ARTICULO ACEROS 2023. (1) (1).pdf y sus cambios mecanicos

propiedades y aplicaciones de los aceros A572 y sus tratamientos termicos

1. Influencia en la dureza y microestructura al tratar térmicamente el acero NTC 4526 ASTM A
500.
Darío Andrade Zambrano
a
, Eleacxer Pinzón Burgos
b
, José Edgar Alfonso
c
, Juan Andrade Muñoz
a
, Nicolas Pinzón
Paredez
a
.
a. Escuela tecnológica instituto técnico central.
b. Universidad la Gran Colombia.
c. Universidad Nacional de Colombia.

Resumen:
En esta investigación se evalúo el cambio de dureza y microestructura del acero NTC 4526 ASTM A 500, al ser tratado
térmicamente bajo dos procedimientos, el primero con calentamientos entre temperaturas desde 200 hasta 890 C con
pasos de 200 C, para evaluar el cambio de dureza en función de la temperatura, el segundo con calentamiento a
temperatura de austenización completa de 890 C y diferentes medios de enfriamiento (en mufla, aire, aceite y agua),
para evaluar el efecto de estos enfriamientos sobre la dureza del material. En estas probetas se encontró variación en la
dureza desde 48 HRB en probeta calentada a 890 C con enfriamiento en mufla y 85 HRB en probeta calentada a 890 C y
enfriamiento en agua, en las micrografías se observó variación entre las fases de ferrita, perlita fina y perlita gruesa, con
una variación de la perlita entre 58.8 y 87,39.
Palabras claves: Acero, tratamientos térmicos, fases.

Abstrac:
In this investigation, the change in hardness and microstructure of NTC 4526 ASTM A 500 steel was evaluated, when it
was heat treated under two procedures, the first with heating between temperatures from 200 to 890 C with steps of
200 C, to evaluate the change in hardness. depending on the temperature, the second with heating to a complete
automatization temperature of 890 C and different cooling media (muffle, air, oil and water), to evaluate the effect of
these cooling on the hardness of the material. In these specimens, variation in hardness was found from 48 HRB in a
specimen heated to 890 C with muffle cooling and 85 HRB in a specimen heated to 890 C and cooling in water, in the
micrographs variation was observed between the phases of ferrite, fine pearlite and coarse perlite, with a variation of
perlite between 58.8 and 87.39.

Keywords: Steel, heat treatments, phases.

1. Introducción.
Los aceros estructurales son muy importantes en la
ciencia de los materiales y la industria, teniendo en
cuenta la evolución y nuevas necesidades en el sector de
la construcción estos materiales cumplen con las
propiedades mecánicas, de seguridad y economía para
suplir dichas necesidades ya que en estructuras ayuda a
soportar altas cargas de tracción puesto que posee alta
resistencia a la compresión como a la tracción [1,2] En
Colombia este material se ha desarrollado muy poco
debido a su poca demanda, utilización y alto costo [1,
3,4,5].
Los tratamientos térmicos tienen como fin modificar
propiedades mecánicas como dureza, tenacidad y
resistencia mecánica, adecuadas según sea la aplicación
de los aceros en piezas de máquinas, estructuras o
equipos.
Al tratar térmicamente un material se presentan
variaciones significativas en diferentes características
como: el tamaño de grano, porcentajes de fases y
variación en la concentración de algunos componentes
del material. En cuanto a la relación entre el tamaño de
grano y las propiedades mecánicas el mismo metal o
aleación presentara mayor dureza y resistencia a la
tensión y menos ductilidad cuando presenta grano fino
que cuando el tamaño es mayor [6].

2. Como también el tratar térmicamente un acero implica
cambios en el porcentaje de carbón, lo que implica
cambios en la dureza del material tratado [7], esto por el
efecto en la variación de los porcentajes de las fases del
acero, como ferrita que es una fase blanda con respecto
a la perlita gruesa que es mas dura y la perlita fina de
mayor dureza que las anteriores [6,8,9].
En el proceso de tratar térmicamente un acero se pueden
presentar problemas como: distorsión, cambios
dimensionales, descarburación, carburación y
precipitación de carburos en límite de grano [10].
En este trabajo se estudia la influencia térmica en perfiles
de acero estructural NTC 4526 ASTM A 500, analizando
la variación en su dureza y variación microestructural, al
tratarlo térmicamente desde 200 C a 890 C con pasos de
100 C y enfriamiento en el aire, como también al tratarlo
a temperatura de austenización completa de 890 C y
enfriamiento en diferentes medios en: aceite y agua a
temperatura ambiente de 16 C, al aire y enfriamiento
lento en la mufla. Analizando la variación de la dureza y
con el comportamiento del porcentaje de carbón, la
microestructura y tamaño de grano por la influencia del
tratamiento térmico.

