primeramente compararemos los diámetros críticos de los tres aceros: φi1 < φi2 < φi3 dado que con mayor porcentaje de carbono y presencia de elementos aleantes se aumenta la templabilidad. Respecto a las temperaturas M s: Ms3 < Ms2 < Ms 1a mayor %C y de elementos aleantes se necesita mayor subenfriamiento para iniciar la transformación martensítica. b) El acero 3, por tener mayor porcentaje de carbono y además porque su M s es más baja. c) La figura siguiente muestra la posición relativa de las curvas de variación de le resistencia y resiliencia con respecto a la temperatura de revenido para los tres aceros. PROBLEMA 9 En los aceros siguientes: a) ACERO %C %M n %Si %Cr %M o %Fe 1 0,20 0,60 0,30 -- -- RESTO 2 0,40 0,60 0,30 -- -- RESTO 3 0,40 0,60 0,30 1,00 0,20 RESTO 4 0,40 0,60 1,50 1,00 0,20 RESTO Indicar el orden de mayor a menor de sus diámetros críticos φ1, φ2, φ3 y φ4, así como el de sus temperaturas de comienzo de la transformación martensítica M s 1, M s 2, Ms3 y Ms4 respectivamente. Razonarlo. Solución al problema 9 a) Primeramente compararemos los diámetros críticos de los tres aceros: φi1 < φi2 < φi3 < φi4 dado que con mayor porcentaje de carbono y presencia de elementos aleantes se aumenta la templabilidad. Respecto a las temperaturas M s: Ms4 _ Ms3 < Ms2 < Ms1 la Ms de los aceros 3 y 4 será similar, debido a que tienen los mismos aleantes salvo el Si, que no influye en este punto crítico. En el resto de los aceros, debido al menor contenido de elementos aleantes y menor %C se necesita menor subenfriamiento para iniciar la transformación martensítica. c) Atendiendo a los elementos aleantes tendremos: A11 = A12 < A13 = A14 debido al contenido de elementos aleantes (salvo el Si). A32 < A33 < A31 < A34 el acero 3 tendrá su punto crítico más bajo que el acero 1 ya que, aún conteniendo elementos alfágenos, no compensa el efecto de un menor contenido en carbono del acero 1. Pero entre el acero 4 y el 1, el efecto debido al menor contenido en carbono del 1 si será, posiblemente, compensado por la diferencia de elementos alfágenos, incluido el Si, que es muy superior en el 4. PROBLEMA 10 En los aceros siguientes: a) b) ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %M o %Fe 1 0,25 0,60 -- -- -- -- RESTO 2 0,50 0,60 0,30 1,50 -- 0,60 RESTO 3 0,88 0,60 -- -- 2,50 -- RESTO Ordenar de mayor a menor de sus puntos críticos A3, A1 y Ms de los tres aceros, razonándolo adecuadamente. ¿Se puede considerara el acero 3 como un acero eutectoide?.¿Por qué? Solución al problema 10 a) Deducimos de la composición de los tres aceros: A13 < A11 < A12 en el acero 2 predominan los elementos alfágenos, que suben la A 1 , en oposición del acero 3 en que predominan los gammágenos, que la descienden. La temperatura A1 del acero 1 estará situada entre medias. A33 < A32 < A31 el contenido en carbono del acero 1, muy inferior al de los otros dos aceros, es decisivo en la A3, situándola muy por encima de la de los demás. Con respecto al acero 3, su alto contenido en carbono y elementos aleantes gammágenos sitúan la temperatura A 3 del mismo muy por debajo de la de los otros dos. la A3 del acero 2 estará situada entre medias. Ms3 < Ms2 < Ms1 claramente, el contenido de elementos aleantes y, sobre todo, el contenido en carbono, aumenta del acero 1 hasta el 3, con lo que la temperaturas de inicio de la transformación martensítica (M s) evolucionarán al contrario, ya que se necesita mayor subenfriamiento conforme aumenta el contenido de estos elementos. c) No se puede considerar como eutectoide. La acción de los elementos aleantes, en este caso Ni y Mn, desplazan el contenido en carbono del acero eutectoide a porcentajes menores, con lo que con 0,88% de C este acero será hipereutectoide. PROBLEMA 11 En los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %M o %V %Fe 1 0,35 0,50 0,15 1,30 0,60 0,30 0,50 RESTO 2 0,35 0,50 0,25 0,70 1,50 -- 0,20 RESTO 3 0,35 0,50 0,25 -- 1,20 -- 0,20 RESTO a) Ordenar de mayor a menor sus puntos críticos A3 y A1 y sus diámetros críticos ideales φ i , razonándolo convenientemente. b) Cual de los tres aceros será más susceptible al agrietamiento en el temple si utilizamos el mismo medio de enfriamiento?. ¿Por qué?. c) Teniendo en cuenta las curvas de revenido de estos aceros, indicar qué acero sería el óptimo