procesos y usos del acero
InTRoduccIón
La transferencia de calor es la ciencia que busca predecir la evolución de la energía térmica al interior de un cuerpo o bien entre
diversos cuerpos, como resultado de un gradiente de temperaturas. La ciencia de la transferencia de calor no sólo trata de
explicar cómo puede ser transferida la energía calorífica, sino
también trata de predecir la rapidez a la que se realizará este
intercambio bajo ciertas condiciones especificadas mediante el
uso de modelos matemáticos o el uso de sensores de temperatura.
Si un cuerpo sólido, inicialmente en equilibrio térmico, se somete a un cambio repentino en la temperatura del medio que lo rodea, el campo térmico al interior del sólido variará a medida que
transcurre el tiempo, como una respuesta al estímulo externo;
esta condición se conoce como estado inestable o transitorio. El
análisis de transferencia de calor en estado transitorio es obviamente de gran interés práctico, debido al gran número de procesos de calentamiento y enfriamiento que deben calcularse en
aplicaciones industriales, tales como el temple. Este tratamiento
térmico consiste en calentar a la pieza de acero a una temperatura determinada por encima de su punto de transformación para
lograr una estructura cristalina específica (estructura austenítica), seguido de un enfriamiento súbito a una rapidez superior a
la crítica, que depende de la composición del acero, para lograr
una estructura martensítica que proporcionan a los aceros la
dureza y resistencia mecánicas especificadas por el cliente. El
ensayo Jominy[1] es una prueba estándar que es utilizada para
determinar la templabilidad de los aceros en la cual, debido a la
naturaleza misma de ella, se experimentan diferentes rapideces
de enfriamiento, en donde fácilmente se puede apreciar el efecto de éstas rapideces sobre la microestructura. El ensayo consiste en calentar hasta la temperatura de austenización una probeta
cilíndrica con dimensiones estándar (1 plg. de diámetro por 4
plgs. de altura), mantener durante un tiempo a esta temperatura
y templar con un chorro de agua una de las caras planas. La forma tradicional de avaluar la templabilidad del acero es medir la
dureza en función de la distancia a la superficie templada, con
lo que se obtiene una curva de templabilidad. Recordemos que
la templabilidad de un acero se define como la propiedad que
determina la profundidad y la distribución de la dureza inducida
por enfriamiento en una pieza de acero, es decir, un acero altamente templable es aquel que forma martensita desde el principio hasta el fin en secciones gruesas.
Por lo anterior el objetivo de este trabajo fue instrumentar con
termopares tipo k la probeta Jominy para cuantificar las rapideces de enfriamiento que se experimenta en cada punto de la
probeta y cuantificar de forma rápida algunas propiedades importantes de los aceros, como por ejemplo: (a) máxima penetración
del temple y (b) velocidad crítica de enfriamiento.
Procedimiento experimental
Una probeta cilíndrica de un acero con alto contenido de carbono fue maquinada bajo el estándar ASTM 255 e instrumentada con termopares tipo k de 1/16 de pulgada. La probeta fue
calentada en un horno a una temperatura de austenización de
870°C durante 15 minutos para homogenizar la temperatura y
completar la austenización. Posteriormente las probetas fueron
templadas en un dispositivo que permite reproducir las condiciones de enfriamiento de la norma ASTM 255, que son un chorro
de agua de 63.5 mm de altura en un ducto de 0.5 pulgadas (ver
dispositivo experimental en la Fig. 1).
En la Figura 1 se muestra el esquema del dispositivo utilizado en
el ITM para realizar las pruebas Jominy. El dispositivo contiene
un motor que permite subir y bajar la pieza de modo automático
hasta la posición del horno y a la posición del chorro de agua
(0.5 in por arriba de la salida del tubo de agua). El horno de
calentamiento no se aprecia en el dispositivo experimental pero
fue construido en el Instituto Tecnológico de Morelia en forma
de libro, de tal forma que permite abrazar la probeta Jominy para
Figura 1. Diseño del dispositivo Jominy del Instituto Tecnológico de Morelia-Posgrado en Metalurgia.
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