UNIVERSIDAD DEL NORTE

DIVISION DE INGENIERIAS

DEPTO. DE ING. MECANICA

INGENIERIA DE MATERIALES

IDENTIFICACION DE FASES EN MATERIALES ALEADOS POR MEDIO DE ANALISIS METALOGRAFICO.

AUTORES:

ARJONA NIETO SERGIO

ORTEGA OCHOA CHRISTIAN

LABORATORIO DE INGENIERIA DE MATERIALES

B/QUILLA, JUNIO DEL 2010

1

CONTENIDO

Pág.

Tabla de contenido………….…………………………………………………………………i

Listado de tablas y cuadros …………………………………………………………………ii

Listado de figuras ……………………………………………………………………………iii

Listado de Símbolos, Siglas y Abreviaturas………………………………………………iv

Introducción………………………………………………………………………………...…v

2. Marco teórico………………………………………………………………………………… 7

2.1. Materiales y equipos usados………….………………………………..….

……….........13

2.2. Descripción de la experiencia……………………………………………..…………….20

2.3. Resultados ……..….……………………………………………………..….……………..24

2.4. Discusión de los resultados …………………………………………………….……….28

3. Conclusiones………..…………………………………………………………….…………29

3.2. Recomendaciones…………………………………………..........................................30

3.3. Bibliografía recomendada ……..……...……………………….................................31

3.4. Anexos…..…..……………………………………………………………………….…….32

2

LISTADO DE TABLAS

Pág.

Tabla No 1 Normas seleccionadas para los ensayos de metalografía………………. 5

Tabla No 2. Reactivos más comunes que se utilizan en el ataque químico de una muestra para su examen microscópico ……………………………………………..…..10

3

LISTADOS DE FIGURAS

Pág.

Figura No1 Clasificación de tamaños de grano ………………………………..10

Figura No2 Cortadora metalografía………………………………………….….11

Figura No3 Montaje de la muestra en resina……………………………………11

Figura No4 y Figura No5 Desbaste con lijas……………………………………12

Figura No6 Pulido…………………………………………………………………..13

Figura No 7 Compuestos para ataques químicos……………………….………14

Figura No 8 Microscopio mecanográfico………………………………….….…15

Figura No 9 Papeles para esmerilado manual…………………………………25

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SIMBOLOS, ABREVIATURAS Y SIGLAS

C: Carbono

Plg: Pulgadas

Cm: centímetros

A: área

mm: milímetros (Dimensión de la huella)

°C: grados centígrados

°K: grados kelvin

ASTME 407: Standard Practice for Microetching Metals and Alloys

AISI: American Iron and Steel Institute

Carga aplicada: P (Kgf)

HV: Hard Vicker,

HB: Dureza Brinell,

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INTRODUCCION

En el siguiente ensayo de ingeniería de materiales buscamos analizar y detallar de forma experimental en el laboratorio las fases de materiales aleados por medio de la metalografía. Comenzamos la experiencia con el ensayo metalográfico de la pieza. Con el ensayo de los materiales deben determinarse y verificar las propiedades, y características mas importantes y así establecer el comportamiento de aquellos bajo la acción de las influencias externas. El propósito de la preparación de muestras metalografías, es producir una superficie pulida que represente una micro estructura especifica que pueda ser observada a través del microscopio. Todas estas pruebas tienen como objetivo conocer y diferenciar las distintas estructuras superficiales de cada parte del clavo.

Los objetivos principales son en principio la preparación de probetas para análisis metalográfico, y hacer algunas observaciones elementales en el microscopio. Podremos observar la microestructura de los distintos materiales aleados para identificar las fases presentes y los tratamientos térmicos aplicados a la muestra. Debemos relacionar las características microestructurales de un metal o aleación con sus propiedades mecánicas. Es importante determinar los factores de los cuales depende el cambio de fases sobre estas aleaciones y conocer su influencia sobre las propiedades mecánicas de este.

La metodología utilizada fue de manera experimental, trabajo en laboratorio, análisis de cada muestra individual haciendo uso de las respectivas herramientas hicimos ensayos de metalografía.

En donde se pretende evaluar en forma crítica la importancia de la metalografía en la caracterización de los materiales de ingeniería, iniciar en los principios y cuidados que rigen la preparación de probetas para análisis metalográficos e identificar mediante observación microscópica la microestructura del material que se va a estudiar conociendo las fases presentes y los tratamientos térmicos aplicados a la muestra.

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MARCO TEORICO

El trabajo en frío significa la conformación de un metal a baja temperatura (por lo general, la temperatura del ambiente). En contraste con las piezas producidas por el trabajo en caliente, las que se labran en frío tienen un acabado nuevo brillante, son más exactas y requieren menos maquinado.

Las barras terminadas en frío se producen por rolado, estirado, torneado, esmerilado y pulimentado. Con mucho el mayor porcentaje de productos se elaboran por procesos de laminado y estirado en frío.

Muchas formas diferentes de barras laminadas o roladas en caliente pueden ser empleadas para el estirado en frío.

