METALOGRAFIA INTRODUCCIÓN Es la rama de la metalurgia que estudia la estructura de un metal-aleación y la relaciona con la composición química, con las propiedades mecánicas y físicas. Este estudio es llevado a cabo con la aplicación de diversas y variadas técnicas especiales. En los comienzos de la metalurgia, se utilizaron para conocer las propiedades físicas y mecánicas de los materiales, los análisis químicos y los ensayos mecánicos. Con estos métodos no quedaba definido completamente el metal o la aleación, con la aparición de la metalografía comenzó una información muy valiosa que se refiere a la forma y tamao del grano, conformación de los constituyentes capaces de e!ercer gran influencia sobre la dureza, resistencia a la tracción resistencia, fatiga, etc., los cuales pueden ser modificados por los tratamientos térmicos o conformación mecánica.
FUNDAMENTO TEORICO "a metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características características estructurales o de con constit stitu ución ión de los los metale tales s y aleaci aleacion ones es,, para para relaci relacion onarl arlas as con las prop ropied iedade ades fís física icas, mec mecánica icas y químicas de los mismos. "a importancia del e#amen metalográfico rad radica ica en que, que, aunq aunque ue con con cier cierta tas s limi limita taci cion ones es,, es capa capaz z de reve revela larr la $ist $istor oria ia del del trat tratam amie ient nto o mecá mecáni nico co y térmico que $a sufrido el material. % través de este estudio se pueden dete determ rmin inar ar cara caract cter erís ísti tica cas s como como el tama tamao o de gran grano, o, dist distri ribu buci ción ón de las las fase fases s que com componen nen la alea leació ción, inclusiones no metálicas como sopladuras, micro cavidades de contracc contracción, ión, escorias, escorias, etc., etc., que pueden pueden modificar las propiedades mecánicas del metal. En genera nerall a parti rtir de un e#a e#amen metalográfico bien practicado es posible obtener un diagnóstico y&o un pronóstico.
El e#amen metalográf ráfico puede real realiz izar arse se ante antes s de que que la piez pieza a sea sea dest destin inad ada a a un fin, fin, a los los efec efecto tos s de prev preven enir ir inco inconv nven enie ient ntes es dura durant nte e su funcio cionamie miento, o bien ien puede ser ser
practicado sobre piezas que $an fallado en su servicio, es decir, piezas que se $an deformado, roto o gastado. En este caso la finalidad del e#amen es la determinación de la causa que produ!o la anormalidad. 'ásicamente, el procedimiento que se realiza en un ensayo metalográfico incluye la e#tracción, preparación y ataque químico de la muestra, para terminar en la observación microscópica. (i bien la fase más importante de la metalografía es la observación microscópica, la e#periencia demuestra que poco se puede $acer si alguna de las operaciones previas se realiza deficientemente. (i la etapa de preparación no se realiza cuidadosamente es posible que se obtenga una superficie poco representativa del metal y sus características. )na 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 $a sufrido un sobrecalentamiento e#cesivo. "a correcta preparación de la probeta para la observación microscópica es de fundamental importancia. *ara ello se tienen en cuenta los resultados de la observación macroscópica y luego se procede+ . (elección del lugar y e#tracción de la muestra. . onta!e de la probeta /. 0esbaste. 1. *ulimento. 2. %taque. 3. 4bservación microscópica. El ataque químico de la cara que se observará tiene por ob!etivo poner en evidencia, mediante un ataque selectivo, las características estructurales de la muestra. %l 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.
"as propiedades mecánicas de una aleación no dependen solamente de su composición química, o sea del porcenta!e en peso de cada elemento, sino también de la manera de presentarse éstos. %sí, por e!emplo, los elementos químicos que forman una aleación pueden encontrarse en forma de una solución sólida $omogénea, en forma de una mezcla eutéctica, en forma de un compuesto inter metálico de
composición química definida, dispersa en el seno de una solución sólida, etc. Cada uno de estos componentes se llama un constituyente metalográfico y de su proporción, forma y e#tensión dependen en gran parte las propiedades de las aleaciones. Estos constituyentes metalográficos son detectados al microscopio y su reconocimiento constituye el análisis micrográfico de la aleación.
