INTRODUCCION

INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALTILLO

ACERO AISI 4140

Caracterizacin Estructural

Catedrtico:M.C Dolores Garca de Len

Alumno: Gua Hernndez Luis Antonio

ContenidoOBJETIVOS3INTRODUCCION4II MARCO TEORICO52.1 Acero52.1.2 Horno de Arco Elctrico62.1.3 Proceso de laminacin de barras de acero72.2 Acero AISI 414082.2.1 Clasificacin82.2.2 Efectos de los elementos de aleacin82.2.3 Composicin Qumica92.2.4 Preparacin de Muestras Metalogrficas9III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL13APLICACIONES ACERO AISI 414016IV MICROESTRUCTURAS17

OBJETIVOS Obtener las habilidades bsicas de caracterizacin (cortar, montar, desbastar, pulir y atacar) en una muestra de acero (AISI 4140). Aprender a utilizar correctamente el equipo de laboratorio necesario para la caracterizacin del material a analizar. Adquirir los conocimientos necesarios para preparar una muestra metalogrfica, partiendo de la teora vista en clase y aplicndola en la prctica de laboratorio. Conocer la microestructura de un acero AISI 4140. Reconocer las fases presentes en el material y relacionar los resultados obtenidos con la bibliografa consultada.

INTRODUCCIONEn el presente trabajo se da a conocer el proceso realizado para la caracterizacin estructural de un de un acero AISI 4140, desde su preparacin metalogrfica; corte, montado, desbaste, pulido, ataque qumico e identificacin de la microestructura revelada. Cada uno de estos pasos del proceso se llevaron a cabo en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnolgico de Saltillo.El acero es un material relativamente fcil para caracterizar, sin embargo, se deben de tomar en cuenta ciertas caractersticas y cuidados para lograr obtener una muestra metalogrfica correctamente caracterizada, de lo contrario, no se podr llegar a los resultados esperados o los mismos sern de una baja calidad.En general, en el presente trabajo, se lograran identificar y describir cada uno de los pasos a seguir para la correcta caracterizacin de una muestra de acero AISI 4140. Los cuidados de higiene y seguridad sern abordados, as como, el uso del instrumental de laboratorio, su cuidado y trato hacia la pieza.Los pasos realizados, los mtodos utilizados, as como, las conclusiones plasmadas y definidas en este trabajo son producto de una base terica fundamentada en el saln de clases y llevada a la prctica bajo la estricta y adecuada supervisin del docente a cargo. El proceso de preparacin de la muestra, corte, pulido y ataque es un proceso que necesita tiempo y dedicacin, debe ser llevado a cabo con paciencia para poder garantizar un trabajo de gran calidad, y de igual manera, un alto grado de veracidad en los resultados obtenidos.

II MARCO TEORICO 2.1 AceroSe reserva el nombre de acero a las aleaciones hierro carbono de entre un 0,008% y 2,11% en peso de carbono, aunque en la prctica sta concentracin raramente excede del 1%. Cuando el porcentaje supera al 2,11% y hasta el 6.67% en peso de carbono la aleacin recibe el nombre de fundicin. Para identificar un acero, hay que tener en cuenta los aleantes que posee y la cantidad de los mismos. Segn IRAM, la forma de identificarlos es mediante un cdigo de cuatro nmeros en el cual los primeros dos indican los aleantes (no carbono) y el segundo par indica el porcentaje de carbono. En el caso de un acero con ms de un 0,99% de carbono el cdigo se extiende a cinco nmeros en el cual los ltimos tres representan la cantidad de carbono.