El rolado y el estirado en frío tienen el mismo efecto sobre las propiedades mecánicas. El labrado en frío da por resultado un gran incremento en la resistencia de fluencia, acrecienta la resistencia última y la dureza, y disminuya la ductilidad.

Figura 1. Gráfica del efecto porcentual de trabajo en frio (CW) VS Resistencia a la fluencia

(Rσ) sobre un material. (Grafica tomada del Texto Ciencia e ingeniería de los materiales Askeland 3ra Edición.)

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El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas.

Se emplea para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtienen aceros más mecanizadles. Evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre 600 y 700 °C. El enfriamiento es lento.

ACERO PARA TRABAJO EN FRIO PROPIEDADES

El trabajo en frío de los metales se realiza en o cerca de la temperatura ambiente para que la ventaja de una la resistencia a la cedencia reducida, o la presión del forjado, acompañada de elevadas temperaturas no están disponibles para ayudar en la operación de formado. Adicionalmente, los metales “con trabajo de endurecimiento”, es decir, que aumentan la resistencia a la cedencia, durante la deformación a bajas temperaturas, añaden aún más al trabajo necesario para alcanzar la forma deseada. El atractivo de formar de frío, además de los ahorros obvios del costo cuando no se requiere calor, es la mayor precisión dimensional que se puede lograr generalmente, ya que no hay la necesidad de ajustar la contracción ni la deformación térmica o distorsión, una vez que se complete el formado. Y a menudo así como importante, las partes de metal trabajadas en frío evitan también la decoloración (oxidación) de la superficie que ocurre en temperaturas más altas, así que la parte puede ser presentable a la venta y posible servicio sin un proceso posterior. La desventaja de este proceso es que es muy duro (60 Rockwell C), los aceros para dados con elevada resistencia a la abrasión, son requeridos a resistir las demandas de trabajo en frío. Con tal énfasis en la resistencia de abrasión, la dureza de loa aceros para dados de elevada dureza son generalmente muy quebradizos. La selección de aceros para dados para trabajo en frío ofrecidos por FINKL, trabajar de frío muere aceros ofrecieron por A. Finkl & Hijos S.A. son de grado “moderado” que proporcionan algún grado de dureza a la fractura sobre un exclusivo enfoque en la resistencia a la abrasión.

La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La micro estructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.

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136 ° F

d 1

d 2

F

d 1

d 2

DUREZA.

La dureza de un material se define como la resistencia, cuantificada, que opone un cuerpo a la penetración de otro cuerpo mas duro. Algunos autores definen también la dureza como resistencia al rayado, resistencia al desgaste o a la penetración, o como resistencia a la aplicación de pequeñas cargas de impacto que solamente afectan la superficie del material.La dureza de los materiales fue medida en principio como la resistencia al rayado y la forma de registrar su valor fue establecida por Mohs, quien creó una tabla de diez minerales escogidos sin ningún patrón conocido y clasificados de menor a mayor dureza.

ENSAYO VICKERS

El ensayo de dureza Vickers es, un ensayo cuyo objetivo es la determinación de la superficie lateral, S, de la huella. El penetrador es una pirámide de diamante de base cuadrada, cuyo ángulo en el vértice es de 136°.

En este ensayo, se hace entrar el penetrador de diamante sobre la superficie de una probeta y se miden las diagonales d 1 y d 2 de la impresión que queda en tal superficie luego de retirada la carga de ensayo, F, como se muestra en la Figura 1.

136º →F

Figura 1. Esquema del ensayo de dureza Vickers

La dureza Vickers viene definida por la relación: HV = F/S

Expresando el área de la huella en función de la diagonal, el número de Vickers se calcula por la siguiente expresión:

Donde F debe ser expresada en Kgf.

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640 HV 30 / 20

Dureza Vickersen Kgf/mm2, calculado con la expresión H V N

Magnitud de la carga en Kgf

Tiempo de aplicación de carga en segundos

El número de dureza Vickers se denota como se muestra en el siguiente ejemplo:

Figura 2. Grafica de Dureza VS Alargamiento. (Tomada del texto ensayos mecánicos

2da Edición.)

Tabla 1. Comparación de ensayos de dureza típicos. (Tabla tomada del texto Ciencia e ingeniería de los materiales Askeland 3ra Edición.)

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Normalizado

El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y unas características tecnológicas que se consideran el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple.

Perlita

Se denomina perlita a la micro estructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.

La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen.

Hay dos tipos de perlita:

Perlita fina: dura y resistente.

Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

Martensita

Es una fase metaestable de estructura tetragonal, obtenida por un enfriamiento brusco de una solución sólida intersticial y que se forma mediante un movimiento de cizalladura en la red. Osmod (1902) la describía así: "(al observar al microscopio)... pueden verse agujas o fibras rectilíneas aún más finas orientadas en direcciones paralelas y separadas o no por una matriz de apariencia granular o vermicular". Debe añadirse que dichas agujas aparecen sólo claramente cuando el porcentaje de carbono es alto siendo en otro caso la apariencia más parecida a hebras de paja amontonada. Su dureza depende del porcentaje de carbono que tenga en solución y está comprendida entre 25 y 67 HRC, aproximadamente.

