TECNOLOGIA DE MATERIALES Informe n° 08
ANÁLISIS METALOGRAFICO DEL ACERO
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Alumno (s): (s):
Profesor: Programa Profesional:
Nota
JOSE OGUSCO
PFR
Especialidad/Grupo:
mantenimiento de maquinaria de planta - A
Fecha de realización: 29/06/17 Fecha de entrega: 30/06/17 TECSUP AREQUIPA
1. OBJETIVOS Identificar los métodos de estudio metalográfico. Utilizar el microscopio Óptico en la caracterización de los materiales. Identificar las fases y constituyentes de estructuras típicas de los materiales. Preparación de las muestras para su observación metalográfica. 2. MARCO TEÓRICO:
Metalografía 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. Dentro de los sólidos podemos distinguir sólidos cristalinos y sólidos amorfos. Los sólidos cristalinos están constituidos por átomos ordenados a larga distancia, ósea que están dispuestos de tal forma que su ordenamiento se repite en las tres dimensiones, formando un sólido con una estructura interna ordenada. Si esta estructura es regular en todo el material se denomina MONOCRISTAL. Sin embargo, lo más habitual es que la estructura sea regular por zonas del material, cambiando la orientación cristalina de una zona a otra, pero no la estructura. Se dice entonces que el material es POLICRISTALINO, integrado por numerosos granos que poseen la misma estructura cristalina, pero que cambian de orientación de unos a otros. La región donde se unen los granos se denomina límite de grano. La organización de esos granos da lugar a la Microestructura del material, que contempla:
La forma y tamaño de los granos Si hay varias fases presentes: granos de diferentes fases La configuración de dichas fases
(b)
(a)
Figura 1: Ejemplos de microestructuras: (a) Latón y (b) Ferrita.
El instrumento que nos permite determinar la microestructura de los materiales es el microscopio, que puede ser óptico o electrónico. En nuestro caso nos centraremos en el óptico. En aquellos materiales que son opacos a la luz visible sólo la superficie es susceptible de ser observada, y la luz del microscopio se debe usar en reflexión (microscopio metalográfico). Para lograr el objetivo de visualizar la microestructura de un material es necesaria una cuidadosa preparación de la superficie. Ésta debe desbastarse y pulirse hasta que quede como un espejo. Esta condición se consigue utilizando papeles abrasivos y polvos cada vez más finos. Se releva la microestructura tratando la superficie con un reactivo químico (ataque químico). El tipo de reactivo y el tiempo de tratamiento dependerán de la naturaleza del material.
El temple El temple es un tratamiento térmico en el que el acero es calentado hasta temperaturas de autenticación y posteriormente es enfriado rápidamente, con el fin de obtener una transformación que proporcione una estructura martensita dura y resistente. El temple superficial se utiliza generalmente para componentes que necesiten una superficie dura y un sustrato que sea tenaz.
En la foto de la estructura metalográfica interna que se muestra a continuación, se puede observar claramente cuál es la zona o capa tratada de la probeta.
Para obtener fotos de microscopio como las expuestas anteriormente, es necesario que estás pruebas se hagan en laboratorio.
Preparación de la muestra
a) Desbaste Grosero El desbaste grosero se practica una vez extraída la probeta con la finalidad de reducir las irregularidades, producidas en la operación de extracción, hasta obtener una cara lo más plana posible. Esta operación puede realizarse con una cinta de desbaste o bien en el caso de materiales no muy duros como aceros sin templar y fundiciones se puede hacer con lima, aunque aumente algo la distorsión que se produce en la superficie a causa de la fluencia del material. De cualquier manera que se practique el desbaste grosero siempre se debe cuidar que la presión no sea exagerada para que la distorsión no sea muy importante, ni la temperatura de la superficie se eleve demasiado.
