CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema Recientemente se halló que Glencore tiene el control del 25 por ciento del aluminio a nivel mundial. Eso significa que de cada cuatro lingotes de aluminio uno es de Glencore. Cuando una compañía necesita aluminio para hacer su producto pues lo compra. Venezuela, país privilegiado para la explotación comercial del aluminio, adicionalmente a las ventajas comparativas que posee para esta actividad, experimenta un proceso de cambio que debe ser apoyado por el sector industrial, esperando un mayor esfuerzo por parte de las empresas del Estado. En ese sentido, las empresas de CVG, la segunda mayor corporación industrial nacional, deben jugar un rol de liderazgo, y dentro de ella, el aluminio está sin dudas a ser un actor de primera línea en el logro de tan importantes metas, a través de la obtención de nuevos productos y ampliación del mercado. El Instituto Universitario de Tecnología del Mar extensión Guayana se ubica en la carrera Alonzo de Herrera UD 104, El Roble, San Félix Estado Bolívar. En éste se desarrollan actividades de educación, investigación y extensión-producción estrechamente vinculadas con la formación de Técnicos Superiores Universitarios en el área industrial en las menciones de: Mecánica, Electricidad, Seguridad Industrial y Metalurgia. Además de las especialidades de: contabilidad, y administración de empresas, en el campo administrativo; todas caracterizadas por la búsqueda del desarrollo integral, por medio de una educación basada en la excelencia académica y la constitución social del individuo, posee aproximada mente 2300 alumnos.
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La aleación de aluminio AA3003 es una aleación comercial de alta-media resistencia. La adición de un pequeño porcentaje de Mn al aluminio proporciona aleaciones no bonificables, de mejor resistencia mecánica, muy buena resistencia a la corrosión, excelentesoldabilidad y buena confortabilidad. Se presenta en forma de chapas, especialmente aptaspara la embutición profunda (útiles de cocina), barras, perfiles, tubos, hilos y se utiliza ensubstitución del aluminio comercial cuando se requieren mejores propiedades mecánicas (latasde bebida, depósitos, muebles, tejados, señales de tráfico). A pesar de esta importancia, no se han realizado estudios que traten sobre el cambio en sus propiedades mecánicas y microestructurales, en material sin homogeneizar, luego de un proceso de doblado. El problema que se presenta es que, sin conocer estos cambios no se sabría si las propiedades mecánicas y microestructurales mejoraron o por el contrario desmejora la calidad del material a usar. Las causas que originan este problema son la falta de tiempo y dedicación para el estudio de esta aleación en las empresas básicas, debido a los problemas operativos, de falta de insumo, personal y paradas frecuentes que producen material fuera de especificaciones, y que no deja lugar a estos estudios. Por otra parte, la falta de insumos y materia prima a hecho que en los últimos años solo se este produciendo aleaciones de la serie AA1000 y AA3000, y se dejen de producir las series AA6000, por lo tanto han disminuido los inventarios de estos materiales en existencia. Las consecuencias de este problema es que no haya material disponible para estos estudios, se desvíen los estudios hacia el único tipo de material que se produce actualmente, en este caso AA1000 y que los trabajos realizados en universidades y otras empresas no estén disponibles. También podría ocurrir que el material sea utilizado inadecuadamente y pueda fallar fallar debido a la alteración en sus propiedades mecánicas y microestructurales, ocasionando daños a estructuras, bienes o personas.
