18358098 Guia Para Practica de Metalografia

UNIVERSIDAD DEL NORTE

GUIA DE METALOGRAFIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERIA 2007

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERIA Página 2 de 14

GUIA DE METALOGRAFÍA

1.

OBJETIVOS

1.1.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar adecuadamente un estudio metalográfico sobre varias aleaciones del sistema hierro-carbono y analizar los resultados obtenidos a partir de la práctica. 1.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

•

Preparar adecuadamente una muestra para ser sometida a observación

•

metalográfica. Conocer los equipos involucrados en un estudio metalográfico.

•

Adquirir algunas nociones acerca de las propiedades de las fases presentes en las aleaciones hierro-carbono.

•

Establecer diferencias visuales entre cada una de estas fases en base a las imágenes observadas por medio del microcopio óptico.

•

•

Estimar, en base a las fotografías captadas en el laboratorio, el contenido de carbono de los materiales estudiados. Conocer la influencia del tamaño de grano en las propiedades mecánicas de los metales y comentar acerca de este aspecto en los materiales ensayados.

•

Elaborar un informe presentando todos los resultados y análisis derivados de la práctica desarrollada.

2.

MATERIALES

La experiencia del laboratorio se llevará a cabo con los siguientes materiales: •

Acero 1045 con recocido

•

Acero 1045 templado

•

Acero de construcción civil

•

Fundición gris



3. INSUMOS Y EQUIPOS Para la práctica se hará uso de los siguientes equipos, insumos e instrumentos de laboratorio. •

•

Corte del material o

Tronzadora de corte refrigerado

o

Segueta y prensa de banco

Desbaste y pulido o

o

o

o

•

Pulidora de velocidad variable. Papel abrasivo N° 100, 240, 320, 400 y 600. Alúmina (Al2O3) de 1 y 0.3 micras de tamaño de grano.

Ataque químico o

•

Mesón de pulido.

Nital (Ácido nítrico y Alcohol etílico) al 3 %.

Microscopía o

Microscopio óptico Sistema de adquisición de datos

o

Computador y software para manejo y visualización de imágenes

o

metalográficas. •

Microdureza o

Microdurómetro

4. PROCEDIMIENTO El desarrollo de la práctica del laboratorio de Metalografía parte con una introducción teórica por parte del profesor sobre los conceptos fundamentales y generalidades de la preparación metalográfica siguiendo con un reconocimiento de los equipos empleados en la práctica, y los materiales que serán ensayados.



La metodología para el desarrollo de la práctica de laboratorio es la siguiente: •

El profesor asigna los materiales que van a ser objeto de estudio durante la práctica de laboratorio.

•

El estudiante con la colaboración del profesor y el asistente del laboratorio, realizará la preparación de la muestra y posteriormente el análisis microscópico.

•

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.

El procedimiento de preparación de la muestra, en este caso, estará comprendido por los siguientes pasos: Asignación de una muestra de material por grupo. •

•

Desbaste por medio de papel abrasivo, avanzando desde el más grueso hasta el más fino.

•

Pulido hasta acabado especular por medio de la pulidora de velocidad variable, utilizando alúmina.

•

•

Vista preliminar de la muestra en el microscopio sin ataque químico. Ataque químico de la muestra.

5. NORMAS DE SEGURIDAD Durante la realización de ensayos al interior del laboratorio se deben cumplir los siguientes requisitos: •

Los estudiantes deben tener la indumentaria adecuada para la realización de la práctica (Bata de laboratorio, Pantalón largo, Zapatos Cerrados)

•

Las actividades docentes se llevan a cabo de una forma demostrativa, es decir, los equipos, herramientas e instrumentos serán utilizados a manera de ilustración del principio de su

funcionamiento y operación así como la

metodología para la realización de los distintos ensayos.

Bajo ninguna

circunstancia los estudiantes podrán operar algunos de estos sin la debida



asistencia y supervisión directa del auxiliar de laboratorio responsable del equipo o instrumento en uso. •

Seguir las recomendaciones del profesor y el auxiliar del laboratorio.