Cdigos de identificacin de las series de aleacin para aceros, segn los mtodos IRAM - SAE - AISI:

10xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto y Bessemer cidos. 11xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto y Bessemer cidos, azufre alto, fsforo bajo. 12xx Aceros al carbono: bsicos de hogar abierto, azufre alto, fsforo alto. 13xx Magnesio 1,75. 40xx Molibdeno 0.2 o 0.25. 41xx Cromo 0.5, 0.8 o 0.95 y molibdeno 0.12, 0.2 o 0.3. 43xx Nquel 1.83, Cromo 0.5 o 0.8 molibdeno 0.25. 44xx Molibdeno 0.53. 46xx Niquel 0.85 o 1.83 molibdeno 0.2 o 0.25. 47xx Nquel 1.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.2 o 0.35.48xx Nquel 3.5 y molibdeno 0.25. 50xx Cromo 0.4. 51xx Cromo 0.8, 0.88, 0.93, 0.95 o 1. 5xxxx Carbono 1.04 y cromo 1.03 o 1.45. 61xx Cromo 0.6 o 0.95 Vanadio 0.13 o 0.15 mnimo. 86xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.2. 87xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.25. 88xx Nquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.35. 92xx Silicio 2.0. 94bxx Nquel 0.45, cromo 0.4 y molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mnimo.

En este caso, el acero AISI 4140, fue obtenido mediante el procesamiento en un horno elctrico y luego laminado en caliente, procesos que se describen a continuacin.

2.1.2 Horno de Arco ElctricoEl horno de arco elctrico puede tener revestimiento cido o bsico. El revestimiento del fondo no participa en el proceso de refinacin: sirve como recipiente del metal fundido. El casco del horno de arco elctrico est hecho con planchas de acero soldadas o remachadas que forman una estructura reforzada por viguetas o piezas moldeadas. Esta montado en balancines que permite inclinar el horno para la colada. El horno comn tiene dos puertas una para la carga opuesta al cao de colada y otra para el trabajo situada a 90 grados entre ambas. El sistema de electrodos ms usado es el de Heroult que consiste de tres electrodos y tres fases con un solo transformador. El horno tiene un revestimiento de ladrillos de magnesita que cubre todo el fondo y las paredes hasta ms arriba de la seccin expuesta a la escoria. Las paredes del horno elctrico pueden ser de un material cido o bsico, las que se usan en la industria nacional son cidas ya que el mineral de hierro, que en su mayora proviene de Brasil, tambin es cido. Por encima del nivel a que llega la escoria, las paredes suelen ser de ladrillos de slice o de magnesita con forro de metal. El techo es un domo de ladrillos de slice con tres aberturas de 50 cm para los electrodos. Hoy en da se construyen hornos elctricos con techo oscilante, que permite la colocacin de la carga por arriba. Los electrodos suelen ser de carbono no cocido o de grafito, generalmente de este ltimo material.

2.1.3 Proceso de laminacin de barras de aceroLlamamos laminacin al proceso consistente en deformar plsticamente en los metales hacindolos pasar entre cilindros. Al deformar los metales hacindolos pasar entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresin, por efecto del aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por friccin entre los cilindros y el metal. El lingote inicial se transforma en desbastes pesados (blooms) y palanquillas, por laminacin en caliente. Un desbaste pesado o bloom es el primer producto de la laminacin del lingote; suele ser de seccin cuadrada o rectangular, pero el ancho suele ser inferior al doble del espesor y el rea no suele superar los 230 cm2. Con una mayor reduccin en la laminacin en caliente se obtiene la palanquilla, cuya seccin mnima suele ser 15 cm2. Los desbastes se continan laminando en caliente hasta obtener planchas o chapas gruesas, chapa fina, barras varillas, tubos, carriles o perfiles estructurales. Las barras de seccin circular o hexagonal y los perfiles estructurales, como las vigas I, ngulos, rieles, etc., se producen en gran cantidad por laminacin entre cilindros acanalados. Para conseguir producciones elevadas es conveniente acoplar los laminadores en serie de forma que el material pase sucesivamente entre ellos. ste conjunto es lo que propiamente puede llamarse un tren de laminacin, y a cada laminador de los que lo componen se le suele llamar una caja. Un mtodo tpico para reducir una palanquilla cuadrada a una barra redonda consiste en alternar las pasadas a travs de canales de forma oval y cuadrada. Un tren de laminacin de barras se suele denominar tren de redondos o tren comercial.

