INFORME DE LABORATORIO III: OBSERVACIÓN DE MICROESTRUCTURAS
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OBSERVACIÓN DE MICROESTRUCTURAS Kevin Guevara 1, Cristian Hernández 2, Keyni Téllez 3, Alejandra Velandia 4 Universidad Nacional de Colombia Bogotá, Colombia kjguevarag@unal.edu.co cfhernandezg@unal.edu.co kytellezg@unal.edu.co savelandiac@unal.edu.co
Resumen — En
este documento se presenta un informe de la práctica realizada con el fin de reconocer las microestructuras de los aceros y las fundiciones, para lo cual se observaron distintas muestras a través de un microscopio especializado, con una configuración determinada para este tipo de observaciones. En el laboratorio se determinaron las características específicas de cada microestructura y así mismo las condiciones que las mismas conceden al material.
Abstract This — This
paper presents a report on the practice to recognize the microstructures of steels and castings, for which different samples were observed using a specialized microscope, with a particular configuration for these observations. In the laboratory determined the specific characteristics of each microstructure and likewise the same conditions as those accorded to the material. Palabr as clave —
Microestructura, Microestructura, inclusión, fundición, metalografía, tipos de grano. I. OBJETIVOS Objetivo General: Observar e identificar el tipo de microestructura microestructura que se encuentra presente en algunos aceros y fundiciones. Objetivos específicos: Clasificar cada tipo de microestructura de acuerdo a las características características observadas.
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Kevin Javier Guevara Gutieerez. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Ingeniería Industrial. 2 Cristian Fabián Hernández Guevara. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería. Ingeniería Industrial. Industrial. 3 Keyni Yulieth Téllez Garavito. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Industrial. 4 Shirley Alejandra Velandia Cantor. Estudiante de la Universidad Nacional de Colombia. Colombia. Facultad de Ingeniería. Ingeniería. Ingeniería Industrial. Industrial.
Comprender la dependencia que existe entre la microestructura con las características determinadas del material. Diferenciar las microestructuras microestructuras que se presentan en los aceros y fundiciones. II. INTRODUCCIÓN El estudio de la microestructura de los metales y las aleaciones permite establecer las relaciones entre la microestructura y las propiedades mecánicas, de d e los diferentes materiales; conocer las microestructura día a día ha ido tomando un valor más importante dentro del campo ingenieril, puesto que conociendo las microestructura de un material se puede determinar el tipo de material se debe usar en las ocasiones determinadas. La microestructura es la estructura más fina de un material, está compuesta por el conjunto de granos o cristales los cuales se pueden observar a través de un microscopio. Esta puede ser modificada, lo que permite escoger una combinación con las propiedades más adecuadas según la aplicación a emplear, tomando en cuenta que sea un material el cual lleve un proceso de producción industrial. La microestructura microestructura de un material se forma durante la solidificación de este. En este documento se exponen las características que permiten identificar las diferentes microestructuras, inclusiones, fundiciones y tipos de grano; así como las propiedades que éstas éstas le atribuyen atribuyen al material material analizado. III. BASE TEÓRICA Microestructura
Es la estructura del material visto a una escala de longitud de entre los 10 y 1000nm. La escala de longitud es un intervalo de dimensiones características dentro de la que se describen las propiedades de un material o los fenómenos que suceden en los materiales. En el caso normal, la micro estructura comprende propiedades como el tamaño promedio de grano, la
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distribución de ese tamaño, la orientación de los granos y otras propiedades relacionadas con los defectos en los materiales. Grano
Un material poli cristalino está formado por muchos cristales pequeños con diversas orientaciones en el espacio. Estos cristales más pequeños se llaman granos: Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los átomos es casi idéntico; los bordes entre los cristales diminutos, donde los cristales están desalineados entre sí, se llaman límites de grano. Cl asif icaci ón de los tam añ os de gr ano
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura que se muestra a continuación es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino. Un grano grueso hace que la estructura metálica sea frágil y poco maleable, la estructura se hace más resistente en la medida que el grano se hace más fino.
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en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros de menos de 0.6 a 0.8%C, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, formando una red o malla que limita los granos de perlita, en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.