2. Desarrollo experimental.
Como material de estudio se utilizaron probetas de acero
estructural grado C NTC 4526 ASTM A 500 en perfil de
tubería el cual comercialmente cuenta con una dureza de
75 HRB, de la que se cortaron probetas de 25x25x28 mm
y 3 mm de espesor, con composición química como se
presenta en la tabla 1. A esta probeta en adelante se le
llamará probeta patrón.
C Si P S Mn Cr Ni
0.0788 0.0265 0.9930 1.8542 0.6454 0.0149 0.0096
Tabla 1. Porcentaje de composición de la probeta patrón.
2.1. Tratamientos térmicos de las muestras.
Las probetas se trataron térmicamente en una mufla
Nabertherm. Realizando dos tipos de tratamientos:

Tratamiento A: calentamiento de probetas a 200, 300,
400, 500, 600, 700, 800 y 890 grados Celsius,
manteniéndolo durante 40 minutos para garantizar el
calentamiento del material completo y posterior
enfriamiento al ambiente.

Tratamiento B: calentamiento de probetas a 890 grados
Celsius, manteniéndolo durante 40 minutos para
garantizar el calentamiento del material completo y
posterior enfriamiento en diferentes medios (agua,
aceite, aire calmado y enfriamiento lento en la mufla)

Estos tratamientos se realizaron con el fin de:
tratamiento A, estudiar la dependencia de la dureza a
diferentes temperaturas de recocido; Tratamiento B,
con el fin de estudiar el efeto que tienen diferentes
medios de enfriamiento en probetas sometidas a
temperaturas de austenización completa.

2.2. Medidas de dureza.
Para identificar la variación de la dureza en función de la
temperatura y medios de enfriamiento se realizó
medidas de durezas a través de un durómetro marca
Gnehm Horgen, estas medidas se realizan en escala
Rockwell B (HRB) De acuerdo con la norma ASTM-E-18.
En el ensayo se utilizó un identador cónico con punta de
diamante, con una precarga de 10 kg y una carga de 150
kg. Se realiza tomas de medidas por triplicado.

2.3. Ensayo metalográfico.
Se realiza un análisis metalográfico empleando un
microscopio metalográfico Nicon Eclipse MA100N, con
su programa de análisis NIS – Elements Analisys D, para
la obtención de tamaños de grano y análisis de fases.
Las muestras analizadas se llevaron a acabado espejo y
posterior ataque químico con nital (5% de ácido nítrico
y 95% de alcohol), de acuerdo con la norma ASTM E-45.

2.4. Medidas de composición.
Las medidas de composición elemental se realizan a
través de un espectrómetro de masas GNR Minilab 300,
Se realiza tomas de medidas por triplicado.

3. Resultados y análisis.
En las figuras 1 se presentan micrografías de la muestra
patrón, con ayuda del software del microscopio
metalográfico. En estas micrografías se identifican fases
de ferrita en un 41.2 % con un tamaño de grano grado 13
y perlita en un porcentaje de 58.8 % en un tamaño de
grado 11.5, con medias de 3,61 µm y 6,26 µm de
diámetro de grano respectivamente. [6]

3. A.

B.
Figura 1. Micrografías de la probeta patrón. A. 200X, B.
1000X.
3.1. Probetas tratadas a diferentes temperaturas.
En la figura 2, se presenta la dureza en función de la
temperatura de tratamiento, los resultados del
tratamiento permiten establecer que no hay variaciones
significativas con respecto a los valores de dureza de la
muestra patrón para calentamientos menores a 600 C.
Esta tendencia cambia drásticamente a partir de los 700
C hasta los 890 C con comportamiento descendente de
dureza de 75 HRB hasta 53 HRB. Este comportamiento se
aproxima a la tendencia presentada en la ecuación 1, con
un R
2
de 0.9831.
??????=−1??????10
−7
??????
3
+0.0001??????
2
−0.032??????+75.456 EC1.
Donde, D es la dureza en HRB y T la temperatura en C.

Figura 2. Medidas de dureza en función de la
temperatura de calentamiento.
Este comportamiento se puede entender analizando la
variación en el porcentaje de carbón de las muestras
tratadas. La tendencia matemática es coincidente entre
la disminución de dureza y disminución del porcentaje de
carbón (ver figura 3), esta disminución debida a la
descarburación que se presenta a partir de los 600 C. []

Figura 3. Porcentaje de carbón en función de las
temperaturas de tratamiento.
A partir de los valores de la tabla 2, se puede establecer
que a mayor temperatura el porcentaje de perlita
incrementa en relación con el porcentaje de ferrita, lo
que genera un incremento en la dureza del material [],
teniendo en cuenta, las micrografías presentadas en las
figuras 4 y la figura 1B (perlita fina), en las que se observa
perlita fina a los 600 C y formación de perlita gruesa a
medida que se incrementa la temperatura. Esta
formación de perlita gruesa en función del incremento
de la temperatura justifica, la disminución de la dureza.
También los valores de la tabla 2 permiten establecer
que hay una relación entre el incremento del tamaño de
grano de la perlita con la disminución en la dureza.
40
50
60
70
80
0 200 400 600 800 1000
Dureza (HRB)
Temperatura de calentamiento (C)
Dureza Vs temperatura de calentamiento.
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 200 400 600 800 1000
% de carbón
Temperatura de tratamiento (C)
% de carbón Vs temperatura de tratamiento.