2.2 Acero AISI 41402.2.1 ClasificacinAcero aleado al cromo molibdeno para temple, de mediana templabilidad. 2.2.2 Efectos de los elementos de aleacinCromo (Cr): El cromo es un elemento de aleacin menos costoso que el nquel y forma carburos simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)3C]. Estos carburos tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro. El cromo es soluble hasta 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el Cr tiende a entrar en solucin incrementando de esta manera, la resistencia y la tenacidad de la ferrita. Molibdeno (Mo): El molibdeno es un elemento de aleacin relativamente costoso, tiene una solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un fuerte formador de carburos. Adems ejerce un fuerte efecto de templabilidad y, de manera semejante al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros con molibdeno son menos susceptibles al fragilizado debido al revenido, que los dems aceros aleados. Los aceros al Cromo-Molibdeno (serie 41xx) son relativamente baratos y poseen buenas caractersticas de endurecido profundo, de ductilidad y de capacidad para soldarse.

2.2.3 Composicin QumicaCarbono (C): 0,38 0,43 Manganeso (Mn): 0,75 1,00 Silicio (Si): 0,20 0,35 Azufre (S): 0,040 mximo Fsforo (P): 0,035 mximo Cromo (Cr): 0,80 1,10 Molibdeno (Mo): 0,15 0,252.2.4 Preparacin de Muestras MetalogrficasEl principal objetivo de la preparacin de una muestra metalogrfica es conseguir una superficial plana y especular. La muestra metalogrficas debe de ser caracterstica de la pieza, o sea, debe de ser representativa a la misma. Para poder iniciar nuestra preparacin es necesario ajustar nuestra pieza a las dimensiones requeridas mediante el proceso de corte. El corte de una muestra depende de las propiedades mecnicas de la pieza , teniendo asi, que para un material dctil se utilizar una segueta, en materiales frgiles se puede emplear un golpe directo de un martillo, mientras que, en materiales que presentar cierta dureza pero que no son tan frgiles se deben emplear discos abrasivos (por lo general SiC o diamante) ya que este tipo de disco abrasivo nos permite provocar un poco cantidad de deformaciones en nuestra muestra, y asi nuestra preparacin ser mucho ms rpida y el resultado tendr una mejor calidad.Los discos abrasivos suelen causar deformaciones en nuestra pieza con una profundidad de hasta 0.1 mm, los discos abrasivos suelen estar formados por los elementos antes mencionados, en forma de polvo y mezclado con algn aglutinante.Dentro de las principales caractersticas que poseen estos discos abrasivos es que debido a su gran dureza, al momento de fracturarse las partculas de sus estructuras cristalinas, estas quedan con bordes muy agudos, propiciando as, un gran filo en estos.En la etapa de montaje, la pieza es incrustada en un soporte. Estos soportes pueden ser desde composicin metlica hasta resinas polimricas, todo con el fin, de sostener firmemente la muestra y facilitar la manipulacin en las etapas de desbaste y pulido. El material en el cual se montar la pieza a preparar debe ser compatible en dureza y resistencia a la abrasin, qumicamente resistente a reactivos de pulidos y ataque.Para preparar el montaje existen diversos tipos de montaje como: montaje mecnico, montaje en caliente, montaje en fro, montaje conductor y montaje para preservar bordes.La etapa de desbaste consiste en eliminar material de la capa superficial de nuestra muestra a preparar, ponindola en contacto con el abrasivo. Esto es para eliminar las deformaciones producidas por la etapa de corte, se busca igualar la profundidad de las marcas dejadas sobre la pieza y posteriormente ir disminuyndolas hasta llegar a una etapa de pulido para poder eliminarlas completamente (dejar nuestra muestra sin rayas)Para lograr un correcto desbaste es necesario seguir una tcnica adecuada, la cual consiste en tomar firmemente la muestra entre los dedos y deslizar nuestra pieza en una sola direccin, de manera tal, que, las lneas marcadas queden a una profundidad uniforme y estn en el mismo sentido, tapando las lneas dejadas por una etapa anterior de desbaste.Se aplana y presiona con una presin moderada (dependiendo del material) sobre la superficie abrasiva, con lo cual, los filos de las partculas abrasivas arrancan el material superficial. Mientras este paso es llevado a cabo es de suma importancia mantener una refrigeracin constante, pudiendo ser un chorro de agua, esto permite evitar el calentamiento de nuestra pieza por friccin y arrastrar las partculas desprendidas por el material. Se lava la probeta y las manos en un chorro de agua para eliminar todas las partculas de abrasivo que hayan quedado adheridas.Para continuar con el desbaste, se procede a una etapa ms fina de pulido. Produciendo rayas en un sentido perpendicular a las producidas en la etapa anterior de desbaste.Este proceso se repite hasta culminar con la ltima etapa del desbaste.Las etapas del desbaste son:1. Desbaste Grueso: 