informe metalografía

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES

LABORATORIO DE METALOGRAFÍA

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TABLA DE CONTENIDO

1. Varilla delgada Acero Inoxidable Austenítico 5

Aceros austeníticos serie 200 y 300 7

2. Desarrollo experimental para la caracterización de la muestra 8.

2.1 elección de la muestra 8

2.2 preparación de la muestra 8

2.3 análisis microscópico antes del ataque 9

2.4 análisis microscópico después del ataque 9

2.5 prueba de dureza 10

2.6 identificación de la muestra 10

3. Análisis 10

3.1 primera parte 10

3.2 segunda parte 12

3.3 tercera parte 15

4. Conclusiones 16

5. Bibliografía 17

2



INTRODUCCIÓN

La metalografía es la ciencia basada en el estudio y observación microscópica de las

características físicas, químicas y microestructurales de un metal o aleación, a su vez brinda

los fundamentos esenciales que permiten la caracterización e identificación de estos

materiales y los tratamientos térmicos a los cuales han sido sometidos.

En el proceso de aprendizaje ingenieril, se hace estrictamente necesaria la fusión de los

conocimientos teóricos con los experimentales debido a que ésta es la forma más óptima de

obtener los mejores resultados, en este caso en el estudio de los materiales y su

caracterización.

En el presente informe se muestra la recopilación teórica y práctica que se obtuvo

mediante el estudio y análisis de una muestra metálica obtenida a partir de una varilla

delgada, a la cual se le aplicaron distintas técnicas regidas por las normas ASTM para

finalmente poder descubrir el tipo de aleación; particularmente se dio el caso de un acero

inoxidable austenítico.

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OBJETIVOS

Objetivo general

Realizar los respectivos análisis metalográficos a una muestra de un material

metálico siguiendo los procedimientos vistos en el aula, y distinguir las normas que

los rigen, con el fin de determinar el tipo de material del cual se trata.

Objetivos específicos

Conocer las normas internacionales que se aplican a cada proceso y sus principales

características durante la identificación de piezas.

Aplicar las diferentes técnicas de preparación para muestras metalográficas

siguiendo las normas ASTM E3.

Descubrir las inclusiones no metálicas presentes en el material metálico a analizar a

partir de las normas de inclusiones no metálicas ASTM E45.

Reconocer el procedimiento por medio del cual las muestras son atacadas con el fin

de determinar su microestructura siguiendo las normas internacionales ASTM E407

Determinar el tamaño de la muestra utilizando las tablas regidas por las normas

ASTM E112.

Calcular la dureza del material analizado por medio de la escala Rockwell con la

norma ASTM E18.

Determinar las características de composición química y microestructurales de un

metal o aleación a partir de los ítems analizados.

Determinar si es posible el proceso de fabricación del material a partir de los

análisis microestructurales.

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MARCO TEÓRICOVarilla delgada Acero Inoxidable Austenítico

Los Aceros Inoxidables son una gama de aleaciones que contienen como mínimo 11% de

Cromo, elemento capaz de formar en la superficie del acero una película pasivante,

extremadamente delgada, continua y estable, la cual deja la superficie inerte a las

reacciones químicas, característica por medio de la cual se aumenta la resistencia a la

corrosión en los aceros inoxidables.

El extenso rango de propiedades que ofrecen los hacen muy útiles en la industria, y

dependiendo de las necesidades existen diferentes grupos que se adaptan mejor a cada

necesidad.

Los aceros inoxidables ofrecen resistencia a la corrosión, una adecuada relación resistencia

mecánica - peso, propiedades higiénicas, resistencia a temperaturas elevadas y criogénicas

y valor a largo plazo. Son totalmente reciclables y amigables con el medio ambiente, son

ampliamente utilizados en varios sectores, desde la más sofisticada aplicación industrial

hasta los utensilios domésticos. Contribuyen, de manera indirecta, a satisfacer las

necesidades humanas básicas tales como alimentación, salud, construcción, medio

ambiente, transporte y energía.