Ferrita

Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). Es ferromagnético siendo su temperatura de Curie 768ºC. A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta. La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar

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hasta 24 términos descriptivos de la misma. Sin embargo, son dos las morfologías que conviene destacar (Fig. 1): Morfología equiaxial y (fig. 2): estructura de Widmanstätten.

Cementita

Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente más duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. También la morfología de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras típicas. Se consideran las siguientes en los aceros:

· Cementita secundaria

· Cementita eutectoide

· Cementita terciaria

En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (fig. 1). También, aparece como consecuencia de una precipitación en estado sólido en aceros con muy poco carbono, como consecuencia de la disminución de la solubilidad del mismo por debajo de la temperatura de transformación eutectoide. Se conoce como cementita terciaria.

La cementita no libre, únicamente aparece asociada a la ferrita, como láminas finas alternadas de una y otra, cuyo agregado se conoce como perlita. Son también destacables las formas que la cementita adopta como la esferoidita.

Austenita

Es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Esta formado por una disolución solida del carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil, blanda y tenaz.

Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. También se le conoce como austerita. Admite el temple, mas no es magnético.

La estructura cristalina de la austenita es del tipo cúbica, de caras centradas, en donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios, hasta un máximo tal como lo muestra el diagrama de fase Fe-C. Esta estructura permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de carburación del acero. La solubilidad máxima es sólo del 1.67%. Hay que recordar que por definición los aceros contienen menos de 1.67% de carbono y pueden tener disuelto el carbono completamente a altas temperaturas.

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La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en aceros fuertemente aleados como algunos inoxidables. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 ºC, cuando la fase austenítica es estable.

Finalmente, a diferencia de la ferrita, la austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura.

Grafito

El grafito es una aleación entre el carbono y el diamante, a presiones atmosféricas y a temperatura ambiente, es de color negro y se exfolia muy fácilmente, es un material polimorfo.

Latón amarillo

Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 30-45% de zinc, y

se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y

candelabros. Las aleaciones de cobre-zinc con menos de 40% de zinc forman soluciones solidas

monofásicas de zinc en cobre en condiciones estables.

Los latones de acuerdo a los elementos minoritarios que intervengan en la aleación son

maleables únicamente en frío, otros sólo en caliente, y algunos no lo son a ninguna

temperatura. Todos los tipos de esta aleación se vuelven quebradizos cuando se calientan a una

temperatura próxima al punto de fusión. El latón es más duro que el cobre, pero fácil de

mecanizar, grabar y fundir, es resistente a la oxidación, a las condiciones salinas y es dúctil

por lo que puede laminarse en planchas finas. Su maleabilidad varía según la composición y la

temperatura, y es distinta si se mezcla con otros metales, incluso en cantidades mínimas. Los

latones amarillos no son templables es decir no se endurecen por tratamiento térmico sino por

deformación plástica.

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MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Dentro de los materiales que usamos para la preparación de la muestra encontramos los siguientes:

La resina que era el molde transparente que contenía las muestras de los clavos respectivos compuesta por sustancias de emulsión las cuales las mezclábamos en un embase y las colocábamos en moldes, sus características es que es ligera y nos ofrece resistencia para la conservación de nuestras probetas a examinar.

Clavo: Una barra delgada y puntiaguda, que se inserta en tablas, paredes y tabiques con un martillo. Este clavo de cabeza plana, se usa para ensamble de madera con piezas de un espesor fijo.

Papel abrasivo (lija) No. 100 hasta 600, para alinear la superficie de la probeta girándola por cada lija 90 grados y así llegar al máximo pulido a mano.

Algodón: para proteger y secar la probeta y contenerla ante el oxido abrasivo del ambiente.

Nital: es una sustancia química que usamos para realizar el ataque químico y así poder observar con más facilidad con el microscopio la estructura de la pieza.

Los equipos asociados al ensayo de metalografía se encuentran en el laboratorio deMetalografía y son los siguientes:

Pulidor fino: La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado con partículas abrasivas seleccionadas en su tamaño.

Microscopio óptico donde observamos la estructura del material, las fibras organizadas gracias al trabajo con pulido y rayado, a la contribución del ataque químico. Gracias a este mirábamos si la pieza estaba apta para completar la experiencia.

Micro durómetro vickers: el cual ya venia incorporada en el microscopio óptico el cual el monitor nos enseño a usar consistía en dejar una huella con punta de piramidal en la pieza, medimos la longitud dejada y así buscamos la norma y encontramos la dureza de la probeta respectiva.

Secador: lo usamos para el secado rápido de la probeta cuando se le hacia el enjuague necesita un secado rápido para evitar el oxido.

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La Metalografía

Preparación de la muestra de un material mediante pulido y ataque químico, de forma que su estructura pueda ser examinada utilizando un microscopio.

Una metalografía consiste en realizar un estudio de la microestructura del material. Además que una vez realizada, conoceremos ciertas características de la aleación como lo es: el tamaño de grano, los granos de frontera, la fase o fases características de la aleación, entre otros.

