Imforme de Ciencia de Los Materiales I Ensayo Metalografico 1

Universidad Nacional de Ingeniería

Ciencia de los materiales I

Introducción La metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos. La importancia del examen metalográfico radica en que, aunque con ciertas limitaciones, es capaz de revelar la historia del tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido el material. A través de este estudio se pueden determinar características como el tamaño de grano, distribución de las fases que componen la aleación, inclusiones no metálicas como sopladuras, micro cavidades de contracción, escorias, etc., que pueden modificar las propiedades mecánicas del metal. En general a partir de un examen metalográfico bien practicado es posible obtener un diagnóstico y/o un pronóstico. El examen metalográfico puede realizarse antes de que la pieza sea destinada a un fin, a los efectos de prevenir inconvenientes durante su funcionamiento, o bien puede ser practicado sobre piezas que han fallado en su servicio, es decir, piezas que se han deformado, roto o gastado. En este caso la finalidad del examen es la determinación de la causa que produjo la anormalidad. Básicamente, el procedimiento que se realiza en un ensayo metalográfico incluye la extracción, preparación y ataque químico de la muestra, para terminar en la observación microscópica. Si bien la fase más importante de la metalografía es la observación microscópica, la experiencia demuestra que poco se puede hacer si alguna de las operaciones previas se realiza deficientemente. Si la etapa de preparación no se realiza cuidadosamente es posible que se obtenga una superficie poco representativa del metal y sus características. Una preparación incorrecta puede arrancar inclusiones no metálicas, barrer las láminas de grafito en una muestra de fundición, o modificar la distribución de fases si la muestra ha sufrido un sobrecalentamiento excesivo.

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Índice Introducción………………………………………………………………..……… ...1 pág. 1. Ob jetivos………………………… jetivos……………………………………… …………………………… …………………………....4 …………....4 pág. 2. Marco teórico………………………………………………………… 3. Descripción de materiales y equipos……………….……x equipos……………….……x pág. 4. Procedimiento …………………..x pág. 5. Datos…………………………………………x pág. 6. Cálculos y resultados……………………………………x pág. 7. Conclusiones y recomendaciones……………..x recomendaciones……………..x pág. 8. Bibliografía……………………………………x pág. 9. Anexos…………………… Anexos…………………………………… ………………x x pág.

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1. Objetivos:

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Aprender a poner en práctica la técnica de preparación de muestras metalográficas.



Aprender a determinar el tipo de microestructura en las muestras preparadas, para poder caracterizarlas. Como poder obtener el tamaño promedio de grano y su forma.



Estimar el porcentaje de carbono de las muestras de acero.

2. Fundamento teórico: La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los metales y las aleaciones. Dentro de esta podemos hacer dos tipos diferentes de análisis:

Análisis macrográfico. De ellos se extraen datos sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material, es decir poder determinar si el material fue trefilado, laminado, forjado, etc. Además de comprobar la distribución de defectos como grietas superficiales de forja, rechupes, partes soldadas' etc. Los exámenes macroscópicos se realizan generalmente sin preparación especial, pero a veces es necesaria una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las características macroscópicas.

Análisis micrográfico. Es una técnica mas avanzada y se basa en la amplificación de la superficie mediante instrumentos ópticos (microscopio) para observar la característica estructural microscópica (microestructura). Este tipo de examen permite realizar el estudio o controlar el proceso térmico al que ha sido sometido un metal, debido a que los mismos nos ponen en evidencia la estructura o los cambios estructurales que sufren en dicho proceso.

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Para un estudio de la estructura microscópica se necesita una preparación aún más cuidadosa de la superficie. No obstante, el procedimiento de preparación de la superficie es básicamente el mismo para ambos ensayos metalográficos. Esta experiencia delinea una forma de preparar muestras pequeñas (de acero blando) con el fin de realizar un examen metalográfico. Los cuatro pasos básicos que se requieren para preparar la superficie para su observación son:



Corte transversal.

Montaje.





Desbaste y pulido.

Ataque.



Los pasos a seguir en el procedimiento de preparación es el mismo para todos los materiales difiriendo solo las herramientas de corte y el grado de finura de los papeles de esmeril, según la dureza del material. El reactivo de ataque a utilizar depende del tipo de aleación.

