Experiencia de laboratorio N°2

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1.2. Objetivo principal:

- Analizar la descarburación de una barra para hormigón.

1.3. Objetivos Especificos:

- Relacionar la dureza con la composición.

- Estimar la composición de la pieza.

- Determinar la capa descarburada.

- Determinar el valor de D0.

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2. Marco teórico

2.1 Descarburación:

Proceso contrario a la carburación, que consiste en la pérdida de carbono de su composición química al aplicarle un tratamiento a altas temperaturas debido a la interacción del carbono con los gases de la atmósfera. El oxígeno elimina este carbono en forma de CO/CO₂. Esto provoca una disminución en las propiedades mecánicas cercanas a la superficie del material. La descarburación es una función de la temperatura del tratamiento, de la composición química inicial del acero y de la composición química de la atmósfera gaseosa.

Características: si hay una descarburación total en la superficie, se podría observar principalmente ferrita en la muestra, mientras que, si hay una descarburación parcial, se podría observar en las muestras una mezcla de fases.

Ventajas: reduce los costos y tiempos de procesos, hay un mejor control de la composición química y hay un reemplazo del óxido de hierro.

2.2 Segunda Ley de Fick (perfil de concentración):

La segunda Ley de Fick, que describe la difusión dinámica de los átomos, es la ecuación diferencial:

(1)[pic 3]

Cuya solución depende de las condiciones del límite para una situación parcial. Una solución es:

(2)[pic 4]

Donde:

Cs = es una constante de concentración de los átomos que se difunden en la superficie del material

Co = es la concentración uniforme inicial de los átomos en el material

Cx = es la concentración del átomo que se difunde a la posición x debajo de la superficie después de un tiempo t

erf = función de error

X= distancia de la superficie cementada

[pic 5]

Figura 2.1. Perfil de concentración en los tiempos t₂>t₁>t₀, cuando la concentración en la superficie Cs se mantiene constante.

De a composición base Co y la composición superficial se puede determinar la capa cementada (o descarburada) como la distancia de la superficie en que se tenga una composición Cx tal que:

(3)[pic 6]

Este análisis es análogo al considerar un perfil de dureza y con el supuesto de que el porcentaje de carbono es proporcional a la dureza.

Reemplazando la ecuación 3 en la ecuación 2 se lega a que el espesor de la capa cementada X es tal que:

(5)[pic 7]

2.3 Difusividad:

Con el fin de determinar cuantitativamente la difusión que tienen los átomos en una red cristalina, se define el coeficiente de de difusión D, que, por lo demás, es una función de muchas otras variables, tales como la temperatura, la concentración y la estructura cristalina.

El coeficiente de difusión está definido como:

(4)[pic 8]

Donde Do, Q y R son constantes independientes de la temperatura. Q representa la medida de la barrera de energía que tiende a impedir que se produzca la difusión, determinada como la energía de activación, expresada en calorías. La constante universal de los gases R tiene un valor de 1,987 calorías por grado kelvin, por moles. El factor de frecuencia Do está relacionado con la frecuencia de vibración de los átomos que se difunden, en cm2/seg.

En la figura 2.2. se muestran valores de Do y Q para la determinación de un coeficiente de difusión aproximado en varios sistemas binarios.

[pic 9]

Figura 2.2. Tabla extraída del libro “Metalurgia Fisica” de Albert Guy.

2.4 Barras de acero para “hormigón armado”:

Los trabajos de construcción donde se requiere que el hormigón esté reforzado, se utiliza barras de acero que proporcionan la resistencia necesaria a la estructura para poder soportar las fuerzas de tracción elevadas a la que estará sometido.

De acuerdo a la norma chilena Nch 204 2006 (aceros para uso estructural-requisitos) se establece que los aceros utilizados para estas barras son los A630-420H, A560-350H y A440-280H. La norma ASTM-A706 se define que el porcentaje Carbono Equivalente (CE) no debe ser superior a 0.55% bajo la siguiente fórmula:

CE=%C+%Mn/6+%Cu/40+%Ni/20+%Cr/10-%Mo/50-%V/10 (5)

Además, de que el porcentaje de carbono no debe superar el 0.30%, según la composición química límite para una barra de acero para hormigón:

[pic 10]

Figura 2.3. Máximos porcentajes de composición química para una barra de acero bajo norma ASTM-A706

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3. Desarrollo experimental

3.1. Materiales y equipos:

- Probeta de acero al alto carbono

- Lijas Nº 120, 220,320, 400, 500, 600, 1500 y 2500

- Sustancia abrasiva Alúmina (Al2O3) 1 y 2

- Pulidoras de disco de velocidad variable

- Alcohol

- Agua