El análisis micrográfico de un metal se $ace sobre una probeta pulida del material que se ataca con un reactivo. Cada constituyente metalográfico tiene una determinada velocidad de reacción con el reactivo de ataque. "os constituyentes menos atacables quedarán con más brillo y refle!arán mayor cantidad de luz en el microscopio, apareciendo más claros a la observación. Esta diferencia permite detectar los distintos constituyentes y determinar su proporción, distribución, tamao, etc. Cada constituyente metalográfico está compuesto por un gran n5mero de Cristales, que agrupados constituyen el grano metal5rgico. "os bordes del grano son atacados con mayor intensidad y se denominan .límite de grano.. En el microscopio metalográfico sólo detectamos los distintos constituyentes metalográficos y los granos que lo forman. El retículo cristalino que forman los átomos dentro de cada grano no es visible al microscopio. (u estudio requiere la aplicación de otras técnicas, como rayos #, etc
tipo de elementos tienden a ser blandos y presentan puntos de fusión ba!os, propiedades que también se pueden atribuir al aluminio, dado que forma parte de este grupo de elementos. El estado del aluminio en su forma natural es sólido. El aluminio es un elemento químico de aspecto plateado y pertenece al grupo de los metales del bloque p. El n5mero atómico del aluminio es /. El símbolo químico del aluminio es %l. El punto de fusión del aluminio es de 6//,17 grados 8elvin o de 33,/ grados Celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del aluminio es de 76 grados 8elvin o de 26,92 grados Celsius o grados centígrados.
Usos de aluminio:
El aluminio es un metal importante para una gran cantidad de industrias. (i alguna vez te $as preguntado para qué sirve, a continuación tienes una lista de sus posibles usos+
Aluminio:
El aluminio pertenece al grupo de elementos metálicos conocido como metales del bloque p que están situados !unto a los metaloides o semimetales en la tabla periódica. Este
El aluminio metálico es muy 5til para el envasado. (e utiliza para fabricar latas y papel de aluminio. El boro$idruro de aluminio se aade al combustible de aviación. El cableado eléctrico se $ace a veces a partir de aluminio o de una combinación de aluminio y cobre. uc$os de los utensilios del $ogar están $ec$os de aluminio. Cubiertos, utensilios de cocina, bates de béisbol y relo!es se $acen $abitualmente de aluminio. El gas $idrógeno, un combustible importante en los co$etes, puede obtenerse por reacción de aluminio con ácido clor$ídrico.
El aluminio de pureza e#tra :66,69; a 66,666< de aluminio puro= se utiliza en equipos electrónicos y soportes digitales de reproducción de m5sica. uc$as piezas de coc$e, avión, camión, tren, barco y bicicleta están $ec$os de aluminio. %lgunos países tienen monedas en que están $ec$os de aluminio o una combinación :aleación= de cobre y aluminio. El aluminio es muy bueno para absorber el calor. *or lo tanto, se utiliza en la electrónica :por e!emplo en ordenadores= y transistores como disipador de calor para evitar el sobrecalentamiento. "as luces de la calle y los mástiles de barcos de vela son normalmente de aluminio. El borato de aluminio se utiliza en la fabricación de vidrio y cerámica. 4tros compuestos de aluminio se utilizan en pastillas antiácidas, purificación de agua, fabricación de papel, fabricación de pinturas y fabricación de piedras preciosas sintéticas.
Parte experimental: % continuación se $ará una breve descripción de cada uno de los pasos
previos a la observación en el microscopio, comenzando por la e#tracción de la muestra, siguiendo con las distintas fases de preparación de la misma y por 5ltimo se describe el ataque químico a la muestra y la observación microscópica.