El procedimiento para llevar a cabo una metalografía es el siguiente:

1. PREPARACION DE LA MUESTRAEl análisis metalográfico comprende las siguientes etapas:

Selección y corte de la muestra Montaje de la muestra Esmerilado o desbaste Pulido Ataque químico Observación microscópica

1.1 Selección y corte de la muestraSe debe seleccionar una muestra lo más representativa posible del material. Por ejemplo: si es una falla lo que se pretende analizar, se debe tomar el área mas cercana a ella y otra de una área sana para comparar; si solo se requiere conocer cual es el estado de tratamiento térmico del material, es recomendable seleccionar la muestra de aquel lugar donde se realizó el tratamiento; si es una soldadura, debe tomarse el límite entre la soldadura y el metal base.El tamaño óptimo de la probeta debe ser tal que pueda sostenerse con la mano durante su preparación (una pulgada de diámetro por una pulgada de altura). Sin embargo, en algunos casos es difícil extraer una muestra lo suficientemente grande del metal.

Figura 2. Cortadora metalografía.

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1.2 Montaje de la muestraPara que el manejo de la muestra sea más sencillo y seguro, y además que al pulir no se pierda nada de las fronteras de la pieza, se acostumbra a montarlas. El montaje de las muestras se hace en materiales plásticos sintéticos conocidas como resinas tales como bakelita, lucita, o acrílico isotérmico que después del moldeo son relativamente duros y resistentes a la corrosión y no causan empastamiento de los papeles abrasivos durante el esmerilado y pulido.

Figura 3. Montaje de la muestra en resina

1.3 Esmerilado o desbasteEl esmerilado es la operación siguiente al corte y al montaje de la probeta y se efectúa sobre papeles abrasivos (lijas) de diferentes grados. Se aconseja pasar la probeta por toda la serie de lijas: 100, 240, 320, 400, y 600. Al pasar de un abrasivo a otro, debe girarse la probeta 90 grados y desbastar hasta que se borren por completo las huellas del abrasivo anterior, teniendo siempre el cuidado de lavar la probeta con agua abundante para eliminar los residuos que quedan del paso anterior. Una presión excesiva sobre el papel abrasivo puede causar rayas profundas y difíciles de eliminar posteriormente, además se provoca una distorsión intensa sobre el metal de la superficie, alterando el aspecto de la estructura. Esta distorsión no se puede evitar completamente pero puede reducirse mediante técnicas adecuadas de esmerilado. Conviene emplear un papel nuevo para cada probeta, los papeles usados se emplean para finalidades específicas porque sus partículas abrasivas desgastadas tienden a producir distorsión del metal superficial, además si sobre un papel se ha desbastado un acero templado, pueden quedar sobre él partículas muy finas y producir rayas profundas y anchas al emplearlo después para preparar un material blando como latón o aluminio. También debe tenerse en cuenta que la superficie opuesta de la probeta debe ser paralela para facilitar el soporte en el microscopio.

Figura 4. Explicación del Desbaste con ángulo de giro de 90 grados.

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Figura 5. Desbaste con lijas.

Figura 11. Papeles para esmerilado manual.

1.4 PulidoEl pulido tiene por objeto, eliminar las rayas finas producidas en la última operación del esmerilado y conseguir así una superficie sin rayas y con alto pulimento a espejo. El éxito del pulido y el tiempo empleado en la operación, depende en gran parte del cuidado con que se haya realizado el esmerilado. Si una probeta tiene rayas profundas que no se han eliminado en las últimas operaciones de esmerilado, no podrán ser eliminadas durante el pulido con pérdida de tiempo y trabajo.La forma de realizar el pulido es, apoyando la cara desbastada de la probeta sobre un paño embebido con una suspensión o polvo de abrasivo y fijado a un disco que gira accionado por un motor. Algunas consideraciones para tener en cuenta durante el pulido de la probeta son: La presión a aplicar sobre la probeta, depende de la dureza de la aleación y debe

disminuirse a medida que avanza el pulido, deberá ser tal que se logre hacer desaparecer en unos pocos minutos las rayas del último papel (600) cuidando de no excederse en la presión por el peligro de desgarramiento del paño.

Durante la operación del pulido, la probeta deberá desplazarse en la dirección del radio, desde el borde hasta el centro del disco.

Debe lavarse la probeta en un chorro de agua caliente, secar con la ayuda de un secador, sin tocar la cara pulida, enjuagarla con alcohol y secarla finalmente con aire seco o caliente.

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Observar en el microscopio a 100 aumentos; si persisten las rayas provenientes del desbaste en el último papel, continuar con el pulido en la forma ya descrita, todo el tiempo que sea necesario para que éstas desaparezcan.

La combinación adecuada de estas variables, permitirá alcanzar un óptimo pulido, aunque difícilmente se logre evitar algo de distorsión.

Figura 6. Pulido

1.5 Ataque QuímicoAntes de atacar la probeta debe enjuagarse para eliminar el exceso de suspensión del paso anterior y posteriormente secarse con aire caliente. Para el ataque, se humedece un pedazo de algodón con el ácido de ataque y luego se frota suavemente contra la cara pulida de la probeta hasta lograr el ataque en toda la superficie de la misma, luego se lava con agua y se seca. Mediante el ataque es posible poner de manifiesto el tamaño, forma y distribución del grano (fases o microconstituyentes), las heterogeneidades en la estructura y las segregaciones.

