1_guias_de_prácticas Ciencia de Materiales I.2

I

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE METALOGRAFÍA, DESGASTE Y FALLA

Guía de Prácticas Ciencia de materiales I Laboratorio de Ciencia de Materiales I

Ciencia de Materiales I Periodo 2017-A

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FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORI LAB ORATORIO O DE METALOGRAFÍA, DESGASTE DESGASTE Y FALLA

DATOS GENERALES DEL LABORATORIO

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ÚLTIMA REVISIÓN 16/01/2017

Ing. Carlos Díaz Jefe del Laboratorio [email protected] Jefe de Laboratorio

[email protected]

Guía de Prácticas Escuela Politécnica Nacional Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Metalografía Desgaste y Falla 022976300 / 3010 Planta Baja del Ex ICB-Ed. 14 Varios Autores Cuarta edición 2017

3

PRESENTACIÓN DEL LABORATORIO L ABORATORIO DE METALOGRAFÍA DESGASTE Y FALLA F ALLA ......................... 4 SERVICIOS PRESTADOS ................................................................................................................ ................................................................................................................ 4 TIPOS DE ENSAYOS QUE SE REALIZAN RE ALIZAN .................................................................. ........................................................................................ ...................... 5 EQUIPOS PRINCIPALES: .......................................................................................... ................................................................................................................ ...................... 6 LINEAMIENTOS Y NORMAS DE SEGURIDAD SEGU RIDAD DEL LABORATORIO L ABORATORIO ............................................ ............................................ 11 PRÁCTICA 1 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 16 1

RECONOCIMIENTO DE LABORATORIOS ..................................................................... ........................................................................... ...... 16

PRÁCTICA 2 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 17 2 RECONOCIMIENTO DE MATERIALES USADOS EN INGENIERÍA Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS ............................................................................................... ............................................................................................................................... ................................ 17 PRÁCTICA 3 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 28 3

PREPARACIÓN DE PROBETAS PARA ANÁLISIS METALOGRÁFICO .................................. 28

PRÁCTICA 4 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 34 4

DEFORMACIÓN, ENDURECIMIENTO ENDUREC IMIENTO Y RECRISTALIZACIÓN R ECRISTALIZACIÓN ............................................ 34

PRÁCTICA 5 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 45 5

CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO TÉRMICO TÉ RMICO ............ 45

PRÁCTICA 6 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 57 6

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN PRECIPI TACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO...................... 57 57

PRÁCTICA 7 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 64 7

DIFUSIÓN: ALUMINIO – SILICIO .......................................................... ......................................................................................... ............................... 64

PRÁCTICA 7 ....................................................................................................................... ................................................................................................................................ ......... 68 8

DIFUSIÓN: CEMENTACIÓN CEME NTACIÓN EN ACEROS ........................................................................... ........................................................................... 68

HOJAS DE D E DATOS Y COLOQUIOS .............................................................. ............................................................................................. ............................... 72

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PRESENTACIÓN DEL LABORATORIO DE METALOGRAFÍA DESGASTE Y FALLA El laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla es un laboratorio de carácter docente donde se realizan actividades de investigación y desarrollo en áreas relacionadas con la ciencia e ingeniería de materiales metálicos. Adicionalmente este laboratorio apoya a la formación de estudiantes es tudiantes a nivel de pregrado y posgrado perteneciente a la Facultad de Ingeniería Mecánica y estudiantes de otras facultades y universidades. La misión del laboratorio consiste en efectuar y promover actividades de investigación, formación, capacitación y prestación de servicios profesionales científico - teórico- práctico de excelencia, en temas referentes a desgaste, falla, corrosión, composición química de elementos mecánicos y entre otros servicios relacionados al campo de materiales metálico; en base a la experiencia adquirida en trabajos para la industria realizados en el laboratorio. La visión del laboratorio se orienta a contribuir a la comunidad politécnica y en especial a los estudiantes de pre grado de los diferentes semestres perecientes a la facultad de Ingeniería Mecánica en el desarrollo profesional con conocimientos relacionados a los temas de Metalografía, Desgaste y Falla de los diferentes elementos mecánicos. Además, seguir cumpliendo y mejorando las exigencias de la industria Nacional e Internacional mediante la emisión de resultados confiables y garantizados en las actividades realizadas y consolidarse como referente nacional en la investigación básica y aplicada en materiales metálicos.

SERVICIOS PRESTADOS El laboratorio presta servicios científico- técnicos de excelencia relacionados con el análisis, caracterización y evaluación de materiales metálicos. Entre los servicios que ofrece el laboratorio se puede mencionar: 

  

Análisis de Falla de elementos metálicos Medición de Espesor de Galvanizado Análisis de Corrosión Calificación de Soldadura



  

Caracterización de Material de elementos metálicos Análisis metalográfico Mapeo de Durezas Adherencia de Pintura

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TIPOS DE ENSAYOS QUE SE REALIZAN

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EQUIPOS PRINCIPALES: 1.1

Micro scopio sco pio Metalog Metalográfic ráfic o Inverti do GX41 GX41 y MEJI

1.1. 1.1.1 1 Propós ito del Equipo

El microscopio metalográfico invertido GX41, es un equipo portátil diseñado específicamente para la evaluación rápida y confiable de muestras metalográficas. El equipo permite evaluar las propiedades metalúrgicas de las probetas y compararlas con las especificaciones de fabricación. 1.1.2 Principios de Operación 1. Encender el microscopio desde el botón botón I/O el cual se encuentra ubicado en la parte inferior izquierda. 2. Encender la computadora y abrir el programa Stream Essentials. 3. Colocar la probeta metalográfica sobre el portaobjetos. 4. Seleccionar el lente con el aumento al cual se desea observar: 50X (rojo), 100X (amarillo), 500X (azul), 1000X (blanco).

5.

Enfocar la muestra girando girando la la perilla frontal grande, acercando o girando girando el objetivo.

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6. Ajustar la intensidad de la luz girando la perilla pequeña del lado izquierdo.

7. Retirar la la muestra, y bajar la intensidad de la luz

1.2

Desbastadora


La desbastadora es un equipo cuya finalidad es rebajar o eliminar porciones grandes de material mediante una lija de grano muy grueso. Esto es ya que se debe desbastar la pieza o probeta hasta un tamaño manejable, con sus caras paralelas y eliminando las aristas vivas para facilitar el trabajo de pulido grueso y fino.

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1.2.2 Principios de Operación

La desbastadora funciona mediante un disco dis co rotativo accionado por un motor. Sobre el disco de bronce se coloca la lija que se desea utilizar. Para que pueda funcionar el motor debe existir una conexión eléctrica a 110 V. Adicionalmente es importante que exista un enfriamiento con agua, por lo que una conexión flexible alimentada con agua de la red existe a la entrada, y un desagüe para su desalojo. 1.3

Pulid oras de Paño


Las pulidoras es un equipo cuya finalidad es dar d ar un acabado en el orden de los micrómetros las probetas, de tal manera que revelen su microestructura al observarlas en un microscopio. Para esto se requiere abrasivo pequeño de tipo alúmina y un paño. Este es el segundo y último paso de pulido para revelar la microestructura. 1.3.2 Principios de Operación La desbastadora funciona mediante un disco dis co rotativo accionado por un motor. Sobre el disco de bronce se coloca un paño de franela sujeto con un anillo. Para que pueda funcionar el motor debe existir una conexión eléctrica a 110 V. Adicionalmente es importante que exista un enfriamiento con agua, por lo que una conexión flexible alimentada con agua de la red existe a la entrada, y un desagüe para su desalojo.

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1.4

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Pulid oras de Lijas


Las pulidoras gruesas utilizan lijas de grano medio y de grano fino para dar un acabado con rugosidades pequeñas. Esto es porque se debe pulir la pieza o probeta hasta un acabado lo menor posible en lo permitido por abrasivos de este tipo. Su finalidad última es observar su microestructura en el microscopio, pero consiste en dos pasos y este es el primero. 1.4.2 Principios de Operación Son de uso manual, y su función es sujetar solamente por fricción las lijas. Adicionalmente existe una entrada de agua la cual se encuentra en la parte superior (pendiente de aproximadamente 10°), y es de manera equidistante. La función del agua es enfriar al material y limpiar la superficie de las virutas.

1.5 Micro-durómetro 1. Panel frontal 2. Perilla para la elevación de la mesa 3. Columna de sujeción 4. Mesa X-Y 5. Lentes objetivos (10x-40x) 6. Indentador Vickers/Knoop 7. Perilla de medición derecha 8. Perilla de medición izquierda 9. Botón para realizar medición 10. Ocular 10x 11. Agujero para instalación de cámara

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El micro- durómetro “DUROLINE-M” permite la micro indentación y medición de dureza de varios materiales de uso ingenieril. La dureza se mide en escala Vickers y Knoop. 1.5.2 Principios de Operación El equipo realiza una micro-indentación sobre una muestra a partir de la cual se obtiene un valor de dureza. El valor de dureza registrado se encuentra relacionado con la carga de prueba pr ueba aplicada sobre la muestra y la geometría de la indentación dejada sobre el material. 1.6

Cámara de corros cor rosión ión salina salin a


La cámara de corrosión salina permite la evaluación de la resistencia a la corrosión de recubrimientos y materiales. 1.6.2 Principios de Operación El ensayo se realiza en base a normas internacionales en las cuales se especifica la posición en la que se deben colocar las muestras y el ciclo que deberán soportar. Dentro de la cámara se crea un ambiente extremadamente corrosivo mediante la atomización o evaporación de agua salina. Una vez finalizado el ciclo de prueba los resultados se evalúan de acuerdo con normas o requerimientos del cliente.

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LINEAMIENTOS Y NORMAS DE SEGURIDAD SE GURIDAD DEL LABORATORIO LINEAMIENTOS DEL LABORATORIO 1. Ingresar puntualmente al laboratorio. Pasado los 10 minutos del inicio de la clase NO se le permitirá ingresar al estudiante y el informe será entregado en la oficina. 2. Las personas que no realizaron la práctica en el horario respectivo deberán hacer solicitud dirigida al Jefe de Laboratorio, juntamente con la justificación del Departamento de Bienestar Estudiantil. En caso de no presentar esa justificación el estudiante será sancionado con el 50% de la calificación de la práctica (la solicitud será entregado al coordinador respectivo de cada grupo). 3. La fecha máxima para la la recuperación de la práctica práctica atrasada será de 7 días, después de la fecha en la que se debía realizar la práctica. 4. La recepción de los informes será 8 días después de haber realizado la práctica en en el mismo horario del laboratorio, caso contrario posterior a la fecha tendrá una sanción de un punto menos, por cada día de retraso (cuenta sábado y domingo). 5. Evaluación de la práctica: Preparatorio 2 pts.

Coloquio

3 pts.

Informe escrito

5 pts.

6. Llevar el equipamiento necesario y obligatorio, para la realización de las prácticas caso contrario el estudiante será retirado de la práctica (obligatorio: mandil m andil u overol y guantes). 7. Mantener un buen comportamiento durante el desarrollo de la práctica, estudiante será retirado del laboratorio por mal comportamiento y tendrá cero en la práctica. 8. Cuidar los bienes del laboratorio: 

En el caso de pérdida pérdida de una herramienta, el estudiante deberá pagar una de igual o mayor valor.



En el caso de daño, el grupo o los grupos, que se encuentre realizando la práctica deberán correr con los gastos de los arreglos respectivos.

9. Mantener celular APAGADO o en silencio durante el desarrollo de las prácticas. 10. Todo aquel informe copiado idéntico y/o parcialmente será sancionado con cero (para los todos los estudiantes que se encuentren involucrados). 11. Terminada la práctica dejar todo en orden (mesa, banco, etc.) y salir en orden del laboratorio.

