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PROYECTO DE INVESTIGACIÓN FIN DE CARRERA E.U.I.T.I.Z. DEPARTAMENTO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES NOMBRE DE ALUMNO MARÍA BRAVO LÁZARO ESPECIALIDAD MECÁNICA, ENERGIAS Y FLUIDOS DIRECTOR DE PROYECTO MARÍA ANTONIETA MADRE SEDILES CONVOCATORIA MARZO 2011 Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 2 - 0 PRESENTACIÓN Y OBJETO DEL ESTUDIO 5 1 INTRODUCCIÓN AL BRONCE 7 1.1 H ISTORIA 8 1.2 B RONCE EN LA ACTUALIDAD 9 2 PROPIEDADES DEL BRONCE 10 2.1 F ASES DEL BRONCE 10 2.2 P ROPIEDADES MECÁNICAS 13 2.3 P ÁTINA 14 2.4 C OMPARACIÓN ENTRE BRONCES Y ACEROS 15 3 TÉCNICA DE FUNDICIÓN 16 3.1 O BTENCIÓN DEL BRONCE 17 3.1.1 C OBRE 17 3.1.2 E STAÑO 17 3.1.3 B RONCE 18 4 TIPOS DE BRONCES 19 5 DEFORMACIÓN PLÁSTICA Y MECANISMOS DE AUMENTO DE LA RESISTENCIA 22 6 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS BRONCES 25 6.1 T EMPLES 25 6.2 R ECOCIDO 28 6.2.1 R ECOCIDO CONTRA ACRITUD 29 6.2.2 R ECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÓN 30 6.2.3 R ECOCIDO DE ESTABILIZACIÓN 30 6.3 R EVENIDOS 30 Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 3 - 7 ENSAYOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS Y DE CONSTITUCIÓN 32 7.1 M UESTRAS 32 7.2 ENSAYO ESTÁTICO DESTRUCTIVO DE PROPIEDADES MECÁNICAS: E NSAYO DE DUREZA 33 7.2.1 M ÉTODO V ICKERS 35 7.3 ENSAYO DE CARACTERÍSTICAS DE CONSTITUCIÓN: E NSAYO M ETALOGRÁFICO 39 7.3.1 T ÉCNICA OPERATIVA 40 8 PARÁMETROS DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS UTILIZADOS 46 8.1 T EMPLES 47 8.2 R ECOCIDOS 48 8.3 R EVENIDOS 50 9 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LOS ENSAYOS 52 9.1 R ESULTADOS DEL ENSAYO DE M ICRODUREZA V ICKERS 52 9.1.1 M UESTRA DE SUMINISTRO 52 9.1.2 T EMPLE 1 53 9.1.3 T EMPLE 2 53 9.1.4 T EMPLE 3 53 9.1.5 R EVENIDO 1 53 9.1.6 R EVENIDO 2 54 9.1.7 R EVENIDO 3 54 9.1.8 R EVENIDO 4 54 9.1.9 R ECOCIDO DE ESTABILIZACIÓN 54 9.1.10 R ECOCIDO CONTRA ACRITUD 55 9.1.11 R ECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÓN 55 9.1.12 C OMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES RESULTADOS 55 9.2 M ICROGRAFÍAS OBTENIDAS DEL ENSAYO METALOGRÁFICO 58 9.2.1 M UESTRA DE SUMINISTRO 59 9.2.2 T EMPLE 1 61 9.2.3 T EMPLE 2 62 Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 4 - 9.2.4 T EMPLE 3 64 9.2.5 R EVENIDO 1 65 9.2.6 R EVENIDO 2 66 9.2.7 R EVENIDO 3 68 9.2.8 R EVENIDO 4 69 9.2.9 R ECOCIDO DE ESTABILIZACIÓN 70 9.2.10 R ECOCIDO CONTRA ACRITUD 72 9.2.11 R ECOCIDO DE HOMOGENEIZACIÓN 74 10 CONCLUSIONES 76 11 BIBLIOGRAFÍA Y DOCUMENTACIÓN 77 Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 5 - 0 Presentación y objeto del estudio Este trabajo está enfocado a la investigación de las transformaciones que suceden en el bronce sometido a diferentes tratamientos térmicos cuyo fin es mejorar sus propiedades mecánicas. Estos tratamientos térmicos son conocidos como temple, recocido y revenido. Las mejoras, o modificaciones de las propiedades, además de ser medidas en los ensayos propios de las características, quedan reflejadas en la estructura metalográfica, y es aquí donde se encuentra la explicación a este aumento, o disminución, de las propiedades mecánicas. Todos los tratamientos empleados consisten en un calentamiento a temperatura variable, un tiempo de mantenimiento a dicha temperatura y un adecuado enfriamiento. En el temple la temperatura debe ser suficientemente elevada seguida de un enfriamiento suficientemente rápido. El calentamiento tiene por objeto modificar la estructura, para conseguir modificar el tamaño del grano y con ello la dureza del material. El recocido es un tratamiento térmico que depende de los resultados que deseemos obtener, debemos de utilizar diferentes temperaturas de calentamiento, diferentes tiempos de mantenimiento y diferentes modos de enfriamiento. El revenido se da a los materiales que han sido sometidos a un temple y tiene dos funciones principales: eliminar las tensiones, y aumentar la tenacidad. El objeto de este estudio es valorar las condiciones más adecuadas de los tratamientos térmicos de entre las consideradas, mediante comparación de resultados de los ensayos realizados, para una muestra de bronce. Para su valoración, se han realizado tres temples todos ellos a 750ºC pero con 2, 1 y ½ hora de mantenimiento; cuatro revenidos después del temple 1 (el de 2 horas), todos ellos 1 hora de mantenimiento pero a 200, 300, 400 y 500 ºC de temperatura cada uno; y por último, tres recocidos, uno de ellos, el de estabilización a 200ºC, 1 hora de mantenimiento y un enfriamiento al aire; otro un recocido contra acritud, 600ºC, 3 horas y al Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 6 - aire; y por último un recocido de homogeneización 750ºC, 1 hora y enfriamiento al horno. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 7 - 1 Introducción al bronce El bronce es una aleación de cobre y estaño en la que pueden existir ciertas impurezas de hierro, níquel, antimonio, etc., según el mineral del que procedan los metales, y a la que se puede agregar en pequeña cantidad ciertos elementos como el cinc, plomo, berilio, fósforo etc., con el fin de modificar determinadas características como su dureza, acritud y resistencia a la corrosión. La denominación bronce ha ocasionado una ambigüedad, pues aunque en un principio se llamó así a la aleación cobre-estaño, paulatinamente, a medida que se encontraron nuevas aleaciones con mejora de propiedades, añadiendo nuevos elementos a los bronces originales, se llegó a denominar al bronce por el elemento añadido, dándose el caso paradójico de denominaciones como “bronce al aluminio” o ‘bronce al berilio” a aleaciones que deberían denominarse “cuproaluminios” o “cupro-berilios”, que no tenían estaño. Es posible que el origen de tal confusión se remonte a 1938, cuando The Metal Industry (Industria del Metal de Londres) y la ASTM (Sociedad Americana de Ensayo de Materiales) propusieron una clasificación del bronce con la intención de diferenciarlo del latón. Así, adoptaron el término bronce todas las aleaciones de base cobre que tuvieran menos del 98% de este metal y que además, tuvieran elementos aleados distintos del zinc, que sólo podían estar en cantidades tales que no influyeran notablemente en las propiedades de la aleación. Latón sería el término aplicado a todas las aleaciones de cobre y zinc que tuvieran menos del 98% de cobre. Otros elementos podrían estar en cantidades tan pequeñas que su efecto sobre las propiedades de la aleación estuviese subordinado al del zinc. Tanto el latón como el bronce se clasificaron según su composición. La Tabla 1 resume algunos ejemplos. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 8 - Aleación Designación Composición (%) Cu Sn Zn Pb Fe Al Ni Be Co Si Mn Latón amarillo 65-34-1 65 34 1 Latón amarillo al plomo 63-34-2 63 35 2 Latón hidráulico 83-4-7-6 83 4 7 6 Bronce al aluminio 88-9-3 88 3 9 Bronce al aluminio 84-4-10-2 84 4 10 2 Bronce al berilio 97,3-2-0,4-0,3 97,3 2 0,4 0,3 Bronce al manganeso 64-24-5,5-3-3,5 64 24 3 5,5 4 Tabla 1. Ejemplo de designaciones antiguas de aleaciones de cobre 1.1 Historia Hasta el 2,000 ó 2,500 A.C., el cobre había sido el metal usado para toda clase de artefactos. Sin embargo el descubrimiento de que el estaño mezclado con cobre producía una aleación más dura y más fácil de trabajar y fundir, facilitó la fabricación de instrumentos y armas mucho más eficientes. En realidad se ignora el momento y lugar exacto del descubrimiento de la aleación: cobreestaño, aunque se supone que fue en la región que proveía los metales en el mediano oriente, Siria, Turquía Oriental. En cuanto a la época también se supone que fue entre el 2,000 y el 1,500 A. C. El uso del bronce, que así se llamó a la aleación del cobre-estaño, demoró en propagarse. En Egipto, por ejemplo se usó muy poco el bronce hasta el 1,500 A. C. alrededor de esa época también aparece el bronce en la China, aún cuando en esa región del mundo no se había utilizado con anterioridad el cobre. El bronce por su durabilidad, y por la facilidad con que se funde en moldes, ha sido empleado y sigue siendo empleado para la construcción de infinidad de objetos, con preferencia los de índole ornamental, tales como lámparas, molduras, herrajes, etc. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 9 - El bronce fue la primera aleación de importancia obtenida por el hombre y da su nombre al período prehistórico conocido como Edad de bronce. Durante milenios fue la aleación básica para la fabricación de armas y utensilios, y orfebres de todas las épocas lo han utilizado en joyería, medallas y escultura. Las monedas acuñadas con aleaciones de bronce tuvieron un protagonismo relevante en el comercio y la economía mundial. El término bronce deriva probablemente del persa "berenj", (latón). Otras versiones lo relacionan con el latín "aes brundisium" (mineral de Brindisi) por el antiguo puerto de Brindisium. Se cree que la aleación puede haber sido enviada por mar a este puerto, y desde allí distribuida a todo el Imperio romano. 1.2 Bronce en la actualidad Cabe destacar entre sus aplicaciones actuales su uso en partes mecánicas resistentes al roce donde se requiere elevada resistencia a la corrosión y buena resistencia a la tracción, empleo como cojinetes, forros metálicos y engranajes. Además en instrumentos musicales de buena calidad como campanas, gongs, platillos de acompañamiento, saxofones, y en la fabricación de cuerdas de pianos, arpas y guitarras. También se suele utilizar con fines decorativos y ornamentales, platos, esculturas… En la construcción se emplea en grifos, tubos y uniones porque es adecuado para trabajar con agua fría o caliente aunque algo ácida o salada, y vapor saturado o recalentado. La aplicación depende mucho del tipo de bronce, se explica en el capitulo 4 Tipos de bronces la aplicación concreta de cada uno de ellos dependiendo del porcentaje de estaño que contenga la aleación. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 16 - 3 TÉCNICA DE FUNDICIÓN El método más utilizado para la fundición artística del bronce es el de la "cera perdida" o microfusión, que (con diversas variantes) sigue básicamente los pasos siguientes: 1. Modelado original en barro, escayola u otro material. 2. Toma del molde principal, generalmente en escayola. Una vez fraguado, se retira el núcleo (modelo original) 3. El molde "negativo" se llena con cera para producir un "positivo" de este material. 4. Se recubre la cera con una mezcla de arcilla. Una vez seca, se lleva a horno, donde la cera se funde y se "pierde". 5. En el caso de objetos pequeños, el nuevo molde sirve directamente para el colado del bronce. Para piezas mayores, es habitual llenarlo con una capa de cera que formará una película del espesor deseado para el bronce, y el interior (macho) se rellena con material refractario. Todo el proceso requiere la colocación de aireadores, canales de colado y diversos cuidados para obtener una colada homogénea. 6. Acabado que incluye limado de imperfecciones, asperezas y pulido de la pieza. 7. Pátina, mediante la aplicación de distintos ácidos y calentamiento a soplete para agilizar la oxidación. Fig. 3.1. Técnica de fundición del bronce Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 17 - 3.1 Obtención del bronce 3.1.1 Cobre Se encuentra nativo principalmente en EE. UU., Bolivia, Chile y Japón. Combinado se halla el Azurita (CO3Cu.Cu(OH)2), también la Cuprita (Cu2O) y la Clacopirita (S2FeCu) que es el principal mineral utilizado en la obtención del cobre. En la Rep. Dom. hay yacimiento de Calcopirita y Cuprita en la cordillera central y se cree que el cobre será el próximo mineral Dominicano a explotarse en pequeña y mediana escala. El método seguido en la industria para extracción del cobre son dos: vía seca y vía húmeda. El más importante es por la vía seca, que se basa en proceso de tostación y fusión del mineral. En la naturaleza, los minerales de cobre aparecen mezclados con diversos tipos de materiales rocosos desprovistos de valor, que constituyen la denominada ganga, de la que deben ser separados para su explotación. Por ello es necesario realizar un primer proceso de triturado y pulverizado, a partir del cual se concentra por diversos procedimientos, según sea el mineral de cobre que se esté tratando. En el caso más común, que es el de los sulfuros, suele aplicarse el tratamiento llamado de flotación. Consiste el proceso en verter la molienda sobre agua con resina de creosota y un agente químico orgánico. 3.1.2 Estaño El estaño se formó en el seno del magma granítico rico en sílice, llamado magma "ácido", que ascendía de las entrañas de la Tierra. Sin embargo, no en todos los magmas ácidos se descubre la presencia de estaño y, hasta la fecha, desconocemos las leyes que establecen el enlace mutuo entre este metal y el granito: no se sabe por qué el estaño abunda en unos yacimientos, mientras que en otros, al parecer de constitución idéntica, casi no existe. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 18 - Pocas veces se encuentra en estado nativo. Se obtiene principalmente de la casiterita (SnO 2 ), que contiene 79% de estaño. Se obtiene por medio de reducción con carbono. La operación se realiza en hornos. La principal impureza del estaño es el hierro. Para eliminar esta impureza se funde nuevamente a bajas temperatura. 