Figura 7. Compuestos para ataques químicos

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Tabla 1. Reactivos mas comunes que se utilizan en el ataque químico de una muestra para su examen microscópico (pagina 134 libros de ciencia e ingeniería de materiales

askeland)

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1.6 Observación MicroscópicaEl microscopio metalográfico está formado por: Banco óptico, aparato para la iluminación de la probeta, objetivo, ocular para la observación directa y cámara fotográfica. El aumento total (X) del microscopio, está dado por el producto del aumento del ocular y el aumento del objetivo. La observación microscópica de la probeta pulida sin atacar, permite reconocer la presencia de inclusiones no metálicas como sulfuros, silicatos, aluminatos, óxidos, microporosidades, microgrietas, y grafito.La observación microscópica de la probeta pulida atacada, permite observar el tamaño, forma y distribución del grano (fases o microconstituyentes), las heterogeneidades en la estructura y las segregaciones.

Figura 8. Microscopio metalográfico

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DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA

La secuencia metodológica para el desarrollo de la práctica de laboratorio es:

Realizar la preparación de la muestra: el estudiante debe realizar el montaje en resina de la muestra (si se requiere), esmerilar, pulir y atacar con nital la superficie objeto de estudio.

Lijamos las muestras con lijas de 100 a 600. Más tarde con las pulidoras a una velocidad constante de 130 pulíamos la pieza

hasta que tomara una superficie brillante que caracteriza a los metales. Con la ayuda del asistente de laboratorio, el estudiante debe analizar las imágenes

obtenidas de la observación microscópica de la superficie preparada y mide la longitud de la huella con el software respectivo.

Se hace el ataque químico para poner en evidencia la estructura del metal o aleación y así observar con más facilidad la estructura del material.

Realizar las pruebas de microdureza sobre las muestras preparadas. Finalmente el estudiante debe presentar el correspondiente informe de laboratorio

sobre la práctica desarrollada, de acuerdo con los parámetros planteados por el profesor para la entrega de informes.

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NORMAS DEL ENSAYO

La siguiente es una recopilación de normas para los diferentes ensayos de metalografía y análisis de imágenes metalográficas existentes a nivel industrial, dichas normas corresponden a las normas ASTM e ICONTEC:

Norma No Titulo de la norma

ASTM E3 Standard Practice for Preparation of Metallographic Specimens

ASTM E407

Standard practice for microetching metals and alloys

ASTM E340

Test method for macroetching metals and alloys

Tabla 2. Normas seleccionadas para los ensayos de metalografía.

E3-01(2007)e1 Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens

Developed by Subcommittee: E04.01

Index Terms: alloys grinding metallography metals mounting polishing sectioning specimen preparation (metallographic) Cleaning agents/processes Electropolishing Etching (materials/process) Grinding materials/operations Inclusions--metals/alloys Metallographic analysis/inspection Metallurgical materials/applications Metals and metallic materials--inclusion rating Microscopic examination--metals/alloys Mounting materials Polishing Sample preparation--metals/alloys Sampling ferrous alloys Specimen preparation (for testing)--metals/alloys Structural metals/alloysISO Classification Number: 77.040.99 (Other methods of testing metals)Standards Type: Practice Book of Standards Volume: 03.01

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1. SCOPE:

1.1 The primary objective of metallographic examinations is to reveal the constituents and structure of metals and their alloys by means of a light optical or scanning electron microscope. In special cases, the objective of the examination may require the development of less detail than in other cases but, under nearly all conditions, the proper selection and preparation of the specimen is of major importance. Because of the diversity in available equipment and the wide variety of problems encountered, the following text presents for the guidance of the metallographer only those practices which experience has shown are generally satisfactory; it cannot and does not describe the variations in technique required to solve individual specimen preparation problems.

Note 1—For a more extensive description of various metallographic techniques, refer to Samuels, L. E., Metallographic Polishing by Mechanical Methods, American Society for Metals (ASM) Metals Park, OH, 3rd Ed., 1982; Petzow, G., Metallographic Etching, ASM, 1978; and VanderVoort, G., Metallography: Principles and Practice, McGraw Hill, NY, 2nd Ed., 1999.

1.2 This standard does not purport to address all of the safety concerns, if any, associated with its use. It is the responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability of regulatory limitations prior to use.

E340-00(2006) Standard Test Method for Macroetching Metals and Alloys

Developed by Subcommittee: E04.01

Index Terms: alloys etchants etching macroetching macroetchant macrostructure metalsISO Classification Number: 77.040.99 (Other methods of testing metals)Standards Type: Test Method Book of Standards Volume: 03.01

1. SCOPE:

1.1 These test procedures describe the methods of macro- etching metals and alloys to reveal their macrostructure.

1.2 The values stated in inch-pound units are to be regarded as the standard. The SI equivalents of inch-pound units may be approximate.

1.3 This standard does not purport to address all of the safety concerns, if any, associated with its use. It is the responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability of regulatory limitations prior to use. For specific warning statements.

