Metalografia y Tratamiento Termico.pdf

Scientia et Technica 2013, 06. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701

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Metalografía Óptica y Tratamiento Térmico Autor 1: Jeiner Orlando Moreno Soto. Programa de Ingeniería Ingeniería Física, Universidad Tecnológica Tecnológica de Pereira, Pereira, Pereira, Colombia. Colombia. Correo-e: [email protected] .

mediante el desarrollo del este informe se procederá a mediante explicar, de manera detallada, el método de metalografía óptica para analizar las microestructuras de cuatro diferentes muestras o probetas. También se describirá de manera detallada un método de tratamiento térmico, el temple y sus efectos en el acero.

Resumen —

clave — Metalografía, Tratamiento Térmico, acero, microestructura, propiedades mecánicas, propiedades físicas, composición química, temple. Palabras

I.

INTRODUCCIÓN

METALOGRAFIA OPTICA El Método de metalografía óptica es utilizado para catalogar y estudiar las microestructuras de diferentes materiales, por el cual se pueden distinguir las diferentes aleaciones, los diferentes tipos de aceros, entre otros. En esta ocasión hablaremos acerca de tres materiales específicos, de sus características y sus aplicaciones.

Composición Química: nos indica la presencia en porcentajes de otros elementos dentro de un elemento base. Propiedades Mecánicas: las propiedades mecánicas dependen tanto como de su composición química como de su estructura cristalina. Con el tratamiento término y las aleaciones se pretende mejorar características características como: Resistencia al desgaste: es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material. Tenacidad: capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia de impacto). Maquinabilidad: es la facilidad que tiene un material de permitir el proceso proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar.

Para una mejor comprensión de las características de los materiales de prueba usados en la práctica es conveniente identificar claramente el significado de cada uno de los argumentos a utilizar a la hora de d e calificar las características. Por esto se definen los siguientes parámetros a tener en cuenta para la caracterización caracterización de los materiales materiales y sus propiedades:

Acero: este material es una aleación de hierro con carbono, fue utilizado por antiguas civilizaciones con fabricación de herramientas de trabajo, armas, entre otros. Se desconoce el origen o la primera civilización en emplear el acero pero las primeras herramientas en este material datan de 3000 años antes de cristo y fueron encontrados en Egipto. Para nuestro estudio tendremos un tipo de acero específico que veremos a continuación:

Identificación de Color: es un código de color adoptado para identificar características puntuales de los aceros y de las aleaciones no ferrosas. Cada argumento dentro del material explicara apropiadamente porque posee estos colores.

Acero 1020: este acero es un tipo de acero estructural, usado en la construcción de edificaciones y en también de herramientas de trabajo. Es un acero al carbono para cementación y sus características son:

Perfil: el cual indica comercialmente en que formas geométricas es vendido al consumidor, aunque igual puede ser solicitado una forma específica si el consumidor lo requiere. Norma Internacional AISI – SAE este número es una clasificación de aceros y aleaciones no ferrosas. Donde el primer número indica la aleación principal, el segundo el porcentaje aproximado del elemento elemento principal, los dos últimos indica la cantidad de carbono en el material.

Identificación de color: donde la mitad amarilla indica que es apto para trabajos en caliente y la parte roja indica que es un acero estructural.

Perfil:

Scientia et Technica 2013, 06. Universidad Tecnológica de Pereira.

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Norma Internacional AISI – SAE: 1020. Composición Química: en porcentajes (%), C (carbono) 0,18 - 0,23, Mn (manganeso), 0,040 P (fósforo) máximo, 0,050 S (azufre) máximo, 0,15 – 0,30 Si (silicio) máximo, este último depende de la aplicación puede llevarlo o no.

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Propiedades Mecánicas: como las propiedades difieren según la estructura cristalina y la composición química, al efectuar tratamientos térmicos sobre el material también se modifican estos parámetros. Para cada tratamiento los valores son diferentes en algunas o tras las propiedades del acero. Por esto se citara brevemente el tratamiento térmico y las características del acero al ser sometido a éste. Existen varios métodos para el tratamiento térmico: Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

