LABORATORIO Nº5

I. TITULO:

ENSAYO JOMINY (MÉTODO DE PRUEBA POR

EXTREMO TEMPLADO)

II. OBJETIVOS:

2.1. Determinar la templabilidad o capacidad de temple mediante la obtención

de la profundidad y distribución de la dureza en el interior de una pieza,

(para un acero de construcción SAE 4140).

2.2. Evaluar las curvas de templabilidad o curvas Jominy de los aceros.

2.3. Determinar el diámetro critico (Dc) y el diámetro critico ideal (Di).

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser

endurecido por transformación a martensita. Es una propiedad que determina la

profundidad por debajo de la superficie templada a la cual el acero se endurece o la

severidad del temple requerido para lograr una cierta penetración de la dureza. Los

aceros con buena templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de

la superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento. La templabilidad no

se refiere a la máxima dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del

contenido de carbono.

La templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleación. Los elementos

aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno y el

níquel en menor grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos

aleantes es el aumento del tiempo antes de que ocurra la transformación de

austenita a perlita en el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve hacia la

derecha, permitiendo así velocidades de enfriamiento más lentas durante el

apagado. Por tanto la trayectoria del enfriamiento es capaz de seguir más

fácilmente una ruta más lenta hacia la línea Ms, evitando el obstáculo impuesto por

la nariz de la curva TTT.

El método más común para medir la templabilidad es el ensayo de Jominy del

extremo templado. El ensayo involucra el calentamiento de un espécimen normal de

diámetro = 1.0 pulg (25.4 mm) y longitud = 4.0 pulg (102 mm) hasta la escala de la

austenita y después el templado de uno de sus extremos con agua fría mientras se

sostiene verticalmente, como se muestra en la figura 1. La velocidad de

enfriamiento en el espécimen de prueba disminuye con el incremento de la

distancia desde el extremo que se templa. Luego una vez fria la pieza se hacen

superficie planas paralelas y se toman medidas de dureza cada 1/16". La dureza se

encuentra en el extremo templado donde se forma martensita y a medida que se

aleja el extremo se forman productos de transformación más blandos.

La templabilidad es indicada por la dureza del espécimen como una función de la

distancia desde el extremo templado como se muestra en la figura 1.

Fig. 1: Prueba de punta templada

Sobre la templabilidad ejercen su influencia la velocidad de enfriamiento, la

homogeneidad de la estructura, la temperatura del temple, el tamaño de grano

austenitico asi como la estructura inicial. Con el aumento de la velocidad de

enfriamiento la templabilidad se incrementa, si se tiene una

estructura no homogénea por ejemplo en presencia de carburos no disueltos por

completo y de inclusiones metálicos que intervienen como centros y de inclusiones

metálicas que intervienen como centros de cristalización, la templabilidad

disminuye; la elevación de la temperatura del calentamiento da lugar al crecimiento

del grano, a la obtención de una estructura más homogénea y al aumento de la

temperatura.

La dureza de un sitio en la barra Jominy es equivalente la dureza que se podría

obtener en un punto de una pieza templada en agua o aceite con la misma rata de

enfriamiento.

3.1.USOS DE LAS CURVAS DE TEMPLABILIDAD:

Las curvas de endurecimiento obtenido por el ensayo jominy son de gran valor

practico debido a:

a. Si se conoce la velocidad de enfriamiento de un acero en cualquier tipo de

templado, la dureza puede leerse directamente de la curva de templabilidad

para ese acero.

b. Si se puede medir la dureza en cualquier punto, la velocidad de enfriamiento

puede obtenerse de la curva de enfriamiento para este acero.

La Fig. 2 nos muestra las curvas de endurecimiento para 5 aceros, los aceros fueron

templados por la punta como se indica en la Fig. 1.

Fig. 2: Curvas de endurecimiento para 5 aceros.

3.2. DIÁMETRO CRITICO IDEAL(Di):

La profundidad a la que se obtiene la martensita en una barra es una función de

cierto número de variables. La barra con diámetro pequeño se endurecen por

todas partes y las que tiene diámetros más grandes se obtendrán un núcleo más

blando conteniendo perlita.