3.1.3 Bronce Para obtener el bronce, se mezclan los lingotes de estaño con los lingotes de cobre en crisoles o en un horno de reverbero o de cubilote. Se calienta e elevadas temperaturas para fundir los dos materiales. Una vez conseguida la mezcla homogénea, se vierte en el molde (con forma de lingote) y se deja enfriar. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 19 - 4 Tipos de bronces La acción del Sn en los bronces es similar a la del Zn en los latones, pero proporciona mejor calidad a la aleación, aunque son más difíciles de trabajar y son más caras. De los bronces industriales los más destacados son: • Bronces α, con menos del 6 por ciento de Sn. Están formados solamente por fase α, con tendencia a formar la fase ε, que es la responsable del aumento de resistencia cuando se trabaja en frío. Los bronces de este tipo son blandos, dúctiles y maleables, fáciles de conformar en frío, llegando a tener resistencia a la tracción de 100 daN/mm 2 . Laminados en calientes y recocidos, presentan una resistencia entre 26 y 35 daN/mm 2 . Por su maleabilidad se les emplea para la fabricación de barras, alambres, chapas, monedas, ornamentos, etc. Suele tener una temperatura de fusión 1050ºC, una conductividad térmica aproximada de 70 kcal/(hmºC) y un peso específico entorno a 8,8 kg/m 3 . También se denomina bronce de laminación (3-10% de Sn) o bronce rojo (4-12% de Sn) • Bronces con 10 - 12 por ciento de Sn o bronces de cañón. Están constituidos por fase α y pequeñas proporciones de δ. Por su resistencia y dureza se emplean en la fabricación de engranajes, tornillos sin fin, casquillos y válvulas. Con un 10 por ciento se fabrican piezas decorativas que deben recibir un tratamiento de pulido y abrillantamiento para la fabricación de tubos. Tiene un peso específico aproximado de un 8,8 kg/m 3 ; una temperatura de fusión entorno a 1150ºC; una contracción lineal aproximada, con molde de arena, de un 1,4 por ciento; y una conductividad térmica entorno a 43,5 kcal/(hmºC). En algunos ámbitos se denomina bronce fosforoso (10-20% de Sn) porque suele contener un 1 por ciento de fósforo. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 20 - • Bronces con 12 - 18 por ciento, presentan fase α y gran proporción de fase δ, que proporciona gran dureza y resistencia. Son maleables en caliente y resisten bien el rozamiento. Se emplea para la fabricación de cojinetes, ruedas y piezas de fricción lenta. Con un 16 por ciento se pueden fabricar cojinetes que sean sometidos a cargas, válvulas y segmentos para cilindros. Con un 14 por ciento se usa para piezas que tengan que soportar grandes cargas y maquinaria de obras públicas. Y con un 12 por ciento se obtiene una aleación apta para soportar grandes presiones y todo tipo de líquidos. • Bronces con 20 – 22 por ciento, de Sn o bronce de campanas, contiene fase α y δ, son muy duros y poseen una elevada sonoridad, por lo que se usan para obtener campanas fundidas. También se conoce con el nombre de bronce gris, porque en su estructura de rotura se aprecian reflejos blancos, consecuencia de que el estaño no está bien mezclado con el cobre. En la fundición, cuanto más estaño tiene la pieza más fácil resulta su colabilidad y más baja su temperatura de fusión. Al igual que en los latones (Cu-Zn), se suele añadir hasta un 2% de Pb para mejorar su maquinabilidad (propiedad que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados). El plomo no se disuelve sino que se queda formando pequeñas partículas dispersas que reducen la fricción en las partes sujetas al desgaste por rozamiento, como en los cojinetes o donde las maquinas herramientas se desgastan, por ejemplo en la superficie de interacción. En ocasiones se añade algo de Zn para abaratar el bronce y mejorar su fluidez. Otros bronces utilizados comercialmente son los bronces de aluminio y los bronces de silicio, que se llaman bronces pero en realidad son aleaciones de Cu-Al (los bronces de aluminio) y de Cu-Si (los bronces de silicio), es decir se llaman bronces pero no están aleados con estaño. Una generación Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 21 - reciente de cobres de alta resistencia son los Cu-Be. Ellos poseen una amplia combinación de propiedades: Resistencia a la tensión, excelentes propiedades eléctricas, y a la corrosión y resistencia al desgaste cuando están apropiadamente lubricados. La desventaja es que son bastante costosos. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 22 - 5 Deformación plástica y mecanismos de aumento de la resistencia El endurecimiento por deformación plástica en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frío, debido a que la deformación se da a una temperatura "fría" relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal. El fenómeno consiste en aplicar un esfuerzo superior al límite elástico, entonces se produce una deformación que permanece aunque se elimine el esfuerzo. Si sobre este material, ya deformado, se vuelve a realizar otro ensayo de tracción la curva que se obtiene sería distinta: tendría un límite elástico más elevado (σ 1 ), mayor resistencia a la tracción y menor ductilidad. Si se aplica un esfuerzo σ 2 superior al anterior se vuelve a deformar plásticamente el material. Cada vez que se le aplica un esfuerzo superior al material se aumenta el límite elástico y la resistencia a tracción, a la vez que se disminuye la ductilidad. Si se continuara aplicando esfuerzos cada vez mayores se llegaría a un límite elástico y a una resistencia a la tracción iguales, y a una deformación mínima. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 23 - Fig. 5.1. Desarrollo del endurecimiento por deformación a partir del diagrama esfuerzo-deformación: a) a una probeta se le aplica un esfuerzo superior al del límite elástico antes de retirar el esfuerzo; b) ahora la muestra tiene un limite elástico mayor y una resistencia a la tracción mayor, mientras que disminuye la ductilidad; c) repitiendo el procedimiento, se continua incrementando el límite elástico y la resistencia a la tracción decreciendo la ductilidad hasta que la aleación se vuelve muy frágil. Fig. 5.2. Variación de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensión para el acero 1040, el bronce y el cobre. En los diagramas se muestra la variación de la resistencia a la fluencia y la resistencia a la tensión para el acero 1040, el bronce y el cobre. Note Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 24 - que la resistencia del material aumenta al aumentar el porcentaje de trabajo en frío, sin embargo la ductilidad del material disminuye. El fenómeno de endurecimiento por deformación se explica así: 1. El metal posee dislocaciones en su estructura cristalina. 2. Cuando se aplica una fuerza sobre el material, las dislocaciones se desplazan causando la deformación plástica. 3. Al moverse las dislocaciones, aumentan en número. 