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NORMAS GENERALES DE SEGURIDAD PARA EL LABORATORIO PROTOCOLO DE ALARMA Y COMUNICACIONES PARA EMERGENCIAS Detección de la Emergencia . El personal encargado del laboratorio debe verificar el grado de emergencia y encender la alarma (proceso de ubicación de alarma). Las únicas personas autorizadas para activar la alarma son las personas que laboran en el lugar. Conocida la Emergencia, el personal autorizado, emitirá la señal de ALERTA. ALERTA: Pulsador (actualmente se utiliza la viva voz) Duración: 30 segundos

Grados de emergencia emergencia y determinación de actuación

En el momento de la contingencia se pueden presentar 3 grados de emergencia, de acuerdo con los cuales se debe actuar: Grado I. Emergencia en Fase Inicial o Conato: Dar aviso al encargado o máxima autoridad y poner en ejecución las actividades del plan de autoprotección, y evacuar al personal que se encuentre en el área afectada. Grado II. Emergencia Sectorial o Parcial: Dar aviso al encargado o máxima autoridad, quien decidirá si se debe activar la alarma, poner en ejecución el Plan de autoprotección, evacuar el piso afectado y llamar a las Entidades de Apoyo. Grado III. Emergencia General: Dar aviso al encargado o máxima autoridad, activar la alarma, poner en ejecución el plan de autoprotección y evacuar a todo el personal que se encuentra en el Empresa, llamar a las entidades de apoyo. Otros medios de comunicación

En el laboratorio se cuenta con el personal el cual posee celulares y en el caso de recibir la señal de alarma llamaran de inmediato a los grupos u organismos de emergencia.

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PROTOCOLOS DE INTERVENCIÓN ANTE EMERGENCIAS Coordinación interinstitucional

Instituciones Instituc iones u Organizaciones de ayuda en caso de activación de Emergencias NOMBRE/ENTIDAD NOMBRE/ENTIDAD

N ° TELEFÓNICO

NOMBRE/ENTIDAD NOMBRE/ENTIDAD

N ° TELEFÓNICO

Bomberos

102

Hospital Eugenio Espejo

2230-212 / 2507-907

Policía Nacional

101

Hospital Vozandes

Cruz Roja

131

Hospital Pablo Arturo Suárez

2262-142 2598-101

Procedimientos d e actuación dur ante la emergencia emergencia 

EN EL CASO DE UNA EMERGENCIA DE INCENDIO

Suspender cualquier actividad que se encuentre realizando, desconectar y si es posible eliminar la corriente eléctrica en el lugar donde ocurra la emergencia, alejar del lugar de la emergencia elementos peligrosos. No tomar decisiones precipitadas. La persona que descubre el fuego debe ponerse a salvo, y lo que debe hacer en primer lugar es avisar. Cuando se avisa se debe decir quién llama, a qué ha ocurrido y dónde ha ocurrido el incidente. A continuación, si está capacitada para actuar y no pone en peligro su integridad física, puede hacer frente al incendio con los medios de extinción más adecuados. 

ELECTROCUCIÓN

Desconectar la alimentación eléctrica del aparato causante del accidente, no suministrar alimentos, ni bebidas al accidentado. 

LLAM A EN LA BOCA DE UNA BOTELLA BOTELLA

Cerrar el grifo (si es posible) de inmediato (antes de apagar la llama), si no es posible cerrar el grifo de inmediato y se prevé que se podrá cerrar una vez apagada la llama, se utilizará extintor de polvo para extinguir el fuego y enfriar el grifo para poder cerrarlo. Si no puede cerrar el grifo, habrá que evaluar, según la situación si es preferible apagar la llama (y dejar que vaya saliendo gas) o bien dejar que el gas se vaya quemando (alejar de la llama cualquier material que pueda incendiarse). Activar el plan de emergencia. 

VERTIDOS/DERRAMES DE LÍQUIDOS O SÓLIDOS

En general, en caso de vertido o derrame: Actuar rápidamente, evitar la evaporación del producto, utilizar equipo de protección individual adecuado. 

FUGAS DE GASES ➢

Fugas de gases asfixiantes, corrosivos, irritantes o tóxicos: Evacuación inmediata del laboratorio

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➢

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Fugas de gases inflamables eliminar inmediatamente cualquier foco de ignición y cortar (mediante un interruptor externo), la energía eléctrica del laboratorio, ventilar bien el laboratorio.



MANEJO DE SUSTANCIAS QUÍMICAS QUÍMICAS

Evitar realizar las operaciones con ácidos y elementos químicos peligrosos, al igual que en el caso de incendio, lo más importante es protegerse a uno mismo, a continuación, se ha de avisar y si es posible se puede intervenir. Nunca trate de administrar líquidos, ni de provocar el vómito a un paciente inconsciente. Medidas por tomar ante: ➢

Inhalación: Respirar aire fresco, en caso necesario, aplicar respiración asistida asistida (para algunos productos, como el ácido cianhídrico, el socorrista deberá auto protegerse). En caso necesario, aplicar oxígeno.

➢

Salpicaduras en ojos/piel: Lavarse con agua durante 15 minutos, usar ducha de seguridad/lavaojos de emergencia, quitarse la ropa y objetos salpicados, no neutralizar, acudir al médico de inmediato y mostrarle la etiqueta y/o la ficha de datos de seguridad del producto.

➢

Quemaduras térmicas: Lavar abundantemente con agua fría para enfriar la zona quemada, no quitar la ropa pegada a la piel, tapar la parte quemada con ropa limpia, acudir al médico de inmediato, no aplicar pomadas, ni grasa, ni desinfectantes, no dar bebidas ni alimentos, no dejar solo al accidentado.

➢

Intoxicación digestiva: Acudir al médico de inmediato inmediato y mostrarle la etiqueta/ficha de datos de seguridad, no provocar el vómito ni dar de beber nada si el accidentado presenta convulsiones o está inconsciente, no provocar el vómito si el producto es corrosivo o inflamable, en general, dar a beber b eber abundante agua, indicaciones generales, en caso de INGESTIÓN de productos químicos:

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PROCEDIMIENTOS DE SEGURIDAD PARA EVITAR ACCIDENTES EN EL LABORATORIO 

No fumar, comer o beber dentro del laboratorio.



Utilizar mandil.



Utilizar calzado cerrado.



Guardar las prendas de abrigo y los objetos personales en su mochila y no ingresar con estos al laboratorio, dejarlos en el recibidor del laboratorio.



Procurar no andar de un lado para otro sin motivo y, sobre todo, no correr dentro del laboratorio.



Disponer sobre la mesa sólo los libros libros y cuadernos que sean necesarios.



En caso de producirse un accidente, quemadura o lesión, lesión, comunicar inmediatamente al profesor o personal a cargo.



Recordar dónde está situado el botiquín.



Mantener el área de trabajo limpia y ordenada.



No utilizar ninguna herramienta herramienta o máquina sin sin conocer su uso, funcionamiento y normas de seguridad específicas.



Informar al profesor del material roto o averiado.



Al acabar la práctica, limpiar y ordenar el material utilizado. utilizado.



En caso de las mujeres recogido el cabello

Utilizar el equipo de seguridad de acuerdo con co n la práctica que se encuentre realizando (gafas ( gafas de seguridad transparentes, guantes térmicos y normales, entre otros).

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PRÁCTICA 1 RECONOCIMIENTO DE LABORATORIOS

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PRÁCTICA 1 1

RECONOCIMIENTO DE LABORATORIOS

1.1

Objetivos ▪ ▪

1.2

Identificar los equipos, técnicas, procesos y procedimientos que se realizan en los laboratorios. Reconocer las normas generales de seguridad en los Laboratorios.

Instrucciones o Procedimiento de la práctica

Realizar una visita guiada de los laboratorios.

1.3

Desarrollo Teórico de la Práctica

Para información general del Laboratorio de Metalografía Desgaste y Falla referirse a las secciones preliminares de esta Guía de Prácticas de Laboratorio. Para información general del Laboratorio de Nuevos Materiales, referirse a la Guía de Prácticas del LANUM.

1.4

Actividades por desarrollar o Informe   





Tema Objetivos (los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos: Elaborar una presentación referente a los equipos disponibles en o el laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla, sus funciones y aplicaciones. (Máximo 10 diapositivas) Elaborar una presentación referente a los equipos disponibles en o el laboratorio de Nuevos Materiales LANUM, sus funciones y aplicaciones. (Máximo 15 diapositivas) Conclusiones y Recomendaciones (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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PRÁCTICA 2 RECONOCIMIENTO DE MATERIALES Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS

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PRÁCTICA 2 2

RECONOCIMIENTO DE MATERIALES USADOS EN INGENIERÍA Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS

2.1

Objetivos ▪

▪ ▪

2.2

Observar el comportamiento de diferentes materiales a diversas acciones externas y relacionarlos con una propiedad en particular cada vez. Familiarizar al estudiante con los procedimientos que se utilizan para el manejo de los Materiales. Identificar, observar las principales estructuras cristalinas, en las que solidifican los metales, y reconocer en éstas las direcciones y planos más compactos.


2.2.1

Clasificación de los Materiales.

Los materiales usados en el campo de la Ingeniería se presentan en diferentes formas, su clasificación obedece a varias consideraciones como: la estructura atómica, composición química y sus aplicaciones. La clasificación de materiales para Ingeniería Mecánica se establece en cuatro grupos: 1. 2. 3. 4.

Metales Cerámicos Polímeros (naturales y artificiales) Compuestos (dos o más de los tres materiales anteriores)

Las diferencias en las características de cada grupo dependen del tipo de enlace entre los átomos o entre las moléculas.

2.2.1.1 Tipos de Enlace

Enlace Metálico: Este enlace se caracteriza porque los electrones de valencia son compartidos por más de dos átomos y no se encuentran ligados a ningún átomo en particular, dando lugar a la formación de una nube de electrones.

Enlace Iónico: Surge de la atracción electrostática entre los iones con cargas opuestas. Estos iones resultan de la transferencia de uno o más electrones de valencia de un átomo electropositivo a un átomo electronegativo.

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Enlace Covalente: Es un enlace en el cual dos átomos del mismo elemento o de diferentes elementos comparten electrones.

Enlace de Van Dar Waals: Este enlace se debe a fuerzas intermoleculares las cuales son débiles y son producto de la interacción mutua de moléculas o átomos inertes. Los materiales metálicos, están caracterizados por enlaces metálicos; los materiales cerámicos por enlaces iónicos y covalentes y por último los materiales poliméricos por enlaces covalentes y de Van Der Waals. Waals .

2.2.2

Definiciones de Estructuras Cristalinas

En el estado sólido los materiales se pueden clasificar de acuerdo a la regularidad con que se sitúan los átomos unos respecto a otros, así a sí los materiales pueden ser amorfos y cristalinos. En un material cristalino los átomos de los materiales presentan cierta permanencia de posiciones que da lugar a la formación de cristales. El agrupamiento ordenado de átomos en el espacio da lugar a una red espacial, constituida por una serie de celdillas c eldillas iguales. La menor de estas celdillas, se denomina Celda Unitaria. Existen tres celdas, de entre todas las redes de Bravais, en que solidifican la mayor parte de los metales y se encuentran en la naturaleza, éstas son: cúbica centrada en las caras (FCC), cúbica centrada en el cuerpo (BCC), y hexagonal compacta (HCP). La estructura de un material influye sobre sus propiedades, aun cuando su composición sea la misma, es por ello que es de gran importancia el estudio de dichas estructuras. Número de átomos por celda unitaria: La cantidad de puntos de red por celda

es específica, por cada punto de red en dicha celda se ubica un átomo, pero se debe tener en cuenta que estos puntos de red son compartidos con las celdas unitarias adyacentes, por lo tanto, solo una cierta "porción" de ese átomo será parte de la celda unitaria. Estructura Número de átomos por celda

BCC 2

FCC 4

HCP 2

Número de Coordinación: se define como la cantidad de átomos vecinos más

cercanos que rodean a un átomo dado y están en contacto. Estructura Número de Coordinación

BCC 8

FCC 12

HCP 12

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Factor de Empaquetamiento: Es la relación entre el espacio ocupado por los

átomos en la celda unitaria, suponiendo que son esferas duras que tocan a sus átomos más cercanos, y el volumen de la celda unitaria. Estructura Factor de Empaquetamiento

BCC 0,68

FCC 0,74

HCP 0,74

Planos Cristalográficos: son planos definidos por tres átomos no alineados, en

una red cristalina, formando un plano único dentro de una celda unitaria y con la notación de Miller, sistema universalmente aceptado. Planos de Deslizamiento: Son los planos cristalográficos de mayor importancia,

ya que son los de mayor densidad atómica y de mayor distancia interplanar. Su importancia radica en que el deslizamiento por deformación plástica se produce sobre estos planos. Intersticios: Son los espacios vacíos en las estructuras cristalinas en los cuales

pueden alojarse átomos diferentes.