El diámetro critico es donde se a formar en su centro 50% de martensita y 50%

de perlita. Su valor depende del acero en cuestión y del medio de temple y su

importancia descansa en el hecho de que da la medida de la habilidad del acero

o responder al tratamiento térmico del temple.

El diámetro critico es una medida de la templabilidad pero depende también de

la velocidad de enfrentamiento.

Con el propósito de eliminar esta última variable es práctica general hacer

referencia de todas las mediciones de templabilidad a un medio de

enfrentamiento hipotético supuesto para llevar la superficie de una pieza

instantáneamente a la temperatura del baño simple y mantenerla a esta

temperatura. El diámetro correspondiente a esta temple ideal es llamado

diámetro critico ideal.

Para poder determinar el diámetro critico ideal partiendo de que conocemos la

curva jominy de un acero determinado, podemos calcular de ella su

templabilidad expresadas en cifras jominy o en diámetro ideal.

Para ello nos bastara conocer la dureza que corresponde al estructura deseada

para el acero en cuestión.

La Fig. 3 nos expresa para cada porcentaje de martensita deseada la dureza que

según el porcentaje de carbono debe alcanzar el acero.

Fig. 3

Fig. 4: nos expresa la curva de equivalencia entre diámetros críticos ideales y

distancia jominy.

Fig. 4

3.3. Severidad de Temple (H)

En el temple ideal se supone un medio de temple ideal que remueve el calor

hacia la superficie tan rápidamente como fluye este del interior de la barra.

Dicho medio no existe pero su acción refrigerante puede ser calculada y

comprobada con la de los medios de temple ordinarios. Los valores de severidad

de temple para los diversos tipos de medio de temple, y la gráfica entre Dc y Di

con H, se muestra acontinuación.

Tabla: Valores de la severidad de temple H.

Agitación del Salmuera Agua Aceite Sales Aire

medio

Ninguna 2 0.9-1.0 0.25-0.30 0.25-0.30 0.02

Media 2-2.2 1.0-1.1 0.30-0.35 0.30-0.35

Moderada 1.2-1.3 0.35-0.40 0.35-0.40

Acentuada 1.4-1.5 0.40-0.50 0.40-0.50

Fuerte 1.6-2 0.50-0.80 0.50-0.80

Violenta 4 0.8-1.1

1.

 

3.4. Influencia del Contenido de Carbono

El aumento en el contenido de carbono esta asociado con un aumento en la

templabilidad, la formación de la perlita y constituyentes proeutectoides se

vuelve más difícil entre más alto sea el contenido de carbono en el acero.

El tamaño de grano austenitico tiene gran influencia en la templabilidad de los

aceros. La perlita se nuclea en los limites de grano de la austencia; la formación

de perlita en el acero de grano mas grueso y en consecuencia el acero de grano

mas fino tiene mas baja templabilidad. El uso de un tamaño de grano auténtico

grueso para aumentar la templabilidad esta acompañado por cambios

indeseables en otras propiedades tales como un aumento en la fragilidad y

pérdida de ductibilidad. A continuación se muestra una gráfica del Di en función

del %C y el tamaño de grano austenitico.

3.5. Los Elementos Aleantes en la Templabilidad:

Los elementos aleantes aumentan la templabilidad de los aceros; el grado

depende del elemento en cuestión; el único elemento gue hace bajar la

templabilidad es el cobalto porque este aumenta la velocidad de nucleación

como la del desarrollo de la perlita. Los aceros gue contienen cualguier

cantidad de elementos añadidos son difíciles de soldar con éxito.

Con la ayuda de los factores multiplicadores para cada elemento de aleación, el

%C y el tamaño de grano austénico se puede determinar el diámetro ideal para

el tipo de acero en mención.

IV. EQUIPOS A USAR:

Equipos para el ensayo Jominy.

Probeta Jominy de un acero.

Horno eléctrico de cámara.

Durómetro.

Elementos para el desbaste, pulido y ataque.