4. Al haber más dislocaciones en la estructura del metal, se estorban entre sí, volviendo más difícil su movimiento. 5. Al ser más difícil que las dislocaciones se muevan, se requiere de una fuerza mayor para mantenerlas en movimiento. Se dice entonces que el material se ha endurecido. Para que el endurecimiento del metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura del metal. La estructura cristalina del metal tiene un número normal de dislocaciones. La deformación plástica ha causado que haya más dislocaciones que ese número normal, por lo que la estructura cristalina tenderá a hacer desaparecer a las dislocaciones extra. Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusión atómica, las dislocaciones extra desaparecerán del material, haciendo que éste recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado, lo que se conoce como recocido contra acritud que más adelante se explicará en detalle. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor que 0.4 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 25 - 6 Tratamientos térmicos de los bronces En este apartado se va a tratar con especial interés sobre lo que ocupa este trabajo; tratamientos térmicos aplicables a los bronces. Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de las muestras, y consisten en calentar y mantener los materiales a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas posteriormente en las condiciones establecidas. Variando la forma de calentamiento y enfriamiento de las muestras se pueden obtener diferentes combinaciones de las propiedades mecánicas. Los factores a tener en cuenta en todo tratamiento térmico son: • Temperatura de calentamiento • Tiempo de permanencia a la temperatura de calentamiento • Velocidad de enfriamiento Hay que fijarlos siempre de forma previa, teniendo en cuenta: la composición del bronce, la forma y tamaño de la pieza y las características que se desean obtener. Los tratamientos térmicos más comunes son recocido, normalizado, temple y revenido. En estos casos se puede modificar la estructura pero no afecta a la composición química. 6.1 Temples El temple consiste en un calentamiento a una temperatura suficientemente elevada (pero sin llegar a una temperatura demasiado elevada que pudiera producir un engrosamiento de grano, disminuyendo las propiedades mecánicas) seguido de un enfriamiento suficientemente rápido. Los factores más importantes en el temple son los siguientes: Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 32 - 7 Ensayos de propiedades mecánicas y de constitución A continuación se va a hablar de una forma genérica y teórica de los dos ensayos que se han llevado a cabo en el laboratorio, ajustándonos al método concreto de cada uno que se ha empleado, para después describir las condiciones de ensayo propias de trabajo. Estos ensayos realizados con distintas probetas son de los siguientes tipos y en el siguiente orden de ejecución en el laboratorio: 1. ENSAYO ESTÁTICO DESTRUCTIVO DE PROPIEDADES MECÁNICAS: Ensayo de Dureza 2. ENSAYO DE CARACTERÍSTICAS DE CONSTITUCIÓN: Ensayo Metalográfico De cada uno de estos ensayos se va a comentar las etapas, si las hubiese, y el procedimiento general para realizarlos, siempre regidos por lo que dice la norma para cada ensayo en cuanto a métodos y limitaciones, adaptándola para el material de ensayo: la muestra de bronce. 7.1 Muestras Las muestras de este trabajo proceden de un casquillo de bronce de entre un 12-18 % de Sn. El casquillo de bronce en un principio se dividió en 8 muestras para realizar los diferentes tratamientos térmicos (recocidos, revenidos, y temple de 2 horas) y debido a los resultados obtenidos en el temple, se decidió dividir la pieza de suministro, una de las destinadas a los recocidos, y la del temple en dos. Y finalmente tenemos 11 muestras para los diferentes tratamientos. La sierra que se utiliza para dividir la muestra, dispone de una bomba que suministra taladrina sobre el filo del disco abrasivo para lubricar y refrigerar la zona de trabajo, y conseguir así una mayor duración de la herramienta y una mejor calidad en la superficie cortada. Además la Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 33 - taladrina ayuda a limpiar los residuos del corte. La siguiente figura muestra la sierra empleada: Fig.7.1. Sierra: Metkon; Metacut_M250 cut-off machine 7.2 ENSAYO ESTÁTICO DESTRUCTIVO DE PROPIEDADES MECÁNICAS: Ensayo de dureza El cálculo de la dureza se utiliza ampliamente para la inspección y control de los materiales. En la industria metalúrgica y, en concreto, en las del acero, el ensayo de dureza es uno de los más utilizados. Primeramente, hemos de definir dureza como propiedad mecánica para luego hablar del ensayo que la determina. No hay una única forma de definir la dureza, pero de forma general puede decirse que es la resistencia superficial que un material presenta para oponerse a una deformación por rayado o por penetración superficial. La dureza de un metal depende de la facilidad con que es deformado plásticamente. El elemento que realiza esta deformación es el llamado Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 34 - penetrador, y debe ser por lo tanto de un material más duro que el que se ensaya, como el diamante, carburo de wolframio o acero endurecido. Además va a estar tallado en forma de prisma piramidal, esfera o cono. Fig. 7.2.1. Durómetro Estas dos variables, material y forma del penetrador, y la carga que se utiliza, determinan el tipo de ensayo de dureza. El penetrador actúa bajo una carga conocida perpendicularmente a la superficie del metal a ensayar, dejando una huella en la misma tras ser retirado el penetrador. Mediante cálculos con dicha marca (profundidad o área) se llega a un valor experimental de dureza, teniendo en cuenta para ello la presión ejercida. La dureza se relaciona con la resistencia al desgaste. Un material que se utiliza para fragmentar o para moler mineral debe ser muy duro para asegurar que no se desgastará o sufrirá abrasión debido a los duros materiales que maneja. De una manera similar, los dientes de los engranes deben ser lo suficientemente duros para que no se desgasten. En general, los polímeros Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 35 - son excepcionalmente blandos, los metales son de dureza intermedia, y los materiales cerámicos, muy duros. La dureza va a determinar concretamente la cohesión de los átomos como propiedad mecánica del material; para valorarla como dureza, los métodos empleados mediante penetración superficial, básicamente son: Brinell, Rockwell, Vickers y Knoop. De éstos, el empleado en este estudio es el método Vickers, que a continuación se describe. 