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Figura 1. Barra de acero austenítico



Algunos ejemplos de productos fabricados con aceros inoxidables son los equipos de

procesos químicos y petroquímicos, equipos de proceso de alimentos y bebidas, equipos

farmacéuticos, cámaras de combustión, sistemas de escape y filtros automotrices, vagones

de ferrocarril, aplicaciones arquitectónicas y estructurales, mobiliario urbano, paneles de

aislamiento térmico, intercambiadores de calor, tanques y recipientes, barriles de cerveza,

instrumentos quirúrgicos, agujas hipodérmicas, monedas, tarjas, ollas y sartenes, cubiertos,

lavadoras, lavavajillas y utensilios de cocina. También son usados en la industria química y

petroquímica, debido a que ofrecen elevada resistencia a la corrosión y excelentes

propiedades mecánicas así como un bajo costo de mantenimiento. En la industria de

alimentos y bebidas y en la industria farmacéutica, proveen excelentes condiciones de

higiene y duración a largo plazo

Todos los aceros inoxidables tienen alta resistencia a la corrosión, una gran resistencia

mecánica, de al menos dos veces la del acero al carbono, son resistentes a temperaturas

elevadas y a temperaturas criogénicas; Son fáciles de transformar en gran variedad de

productos y tienen una apariencia estética, que puede variar si han sido sometidos a

diferentes tratamientos superficiales para obtener acabado a espejo, satinado, coloreado,

texturizado, etc. No significa que los aceros inoxidables sean indestructibles, sino que con

la secuencia de varios procesos de transformación y mantenimiento, podrán brindar un

mayor rango de propiedades útiles, aun a temperaturas elevadas o demasiado bajas y en

ambientes sumamente corrosivos.

Existen cinco tipos de aceros inoxidables: martensíticos, ferríticos, austeníticos, dúplex, y

los endurecidos por precipitación, divididos en serie 200, 300 ,400 y PH.

-Aceros inoxidables al cromo: serie 400 ferríticos y martensíticos.-Aceros inoxidables endurecidos por precipitación series PH-Aceros austeníticos serie 200 y 300

.

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ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS SERIE 200 Y 300

Los aceros austeníticos forman el grupo principal de aceros inoxidables; la composición

más habitual es 18% Cr y 8% Ni El cromo le proporciona alta resistencia a la corrosión

hasta temperaturas aproximadas de 650°C en una variedad de ambientes y el níquel, y en

menor extensión el manganeso, se adiciona a estos aceros para estabilizar la fase austenítica

en un amplio rango de temperaturas y evitar así su transformación (por ejemplo, aceros

18/8, tipo 304). Se consigue un acero con mejor resistencia a la corrosión añadiendo un 2-

3% de molibdeno, que se suele denominar "acero a prueba de ácidos": (tipo 316). En este

grupo también se incluyen los aceros inoxidables superausteníticos con un contenido de Ni

superior al 20%. Los aceros austeníticos templados por precipitación (PH) tienen estructura

austenítica en estado de solución con tratamiento térmico, y un contenido de Cr >16% y de

Ni >7%, con aprox. 1% de aluminio (Al). Un acero templado por precipitación típico es el

acero 17/7 PH.

Sus propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de

higiene, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar

tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas, tienen alta tenacidad, y buena

formabilidad.

Los tipos más comunes son el AISI 304, 304L, 316, 316L, 310 y 317.

Estos aceros poseen una estructura austenítica compuesta de maclas, con límites de granos

continuos y bien definidos. Estos constituyen la muestra a la cual se le hizo el respectivo

proceso de investigación.

SERIE 200 (CROMO, NIQUEL, MOLIBDENO)

SERIE 300 (CROMO NIQUEL)

7



2. DESARROLLO EXPERIMENTAL PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LA MUESTRA

Figura 2.diagrama procedimiento de caracterización.

2.1 Elección de la muestra: el primer paso fue la elección de la muestra, a partir de la cual

se realizó la respectiva identificación y caracterización. En este caso la pieza escogida fue

una varilla delgada de acero (figura 2a).

