Observación Metalográfica Informe de Laboratorio Néstor Buitrago, Rafael Cuaical Barón, Barón, Jefferson Rodríguez, Rodríguez, Universidad Nacional de Colombia Bogotá D.C., Colombia
I. OBJETIVOS GENERALES: - El objetivo general de este tipo de observación es determinar características del material examinando micro estructura, inclusiones, tratamientos térmicos hechos previamente, se conocerá la distribución de fases que componen la aleación así como el tamaño de grano. -Identificar -Identificar los diferentes tipos de micro estructuras estructuras de los aceros. ESPECÍFICOS: -Conocer la preparación del material antes de realizar la observación de su micro estructura. -Conocer los defectos del material antes de realizar el ataque químico. -Realizar la observación y caracterización de los diferentes tipos de micro micro estructuras presentes presentes en los materiales, aceros y fundiciones mediante la utilización de un microscopio. -Conocer los tipos de micro estructuras más comunes que presentan los materiales. materiales. -Clasificar los tipos de micro estructuras de acuerdo a su forma y tamaño, tamaño de grano y la distribución de sus fases.
-Adquirir la destreza y habilidad de reconocer el tipo de micro estructura presente solamente con su observación. -Comprender la importancia que tiene el tipo de estructura en el material con el fin de analizar sus propiedades mecánicas, pues cada forma de micro estructura está directamente relacionada con alguna de las propiedades, ya sea dureza, o fragilidad en el material. II. INTRODUCCIÓN Numerosas aplicaciones de materiales en ingeniería necesitan ser avaladas y certificadas para su utilización; es por eso que se utiliza el método de observación metalográfica con el fin de obtener información concerniente acerca del material, material, tanto ferroso como no ferroso, mediante el estudio microscópico; como su microestructura, historial de tratamientos a los que ha sido sometido, algún tipo de imperfección en su estructura, la distribución de sus fases y algún tipo de inclusión en dicho material; una vez efectuado este estudio se podrán determinar propiedades tanto físicas, químicas y mecánicas para así garantizar la calidad de un material. Al momento de realizar calentamiento en un material, se presentaran presentaran cambios en su estructura estructura cristalina, aquí es donde se muestra una relación relación entre la concentración del material y la temperatura temperatura mediante los diagramas de equilibrio que datan del tipo de microestructura presente, es allí en donde se controla el enfriamiento enfriamiento y se obtiene finalmente finalmente el tipo de estructura deseado; es una idea básica de lo que es un tratamiento térmico y su relación con los tipos de micro estructuras. Cuando se observan los tipos de microestructuras a través del microscopio (micrografías de 100
aumentos o mas), que están presentes en el material se hará una caracterización del tipo de estructura presente, posteriormente se desarrollara una descripción y características de cada una, de estas dependen la temperatura y la fase a las que hayan sido enfriados los materiales anteriormente, es por eso que se dice que este tipo de observación permite conocer el historial de tratamientos y procesos realizados sobre el material examinado. La prueba consiste en la preparación de muestras metalograficas, mediante procesos de pulimento y ataque químico sobre la superficie del material para que pueda ser observada a través del microscopio.
III. MARCO TEORICO PREPARACION METALOGRAFICA Se debe obtener una superficie perfectamente plana y debidamente pulida, que permitirá llegar a conclusiones exactas.
Existen varios tipos de montaje: -Montaje en caliente: Se utiliza un polímero para pegar la muestra en la inclusión mediante una prensa. -Montaje en frio : Se utiliza una resina en frio que se vierte en un molde con la muestra para que la resina sea la inclusión. ESMERILADO GRUESO – FINO: -Esmerilado grueso: Su objetivo es eliminar la superficie de la muestra que fue deformada por el proceso de selección y lograr un solo plano de pulido para las etapas posteriores. Se utilizan abrasivos de grano grueso (80 - 320), discos o papeles abrasivos al agua. -Esmerilado fino : Es la etapa final del esmerilado. El procedimiento es igual al anterior con papeles (400 a 1200) o diamante en pasta desde 3 a 0,25 micras.