7.2.1 Método Vickers El método Vickers surge como consecuencia de la limitación que tiene el Brinell para materiales duros (si este método, el Brinell, se utilizase para materiales de elevada dureza se deformaría la bola del penetrador y las medidas no serían correctas). El método Vickers utiliza como penetrador una pirámide cuadrada de diamante, construida de manera que sus caras opuestas forman un ángulo de 136º, figura 7.2.3. Este ángulo se eligió para que la bola del Brinell quedase circunscrita en el borde de la huella. En el ensayo de metalografía se micrografió algunas de estas huellas (figura 7.2.2.). Fig. 7.2.2. Micrografías con huella del penetrador del ensayo Vickers Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 36 - Fig. 7.2.3. Ensayo de microdureza Vickers El número de dureza Vickers (HV) se define como la relación entre la carga aplicada y la superficie de la huella Donde HV = siglas de dureza Vickers (dureza = Hardeness en inglés); P = carga aplicada al penetrador S = superficie de la huella Desarrollando la fórmula se obtiene: P HV = S P (kp) HV = 1,8544 · d 2 (mm 2 ) Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 37 - Donde d es la semisuma de las diagonales de la huella, (d 1 +d 2 )/2. Al utilizar como penetrador una pirámide, todas las huellas dejadas son geométricamente semejantes, por lo que sólo hay un tamaño de penetrador. Las cargas van a variar en función de la dureza del material, las más corrientes son: 1, 5, 10, 30, 50 y 100 kg. El procedimiento de ensayo y las características del penetrador y la carga están reguladas por la norma UNE 7-432, Ensayo Vickers para materiales metálicos, que van a definir el método de ensayo, así como la forma de dar el resultado. Este se indicará con el valor de dureza obtenido, seguido de las letras HV (dureza Vickers) y el valor de la carga aplicada en el ensayo. Para materiales muy delgados, o en aquellos donde se quieren estudiar variaciones de dureza en zonas muy pequeñas, se puede utilizar este método, pero con cargas muy pequeñas, que van desde 1 g hasta 1000 g, es lo que se llama MICRODUREZA. Las huellas que dejan son muy pequeñas, del orden de micras, por lo que el equipo utilizado debe ser distinto, se llama microdurómetro y actúa por un lado como durómetro para la aplicación de la carga y realización de la huella y, por otro lado, como microscopio metalográfico, para poder ver la huella y calcular la longitud de las diagonales. Al ser una huella del orden de las micras, para poder verla en el microdurómetro la superficie debe ser como un espejo, ya que el microdurómetro trabaja como un microscopio metalográfico y este trabaja por reflexión de la luz sobre una superficie especular. El método Vickers se puede utilizar para materiales de todo tipo, ya que el penetrador es una pirámide de diamante, es decir, que no se va a deformar ni siquiera con los materiales más duros. Además, al poder aplicar cargas desde 1 g hasta 100 kg se puede elegir el valor más adecuado para cada tipo de material. Por todo esto se ha elegido este método para este proyecto. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 38 - 7.2.1.1 Fases del ensayo En primer lugar debemos desbastar y pulir la superficie a ensayar de la misma forma que se explica en el siguiente apartado Ensayo de características de constitución: ensayo metalográfico en los apartados 7.3.1.1. Desbaste y 7.3.1.2. Pulido con abrasivos. Una vez obtenida una superficie de espejo se procede al ensayo de microdureza, que consta de las siguientes fases: 1. Encender el Durómetro y seleccionar el ensayo de microdureza Vickers HV (este microdurómetro es capaz de realizar también el ensayo Brinell, en ese caso se seleccionaría el botón HB) 2. Seleccionar Carga y tiempo: en nuestro caso aplicaremos una carga de 500 g en un tiempo de aplicación de 15 seg. 3. Posicionar la muestra en el soporte con las mordazas. 4. Enfocar el microscopio (x400). 5. Ubicar el punto de identificación mediante los micrómetros. 6. Cambiar el objetivo por el penetrador. 7. Aplicar la carga presionando el botón STAR. 8. Esperar hasta que se apague LOADING (el tiempo de aplicación). 9. Cambiar el penetrador por el objetivo. 10.Ajustar a cero los displays (cada vez que se enciende el equipo): • Enfocar la huella (x400). • Aproximar hasta juntar los dos rectas paralelas. • Apretar SET durante dos segundos hasta que los displays estén a cero. 11.Medir la primera diagonal de la huella: • Enfocar la huella (x400). • Desplazar las 2 rectas paralelas. Ruleta izquierda. • Aproximar o alejar entre sí las 2 rectas paralelas. Ruleta derecha. • Pulsar READ. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 39 - 12.Medir la segunda diagonal de la huella: • Girar el objetivo 90º. • Seguir los apartados del paso 11. 13.Recoger el dato de la dureza en el display DATA. 14.Volver al apartado 5 para una nueva huella. Fig. 7.2.4. Durómetro Matsuzawa MXT50. 7.3 ENSAYO DE CARACTERÍSTICAS DE CONSTITUCIÓN: Ensayo Metalográfico A modo de introducción a la metalografía, se puede decir que se trata del examen de las superficies de metales y aleaciones. Aquí, se aplicará para la observación de la microestructura de las probetas sometidas al tratamiento térmico, como medio justificativo de los resultados obtenidos en los ensayos de dureza, puesto que este estudio metalográfico proporciona la información necesaria y complementaria para obtener una serie de conclusiones. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 40 - La principal aplicación de la metalografía es conocer la naturaleza y distribución de los constituyentes de las aleaciones, es decir, el estudio de los microconstituyentes, su tamaño de grano, forma y distribución. Además, en aplicación a este trabajo, aporta información sobre: — Presencia de inclusiones — Defectos, como poros o fisuras en la superficie observada. — Acritud, según la deformación de los granos producida por trabajo en frío. 7.3.1 Técnica operativa Se ha partido de las mismas probetas que se sometieron a dureza. Las etapas de este ensayo metalográfico comprende las siguientes que han sido aplicadas, pero no se incluirá la etapa del empastillado puesto que no ha sido necesaria su realización. 7.3.1.1 Desbaste La finalidad del desbaste es preparar la superficie para el pulido, y poner al descubierto la superficie, libre de impurezas que puedan obstaculizar su examen, a la vez que darle a la muestra una conformación plana. Para llevar a cabo esta operación, se ha empleado una máquina de desbaste y pulido con dos platos que giran a velocidad constante, según se muestra en la figura 7.3.1.1., sobre los que se colocan los papeles de lija. Estos se recortan conforme a la geometría del plato y se sujetan a los dos platos por medio de aros exteriores. Los tres tipos de papel de lija empleados son: 1-. Lija P 600, de tamaño de grano abrasivo muy grueso. 