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La aleación de aluminio AA3003 es una aleación comercial de alta-media resistencia. La adición de un pequeño porcentaje de Mn al aluminio proporciona aleaciones no bonificables, de mejor resistencia mecánica, muy buena resistencia a la corrosión, excelentesoldabilidad y buena confortabilidad. Se presenta en forma de chapas, especialmente aptaspara la embutición profunda (útiles de cocina), barras, perfiles, tubos, hilos y se utiliza ensubstitución del aluminio comercial cuando se requieren mejores propiedades mecánicas (latasde bebida, depósitos, muebles, tejados, señales de tráfico). A pesar de esta importancia, no se han realizado estudios que traten sobre el cambio en sus propiedades mecánicas y microestructurales, en material sin homogeneizar, luego de un proceso de doblado. El problema que se presenta es que, sin conocer estos cambios no se sabría si las propiedades mecánicas y microestructurales mejoraron o por el contrario desmejora la calidad del material a usar. Las causas que originan este problema son la falta de tiempo y dedicación para el estudio de esta aleación en las empresas básicas, debido a los problemas operativos, de falta de insumo, personal y paradas frecuentes que producen material fuera de especificaciones, y que no deja lugar a estos estudios. Por otra parte, la falta de insumos y materia prima a hecho que en los últimos años solo se este produciendo aleaciones de la serie AA1000 y AA3000, y se dejen de producir las series AA6000, por lo tanto han disminuido los inventarios de estos materiales en existencia. Las consecuencias de este problema es que no haya material disponible para estos estudios, se desvíen los estudios hacia el único tipo de material que se produce actualmente, en este caso AA1000 y que los trabajos realizados en universidades y otras empresas no estén disponibles. También podría ocurrir que el material sea utilizado inadecuadamente y pueda fallar fallar debido a la alteración en sus propiedades mecánicas y microestructurales, ocasionando daños a estructuras, bienes o personas.
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Si el problema que está afectando a la pieza no se le haya una solución se seguiría trabajando con la incertidumbre acerca de si el material realmente esta cumpliendo con el uso que se le esta dando o fallara posteriormente, ocasionando las respectivas demoras. Por ello se justifica este trabajo ya que podría ayudar a decidir o encontrar los posibles cambios que ocurren en el material luego del doblado. Una posible solución sería efectuar los trabajos necesarios para así lograr alcanzar el objetivo indicado, el cual es la evaluación de las características y dureza de dicha pieza la cual es un aluminio AA 3003.
1.2 Objetivo general Evaluar las características estructurales y dureza de una pieza de aluminio AA3003, sin homogeneizar, luego de ser sometida a un proceso de doblaje.
1.2.1 Objetivos específicos Diagnosticar la microestructura del material mediante el uso de la metalografía
antes de ser sometido al doblado. Establecer los esfuerzos necesarios a la pieza para generar el doblado. Indicar la microestructura de la pieza luego de realizada la deformación,
mediante el uso de la metalografía. Indagar la opinión de los estudiantes, referente a las propiedades mecánicas del
aluminio AA3003 y su micro estructura. Presentar los resultados de la evaluación estructural y de la dureza del aluminio
AA3003 sin homogeneizar luego del proceso de doblaje.
1.3 Delimitación del problema El estudio se realizó en Fundación La Salle, ubicada en la Carrera Alonzo de Herrera UD-104 El Roble, San Félix, estado Bolívar, específicamente en el laboratorio de Metalografía, el cual consistió en evaluar las características 4
estructurales y dureza de una pieza de aluminio AA3003, sin homogeneizar, luego de ser sometida a un proceso de doblaje. Su duración fue desde Enero a Julio de 2013.
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CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes de la empresa Fundación La Salle es una institución sin fines de lucro que data del año 1939, se dedica a ofrecer a la comunidad confianza y calidad en la investigación, educación y extensión - producción, disponiendo para ello, de un potencial humano y los recursos materiales necesarios para responder a los requerimientos locales y regionales, relacionados con su desarrollo, económico, social y cultural promoviendo formas sostenibles, de uso de los recursos naturales y el ambiente que garantiza la calidad de vida de las generaciones actuales y futuras, capaz de dar respuestas proactivas a la región Guayana, en el campo científico, educativo, basados en los principales filosóficos institucionales, para mejorar los aspectos más transcendentales del ser humano ylas comunidades, acorde con el avance científico tecnológico bajo una gerencia de elevada eficiencia de calidad y aptitud innovadora en un clima de cordialidad, exigencia y solidaridad. En el año 1986, surge el Instituto Universitario de Tecnología Industrial de Guayana que se encarga de adoptar la formación Universitaria en las especialidades de Mecánica, Metalurgia, Electricidad, Contabilidad y Finanzas, Administración de Empresas. En el año 1987, MINDUR y la CVG, fueron los encargados de terminar la construcción de los nuevos edificios y el aporte de los equipos entre ellos el Taller de Soldadura. Para el año 1999, en el IUTEIN se empieza a impartir la carrera de Seguridad Industrial; en este año se intento abrir la carrera de Seguridad Ambiental en este instituto, que no tuvo suficiente demanda estudiantil, razón por laque no llego a ejecutarse.
