EL EMPLEO DE ANIMACIONES COMO TÉCNICA DE APOYO A LA DOCENCIA DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

N. Antón1 y J.C. Matos2

1 Departamento de Construcción y Agronomía, Universidad de Salamanca

E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo 33, 49022-Zamora, España. 2 Departamento de Informática y Automática, Universidad de Salamanca

E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo 33, 49022-Zamora, España.

RESUMEN

Los tratamientos térmicos que se realizan sobre las diferentes aleaciones metálicas y por extensión el uso de los diagramas de equilibrio, es una de las partes más complejas de transmitir a los alumnos de diversas titulaciones (Ingeniería de Materiales, Ingeniería Industrial, etc.). El objetivo de los Tratamientos Térmicos sobre las aleaciones es cambiar substancialmente la microestructura de las mismas para mejorar su comportamiento en servicio en determinadas situaciones, lo cual hace que una misma aleación pueda servir para distintos usos. Durante los últimos años, se han intensificado los intentos de hacer comprender y entender al alumnado esta parte de la tecnología de materiales. Con la entrada del Espacio Europeo de Educación, ha llegado el momento de aplicar este tipo de técnicas, que hacer posible visionar ante el alumno las transformaciones de fase que tienen lugar en la aleación y con que intención se realizan. PALABRAS CLAVE: Tratamientos Térmicos, Animaciones, Ingeniería de Materiales.

1. INTRODUCCIÓN Aunque existen diversas metodologías para el desempeño de la labor docente de las asignaturas de relacionadas con los materiales, lo normal es encontrar el uso de las transparencias o presentaciones de Power-Point donde se contiene la síntesis de la explicación del profesor en un formato fijo. Los alumnos a través de sus notas completan esta síntesis para poder preparar lo más adecuadamente posible la asignatura, junto con la consulta de los libros recomendados en la bibliografía. Es un hecho observado que cuando los alumnos se enfrentan por primera vez al campo de los Tratamientos Térmicos en las diferentes titulaciones, especialidades, másteres, etc. que lo contengan, suelen encontrar dificultades a la hora de entender los diferentes cambios que se producen durante el enfriamiento de una aleación. Este problema es mayor y extensivo si en los temas previos, como los diagramas de equilibrio, el alumno no ha conseguido comprender los diferentes cambios microestructurales que se han producido en la aleación en condiciones de enfriamiento infinitamente lento. Ahondando en el problema, este es aún mayor cuando se trata de los primeros cursos de una titulación, donde el hacer entender el objetivo y alcance de los tratamientos térmicos es casi una odisea imposible de superar. Este hecho es más importante cuando, como en el caso de una titulación de segundo ciclo como es el caso de Ingeniería de Materiales, los alumnos provienen de diferentes titulaciones en las que pueden o no haber dado una base suficiente relativa a Tratamientos Térmicos. El objetivo de los Tratamientos Térmicos sobre las aleaciones es cambiar substancialmente la microestructura de las mismas para mejorar su comportamiento en servicio en determinadas situaciones, lo cual hace que una misma aleación pueda servir para distintos usos. La pieza fundamental para resolver el puzzle de la comprensión de algo “que los alumnos no pueden ver con sus propios ojos” es el empleo de animaciones sencillas, simulando los cambios estructurales que se producen en el material. No obstante, las prácticas de laboratorio (prácticas de metalografía, etc.) ayudan al alumno a ver el resultado final del proceso de enfriamiento, aunque la evolución “en enfriamiento” de la estructura no queda determinada ni es tangible para ellos, con lo cual la mayoría tiende a memorizar sin llegar a comprender la génesis microestructural. Bien es cierto, que este tipo de dibujos de evolución o gráficos explicativos se suelen encontrar en imágenes “carentes de movimiento” en la gran mayoría de los textos (algunos de ellos presentan formatos también en CD-ROM, donde también existen animaciones) [1, 2]. Añadir que la mayoría de estos textos presentan diagramas de evolución para aceros con gráficas sencillas (como el diagrama de enfriamiento isotérmico para un acero eutectoide), que alumno