b) Desbaste Final La operación de desbaste final comienza con un abrasivo de 150, seguido del 250, 400, para terminar con el 600 o 1000. El desbaste se puede realizar a mano o con desbastadoras mecánicas. Para el caso de desbaste manual el papel abrasivo se coloca sobre una placa plana y limpia y se mueve la probeta longitudinalmente de un lado a otro del papel aplicándole una presión suave; se debe mantener la misma la dirección para que todas las rayas sean paralelas. Durante la operación se debe dejar que una corriente de agua limpie los pequeños desprendimientos de material y a su vez lubrique y refrigere la zona desbastada. c) El pulido Tiene por objeto eliminar las rayas finas producidas en el desbaste final y producir una superficie con características especulares. Esta operación por lo general se realiza en forma mecánica y se utiliza un paño impregnado con partículas de algún abrasivo en solución acuosa. Básicamente, se pueden utilizar dos tipos de paños: con pelo (pana, terciopelo, lanas) y sin pelo (seda natural). Se debe elegir el que más se adapte al tipo de material a examinar. Por ejemplo, el pulido de muestras de fundición se debe realizar con paños sin pelo para evitar el arrancamiento de grafito. En cuanto a los abrasivos pueden ser: pasta de diamante, alúmina, alumdun, etc. El abrasivo comúnmente utilizado es la alúmina, que es oxido de aluminio en partículas y que comercialmente se obtiene en forma de pastas o soluciones acuosas. Se debe cuidar que la humedad del paño sea la adecuada, es decir, si la humedad es excesiva la acción abrasiva se retardará demasiado y si es escasa la probeta tiende a mancharse.
Si bien es muy cierto que cuanto más pulida este la superficie más clara será la imagen que obtengamos en el ocular, muchas veces no es necesario llegar hasta un pulido perfecto, sino que bastará con que la densidad de rayas en la superficie sea lo suficientemente baja y preferentemente en una sola dirección. Si con un aumento de 500x se pueden distinguir porciones lisas más o menos grandes entre las rayas, entonces el pulido puede darse por terminado. Dado que las zonas rayadas serán más atacadas que las zonas lisas, si la densidad de rayas es muy alta y si a su vez están en dos o más direcciones, el oscurecimiento de las rayas durante el ataque cubrirán los detalles de la estructura del material. d) Ataque Químico El ataque químico de la cara que se observará tiene por objetivo poner en evidencia, mediante un ataque selectivo, las características estructurales de la muestra. Al aplicar el reactivo sobre la superficie a observar, las características de la estructura son reveladas como consecuencia de un ataque selectivo de la superficie. Esto se debe a que las distintas fases así como los planos cristalográficos diferentemente orientados poseen diferencias en la susceptibilidad al ataque. En general aquellas regiones de la estructura donde la energía libre del sistema es mayor, como por ejemplo los límites de fases, bordes de grano, etc., son atacadas más rápidamente que las regiones monofásicas o ínter granulares. Los reactivos de ataque por lo general son ácidos orgánicos disueltos en agua, alcohol, glicerina, etc. El grado de ataque de una probeta es función de la composición, temperatura y tiempo de ataque.
Métodos de ataque. Antes de realizar el ataque se debe limpiar y desengrasar con alcohol la cara de la muestra a atacar y luego se debe secar con aire caliente. Los modos de ataque principalmente son dos: uno sumergiendo la probeta en el reactivo con la cara que se observará hacia arriba y el otro es mojando un algodón con el reactivo y frotar la cara de la probeta. Transcurrido el tiempo de ataque se debe tomar la probeta y lavar con agua o alcohol e inmediatamente se debe secar con aire caliente. En el caso que se lave con agua es conveniente enjuagar rápidamente la probeta con alcohol y luego secarla con aire, esto previene la formación de manchas de óxido. La muestra se debe manipular en todo momento con pinzas por dos razones fundamentales: para no tener inconvenientes con el reactivo y para no tocar la muestra con las manos ya que esto manchará la superficie de la misma.
3. EJECUCION
A) materiales, herramientas y equipos
LIJAR DE VARIOS RANGOS
BANDEJAS DE AGUA Y ACEITE
SOLDADURA OXIACETILENICA
ACERO DE CONSTRUCCION
MICROSCOPIO
ACIDO NITAL AL 3%
ALCOHOL ETILICO
VASO DE ENSAYO, AGITADOR Y ALGODON
ESMERIL
PULIDOR GIRATORIO
PILETA DE AGUA
GUANTES PARA PRODUCTOS QUIMICOS
B) procedimiento
Se tomara la muestra del acero. La cual previamente ya ha sido cortada quedando con una superficie plana en donde se puede ver con claridad el material para proseguir. Para este laboratorio se tomaran en cuenta dos procesos: el mecanizado mediante el pulido previo lijado y el procesamiento mediante el templado del material que luego ira al pulido. Proceso de lijado. Primero realizamos el lijado del pedazo de acero de construcción de 42
mm de diámetro, en una de las caras de corte. Realizamos esta operación opuesto a las líneas de corte para poder conseguir uniformidad en la superficie. El lijado o pre pulido se realiza utilizando lijas de diferentes calibres. El cual determina que tan fino es el grano que la conforma es decir entre más grande el número más fina es la lija o el grano. Para lijar se realiza un movimiento en una sola dirección, la lija es puesta sobre una superficie plana. Una vez el rayado de la superficie se encuentre en la dirección del pulido, se rota la probeta 90 grados y se reemplaza la lija por una de mayor calibre y se repite el proceso. Las lijas usadas para el pre pulido son: 80, 160, 220, 320, 400, 800 hasta 1200.