2-. Lija P 800, de tamaño de grano abrasivo intermedio. 3-. Lija P 1200, de tamaño de grano abrasivo fino. La muestra se mantiene ligeramente presionada contra el plato mientras gira durante unos 3 minutos, a la vez, se refrigera la operación Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 41 - con un goteo constante de agua mediante el dispositivo que tiene el aparato para ello. La primera lija, al ser más basta, elimina las imperfecciones más relevantes, la segunda, con grano abrasivo intermedio, consigue un acabado con rayas y la tercera, más fina, consigue un acabado con pequeñas rayas más finas. De aquí el orden de lijado con los tres papeles. Fig.7.3.1.1. Equipo de desbaste y pulido PRESI, modelo MECAPOL P 255 S 7.3.1.2 Pulido con abrasivos En esta etapa se pretende conseguir una superficie reflectora tal que, al ser atacada convenientemente y reflejar los rayos luminosos, éstos den en el ocular microscópico una imagen fiel. Para ello, se deben eliminar las rayas que permanecen al final del desbaste. El equipo utilizado es el mismo que en el desbaste, pero cambiando los papeles de lija por los paños de pulido, además se añade a los paños una solución de abrasivo fino para refrigerar y evitar así una transformación de la superficie a observar, y para obtener la superficie especular. El procedimiento sigue siendo también el mismo que en el desbaste: colocar la probeta sobre el paño mientras gira el disco ejerciendo una ligera presión. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 48 - El temple 1 se ha realizado en cinco muestras, porque a cuatro de ellas se les realizará después del temple un revenido. En este caso se ha realizado el temple a la temperatura de 750ºC que según la composición de nuestra muestra (18% o 15 % aproximadamente de Sn) corresponde a una fase α+β. El medio de enfriamiento empleado ha sido el agua. Debe evitarse que el agua se caliente durante el temple. La temperatura del agua debe ser unos 15-20ºC, si la temperatura es superior a 30ºC se prolonga demasiado el enfriamiento. Se logra aumentar la severidad del temple mediante agitación o mediante la adicción de sales. En nuestro caso hemos aumentado la severidad mediante agitación. Es un medio barato y muy accesible, y además ofrece los resultados esperados. 8.2 Recocidos En nuestro caso no se conoce la procedencia de nuestra pieza por lo tanto se deben de realizar varios recocidos para mejorar las propiedades internas de la pieza y para eliminar las tensiones que puedan tener. Se han realizado tres recocidos, cada uno de ellos para obtener diferentes resultados. Las condiciones de cada recocido son las siguientes: • Recocido contra acritud - Temperatura: 600ºC - Mantenimiento: 3 horas - Enfriamiento: Aire • Recocido de homogeneización - Temperatura: 750ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Horno Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 49 - • Recocido de estabilización - Temperatura: 200ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Aire 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Fig. 8.2. Recocidos aplicados a al muestra de bronce: D. Recocido contra acritud E. Recocido de homogeneización F. Recocido de estabilización El medio de enfriamiento de los recocidos a menudo suele ser el aire, sin embargo en el recocido de homogeneización se enfría en el horno porque además de conseguir velocidades de enfriamiento lentas evitamos la oxidación de la muestra. Cada una de las muestras sometidas a los tratamientos de recocido tendrá diferentes propiedades que quedan reflejadas en el apartado 9 Resultados. Tiempo (h) 1 hora Temperatura (ºC) E Enfriamiento al aire Enfriamiento al horno F Enfriamiento al aire D Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 50 - 8.3 Revenidos El revenido ha sido realizado en cuatro muestras templadas. Las condiciones del temple del que proceden son las correspondientes al temple 1 (750ºC, 1 hora, agua). Se han realizado cuatro revenidos, todos ellos con las mismas condiciones de enfriamiento y mantenimiento pero diferente temperatura de calentamiento: • Revenido 1: - Temperatura: 200ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Aire • Revenido 2: - Temperatura: 300ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Aire • Revenido 3: - Temperatura: 400ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Aire • Revenido 4: - Temperatura: 500ºC - Mantenimiento: 1 hora - Enfriamiento: Aire Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 51 - 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Fig. 8.3. Revenidos aplicados a la muestra de bronce: G. Revenido 1 (200ºC) H. Revenido 2 (300ºC) I. Revenido 3 (400ºC) J. Revenido 4 (500ºC) Cada una de las muestras sometidas a revenido tendrá diferentes propiedades que quedan reflejadas en el apartado 9 Resultados. Tiempo (h) 1 hora Temperatura (ºC) G H I J Enfriamiento al aire Enfriamiento al aire Enfriamiento al aire Enfriamiento al aire Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 52 - 9 Análisis de los resultados de los ensayos En este capítulo se van a hacer constar los resultados, ya sean numéricos, como en el ensayo de Microdureza Vickers, o de tipo fotográfico, y a nivel microscópico, como ocurre en el ensayo Metalográfico. 9.1 Resultados del ensayo de Microdureza Vickers Para obtener unos resultados concretos en los que basarnos para sacar conclusiones, se ha procedido a realizar seis medidas de dureza HV en cada probeta, y de esta manera hacer una media de dichos valores para obtener datos significativos que pertenecen a una muestra de un determinado tratamiento térmico, tal y como se muestra en las siguientes tablas de resultados. En algún caso se ha eliminado algún valor que se aleja demasiado del resto de datos, porque puede ser fruto de un error en la medida, por ejemplo, en el momento de la medida la mesa fue golpeada, o el observador moviera el penetrador en el momento de la aplicación de la carga… En el caso de haber eliminado algún valor para realizar la media se indicará con un asterisco (*) a la derecha del número. No olvidemos que d1 y d2 son las diagonales de la huella. Y que nuestro ensayo ha sido realizado con unas condiciones de carga 500 gramos y con un tiempo de mantenimiento 15 seg. 9.1.1 Muestra de suministro Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 87,8 86,9 121,5 2 79,6 79,8 145,9 * 3 85,3 86,7 125,3 4 87,1 84,7 125,6 5 86,3 87,1 123,3 6 89,5 88,0 117,7 DUREZA 122,7 Tabla 9.1.1. Tabla de dureza de la muestra de suministro Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 53 - 9.1.2 Temple 1 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 103,0 100,2 89,8 * 2 97,2 