Estudio teórico y experimental del proceso de temple

Abstract

En el presente trabajo se estudió el proceso de temple de aceros. Este proceso es utilizado en la industria para lograr propiedades finales en piezas templadas, por lo que un óptimo temple será aquel que logre generar una combinación de fases metalúrgicas que dé lugar a las deseadas propiedades mecánicas, minimizando distorsiones y eliminando fisuraciones. En el modelado del proceso de temple de aceros se combinan tres físicas distintas: (i) fenómenos de transferencia de calor, (ii) transformaciones metalúrgicas, y (iii) deformaciones inducidas. Este trabajo se enfocó en el desarrollo de un modelo numérico que contempla los dos primeros campos (térmico y metalúrgico) y su acoplamiento. Como punto de partida para el desarrollo del modelo numérico, se realizaron ensayos de temple instrumentados en probetas cilíndricas (de 1” y 1⁄2” de diámetro) de dos aceros distintos: SAE 1045 y SAE 4140. De esta forma se registraron los valores de temperatura en el centro de las probetas al realizar los temples desde 850°C en aceite de temple a 100°C sin agitación. Esta información es post-procesada (esquema de filtrado basado en el método de difusión no lineal) para obtener las curvas de velocidad de enfriamiento (dT/dt, T), las cuales se utilizaron como punto de partida para el desarrollo del modelo numérico. Por otro lado, las probetas ensayadas fueron caracterizadas metalográficamente (microscopía óptica y mediciones de microdureza) con el fin de comparar las durezas y la proporción de microconstituyentes obtenidos experimentalmente con los predichos por el modelo numérico. El cálculo térmico se realizó considerando una simplificación 1-D axisimétrica de las probetas, y a partir del dato de las temperaturas en el centro de la probeta, se calcula un coeficiente de transferencia térmica inicial (h0). Sin embargo, como este es un parámetro de la superficie de la probeta, calculado con temperaturas en el centro de la misma, se desarrolló una función de ajuste que permite obtener un hf que logra copiar la historia térmica de la probeta. Una vez resuelta la evolución térmica de las barras en todos los puntos de su radio, se desarrolló el modelo metalúrgico. El mismo se basó en la ecuación de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) para las transformaciones por difusión, y Koistinen y Marburger para la displasiva. A su vez, fue posible utilizar diagramas temperatura tiempo transformación (TTT) para enfriamientos continuos a través de la incorporación del tiempo de inicio de transformación ficticio, calculado por la regla de adición de Scheil. En función de los resultados de microestructuras y durezas obtenidas, fue necesario realizar una pequeña modificación en los tiempos de los diagramas TTT, lo cual es razonablemente atribuible a los efectos de tamaño de grano, segregaciones, etc. que afectan los tiempos de inicio y fin de las transformaciones. Para el cálculo de las durezas se implementaron las ecuaciones de Mayner. Al comparar los resultados del modelo numérico con los experimentales, se observó un buen ajuste entre ambos. Particularmente las durezas mostraban una desviación en general menor al 10%, y en todos los casos menores al 15%, con resultados excepcionalmente buenos para las barras de menor diámetro (1⁄2”): errores promedio de tan solo 4% y 5%. Con respecto a los microconstituyentes también hay en la mayoría de los casos buen ajuste con respecto a sus proporciones, salvo en una condición (SAE 4140 y 1” de diámetro). Se analizan en detalles algunas limitaciones del modelo (bainita en muestra de SAE 1045 y martensita disminuyendo hacia la superficie) y se proponen trabajos a futuro para resolver las mismas (incorporación de calores de transformaciones, mediciones de temperaturas en otros puntos, ensayos de caracterización más precisos, entre otros).