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tratamiento reconocido de ablandamiento (870 - 900) °C enfriamiento aire. Calibrado: resistencia a la tracción 55-70 (kg/mm^2), limite elástico K = 45 (N), alargamiento 10%, reducción de área 35%, dureza de Brinell 186, tratamiento normalizado (880 - 910) °C enfriamiento aire. Cementado: resistencia a la tracción 70-85 (kg/mm^2), limite elástico K = 45 (N), alargamiento 15%, reducción de área 45%, dureza de Brinell 200 apox, tratamiento cementación (880 - 910) °C enfriamiento agua. Temple: resistencia a la tracción 70-85 (kg/mm^2), limite elástico K = 45 (N), alargamiento 15%, reducción de área 45%, dureza de Brinell 200 apox, tratamiento cementación (770 - 800) °C enfriamiento agua. Revenido: resistencia a la tracción 70-85 (kg/mm^2), limite elástico K = 45 (N), alargamiento 15%, reducción de área 45%, dureza de Brinell 200 apox, tratamiento cementación (530 - 670) °C enfriamiento agua.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para Este acero puede utilizarse en estado cementado, templado y revenido disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando o simplemente en estado en frio (calibrado). Se utiliza para: partes de parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido vehículos y maquinaria con pocos esfuerzos, cadenas de tractores, palancas de embrague, ejes de leva de autos, cuerpos de válvulas, consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros partes de motores de combustión interna en estado endur ecido donde templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se la resistencia del núcleo no sea crítica. mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a [1] temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Bronce: es una aleación entre cobre y de estaño, desde tiempos antiguos Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la era utilizado para crear herramientas de trabajo, armas y algunas temperatura de austenización seguido de un enfriamiento lento. civilizaciones incluso construyeron monumentos en bronce, incluso Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras tenemos la llamada era de bronce, cuando las armas, platos y otros elementos eran construidos en este material.

que disminuye la dureza.

El bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 %. Las aleaciones constituidas por cobre y zinc se denominan propiamente latón; sin embargo, dado que en la actualidad el cobre se suele alear con el estaño y el zinc al mismo tiempo, en el lenguaje no especializado la diferencia entre bronce y latón es bastante imprecisa. Cementado: aumenta la dureza superficial del material, Para nuestra práctica el bronce de estudio se muestra a continuación:

Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. aumentando la concentración de carbono.

Bronce 941: esta aleación es muy utilizada para fabricar matrices de impresión, laminados, tornillos, monedas, cremalleras, partes de Nitruración: aumenta la dureza superficial de mayor manera herramientas, contactores eléctricos y candados. Su principal uso es para que el cementado, incorporando nitrógeno al material. fabricar rodamientos de alta velocidad para cargas ligeras.

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Recocido: resistencia a la tracción 45-55 (kg/mm^2), limite elástico K = 30 (N), alargamiento 35%, reducción de área 60%, dureza de Brinell 130, tratamiento forja (1150-850) °C enfriamiento arena seca o aire. Normalizado: resistencia a la tracción 50-60 (kg/mm^2), limite elástico K = 35 (N), alargamiento 30%, reducción de área 55%, dureza de Brinell 150,

Composición química: en porcentajes por peso, cobre (Cu) 73, plomo (Pb) 19, estaño (Sn) 6, zinc (Zn) 2. Propiedades Mecánicas: dureza de Brinell (500 kg) 52, resistencia a la tracción 25 KSI, fuerza de rendimiento 17 KSI, elongación 16% por pulgada cuadrada. Propiedades Físicas: conductividad térmica a 23°C de 42 a 50 W, densidad 8,90 g / cm^3, punto de fusión de 800 a 1020 °C, resistividad eléctrica de 14 a 16 micro ohm por centímetro.


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3 Poisson 0.35, limite elástico 152-379 MPa, resistencia a la tracción 80280 MPa, alargamiento 5-15%.