95,6 99,7 3 96,9 93,5 102,3 4 95,0 96,3 101,3 5 95,4 98,6 98,5 6 98,7 97,5 96,3 DUREZA 99,6 Tabla 9.1.2. Tabla de dureza de la muestra de temple 1 9.1.3 Temple 2 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 95,6 88,3 109,6 2 98,1 94,5 99,9 3 94,1 93,5 105,3 4 93,6 93,2 106,2 5 94,2 91,3 107,7 6 94,9 96,9 100,8 DUREZA 104,9 Tabla 9.1.3. Tabla de dureza de la muestra de temple 2 9.1.4 Temple 3 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 93,2 95,1 104,6 2 98,9 100,1 93,6 * 3 93,5 92,6 107,0 4 94,3 91,7 107,2 5 93,4 90,6 109,5 6 92,7 92,5 108,1 DUREZA 107,3 Tabla 9.1.4. Tabla de dureza de la muestra de temple 3 9.1.5 Revenido 1 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 94,7 92,6 105,7 2 92,3 93,0 108,0 3 92,6 91,6 109,3 4 89,5 92,9 111,4 5 96,6 92,7 103,4 6 92,7 94,1 106,2 DUREZA 107,3 Tabla 9.1.5. Tabla de dureza de la muestra de revenido 1 Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 54 - 9.1.6 Revenido 2 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 87,2 89,5 118,7 2 95,0 91,9 106,1 3 92,7 94,0 106,4 4 89,3 92,6 112,0 5 90,8 89,6 113,9 6 92,6 90,3 110,8 DUREZA 111,3 Tabla 9.1.6. Tabla de dureza de la muestra de revenido 2 9.1.7 Revenido 3 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 85,7 85,3 126,8 2 85,9 86,8 124,3 3 86,3 85,0 126,3 4 83,7 93,2 118,5 5 84,6 87,5 125,2 6 84,7 86,1 127,1 DUREZA 124,7 Tabla 9.1.7. Tabla de dureza de la muestra de revenido 3 9.1.8 Revenido 4 Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 89,3 87,4 118,7 2 88,7 90,2 115,8 3 84,7 86,0 127,2 4 86,3 86,1 124,7 5 87,5 85,2 124,3 6 84,4 86,9 126,3 DUREZA 122,8 Tabla 9.1.8. Tabla de dureza de la muestra de revenido 4 9.1.9 Recocido de estabilización Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 86,9 84,8 125,8 2 86,5 85,1 125,9 3 89,7 87,9 117,5 4 87,1 85,2 124,9 5 86,6 85,1 125,8 6 86,8 85,3 125,2 DUREZA 124,2 Tabla 9.1.9. Tabla de dureza de la muestra de recocido de estabilización Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 55 - 9.1.10 Recocido contra acritud Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 91,2 91,6 110,9 2 89,0 91,8 113,4 3 90,2 92,7 110,8 4 88,2 90,1 116,6 5 89,4 92,1 112,5 6 86,7 91,1 117,3 DUREZA 113,6 Tabla 9.1.10. Tabla de dureza de la muestra de recocido contra acritud 9.1.11 Recocido de homogeneización Ensayo d 1 (µm) d 2 (µm) HV (kg/mm 2 ) 1 90,1 90,5 113,7 2 94,7 93,5 104,7 3 93,8 90,2 109,5 4 93,1 88,5 112,4 5 94,7 89,4 109,4 6 94,2 90,6 108,5 DUREZA 109,7 Tabla 9.1.11. Tabla de dureza de la muestra de recocido de homogeneización 9.1.12 Comparación de los diferentes resultados Tratamiento HV (kp/mm 2 ) Suministro 122,68 Recocido de estabilización 124,18 Recocido contra acritud 113,58 Recocido de homogenización 109,70 Temple 1 99,62 Revenido 1 (temple 1) 107,33 Revenido 2 (temple 1) 111,32 Revenido 3 (temple 1) 124,70 Revenido 4 (temple 1) 122,83 Temple 2 104,92 Temple 3 107,28 Tabla 9.1.12. Tabla resumen de dureza Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 56 - COMPARACIÓN DUREZA RECOCIDOS 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00 125,00 130,00 Suministro R. de estabilización (200ºC ,1h, Aire) R. contra acritud (600ºC,3h,Aire) R. de homogenización (750ºC,1h,Horno) DUREZAHV (kp/mm2) Fig. 9.1.12. Comparación dureza recocidos Esta gráfica compara la dureza obtenida en el ensayo Vickers de las muestras que han sido sometidas a un recocido comparándolas a su vez con la dureza de la muestra de suministro. Se puede observar que la máxima dureza se obtiene en el recocido de estabilización aunque se puede considerar que la dureza es similar a la de la muestra de suministro porque son unas unidades de dureza Vickers que no son relevantes. En el recocido de homogeneización la dureza ha disminuido considerablemente debido a un engrosamiento del grano que podemos observar, más adelante, en el ensayo metalográfico. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 57 - COMPARACIÓN DUREZA TEMPLES Y REVENIDOS 90,00 95,00 100,00 105,00 110,00 115,00 120,00 125,00 130,00 Suministro Temple 1 (2h) Temple 2 (1h) Temple 3 (1/2h) Revenido 1 (200ºC) Revenido 2 (300ºC) Revenido 3 (400ºC) Revenido 4 (500ºC) DUREZAHV (kp/mm2) Fig. 9.1.12. Comparación dureza temples y revenidos La anterior gráfica muestra la comparación del valor de la dureza obtenida en las muestras que han sido templadas y revenidas comparándolas también con la dureza de la muestra de suministro. La gráfica indica que conforme se aumenta el tiempo de mantenimiento del temple, diminuye la dureza. Esto se explica gracias al ensayo metalográfico que muestra un aumento del tamaño del grano. Se observa que la dureza en los revenidos aumenta conforme se aumenta la temperatura. Con el ensayo metalográfico se puede explicar este aumento porque aparecen más precipitados en el interior de los granos lo que aumenta la dureza, si esta temperatura es excesiva las fases se acumulan en los bordes de grano lo que indica que aumenta la fragilidad de nuestro material, que es lo que sucede en el revenido a 500ºC. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 64 - 9.2.4 Temple 3 Fig. 9.2.4. Muestra templada 3: izquierda (x100) y derecha (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 107,28 HV - Características microestructurales: grano grueso, grieta intergranular y acumulaciones en los bordes de grano. Este temple, de la misma manera que los anteriores, se ha realizado a la temperatura de 750ºC pero este temple con un tiempo de mantenimiento de media hora. Se trata de un grano grueso de tipo equiaxial (no tiene una dirección predominante). La dureza, como en el caso anterior, es ligeramente superior a los otros temples, lo que nos puede indicar que conforme se aumenta el tiempo de mantenimiento del temple se aumenta el tamaño del grano y con ello se disminuye la dureza. Las acumulaciones en los bordes de grano dan como resultado lo que muestra la fig. 9.2.4. izquierda, una grieta intergranular. 