Imagen 1: muestra el procedimiento de lijado de la probeta.
En cada paso de la lija se fue acrecentando el número de calibre en total se realizó por cuatro tipos de lijas empezando con una lija tipo media de 120, luego pasamos por una lija fina de 180, posterior a esto se pasó por una lija de 400 y para finalizar este proceso se pulió con una lija de 800 que es mucho más fina en este caso para dejar el material casi terminado y solo faltaría realizar el paso dela pulidora eléctrica.
Imagen 2: aquí podemos observar la probeta de acero en cuarto periodo con una lija de 800.
Proceso 2 mediante templado del material: En este proceso se trabajó la probeta del mismo material con apoyo de un equipo de soldadura oxiacetilénica en la cual se calentó el material al rojo vivo es decir de un color anaranjado y luego de esto siguiendo un patrón de colores para el templado se procede al enfriado brusco del material ya sea en agua o aceite. Para después realizar el primer proceso lijado y pulido del material. Imagen3: se observa el proceso de
METAL CALENTADO
AGUA
templado por enfriamiento brusco en este caso el elemento de enfriamiento es el agua. La finalidad es incrementar la dureza y resistencia del acero elevando a una temperatura que oscile los 800 grados Celsius y luego es enfriado cuando se presente un color guinda claro
Una vez concluido la preparación del templado y el lijado de las probetas se procede a realizar El pulido FINO para el trabajo de acabado superficial y proceder luego con el ataque químico como paso final. En la imagen Nº 4 de observa el esmerilado de los contornos y en la imagen Nº 5 el pulido final de las superficies de ambos materiales. (Lija giratoria) IMAGEN 4
IMAGEN 5
Luego de pasar por los dos procesos de preparación del material se procede a realizar el ataque químico en las superficies pulidas dela probeta, para ello se utiliza un ácido llamado NITAL. Para ello limpiamos la superficie pulida del material con alcohol y agua,
luego de secarla con algodón se procede con el famoso ataque químico, es necesario utilizar unos guantes de látex que nos proteja del ácido corrosivo frente a nuestra piel, tomando precauciones se procede a bañar la superficie con ese acido con la ayuda de un agitador de vidrio evitando en todo momento entrar en contacto con el elemento químico una vez hecho esto se procede a esperar por unos 35 segundos aproximadamente hasta que la superficie quede bien seca para después hacerle un baño con agua dejando la probeta limpia y seca con relativa opacidad en la superficie atacada como muestra la siguiente imagen. IMAGEN 6
Imagen 6: Se aplica el nital sobre la
superficie pulida del material y se espera un promedio de 35 segundos para luego limpiarlo con alcohol etílico y llevarlo al microscopio.
IMAGEN 7
Imagen 7: luego de aplicar el ácido nítrico sobre la superficie se aprecia un tono opaco esto quiere
decir que hubo un buen contacto con el líquido abrasivo. Mediante esto se harán visibles las características estructurales del metal.
Luego de que ambos materiales del mismo componente en este caso un acero de construcción pasó para cada una de estas preparaciones se procede a utilizar el microscopio para observar a nivel microscópico con la ayuda de dicho equipo a una escala se dé 20*20.
IMAGEN 8 Imagen 8: para el análisis
minucioso se utilizó el microscopio, en la imagen se puede apreciar que la probeta se encuentra situada en el foco de la lente.
IMAGEN 9
Imagen 9: luego se procede a
observar la imagen amplificada en el lente ocular acercando más la imagen con la perilla de ajuste.
C) resultados
Una vez terminado los procedimientos se inicia con el análisis de imágenes a nivel microscópico captado a partir de la microestructura de la probeta de acero de construcción. Para ello se obtiene imágenes de ambos materiales, iniciaremos con la imagen del material que si paso por el templado es decir se realizó un tratamiento térmico. (Ver imagen)
Imagen 10: Se observa la presencia de cristales de ferrita (de color blanco en la imagen) y acompañado de cristales de perlita en este caso como manchas oscuras.