I Extracción de la me!tra 0urante la e#tracción de la muestra es fundamental considerar el lugar de donde se e#traerá la probeta y la forma en que se $ará dic$a e#tracción. (e debe tener en cuenta que no es indiferente el lugar de donde se e#traerá la muestra, seg5n sea el ob!etivo del e#amen. *or e!emplo cuando se trata de una pieza rota en servicio y el ob!eto del e#amen es determinar las causas de dic$a falla, la probeta debe e#traerse, en la medida de lo posible, de la zona puntual donde la pieza $a fallado. Esto permitirá obtener la mayor información posible de las características del material en dic$a zona y así obtener me!ores conclusiones sobre las posibles causas de la falla. *or e!emplo, si se pretende determinar si un trozo de alambre posee
traba!o en frió, causado por alg5n proceso de trefilado, se deberá observar una cara paralela al e!e longitudinal de dic$o trozo> por lo tanto la e#tracción de la muestra estará determinada por esta condición. En síntesis se debe lograr una muestra representativa del material a e#aminar. En cuanto a la forma de e#tracción de la probeta se debe tener en cuenta que esta operación debe realizarse en condiciones tales que no afecten la estructura superficial de la misma. *or lo tanto se debe cuidar que la temperatura del material no se eleve demasiado durante el proceso de e#tracción. "a e#tracción se puede $acer con cierras de corte manual, o en el caso de piezas muy duras con cortadoras sensitivas muy bien refrigeradas. "a preparación de la muestra puede dividirse en tres fases+ = 0esbaste ?rosero = 0esbaste @inal /= *ulido
II"# De!$a!te Gr%!er% El desbaste grosero se practica una vez e#traída la probeta con la finalidad de reducir las irregularidades, producidas en la operación de e#tracción, $asta 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 $acer con lima, aunque aumente algo la distorsión que se produce en la superficie a causa de la fluencia del material. 0e cualquier manera que se practique el desbaste grosero siempre se debe cuidar que la presión no sea e#agerada para que la distorsión no sea muy importante, ni la temperatura de la superficie se eleve demasiado.
II"& De!$a!te Final
"a operación de desbaste final comienza con un abrasivo de 2;, seguido del 2;, 1;;, para terminar con el 3;; o ;;;. El desbaste se puede realizar a mano o con desbastadoras mecánicas. *ara 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. 0urante la operación se debe de!ar que una corriente de agua limpie los pequeos desprendimientos de material y a su vez lubrique y refrigere la zona desbastada. El final de la operación sobre un papel está determinada por la desaparición de las rayas producidas durante el desbaste grosero o el papel anterior. *ara poder reconocer esto fácilmente se opera de manera que las rayas de un papel a otro sean perpendiculares, es decir se debe rotar 6;A la dirección de movimiento de la probeta cada vez que se cambia de abrasivo. %demás cada vez que se cambia de abrasivo es conveniente lavar la probeta y en!uagarse las manos para no transportar las partículas desprendidas en el abrasivo anterior, ya que esto puede provocar la aparición de rayas. "a presión que se aplica a la probeta no debe ser e#agerada ya que esto aumenta la distorsión y además pueden aparecer rayas profundas. "a presión debe ir disminuyendo a medida que se avanza en la operación. (i el desbaste se realiza en forma automática las precauciones son las mismas que para el desbaste manual. En este caso el abrasivo esta ad$erido sobre un disco de ; cm de diámetro, apro#imadamente, que gira a velocidades que pueden oscilar entre 2; y 3;; B*> las velocidades más altas se usan con los abrasivos más gruesos. Cuando los metales a pulir son demasiado blandos es conveniente
impregnar los abrasivos lubricante adecuado.
con
un
ataque cubrirán los detalles estructura del material.