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E407-07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys

Developed by Subcommittee: E04.01

Index Terms: etch etchant interference method metallography metals microetch microscope microstructure Pepperhoff method tint etchISO Classification Number: 77.040.99 (Other methods of testing metals)Standards Type: Practice Book of Standards Volume: 03.01

1. SCOPE:

1.1 This practice covers chemical solutions and procedures to be used in etching metals and alloys for microscopic examination. Safety precautions and miscellaneous information are also included.

1.2 This standard does not purport to address all of the safety concerns, if any, associated with its use. It is the responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine the applicability of regulatory limitations prior to use. For specific cautionary statements.

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2.2 Resultados

Gracias a los datos obtenidos con la ayuda del laboratorio de metalografía de la universidad del norte el grupo ha hecho una tabla.

MATERIALES MICROESTRUCRA DIAGONAL DUREZA HV RESISTENCIA A LA TRACCION

(N/mm^2)

Acero de bajo carbono

Ferrita 0.026865 256.9316 825.7948

Perlita

Acero Templado

Perlita Normalizado

0.0124863

247.837 793.511

Ferrita Normalizado 125.487 401.461

Martensita Templado

0.1748536

478.23 1548.805

fundición gris Perlita 0.026856 257,18657 826.55971

Grafito

Latón amarillo Cu-35 Zn Fase Alfa

0,015264413

Fase Alfa

79,5871

255.00

CuZN Fase Alfa y Beta

0.020881703

Fase Alfa y Beta

106,3191

323.9573

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2.3 Análisis de los resultados

Acero Bajo Carbono

Los aceros de bajo carbono presentan fases (perlita y ferrita según la cantidad de carbono presente). Un acero es considerado “de bajo carbono” mientras tenga menos de 1,76% de carbono en su estructura. Las durezas obtenidas pueden variar debido a que se dio un promedio de dos medidas tomadas en una parte con mayor porcentaje de ferrita y otra en un área con mayor porcentaje de perlita, además de un cierto grado de trabajo en frio propio de la producción de clavos (ya que la muestra fue tomada de un clavo) y no se debía hacer un tratamiento térmico de alivio para evitar cualquier cambio de la microestructura y conservar las propiedades del acero tratado.

Figura. Nº Acero Bajo Carbono Recocido a 100x.

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En este Zoom se puede observar la Fase Ferrita del acero a bajo carbono.

En este Zoom se puede observar la fase Perlita del acero a bajo carbono.

En la Fig. Nº tomada a 100x de la muestra trabajada podemos observar dos fases presentes en el acero de bajo carbono como son la perlita y la ferrita; la orientación de la ferrita un tanto alargada de los granos por el mencionado trabajo en frio, lo cual se puede apreciar con mayor detalle en la foto a 400x de la misma pieza.

Figura. Nº Acero Bajo Carbono Recocido a 400x.

Posteriormente se realizo una prueba de micro dureza con una carga aplicada de 0,1 Kg y un identador piramidal de diamante para medir la dureza vickers (Hv). Como se menciono anteriormente, se hicieron 2 medidas de dureza con las mismas características pero en zonas distintas; el primer intento fue hecho en una zona donde

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Aquí Se puede Observar la forma alargada que tomo la ferrita con el previo trabajo en frio del clavo de acero de bajo carbono.

Aquí se puede observar la fase perlita del clavo de acero de bajo carbono.

En la Figura Nº tomada a 400x de la muestra trabajada podemos observar mucho mejor las dos fases presentes (perlita y ferrita) en el clavo de acero de bajo carbono y también se puede ver la forma alargada que tomo la Ferrita por el trabajo en frio realizado en este clavo.

había mayor cantidad perlitica pero aun con algún contenido de ferrita, esto fue debido a que los granos estaban deformados y su orientación no permitía tomar la medida en una sola fase 100%. La segunda medida se tomo en la zona mayoritariamente ferrítica que, por ser una fase más blanda, arrojo un resultado de dureza menor; al promediar ambas medidas de la dureza se puede obtener un valor (dado en la tabla) referente a lo que sería la combinación de ambas fases en igual proporción y definiría el comportamiento de la pieza referente a la composición durante la aplicación práctica de esta.

Latón Amarillo.

Figura No. Latón Amarillo a 100X, recocido a 380ºC y enfriado a temperatura ambiente.

En la Figura Nº. fotografia del latón se aprecian zonas oscuras y claras en la microestructura de la pieza que evidencian la existencia de fases diferentes. De lo que se puede establecer que el latón no fue enfriado en condiciones estables, es por eso la no uniformidad microestructural. Los diagramas estables de Cu-Zn muestran que la

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Con este Zoom se puede observar la fase Alfa del latón Amarillo

Con este Zoom se puede observar la fase Beta del latón Amarillo.

solubilidad de los latones es ilimitada cuando tienen menos del 40% en cobre, por lo tanto lo que se observa aquí es una solidificación fuera de equilibrio y segregación.

Figura No. Latón Amarillo a 400X, recocido a 380ºC y enfriado a temperatura ambiente.