2.2.2.1 Propiedades de los Materiales El estudio de los materiales se basa en las propiedades que presentan estos. Estas propiedades se pueden dividir según el punto de vista de la Ingeniería Mecánica como: Tracción Compresión Resistencia Mecánica Flexión Torsión Corte Dureza (resistencia a la penetraci p enetració ón) Propiedades Mecánicas

Abrasión Resistencia al desgaste

Erosión Cavitación Corrosión

Resistencia al impacto (tenacidad ) Resistencia a cargas cíclicas (fatiga)

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Densidad Punto de fusión Propiedades Físicas

Conductividad Térmica Conductividad eléctrica Magnetismo Ductilidad

Propiedades Tecnológic as (de las mecánicas) M aleabilid aleabilid ad Fragilidad Inflamabil idad Propiedades Tecnológic as (de las físicas)

Choque térmico Fusibilida d

2.2.2.1.1 PROPIEDADES MECÁNICAS 2.2.2.1.1.1Resistencia 2.2.2.1.1.1 Resistencia Mecánica

Resistencia a la Tracción.

Se establece en base a una prueba en la cual la probeta se somete a esfuerzos es fuerzos normales con el objeto de cuantificar el comportamiento durante la deformación y posterior rotura, a través del ensayo normalizado de tracción.

Resistencia a la Compresión. Compresión. Es la resistencia que presenta un cuerpo a cambiar su forma y dimensiones ante la aplicación de esfuerzos normales de compresión. Este fenómeno puede ser analizado cuantitativamente mediante el ensayo normalizado de compresión.

Resistencia a la Flexión.

Es la resistencia que presentan los cuerpos a la acción de esfuerzos axiales y cortantes resultantes de la aplicación de carga en un elemento simplemente apoyado.

Resistencia a la Torsión.

Es la resistencia que presenta un cuerpo a la acción de esfuerzos cortantes, generados por el momento torsor aplicados en su sección transversal.

Resistencia al Corte.

Es la resistencia que presenta un cuerpo a la acción de esfuerzos cortantes.

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Ilustración 2.1 Resistencia Mecánica.

Ilustración 2. 2.2 2 Diagrama Esfuerzo - Deformación.

2.2.2.1.1.2Dureza 2.2.2.1.1.2 Dureza

La dureza de un material se puede determinar por su resistencia a la penetración (rayado o indentación) producida por un material sobre otro.

Escala de Dureza Mohs

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La resistencia al rayado se puede estimar por medio de la escala de dureza Mohs, que es un método comparativo con respecto a una serie de minerales, clasificados del 1 al 10, donde el 10 raya al 9, el 9 raya al 8 y así sucesivamente hasta el 1.

MINERAL Talco Yeso Calcita Fluorita Apalita Ortoclasa Cuarzo Topacio Corindón Diamante

DUREZA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

La resistencia a la indentación se basa en la acción de un indentador. Este efecto se puede cuantificar por varios métodos, siendo los más usados: Brinell, Vickers, Rockwell y Shore. 2.2.2.1.1.3Resistencia 2.2.2.1.1.3 Resistencia al Desgaste

Resistencia que presenta un material a la remoción superficial de partículas. Esta remoción de partículas se denomina desgaste y es producida por diversos fenómenos como: -

Abrasión Erosión Cavitación Corrosión

2.2.2.1.1.4Resistencia 2.2.2.1.1.4 Resistencia al Impacto

Es la cantidad de energía que es capaz de absorber un cuerpo en forma violenta antes de fracturarse. Si el material es capaz de absorber en estas condiciones, una gran cantidad de energía mediante deformación plástica se le define como tenaz.

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Ilustración 2. 2.3 3 Curva de Transición Dúctil-Frágil

2.2.2.1.1.5Resistencia 2.2.2.1.1.5 Resistencia a cargas cíclicas (Fatiga Mecánica)

La fatiga mecánica se refiere, en general, al deterioro gradual de un material que está sujeto a cargas repetidas, por ejemplo, cargas axiales de tracción compresión que se aplican consecutivamente. Las pruebas que cuantifican esta propiedad son las de tipo dinámico. La carga más común en estos ensayos es la que realiza tracción y compresión alternadas de iguales valores numéricos, obtenidas mediante la rotación de una probeta cilíndrica liza, mientras está bajo carga de flexión. Los ciclos de carga se aplican hasta que se alcanza la falla de la probeta a un número de ciclos límite. Sin embargo, puede encontrarse un valor de esfuerzo que no producirá falla, independientemente del número de ciclos aplicados; este valor de esfuerzo se llama límite de fatiga y corresponde al parámetro más importante en la cuantificación de la resistencia a la fatiga mecánica en un material.

2.2.2.1.2 Propiedades Propiedades Físicas Densidad La densidad absoluta de una sustancia homogénea es la relación de masa en la unidad de volumen de dicha sustancia.

Punto de Fusión Es la temperatura máxima a la cual un sólido coexiste en equilibrio con su líquido a una presión dada. En elementos químicos puros el punto de fusión es definido, en cambio, en aleaciones o compuestos esta propiedad corresponde a un intervalo de temperaturas.

Conductividad Térmica La conductividad térmica se puede definir como la cantidad de Calor que se puede conducir por Unidad de tiempo, a través de una unidad de área en un

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determinado material, cuando el gradiente de temperatura en el elemento conductor de calor es la unidad.

Conductividad Eléctrica

Es la facilidad que presenta un material al paso de la energía eléctrica.

Magnetismo Es una propiedad que poseen los materiales para permitir el paso de líneas de flujo magnético.

2.2.2.1.3 Propiedades Tecnológicas (Mecánicas) Ductilidad Es la propiedad que tiene un material para deformarse plásticamente bajo la acción de esfuerzos axiales de tracción.

Maleabilidad

Es la facilidad que presentan ciertos materiales para deformarse plásticamente bajo la acción de esfuerzos de compresión.

Fragilidad

Es una propiedad mecánica inherente a los materiales muy duros los cuales no muestran capacidad para deformarse plásticamente, esto es, se rompen con poco alargamiento.

2.2.2.1.4 Propiedades Propiedades Tecnológicas (Físicas) Inflamabilidad Es la capacidad de una sustancia de combinarse con el oxígeno del aire, liberando por este efecto importantes cantidades de calor y produciendo al mismo tiempo fenómenos de incandescencia y muchas veces también llamas. Este efecto se produce con cada material a una determinada temperatura y presión

Resistencia al Choque Térmico (Fatiga Térmica)

Es la capacidad que tiene un cuerpo para soportar los esfuerzos térmicos provocados por cambios repentinos e intensos de temperatura. Durante el enfriamiento o calentamiento rápido, los cambios de temperatura externos se dan más rápidamente que en interior del material, esto genera gradientes de temperatura a través del cuerpo, los cuales resultan en la aparición de esfuerzos internos (al contraerse o expandirse el material) que son, por lo general, de alta magnitud y crean deformación plástica. Bajo estas condiciones, la fallase acelera por los efectos perjudiciales de la temperatura en la resistencia mecánica. Esto se conoce como falla por fatiga térmica. Una manera de prevenir el choque térmico es alterando las condiciones externas al grado de que las tasas de enfriamiento o calentamiento disminuyan y los gradientes de temperatura a través del material se reduzcan.

Fusibilidad

Es la capacidad que posee un sólido para cambiar al estado de agregación líquida (fundirse).

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2.3

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Materiales y Equipos

2.3.1

Materiales

Vidrio, caucho, acrílico, aluminio, plomo, madera, PVC, acero, cobre, latón, Maquetas de celdas unitarias. 2.3.2 Herramientas y equipos Reverbero, multímetro, imán, calibrador, regla graduada, tenaza, mechero Bunsen.

2.4


Para observar el comportamiento de cada una de las propiedades antes mencionadas se debe proceder de la siguiente manera:

Dureza: Se utilizan muestras de aluminio, latón, acero, plomo, PVC, cobre. Se toman uno de los materiales y se raya a cada uno de los restantes. Realizar una escala semejante a la de dureza Mohs. Fusibilidad: Disponer de pequeñas probetas de madera, acrílico, PVC., caucho semi-vulcanizado de dimensiones y formas iguales. A todas éstas se las coloca sobre una placa metálica y ésta a su vez sobre un reverbero, el cual se debe prender diez minutos antes de la práctica. Tomar el tiempo de fusión de cada uno de los materiales. Conductividad térmica: Utilizar alambres de aluminio, acero de bajo carbono, bronce y cobre de diámetros y longitudes iguales. A cada uno someter al fuego de un mechero Bunsen, procurar que la llama no sea tan intensa. Tomar la temperatura en el otro extremo de la probeta (que no expuesto en la llama) en intervalos de tiempo de 0, 15, 30, 60, 90 y 120 segundos. Inflamabilidad: Con la ayuda de tenazas someter al fuego el caucho vulcanizado, madera y acrílico. Tomar el tiempo en que se inició la ignición de la probeta, en intervalos de tiempo de máximo 3 minutos. Conductividad Eléctrica: Tomar muestras de caucho, madera, cobre, bronce, aluminio, acero al carbono e inoxidable; colocar en los extremos de cada material cada electrodo del multímetro y anotar su valor. Magnetismo: Utilizar planchas de acero al carbono, cobre, acero inoxidable y madera. Verificar si son atraídos por un imán y anotar el peso necesario para romper su unión.

Estructuras Estructuras Cristalinas Medir los parámetros de red y radios atómicos de las celdas unitarias dadas.

2.5

Bibliografía ▪

Flinn – Trojan; – Trojan; “Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones”.

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▪ ▪

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Jastrzebski, D; “Naturaleza y Propiedades de los Materiales para Ingeniería”. Avner, Sydney; “Fundamentos de Ciencia de Materiales”.

Nota: En general se pueden incluir todos los libros de Ciencia de Materiales.