PROCEDIMIENTOS PARA PREPARAR LA MUESTRA



Corte transversal: Por lo general, se deben cortar varios trozos pequeños del material a examinar. La ubicación de las muestras y la forma en que se corten afectarán los resultados y su interpretación. Dependiendo del tipo de pieza a examinar es la zona donde se efectuará la muestra. No existe una regla fija que determine el lugar a elegir. Los criterios varían. Por ejemplo: Si se estudian perfiles o barras laminadas, deben extraerse probetas de sus extremos y parte media. Por ejemplo, una varilla de acero estirado en frío puede cortarse de tal forma que quede expuesta una sección transversal o una longitudinal, y ambas secciones variarán notablemente su aspecto. En el caso del acero (y de

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algunas otras aleaciones), es necesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte. Dado que el material a examinar es un acero blando (acero al carbono recocido, aleaciones livianas), el corte se realizara con una sierra a mano y de diente grande. (Mientras más blando sea el material, mas grande debe ser el diente de la sierra a utilizar, con el objeto de que la viruta se fácilmente extraída de la zona de corte, evitando que al agruparse se adhiera a la superficie a estudiar, falseando la observación posterior.) Los materiales duros (aceros aleados, templados, no ferrosos endurecidos) deben cortarse con discos abrasivos muy delgados de carbundum a altas velocidades y gran refrigeración. Los metales frágiles como fundición blanca, aceros templados, bronces ricos en estaño, etc., pueden romperse con golpe de martillo para extraer la probeta.



Montaje Si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande como para que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario montarla. Siempre que se pueda se eligen probetas de 20 x 20 mm y alturas de 15 mm. No obstante, la mayoría de las veces la muestra es demasiado pequeña como para que pueda sostenerse de esta forma (por ejemplo, un tramo de varilla, alambre, lámina), mientras se esmerila o pule. El montaje puede efectuarse de varias maneras. Con sujetadores tipo tenazas (figura de la izquierda). La muestra puede también encerrarse en una resina epóxica de dos compuestos, que se solidifican después de que se mezclan y vacían; asimismo pueden usarse resinas termoplásticas transparentes. Al emplear esta técnica, la muestra se coloca en el molde con plástico en polvo, luego se aplican presión y calor, hasta que el plástico se suaviza y densifica. El enfriamiento se logra a presión, hasta que el plástico se endurece, y por último se saca del molde el objeto ya montado. En la figura de la derecha se muestra un montaje de molde típico y a continuación se escribe el procedimiento a seguir. 5



La superficie de la muestra que va a examinarse se coloca cara abajo sobre la placa de base y el cilindro se desliza sobre la muestra y la placa. Luego se llena el cilindro con baquelita, hasta la mitad o 2/3 de su volumen. Puesto que la baquelita se compacta, pero la muestra no cambia de tamaño, es necesario llenar a mayor altura cuando la muestra es pequeña, que cuando es grande, a fin de tener un montaje con las dimensiones. Después, el embolo se inserta en el cilindro y alrededor del ensamblaje se coloca un calentador o elemento térmico. Luego, ambos se colocan entre las planchas de una prensa y se inserta un termómetro a través de un soporte, por la parte superior hasta el cilindro. La presión

se

efectúa

mientras

se

continúa

el

calentamiento.

A

aproximadamente 140 °F (60°C), la baquelita en polvo se suaviza y entonces se reduce la presión. Esta debe mantenerse alrededor de 35 lb/plg2 hasta que la temperatura llegue a 148 °C (300°F). En este punto, el plástico se habrá endurecido, y entonces puede eliminarse la presión; luego puede extraerse la muestra ya montada. Cuando este lo suficientemente fría como para poder manejarse, se puede iniciar el esmerilado.



Desbaste y pulido Desbaste grueso Este se logra mejor en un esmeril húmedo de banco o en una acabadora de superficies de bandas húmedas, usando bandas de granos 120, 140, 160. El objetivo del esmerilado es obtener una superficie plana, libre de toda huella de marcas de herramientas, y en la que todas las marcas del esmerilado sigan la misma dirección. Se puede esmerilar en seco a condición de no producir cambios estructurales por el calentamiento de la muestra. También se deben evitar presiones excesivas que calienten o distorsionen la superficie a observar. Luego, la muestra se lava y se seca antes de pasar a la próxima etapa de esmerilado.