4. Diámetro
promedio de
grano (µm)
Porcentaje
Muestra Ferrita Perlita Ferrita Perlita
Patrón 3,61 6,26 41,2 58,8
600 C 3,46 7,7 35,32 64,68
890 C 2,82 10,52 24,23 75,77
Tabla 2. Tamaño de grano y porcentaje de fases.

A.

B.
Figura 4. Micrografías a 1000X, A. 600 C, B. 890 C.

3.2. Probetas tratadas a 890 C y diferentes medios de
enfriamiento.
En la figura 5, se presenta la dureza de probetas tratadas
a 890 C (temperatura de austenización completa) en
función del medio de enfriamiento (como aparece en la
figura). En esta grafica se observa que la dureza cambia
significativamente cuando cambian los medios de
enfriamiento, obteniendo un valor menor para
enfriamiento en la mufla de 48 HRB y un valor elevado en
la dureza de 85 HRB cuando el enfriamiento es en agua a
16 C.

Figura 5. Medidas de dureza en función del medio de
enfriamiento a probetas calentadas a 890 C.

En este caso al observar las figuras 5 y 6, se identifica la
misma tendencia y dependencia de la dureza con
respecto al porcentaje de carbón en diferentes medios
de enfriamiento, corroborando que a mayor porcentaje
de carbón en el acero mayor dureza.

Figura 6. Porcentaje de carbón en función de los medios
de enfriamiento.
En la tabla 3, se observa que cuando la velocidad de
enfriamiento del medio crece, el tamaño de grano
aumenta y el porcentaje de fase perlita (más dura que la Patron Mufla Aire Aceite Agua
40
50
60
70
80
90
Dureza (HRB)
Medio de enfriamiento
Calentamiento a 890 C Patron Mufla Aire Aceite Agua
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
% de carbón
Medio de enfriamiento
Porcentaje de carbón en funcion del medio de enfriamiento

5. A B

C D
Figura 7. Micrografías tratadas a 890 C y diferentes medios de enfriamientos. A. En mufla, B. Aire, C. Aceite, D. Agua.
perlita) incrementan con respecto a la muestra patrón, lo
que implica en un efecto de disminución en los valores
de dureza con respecto a la muestra patrón para las
muestras con enfriamiento en mufla, aire y aceite, como
se observa en la figura 5.
Diámetro
promedio de
grano (µm)
Porcentaje
Muestra Ferrita Perlita Ferrita Perlita
Patrón 3,61 6,26 41,2 58,8
Mufla 4,93 12,22 31,57 68,43
Aire 2,82 10,52 24,23 75,77
Aceite 3,34 18,05 13,35 86,65
Agua 7,01 14,09 12,61 87,39
Tabla 3. Diámetro promedio de grano y porcentaje de
fases, en muestras con diferentes medios de
enfriamiento.
Los resultados de dureza indican que la muestra enfriada
en agua tiene mayor valor de dureza (Figura 7D) que la
muestra patrón (Figura 1B) estos resultados se pueden
explicar a partir de la formación de perlita fina. Como las
muestras con enfriamiento en mufla, aire y aceite
presentan disminución en la dureza con respecto a la
muestra patrón, esto debido a la formación de perlita
gruesa (figuras 7A, 7B y 7C)

4. Conclusiones
Al tratar térmicamente con temperaturas de 200 a 890 C,
se obtuvo variación en la dureza desde 52 HRB, hasta 75
HRB, cambios de tamaño de grano en la fase de perlita
desde 6.26 hasta 10.52 µm y una variación del
porcentaje de carbón entre 0.0788 y 0.0299, los que
tiene influencia en los resultados de dureza.
Al tratar térmicamente probetas a temperatura de
austenización completa de 890 C y diferentes medios de
enfriamientos, se obtuvo variación en la dureza desde 48
HRB hasta 83 HRB, cambios de tamaño de grano en la
fase de perlita desde 6,26 hasta 18.05 µm y una variación
del porcentaje de carbón entre 0.0351 y 0.0788, los que
tiene influencia en los resultados de dureza

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