A la pieza de latón trabajada en el laboratorio se le aplicó recocido a una temperatura mayor que la de recristalizacion (380° C) por un tiempo de aproximadamente 50 minutos y después se dejó enfríar a temperatura ambiente. El tratamiento por recocido fue aplicado a la pieza para eliminar cualquier trabajo en frío sobre la pieza y formar nuevos granos. Como se habia apuntado anteriormente, la segregación mostrada se debe a que los sólidos se difunden muy lentamente, por lo tanto como la muestra se a temperatura ambiente, el tiempo requerido para la difusion de los granos no fue suficiente produciendo así una microestructura segregada.

La dureza del material es baja a causa del tratamiento termico por recocido que se le aplicó al material. Como se mencionó en el marco teorico los latones no se endurecen por tratamiento termico sino por deformacion plastica, más que todo por laminación.

La dureza HV de la muestra se tomo en un microdurometro y los resultados fueron los siguientes: en la fase mas clara se registró un valor de 79,5871 HV con una resistencia a la tracción de 255 N/mm^2; y en la más oscura, parte alfa y parte beta un valor de

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En esta Foto se puede observar mucho mejor la fase alfa existente en el

En esta Foto se puede observar mucho mejor la fase Beta existente en el

Fases Alfa y

106,3191HV con una resistencia a la tracción de 323.9573. Analizando las imágenes micrográficas, podríamos establecer que la aleación comprenda entre un 30% a 35% de Zn, comparando la diferencia de las durezas en las fases podemos decir que no es muy alta la diferencia, agregando el hecho de que se desconocen si en la pieza existen otro tipo de elementos o impurezas. La no homegeneidad de fases tambien podria ser tambien producto de un reaccion hipoperitectoide donde la alecion de Cu-35 Zn se pudo haber descompuesto en dos fases . el diagrama Cu-Zn muestra que para aleaciones con mas de un 30% de Zn algo del exceso de atomos de Zn se combianan con algunos de los atomos cobre para formar CuZn.

Fundición Nodular.

Para saber si el material trabajado en el laboratorio, fue sometido a la prueba de chispa, la cual consiste en pegar la pieza al esmeril, y si las chispas que se producen por el roce de el esmeril y la pieza son largas y salen hacia abajo o hacia arriba (depende de cómo gire el esmeril) la pieza es una fundición, o si las chispas se quedan pegadas al esmeril y dan vueltas con el esmeril la pieza es un acero.

Figura No. : Fundición Nodular a 100X

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Figura No. : Fundición Nodular a 400X

Después de un estudio metalográfico podemos observar en la Figura Nº que la matriz perlítica y de grafito presenta una pequeñas esferas o nódulos, lo que muestra que la pieza de fundición trabajada fue una fundición nodular.

Podemos observar una composición microestructural de aproximadamente de 75% a 80% de matriz perlítica (región relativamente dúctil) con una proporción de grafito en forma nodular de 20 a 25%.

Figura No. Fundición Nodular a 100X con Normalizado

Figura No. : Fundición Nodular a 400X con normalizado

Por otro lado, para la Figura Nº se nota una microestructura de la fundición nodular ferrítico-perlítica presentada por el normalizado a una temperatura de 380ºC durante 50 minutos y enfriado al aire.

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Para una carga de 0.1kg, se obtuvieron los siguientes resultados de dureza y resistencia a la tracción: para la fase perlítica se logró una dureza Vickers de 252.518552HV con una resistencia a la tracción de 826.55971N/mm^2, por otro lado para fase de grafito es difícil establecer su dureza debido a que no es posible aplicarle microdureza en los nódulos. Para la tercera micrografía se obtuvo una dureza en la parte ferrítica de 175.921335HV; sin embargo como la matriz predominante es la perlítica la resistencia a la tracción disminuirá muy poco.

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DISCUSION DE LOS RESULTADOS

Las propiedades de un metal no solo dependen de la composición química, sino también de la estructura, la cual se determina mediante el análisis metalográficos, que consiste en observar al microscopio probetas pulidas y en general atacadas con reactivos apropiados. El examen metalográficos permite deducir el número y disposición de las fases, la forma y el tamaño de grano, la historia térmica del metal, las propiedades y en ciertos casos la composición química.

Se pueden hacer observaciones de todo tipo en el metal, pero es interesante tratar de sacar conclusiones realmente útiles, como por ejemplo las consecuencias de la estructura en el comportamiento de la pieza o en general en las propiedades mecánicas.

El tamaño de grano es la más evidente particularidad para su determinación, existen varios métodos normalizados, pero el más usado es el de la ASTM. Si se observa la estructura a 100x aumentos y se aplica la formula

n= 2N-1

Donde:

n= numero de granos por pulgada cuadrada a 100X

N= tamaño de grano ASTM

Realmente este método tiene unos patrones como se ve en la figura #, con los cuales se compara la observación a 100X y se indica el tamaño de grano ASTM. En la norma correspondiente se da más información como el número de cristales por milímetro cúbico, etc. En cuanto a propiedades mecánicas el mismo metal o aleación presenta mayor dureza y resistencia a la tensión y menos ductilidad cuando presenta grano fino que cuando el tamaño es mayor. Podemos concluir que los ingenieros en general necesitan conocer las herramientas con las cuales trabajan, a diario la ciencia avanza y necesitamos mejorar cada vez mas los materiales que usamos que sean viables con respecto a lo económico y que satisfagan primordialmente las necedades que el cliente quiere, para que nunca haya una catástrofe y no cometer los errores de los demás.