Cementita
I nclusiones
Son contaminantes atrapados en las estructuras y composiciones de los metales; usualmente son sólidos como cristales, glóbulos, vítreos, líquidos como el agua, o incluso algunas sustancias en estado gaseoso como el hidrógeno, gas carbónico, hidrocarburos, nitrógeno, entre otras. Estás últimas inclusiones de gases y líquidos se denominan inclusiones fluidas. En los metales las inclusiones son conocidas por el tipo de compuesto contaminante. ESTRUCTURAS DEL ACERO Ferrita
Es el hierro alfa, es decir, hierro casi puro, pero puede tener pequeñas cantidades de carbono, hierro, silicio, fósforo otras impurezas. Esta fase más blanda del acero, muy dúctil y maleable, magnética y de pequeña fuerza coercitiva; cristaliza
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica. Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita en las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globalización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
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Perlita
Martensita
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. La microestructura del acero al carbono presenta cristales oscuros de perlita Si el enfriamiento es rápido (100200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
Austenita
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. La austenita no puede atacarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.
Fundiciones
Generalmente las fundiciones se clasifican como aleaciones férreas con un contenido de carbono superior al 2,1%; sin embargo, en la práctica, la mayoría de las fundiciones contienen entre 3 y 4.5% y otros elementos de adición, como el silicio, manganeso, fósforo, azufre y oxígeno. Las fundiciones se dividen en grandes rangos en dos tipos: F undición Gr is
Los contenidos de Carbono y de silicio varían entre 2,5 a 4 y 1 a 3%, respectivamente. El grafito aparece como escamas o láminas, dentro de una matriz de ferrita α o perlita. Mecánicamente estas fundiciones son consecuencia de una microestructura, comparativamente frágil y poco resistente a la tracción. Una lenta velocidad de enfriamiento favorece la formación de una fundición gris ya que la lentitud en las reacciones favorece que se formen los constituyentes más estables: la cementita se transforma en ferrita y grafito (grafitización).
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F undición B lanca
Son fundiciones bajas en carbono a elevadas temperaturas de enfriamiento, la mayoría del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, este tipo de fundición posee un muy bajo contenido de silicio y Tienen una alta resistencia mecánica y dureza, pero también gran fragilidad (propiedades debidas a la cementita), por lo que son difíciles de mecanizar.
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identificar en el microscopio cada una de las inclusiones y fundiciones con sus respectivas estructuras y límites de grano, haciendo seguidamente un pequeño debate entre los participantes del grupo de laboratorio, ente los cuales se llegó a la conclusión que las estructuras analizadas fueron las mencionadas a continuación: Hierro puro (Ferrita). Acero 1005 (0.05%C). Hierro con inclusiones de sulfuro. Acero 1010, laminado (0.10%C). Acero 1060 (0.60%). Acero Eutéctoide (100% perlita). Fundición blanca hipoeutéctica (ledeburita y cementita). Acero de herramientas (carburos-blancos, esferoidita puntos negros). Para la observación de la microestructuras mencionadas anteriormente se utilizó un lente con aumento de 100X. VI. CONCLUSIONES Se requiere hacer las observaciones antes de cualquier tratamiento químico que pueda alterar las composiciones, ya que cada muestra tiene únicas características físicas y químicas que se pueden confundir con otras microestructura y así realizar un mal análisis.
IV. PROCEDIMIENTO Este laboratorio se llevó a cabo básicamente en dos partes, en la primera se hizo un reconocimiento de las principales microestructuras y sus respectivas características a partir de una presentación de las mismas en láminas metalográficas, estas eran unas imágenes de inclusiones y aceros en distintas fases, a cada fase se le hizo identificación del tipo de grano y de las propiedades mecánicas que adquiere el material por las mismas. Seguidamente se pasó a observar ocho muestras de microestructuras a través del microscopio con un lente de 100 aumentos, e inmediatamente a describir la microestructura observada y decir el tipo de acero o inclusión que se observó y sus respectivas características.
Se necesita de una tabla que contenga el tamaño de los granos para posteriormente comparar con lo que se observe en el microscopio.
Es importante tener experiencia para saber que microestructura se está observando puesto que microestructuras se pueden asemejar, como lo son las cilladuras.
Las microestructuras en los aceros y fundiciones determinan las características y el comportamiento del material.
VIII.
Callister, W. (s.f.). Ciencia e ingeniería de los materiales. Barcelona: Reverté S.A.
Solá, P. M. (1991). Trtamientos termicos de los metales . Barcelona: Marcombo.
González-Viñas, W. y. Ciencia de los materiales. Ariel.
V. RESULTADOS Y ANÁLISIS Seguido de las observaciones de las distintas láminas metalográficas en el microscopio y de acuerdo a las láminas presentadas anteriormente por el laboratorista, se logró
REFERENCIA