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La formación que se imparte en los Institutos Educativos de Guayana cuenta con una dirección técnica que se encarga de coordinar la capacitación a través de los siguientes talleres: Taller de Dibujo Diversificado y Básico, Taller de Máquinas y Herramientas, Taller de Electricidad, Taller de Metales de Soldadura, y Taller de Fundición.
Visión Ser un campus capaz de dar respuestas proactiva a la región Guayana en el campo científico, educativo y extensión-producción, basado en los principios filosóficos institucionales; para mejorar los aspectos más transcendentales del ser humano y las comunidades, acorde con el avance científico- tecnológico, bajo una gerencia de elevada eficiencia, calidad y actitud innovadora en un clima de cordialidad, exigencia y solidaridad.
Misión. Ofrecer a la comunidad donde estamos inmersos, con preferencia a la mas cadenciada, confianza y calidad en la investigación, educación y extensión producción, disponiendo para ello de un gran potencial humano y los recursos materiales necesarios para responder a los requerimientos locales y regionales, relacionados con su desarrollo económico, social y cultural promoviendo formas sostenibles de uso de los recursos naturales y el ambiente que garantice la calidad de vida de las generaciones actuales y futuras.
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Organigrama de Fundación la Salle
Fuente: Fundación La Salle
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2.2 Antecedente de la investigación Son indagaciones previas que sustentan el estudio, tratan sobre el mismo problema o se relacionan con otros. Sirven de guía al investigador y le permite hacer comparaciones y tener ideas sobre cómo se trato el problema en esa oportunidad. Los antecedentes están presentes por tesis de grados, postgrado, doctorado y otros trabajos de investigación de cualquier casa de estudio u organización empresarial. Arias (2006) expresa: “los antecedentes reflejan los avances y el estado actual del conjunto en un área determinada y sirven de modelo o ejemplo para futuras investigaciones”.
(Pág.106). Para el año 2007, los Bachilleres Roskelis Barrera y Magyeling Muñoz presentaron el Trabajo de Grado titulado “Análisis metalográfico de las aleaciones del
aluminio 3003 y 6061 para comparación micro-estructural en el laboratorio de metalografía de Flasa”, para obtener el título de Técnico Superior en la especialidad
de Metalurgia, llegando a las siguientes conclusiones:
Para el análisis y comparación micro-estructural se seleccionaron las aleaciones del aluminio (3003) y (6061), ya que existen pocas investigaciones relacionadas con la microestructura de dichas aleaciones.
Para observar claramente las fases presentes en las muestras, se cumplieron con todas las etapas del análisis metalográfico, muestreos, desbaste, pulido, ataque químico y observación microscópica.
De las composición química que presenta la aleación de aluminio se determino que el elemento aleante principal es el manganeso, y en la AA 6061 es el magnesio y el silicio. Los bachilleres Salavarria, Evardo y Jiménez, Yurbelis (2005), realizaron una investigación titulada “Estudio metalográfico de una pieza de aluminio en el
laboratorio de fundición de FLASA, del Instituto Universitario de Tecnología del Mar
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Fundación la Salle” para optar el titulo de Técnico Superior Universitario en la
especialidad de Metalurgia y concluyen:
Para atacar la pieza se utilizó ácido fluorhídrico al 5 por ciento y la duración del ataque químico fue de 25 segundos.
En la microestructura obtenida las rayas más oscuras representan al silicio y las más claras al aluminio. La relación que existe en el tema tratado y las tesis revisadas se debe a que ambas realizaron estudios metalográficos de probetas de aluminio para conocer la composición y microestructura de las mismas, siguiendo una serie de actividades que se realizaran al momento de obtener los nombrados conocimientos, en donde se contemplan los pasos de muestreo, desbaste, ataque químico y observación microscópica. Otra relación existente entre estas es que todas emplearon ácidos fluorhídricos para determinar la microestructura del aluminio después de haber pasado por una serie de desbastes y pulidos.