2.6 hojas)   



Actividades por desarrollar o Informe (máximo 3 páginas/1,5 Tema Objetivos (los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos y Calculados: Dureza: Tabla de durezas, indicando que material raya o a cada otro. Ordenar de menor a mayor dureza. o o Fusibilidad: Tiempo de fusión de cada material Conductividad Térmica: Temperatura a cada intervalo de tiempo o de cada material. Inflamabilidad: Tiempo de ignición de cada probeta. o Conductividad Eléctrica: Tabla de valores de la resistencia o eléctrica de cada muestra y de sus dimensiones, unidades adecuadas. Calcule la conductividad eléctrica de cada muestra de material. Magnetismo: Tabla del peso requerido para liberar la plancha del o imán (incluido el peso de la plancha) o Cuadro de las dimensiones de los Parámetros de Red y Radios Atómicos del modelo digital en 3D de las celdas unitarias elaboradas por el grupo. Preguntas, Análisis de Resultados y Consultas: Consulte la dureza en cualquiera de las escalas disponibles de o cada material ensayado, compare en un cuadro el orden establecido durante la práctica. ¿Fueron los resultados acordes a lo experimentado?, ¿En qué casos fue complicado estimar? Cite dos ejemplos de cómo afecta la fusibilidad de los materiales o ensayados en: la industria mecánica y la industria de la construcción (2 ejemplos por cada una). Consulte y cite dos métodos experimentales numéricos para hallar o la conductividad térmica de diferentes materiales. En la industria mecánica siempre se trabaja con materiales o inflamables y volátiles. Cite y explique dos métodos de seguridad industrial más comunes para prevenir accidentes. Cite 3 aplicaciones industriales, utilizadas en ingeniería mecánica, o donde se requiere elevada conductividad eléctrica de los materiales; y cite 3 aplicaciones industriales, utilizadas en ingeniería mecánica, donde se requiere elevado magnetismo de los materiales.

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Comparar el margen de error entre el parámetro de red y el radio atómico según la fórmula del modelo matemático y el modelo digital en 3D elaborado por el grupo. Breve historia (200 a 250 palabras) del descubrimiento de las redes o cristalinas en metales. Autores, fechas, equipos y resultados que permitieron su determinación. Conclusiones y Recomendaciones (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía. o

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PRÁCTICA 3 PREPARACIÓN DE PROBETAS PARA ANÁLISIS METALOGRÁFICO

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PRÁCTICA 3 3

PREPARACIÓN DE PROBETAS PARA ANÁLISIS METALOGRÁFICO

3.1

Objetivos ▪

▪ ▪

Conocer el proceso detallado y la justificación de cada etapa de preparación superficial para obtener probetas aptas para un análisis metalográfico. Comprender la importancia del ataque químico de probetas y los principales reactivos utilizados para el acero. Visualizar y describir la metalografía de la probeta preparada.

3.2


3.2.1

Introducción

De acuerdo a la ASM International (2004) la metalografía se define como: La disciplina científica de examinar y determinar la constitución de la estructura subyacente de los componentes en metales y aleaciones principalmente, además de otros materiales. La examinación de la estructura puede realizarse en un amplio rango de escalas de longitud, o niveles de aumento; comenzando desde rangos visuales o baja magnificación (~20x) hasta magnificaciones sobre las 1´000.000x con microscopios de electrones. La Metalografía también puede incluir el estudio de la estructura cristalina con técnicas como la difracción de los rayos X. Sin embargo, la herramienta del estudio metalográfico más común es el denominado “microscopio de luz” (metalográfico), que ut iliza luz visible que refleja sobre la superficie y permite visualizar propiedades microestructurales de hasta ~0,2 μm con aumentos desde ~50x hasta 1000x. (p.

10) Adicionalmente, la ASM (2004) señala que previo al análisis metalográfico se debe realizar una examinación macroscópica de la muestra, que revelará información importante como discontinuidades en los materiales debido a los procesos de fabricación o características superficiales como por ejemplo recubrimientos. (p.11) Con la examinación macroscópica se puede determinar un área de interés de estudio y consecuentemente el lugar de extracción de la muestra para el posterior análisis metalográfico

3.2.2 Operaciones para la preparación de la muestra metalográfica Extracción de la muestra La muestra a ser preparada deberá ser seleccionada adecuadamente, considerando que debe ser la más representativa, según el análisis a realizarse.

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Las probetas deben tener un tamaño conveniente. Las probetas de manejo más cómodo son aquellas cuya altura mínima es de 12 mm y su dimensión en una de las direcciones de la superficie a pulir de 20 a25 mm. La muestra debe mantenerse fría durante la operación de corte, para evitar transformaciones estructurales.

Desbaste grueso Es una operación establecida para remover la superficie deformada (rebabas y todas las rayas) debidas al corte. Esto puede lograrse presionando uniformemente la probeta sobre una desbastadora de disco provista de papel abrasivo de60 a180granos por pulgada lineal dependiendo de la necesidad (en el laboratorio se usa papel abrasivo N°100). Durante esta operación debe mantenerse la probeta fría mediante el flujo de agua.

Desbaste Fino El propósito de esta etapa es remover la zona deformada causada por el proceso anterior. Esto se logra bajo una selección adecuada y secuencial de abrasivos (lijas números: 120-240-320-400-600 granos/pulg). Sin embargo, cuando una zona de deformación está siendo s iendo removida, se formará una nueva zona de menor deformación, no tan severa ni profunda como la inicial, ocasionada por la acción de los granos abrasivos utilizados en esta etapa. La muestra se desliza sobre las lijas en dirección opuesta al operador de manera que se formen rayas en una sola dirección, para eliminar éstas girar la probeta 90º y realizar la misma operación.

Pulido grueso El propósito de esta etapa es remover la zona de menor deformación causada por el desbaste fino. Es una operación de desbaste leve, además es la etapa más importante y crítica de toda la operación de pulido. Se emplea la pulidora de paño utilizando como abrasivo alúmina de 1 micrón en suspensión en agua. En general, con esta etapa es suficiente para obtener probetas en las que se puede realizar ensayos de microindentación, y evaluación de tamaño de grano.

Pulido Fino El pulido fines la etapa final, similar al pulido grueso, pero en el cual el abrasivo que se utiliza es, en general, alúmina de 0.3 micrones en suspensión con agua, además el paño que se preferiría usar es más suave. En metalografía, el objetivo es examinar una superficie que muestre una imagen precisa de la estructura en estudio, esta condición se logra al eliminar la zona de deformación en la superficie con lo que se llega a la superficie conocida como "superficie real", que es una superficie sin alteraciones (teóricamente). El pulido deja una superficie similar a la de un espejo, altamente reflejante y lisa,

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pero con una muy fina capa de metal deformado plásticamente por el efecto del último abrasivo utilizado en la preparación, la misma que se elimina tras el ataque químico.

Forma esquemática como se van eliminando las superficies deformadas hasta llegar a la superficie real

Ilustración 3. 3.1 1 Forma esquemática como se van eliminando las superficies deformadas

hasta llegar a la superficie real.

Profundidad de deformación severa: Es una zona rugosa producida después del corte en la superficie, que se ha deformado y ha permanecido a elevadas temperaturas. Profundidad de deformación más leve: Es una zona en la que pueden existir micro fisuras debido al proceso de corte en la superficie. c ontiene deformaciones Profundidad de deformación menor: Es una capa que contiene de bajo orden de magnitud, generadas durante el desbaste fino.

Visualización previa al Ataque Químico Posterior al pulido fino se realiza la visualización de la microestructura en el microscopio metalográfico. El objetivo de este estudio es revelar con precisión la estructura del material en la superficie de una muestra o de una sección transversal de la misma. El examen a nivel mesoscópico permite visualizar

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elementos físicos desde 1mm hasta 100 micras. Cabe recalcar que antes a este rango de longitudes se llamaba nivel microscópico y el término mesoscópico es nuevo debido a la aparición de nuevas herramientas tecnológicas que permiten observar estructuras de menor tamaño. El fin de este estudio es revelar varias características meso estructurales importantes, tales como: Líneas de flujo en los elementos forjados. Estructuras de solidificación en elementos fundidos. Características de soldadura, incluyendo la profundidad de la penetración, el tamaño de la zona de fusión y el número de pases, el tamaño de zona afectada por el calor, y las imperfecciones de soldadura. El tamaño general y distribución de inclusiones. Imperfecciones de fabricación tales como juntas frías, pliegues y costuras, en productos forjados. Porosidad y micro rechupes. Profundidad y uniformidad de la capa de endurecido en un elemento con tratamiento superficial.   

 

 

Visualización posterior al Ataque Químico El propósito del ataque químico es hacer visible al microscopio metalográfico las características estructurales del metal o aleación, mediante la aplicación de un reactivo apropiado sobre la superficie de la probeta, que somete a ésta a una acción química selectiva reaccionando exclusivamente con uno de los elementos químicos presentes en el material. La selección del reactivo de ataque se la realiza en base al tipo o clase de metal y por la estructura específica que se desea observar.

Ilustración 3. 3.2 2 Efecto del ataque químico

Las operaciones de ataque más comunes son: - Por inmersión: Sumergiendo la probeta en un reactivo.

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Por brochado: Mediante el uso de un algodón empapado con reactivo y, se frota la probeta sobre la superficie pulida.

3.3


3.3.1

Materiales Probetas de hierro fundido y acero. ▪ Reactivos químicos. ▪ Abrasivos. ▪ Alcohol industrial. ▪ 3.3.2 Equipos y herramientas Equipo de desbaste grueso, fino y de pulido ▪ Secador ▪ Pinzas ▪ Microscopio Metalográfico. ▪

3.4 Instrucciones o Procedimiento de la práctica Análisis Metalográfico Metalográfico 1. Extraer una muestra del material mediante corte. 2. Realizar el desbaste asentando la muestra uniformemente hasta conseguir un solo plano en la probeta. 3. Deslizar la muestra sobre las lijas de 240-320-400 2 40-320-400 y 600 granos gr anos por pulgada en un solo sentido para formar rayas en una sola dirección. En un procedimiento adecuado de desbaste grueso y fino se requiere eliminar imperfecciones de tamaños mayores al mínimo dado por cada lija; para lo cual se realiza un giro de la probeta de 90º realizando líneas de desbaste en un sentido opuesto. 4. Realizar el pulido grueso y fino en la pulidora giratoria con un goteo de agua y el abrasivo adecuado, alúmina del tamaño apropiado. El procedimiento adecuado es colocar la superficie paralela al paño y mover la probeta en forma circular de manera continua para que no se produzcan líneas en el sentido giratorio de las partículas abrasivas. 5. Observar en el microscopio metalográfico 6. Atacar químicamente. 7. Observar en el microscopio metalográfico.

3.5

Bibliografía ▪ ▪ ▪

Kehl, George; "Fundamentos de la Práctica Metalográfica". Avner, Sydney; "Introducción a la Metalurgia Física". ASM International Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures”. 2004

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3.1 hojas) ▪ ▪ ▪

▪

▪

▪

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Actividades por desarrollar o Informe (máximo 3 páginas/1,5 Tema. Objetivos. (los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos y Datos Calculados Realizar un documento técnico (cuadro similar a un WPS) de la o especificación de cada metalografía, donde debe constar lo siguiente: 1. Breve descripción de la muestra analizada (tipo de material, matriz observada). 2. Reactivo utilizado en el ataque químico; 3. Aumento Utilizado 4. Imagen de una Metalografía similar a cada microestructura observada en la práctica, junto con la descripción de la misma, que se puede encontrar en el Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures” de la ASM. Análisis de resultados Comparar lo observado en cada metalografía de la práctica con o las imágenes consultadas en el Metals Handbook Vol. 9. Consultas Consultar los reactivos químicos utilizados para aceros y o fundiciones; su nombre, composición química y microestructuras que revela cada uno. (Mínimo 4) Nuevos métodos utilizados para realizar el procedimiento de o desbaste y pulido. Nombres de equipos y características. (Uno para cada proceso como mínimo) o En base a los reactivos químicos consultados, identificar sus componentes, y de cada uno de ellos consultar la MSDS (hoja de seguridad). Conclusiones y recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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PRÁCTICA 4 DEFORMACIÓN, ENDURECIMIENTO Y RECRISTALIZACIÓN

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PRÁCTICA 4 4

DEFORMACIÓN, ENDURECIMIENTO Y RECRISTALIZACIÓN

4.1

Objetivos ▪ ▪ ▪

4.2

Observar del cambio de las propiedades mecánicas del aluminio deformado en frío. Conocer las deformaciones micro-estructurales que se pueden dar en un proceso de conformado en frío. Verificar los cambios que se dan en las propiedades mecánicas como dureza, resistencia y ductilidad, durante el proceso de recristalización en metales deformados.