de
la
II"' Plid% El pulido tiene por ob!eto 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 pao impregnado con partículas de alg5n abrasivo en solución acuosa. 'ásicamente, se pueden utilizar dos tipos de paos+ con pelo :pana, terciopelo, lanas= y sin pelo :seda natural=. (e debe elegir el que más se adapte al tipo de material a e#aminar. *or e!emplo, el pulido de muestras de fundición se debe realizar con paos sin pelo para evitar el arrancamiento de grafito. En cuanto a los abrasivos pueden ser+ pasta de diamante, al5mina, alumdun, etc. El abrasivo com5nmente utilizado es la al5mina, que es o#ido de aluminio en partículas y que comercialmente se obtiene en forma de pastas o soluciones acuosas. (e debe cuidar que la $umedad del pao sea la adecuada, es decir, si la $umedad es e#cesiva la acción abrasiva se retardará demasiado y si es escasa la probeta tiende a manc$arse. (i bien es muy cierto que cuanto más pulida este la superficie más clara será la imagen que obtengamos en el ocular, muc$as veces no es necesario llegar $asta un pulido perfecto, sino que bastará con que la densidad de rayas en la superficie sea lo suficientemente ba!a y preferentemente en una sola dirección. (i con un aumento de 2;;# se pueden distinguir porciones lisas más o menos grandes entre las rayas, entonces el pulido puede darse por terminado. 0ado que las zonas rayadas serán más atacadas que las zonas lisas, si la densidad de rayas es muy alta y si a su vez están en dos o más direcciones, el oscurecimiento de las rayas durante el
III Ata(e )*mic% El ataque químico de la cara que se observará tiene por ob!etivo poner en evidencia, mediante un ataque selectivo, las características estructurales de la muestra. %l aplicar el reactivo sobre la superficie a observar, las características de la estructura son reveladas como consecuencia de un ataque selectivo de la superficie. Esto se debe a que las distintas fases así como los planos cristalográficos diferentemente orientados poseen diferencias en la susceptibilidad al ataque. En general aquellas regiones de la estructura donde la energía libre del sistema es mayor, como por e!emplo los límites de fases, bordes de grano, etc., son atacadas más rápidamente que las regiones monofásicas o ínter granulares. "os reactivos de ataque por lo general son ácidos orgánicos disueltos en agua, alco$ol, glicerina, etc. El grado de ataque de una probeta es función de la composición, temperatura y tiempo de ataque. *ara que el ataque sea apropiado es necesario elegir el reactivo de acuerdo a la composición de la probeta, es decir, un reactivo a base de persulfato de amonio es ideal para atacar probetas de cobre y
latón, pero no es adecuado para atacar al acero o aleaciones ferrosas. En cambio el nital :solución acuosa o alco$ólica de ácido nítrico al < o $asta el 2<= es uno de los reactivos más com5nmente usado en aleaciones ferrosas y aceros. En la tabla 1 se encuentran algunos reactivos con su composición y usos más frecuentes. En general, dado un reactivo, el tiempo de ataque es una variable fundamental, y en general debe ser determinado en forma práctica. )n tiempo de ataque demasiado corto :subataque=, no permitirá que el reactivo act5e lo suficiente y por lo tanto no se obtendrá un buen contraste entre las fases, o los bordes de grano aun no $abrán aparecido. *or otro lado, un sobre ataque proporcionará una cara obscura con bordes de grano demasiado anc$os, resultando dificultoso una distinción clara de las proporciones de cada una de las fases. En este sentido la e#periencia indica que en el caso de no conocer el tiempo de ataque adecuado, es conveniente comenzar con secciones acumulativas de ataques de corta duración y observaciones microscópicas $asta lograr el contraste apropiado.
En el caso que se produ!ese un sobre ataque será necesario pulir la probeta en el abrasivo más fino y también en el pao antes de atacar nuevamente durante un tiempo menor.
M+t%d%! de ata(e" %ntes de realizar el ataque se debe limpiar y desengrasar con alco$ol la cara de la muestra a atacar y luego se debe secar con aire caliente. "os modos de ataque principalmente son dos+ uno sumergiendo la probeta en el reactivo con la cara que se observará $acia arriba y el otro es mo!ando un algodón con el reactivo y frotar la cara de la probeta. ranscurrido el tiempo de ataque se debe tomar la probeta y lavar con agua o alco$ol e inmediatamente se debe secar con aire caliente. En el caso que se lave con agua es conveniente en!uagar rápidamente la probeta con alco$ol y luego secarla con aire, esto previene la formación de manc$as de ó#ido. "a 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 manc$ará la superficie de la misma.