2.3 Marco referencial La microestructura es una apariencia estructural de un metal obtenida mediante imágenes microscópicas de la superficie de una muestra totalmente espectacular que posteriormente es atacada químicamente para obtener socavaciones en las zonas energéticas como los limites de grano. Al respecto Gil y otros (2005) expresa que las microestructura: Es la información de fases, en la formación de microestructuras. El control de la misma permite predefinir la variedad de la morfología, el tamaño, la textura, la orientación cristalográfica y el número de fases. El equilibrio y la cinética de formación de fases juegan un papel importante microestructural y fases que pueden llegar a formar bajo las diferentes condiciones de crecimiento y las diferentes geometrías. (pág. 4).
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Metalurgia Es la ciencia aplicada cuyo objeto es el estudio de las operaciones industriales tendientes a la preparación, tratamiento (físico y/o químico) y producción de metales y sus aleaciones. En términos generales, la técnica metalúrgica comprende las siguientes fases: obtención del metal a partir de uno de sus minerales (mena) afino o purificación del metal. Preparación de aleaciones .tratamientos mecánicos, térmicos o termoquímicos para su mejor utilización. Además de relacionarse con la industria metalúrgica. Avner (1985) comenta que “la metalurgia es la ciencia y tecnología de los metales, tiene por objetivo la extracción de metales de su mineral y la refinación de metales, también se ocupa de las propiedades físicas y mecánicas de los metales como son afectados por la composición, el trabajo mecánico y el tratamiento térmico.” (pág. 82).
Metalografía La metalografía es la ciencia que estudia las características micros estructurales o constitutivos de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas. Morral, Jimeno y Molera (1985) expresan que: Gracias a la metalografía se ha adquirido la importancia industrial que tiene hoy los aceros ordinarios tanto como especiales como algunos tipos de elaciones ligeras y cobre. Las propiedades físicas de una aleación están mas íntimamente relacionadas con la estructura del material que con la composición química. Para determinar las propiedades de los distintos microconstituyentes presentes, tanto relativo y estructurales del tratamiento térmico y mecánico, en unión de otros aspectos revelados por su examen y ensayo. (pág. 696). Las herramientas más importantes de la metalografía son el microscopio y los rayos X. El examen microscópico de especímenes permite la determinación del tamaño, la estructura y la orientación de los cristales de metal. Mediante este tipo de exámenes, los investigadores en metalografía pueden identificar un metal o una aleación, descubrir posibles impurezas y comprobar la eficacia de los tratamientos 11
térmicos para su endurecimiento o temple. Los especímenes empleados para el examen metalográfico suelen pulirse con gran cuidado y después tratarse con ácidos diluidos; esto pone de relieve la estructura del grano, al atacar las delimitaciones entre los cristales o uno de los componentes de una aleación. Cuando los metales han de ser examinados al microscopio electrónico, puede hacerse una réplica o molde delgado, transparente a los electrones, de las superficies atacadas por el ácido, ya que el metal en bruto no transmite los rayos catódicos. Como alternativas, puede prepararse un espécimen muy fino; la microestructura observada es una proyección de la existente en el mismo. Cuando se hace pasar un haz de rayos x a través de un espécimen de una sustancia cristalina se obtienen patrones de difracción que pueden interpretarse para determinar la estructura interna de los cristales. La investigación metalográfica a mostrado que al estirar o deformar un metal, se producen diminutos deslizamientos entre las capas de átomos que comprenden el cristal, lo que permite al metal adoptar una nueva forma e incrementar su dureza y fortaleza. Si el metal se calienta tras la deformación, vuelve a cristalizarse; es decir, sus átomos se reorganizan formando nuevos cristales no sometidos a tensión alguna. Esto explica porque los metales se vuelven quebradizos cuando son doblados en frio y por que vuelven a reblandecerse cuando son recalentados.
Preparación El éxito del análisis metalográfico depende, en gran parte, del cuidado que se haya tenido en la preparación de la muestra. El camino se ha de seguir en la preparación de la muestra es sencillo, pero constituye una técnica que se adquiere solamente tras una práctica constante.