Marco teórico.

4.2.1 Tipos de deformación. La deformación plástica es el producto del desplazamiento permanente de átomos, moléculas o de grupos de estos respecto a sus posiciones originales al interior de un metal. La deformación plástica es una propiedad sobresaliente de los metales y puede realizarse por: 1. Deslizamiento 2. Por maclaje 3. Por ambos mecanismos a la vez 4.2.1.1 Deformación por deslizamiento. Este deslizamiento representa un gran desplazamiento de una parte del cristal en relación con la otra, a lo largo de planos cristalográficos. El deslizamiento se produce en los planos y direcciones con mayor densidad atómica, ya que en estas condiciones se requiere la mínima cantidad de energía. La combinación de una dirección y un plano se conoce como sistema de deslizamiento. Los metales de estructura FCC tienen doce sistemas de deslizamiento, por lo que son fáciles de deformar. En la estructura BCC cualquier plano que contiene la dirección <111>puede actuar como un plano de deslizamiento. Los metales HCP poseen un solo plano compacto (0001) el cual desliza en tres direcciones compactas <1120>.

Dislocaciones. Son una perturbación lineal del arreglo atómico, que se produce por el desplazamiento de un grupo de átomos de un cristal respecto a la posición mantenida por un grupo adyacente. Estos defectos lineales determinan las magnitudes de propiedades como la resistencia mecánica y explican la deformación plástica y ductilidad de los materiales. A más de las dislocaciones que aparecen por deformación y se agrupan a lo largo de los planos de deslizamiento, existen otras dislocaciones que surgen como resultado de

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accidentes en formación de cristales, cris tales, acción térmica intensa, transformaciones de fase, etc. Existen tres tipos de dislocaciones: 1. Dislocación en los extremos o de borde. 2. Dislocación helicoidal. 3. La combinación de estos dos tipos produce la llamada dislocación mixta.

Dislocación de Borde. Este tipo de dislocación se la puede definir como la línea que determina un plano extra de átomos.

Ilustración 4. 4.1 1 Dislocación de borde.

Dislocación Helicoidal. Puede formarse en un cristal perfecto por aplicación de un esfuerzo de cizalladura; las regiones de un cristal perfecto han sido separadas por un plano cortante. Se llama así debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de dislocación.

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Ilustración 4. 4.2 2 Dislocación helicoidal.

Dislocación Mixta. La dislocación mixta es una combinación de las dos anteriores.

Movimiento de las dislocaciones. dislocaciones. Las dislocaciones se mueven en los cristales al aplicárseles una fuerza y terminan en el extremo del cristal. En la Ilustración 4.3 Ilustración 4.3 Dislocaciones provocadas en un cristal perfecto. se observa cómo se mueven las dislocaciones de borde y helicoidales. Las dislocaciones por naturaleza no pueden terminar en el interior de un cristal y son capaces de multiplicarse cuando se mueven. Las dislocaciones en su trayecto pueden encontrar obstáculos, por lo que pueden bajo ciertas circunstancias, cambiarse a otro plano de deslizamiento (deslizamiento cruzado. Estos fenómenos se ven en la Ilustración la Ilustración 4.4.

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Ilustración 4. 4.3 3 Dislocaciones provocadas en un cristal perfecto.

Ilustración 4. 4.4 4 Cambios producidos en las dislocaciones.

4.2.1.2 Deformación por maclaje El maclaje es otro mecanismo de deformación plástica, siendo uno de los principales medios de deformación, particularmente en materiales HCP. El

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maclaje es un movimiento de planos de átomos en la red, paralelo a un plano de simetría (de maclaje) de manera que la red se divide en dos partes simétricas, con diferente orientación. La Ilustración La Ilustración 4.5 muestra el mecanismo de maclaje en una red FCC.

Ilustración 4. 4.5 5 Deformación por maclaje.

4.2.2 Endurecimiento por deformación Conforme aumenta el deslizamiento, la deformación se vuelve cada vez más difícil hasta que cesa. Por lo tanto, un nuevo deslizamiento puede iniciarse siempre y cuando se aplique un esfuerzo mayor, es decir que el esfuerzo cortante necesario para generar un nuevo deslizamiento siempre aumenta después de una deformación plástica previa. El endurecimiento es causado por los efectos de la aplicación de esfuerzos de deformación plástica; se produce un deslizamiento en los planos más densos, produciendo dislocaciones, las cuales interactúan, se agrupan en los bordes de grano y forman un nudo de dislocaciones. Esto hace que sea más difícil el deslizamiento. A este fenómeno se llama, “endurecimiento por deformación”, “acritud” o “endurecimiento por trabajado en frío”. El endurecimiento se da por

deformación plástica en frío, comúnmente: extrusión, estampado, forja, laminación, etc. Propiedades como la resistencia a la tracción, límite de elasticidad y dureza aumentan, mientras que la ductilidad disminuye con el trabajo en frío.

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4.2.3 Recocido de Recristalización El proceso llamado de revenido presenta tres etapas generalmente consecutivas: recuperación, recristalización y crecimiento de grano. 4.2.3.1 Recuperación Consiste en minimizar o eliminar las tensiones internas del metal, mediante la introducción de energía en forma de calor, a temperaturas relativamente bajas cercanas al 10% del valor de la temperatura de fusión del correspondiente material. La eliminación de tensiones internas se s e produce debido al movimiento de átomos que se genera dentro de un grano al introducir calor, produciendo a su vez redistribución de dislocaciones lo que causa un efecto aniquilador de las mismas. En esta operación no se altera la microestructura. La dureza y la resistencia a la tracción permanecen en el valor elevado producido por el trabajado en frío. 4.2.3.2 Recristalización Al aumentar la temperatura de revenido se observa que comienzan a formarse nuevos cristales principalmente en las zonas de mayor deformación. Los cristales así formados son al principio pequeños, pero crecen gradualmente hasta absorber toda la estructura distorsionada. Ver Ilustración Ilustración 4.6.

Ilustración 4. 4.6 6 Efecto de la temperatura de revenido en la microestructura de los metales

trabajados en frío.

Los nuevos cristales son de forma equiaxial. La recristalización es una combinación entre nucleación de granos libres de deformación y el crecimiento de éstos. La Ilustración La Ilustración 4.7 es una curva típica de recristalización, en ella se observa que hay un período de incubación para desarrollar la suficiente energía que permita iniciar la recristalización, cuya fuerza impulsora es la energía e nergía almacenada en la deformación en frío.

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Ilustración 4. 4.7 7 Tiempo a partir del cual comienza la recristalización.

Temperatura de recristalización recristalización Es la temperatura mínima a la cual un material altamente deformado puede recristalizar totalmente en una hora. En el caso del acero la mínima temperatura para que comience el proceso de recristalización es de 400 °C, y es efectivo hasta unos 700 °C ° C aproximadamente. Es importante reconocer que no se debe dar un cambio en la estructura cristalina, es decir no debe superar la temperatura crítica inferior del acero (A1 = 723 °C). El valor exacto de la temperatura es depende del grado de deformación, del tiempo de permanencia y del porcentaje de recristalización de la pieza.

Ilustración 4. 4.8 8 Relación para el cobre entre la deformación previa y la temperatura para

el inicio de recristalización. (AVNER)

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Por lo tanto, la temperatura de recristalización depende del grado de deformación previa del material; a mayor cantidad de deformación previa, se requiere menor temperatura para dar inicio al proceso de recristalización. Sin embargo, el tiempo es inversamente proporcional a la temperatura, es decir, que se puede dar la recristalización de manera más rápida, pero con una temperatura del horno mayor. Ver Ilustración Ilustración 4.8.

4.2.3.3 Crecimiento de grano El tamaño de grano es inversamente proporcional a la energía interna de los materiales, por ende, granos de mayor tamaño poseen menor energía interna o tensiones internas. Para eliminar tensiones internas se requiere dar energía a los materiales, esta energía es entregada en forma de energía térmica. Es importante reconocer que a una temperatura dada existe un crecimiento de grano máximo. El crecimiento de grano devuelve una estructura reticular libre de tensiones internas, principalmente en los bordes de grano debido a las deformaciones microestructurales, las propiedades regresan a un estado muy similar a las condiciones iniciales, disminuyendo la dureza y resistencia mientras aumenta la ductilidad. Esto se puede visualizar en la Ilustración la Ilustración 4.9.

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Ilustración 4. 4.9 9 Proceso de Revenido.

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4.3

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4.3.1

Materiales 4 alambrones de Al de 9mm de diámetro de diferente longitud. ▪ 4.3.2 Equipos y herramientas Horno de mufla. ▪ Durómetro. ▪ Equipo de laminación. ▪ Pinzas. ▪ Sierra de arco. ▪

4.4


1. 2.

Enumerar los alambrones. Forjar uno de los extremos de cada uno de los alambrones con la finalidad de que puedan entrar en la laminadora. El alambrón 0 será el elemento que sirva como parámetro de comparación de las propiedades iniciales; sin deformación. Se hace pasar el alambrón 1 por la laminadora. Se hace pasar el alambrón 2 y 3 con mayor deformación respectivamente. Se corta cada uno de los alambrones en cuatro partes iguales, teniendo un total de 16 probetas. Enumerar como en la Tabla la Tabla 4.1. Enumerar cada una de las probetas. Encender el horno hasta la temperatura de recristalización recrist alización de 400 °C. Se seleccionan 1probetas testigo, la cual no recibe tratamiento térmico, y las otras son tratadas térmicamente a una temperatura de recristalización recris talización que varía entre 1/3 a ½ Tfusión.

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Tabla 4.1 Numeración de probetas.

TRATAMIENTO Sin tratamiento (Testigo) Tratamiento 10 min Tratamiento 15 min Tratamiento 20 min

4.5

Deformación 0 (0 %)

NÚMERO DE PROBETA Deformación Deformación 1 2 (A %) (B %)

Deformación 3 (C %)

00

10

20

30

01

11

21

31

02

12

22

32

03

13

23

33

Bibliografía ▪

Moffatt, William G; "Introducción a la Ciencia de Materiales"; Tomos I y II.

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▪ ▪ ▪ ▪ ▪

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Reed Hill, Robert; "Principios de Metalurgia Física". Flinn-Trojan; "Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones". Jastrzebski, D; "Naturaleza y propiedades de los materiales para Ingeniería". Avner, Sydney; "Introducción a la Metalurgia Física". Bénard, J; "Metalurgia General".

Nota: En general se pueden incluir todos los libros de Ciencia de Materiales.

4.6 hojas)   



Actividades por desarrollar o Informe (máximo 3 páginas/1,5 Tema Objetivos (los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos Tabla de Durezas para las 16 probetas; previo y posterior al o tratamiento térmico de recristalización. Tabla de los porcentajes de deformación para cada grupo de o probetas (grupo 0-4) Tabla del tiempo y temperatura de recristalización real de cada o probeta. Datos Calculados Un gráfico de “Dureza vs. Porcentaje de Deformación” o o

 





Tres gráficos de “Dureza vs. Tiempo de Recristalización”, para cada

nivel de deformación y temperatura de recristalización. Análisis de Resultados (mínimo 4) Consultas Consulte que significa la energía libre de Gibbs desde la o perspectiva de los materiales (no la perspectiva termodinámica); y cómo se relaciona esta con los posesos de conformado en frío. Consultar el porcentaje de deformación máximo antes de la o fractura, de manera teórica y práctica, para los siguientes materiales: acero (especificar el grado SAE del acero, o su carbono equivalente), aluminio (pureza 99.9%), cobre y latón. Obtenga una metalografía de un elemento conformado en frío, o de cualquier material; especifique sus condiciones de trabajo y microestructura. Conclusiones y recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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PRÁCTICA 5 CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO TÉRMICO

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PRÁCTICA 5 5

CONSTRUCCIÓN DE DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO POR EL MÉTODO TÉRMICO

5.1

Objetivos ▪ ▪

5.2

Aplicar el método térmico en el levantamiento de diagramas de equilibrio para una aleación binaria. Analizar e identificar las posibles reacciones o variaciones de fases respecto a la temperatura que se pueden dar en las aleaciones.