Bronce SAE64: esta aleación se conoce como bronce al alto plomo es [5] un excelente bronce lubricante. Es utilizado para fabricar monedas o en industria para trabajos bajo presiones y velocidades altas, para fabricar TRATAMIENTO TERMICO herramientas, trenes de laminación, grúas, molinos, trituradoras, (TEMPLE) trapiches, entre otras. Con el nombre genérico de temple se denomina a una serie de Composición química: en porcentajes cobre (Cu) 78-82, estaño (Sn) 9- tratamientos térmicos, más o menos diferentes, que tienen como 11, plomo (Pb) 8-11, zinc (Zn) 0.75, níquel (Ni) 0.75, hierro (Fe) 0.15, finalidad fundamental obtener sobre las piezas una dureza elevada fosforo (P) 0.05. (temple de endurecimiento). Propiedades Mecánicas: dureza de Brinell (1150 kg) 55, resistencia a El temple se obtiene calentando el material a una temperatura un poco la tracción 26 KSI, fuerza de rendimiento 20 KSI, elongación 20% por más elevada que la de su punto crítico, lo que se busca con el pulgada cuadrada. calentamiento del material es alterar un poco la microestructura permitiendo al carbono entrar en espacios intersticiales (espacio Propiedades Físicas: conductividad térmica a 23°C de 42 a 50 W, intersticial es un espacio entre los átomos del material principal) para densidad 8,95 g / cm^3, punto de fusión de 900 a 1020 °C, resistividad mejorar la dureza del mismo. eléctrica de 14 a 16 micro ohm por centímetro. Este proceso es muy utilizado en los aceros para cambiar características [3] o aumentar propiedades del acero, se busca dureza o maleabilidad según se le agreguen más impurezas durante el proceso o simplemente se haga el enfriamiento de maneras diferentes. En el presente documento se hará Aleación Magnesio: No se considera un buen material estructural, ya que funde a 650ºC y una descripción del proceso de temple a manera de etapas, el cual se tiene baja rigidez (40-45GPa de módulo de Young). Además, su desarrolló como práctica para presentarla como informe dentro del estructura cristalina, hexagonal compacta, perjudica su comportamiento documento. mecánico pues se produce agrietamiento por trabajado en frío si se reduce su espesor en más de un 10% mediante laminación. Su El Temple es el proceso por el cual se obtienen las piezas de acero, y resistencia a la tracción está en torno a 180MPa y presenta un 5% de otros materiales, de máxima dureza. En el acero esta dureza depende alargamiento. Por todo ello, si se quiere trabajar es necesario aplicar principalmente del porcentaje de carbono, un acero con un porcentaje previamente un tratamiento de recocido o trabajarlo en caliente entre menor al 0.20% es considerado no templables, adquiriendo con un 200-350ºC mediante embutición. Para evitar estos inconvenientes, se temple sólo un mínimo de dureza. puede conformar por moldeo, principalmente por inyección o por colada (lo que favorece la obtención de secciones gruesas que minimicen su Este proceso también modifica un poco el grano, antes de endurecer el falta de rigidez), favorecido por su estabilidad dimensional. material, en el caso del acero, la microestructura del material es una estructura de grano de perlita que es uniforme y laminar. La perlita es En cuanto a las aleaciones de magnesio, dado su poco peso y la una mezcla de ferrita y cementita formada cuando el acero o hierro excelente relación resistencia/peso, alcanzan cada día un mejor lugar fundido se fabrican y se enfría a una velocidad lenta. Después de reemplazando a metales y plásticos como material estructural. Su uso se enfriamiento rápido la microestructura del material se modifica en está ampliando en las industrias del automóvil y aeroespacial, en la martensita (que es una forma como se le llama a la trasformación de la fabricación de componentes de maquinaria que trabajan a alta velocidad, estructura cristalina sin difusión) como una estructura fina, grano de equipos de manipulación, informática, herramientas... siempre y cuando aguja. el entorno o la presencia de otros materiales con los que pueda formar un par galvánico, no provoque la aparición de corrosión. En nuestro caso [4] nuestra probeta es una aleación de magnesio y silicio. Se entiende por dureza la propiedad de la capa superficial de un material de resistir la deformación elástica, plástica y destrucción, en presencia Aleación Magnesio-Silicio: de esfuerzos de contacto locales inferidos por otro cuerpo, más duro, el Esta aleación es principalmente usada en la fabricación de electrodos de cual no sufre deformaciones residuales (indentador ó penetrador), de soldaduras tipo TIG que serán aplicados sobre: aceros no aleados y de determinada forma y dimensiones. baja aleación, aceros inoxidables, aleaciones de aluminio, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio, aleaciones de níquel y aleaciones de Para medir la dureza se utilizan varios métodos, cada uno con sus cobre. Posee muy buenas propiedades de encendido y reencendido, respectivas unidades alusivas al mismo. En la práctica se utilizó el particularmente con altas intensidades, larga vida útil y muy buena método de Brinell y Vickers que consiste en colocar una carga estabilidad del arco. predeterminada sobre la probeta y con un cálculo de diferencias de presiones y la profundidad con la que penetra la punta del instrumento Composición química: en porcentajes de peso magnesio (Mg) 95,32, se calcula la dureza del material, este método entrega los resultados en aluminio (Al) 3,43, silicio (Si) 1,25. unidades de Rockwell con las siglas HR y luego de ellas una letra que denota la forma de punta del instrumento de medida, A-D-C para una Propiedades Mecánicas y Físicas: densidad 1770-1830 kg / m^3, punta de cono de diamante o F-B-G-H-E-K-L-M-P-R-S-V para una punto de fusión 650 °C, módulo de Young 44.8 GPa, coeficiente de esfera con ángulos diferentes según la letra. Cada una de las letras se utiliza para diferentes aplicaciones según sea el material a medir. Para


4 la práctica se usó cono de diamante C, de modo que los datos arrojados por el instrumento serán en unidades HRC.

número de grano alto. Una vez se hace reaccionar la muestra brillada del material se procede con la siguiente etapa del proceso.

[6]

II.

1.

CONTENIDO

PROCEDIMIENTO METALOGRAFIA OPTICA

En esta parte se relatará el proceso para poder observar los granos de un material desconocido y poder determinar que material es por medio de un método de metalografía óptica. Este consta de varias etapas o fases, las cuales se dividieron en cuatro y serán descritas a continuación:

Primera Etapa: El Lijado El lijado se efectúa utilizando varias lijas de diferentes tipos para lograr un brillo casi como un espejo, para esto se utilizan, gradualmente, lijas de mayor tamaño de grano a menor. Para empezar, dependiendo de la dureza del material, se inicia con la numero 80, o un numero un poco menor, este número indica la cantidad de granos de la lija por centímetro cuadrado.