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Desbaste fino Este proceso se efectúa utilizando granos cada vez más finos de lija metalográfica para esmerilar. Se utilizan papeles de grano 320 en adelante. La lija se sostiene sobre una superficie plana y dura, que puede ser acero o vidrio, y la muestra se pasa sobre el papel de lija sin seguir un movimiento rotatorio. Cuando se termina de esmerilar con un papel de lija, las marcas deben estar todas en la misma dirección. Antes de proseguir con la siguiente lija más fina, deben lavarse la muestra como las manos del operario. Ahora la muestra debe desplazarse en forma tal que las rayas hechas por las distintas lijas formen ángulos rectos con las del inmediatamente anterior. Así, puede verse con claridad si se han eliminado las rayas más gruesas que se hicieron en la operación anterior. El desbaste se da por terminado cuando se obtiene una cara perfectamente plana, con rayas muy finas en toda la superficie, producidas en un solo sentido, por el papel de esmeril de mayor finura. Cuando más blando es el material, mayor es la finura del grano del papel de esmeril util izado en último término.



Pulido Se procede a hacer el pulido solo después de lavar con sumo cuidado tanto las manos como la muestra, a fin de evitar cualquier contaminación de la rueda de pulido. Este procedimiento se basa en el uso de una rueda cubierta con una tela, cargada con una suspensión de alúmina. Al principio, la muestra se sostiene en una posición sobre la rueda, sin hacerla girar, hasta que se hayan eliminado la mayoría de las rayas anteriores. Luego puede hacerse girar con lentitud en sentido contrario al de rotación de la rueda, hasta que solo puedan verse las marcas de alúmina. La rotación de la muestra reduce a un mínimo el peligro de formación de ranuras. La muestra se hace girar con lentitud en sentido contrario al de giro de la rueda tendiendo a obtener una superficie especular. Si los pasos descriptos se realizan debidamente, este pulido no debe requerir más de dos minutos.

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Los resultados del pulido pueden mejorarse si esta última etapa de pulido se realiza sobre la rueda girando a baja velocidad. Para pulir aceros dulces, casi siempre es conveniente usar una alúmina de grano 600. En otros metales y aleaciones pueden lograrse mejores resultados si se acaba con alúmina rebajada, óxido de magnesio, diamante en polvo o cualquier otro tipo de compuesto pulidor que se dispone. El electro pulido es adecuado para el acabado de gran número de muestras idénticas, puesto que requieren ajustes y control cuidadoso. Por otro lado, alguno de los mejores electrolitos constituye un peligro de explosión.



Ataque Este permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación. Existen diversos métodos de ataque, pero el más utilizado es el ataque químico. El ataque químico puede hacerse sumergiendo la muestra con cara pulida hacia arriba en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un algodón embebido en dicho reactivo. Luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca en corriente de aire. El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá más oscuro al microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante, reflejará más luz y se verá más brillante en el microscopio. Por otro lado, en los metales con un solo constituyente metalográfico, los límites de grano están sujetos a ataques selectivos, puesto que representan zonas de imperfección cristalina e impurezas que aceleran el ataque local. Además, los granos con orientaciones distintas son atacados con diferente intensidad, dado que esta diferencia en la orientación provoca velocidades de ataque diferentes. Se debe evitar el sobre ataque, dado que la superficie se puede manchar y tapar la estructura o producirse manchas de corrosión. Un reactivo común utilizado para atacar hierros y aceros al carbono en general es el natal, que consiste en 5% de ácido nítrico concentrado en

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alcohol etílico (en 100cm3 de alcohol etílico 95% agregar 5 cm3 de NO3H concentrado). Para su aplicación, el nital se vierte en un plato y la muestra (lavada y secada previamente) se frota con un algodón impregnado en nital. Por lo común es adecuado de 3 a 5 segundos para que el ataque químico sea adecuado. El nital oscurece la perlita y pone de manifiesto los bordes de la ferrita. Ferrita y cementita blancos y perlita más oscura (laminas claras y oscuras semejante a una impresión digital). Inmediatamente después se lava la muestra con elevada agua corriente, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un golpe de aire.

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3. Descripción de materiales y equipos: En el ensayo de metalográfico se utilizó diferentes equipos y materiales entre ellos tenemos los siguientes:

Figura 1. Probeta.