5.2.1

Introducción

Una fase se define como toda porción que puede incluir a la totalidad de un sistema, que físicamente homogénea dentro de sí misma y limitada por una superficie, de tal manera que pueda ser mecánicamente separable separable de cualquier otra porción. Posee las siguientes características: Posee la misma estructura estructura o arreglo atómico interno. Tiene la misma composición química y propiedades, o varía de manera poco significativa. Tiene una interfaz definida con las fases circundantes.  



Los diagramas de equilibrio son gráficas que muestran las fases que están presentes en un material en equilibrio con su entorno, a diferentes temperaturas incluida la ambiental. Según el número de componentes, éstos pueden ser unitarios, binarios y de orden superior. Estos son válidos sólo cuando se verifican las condiciones de equilibrio del material, es decir cuando el calentamiento o enfriamiento se llevan a cabo muy lentamente. 5.2.2 Curvas de enfriamiento. Son representaciones gráficas de las temperaturas en función del tiempo para una composición química constante en determinado material. 5.2.2.1 Metales puros. Un metal puro es aquel que siempre mantiene su composición química homogénea e invariable y que corresponde a un determinado elemento químico. En las condiciones de equilibrio presenta un punto de fusión o solidificación definido, lo cual ocurre a temperatura constante Ilustración constante Ilustración 5.1.

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Ilustración 5.1 Curva de enfriamiento de un metal puro.

5.2.2.2 Aleación Es un material compuesto por dos o más elementos el ementos químicos, de los cuáles uno por lo menos es un metal. Las aleaciones pueden ser homogéneas o mezclas. En el primer caso la aleación está formada por una sola fase y el segundo por varias fases. En una aleación en estado sólido pueden presentarse tres tipos de fases distintas: 1. Metal puro 2. Fase intermedia de una aleación o compuesto 3. Solución sólida

Metal puro. Se expuso anteriormente.

Fase intermedia de una aleación o compuesto. Se forma por la combinación de elementos ele mentos químicos, adquiriendo propiedades y características distintas a la de los elementos químicos que la originaron. Tienen curvas de enfriamiento parecidas a la de los metales puros. Los diagramas de equilibrio presentan una composición química comprendida entre la de los elementos químicos que la originaron y una estructura cristalina por lo general distinta a la de estos. Las fases intermedias de una aleación son:

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Compuestos intermetálicos. Compuestos intersticiales. Compuestos electrónicos.

Compuestos intermetálicos o de valencia. Se forman por combinación entre metales químicamente distintos. Se combinan siguiendo las reglas de valencia química. Tienen enlace fuerte (iónico o covalente) Compuestos intersticiales. intersticiales. Se forman por la combinación de entre elementos químicos de transición como el Sc, Ti, Ta, W, Fe, con el H, O, N y C, ya que estos últimos poseen átomos pequeños que se acomodan en los espacios intersticiales de la estructura cristalina del metal que hace de matriz (que está en mayor porcentaje). Compuestos electrónicos. Son aquellos cuya combinación depende de la relación entre el número de electrones y el número de átomos.

Soluciones sólidas. sólidas. Son simplemente soluciones en estado sólido y están formadas por átomos de dos clases, mezclados en una misma red espacial. Hay dos tipos de soluciones sólidas: Soluciones sólidas sustitucionales. Soluciones sólidas intersticiales.  

Soluciones sólidas sustitucionales. Se forman cuando los átomos de soluto ocupan las posiciones del metal solvente en la red espacial. Los factores que controlan la solubilidad en los sistemas de aleación son: Factor de la estructura del metal: Los dos elementos deben tener el mismo tipo de estructura reticular. Factor de tamaño relativo: Si la diferencia de radios atómicos es menor del 15% este factor es favorable; si está entre el 8 y 15%, la aleación presenta un mínimo y si esta diferencia es mayor del 15%, la formación de una solución sólida está muy limitada. Factor de valencia relativa: Cuando el elemento de mayor valencia es el metal disolvente, la solubilidad de otros metales de menor valencia en él es muy amplia, pero si es a la inversa, la solubilidad es muy restringida. 

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Soluciones sólidas intersticiales. Se obtienen cuando los átomos de soluto tienen un radio atómico pequeño y se intercalan en los espacios interatómicos de la red, del solvente, formada por átomos de mayor tamaño. Las soluciones sólidas intersticiales difieren de los compuestos intersticiales en que: El número de átomos de menor tamaño que se necesita para formar el compuesto siempre mayor de los que se puede disolver en los intersticios de la red. Los compuestos intersticiales, debido al estrecho campo de variación de su composición, pueden expresarse mediante fórmulas químicas, no ocurriendo lo mismo con las soluciones intersticiales, las cuales presentan una composición variable. 



En la mayoría de las soluciones sólidas, la solidificación se lleva a cabo en un intervalo de temperaturas como indica la Ilustración la Ilustración 5.2.

Ilustración 5. 5.2 2 Curva de enfriamiento de una solución sólida.

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5.2.3

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Métodos experimentales de construcción de diagramas de equilibrio.

5.2.3.1 Método metalográfico. Se calientan las muestras de aleación a distintas temperaturas, manteniéndolas el tiempo necesario para que se establezca el equilibrio y enfriándolas a continuación rápidamente con el objeto de que conserven la estructura que tenían a altas temperaturas. Luego se examinan en el microscopio metalográfico. Este método es de difícil aplicación, ya que las muestras sometidas a un brusco enfriamiento no siempre retienen la estructura que tenían a altas temperaturas y la interpretación correcta requiere una gran práctica.

5.2.3.2 Método de difracción de rayos X. La difracción de los rayos X permite determinar la aparición de una nueva fase por la variación que experimentan las dimensiones de la red o la aparición de una nueva estructura cristalina. Este método es muy preciso pero requiere gran experiencia en el manejo de los rayos X.

5.2.3.3 Método del análisis térmico. Se basa en la construcción de curvas de enfriamiento para cada una de las aleaciones de diferente composición. En una curva de enfriamiento se pueden determinar las temperaturas inicial y final de solidificación (puntos críticos) pero no así las correspondientes a los cambios de fase que se verifican totalmente en estado sólido, ya que el calor desprendido en estas últimas transformaciones es muy pequeño. Los puntos críticos son los correspondientes a los cambios de dirección de las curvas de enfriamiento. Trasladando estos puntos críticos a un plano de coordenadas Concentración-Temperatura y uniéndolos entre sí por líneas continuas se obtiene el diagrama. La exactitud del diagrama se incrementa con la cantidad de composiciones que se utilice. El principio de construcción se representa en la Ilustración la Ilustración 5.3.

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diagramas as de fase. Ilustración 5. 5.3 3 Construcción de los diagram

5.2.4 Tipos de diagramas Los diagramas de equilibrio para aleaciones binarias más comunes son: Tipo 1 Solubilidad total de dos metales en los estados sólidos y líquido.

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Tipo 2 Dos metales totalmente solubles en estado líquido y totalmente insolubles en estado sólido.

Tipo 3 Sistema de dos metales totalmente solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido.

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Tipo 4Fases intermedias de fusión congruente.

5.2.5 Reacciones en los diagramas de equilibrio Dependiendo del cambio de fase, es decir cualquier tipo de reacción que se produzca, con el cambio de temperatura se pueden dar los siguientes casos, citando los más comunes: reacciones monotécticas, eutécticas, eutectoides, peritécticas o peritectoides.

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Tipos y f ormas de reacciones que se f orman en diagramas de fase

5.3


5.3.1

Materiales Aleaciones Plomo - Estaño. ▪ Arena. ▪ 5.3.2 Equipos Horno de mufla. ▪ Crisoles. ▪ Termocupla. ▪ Cronómetro. ▪ ▪ Multímetro digital. Tubos pequeños de vidrio. ▪

5.4

Instrucciones o Procedimiento de la práctica 1. Se debe prender el horno horno con 15 minutos de anticipación y mantenerlo a 350º C. 2. Verificar las masas de los elementos aleantes, anotar el porcentaje en peso de cada uno, de acuerdo con la Tabla la Tabla 5.1. 3. Tener listos los crisoles refractarios con las respectivas aleaciones Pb-Sn.

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4. De acuerdo con la composición de la aleación, regular la temperatura de tal forma que se dé un sobrecalentamiento de 100 °C aproximadamente sobre el respectivo punto de fusión, como se muestra en la Tabla la Tabla 5.1. Tabla 5.1 Porcent Porcent aje en Peso a realizar

Aleación Pb-Sn 90% Pb 80.1 % Pb 60% Pb 38.1% Pb 20% Pb 2.5% Pb

10%Sn 19.2% Sn 40% Sn 61,9% Sn 80% Sn 97.5% Sn

Temperatura de Fusión (ºC) 400 375 350 300 300 350

4. Tomar un tiempo mínimo de 8 minutos con el cronómetro para que se produzca la fusión completa de los elementos. 5. Verificar la temperatura interna del horno para cada aleación y determinar si el sobrecalentamiento es el adecuado. 6. Retirar con precaución los crisoles utilizando las pinzas y el equipo de protección personal adecuado. Colocarlos en la arena para su enfriamiento. 7. Medir la temperatura y el tiempo hasta que se estime la solidificación completa de las aleaciones. 8. En caso de obtener datos no esperados (las aleaciones se oxidan y varían v arían sus porcentajes), repetir el procedimiento desde el paso 2.

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Ilustración 5. 5.4 4 Diagrama de equilibrio del sistema Pb-Sn.

Como ayuda en la construcción del diagrama Pb-Sn experimental se debe disponer del diagrama Pb-Sn teórico.

5.5

Bibliografía ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪

5.6 hojas) ▪ ▪ ▪

▪

Moffatt, William; "Introducción a la Ciencia de Materiales"; Tomos I y II. Cottrell, A; "Metalurgia Física". Avner, Sydney; "Introducción a la Metalurgia Física". Kehl, George; "Fundamentos de la Práctica Metalográfica". Guy, Albert; "Fundamentos de Ciencia de Materiales". Smith, William; “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales” R, Askeland; “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”

Actividades por desarrollar o Informe (máximo 3 páginas/1,5 Tema. Objetivos. (los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos. Porcentaje en Peso medido de cada elemento aleante. o o Temperatura y sobrecalentamiento para cada aleación. Datos Calculados Graficar las curvas de enfriamiento, los puntos más importantes son o el tiempo y temperatura de inicio y fin de solidificación.

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▪

▪

▪


Utilizando el método de análisis térmico construya el diagrama de fases Pb-Sn. Análisis de Resultados Compare el diagrama obtenido con el teórico o Calcule el porcentaje de error en cada punto o Consultas y Preguntas Consulte el diagrama Cobre-Zinc, e indique todos los tipos y o número de reacciones que se encuentran en dicho diagrama de fases. (Avner) Consulte el diagrama de fases Aluminio-Níquel, e indique que o porcentajes en peso seleccionaría para realizar el diagrama de fases. (Smith) o Consulte el diagrama Níquel-Vanadio y justifique que método experimental de construcción de diagramas de equilibrio utilizaría para determinarlo. Explique en sus palabras como influyen los diagramas de fases en o la selección de materiales. Conclusiones y Recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía. o

▪

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PRÁCTICA 6 ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN PRECIPITACIÓN DE ALEACIONES ALE ACIONES DE ALUMINIO

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PRÁCTICA 6 6

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN DE ALEACIONES DE ALUMINIO

6.1

Objetivos ▪

▪

6.2

Comprobar experimentalmente y contrastar con los valores teóricos la variación de la resistencia mecánica debido a la formación de precipitados en el aluminio. Analizar las propiedades y características, además de los métodos de fabricación del tratamiento térmico de envejecido para el aluminio.