2.2 Preparación de la muestra: en esta parte se procedió a seguir una serie de pasos

regidos bajo la norma de preparación de muestras de análisis metalográfico ASTM (E3),

iniciando el corte en el cual se tomó una sección transversal y una longitudinal los cuales se

realizaron a través de un corte convencional con segueta (figura2b) y con discos abrasivos

de marca (Buehler Ltd.) (figura2c). Luego del corte se realizó el montaje de la muestra, la

cual se encontraba completamente limpia, libre de grasas y de suciedad para evitar

8

a b

c

d

e

g

f

h

j

i



interferencias en la adhesión a la baquelita, ya que la muestra fue montada en caliente

(figura 2d) . Este proceso es el que nos facilita el manejo de la muestra en los siguientes

pasos de preparación por ejemplo mientras se realiza el desbaste paso mediante el cual se

pasa la muestra por una serie de lijas de diferentes tamaños que van desde los más gruesos

a los más finos (figura 2e), en este caso se utilizaron lijas de 120, 180, 240, 320, 400, y

600, teniendo en cuenta en girar 90° la dirección de desbaste al cambiar de lija, para evitar

la formación de planos y desaparecer correctamente las líneas y rayones, y así evitar

imperfecciones en la muestra como la deformación plástica, relieves, arranques,

separaciones, comas de cometa, el aplastamiento y la distorsión de bordes. No olvidar el

cuidado especial de la pieza para evitar suciedades. Para dar por finalizada la preparación

de la muestra se realiza el pulido (figura2f), el cual se realiza de forma manual, pasando

por paños de los más gruesos a los más finos y usando alúmina (AL2O3) como abrasivo

uno de 0,3 micras y otro de 0,01 micras, el pulido manual se ha realizado en dirección

contraria al sentido de rotación del disco de pulido. Además la muestra debió ser movida

continuamente acercándola y alejándola desde el centro al borde del disco, asegurando una

distribución igual del abrasivo, y así evitar la aparición de colas de cometa.

2.3 Análisis microestructural antes del ataque: El análisis de la muestra antes del ataque

químico se realizó en un microscopio óptico metalúrgico invertido Olympus GX71 ( figura

2g), por medio del cual se hicieron las tomas de las micrografías a 100x, 200x y 500x para

proceder a realizar el respectivo estudio de las inclusiones no metálicas presentes en la

microestructura, basándose en la norma para inclusiones no metálicas en aceros (ASTM

E45).

2.4 Ataque químico y análisis de la muestra: en este proceso se aplica la norma ASTM

E407. A la hora de realizar el proceso de revelación en la estructura de la muestra se

presentaron varios inconvenientes, debido a que la muestra no fue fácilmente atacada,

primero se intentó con Nital y luego con Vilellas, pero fue en vano, entonces se procedió a

realizar el análisis a través de un proceso electrolítico con ácido oxálico (figura 2h) al cual

se le aplicó primero un voltaje de 2V y una corriente de 1A por aproximadamente treinta

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(30) minutos y una distancia entre ánodo y cátodo de dos (2) centímetros, pero no se obtuvo

los resultados deseados, entonces se atacó la muestra por 1 minutos y 38 segundos más

variando el voltaje a 5V y de esta forma se obtuvo las micrografías en las cuales a través de

las normas ASTM E112 se procedió a calcular el tamaño de grano (figura 2i), cabe resaltar

que la muestra fue desmontada de la baquelita para poder cumplir a cabalidad dicho

procedimiento, y se utilizó una lámina de acero como cátodo para montar el circuito.

2.5 Prueba de dureza:

Esta se realiza con el fin de medir la resistencia del material a ser rayados o penetrados

superficialmente por otros cuerpos. Se realizó de acuerdo a la norma (ASTM E18-08b) es

decir con el dispositivo ROCKWELL (figura 2j) donde el equipo o instrumento mide

automáticamente la profundidad de penetración y la transforma en dureza. Se tomó con la

escala A con 60Kg de carga inicial ya que el material es dúctil. Se tomaron tres (3) medidas

con el fin de tener mayor precisión en la dureza del material cada medición con un espacio

de tres milímetros (3mm) entre cada huella y de ellos se sacó el promedio.