Cuarta Etapa: Observación con Microscopio Óptica En esta etapa, se procede a poner la muestra del material bajo el microscopio óptico, donde la luz debe reflejarse en su mayoría, para esto es el proceso de las etapas uno, dos y tres deben ser hechas con cuidado, para que de este modo la luz que incide desde el microscopio no se vea alterada por las imperfecciones de la superficie, por eso debe quedar casi como un espejo. A continuación se procede a hacer una muestra de la practica con 4 materiales diferentes donde se podrá observar las etapas y el avance en las mismas hasta llegar a la última, donde por método comparativo con el libro de metalografía podemos determinar que material es y de ahí sus características y utilidades.

Acero 1020:

Para empezar se elige un sentido de lijado, vertical u horizontalmente, el lijado debe hacerse constante y no cambiar de lado n i de sentido de orientación. Se hace firme y constante, no necesariamente con mucha fuerza pero si manteniendo un ritmo que evite equivocaciones de dirección. Una vez se logran unos surcos o líneas en el sentido del lijado, pasamos a la siguiente lija, la numero 100 o según sea nuestro caso, de menor tamaño de grano, ahora se inicia de manera perpendicular al lijado anterior, haciendo unas líneas perpendiculares o a 90 grados de las líneas dejadas por la lija anterior. Se procede a desaparecer las líneas que están perpendiculares a la dirección de lijado actual, hasta lograr los surcos en la dirección en que se está lijando. Ahora pasamos a la siguiente lija, como en el caso anterior, vamos a iniciar en sentido perpendicular a las líneas dejadas por la anterior lija, se procede igual hasta llegar a la lija 1000 y se procede a dejarla lo más brillante posible, la fuerza con la que se debe lijar también depende de la dureza del material. Cuando se logre un brillo notable podemos proceder a la etapa dos del proceso.

Segunda Etapa: El Pulido En esta etapa se procede a usar un paño con un líquido que contiene alúmina de un micrómetro de tamaño, con el cual se debe tener el mismo cuidado que en la etapa uno, debe hacerse este lijado de manera perpendicular a las líneas dejadas por la lija 1000, de esta manera se logra eliminar todos los surcos dejados por la lija 1000 y poder conseguir el acabado tipo espejo, donde casi se puede ver el reflejo, para que de este modo la etapa siguiente no se vea afectada. Tercera Etapa: El Ataque Ahora en esta etapa se procede a atacar la muestra del material con un ácido, el cual varía según el material para que tenga una mejor reacción y nos permita ver más fácilmente los granos. El ataque se hace con un baño en el ácido, para luego bloquear la reacción con alcohol e impedir que el ácido queme la muestra brillada, en caso de permitir quemar la muestra, se debe iniciar desde la etapa uno del proceso con una lija de

Figura 1. Probeta sin pulir.

En la figura 1 se puede observar la probeta antes del empezar el proceso de metalografía, antes de la etapa uno.


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Figura 4. Foto del microscopio óptico. 100x Figura 2. Probeta al final de la etapa uno.

En la figura 2 se puede observar la probeta al final del proceso de la etapa uno, la cual muestra los surcos dejados por la última lija utilizada antes de avanzar a la segunda etapa.

En la figura 4 se muestra una foto tomada en el microscopio óptico, al final de la etapa cuatro, se puede observar los granos del material que salen a la luz después del ataque químico. Para nuestro estudio se compara la foto tomada en la práctica con la foto del libro “Catalogo de Fundiciones de Hierro, Fundición Gris y Fundición Nodular” del

laboratorio de Metalografía de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Figura 3. Probeta al final de la etapa dos.

En la figura 3 se observa la probeta después de terminada la etapa dos, el pulido, como se ve en la imagen, la probeta tiene un brillo casi como un espejo, lo que nos dice que está lista para la siguiente etapa. En la tercera etapa, el ataque, se utilizó para este material al ser un acero, ácido nítrico y se neutraliza la reacción después de un corto tiempo con alcohol.

Figura 5. Foto del Catálogo de Fundiciones de Hierro

Esta es la imagen tomada del libro que se usó para compararla con la tomada del microscopio y definir cuál es el material y poder saber sus características. Para finalizar el análisis metalográfico se calculó el tamaño de los granos de la siguiente manera: d = (L / N) * (1 / M)


6 Donde d es el diámetro promedio del grano, L es el largo de la línea, N es el número de granos cortados por la línea y M es el aumento del microscopio.

Figura 8. Probeta al final de la etapa uno.

En la figura 8 se observa el proceso de la etapa uno terminado, dejando ver los surcos dejados por la última lija usada en esta etapa. La probeta esta lista pasa la segunda etapa. Figura 6. Imagen del cálculo del tamaño del grano. 100x

En la figura 6 se observa la línea con la que se calculó el tamaño del diámetro promedio de los granos quedando de la siguiente manera: N = 25 granos, L = 10,5 cm, M = 100x, reemplazando en la formula y calculando, d = 0,0042 cm o 42 micrómetros.