para utilizarlo como acero de gran resistencia y cual sería el óptimo para acero de gran tenacidad, citando los intervalos de revenidos adecuados. ¿Por qué?. Solución al problema 11 a) Deducimos de la composición de los tres aceros: A12 < A11 porque el acero 1 tiene más porcentaje de elementos alfágenos y me nos de gammágenos que el acero 2. A13 < A11 por la misma razón anterior. A13 < A12 en este caso, el acero 2 frente al 3 posee mayor proporción de elementos alfágenos y de gammágenos, por lo que es difícil la comparación. No obstante, el efecto de la mayor cantidad de alfágenos en el acero 2, tanto en porcentaje como en número, parece superar al efecto de una mayor cantidad de Ni en el acero 3, por lo que su punto crítico será, posiblemente, algo superior. Nos quedará, por tanto: A13 <? A12 < A11 donde el signo "?" indica que existe una incertidumbre. A32 <? A33 < A31 por el mismo razonamiento anterior, ya que no se ha considerado para la comparación el C, cuyo porcentaje es el mismo en los tres aceros. El menor porcentaje de Si en el acero 1 no influye decisivamente, ya que, este acero, sigue conteniendo una cantidad mayor de elementos alfágenos. φi3 < φi2 < φi1 en este caso, al tener la misma cantidad de carbono los tres aceros, es más templable el que mayor cantidad de elementos aleantes posee. b) El acero más susceptible al agrietamiento será, al contener la misma cantidad de C, el que posea la Ms más baja. Será el acero 1 el más susceptible a agrietarse ya que posee mayor cantidad de elementos aleantes. c) Para conseguir alta resistencia en un acero apropiado, debe efectuarse un revenido bajo, lo que constituye la indispensable disminución de tensiones provocadas por el temple. En esta zona, el acero 1 no es utilizable por ser frágil. En esta zona, el acero 2 posee más resistencia que el 3 con una resiliencia similar, por lo que será el óptimo. Para tener una gran tenacidad es necesario realizar revenidos medios-altos. Para estas temperaturas, el acero 1 posee igual o más resiliencia y mayor resistencia que los otros dos, por lo que será más tenaz. PROBLEMA 12 Se desea fabricar un engranaje y se dispone de los tres aceros del ejercicio anterior. Discutir qué acero se elegiría teniendo en cuenta que el engranaje se nitrurará (los puntos de discusión son: microestructura del acero, dureza de capa y espesor de la misma). Solución al problema 12 La microestructura del acero base tiene que ser martensita revenida, con revenidos tenaces con temperaturas superiores a la de nitruración (525C). Teniendo en cuenta esto, el acero más óptimo será el acero 1, como se explicó en el ejercicio anterior. También se cumple que el acero 1 contiene mayor cantidad de elementos aleantes formadores de nitruros: Cr, Mo, V. Por tanto, con el acero 1, también obtendremos una capa nitrurada más dura y de mayor profundidad. PROBLEMA 13 En un taller se desean nitrurar unos engranajes endurecidos por nitruración, para lo cual se dispone de los aceros siguientes: ACERO %C %M n %Si %Cr %Ni %Al %Mo 1 0,35 0,60 0,10 1,50 2,50 -- 0,20 2 0,60 0,60 0,35 1,50 -- 1,10 0,20 a) ¿Que acero se seleccionará desde el punto de vista de las condiciones de la capa endurecida? b) Comparar los dos aceros para obtener un engranaje que combine dureza de capa con buena tenacidad en el núcleo. ¿Qué tratamiento térmico tendríamos que aplicar al acero?. Solución al problema 13 a) El endurecimiento de la capa nitrurada dependerá de los nitruros que se forman con los elementos aleantes tales como el Al, Cr, Mo, V. Los nitruros más duros son los de aluminio. Por tanto, desde el punto de vista de mayor dureza de la capa se elegiría el acero 2. El Cr y el V, además de formar nitruros que contribuyen al endurecimiento aumentan la profundidad de capa nitrurada. Por tanto, el acero 2, al contener Al y Cr presentará una buena profundidad y más alta dureza de capa. b) El acero, antes de ser nitrurado, debe ser templado y revenido. Este revenido tiene que ser a temperaturas más altas que la temperatura de nitruración, es decir, a temperaturas por encima de 525C. Por tanto, para que el engranaje tenga un núcleo con mejor tenacidad elegiremos el acero 1 ya que tiene menor porcentaje de carbono y no presenta fragilidad Krupp, aunque es un acero al Cr-Ni, por contener molibdeno.