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Muestreo o corte Es la selección de la muestra para estudio microscópico, este puede ser muy importante. Si lo que va a investigar es una falla, se debe escoger la muestra más próxima al área de la falla y compararse con una tomada de la selección normal o sana. Si el material es suave como metales o aleaciones no ferrosas y aceros tratados térmicamente, la selección puede obtenerse por corte normal. Si el material es duro, la selección puede obtenerse mediante un disco cortador abrasivo, el cual es un plato delgado fabricado de un abrasivo de tipo adecuado, que gira a alta velocidad.la muestra debe mantener fría durante la operación.
Esmerilado tosco o burdo Siempre que sea posible, la muestra debe ser de un tamaño fácil de manipular. Una muestra blanda se puede aplanar si se mueve lentamente hacia arriba o hacia abajo a través de la superficie de una lima plana áspera. La muestra blanda o dura debe esmerilarse burdamente sobre la lima plana poco blanda (rotatoria), manteniendo la muestra en frio sumergiéndola frecuentemente en agua durante la operación de esmerilado. En todas las operaciones de esmerilado y pulido, la muestra debe moverse en sentido perpendicular a las ralladuras existentes. Esto facilitará que las ralladuras mas profundas hayan sido sustituidas por las menos profundas, características del abrasivo mas fino. El esmerilado continua hasta que la superficie quede plana y libre de rallas, rebabas, entre otros, y todas las ralladuras que debido al corte manual q al disco de corte no son visibles.
Montaje Las muestras mas pequeñas o de forma incomodas deben montarse de alguna manera para facilitar el pulido intermedio y final. Alambre, barrillas pequeñas,
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muestras en hoja metálicas, selecciones delgadas, entre otros, deben montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica.
Desbaste Se basa en preparar la superficie para el pulido, eliminando las capas distorsionadas, para obtener una superficie plana, ya que el microscopio tiene solo una pequeña profundidad focal. Si la probeta es de material blando, se puede aplanar utilizando una lima fina, la cual debe manejarse mediante movimiento de vaivén sin haces mucha presión. Después de un desbaste tosco de la superficie, la cual se examina para estar seguro de que forma un plano, se procede al desbaste fino con papel de esmeril, se pasan por lijadoras de cintas o, sencillamente, sobre papel de lija apoyado en superficie plana de vidrio. Estos papeles tienen incrustada una capa de carborundo (SiC) o corindón. Se debe determinar la granulometría y se utiliza una serie de lijas, de modo que la primera sea de grano grueso y las últimas de grano fino. Se pasa de un papel al otro cuando se ha logrado quitar las rallas introducidas en el interior del papel. La manera practica de hacerlo consiste en frotar la probeta de modo que las rallas del nuevo papel formen con las anteriores ángulo de 90 grados, se sabe que se ha llegado al final del desbasten este papel cuando se ven todas las rallas en una dirección. Luego se insiste un poco, de modo que cuando menor sea la granulometría mas debe insistirse. Cada pase no ha de requerir más de dos o tres minutos, y y si no se consigue así un buen resultado, es señal de que en dicho pase se emplea un abrasivo demasiado fino y no se hace mas que perder el tiempo. El balanceo es la mayor dificultad en el desbaste, pues que después de haber conseguido una superficie plana, la probeta puede desviar su orientación e iniciarse el desbaste según otro plano ligeramente inclinado con respecto al anterior y así queda un surco entre los dos, simplemente porque se ha querido mantener la probeta con demasiada rigidez. 14
Hay que tener cuidado en que las partículas abrasivas de un papel no pasen al papel siguiente, pues entonces se producen huellas profundas que no se eliminarán por el desbaste sucesivo, y, asimismo, se ha de lavar bien la probeta con agua corriente, después de cada pase. El desbaste de una aleación frágil requiere de un cuidado, el mejor método puede ser muy distinto del más conveniente para un material tenaz. Normalmente se suela emplear el desbaste húmedo.
Pulido intermedio La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente. El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio tiene mayor rapidéz de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo que le papel no se ensucie.
Pulido fino El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño. Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para
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pulido final que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de magnesio. La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el propósito del estudio metalográfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará únicamente las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras.