Bronce: Bronce 941:

Figura 9. Final de la etapa dos.

En la figura 9 se puede observar el brillo máximo obtenido al final de la segunda etapa, en este caso el material no dio un brillo muy cercano al de un espejo, pero se puede ver un reflejo tenue dentro, con este brillo es suficiente para continuar con la siguiente etapa.

Figura 7. Probeta de bronce.

En la figura 7 se muestra la probeta a la que se le efectuará el análisis metalográfico que se presume es de bronce. En la imagen se observa antes de empezar la primera etapa.

En la etapa de ataque se atacó este material con persulfato de amonio, éste se utiliza en la industria textil en blanqueo y remoción del apresto; en aceites decolorantes y desodorizantes, manufactura de tintes, en tratamiento de superficie para cobre, se utiliza también como iniciador de polimerización, agente de grabado para vidrio, zinc y PCB , etc. Su fórmula química es H8N2O8S2. Después de un tiempo prudente se neutralizó con alcohol para evitar quemar la probeta.


Figura 10. Foto tomada desde el microscopio. 100x

En la figura 10 se puede observar una fotografía desde el microscopio óptico, al final de la etapa cuatro después de que con el ataque químico salieran a la luz los granos del material. Ahora se puede hacer comparación para confirmar si el material es, como se pensó en un principio, bronce o es otro tipo de aleación.

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Figura 12. Análisis metalográfico para tamaño de grano. 100x

En la figura 12 se realizó la parte final del análisis metalográfico hallando el tamaño del diámetro promedio de los granos de la siguiente manera: N = 31 granos, L = 10,1 cm, M = 100x, reemplazando en la formula y calculando, d = 0,00326 cm o 32,6 micrómetros.

Bronce SAE64:

Figura 11. Fotografía de muestra para comparación.

En la figura 11 se puede ver la imagen del libro Metal Handbook VOL 7 donde se puede hacer la comparación con la fotografía tomada en el microscopio óptico y se ve un parecido en los granos, con lo cual se concluyó que el material es el mismo del de la foto de comparación. Para finalizar el análisis metalográfico se calculó el tamaño de los granos de la siguiente manera: d = (L / N) * (1 / M) Donde d es el diámetro promedio del grano, L es el largo de la línea, N es el número de granos cortados por la línea y M es el aumento del microscopio.

Figura 13. Material a analizar moneda de 50 pesos colombianos.

En la figura 13 se puede observar una moneda dentro de 50 pesos colombianos previamente desbastada por una lija de grano grande, la moneda esta incrustada en una resina para permitir el agarre y la facilidad de manejo durante las etapas. Acá se encuentra la probeta al principio del proceso apenas empezando la etapa uno.


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Figura 16. Imagen tomada desde el libro de comparación. 100x Figura 14. Probeta al final de la etapa dos.

En la figura 14 se puede observar la probeta al final de la etapa dos de pulido, donde el brillo quedo tipo espejo y se puede ver el reflejo de la cámara al tomar la fotografía, se procede a continuar con la etapa tres. En la tercera etapa se hace el ataque químico, para este material, al no presentar reacción con otros ácidos, se decide atacarlo con agua regia. El agua regia es una solución altamente corrosiva y fumante, de color amarillo, formada por la mezcla de ácido nítrico concentrado y ácido clorhídrico concentrado en la proporción de una a tres partes en volumen, su fórmula química es HNO3 + 3 HCI.

En la figura 16 se puede observar la similitud de la microestructura del libro llamado Metallography and Microstructure of Ancient and Historic Metals, el cual nos permite notar el tipo de bronce que estamos analizando en la práctica. Para finalizar el análisis metalográfico se calculó el tamaño de los granos de la siguiente manera: d = (L / N) * (1 / M) Donde d es el diámetro promedio del grano, L es el largo de la línea, N es el número de granos cortados por la línea y M es el aumento del microscopio.

Figura 15. Fotografía desde el microscopio óptico. 100x

En la figura 15 se puede observar la microestructura del material de análisis ya al final de la etapa cuatro, con la cual podemos hacer comparación con el libro u otro elemento de información y hacer el análisis metalográfico correspondiente.

Figura 17. Análisis metalográfico para el tamaño de grano. 100x

En la figura 17 se realizó la parte final del análisis metalográfico hallando el tamaño del diámetro promedio de los granos de la siguiente manera: N = 33 granos, L = 10,2 cm, M = 100x, reemplazando en la formula y calculando, d = 0,00309 cm o 30,9 micrómetros.


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Aleación Magnesio-Silicio:

Figura 18. Material de análisis al comienzo de la etapa uno.

En la figura 18 se puede observar el material que vamos a analizar, en esta se muestra el principio de la etapa uno apenas con unos surcos hechos por la primer lija. Así da comienzo el análisis metalográfico de este material.