0,1 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 65 - 9.2.5 Revenido 1 Fig. 9.2.5.1. Revenido 1: izquierda (x100) y derecha (x200) Fig. 9.2.5.2. Revenido 1: izquierda (x1000) y derecha (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 107,33 HV - Características microestructurales: grano de tamaño intermedio más bien grueso, aparición de maclas y de precipitados esféricos en los granos. Este revenido se realiza en una pieza que anteriormente ha sido templada con las características del temple denominado temple 1. El valor de la dureza que nos ofrece el ensayo Vickers es un valor superior al que obteníamos en el temple del que procede. Puede deberse a los precipitados nodulares formados y al tamaño ligeramente inferior del 0,1 mm 0,05 mm 0,01 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 66 - grano. También se observa que no hay una excesiva acumulación de fases en el borde de grano y esto no facilita el avance de grietas por los mismos. Las maclas se identifican microestructuralmente como subgranos estrechos con bordes bastante rectilíneos y paralelos que dividen el monocristal inicial como aparece en la fig. 9.2.5.2. izquierda. Las maclas tienen la misma composición y estructura del grano en que se haya inmersa y son deformaciones plásticas sufridas en el propio grano. La velocidad de formación de una macla es muy alta, repentina. Estas deformaciones endurecen el material porque dividen en partes la dimensión de los granos, bloquea las dislocaciones que en ese momento estuvieran actuando en el monocristal con la consiguiente inhibición del deslizamiento y dificulta el movimiento de bordes de grano por la propia resistencia a compresión que impone la macla cuando el grano tiende a su estirado. 9.2.6 Revenido 2 Fig. 9.2.6.1. Revenido 2: izquierda (x50) y derecha (x100) 0,1 mm 0,2 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 67 - Fig. 9.2.6.2. Revenido 2: izquierda (x500) y derecha (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 111,32 HV - Características microestructurales: tamaño de grano intermedio, grieta intergranular, acumulación de precipitados en los bordes de grano, precipitados y fases nodulares en el interior de los granos. El revenido 2 es un tratamiento que también tiene un previo temple 1 que se realiza a temperatura superior al anterior revenido, concretamente se realiza a 300ºC. El ensayo Vickers nos da un valor no muy superior al anterior revenido que puede deberse a un tamaño de grano muy parecido, aunque en ambos casos se trata de un grano grueso. Las micrografías nos muestran una grieta intergranular debida a los precipitados en los bordes de grano que muestran la figura 9.2.6.2. derecha. Estos precipitados en los bordes de grano hacen que la pieza sea frágil porque los pequeños granos que forman estos precipitados lo son. También se observan precipitados y fases nodulares en los granos que colaboran en el aumento de la dureza. 0, 0 1 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 68 - 9.2.7 Revenido 3 Fig. 9.2.7.1. Revenido 3: izquierda (x100) y derecha (x200) Fig. 9.2.7.2. Revenido 3: izquierda (x500) y derecha (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 124,70 HV - Características microestructurales: precipitados en el interior de los granos, grano grueso, maclas. Este revenido como en los casos anteriores proviene de un temple 1, pero en este caso el revenido se ha realizado a una temperatura de 400ºC. En esta muestra nos encontramos con la dureza más alta de todas las obtenidas en este trabajo por el ensayo Vickers. Este resultado se explica porque los precipitados en el interior de los granos aumentan la dureza del material, y al no encontrar acumulación de estos precipitados en los bordes de grano se disminuye también la fragilidad de este. Además estas fases son pequeñas y están repartidas lo que fomenta aún más el aumento de la 0,05 mm 0,1 mm 0, 0 1 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 69 - dureza. No nos olvidemos que estamos hablando de aumentos de la dureza insignificantes, 10 o 20 unidades aproximadamente de dureza Vickers. También el aumento de la dureza se ve favorecida por la aparición de maclas. 9.2.8 Revenido 4 Fig. 9.2.8.1. Revenido 4: izquierda (x50) y derecha (x200) Fig. 9.2.8.2. Revenido 4 (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 122,83 HV - Características microestructurales: acumulación de precipitados en el borde de grano, grieta intergranular, aparición de precipitados en el interior. De la misma manera que el resto de revenidos este se realiza en una pieza templada con las condiciones del temple 1. En esta muestra se obtiene también una de las durezas más elevadas del proyecto porque tiene 0,05 mm 0,2 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 70 - precipitados repartidos en el interior de los granos y como hemos comentado anteriormente esto favorece al aumento de la dureza. En la primera micrografía se muestra una grieta intergranular debido a la acumulación de fases frágiles en el borde de grano. 9.2.9 Recocido de estabilización Fig. 9.2.9.1. Recocido de estabilización: izquierda (x100) y derecha (x200) Fig. 9.2.9.2. Recocido de estabilización: izquierda (x500) y derecha (x1000) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 124,18 HV - Características microestructurales: grano pequeño, fase dispersa. 0,05 mm 0,1 mm 0, 0 1 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 71 - El recocido de estabilización es un tratamiento realizado a la pieza de suministro en el que buscamos eliminar tensiones de un posible mecanizado anterior. El valor obtenido en el ensayo de microdureza es uno de los valores más altos conseguidos en este trabajo esto se debe a que es el grano más fino que hemos observado. Además nos encontramos con un grano con fase precipitada en su interior y no en los bordes de grano lo que fomentaría grietas intergranulares. En la micrografía de la fig. 9.2.9.1 derecha se observa una huella del ensayo Vickers. El recocido de estabilización apenas modifica las propiedades. En la siguiente figura se muestra la representación esquemática del ciclo de recocido trabajado en frío. Con la muestra que se le ha aplicado el recocido de estabilización estamos en el periodo de restauración en el que la dureza, la resistencia, la ductilidad, es decir, las propiedades mecánicas no se modifican con el tratamiento térmico. Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 72 - Fig.9.2.9.3 Representación esquemática del ciclo de recocido trabajado en frío que muestra los efectos sobre las propiedades mecánicas y la microestructura 9.2.10 Recocido contra acritud Fig. 9.2.10. Recocido contra acritud: izquierda (x500) y derecha (x1000) Microestructura en origen 0, 0 1 mm 0,01 mm Análisis de las propiedades mecánicas del bronce dependiendo del tratamiento térmico - 73 - Fig. 9.2.10. Recocido contra acritud: (x100) Partiendo de los siguientes resultados obtenidos: - Valor de dureza media: 113,58 HV - Características microestructurales: grano pequeño El recocido contra acritud es un tratamiento realizado a la pieza de suministro, este tratamiento se utiliza en bronces que han sido estirados y laminados en frío que han perdido la tenacidad y se han endurecido, para devolverles la ductilidad inicial. En la micrografía se observa un grano pequeño, sin acumulaciones en los bordes de grano y con unos precipitados dispersos y pequeños. Es un recocido que, como se ha comentado, busca devolver la ductilidad a la pieza, por ello la dureza ha disminuido. 0,1 mm