6. VARIABLES DEL ENSAYO •

Fases presentes en la microestructura del material

•

Propiedades mecánicas del material debido a los tratamientos térmicos del mismo

7. DATOS A ANALIZAR

MATERIAL

FASES

TRATAMIENTO

PRESENTES

TERMCO

CONTENIDO CARACTERISTICAS

DE CARBONO

Acero 1045 Recocido Acero 1045 Templado Acero corrugado Fundición gris

8. TEORÍA DE LA PRÁCTICA La metalografía estudia la estructura de los metales y sus aleaciones estos tienen un enorme campo de aplicación en las construcciones mecánicas y metálicas Los ensayos micrográficos se realizan sobre muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio, preparamos una superficie que luego de ser pulida



convenientemente, se ataca con reactivos químicos apropiados a la finalidad de la determinación a realizar. Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta además, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado, laminado, recocido, temple, etc. pues en muchos casos (forjado y laminado) es beneficio contar con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de dichas muestras o probetas. Esta preparación consistente en llegar a un pulido casi perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podríamos llamar grueso, con el fin de aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de devastadoras mecánicas de diseño especial. Los reactivos químicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca con ellos la revelación, por coloración o por corrosión, de los distintos componentes de una estructura metalográfica para poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general, están constituidos por ácidos, álcalis, etc. diluidos en alcoholes, agua, glicerina, etc. Y su elección se hará de acuerdo con la naturaleza química la estructura a destacar en la muestra. Con tal fin, una vez pulida la superficie se hará en agua caliente, frotándola con un algodón o tela suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores o grasitud que pueda presentar, concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y secándola con un soplado de aire caliente. Las

fotografías

obtenidas

de

estos

exámenes,

genéricamente

llamados

“Microfotografías “, se logran con la ayuda del microscopio métalo gráfico, cuyos principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En él, con iluminación adecuada de una, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través de un sistema de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación.



Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación con microfotográfias, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y variedad de los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por defectos de fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos), etc Se sabe que existe cierta relación entre la tenacidad de los aceros y el tamaño de grano. Siempre se han preferido los aceros de grano fino, porque las herramientas y piezas fabricadas con esos aceros, tiene mayor tenacidad que los fabricados con acero de grano grueso. En metalografía a menudo es necesario establecer cuantitativamente valores diferentes tales como: 1. El número de partículas o poros por unidad de volumen (las partículas se usan aquí en el sentido de partículas sueltas o unidades separadas de un constituyente en la matriz; granos y tamaños de grano se refieren a los cristales de la matriz y su tamaño). 2. El tamaño de las figuras presentes en la probeta. 3. El tamaño del grano del material. 4. La fracción de volumen de las fases presentes en una probeta. Generalmente, los cálculos de la fracción de volumen a partir de las mediciones cuantitativas sobre una superficie de un material opaco solamente puede, proporcionar valores aproximados. No obstante, este método es empleado casi sin excepción. TAMAÑO DE GRANO Una de las mediciones micro estructurales cuantitativas más comunes es aquella del tamaño de grano de metales y aleaciones. Numerosos procedimientos han sido desarrollados para estimar el tamaño de grano, estos procedimientos están sintetizados en detalle en ASTME112 Algunos tipos de tamaño de grano son medidos, tamaño de grano de la ferrita, tamaño de grano de la austenita y tamaño de grano de la austenita previa. Cada tipo presenta



problemas particulares asociados con la revelación de estos bordes de manera que puede obtenerse un rango exacto. CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO. Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utilizan con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X y generalmente se especifica el tamaño de grano austenítico, que para un acero templado de manera apropiada debe ser pequeño. En la siguiente figura se muestran algunas imágenes de distintos tamaños de grano bajo observación microscópica:

Figura 1. Imágenes microscópicas de distintos tamaños de grano.