Figura 20. Fotografía desde el microscopio óptico. 100x

En la figura 20 se puede observar una imagen tomada a través del microscopio óptico donde se ve la microestructura de la probeta para realizar la comparación con el libro base y obtener información y además realizar el análisis correspondiente.

Figura 19. Probeta al comienzo de la etapa cuatro.

En la figura 19 se puede observar la probeta al principio de la etapa dos de pulido, donde se pretende mejorar el brillo que ya posee, como se observa es un brillo parecido al brillo espejo que se desea obtener para poder observar bien los granos al ojo del microscopio óptico.

Figura 21. Imagen tomada del libro de comparación.

En la etapa tres esta probeta fue ataca con persulfato de amonio y tras pasar un tiempo para permitir la reacción, se agregó alcohol para neutralizarla y así evitar que se queme el material y se debe empezar desde la etapa uno.

En la figura 21 se observa una imagen tomada del libro de comparación de donde se obtuvo la información de los compuestos de la probeta para proceder a la etapa final del análisis metalográfico de la probeta. Para finalizar el análisis metalográfico se calculó el tamaño de los granos de la siguiente manera: d = (L / N) * (1 / M)


10 Donde d es el diámetro promedio del grano, L es el largo de la línea, N es el número de granos cortados por la línea y M es el aumento del microscopio.

Figura 24. Libro de comparación. Figura 22. Etapa final del análisis metalográfico. 100x

En la figura 24 se deja una imagen del libro de comparación con el que se hizo el análisis anterior. Encontrado en archivo pdf en internet.

En la figura 22 se realizó la parte final del análisis metalográfico hallando el tamaño del diámetro promedio de los granos de la siguiente manera: N = 41 granos, L = 10,0 cm, M = 100x, reemplazando en la formula y calculando, d = 0,002439 cm o 24,39 micrómetros. Paso a mencionar los libros utilizados para las comparaciones, gracias a los cuales se pudo realizar el análisis metalográfico de las probetas.

Figura 25. Microscopio óptico.

En la figura 25 se observa el microscopio óptico utilizado para la observación de las microestructuras en las prácticas realizadas. El microscopio es propiedad del Laboratorio de Metalografía de la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Figura 23. Libro de comparación.

En la figura 23 se observa una fotografía tomada al libro de comparación prestado por la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira, gracias al cual se realizaron las comparaciones para el análisis metalográfico de las probetas.


TRATAMIENTO TERMICO TEMPLE En esta parte del informe se procederá a describir el método de tratamiento térmico llamado TEMPLE, el cual fue empleado sobre el acero 2040. El procedimiento se llevó a cabo en seis etapas que serán descritas a continuación:

Primera Etapa: Lijado En esta etapa, se busca que la superficie del material este de una manera uniforme y lisa, para esto se usa un método de lijado como el de la metalografía óptica pero sin necesidad de llevar el material al brillo de espejo. Se procede a iniciar el lijado con una lija de tamaño de grano alto, como la 80, para quitar las impurezas y las imperfecciones del corte y el óxido, luego se baja a la siguiente lija de manera perpendicular al lijado anterior. Se repite el proceso hasta obtener una superficie lisa y uniforme.

11 ganancia de dureza de cada una. Esta es la parte donde se concluye cual método de enfriamiento es el más conveniente, según la aplicación para la cual vamos a usar nuestro material. A continuación se procede a presentar imágenes del método aplicado en la práctica y previamente explicado por etapas. Cada una de las etapas debe realizarse con cuidado y con las prevenciones del caso para evitar accidentes o dañar las muestras de estudio:

Primera etapa el lijado: En esta etapa se prepara la probeta para someterla a la prueba de dureza, para esto se debe lijar la superficie de la probeta hasta que esta esté uniforme y lisa de forma que la prueba pueda hacerse de manera correcta y sin complicaciones como se muestra en la figura 26.