tiende a memorizar en vez de comprender y en un extremo incluso puede llegar a pensar que los únicos aceros que existen son los que siempre aparecen en los libros. En cambio en la industria se emplean diferentes diagramas de tratamientos térmicos (Temperatura-Tiempo-Transformación) [3] y más aún se diferencian los tipos de tratamientos en Isotérmicos o Continuos (estos últimos los más empleados en la industria y curiosamente los menos “retratados” en los textos). Añadir que, incluso dependiendo de los países su formato varía aunque conceptualmente son semejantes. Los más empleados y conocidos son los pertenecientes al IRSIC (Francia), ASM (EE. UU.) y los BHT (Gran Bretaña). Algunas empresas transformadoras y de la industria metalúrgica también realizan este tipo de representaciones para sus propios productos o piezas. Uno de los mayores problemas es hacer entender al alumno las diferencias fundamentales entre los dos (isotérmicos - I.T. y continuos - CCT) puesto que se tienden a confundir con facilidad. La complejidad en la interpretación de estos gráficos depende de la cantidad de zonas (zonas de transformación o dominios ferrítico, perlítico, bainítico, etc. , descritos en la Figura 1) que aparecen en los mismos y a nivel práctico su extensión y forma dependerá del tipo, cantidad y número de aleantes que posean este tipo de materiales (concretamente aceros). Así pues el objetivo fundamental de este trabajo es que empleando herramientas o software informático asequible, se puedan preparar animaciones para que el alumno pueda entender y “visionar”, sin demasiada dificultad. Ni que decir tiene que el uso de este tipo de actividades en la clase no sería posible sin el desarrollo de las herramientas informáticas más comunes (Power-Point, Corel Saint Shop-Pro, Adobe Photo Shop, etc.) comerciales o de software libre (Open Office, Press, LaTex, etc.), que se están empleando cada vez más para la docencia.

Figura. 1. Ejemplos de diagramas de enfriamiento continuo CCT (Continuous Cooling Treatment) [3]

2. METODOLOGÍA EMPLEADA Partiendo de dos programas comunes como son el Power-Point (o similares) y el Paint Shop Pro (o cualquier otro de tratamiento de imágenes), se pretende llegar a dar una idea sobre la generación de presentaciones asequibles e intuitivas para que el alumno saque el máximo rendimiento durante la clase. El caso a desarrollar se centrará principalmente en la “fabricación” de una animación sobre un diagrama de enfriamiento continuo [3]. La razones para esta elección son simples: la primera de ellas porque son los menos representados en la gran mayoría de los libros o aplicaciones interactivas encontradas en la Web y la segunda y más importante porque son los que más se emplean en la industria de transformación. De esta forma el alumno podrá ponerse en contacto como el mundo industrial, sin dejar a un lado los fundamentos científicos relativos a la aparición de segundas fases a partir de las primigenias. El primer paso es hacerse con una colección de diagramas de enfriamiento continuo (algunos ejemplos se pueden ver en la Figura 1), variados y de distinto grado de complejidad (con posterioridad alguno de ellos nos servirá para

entregarlos en clase para que los alumnos puedan trabajar libremente sobre ellos). En algunas ocasiones podemos dirigirnos a empresas del sector, algunas de ellas poseen sus propios diagramas para los tratamientos de piezas o componentes. En general, sea en Internet, bases de datos, empresas y revistas o bibliografía especializada, podemos acceder a algún gráfico que no corresponda con los que aparecen en los libros. Estos tipos de diagramas tienen un carácter empírico y los números que aparecen representan el porcentaje de transformación (del total) al atravesar un campo concreto. Las líneas que atraviesan los diagramas representan la severidad del enfriamiento o la velocidad a la que ha enfriado la pieza.

Figura. 2. Trabajo sobre la presentación. Elección de autoformas para el trazado de la línea representativa Una vez insertada la imagen en una diapositiva de Power-Point se procederá a elegir la línea de enfriamiento que se desee. En el caso que nos ocupa elegiremos una intermedia que correspondería a una velocidad de enfriamiento, el motivo sería que se atraviesen el mayor número de zonas para que el alumno sea capaz de captar las máximas posibilidades de cambio en la microestructura. Empleando opciones básicas como son líneas, modificación y agregado de puntos podremos ajustar el trazado de la línea a la curva de enfriamiento (Ver Figuras 2 y 3).

Figura. 3. Trabajo sobre la presentación. Modificaremos y agregaremos los puntos necesarios para ajustar a la curva elegida y poder realizar posteriormente una animación de esa línea.