60-350 2. Desbaste Mediano: 350-10003. Desbaste fino: 1000-2200Al iniciar el pulido tendremos que utilizar un abrasivo que ser el agente que nos ayude a eliminar las rayas restantes provocadas por el desbaste. En este caso utilizamos Alumina 1.0. El tiempo del pulido es diferente de material a material, ya que influyen una gran cantidad de factores como es la experiencia, la dedicacin, los cuidados procurados, as como, la capacidad y disponibilidad del equipo e instrumentales. Esta etapa de pulido se debe realizar en un ambiente en ausencia de polvo y dems agentes que pudieran propiciar el maltrato de nuestra pieza.Al igual que en el desbaste en el pulido existen varios tipos, como lo son:1. Pulido Mecnico2. Pulido Semiautomtico3. Pulido AutomticoEl tipo de pulido a elegir va de la mano con el tipo de material y las condiciones de trabajo. La tcnica para el pulido consiste en sostener firmemente la muestra en nuestras manos, as como en el desbaste, y moverla en crculos sobre el pao de pulido con una presin muy ligera para evitar as provocar ms rayas en la probeta.Los diferentes paos de pulido son:1. De pelo largo (terciopelo, algodn)2. De pelo mediano (pao de mesa de billar, pao de lana)3. De pelo liso (nylon)Una vez culminado la etapa de desbaste y pulido, y ya que nuestra muestra se encuentra plana y especular se procede a un ataque qumico, con este ataque qumico se logra evidenciar la microestructura de nuestra pieza.Al realizar el ataque por inmersin, la probeta queda suspendida con la superficie pulida hacia abajo y dentro del reactivo, la muestra es sujetada con los dedos o con unas pinzas. La muestra se agita levemente evitando as provocar rayas en la superficie pulida de la misma. Al terminar la inmersin se puede observar un cambio en la tonalidad de la superficie pulida lo que nos indica que el ataque est progresando.Al terminar el ataque qumico, se sumerge de manera inmediata en un chorro de agua caliente para eliminar la accin del reactivo sobre la muestra. Despus de este lavado se debe dar un bao de alcohol etlico para proteger la pieza de los efectos de corrosin.En el microscopio ptico se emplea un reflejo de luz sobre la muestra especular. De la fuente luminosa sale un haz horizontal de rayos, el cual despus de ser reflejado por un vidrio semitransparente pasa del objetivo e incide en la muestra. Parte de esa luz es reflejada por una muestra, pasa por fe nuevo por el objetivo y forma una imagen.Objetivos microscpicos: el objetivo es el que tiene mayor influencia en la calidad y nitidez de la imagen. A fin de que la calidad y nitidez de la imagen no sufra ningn deterioro es absolutamente necesario que el objetivo tenga una gran calidad mecnica y ptica, esto es que no tengan sus lentes burbujas de aire, rayones, des uniformidades de espesores o defectos de este tipo que puedan causar distorsin de la imagen y adems que sean pticamente correctos para disminuir al mximo las aberraciones.Existen objetivos: acromticos, semiapocromaticos, apocromticos y monocromticos. El tubo metlico que contiene a las lentes indicndose con un nmero y una X por ejemplo 5X, 10 X, 100X. Cada lente tiene una distancia focal y el conjunto de lentes tambin poseen una distancia focal. Existe una relacin entre la distancia focal y el nmero de aumentos y esta relacin es a mayor aumento, menor distancia focal y viceversa.Oculares microscpicos: Es un sistema de lentes que aumenta en tamao la imagen primaria que es producida por el objetivo y que la hace visible en forma de imagen virtual o la proyecta como una imagen real como en el caso de la fotomicrografa. Tambin tienen un numero de aumentos propio que vienen marcado en su montura como un numero seguido de una X y ser el nmero de veces que esta aumentada la imagen virtual.La misin de la platina es mantener la muestra en el plano focal del objetivo para mantener un enfoque correcto, son de dos formas: normal e invertida. l condensador es una placa de vidrio o lente que tiene dos funciones: colmenar la luz que proviene de la fuente de tal manera que el haz tenga el tamao requerido y asegura una iluminacin uniforme de la muestra. El diafragma de apertura regula la intensidad de la iluminacin que entra al condensador. El diafragma de campo disminuye las difusiones y reflexiones internas de la luz, lo cual se mejorara el contaste de la imagen. Las fuentes luminosas que se empleen deben poseer una intensidad suficiente, tal que la imagen final sea de una brillantez razonable hay lmparas de filamento de tungsteno, de acero de Carbono, vapor de Mercurio, Xenn y vapor de Zirconio. III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se obtuvo una pieza de acero AISI 4140 (figura 3.1)Se le hizo un corte transversal con un disco de carburo de silicio en una cortadora BUEHLER SAMPLEMET 2 (Figura 3.2). Se le aplico presin moderada para evitar una gran deformacin. Esto fue a pesar de que la pieza ya vena muy maltratada por un proceso anterior de corte muy brusco.