Figura 2. Diagrama de Fases de las Aleaciones Hierro – Carbono La figura 2 muestra el diagrama de fases del sistema Hierro-Carbono, en el que el eje vertical corresponde a la temperatura y el eje horizontal a la composición química. En el extremo izquierdo se encuentra la composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor interés ya que contiene los aceros y las fundiciones de mayor uso. Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva ordenación tratando siempre de permanecer estables.



EXAMEN MICROSCÓPICO DE LOS METALES Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden determinarse estudiando la micrografía. A continuación se muestran varias imágenes obtenidas de muestras de materiales metálicos observadas a través del microscopio óptico:

Figura 3. Imágenes metalográficas El porcentaje aproximado de carbono puede estimarse por medio de porcentaje de perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se utilizan un microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El microscopio metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros propósitos, excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para proveer iluminación vertical. Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala micrométrica para medir la imagen aumentada. Otro retículo que se utiliza contiene los diferentes tamaños de grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamaño de grano relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para reducir el brillo y mejorar la definición de las estructuras de grano. En poder de aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente



objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X agrandaría la imagen hasta 500X (500 diámetros). Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de platina invertida, junto con una cámara de video y un monitor de TV de circuito cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolución. La mayor ventaja de este arreglo se obtiene en la visualización de grupo. Los instrumentos de metalografía también permiten un observación en grupo del aumento metalúrgico. La imagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios metalúrgicos se utilizan modelos de gran tamaño. Muchos instrumentos métalo gráficos tienen la capacidad de producir microfotografías de color instantáneas o estándar. Para obtener fotografías existen adaptadores para la mayoría de los microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con una cámara SLR de 35mm para la toma de foto micrografías. Con este arreglo simple, el obturador se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8 segundos con una película Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le vidrio mate de la cámara. Preparación de la muestra La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la orientación apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsión es importante, puede ser que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados; únicamente una tajada paralela a la dirección de laminado revelaría adecuadamente los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se requiere más de una muestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio de una sección transversal. Los materiales blandos (de durezas menores a 35 RC) pueden seccionarse por aserrado, pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo. Las sierras de corte metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las herramientas que se usan para este propósito. La muestra no debe sobrecalentarse, no



importa si es dura o blanda. Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta temperatura de corte. La muestras pequeños o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeños muestras de hoja metálica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica. A menudo, se utiliza los plásticos termo fijos conformándolos con calor y presión alrededor de la muestra. La resina termo fijada que más se emplea para montar muestras es la baquelita. Pulido de la muestra Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes métodos de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio o el de vibración. El procedimiento más común consiste en desbastar primero la superficie de la muestra en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde el número de partícula de 240 hasta de 600. Pulido intermedio La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente. El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio tiene mayor rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo que le papel no se ensucie.



Pulido fino El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño. Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de magnesio. La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el propósito del estudio métalo gráfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará únicamente las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras. Ataque químico de la muestra El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y el álcalis disueltos en alcohol, agua u otros solventes. En la tabla que se muestra a continuación se observan los reactivos más comunes. Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en



aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto, la muestra quedará subatacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura, mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy cuidadosamente. La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua. Límpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar de secarla. Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los dedos, porque esto altera la condición superficial del metal. 9. CUESTIONARIO •

Investigue acerca de la composición y propiedades de las siguientes fases propias del sistema hierro-carbono: ferrita, perlita y cementita.

•

¿Qué es martensita?, ¿ Cuáles son las propiedades propias de esta fase?,

•

¿Cómo se obtiene? ¿Cuáles son las diferencias entre los aceros y las fundiciones de hierro? (Estas diferencias tienen que ver con las fases presentes, la manera en que el Carbo está presente en el material, las propiedades mecánicas, etc)

•

Investigue acerca de la influencia del tamaño de grano en las propiedades mecánicas de los metales.

•

•

Para cada uno de los aceros estudiados en la práctica estime el porcentaje de carbono en base a las imágenes obtenidas en la práctica. En base a toda la información anterior y las imágenes obtenidas en el laboratorio, comente acerca de las fases presentes y las propiedades de los materiales observados.

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