Desarrollo teórico de la práctica

6.2.1 Endurecimiento por precipitación o envejecimiento Para el caso de aleaciones no ferrosas, el proceso para mejorar la resistencia y la dureza es el tratamiento térmico conocido como envejecimiento. En endurecimiento por precipitación está diseñado para producir una dispersión uniforme de un precipitado fino y duro en una matriz más blanda y dúctil. Para que se pueda cumplir el tratamiento térmico por precipitación se deben cumplir las siguientes condiciones: El diagrama de fases debe desplegar una solubilidad sólida decreciente al reducirse la temperatura. En otras palabras, la aleación debe formar una sola fase al calentarse por arriba de la línea sólidus y, luego, pasar a una región bifásica al enfriarse. La matriz deberá ser relativamente blanda y dúctil, y el precipitado duro y frágil. En la mayor parte de las aleaciones endurecibles por envejecimiento, el precipitado es un compuesto intermetálico duro y frágil. La aleación debe ser templable. Algunas aleaciones no se pueden enfriar con la suficiente rapidez para suprimir la formación del precipitado. El templado puede sin embargo, introducir esfuerzos residuales, las aleaciones de aluminio se templan en agua caliente a aproximadamente a 80ºC. Deberá formarse un precipitado coherente. 

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En la Ilustración 6.1 se visualiza de mejor manera la forma y temperaturas a alcanzar en un diagrama de fase.

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Ilustración 6. 6.1 1 Diagrama de fase. Composición, porcentaje en peso de B.

6.2.2 Envejecimiento Envejecimi ento de aleaciones de aluminio Para que se produzca el envejecimiento, el tratamiento térmico debe constar de tres etapas: tratamiento de disolución, disolución, templado y tratamiento de precipitación o envejecimiento. 6.2.2.1 Tratamiento de disolución En esta etapa, la aleación se calienta sobre la línea de solvus, y se la mantiene hasta que se produce una solución sólida homogénea . Con el propósito de que una segunda fase se disuelva en la fase , punto M (Ilustración 6.1). 6.1). 6.2.2.2 Templado Luego de esto se procede a enfriar bruscamente la fase para obtener una solución  sobresaturada (fase únicamente), con exceso de soluto a la temperatura ambiente. El enfriamiento se lo hace por inmersión en un baño de agua fría o mediante agua pulverizada. 6.2.2.3 Tratamiento de Precipitación Precipita ción o Envejecimiento Envejecimien to Al ser una solución sólida sobresaturada en estado inestable, el exceso de fase tiende a difundirse hacia numerosos sitios de nucleación donde se forma y crece un precipitado. En la Ilustración 6.2 se muestran las variaciones de las fases donde en la disolución existe una fase homogénea. En el temple se forma una solución sólida  sobresaturada. Finalmente, en el envejecimiento envejecimiento se presenta una fase con matriz y un precipitado homogéneo .

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660,452 °C

12,6

577°C

Ilustración 6. 6.2 2 Diferentes Fases formadas en el Envejecimiento de una Aleación Al-Si.

6.2.2.4 Efecto de la Temperatura en el Envejecimiento La velocidad a la que ocurre la precipitación varía con la temperatura. En la Ilustración 6.3, 6.3, se muestra el efecto de la temperatura en las curvas de envejecimiento de una aleación susceptible de envejecimiento.

Ilustración 6. 6.3 3 Efecto de la temperatura en el envejecimiento artificial.

A baja temperatura T1, la razón de difusión es tan lenta que no hay precipitación apreciable. A la T3, el endurecimiento se presenta pronto, pero los efectos suavizantes también se aceleran, dando una dureza máxima menor que en el primer caso. T2 puede ser la óptima por que se obtiene la dureza máxima en un tiempo razonable.

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Se observa que a temperaturas bajas se requieren tiempos muy largos para completar la precipitación, a temperaturas debajo de la línea de solubilidad la velocidad de precipitación es lenta. A temperaturas intermedias entre las anteriores, la precipitación es máxima y por ende el tiempo pequeño. La curva curva de envejecimiento es función función de dos variables: La temperatura a la cual ocurre el envejecimiento. La composición de la aleación.  

Sin embargo existen aleaciones que precipitan espontáneamente a temperatura ambiente alcanzando el máximo de dureza al cabo de varios días, a éstas se las denomina aleaciones de envejecimiento natural. Las aleaciones que necesitan de un calentamiento calentamiento para adquirir una dureza máxima máxima se denominan de envejecimiento artificial. La precipitación y por ende el envejecimiento no se suceden inmediatamente ya que necesitan de un tiempo llamado de incubación para ser detectados; en este periodo se forman núcleos estables visibles, como se muestra en la Ilustración 6.4.

Ilustración 6. 6.4 4 Etapas del envejecimiento artificial.

Una partícula de precipitado puede ser nucleada en dos modos básicos: La nucleación heterogénea en la cual se puede formar en defectos reticulares internos como: dislocaciones, impurezas, etc. 



La nucleación homogénea es la es la formación espontánea de núcleos a través de las fluctuaciones de una parte de soluto, donde los átomos de soluto se agrupan en la red de la matriz para comenzar el crecimiento de una partícula de segunda fase.

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La teoría del endurecimiento por precipitación no es muy clara pero se acepta que la dureza aumenta debido a la dificultad de movimiento de las dislocaciones que en su camino encuentran a las partículas de precipitación. Una dislocación al encontrar una partícula de precipitación la puede cortar o pasar formando sobre ésta un anillo de dislocación. En cualquier caso, puede demostrarse que se necesita un esfuerzo mayor para mover las dislocaciones a través de una red que contenga partículas de precipitado que el esfuerzo requerido en una red perfecta. En cuanto a la composición, para bajas concentraciones de soluto, la sobresaturación es pequeña, dificultando así nuclear la segunda fase, además el endurecimiento será bajo y lento. Por lo tanto a más soluto se tendrá mayor dureza en tiempo más corto, puesto que se aumenta la velocidad de nucleación (debido a la diferencia de energía entre fases) y crecimiento (debido a la mayor cantidad de soluto).

6.2.3 Sobreenvejecimiento Es el ablandamiento que resulta de un envejecimiento prolongado y está asociado con pocas partículas relativamente grandes. Como producto de esta permanencia la dureza disminuye al aumentar el tiempo durante el cual la aleación se mantiene a una temperatura dada. En efecto, una aleación muy sobre-envejecida sería esencialmente idéntica a una aleación recocida.

Ilustración 6. 6.5 5 Curva esquemática de envejecimiento a una temperatura determinada

para una aleación endurecible por precipitación.

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6.2.4 Efecto sobre las propiedades La dureza aumenta hasta un máximo como producto de la precipitación, pr ecipitación, a una temperatura dada. Las propiedades de resistencia mecánica tienden a alcanzar valores máximos a temperaturas de precipitación bajas. En la Ilustración la Ilustración 6.5 se puede observar como varían las propiedades en todo el proceso desde la incubación, envejecimiento y sobre-envejecimiento en función del tiempo.

Ilustración 6. 6.6 6 Variación de las propiedades en el periodo de incubación, en el

envejecimiento y sobre-envejecimiento.

6.3 6.3.1


Materiales Probetas de aleación de aluminio. ▪ 6.3.2 Equipos y herramientas Equipo de pulido mecánico. ▪ Secador. ▪ Pinzas. ▪ Horno de mufla. ▪ Durómetro. ▪

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6.4

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Instrucciones o Procedimiento de la práctica 1. Introducir 4 probetas de una aleación de aluminio aluminio en el horno a 500 C y mantenerlas dentro durante 6 horas (tratamiento de solubilización). 2. Al término del tiempo indicado sacar las probetas del horno y enfriarlas en agua. 3. Introducir 3 de las 4 probetas en el horno a una temperatura de 210°C. 4. Extraer cada probeta a los 30, 60 y 90 minutos respectivamente. Pueden ser enfriadas en agua o a temperatura ambiente. 5. Medir la dureza de las 4 probetas. 

6.5

Bibliografía

▪

Subbarao, Chakravorty, Merriam, Ragharan, Shi-ghal; "Experiencias de Ciencia de Materiales". Red-Hill; "Principios de Metalurgia Física". Flínn-Trojan; "Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones".

▪

R, Askeland; “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”

▪ ▪

6.6 hojas) ▪ 

▪

▪ ▪

▪

▪

Actividades por desarrollar o Informe (máximo 3 páginas/1,5 Tema. Objetivos.(los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos. Tablas de las durezas de cada probeta en función del tiempo de o permanencia para la precipitación. Datos Calculados Realizar un gráfico dureza vs. tiempo de envejecimiento. o Consultas Consulte las aplicaciones de aleaciones de aluminio envejecidas. o o Consulte el diagrama de fases Al-Mg, y estime es time una aleación de 8% de magnesio. Diseñe los pasos a seguir se guir para realizar un envejecido de dicha aleación: temperaturas, tiempos de permanencia en cada situación y métodos de realización. Consulte los efectos de un mismo tiempo de sobreenvejecido si la o temperatura es mayor o menor. Conclusiones y Recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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PRÁCTICA 7 DIFUSIÓN: ALUMINIO – SILICIO

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PRÁCTICA 7 7

DIFUSIÓN: ALUMINIO – SILICIO SILICIO

7.1

Objetivos

▪

Familiarizar al estudiante sobre los fenómenos de difusión en metales.

7.2


7.2.1 Difusión La difusión es un fenómeno de naturaleza nat uraleza estadística, producto del movimiento aleatorio e impredecible de gran número de átomos produciéndose un flujo sistemático. Hay tres tipos principales de difusión: vacancia, intersticial y de intercambio de átomos.

Vacancia Es el intercambio de un átomo de una posición reticular normal a una vacancia o lugar reticular vecino vacío (Ilustración 7.1 a).

Intersticial En este tipo de difusión los átomos se desplazan desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. Se da por la interdifusión de átomos de radio pequeño como H, C, N, O (Ilustración 7.1 b).

Intercambio de átomos Las ilustraciones6.1c y 6.2d indican los intercambios que pueden ocurrir entre dos o cuatro átomos respectivamente. Pero el problema físico de intercambio entre átomos compactos incrementa la barrera a la difusión.

Ilustración 7. 7.1 1 Los mecanismos de difusión.

La rapidez de difusión de un metal a otro se especifica por el coeficiente de difusión (cm/s), que depende especialmente de la temperatura. Se puede

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establecer que el coeficiente de difusión se duplica por cada cada 20 C de aumento de la temperatura. 

7.2.2 Ecuaciones de difusión Tres relaciones relaciones principales gobiernan la difusión: 1era y 2da ley de Fick, y la variación de la constante de difusión con la temperatura. 7.2.2.1 Primera ley de Fick Describe la difusión de un elemento bajo condiciones de estado estable. Ejemplo: En la Ilustración la Ilustración 7.2 se ve la pérdida de nitrógeno a través trav és de una pared de acero de espesor x, este flujo se lo puede cuantificar así:

 = −  

Dónde: es el coeficiente de difusión  es el gradiente de concentración. 



Ilustración 7. 7.2 2 Indica como disminuye la concentración de N2 a través de una pared de

acero de espesor x.

7.2.2.2 Segunda ley de Fick La difusión depende de la concentración y del tiempo. Ejemplo: Ejemplo : Si colocamos una pieza con alto contenido de carbono, la superficie va a sufrir una alta difusión del carbono, mientras hacia adentro de la pieza la difusión depende del tiempo.