Microscopio metalografico.

V. PROCEDIMIENTO:

Se precalienta el horno hasta una temperatura de 900°C, luego se coloca la probeta

Jominy 4140 en el horno y se mantiene durante una hora y media a la temperatura

de 900°C, se habre la llave de agua del dispositivo Jominy, previamente se ajuste la

columna de agua libre a una altura de 2,5”.

Luego se remueve la probeta del horno y se coloca en el dispositivo jominy en un

tiempo no mayor a 5 segundos tal como se muestra en la Figura.

Luego se abre la llave del agua para que se enfrié la parte baja de la probeta sin

que el agua moje los lados de la probeta, y se deja correr el agua durante 10

minutos.

Se saca la probeta Jominy 4140 del dispositivo y luego se maquina dos superficies

planas paralelas de 0.4 mm. de profundidad para luego medir la dureza en la

superficie maquinada.

Estas medidas de dureza se realizaron cada 1/16”, luego con estos datos se

procedió a hacer el grafico de la curva de templabilidad.

VI. CIRCUITO EXPERIMENTAL:

PROBETAS DEL ENSAYO JOMINY EN EL HORNO

SE SACA LAS PROBETAS DE JOMINY DEL HORNO

EQUIPO A USAR PARA EL ENSAYO

MOMENTO EN QUE LA PROBETA SE

COLOCA EN EL SOPORTE PARA EL

TEMPLE

EMPIEZA A REALIZARSE EL

TEMPLE EN LA PARTE INFERIOR

DESPUES DE UNOS SEGUNDOS DE

TEMPLE

CASI A LA MITAD DEL TIEMPO

REQUERIDO

AL FINALIZAR EN ENAYO JOMINY

MEDIMOS LA DUREZA DE LA PROBETA

VII. RESULTADOS:

TABLA: Tabla de Resultados de dureza (Rc), de la Práctica de Jominy a partir

del extremo templado de la probeta.

Distancia al extremo templado (1/16”)

Dureza en Rc.

1 65.42 653 53.74 50.75 49.2

6 46.5

7 45

8 44.4

9 44.1

10 44.7

11 45.9

12 44.8

13 44.25

14 44

15 43.2

16 42

17 41.7

18 41.4

19 41.1

20 40.8

VIII. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS Y RECOMENDACIONES:

8.1. DISCUSIONES:

La máxima dureza que se consigue en el temple de los aceros es función del

contenido del carbono y es la que se obtiene precisamente en el extremo de

la probeta enfriado por el agua. La dureza obtenida en el otro extremo

corresponde aproximadamente al estado normalizado.

La presencia de los elementos aleantes en los aceros, permite obtener

después del temple durezas elevadas empleando bajas velocidades de

enfriamiento

El ensayo Jominy es el método más ampliamente utilizado para determinar la

templabilidad de cualquier acero.

El ensayo de templabilidad (Jominy) de cualquier acero debe llevarse a cabo

en una probeta de 1 pulgada de diámetro por 4 pulgadas de largo para

obtener resultados con mayor exactitud.

El diámetro del orificio en el cual encaja la probeta calentada a la

temperatura de austenización debe ser un poco mas grande ya que la alta

temperatura dilata la probeta muestra.

8.2. RECOMENDACIONES:

Una de las recomendaciones que se debe tomar en cuenta en el ensayo

Jominy es en que al momento de sacar la probeta del horno hay que tener

bien instalado el equipo, caso contrario la probeta se enfriará rápidamente al

aire y no se podrán obtener las durezas esperadas y el gráfico tendría una

leve variación.

El tiempo necesario para la colocación de la probeta austenizada al equipo

para el ensayo Jominy debe ser de aproximadamente de 10 segundos para

obtener los resultados esperados.

IX . CUESTIONARIO:

1.- Trazar las curvas de Jominy.

Comparando esta curva con las curva de diversos aceros en satos bibliogràficos se

puede observar que nuestro acero es un AISI 4140.