2.6 identificación de la muestra.

Como último proceso se realizó la identificación de la muestra a partir de todos los análisis

previos. Se llegó a la conclusión que se trataba de un acero inoxidable de tipo austenítico.

3. ANÁLISIS DE RESULTADOS

3.1 Primera parte: análisis antes del ataque químico y estudio de las inclusiones no

metálicas basados en la norma ASTM (E45-05). Las inclusiones son elementos extraños a

la matriz metálica que aparecen en los aceros, siendo su presencia muy perjudicial, ya que

reducen las características y propiedades mecánicas de los aceros. Pueden provenir de

escorias, refractarios o de las materias producidas en los procesos de desoxidación y

desulfuración.

La muestra es casi pura. Únicamente contiene algunos óxidos globulares (inclusiones

metálicas tipo D) de severidad 1 tal como se muestra en la figura 3.10 observada en el

10



microscopio metalúrgico invertido a 100x, los óxidos se muestran como puntos aislados de

color oscuro.

Imagen 3.10 Inclusiones no metálicas (aumentada 100x).

Al observar la muestra desde la perspectiva 500x, se observan unos pequeños sulfuros de

Manganeso, los cuales representan el tipo A de las inclusiones según la norma ASTM E45

es plástico, de color gris paloma, se deforma y alarga por forja y laminación. Es menos

perjudicial que los óxidos y silicatos. Se reconocen debido a su forma alargada tal como lo

indica la imagen 3.11, además se observa un óxido, el cual tiene mayor precisión que en la

primer fotografía.

11

Inclusiones de óxidos globulares

Inclusiones de sulfuros de manganeso

Inclusiones de óxidos globulares

Imagen 3,11 .Inclusiones no metálicas (aumentada 500x)



3.2 Segunda parte: análisis metalográfico de la muestra, después de ser sometida a un

ataque electrolítico norma ASTM E407 con ácido oxálico con el objetivo de obtener la

revelación de la microestructura, y la determinación de tamaño de grano basado en la

norma ASTM E112. El ataque electrolítico a las condiciones realizadas promueve la

disolución de los bordes de grano de la austenita en el material; sin embargo la

microestructura obtenida tras el ataque electrolítico, como se observa en la figura 3.20,

devela una matriz compuesta por granos de austenita y la presencia de precipitados

globulares de color negro en la matriz austenítica. La presencia de dichos precipitados es

consecuencia de un proceso de sensibilización, producto de un enfriamiento lento en el

rango de temperaturas de los 425 a 850°C, donde precipita carburo de cromo (Cr23C6);

durante el proceso de fabricación.

En la imagen 3,20 se observa el acero inoxidable austenítico a 100 aumentos cuyo tamaño

de grano según la norma ASTM 112 en comparación con las tablas existentes en el

laboratorio para granos equiaxiales (tabla 3.21) corresponde a la tercera, lo cual es un

tamaño relativamente pequeño.

12

Imagen 3.20 microestructura de la muestra a 100x después del ataque con ácido oxálico.



El tamaño de grano influye significativamente en las propiedades mecánicas, en este caso

un acero de grano pequeño va tener una mayor dureza, una mayor resistencia mecánica

pues las dislocaciones tendrán menor movilidad, ya que los límites de grano sujetan las

dislocaciones impidiendo su movimiento, y esto también hará que el metal tenga una mayor

resistencia a la tracción, un metal de grano pequeño también será menos susceptibles al

agrietamiento y tendrá menor ductilidad y tenacidad, además de buena resistencia a la

fatiga.

Imagen 3.21

Tabla 3.21

(ASTM E112) para la determinación del TAMAÑO DE GRANO

La forma de identificar el acero austenítico, se da debido a la estructura que este presenta.