Segunda Etapa: Medida de Dureza En esta etapa se toma la pieza del material, ya con su superficie lisa, y se lleva un laboratorio de fuerzas donde se utilizan un aparato especializado para medir la resistencia del material en varios puntos de la pieza. Para esto se utilizó el aparato de medidas de dureza del método de Rockwell, el cual consiste en poner una fuerza predeterminada sobre la pieza por medio de una punta de cono de diamante sintético, el cual deduce la dureza a partir de la siguiente ecuación: HR = 100 – h / 0.002 para la punta de cono de diamante, donde HR es el valor entregado por la máquina de medición en escala HRC, la cual indica el método que se usó para llegar al valor, y h es la profundidad que penetra en el material. Este valor lo mide la maquina con una diferencia de presiones. Tercera Etapa: Endurecimiento por temperatura En esta etapa se procede a poner las piezas del material, con su dureza previamente medida, en un horno que esta precalentado a 500°C donde se dejaran hasta que la temperatura dentro del horno suba a los 950°C. Para esto se ponen las piezas del material dentro de un contendor con arena fina, se cubren bien de esta arena antes de ponerlos en el horno. La arena evita que mucho carbono del material se escape de este a manera de dióxido de carbono al reaccionar con el aire circundante, aunque parte del hierro se escape en forma de óxido de hierro, la función principal es evitar que el carbono se escape, puesto que es el elemento de menor presencia en el caso del acero. Cuarta Etapa: Enfriamiento Esta etapa empieza cuando el horno, con las muestras de estudio dentro, alcanza una temperatura de (900-950) °C. Cuando la temperatura es la deseada, se sacan las muestras del material del horno y se enfrían de varias maneras según el endurecimiento que se desea darle a la pieza o al material, para esto se usa aire, agua, aceite, salmuera, entre otros. Para nuestro caso de estudio usaremos tres formas diferentes de enfriamiento del material para posteriormente comprar las diferencias entre la ganancia de durezas. Quinta Etapa: Lijado En esta etapa, después de que las piezas estén a temperatura ambiente se procede a repetir la etapa uno de lijado, hasta dejar las piezas nuevamente con una superficie plana y uniforme para realizar la última etapa del procedimiento. Sexta Etapa: Medida de Dureza En esta última etapa, se pasa a repetir la etapa dos para cada una de las piezas que fueron enfriadas por métodos diferentes, para comparar la

Figura 26. Probeta en el durante la etapa uno.

En la figura 26 se muestra la probeta durante el proceso de poner de manera uniforme la superficie donde va a ser medida la dureza del material.

Segunda Etapa medición de la dureza: en esta etapa, se lleva la probeta al laboratorio de dureza, en la práctica se llevó al laboratorio de fuerzas de la Universidad Tecnológica de Pereira, donde utilizan el método de Brinell y Vickers para medir la dureza. Las unidades están dadas en HRC o Rockwell.


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Figura 27. Punta de cono de diamante. Figura 29. Medición realizada por el instrumento.

En la figura 27 se observa la punta de cono de diamante que utiliza el instrumento de medida para realizar sus mediciones.

En la figura 29 se observa una de las medidas tomadas del instrumento, se realizaron 3 medidas en diferentes puntos de la probeta para realizar un promedio de la dureza.

Figura 30. Probeta al final de la etapa uno. Figura 28. Instrumento de medida Rockwell.

En la figura 28 se observa el instrumento de medición utilizado para medir la dureza de la probeta.

En la figura 30 se observa los 3 puntos donde la punta de cono de diamante hizo su inserción para tomar la medida de la dureza.

Tercera Etapa endurecimiento por temperatura: en esta etapa se procede a poner las probetas del mismo material en un horno precalentado a 550 °C dentro de una caja de acero inoxidable rellena de arena, esto es porque las probetas son de acero, si no se ponen dentro de arena ocasionaría perdidas de carbono en forma de CO2 (dióxido de carbono) y de hierro en forma de FeO (óxido de hierro), al estar las muestras dentro de la arena se previene el contacto con el oxígeno circundante.


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Figura 31. Probetas durante la tercera etapa.

Figura 33. Probeta uno después de la etapa cuatro.

En la figura 31 se observa el recipiente dentro del cual deben ir las probetas para poder cubrirlas completamente con arena y así evitar las perdidas antes mencionadas.

En la figura 33 se observa la probeta número uno enfriada en agua a temperatura ambiente.

Figura 34. Probeta dos después de la etapa cuatro. Figura 32. Horno de tratamiento térmico.

En la figura 34 se observa la probeta número dos enfriada en salmuera a una temperatura más baja que la temperatura ambiente.

En la figura 32 se observa el horno de tratamientos térmicos del laboratorio de metalografía donde se efectuó la práctica, las probetas se dejan en el horno previamente calentado a 550°C hasta que éste alcance una temperatura de 950°C. Cuando esta temperatura se alcanza se procede a sacar las probetas y pasar a la etapa siguiente.

Cuarta Etapa enfriamiento: en esta etapa se procede a bajar la temperatura de las probetas que están en los 950°C aproximadamente y se ven de un color rojizo brillante, como una hornilla de una estufa eléctrica en alta potencia. Se sacan las probetas y son enfriadas de diferentes formas y en diferentes materiales. Una es enfriada en agua a temperatura ambiente 23°C aproximadamente. La segunda es enfriada en salmuera (agua con hielo y sal). La tercera es enfriada en aceite. Cuando se procede a realizar en enfriamiento dentro de cada una de los materiales antes mencionados, se debe asegurar que, una vez introducida la probeta al rojo dentro de las sustancias, se debe mover de manera circular y constante mientras esta se enfría, esto es para evitar que se formen burbujas alrededor de la probeta por las diferencias de temperatura y así lograr un temple uniforme.

Figura 35. Probeta tres después de la etapa cuatro.

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En la figura 35 se observa la probeta número tres enfriada en aceite. Las probetas fueron enfriadas por diferentes medios y en diferentes materiales para encontrar una diferencia en las maneras de enfriado del acero y ver como influencia éstas en la ganancia de du reza.