PULIDO FINAL: -Con diamante: Se obtienen los mejores resultados en cuanto a planitud. Se realiza en paños especiales MÉTODO DE PREPARACIÓN: colocados en platos giratorios. Se debe utilizar Este se divide en las siguientes etapas: lubricante (etilenglicol). - Selección y extracción -Con óxidos: Se usan para materiales muy blandos y - Montaje (en caso de ser necesario) dúctiles. (SiO, Al 2O3, MgO). Son suspensiones - Esmerilado grueso - fino coloidales en una proporción determinada en agua - Pulido final. destilada. -Pulido Electrolítico : El mecanismo general está SELECCIÓN Y EXTRACCION: El material debe ser seleccionado y cortado de forma asociado a la disolución anódica. determinada, logrando superficies planas con las De acuerdo a las circunstancias, los métodos de menores deformaciones posibles . Un factor a tener pulido electrolítico más utilizados son: - Pulido en celda electrolítica. en cuenta es la temperatura generada por rozamiento - Pulido por medio de equipos automáticos. en el corte, el cual debe realizarse con un liquido - Pulido local por medio del método “tampón”. lubrirefrigerante, de lo contrario se estaría modificando la estructura original. NOTA: El método de de preparación de muestras metalográficas se encuentra normalizado en la norma En todos los casos, la muestra que se extraiga, debe ASTM E3. representar las características del material de origen. ATAQUE QUÍMICO: Antes de observar la muestra bajo el microscopio. El material debe ser atacado químicamente, el ataque se realiza sumergiendo la muestra metálica pulida en una solución ácida o básica débil que ataca a la superficie a una velocidad que varía con la orientación cristalina de la misma. Como los MONTAJE: Cuando se considere necesario para una mejor cristales de un metal tienen usualmente distintas manipulación de la muestra o para evitar la orientaciones, los cristales adyacentes se disuelven conservación de los bordes o alguna capa por la solución de ataque a diferentes profundidades, constituyente, es necesario montar la muestra en lo produciendo el efecto de altiplano. Después del ataque las interacciones de los límites de grano que llamamos "inclusión". La pieza debe estar libre atacados en la superficie, quedan marcados por una de grasa o contaminante que interfiera en la red de escarpaduras poco profundas. Estas adherencia. En general se deben obtener por lo menos dos cortes: uno longitudinal y otro transversal, para analizar las estructuras y las propiedades en estas dos direcciones (salvo en el caso de materiales directos de colado fundidos).
superficies casi verticales no reflejan la luz en las lentes objetivos de un microscopio en la misma forma que las superficies horizontales y formas de los cristales que quedan entre ellos, y como resultado, se observará la posición de los límites de los cristales. MICROESTRUCTURAS FERROSOS
DE
solución sólida de carbono en ferrita sobresaturada y distorsionada, se encuentra en los aceros templados, su aspecto es de forma acircular. Martensita:
METALES
Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden determinarse estudiando la micrografía. En el laboratorio se observaron e identificaron los siguientes tipos de estructuras: INCLUSIONES: Estas se observan en la muestra antes de realizar el ataque químico y hacer el brillado tipo espejo. Las inclusiones corresponden a impurezas presentes en el material durante su solidificación (contaminación en los aceros), se clasifican de la siguiente manera: Estructuras alargadas, se observan secuencias de puntos. -Tipo silicato: Se observan sucesiones de puntos en líneas ordenadas. -Tipo sulfuro:
-Tipo aluminato: -Tipo Oxido: se observan puntos en la estructura sin
un orden específico. -Escoria : Puede observarse a simple vista, es una inclusión demasiado grande, que indica la mala calidad del material. Existen tablas que indican el tipo de inclusión por la forma y tamaño, solamente se observan inclusiones para los aceros. ESTRUCTURAS DE ACEROS AL CARBONO Ferrita: se observan una estructura en su mayoría de
color blanco no se observan micro estructuras oscuras. Es hierro casi puro. Es muy dúctil, maleable y Magnético. Cristaliza en el sistema BCC. Cementita: es un carburo de
es una solución sólida de carbono en hierro es blanda, dúctil, tenaz y no magnética, aparece cuando se hacen tratamientos térmicos a los aceros. Austenita:
hierro (Fe3C) es el constituyente más duro de los aceros, contiene 6.67%C. Perlita: es una mezcla de 88.5% de ferrita y 11.5% de cementita, tiene formas laminares alternadas (similar a la marca de una huella digital).