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CONCLUSION

-Podemos concluir diciendo que un ensayo de metalografía se realiza con el fin de obtener toda la información posible para observar las diferentes fases de los distintos materiales aleados utilizados.

-Dependiendo del carbono presente en los materiales utilizados en el laboratorio, se puede conocer si presentan las diferentes fases en la microestructura de estos, como: austenita, ferrita, perlita, cementita, bainita y martensita.

-Las fases encontradas por medio de la metalografía en cada una de las aleaciones utilizadas y tratadas tienen diferentes propiedades que dan a la aleación una característica única.

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RECOMENDACIONES

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BIBLIOGRAFIA

AMERICAN SOCIETY OF METALS. Metals handbook. Volume 9: Metallographic and microstructures. 2000. ASM International.

SMITH, William. Ciencia e ingeniería de los materiales. Editorial McGraw- Hill. 4Edición. 2007. (Texto guía).

ICONTEC, Instituto Colombiano de Normas Técnicas, Normas Técnicas Colombianas. NTC 1998.

DUBOX, Eduardo J. Prácticas de metalografía. Editorial Eduardo J. Dubox MEXICO: 254 P.: IL.

CALVO, Felipe A. Metalografía práctica. Editorial F. A. Calvo. Madrid: ALAMBRA118 P.: IL.

GREAVES, Richard H. Metalografía Microscópica Práctica. Editorial Urmo. Bilbao.229 P.: IL.

Guías elaboradas por el profesor responsable de la asignatura http://www.metallography.com http://www.mee-inc.com/metal.html#TOP http://www2.arnes.si/~sgszmera1/others/help/help.html

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ANEXOS

NORMAS DE SEGURIDAD

Para garantizar la seguridad de los estudiantes y la correcta utilización de los instrumentos del laboratorio deben seguirse las siguientes normas dentro de las instalaciones de los laboratorios de caracterización y resistencia de materiales: Todos los estudiantes deben portar overall o bata en las instalaciones del

laboratorio. Llevar pantalón largo, zapatos cerrados y cabello recogido. No llevar ropa suelta oCualquier elemento o accesorio que pueda enredarse en los instrumentos de laboratorioComo manillas, cintas, etc. No ingresar alimentos o bebidas al laboratorio. Mantener el orden y la compostura mientras se realizan la experiencia. No utilizar los instrumentos del laboratorio sin que el profesor se lo indique. Utilizar adecuadamente los reactivos químicos y evitar el contacto directo con

estos.Si algún estudiante no cumple con estas normas, el profesor estará en la libertad de hacerle un llamado de atención o retirarlo del laboratorio.

UNIVERSIDAD DEL NORTE, ABRIL 08/10

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DIVISIÓN DE INGENIERÍAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

INGENIERIA DE LOS MATERIALES

GUÍA DE LABORATORIO

PRACTICA Nº 2

1. MATERIALES CLAVO DE ACERO DULCE O DE BAJO CARBONO CLAVO DE ACERO TEMPLADO. HIERRO FUNDIDO GRIS FERRÍTICO O PERLÍTICO HIERRO FUNDIDO BLANCO HIERRO FUNDIDO NODULAR FERRÍTICO O PERLÍTICO LATON AMARILLO RECOCIDO Y TEMPLADO

2. OBJETO DE LA PRÁCTICAIdentificar fases ferrosas y comprobar correlación entre cambios de fase y propiedades.

3. PROCEDIMIENTO.Conseguir dos clavos, el latón y uno cualquiera de los hierros fundidos.

Recocer el clavo de bajo carbono, hacer metalografía, reconocer las fases presentes y medir dureza en cada una de ellas.

Hacer metalografía en el clavo templado, reconocer las fases presentes y medir dureza en cada una de ellas.

Normalizar o calentar el clavo templado hasta 800°C durante 15 minutos, seguido de un enfriamiento al aire. Hacer metalografía, reconocer las fases presentes y medir dureza en cada una de ellas.

Hacer metalografía en la probeta de hierro fundido y en la de latón, reconocer las fases presentes y medir dureza en cada una de ellas.

4. Redactar informe técnico escrito con arreglo a la guía que tienen en Aurora.

5. GRUPOS DE MAXIMO 4 PERSONAS

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

SEMANA 1. (DEL 12 AL 16)

Selección de material, corte y preparación de la muestra (baquelita), recocer y templar pieza

SEMANA 2. (DEL 19 AL 23)

Metalografía (lija, pulido, ataque y fotografía de la muestra); recocer y templar pieza

SEMANA 3. (DEL 26 AL 30)

Metalografía (lija, pulido, ataque y fotografía de la muestra); Y VIERNES 30 ENTREGA DEL INFORME

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