 =     

La solución a la 2ª ley para difusión en estado no estacionario en la dirección x para la condición de concentración superficial constante para un sólido semiinfinito es:

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 − 0 = 1 − erf (  )  − 0 2√   Dónde:  es la concentración superficial de carbono producida en forma inmediata por la atmósfera. 0 es la concentración uniforme inicial de carbono a través del acero.  es la concentración de carbono a una distancia x de la superficie en el tiempo t. es el coeficiente de difusión (depende del material). es el Tiempo.  es la función error y sus valores La expresión v alores se encuentran tabulados. √   7.2.2.3 Efecto de la temperatura En la 1er y 2da ley de Fick, se observa que el material que se está difundiendo es proporcional a la difusibilidad D. Debería esperarse que D aumente con la temperatura, cuya relación obedece a la ecuación:

    

erf  

 )  = 0(

Dónde: 0 es constante independiente de la temperatura.  es la energía de activación para la difusión. = Constante de los gases = Temperatura absoluta (K)

   

7.3


7.3.1

Materiales ▪ Probetas de difusión de Aluminio - Silicio Propiedades del material: Composición Química: Al: 91,87% - Si: 5,44% - Cu: 1,06% - Otros: 1,63% HRB: 50 7.3.2 Equipos y herramientas Equipo de pulido metalográfico. ▪ Pinzas ▪ Secador. ▪ Microscopio metalográfi metalográfico. ▪

7.4


Aluminio - Silicio .  

Preparar 2 probetas metalográficas de difusión de Aluminio - Silicio. Observar en el microscopio metalográfico.

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7.5

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Bibliografía ▪ ▪ ▪ ▪

7.6 hoja) ▪ 

▪

▪

▪

▪

▪

Flinn – Trojan; Trojan; "Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones". Domenico Lucchesi; "Tratamientos Térmicos". Guy, Albert; "Metalurgia Física para Ingenieros". Pascual, José; "Técnica y Práctica del Tratamiento Térmico de los Metales Ferrosos".

Actividades por desarrollar o Informe (máximo 2 páginas/1 Tema. Objetivos.(los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos y calculados: Realizar un documento técnico (cuadro similar a un WPS) de la especificación de cada metalografía, donde debe constar lo siguiente: 1. Breve descripción de la muestra analizada (tipo de material, matriz observada, elementos aleantes). 2. Reactivo utilizado en el ataque químico; 3. Aumento Utilizado 4. Imagen de una Metalografía similar a cada microestructura observada en la práctica, junto con la descripción de la misma, que se puede encontrar en el Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures” de la ASM Consultas Diga las ventajas y desventajas de un tratamiento superficial por o difusión frente a un tratamiento térmico de templado-revenido y frente a un recubrimiento superficial. Análisis de resultados Comparar lo observado en cada metalografía de la práctica con o las imágenes consultadas en el Metals Handbook Vol. 9. Conclusiones y Recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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PRÁCTICA 8 DIFUSIÓN: CEMENTACIÓN EN ACEROS

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PRÁCTICA 8 8

DIFUSIÓN: CEMENTACIÓN EN ACEROS

8.1

Objetivos ▪

8.2

Familiarizar al estudiante sobre los fenómenos de difusión en metales.


8.2.1 Cementación de los aceros Es un tratamiento aplicable únicamente a aceros de bajo carbono (0.007% a 0.12% de C), donde se realiza una carburación superficial, calentando la probeta en presencia de una atmósfera rica en carbono hasta una temperatura superior a la crítica. La cementación es una de las aplicaciones industriales de la difusión.. Con la cementación aumenta la dureza superficial ya que se forma carburo de hierro Fe3C, mientras que el núcleo conserva su s u tenacidad y su dureza. Se puede conseguir la cementación por medio de cementantes sólidos, líquidos y gaseosos. Cementación sólida La cementación sólida se realiza con cementante de “carbón” que está

compuesto por un 60% de carbón vegetal y un 40% de carbonato de bario (BaCO3). Este último se descompone por el calor como la mayoría de los carbonatos, y en presencia del carbón vegetal la temperatura del horno es disminuida, siendo las relaciones:

3 →  + 2 2 2 → 3 +  +   → 3

Para evitar el excesivo consumo por combustión del carbón vegetal, se suele agregar carbón coque, quedando el cementante en las siguientes proporciones: 40% BaCO3, 40% carbón vegetal, 20% carbón coque.

Ilustración 8. 8.1 1 Relación entre el tiempo, temperatura y profundidad, en la cementación.

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Las probetas se cubren totalmente de polvo cementante en cajas especiales de acero para luego ser introducidas en hornos. Una vez transcurrido el tiempo que se considere necesario para que, por difusión del carbono en la austenita, la capa cementante alcance el espesor deseado, la pieza se retira del horno y se deja enfriar.

Ilustración 8. 8.2 2 Etapas del proceso de cementado.

Temperatura de cementación En general, la temperatura de cementación varía entre los 840 ºC y 950 ºC (ver Ilustración 8.2) y 8.2) y deberá ser tal, que dé lugar a la formación de hierro , ya que éste disuelve fácilmente el carbono.



Profundidad de cementación La profundidad de cementación varía normalmente entre 0.3 y 1.5 mm, pudiendo llegar hasta los 3.5 mm (ver Ilustración Ilustración 8.1). 8.1).

Duración La duración de la operación depende de la profundidad y temperatura (ver Ilustración 8.1Ilustración 7.1)

Tratamiento después de la cementación Después de la cementación las piezas presentan una estructura cristalina de grano grueso; por lo tanto, conviene conv iene darles un normalizado a 900ºC para afinar el tamaño grano, seguido de un temple a 780ºC, y, por último, un revenido apropiado (ver Ilustración Ilustración 8.2)

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Ilustración 8. 8.3 3 Distribución del carbón sobre la superficie hacia el interior.

8.3


8.3.1

Materiales Probetas de acero cementado. ▪ Reactivos químicos. ▪ 8.3.2 Equipos y herramientas Equipo de pulido metalográfico. ▪ Pinzas ▪ Secador. ▪ Microscopio metalográfico. ▪

8.4


Cementación de aceros.    

Preparar 2 probetas metalográficas de acero cementado. Atacar con nital 2%. Observar en el microscopio metalográfico. Determinar aproximadamente el espesor de la capa cementada.

8.5

Bibliografía ▪ ▪ ▪ ▪

Flinn – Trojan; Trojan; "Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones". Domenico Lucchesi; "Tratamientos Térmicos". Guy, Albert; "Metalurgia Física para Ingenieros". Pascual, José; "Técnica y Práctica del Tratamiento Térmico de los Metales Ferrosos".

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8.6

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Actividades por desarrollar o Informe (máximo 2 páginas/1

hoja) ▪ 

▪

▪

▪

▪

▪

Tema. Objetivos.(los mismos de la práctica) Resultados Obtenidos y Datos Calculados: Realizar un documento técnico (cuadro similar a un WPS) de la especificación de cada metalografía, donde debe constar lo siguiente: 1. Breve descripción de la muestra analizada (tipo de material, matriz observada). 2. Reactivo utilizado en el ataque químico; 3. Aumento Utilizado 4. Imagen de una Metalografía similar a cada microestructura observada en la práctica, junto con la descripción de la misma, que se puede encontrar en el Metals Handbook. Vol. 9: “Metallography & Microstructures” de la ASM Consultas Diga las ventajas y desventajas de un tratamiento superficial por o difusión frente a un tratamiento térmico de templado-revenido y frente a un recubrimiento superficial. Consultas Comparar lo observado en cada metalografía de la práctica con o las imágenes consultadas en el Metals Handbook Vol. 9. Conclusiones y Recomendaciones. (Individuales, cada estudiante debe elaborar conclusiones y recomendaciones personalmente y colocar su nombre para identificarlas de las de los demás estudiantes del grupo.) Bibliografía.

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HOJAS DE DATOS Y COLOQUIOS

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica Nº2: Reconocimiento de materiales usados en ingeniería y estructuras metálicas. Grupo:

……… Estudiantes: …………………………………………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ………………………………………. Conductividad Térmica Temperatura a diferentes tiempos de exposición [°C]

Material T 0s

T 30s

Material

T 60s

T 90s

Longitud [mm]

Dureza [escala similar a escala Mohs] Material Orden

Estructura / Elemento BCC FCC HCP

T 120s

T 150s

T 180s

T 210s

Conductividad Eléctrica Diámetro [mm] Ancho [mm]

T 240s

Espesor [mm]

Magnetismo Material Magnetismo

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Diámetro (indicar escala)

T 270s

Parámetro(s) de red

T 300s

Longitud y Diámetro [mm] Ext. Int. Long.

Resistencia Resistencia [Ω]

Material

Fusibilidad Tiempo [s] Observación

Material

Inflamabilidad Tiempo [s] Observación

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales I Práctica Nº2: Reconocimiento de materiales usados en la ingeniería y estructuras cristalinas. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales I Práctica 3 Preparación de probetas para Análisis Metalográfico. Grupo:

……… Estudiantes: …………………………………………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

Probeta 1

Probeta 2

Descripción de la metalografía


Reactivo

Reactivo

Aumento

Probeta 3

Aumento

Probeta 4



Reactivo

Reactivo

Aumento

Aumento

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 3: Preparación de probetas para Análisis Metalográfico. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 4: Deformación, endurecimiento y recristalización. Grupo:

……… Estudiantes: …………………………………………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ………………………………………. Probeta

Avance de rodillos [vueltas]

Ø1 [mm]

Ø2 [mm]

a [mm]

b [mm]

N1 N2 N3 N4 Tratamiento Dureza Probeta

Tratamiento Dureza Probeta

Temperatura Tiempo Escala Identador Carga M1 M2 M3


Tratamiento Dureza Promedio

Probeta

Tratamiento Dureza Promedio

Probeta


Promedio


Promedio

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica Nº4: Deformación, endurecimiento y recristalización. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica Nº5: Construcción de diagramas de equilibrio por el método térmico. Grupo: ……… Estudiantes: …………………………… …………………………………………………… ……………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ………………………………………. Aleación T [ºC] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Aleación t [s]

T [ºC]

Aleación t [s]

T [ºC]

Aleación t [s]

T [ºC]

t [s]

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica Nº5: Construcción de diagramas de equilibrio por el método térmico. Grupo:

……… Estudiante: …………………………………………………… Fecha de Realización:………………………… Realización:………………………………………. …………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 6: Endurecimiento por precipitación de aleaciones de aluminio. Grupo:

……… Estudiantes: …………………………………………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

Temperatura del tratamiento Dureza Escala: Probeta t [min] Identador: Carga: N1 testigo N2 N3 N4

Dureza Promedio

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 6: Endurecimiento por precipitación de aleaciones de aluminio. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica Nº7: Difusión: Cobre-Silicio. Grupo: ……… Estudiantes: …………………………… …………………………………………………… ……………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

Identificación de la Probeta

Tratamiento Aumento Ataque Químico

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Microestructura

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 7: Difusión Cobre-Silicio. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización:………………………… Realización:……………………………………. ………….

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Hoja de Datos Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 8: Difusión: Cementación de aceros. Grupo: ……… Estudiantes: …………………………… …………………………………………………… ……………………… Fecha de Realización: ………………………………………. ……………………………………….

Identificación de la Probeta

Tratamiento Aumento Ataque Químico

Espesor [mm]

Microestructura

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Coloquio Laboratorio de Ciencia de Materiales Práctica 8: Difusión: Cementación de Aceros. Grupo: ……… Estudiante: ……………………………………………… …………………………………………………… …… Fecha de Realización:………………………… Realización:……………………………………. ………….

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1_guias_de_prácticas Ciencia de Materiales I.2

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