TAMAÑO DE GRANO Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explicó en el laboratorio es el que utilizan con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X y generalmente se especifica el tamaño de grano austenítico, que para un acero templado de manera apropiada debe ser pequeño. Existen tablas donde se determinan los tamaños de grano mediante este tipo de observaciones. FUNDICIONES GRAFITOS: Se presentan en las fundiciones, existen tablas que se utilizan para caracterizarlos en distintos tipos por tamaño y número, al igual que las inclusiones en los aceros, en las fundiciones se observan los grafitos antes de atacar químicamente el material y revelar su estructura, estas pueden ser: -Nodulares: se presentan puntos grandes de grafito. -Maleable: Se presentan puntos en formas de copos de algodón.
IV.
MATERIALES Y EQUIPOS
1-Microscopio metalográfico. 2- Muestras de aceros debidamente preparadas mediante un proceso de pulido y ataque químico: -Acero AISI 1010 -Fundición gris -Fundición blanca
V.
RESULTADOS OBTENIDOS
Durante las cinco caracterizaciones metalográficas realizadas se obtuvieron los siguientes tipos de estructuras e inclusiones como se muestran a continuación:
Se caracterizo una inclusión tipo aluminato, con un tamaño de grano tipo 2 fino.
OBSERVACIÓN→ 4 So observó una fundición blanca híper-eutéctica (4.5%carbono), pudiendo observar micro estructuras de tipo Ledeburita Cementita y Perlita.
Figura 1: inclusión tipo aluminato.
Figura 4: fundición blanca-carburo de hierro – 100x.
OBSERVACIÓN → 2 Se observó una muestra de acero 1010 con un tamaño de grano numero 6.
OBSERVACIÓN→ 5 Se observó una fundición globular en una matriz
OBSERVACIÓN → 1
Figura 2: Acero 1010 – 100x.
Ferrítico – Perlítica.
. Figura 5: Nodular Ferrítico-perlítica – 100x.
OBSERVACIÓN→ 3 Se observó una muestra de acero 100% ferrítico (ferrita), con algunos fragmentos de silicato en forma de rayas negras y aluminatos en forma de puntos. Los puntos indican porosidades.
OBSERVACIÓN→ 6 Se observó una fundición gris hipo-eutéctica, (2.11%-4.3%carbono), se caracteriza por la estructura ledeburita.
Figura 3: Ferrita – 800x.
Figura 6: fundición gris ledeburítica – 100x
VI.
este tipo de microestructuras de acero al carbono (ferrita) se tiene en la mayoría de los casos una cristalización en el sistema BCC. También se puede decir que es dúctil y maleable.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Se observaron seis muestras de diferentes tipos de aceros y fundiciones debidamente preparadas, en todas ellas fue necesario realizar un montaje en una “inclusión” o especie de base para sostener la muestra (no confundir con las inclusiones en aceros), donde una pequeña muestra del material en forma laminar se pega mediante un polímero y es prensada, para manipular y almacenar las muestras de forma eficiente para posteriores observaciones.
En la cuarta observación tenemos que se observa una fundición blanca híper-eutéctica ya que sobrepasa el 4,3 % de carbono. En esta observación se notan dos tipos de estructuras de los carburos de hierro muy comunes, las cuales son; la estructura cementita (compuesto intermetálico) y la perlita. Para la perlita tenemos que es una mezcla de 88.5% de ferrita y 11.5% de cementita, tiene formas laminares alternadas, en la gráfica puede ubicarse de una manera mas fácil donde se notan especies de marcas “huellas digitales”, que indican la presencia de
Es muy importante observar detalladamente el borde de grano, generalmente esto se hace a micrografías de 100 aumentos, y posterior al ataque químico del material, ya que el tamaño del grano nos entrega una importante información del material respecto a aspectos como propiedades mecánicas y tratamientos térmicos de dicho material.
perlita, y de una especie de “bastones”, muy
comunes en las fundiciones blancas. Para la quinta observación se tiene una fundición globular, por la presencia de grafito en forma de glóbulos (nódulos), estos también son visibles cuando la muestra no ha sido atacada químicamente, posterior al ataque se revela su microestructura como puede observarse en la gráfica, esta corresponde a ferrita (marcas color crema), y perlita, manchas negras no globulares, si se tomaran mas aumentos estas manchas tendrían forma laminar. Se concluye entonces que se trata de una fundición blanca globular en una matriz ferrítico-perlítica.