Quinta Etapa lijado: en esta etapa debemos repetir el proceso de la etapa uno para cada una de las probetas, puesto que al realizar el calentamiento y el enfriamiento de cada una, éstas pierden uniformidad en la superficie, de modo que para que el instrumento de medición de dureza funcione de manera correcta, necesita una superficie uniforme y lisa, así que se debe repetir el proceso de lijado completo hasta alcanzar la uniformidad necesaria. Sexta Etapa medición de la dureza: en esta etapa se acude nuevamente al laboratorio de fuerzas de la Universidad Tecnológica de Pereira, para utilizar el mismo instrumento de medida de dureza que se utilizó en la etapa dos, para ahora si comparar los resultados del tratamiento térmico. Se tomó la prueba con una carga de 1471 N de fuerza punta diamante sintético en forma de cono. Para la muestra en aceite se arrojaron datos de: 11,2 - 14,1 - 14,2 RHC y el promedio se observa en la parte inferior de la figura 36.

Figura 36. Resultado en la pantalla del instrumento de medida Rockwell.

En la figura 36 se ve el promedio de las mediciones realizadas en la probeta número tres. Para la muestra en agua con sal y hielo se tienen: 49,7 - 43,5 - 50,5 y el promedio se observa en la parte inferior de la figura 37.


En la figura 37 se muestra el resultado del promedio de la probeta número dos. Para la muestra en agua se tiene: 44,0 - 44,2 - 38,7 el promedio en la parte inferior de la figura 38.


En la figura 38 se observa el resultado del promedio de la probeta número uno. Para finalizar el análisis de las durezas observamos los promedios de cada una de las probetas enfriadas en cada sustancia y lo comparamos con el valor original que poseía las probetas al inicio del tratamiento térmico. Promedio inicial (antes del temple): 14.4 HRC. Promedio probeta uno (enfriado en agua): 13.1 HRC. Promedio probeta dos (enfriado en salmuera): 47.9 HRC. Promedio probeta tres (enfriado en aceite): 42.3 HRC. Los resultados arrojan que el mejor medio para el ganar dureza en el acero 2040 es en salmuera y la menos recomendable en agua a temperatura ambiente.


III.

CONCLUSIONES

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Al momento de realizar las prácticas de metalografía óptica se notó la dificultad a la hora de conseguir un brillo de espejo sobre los materiales, en especial si éste es un acero. Requiere un gran esfuerzo y dedicación para conseguir el brillo deseado. Se recomienda estudiar la posibilidad de automatizar el proceso.

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En método de metalografía óptica es muy útil desde el punto de vista de análisis de microestructuras, permite experimentar lo interesante del comportamiento de los átomos a la hora de hacer sus arreglos en estas estructuras, al poder visualizar varias aleaciones se nota la diferencia entre todos los materiales con solo ver su microestructura.

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Las características y formas de los granos varían demasiado solo de una aleación a otra, aunque sea el mismo elemento base. Con solo hacer que un elemento diferente interactúe bajo condiciones de temperatura adecuada con el elemento base su microestructura es alterada.

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El temple nos permitió observar la importancia de los tratamientos térmicos sobre el acero y los demás materiales, en la industria tener un acero de diferentes durezas nos permite darle usos ilimitados a este material y a sus propiedades.

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El análisis de las microestructuras es muy importante a la hora de intentar mejorar nuestras formas de hacer las cosas, si podemos saber más acerca de nuestros materiales podremos intervenir más en mejorar nuestras condiciones de vida y darle solución a muchos problemas que nos rodean a diario.

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El estudio de los materiales y sus métodos de análisis de microestructuras, definen el camino hacia el avance tecnológico de la humanidad, para mejorar lo que ya tenemos necesitamos mejorar nuestros materiales, inventar nuevos materiales y esto se logrará estudiando y conociendo bien los que ya tenemos.

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16 REFERENCIAS [1] http://www.ferrinet.com/roscadosytornillos.com/tabla _propiedades_rt.pdf [1] http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_t%C3%A9rmi co

[2] http://www.anchorbronze.com/c94100.htm [2] http://es.wikipedia.org/wiki/Bronce [3] http://www.broncesfranco.com/bronce/64.html [4] Tratamientos Térmicos de los Aceros, Hernando Villa Escudero, 2014-1. Universidad Tecnología de Pereira [5] http://www.obtesol.es/index.php?option=com_content&task= category§ionid=4&id=70&Itemid=30 http://www.plansee.com/es/Productos-Utiles-de-conformadoy-mecanizado-Electrodos-de-soldadura-Soldadura-TIG69.htm http://www.journalamme.org/papers_vol35_1/3515.pdf [6] Ensayo Dureza Rockwell, Elaborado por Gabriel Calle y Edison Henao. Universidad Tecnológica de Pereira.

Metalografia y Tratamiento Termico.pdf

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