2. Determinar la curva Jominy de un acero Cr-Ni-Mo de la siguiente

composición: 0.40% C, 0.8% Mn, 0.25% Si, 0.50% Ni, 0.50% Cr, 0,25% Mo,

su tamaño de grano es 7.

Solución:

La siguiente tabla, determina en función de la composición y del tamaño de grano

de cada acero, su Di y la dureza que se alcanza en la probeta Jominy a 1/16" de la

base.

La determinación del diámetro critico se hace usando las tablas de los factores

multiplicadores, los cuales nos dan los siguientes datos:

% de elementos

aleantes

Factores

multiplicadores (fi)

Mn = 0.8 f1 = 3.667

Si = 0.25 f2 = 1.175

Ni = 0.5 f3 = 1.182

Cr = 0.5 f4 = 2.080

Mo = 0.25 f5 = 1.750

% de Carbono Factores

multiplicadores (f)

0.4 (ASTM 7) 0.2130

Multiplicando todos estos factores encontramos el Di:

Di = f x f1 x f2 x f3 x f4 x f5

Di = 0.2130 x 3.667 x 1.175 x 1.182 x 2.080 x 1.750

Di = 3.95"

Para reconocer los valores de dureza en cada uno de lo puntos de la probeta Jominy,

se emplea la tabla de la relación del contenido de carbono y la dureza máxima en la

que hallamos, que la dureza que se obtiene a 1/16" de la base de la probeta

templada con un contenido de 0.40%C, es de 56 RC.

Luego, usando la tabla de relación entre el diámetro critico ideal y los factores de

distancia, y buscando de la primera columna el Di= 3.95”, hallaremos por

interpolación entre 3.90 y 4.00 los factores que se indican a continuación y luego

dividiendo la dureza inicial que se obtiene en la base, 56 Rc el factor

correspondiente a cada punto.

Distancia a la base

templada (pulg.)

Factores Durezas (Rc.)

1/16 1.022 54.8

1/4 1.202 46.6

1/2 1.397 40.1

3/4 1.59 35.2

1 1.73 32.4

1 1/4 1.82 30.8

1 3/4 1.895 29.6

2 1.94 28.0

Con estos valores de dureza se construye la curva Jominy:

3. Determinar el Di y el Dc en función de la composición del acero y del

tamaño de grano austenitico hallado. Considerar la severidad de temple

para el agua con agitación H = 1.5.

% de elementos

aleantes

Factores

multiplicadores (fi)

Mn = 0.8 f1 = 3.667

Si = 0.25 f2 = 1.175

Ni = 0.5 f3 = 1.182

Cr = 0.5 f4 = 2.080

Mo = 0.25 f5 = 1.750

% de Carbono Factores

multiplicadores (f)

0.4 (ASTM 7) 0.2130

Multiplicando todos estos factores encontramos el Di:

Di = f x f1 x f2 x f3 x f4 x f5

Di = 0.2130 x 3.667 x 1.175 x 1.182 x 2.080 x 1.750

Di = 3.95"

con el valor de H = 1.5

De la gráfica:

Donde del grafico se obtiene:

D = 3.1"

4. Comparar y comentar las velocidades de enfriamiento (dureza) en un

diagrama TTT para el acero en mención.

Solucion:

Para este acero 4140 (del paso anterior) hemos supuesto unas curvas de

enfriamiento:

Hipotéticamente para la curva 1 con una velocidad de enfriamiento de 815°C en 1

seg.(815°C/seg) obtendremos una dureza de 56 Rc. Para la curva 2 con una

velocidad, de 815°C en 1.25 seg.(652°C/Seg.) se obtendrá 54.5 Rc. Para la curva 3

con un tiempo de 1.5 seg. Se tendrá una velocidad de enfriamiento (543.3°C/seg)

IX. BIBLIOGRAFÍA:

ASDRÚBAL, Valencia. Tecnología del Tratamiento Térmico. Ed. Universal.

Colombia 2da edición. 1992

SYDNEY Avner. Introducción a la Metalúrgica Física.

FLINN Y TROJAN. Fundamentos de Metalúrgica Física.