En la primera observación se determino que había sobre la superficie del material una inclusión tipo aluminato, con un tamaño de grano tipo 2 fino, es de anotar que el material no ha sido atacado químicamente y no se ha revelado su microestructura, se pueden observar claramente algunas sucesiones de puntos ordenadas compuestas por puntos muy finos, pero además nótese que la mayoría de los puntos están dispersos. Las inclusiones vistas indican la presencia de impurezas en el material y aunque nunca pueden ser evitadas si pueden ser contraladas, como no pueden ser observadas a simple vista y son muy finas se trata de un acero de buena calidad. En la observación numero dos, se llego a la hipótesis que se trata de un acero 1010, es un acero al carbono común con 0.10% de contenido nominal de carbono. Este es un acero de relativamente baja resistencia, los aceros con bajo contenido de carbono son susceptibles al temple. La figura muestra que en los bordes de grano se ven otro tipo de formaciones, (manchas negras), que corresponden a la concentración del carbono en el acero, puede llegarse a esta conclusión mediante el uso de tablas. Para la tercera observación se observa un acero 100% ferrítico, por lo cual se puede decirse que la estructura presente en el material es solamente la ferrita (hierro aprox al 100%), además se notan como una especie de rayas negras las cuales son fragmentos de silicato y en algunas partes algunos puntos, los cuales indican que el material posee algunas porosidades, por estas ingresa el acido cuando la muestra es atacada químicamente. Con
Para la última muestra correspondiente a la muestra número seis, se observa una fundición gris hipoeutéctica (por debajo del punto eutéctico <4,5% de carbono), nótese que no hay presencia de “bastones”, se observa ledeburita, únicamente se presenta en las fundiciones ya sean grises o blancas. Inicialmente para identificar este tipo de estructuras y sus componentes de una manera adecuada resulta ser muy complicado, generalmente para esto se requiere de experiencia, la cual se ira adquiriendo en un frecuente contacto con estas muestras.
VII.
CONCLUSIONES
-Se puede concluir entonces, que el objetivo de la preparación de una muestra metalografía es la revelación de la estructura verdadera, llamando en teoría estructura verdadera a la cual no posea deformaciones, rayas, arranques de material, elementos extraños, aplastamientos, relieves, bordes redondeados y daños térmicos. Esto se logra con la
realización de preparación.
un
método
sistemático
de
-La observación metalografía se realiza con el fin de obtener información del material a partir de su microestructura. -Gracias a este tipo de observación detallada de la microestructura del material permitirá deducir algunos parámetros tales como: tipo de aleación, contenido de carbono para el caso de los aceros (con gran medida de aproximación) y el tamaño de grano. -Una ventaja de la observación es que permite caracterizar algunas propiedades físicas y mecánicas del material, debido a su composición. -Una de las herramientas fundamentales para comprender y caracterizar estas estructuras son los diagramas de fase de los materiales, especialmente el de hierro – carbono para este caso. -Es importante tener en cuenta la preparación de la muestra del material, en el proceso de pulimento y ataque químico pues en una muestra se pudieron observar ralladuras de lija en la superficie observada en el material, y esto puede causar algún tipo de confusión en la observación.
VIII.
BIBLIOGRAFÍA
-Ciencia e ingeniería de los materiales - Donald Askeland. -Ciencia de materiales selección y diseño – Pat L. Mangonon. -Introducción a los materiales de ingeniería – Ramiro Pérez. -Guía de metalografía – Universidad del norte. Disponible en: http://es.scrid.com/doc/18358098/Guia-Para Practica-de-Metalografia
OBSERVACIÓN METALOGRÁFICA INFORME DE LABORATORIO
ALUMNOS: NÉSTOR H. BUITRAGO B. RAFAEL CUAICAL BARON JEFFERSON M. RODRIGUEZ
PROFESOR: JUAN H. REYES P.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE BOGOTÁ CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES BOGOTA D.C MAYO DE 2011