A partir de este momento y una vez ajustada la línea podremos animarla o hacerla en varios tramos (por pasos, lo más conveniente es cada vez que atravesemos una zona de transformación), para conseguir el efecto deseado (Figura 4). En este punto tendremos que saber que tipo de microestructura se va a generar durante el enfriamiento. Para el ejemplo, la

microestructura final aproximada quedaría como 15% Ferrita + 12% de Perlita + 65% Bainita, es decir, un total de un 92% transformado. Lo restante, un 8% sería Martensita + Austenita Retenida (aproximadamente un 3% dada por el contenido en carbono del acero), luego queda un 5% de Martensita del total.

Figura. 4. Trabajo sobre la presentación. Creación de la animación o animaciones.

Figura. 5. Ejemplos de microconstituyentes (micrografías reales o esquemas) que nos pueden servir como base para realizar los enfriamientos continuos y crear las microestructuras aproximadas que aparecerán en la animación [4 - 6].

Ahora es conveniente tener un conjunto de microestructuras básicas [4 – 6] sobre las cuales podamos trabajar con el programa de tratamiento de imágenes, o en su defecto digitalizar o adquirir fotos que nos puedan servir para trabajar en la construcción de las microestructuras que se van generando paso a paso.

En la Figura 5 se muestras distintos tipos de ejemplos sobre los que se podría trabajar, la elección de uno u otro dependerá de el grado de realidad que queramos alcanzar. Podría ser conveniente comenzar con ejemplos animados semejantes a los que aparecen en los libros para posteriormente realizar ejemplos de mayor complejidad y cercanos a las situaciones reales. Sería conveniente que el alumnado conociese los antecedentes de los temas relativos a los tratamientos térmicos (diagramas de equilibrio y microconstituyentes).

Con las microestructuras descritas en la Figura 5 tomaremos otro programa, pero en este caso de tratamiento de imágenes (Paint Shop-Pro, Adobe PhotoShop, etc.) o incluso los más básicos (Paint, Photo Editor, etc.), esto dependerá del manejo de cada uno de nosotros.

Figura. 6. Primeros pasos en el “tratamiento de la austenita”

Evidentemente, el primero de los pasos sería comenzar a partir de “microconstituyente inicial”, siempre o casi siempre la austenita, e ir modificándola mediante el software elegido para poder cambiar poco a poco su apariencia añadiendo el resto de los microconstituyentes que van generándose a partir de ella. Cuantos más pasos añadamos la animación podrá quedar más realista. En las Figuras 6 a 9 se pueden observar los diferentes pasos en los que podemos abordar el problema. Empleando herramientas básicas como son el borrador y la selección. Cambiaremos secuencialmente las zonas que vayan cambiando dentro de la microestructura. Para esto es necesario conocer perfectamente la génesis de las diferentes fases o microconstituyentes que van apareciendo. Puesto que no es lo mismo que el microconstituyente sea de equilibrio o sea generado por enfriamiento rápido o fuera de equilibrio. Las fases o microconstituyentes de equilibrio suelen aparecer en las zonas de mayor desorden dentro de la estructura, por ejemplo los límites de grano o maclas (en el caso de la austenita). Los microconstituyentes de no equilibrio como el caso de la martensita suelen aparecer a nivel másico puesto que la nucleación está fuertemente impedida, apareciendo instantáneamente en la estructura. Teniendo en cuenta estos conceptos básicos en la mente podremos emplear las herramientas de procesador de imágenes para ir generando la evolución microestructural. Por otro lado, los diferentes programas de tratamiento de imágenes poseen distintas posibilidades en cuanto a la aplicación de texturas (ya sea en su base de datos o importando de archivos o imágenes). En el caso de microconstituyentes como son la perlita, es un microconstituyentes formado por dos fases (ferrita y cementita), su textura es laminar y podremos o tomar una textura perteneciente a la base de datos (Figura 8) o importarla de un archivo de imágenes para poderla unir a la base de datos del programa. En cualquier caso tendremos que decidir si queremos realizar una textura más realista o más esquemática. Este microconstituyente también podrá cambiar morfológicamente en función del grado de enfriamiento que hayamos elegido. Siendo las perlitas finas las que poseen un espaciado menor debido a que la difusión está impedida frente a la nucleación.