Figura 2. Alcohol y algodón.

Figura 3. Lijas de 360, 600, 800, 1000 y 1200. Figura 4. Agua en un vaso.

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Figura 5. Pulidora.

Figura 6. Luna de reloj.

Figura 8. Microscopio metalográfico. Figura 7. Ácido nítrico.

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4. Procedimiento:



Marcar en la cara de la probeta que va ser pulida dos rectas perpendiculares que se crucen en el centro de la superficie.



Empezar a trabajar con la lija de 180 en la cara que será pulida, realizando el esfuerzo en una misma dirección (se debe seguir la dirección de una de las rectas trazadas).



Repetir el paso anterior con las lijas de 360, 600, 800, 1000 y 1200 cambiando de dirección a seguir cuando se cambia de lija.



Una vez terminado de lijar la probeta, se empieza a pulir con alúmina sobre el paño de billar haciendo un movimiento radial, usando la pulidora.



Luego se limpia con un algodón con alcohol, se seca.



Se ataca químicamente con el compuesto indicado para cada tipo de probeta y luego se sumerge en agua, se retira y se seca con algodón.



Finalmente se observa en el microscopio y se obtiene la foto micrográfica.

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5. Datos.-

ACERO DE BAJO CARBONO X100

COBRE 100X

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6. Cálculos y resultados.OBSER VACIÓN DE LAS PROBETAS ATACADAS : -

Para la probeta de acero de bajo carbono determinar el porcentaje de carbono, y

a partir de éste valor estimar utilizando las tablas apropiadas cual será el valor de su dureza y su esfuerzo de fluencia.

Para hallar el % de carbono hacemos uso del AutoCAD como apoyo y así tomamos una muestra de 25.4u en el sistema de AutoCAD, en donde para nuestra conveniencia ya que el diámetro de la muestra es 18cm cuando se le hace un aumento de 100, u=mm. También tomamos el área de cuadrados de lado 1u que encierran a la perlita. De nuestro gráfico obtenemos que hay 130 cuadrados de 1u

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y 4 cortados que se

considerarán como la mitad del área

1301 

   1

= 132

-

Á =

-

Á = 25.425.4   = 645.16  

-

Á = Á  Á = 513.16

Reemplazando en:

%  =  (0.8% )   (0.008%) Á Á (0.8% )  % = (0.008%) Á Á 132 513.16 (0.8% )  % = (0.008%)   645.16  645.16  % = 0.170049% ≈ 0.17% 14



Figura 1. Influencia que ejerce el carbono en las propiedades mecánicas del acero recocido

Usamos la siguiente gráfica, ubicamos nuestro porcentaje de carbono y hacemos las siguientes relaciones: - Para Dureza:  100 = →  = 120.41588 38.22 31.74

- Para Esfuerzo de fluencia:  40    =  →  = 41.53122 33.09 31.87  15


-


Para la probeta de cobre determinar el tamaño de grano

Primero hacemos una estimación de los granos usando el AutoCAD como apoyo y tomamos 5 muestras cuadradas de área 1 pulg 2 (figura 2), en cada muestra pasaremos a hacer el conteo de número de granos. 

Muestra 1: 8 cortados → 8/2 equivalente a 4 granos y 1 grano entero. →



Muestra 2: 6 cortados → 6/2 equivalente a 3 granos y 0 granos entero. →









Muestra 5: 6 cortados → equivalente a 3 granos y 1 grano entero. →

++++ Tomamos la media aritmética: 

= 4.4

Usamos también la relación  = 2− , en donde: N = Número de granos por pulgada cuadrada con un aumento de 100. n = Índice ASTM de tamaño de grano (número entero).

4.4 = 21 4.4 = 2− ln 4.4 = ln 2− ln4.4 =1 ln 2  = 3.1375 ≈ 3

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7. Conclusiones y recomendaciones.-

8. bibliografía

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9. Anexos

CUESTIONARIO DE ENS AYO METALOGR AFICO

1. ¿ Qué es el E ns ayo Metalog ráfico? Es el estudio microscópico de las características que poseen un metal, así como también una aleación. Es posible determinar el tamaño de un grano, así como su distribución en fase.