Figura 3.2 Cortadora BUEHLER SAMPLEMET 2 ubicada en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnolgico de Saltillo

Despus de esta etapa de corte, la pieza fue montada en una montadora BUEHLER SIMPLIMET 2 MOUNTING PRESS MANUAL (figura 3.3) con 25 gramos de baquelita negra con un ciclo a 15 min. Cabe destacar que debido a fallas mecnicas, la baquelita no qued debidamente curada, por lo que, se procedi al desmonte de la pieza.

Figura 3.3 Montadora BUEHLER SIMPLIMET 2 MOUNTING PRESS MANUAL ubicada en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnolgico de SaltilloDespus de finalizado el proceso de montaje, se continu la etapa de desbaste en una maquina desbastadora automtica METON FORCIPOL 2V GRINDER-POLISHER (Figura 3.4)

Figura 3.4 Desbastadora de 2 discos METON FORCIPOL 2V GRINDER-POLISHERSe procedi a iniciar el desbaste de la muestra metalogrfica con abrasivo de SiC especial para Aceros/Hierros, iniciando el proceso de desbaste en una lija 60 y culminando en una lija 2000. En este proceso se colocaba la muestra de la pieza de manera firme sobre el disco y al terminar el proceso en dicha lija, se rotaba 90 la pieza y se proceda a un desbaste ms fino. Al terminar el proceso de desbaste, la pieza fue lavada y baada en alcohol etlico.La pieza en esta etapa del proceso, estaba plana pero aun no tena el acabado especular necesario, por lo cual, se procedi al uso de un pulido grueso, utilizando Alumina a 1.0 y aplicando una presin casi imperceptible sobre el pao, ya que, este material es muy fcil de rayar.Despus de una verificacin se decida si se continuaba o se daba por terminada la etapa de pulido, despus de muchos problemas por la presencia de rayas y de un tiempo aproximado de 16 horas se termin el pulido. El pulido de esta pieza fue realizado en su totalidad con un pao grueso y Alumina 1.0, se desisti de pasar al pao fino, ya que, al intentar el pulido de esta pieza el pao se encontraba contaminado, lo que nos provoc rayas indeseadas en el material y aument el tiempo de pulido. Una vez establecida la ausencia de rayas en nuestro material mediante la observacin en microscopio, a 20 y 50X, sin embargo, a estos aumentos se observaron campos de la pieza con rayas muy profundas, las cuales a pesar del esfuerzo de pulido no pudieron ser removidas, por lo tanto, se decidi se decidi enfocarse en los campos con una mejor preparacin y libre de rayas para poder lograr una microscopia adecuada. Una vez tomadas estas decisiones se procedi a iniciar el ataque qumico.A los efectos de revelar la estructura metalogrfica se atac la superficie de las muestra con Nital, por inmersin durante entre 10 y 20 segundos. El Nital es un reactivo que se utiliza en aceros al carbono, de baja y de media aleacin. Est compuesto por cido ntrico al 2 % en alcohol metlico o etlico. Revela la estructura general, oscurece los bordes de grano, tanto la perlita como la cementita aisladas aparecen blancas y diferencia la ferrita de la martensita. Para seleccionar el cido se consult la Norma ASTM standards, parte I - B, 1946