“Cristales
de Ferrita”
Por consiguiente luego del temple el acero obtiene mayor dureza y resistencia mecánica debido a que la cantidad de perlita aumenta en comparación con la imagen inferior. “cristales de Perlita”
A continuación se presenta la imagen de la probeta sin alteración del templado, es decir solo se realizó el pre pulido y pulido.
“cristales de Ferrita”
Imagen 10: Se aprecia granos de ferrita mucho más grandes acompañado de perlita y una menor zona de perlita de esto podemos decir que el acero está compuesto de cementita, ferrita y perlita, de esta manera el NITAL al 3% realza los constituyentes estructurales siendo dúctil el material.
Perlita
4. CONCLUSIÓN Un ensayo de metalografía se realiza con el fin de obtener toda la información que es posible encontrar en la estructura de los diferentes materiales. se pudo observarla estructura de ciertas muestras, que nos permitió deducir que tipo de aleación se tiene, contenido de carbono (una aproximación) y tamaño de grano.
El ensayo de metalografía nos permite relacionar los resultados delas muestras con las propiedades físicas y mecánicas que se desean obtener de un material para un uso determinado. Se pudo apreciar los componentes en las microestructuras delos materiales como: ferrita, austenita, perlita, austenita y martensita. Se aprendió a preparar las muestras para el ensayo metalográfico como el desbaste y el pulido
5. RECOMENDACIONES: Al realizar el desbaste y el pulido es necesario tener mucho cuidado al momento de manipular la probeta especialmente sobre la máquina, ya que, un mal desbaste o pulido impedirá la observación en el microscopio. Se recomienda para le preparación de la probeta o la pieza de ensayo debe cumplir con las normas dela (UNE7010) ya que de esta manera la experiencia sería mejor y los resultados más exactos o más precisos. Además de esto. Al aplicar el ataque químico es necesario hacer una limpieza con alcohol la pieza y cumplir con al (tabla 1) ver anexos según el tipo de material
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6. BIBLIOGRAFÍA - Proceso metalográfico PDF: página web https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://190.105.160.51/~material/mat eriales/lab/guia_metalograf%25EDa.pdf&ved=0ahUKEwjbnPC03PUAhVMCZoKHYJKBIMQFghBMAM&usg=AFQjCNH71Swi9NS5FDRMmvrt_jS6XpLgGg
-El temple PDF: página web https://www.google.com/url?sa=t&source=web&rct=j&url=http://www.gnclaser.com/files/galer ia/temple.pdf&ved=0ahUKEwi pJW79OPUAhXMJZoKHYeqBZEQFgibATAY&usg=AFQjCNEG-fBafzb7WDh4Kcvae3zCDqicQ -.
7. ANEXOS: Nombre del Reactivo
Composición
Aplicaciones
Ácido Nítrico (Nital 2%)
Ácido nítrico……….2 cm3.
Aceros, Hierros, Fundiciones
Alcohol………..100 cm3. Ácido Pícrico (Picral)
Ácido pícrico…….4 grs.
Aceros de baja aleación
Alcohol……..100 cm3. Ácido clorhídrico
HCL concentrado…1 cm3.
Aceros templados
Agua………..100 cm3. Reactivo de Bolton
Ácido pícrico…………6 grs. Alcohol etílico………. 78 cm3.
Fundiciones
Ácido nítrico…….2 cm3. Agua………….20 cm3. Ácido Nítrico concentrado
Ácido nítrico concentrado 50 cm3.
Latones α + β
Per sulfato de amonio
Per sulfato de amonio 10 grs.
Cobre y sus aleaciones
Agua…………100 grs. Cloruro férrico ácido
Cloruro férrico….…5 grs. Agua………….5 cm3.
Cobre, zinc y sus aleaciones
Ácido clorhídrico….30 cm3. Alcohol isoamilico…. 30 cm3. Alcohol 96º….……….30 cm3. Ácido Nítrico
Diluido en concentraciones de 0,5, 1, y 10%
Zinc y eutéctico Zn-Al
Ácido nítrico diluido en alcohol Ácido fluorhídrico
Ácido fluorhídrico ….5 ml Agua…. ……………...99,5 ml
Tabla 1
Aluminio