Figura. 7. Generación de la ferrita proeutectoide (que nace en los límites de grano de la austenita) mediante borrado de pequeñas zonas, posteriormente se realiza una selección de estas zonas y finalmente un texturado. Para llegar al final de

la zona de transformación en ferrita (hasta un 15% del área total), se debe borrar de nuevo hasta llegar a ese valor.

Figura 8. Según vayamos añadiendo fases borraremos las zonas donde nucleará el nuevo microconstituyente (perlita hasta un 12%). Añadiremos la textura más adecuada

Figura 9. Llegaremos al final del Tratamiento Térmico donde tendremos el total de microconstituyentes: 15% Ferrita + 12% de Perlita + 65% Bainita + 5% Martensita + 3% Austenita Retenida.

Figura 10. Pasos finales para integrar las microestructuras realizadas mediante el Paint-ShopPro dentro de la presentación de Power-Point.

Podremos tener otras opciones como emplear las texturas correspondientes al resto de las micrografías (Figura 5). En otros casos, podremos optar por realizar los dibujos a mano y posteriormente digitalizarlos y en algunas ocasiones podemos encontrarnos microestructuras bastante parecidas nuestro tratamiento, lo cual facilita mucho la labor. Si bien es cierto que la realización de una animación puede ser una labor ardua, puesto que requiere un trabajo previo para la

preparación de las presentaciones, es un esfuerzo mínimo comparado con los resultados que se pueden obtener con el alumnado. Finalmente y una vez grabados los diferentes estadios de la evolución microestructural, se volverá a emplear la presentación de Power-Point, donde colocando distintos marcadores que irán apareciendo mediante animaciones (como inicio y final de campo) y que darán paso a sus correspondientes microestructuras base (Figuras 10 y 11).

Austenización 850ºC - 30 minTamaño de grano = 9

0.280.960.160.0190.0100.280.770.364

%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C

Austenización 850ºC - 30 minTamaño de grano = 9

0.280.960.160.0190.0100.280.770.364

%Mo%Cr%Ni%P%S%Si%Mn%C

Figura 11. Resolución final de las microestructuras de un diagrama CCT para un acero hipoeutectoide.

3. CONCLUSIONES El empleo de animaciones facilita en gran medida la comprensión de los diagramas empleados para los tratamientos térmicos, si bien es cierto que la preparación del material animado supone un tiempo que el docente y/o investigador tiene que invertir pero pensando en la mejora de los resultados del alumnado. Complementar este tipo de presentaciones con la entrega de ejercicios de clase con gráficos –viñetas hace que se fijen las ideas asimiladas durante la clase. Este método ayuda al alumno a mejorar su capacidad para dibujar (e imaginar) la evolución microestructural de diferentes aceros y/o aleaciones. La inclusión de este tipo de animaciones en una herramienta informático-didáctica como la plataforma MOODLE, puede implementar la labor de evaluación del profesor y autoevaluación por parte del alumno. Por extensión la búsqueda en Internet de material relativo a los Tratamientos Térmicos de diferentes aleaciones es totalmente compatible, y recomendable, junto con este tipo de presentaciones. Es necesaria una buena conexión con otros temas como son los diagramas de equilibrio y por supuesto las prácticas de laboratorio, para conseguir los mejores resultados.

REFERENCIAS

[1] Callister, W.D. "Introducción a la Ciencia e Ingeniería de Materiales", Editorial Reverté, 1995. [2] Shackelford, J.F. "Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros". Editorial Prentice Hall. 1998. [3] ASM “Atlas of Isothermal Transformation and Cooling Transformation Diagrams”, Editor H. E. Boyer, ASM,

Metals Park, Ohio, (1977). [4] ASM “Heat Treaters Guide: Standard Practice and Procedure for Steel”, Ed P.M.Unterweiser, H.E.Boyer y

J.J.Kubbs, ASM, Metals Park, Ohio, (1982). [5] Ferrer, C. Amigo, V., Salvador, M.D., Cárcel, A. y Segovia, E.F. “Fundamentos de Ciencia de los Materiales”. Ed.

Universidad Politécnica de Valencia. Colección Libro Docente. 2000. [6] Samuels, L. E., “Optical Microscopy of Carbon Steels”, ASM, Metals Park, Ohio, 1980.