Se sumergi la muestra en la solucin, esperando el tiempo indicado y bajo la aprobacin del docente supervisor de la accin realizada se procedi a la observacin bajo microscopio de nuestra pieza.

APLICACIONES ACERO AISI 4140El acero AISI 4140 es un miembro de la familia de aceros de herramientas de baja aleacin, caracterizado por pequeas cantidades de oligoelementos aadidos a un acero de otro modo simple. Estos oligoelementos, cuando se comparan con el acero ms simple tal como el 1040, mejoran las caractersticas del 4140. Sin embargo, debido a que el 4140 permanece relativamente simple, es utilizado en una gama ms amplia de aplicaciones de aceros de herramientas ms especializadas.Ya que el AISI 4140 es un acero moderadamente simple con un alto grado de dureza y resistencia a la traccin, es til para aplicaciones mecanizadas como engranajes, pernos y sujetadores. El costo ms bajo debido a la qumica simple, junto con las propiedades fsicas tambin hacen que sea una buena opcin para los ejes, rboles y componentes estructurales. Sin embargo, dado que el acero tiene un contenido de carbono menor que otros aceros, no se endurece en el mismo grado. Esto hace los bordes duros y afilados, como aqullos encontrados en los cuchillos, complicados. Este es uno de los aceros con alta templabilidad al aceite, su alto contenido en cromo le da dureza y su contenido en molibdeno la distribuye uniformemente y da una alta resistencia. Sus aplicaciones pueden ser perforadoras, cortadoras, tornillos, coples, mesas rotatorias y en ruedas, vlvulas, tornillos de temperatura, ruedas dentadas, pistones, eslabones, etc.IV MICROESTRUCTURAS

Figura 4.1 Metalografa de un acero bajo en carbono. Los granos oscuros son de ferrita (a) los granos claros son de perlita (b). Los granos de perlita estn formados por laminillas blancas (cementita) y oscuras (ferrita)

Figura 4.2 Cuatro metalografas de acero de bajo, medio y alto carbono. La perlita es escasa en los aceros de bajo carbono y aumenta hasta ocupar casi todo el espacio en los aceros de alto carbono.

Figura 4.3 Red cristalina BCC de la fase de ferrita del acero. El tomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos ms grandes que quedan entre los tomos de hierro. La ferrita acepta muy poco carbono en su interior

Figura 4.4 Red cristalina FCC de la fase austenitica del acero. En este caso los tomos de carbono se acomodan en el centro de las aristas del cubo. La austenita puede aceptar hasta el 2% en masa de carbono

Figura 4.5 Red cristalina BCC de la fase martensita. El carbono queda atrapado en una posicin donde no cabe en la red BCC producindose una distorsin elstica.

VI BIBLIOGRAFIA

http://materias.fi.uba.ar/6713/Caracteristicas%20del%20acero%20IRAM%204140.pdf

http://materias.fi.uba.ar/6715/Material_archivos/Material%20complementario%2067.17/Aceros.pdf

http://www.ehowenespanol.com/especificaciones-del-acero-4140-lista_89834/

http://www.ferrecepsa.com.mx/grados-acero-sae-4140.php

http://sisa1.com.mx/pdf/Acero%20SISA%204140R.pdf

ASTM standards, parte I - B, 1946

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