2. ¿ E n qué casos s e hace neces ario el ens ayo microg ráfico? El examen metalográfico puede realizarse antes de que la pieza sea destinada a un fin, a los efectos de prevenir inconvenientes durante su funcionamiento, o bien puede ser practicado sobre piezas que han fallado en su servicio, es decir, piezas que se han deformado, roto o gastado.

3. ¿ Qué números de lija han sido utilizados para el des baste de la s uperficie? Se utilizaron los números de lija:360, 600, 800, 1000 y 1500.

4. ¿ Qué tipo de polvo abrasivo s e ha utilizado durante el pulido mecánico de las probetas ? Se utilizó el talco de alúmina.

5. ¿ Qué reactivo se ha empleado en el ataque químico de las probetas de cobre y bronce y en el ataque de las probetas de acero al carbono? Indique la forma de la aplic ación. 6. ¿ Qué constituyentes s e obs ervan en los aceros al carbono? Los constituyentes son: austerita, ferrita, perlita, cementita, bainita, sorbita y martensita.

7. ¿ Cómo s e realiza la determinación del tamaño de g rano? Indique los métodos que pueden utilizars e

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Existen varios métodos donde se determina el tamaño de grano de un metal. Los principales métodos para la determinación del tamaño de grano recomendados por la ASTM son: método de comparación, método planimétrico y método de intercepción.

a) Método de comparación: Mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por el número correspondiente al número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en cuyo caso se acostumbra especificar el tamaño de granos en términos de dos números que denota el porcentaje aproximado de cada tamaño presente. El método de comparación es más conveniente y bastante preciso en muestras de granos de ejes iguales. El número de tamaño de grano “n” puede obtenerse con la siguiente relación:

N=2 n -1

b) Método Planimétrico: Es el más antiguo procedimiento para medir el tamaño de grano de los metales. El cual consiste en que un circulo de tamaño conocido (generalmente 19.8 mm f, 5000 mm2 de área) es extendido sobre una rnicrofotografía o usado como un patán sobre una pantalla de proyección. Se cuenta el número de granos' que están completamente dentro del círculo n1 y el número de granos que interceptan el circulo n2 para un conteo exacto los granos deben ser marcados cuando son contados lo que hace lento este método. 

Método de intercepción:

El método de intercepción es más rápido que el método planimétrico debido a que la microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o por fotomicrografía o sobre la propia muestra, el número de granos interceptados por una o más líneas restas. Los granos tocados por el extremo de una línea se 19



cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen por lo menos entre posiciones distintas para lograr un promedio razonable. La longitud de líneas en milímetro, dividida entre el número promedio de granos interceptados por ella da la longitud de intersección promedio o diámetro de grano. El método de intersección se recomienda especialmente para granos que no sean de ejes iguales.

8.- ¿ E n qué cas os s e emplea el ensayo macrog ràfico? Mues tre ejemplos del us o del ensayo macrog ràfico, incluir fotos de es tructuras . La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los metales y las aleaciones. La forma más sencilla de hacer dicho estudio es examinando las superficies metálicas a simple vista, pudiendo determinar de esta forma las características macroscópicas. Este examen se denomina "macrográfico" del cual se pueden obtener datos sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material (es decir se puede determinar si el material fue trefilado, laminado, forjado, etc.) o comprobar la distribución de defectos (como grietas superficiales, rechupes, partes soldadas, etc). Para el examen macroscópico, dependiendo del estudio a realizar, se utilizan criterios para el tipo de corte a realizar (transversal o longitudinal) para extraer la muestra (por ejemplo un corte transversal para determinar la naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos de fabricación de caños, etc., y un corte longitudinal: para controlar los procesos de fabricación de piezas, tipo y calidad de la soldadura, etc.). Con la ayuda del microscopio podemos realizar un ensayo micrográfico con el cual es posible determinar el tamaño de grano, y el tamaño, forma y distribución de las distintas fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del material. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y podrá predecirse cómo se comportará mecánicamente.

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TAMAÑO DEL GRANO DEL ACERO

9.- Indicar c uál s ería el reactivo más adecuado para atacar una probeta fabricada en acero A IS I 316L. Pueden ser el nital, picral o vilella, cualesquiera de esos reactivos son buenos para los aceros. -

Nital: Acido nitrico y alcohol.

-

picral: acido picrico y alcohol.

-

vilella, acido picrico , nitrico alcohol.

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