Primero que todo posee maclas, y sus bordes de grano de alta energía se muestran como

líneas continuas y se hallan muy bien definidos, tal como se puede notar en las

micrografías 3.22, 3.23, 3.24 DE 200X, 500X y 1000x respectivamente las cuales fueron

tomadas en el microscopio óptico metalúrgico invertido Olympus GX71 disponible en el

laboratorio de metalografía de la Universidad Industrial de Santander.

13



.

Imagen 3.24. Acero inoxidable (1000x),

(Micrografía tomada en microscopio óptico metalúrgico invertido olympus GX71).

En la última micrografía mostrada anteriormente de 1000x se puede observar más

claramente las maclas, la definición de los bordes de grano, y además los carburos de

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Micrografía 3.22 200x Micrografía 3.23 500x

Gotas de agua

Maclas

Carburos de CrCr26C3

Carburos de CrCr26C3



Cromo que se forman durante la fabricación del material debido a que ha sido expuesto a

altas temperaturas

3.3 Tercera parte. Dureza de la muestra de acero austenítico según las normas ASTM E18

Como se anotó anteriormente la dureza corresponde a un promedio entre tres valores que

fueron tomados en el durómetro ROCKWELL en la escala A(cono diamante y 60 Kg de

carga). En la tabla 3.30 se muestran los valores obtenidos, y el respectivo promedio que

corresponde 63 HRB.

intentos dureza

1 61

2 63

3 65

promedio 63

Tabla 3.30. Resultados de dureza en escala ROCKWELL A

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Conclusiones

Gracias al estudio realizado de las técnicas de caracterización a partir de las

diversas normas internacionales ASTM, se hizo posible la identificación y el

análisis de las propiedades y características de un acero inoxidable austenítico.

Por medio del proceso regido por las normas ASTM E3 se alcanzó una muy buena

preparación de la muestra, la cual no presento ningún tipo de defecto a excepción de

unas rayas que quedaron después del pulido, pero esto no influyo tanto a la hora de

tomar las micrografías.

A través de las normas ASTM E 45 se determinó que la muestra contenía

impurezas no metálicas que corresponden a óxidos globulares y a sulfuros de

manganeso, aunque en cantidades muy mínimas; además a partir de tablas indicadas

en el laboratorio de metalografía se pudo clasificarlas en cuanto a tamaño y

distribución..

la dureza del acero inoxidable austenítico se realizó por medio del durómetro de

Rockwell en la escala A con un identador de cono de diamante y 60 Kg de carga

inicial siguiendo la norma ASTM E18, esta correspondió a un promedio de 62 HB.

A partir de los datos y observaciones realizadas en el microscopio metalúrgico

invertido, se pudo determinar las características microestructurales de este acero

austenítico de tipo inoxidable; se pudo apreciar sus maclas y los respectivos bordes

de grano con propiedades diferenciales.

Se logró realizar satisfactoriamente los procesos por medio de los cuales se

determinaba la dureza de la muestra, a través de un durómetro ROCKWELL

siguiendo las normas ASTM E18.

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BIBLIOGRAFÍALibros consultados:

Valencia Giraldo, Asdrúbal. Tecnología del tratamiento térmico de los metales. Editorial Universidad de Antioquia

Askeland, D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Ed. International Thomson, 1998.

Normas ASTM (American Society for Testing Materials):

ASTM E112-96 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. ASTM International 2004.

ASTM E45-05. Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International 2005.

Páginas Web consultadas:

Otros

Metalografía (II semestre 2013) Temas de clase (Técnicas de caracterización.pdf ; Clasificación y designación.pdf y Dureza.pdf)

http://www.multimet.net/pdf/clasificacionaceros.pdf http://www.bonnet.es/clasificacionacerinox.pdf http://www.ingefilter.com/pdf/Manual%20Acero%20Inoxidable.pdf

17

http://www.ingefilter.com/pdf/Manual%20Acero%20Inoxidable.pdf

http://www.bonnet.es/clasificacionacerinox.pdf

http://www.multimet.net/pdf/clasificacionaceros.pdf

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