Ataque El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y los álcalis disueltos en alcohol, agua u otros solventes. Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto, la muestra quedará subatacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura, mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy Cuidadosamente. La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua. Límpiese la muestra con alcohol y utilice una 16
secadora de pelo para terminar de secarla. Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los dedos, porque esto altera la condición superficial del metal.
Microscopio metalúrgico El microscopio metalúrgico difiere en la manera en que la luz es proyectada. Como una muestra metalográfica es opaca a la luz, la misma debe ser iluminada por luz reflejada. Un haz de luz horizontal de alguna fuente de luz es reflejado, por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo a través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta luz incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al pasar a través del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuará hacia arriba a través del reflector de vidrio plano; luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de lentes, el ocular. El poder de amplificación inicial del objetivo y del ocular está generalmente grabado en la base del lente. Cuando es utilizada una combinación particular de objetivo y ocular y una longitud adecuada de tubo, la amplificación total es igual al producto de las amplificaciones del objetivo y ocular. La amplificación máxima obtenida con el microscopio óptico es de unos 2000 x. La limitación principal es la longitud de onda de la luz visible, la cual limita la resolución de los detalles finos de la muestra metalográfica. La utilidad del microscopio metalúrgico puede ser ampliada debido a la incorporación de diversos aparatos auxiliares, como son los que permiten observar aspectos estructurales que no son visibles en condiciones normales. Puesto que el ojo humano es insensible a las diferencias de fase, debe incorporarse al microscopio un aparato óptico especial. Las diferencias de fases causados por variaciones extremadamente pequeñas al nivel de microestructuras, se transforman más tarde, en diferencias de intensidad en la imagen observada, revelando de esta forma aspectos invisibles bajo iluminación ordinaria.
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Aleación del aluminio Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y otros elementos(generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando.
Aleaciones Serie 3000. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el manganeso (Mn) que está presente en un 1,2 por ciento y tiene como objetivo reforzar al aluminio. Tienen una resistencia aproximada de 16 kpsi (110 MPa) en condiciones de recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena mecanibilidad. Buena resistencia mecánica, alta resistencia a la corrosión, buena maleabilidad. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Mn. Estas aleaciones tan solo tienen un 20 por ciento más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Mn solo puede añadirse de forma efectiva en solo un 1,5 por ciento. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3104 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intecambiadores de calor, mobiliario, señales de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas. El Mn se encuentra en la mayor parte de las aleaciones de aluminio ternarias y cuaternarias. Como se muestra en la figura 1, su solubilidad en el aluminio pasa del
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0,35 por ciento a 500 °C a la temperatura eutéctica, que es 658 °C, como se puede observar en el diagrama de fases señalado.
Figura 1. Diagrama de fases del sistema Al-Mn. Fuente: ASM Metal Handbook. Vol 3. La concentración eutéctica es de 1,95 por ciento de Mn. A la temperatura ambiente, y hasta un 25 por ciento de Mn la aleación esta formada por Al+Al6Mn. El Mn aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de estas aleaciones. Las propiedades físicas y mecánicas de las aleaciones de aluminio dependen básicamente de: la composición química, impurezas y microestructura. En general se busca que la composición química y la microestructuras satisfagan las propiedades
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mecánicas, físicas y químicas dependiendo de la aplicación final. Los factores más influyentes en estas propiedades son:
Control de composición química en la fabricación.
Velocidad de enfriamiento, que influye en la microestructura.
Adición de modificadores y refinadores de grano que mejoran las propiedades mecánicas.
Aleación de aluminio 3003 (Al – Mn) Se fabrica en la empresa Aluminio del Caroní, S.A., (CVG-ALCASA), y se obtiene por colada continua, seguida de un tratamiento de homogeneización sometida luego a procesos de laminado en caliente y frío. Las principales características se muestran a continuación;
Tabla N° 1.- Composición química del AA3003 Si
Fe
Cu
Mn
Zn
Ti
0,60
0,70
0,05-0,20
1,0-1,15
0,10
0,10
Tabla N° 2.- Propiedades mecánicas típicas del AA3003. Temple (Mpa) 0 H12 H14 H16 H18
L.R.T. (Mpa) 110 131 152 179 200
L.F. (Mpa) 41 124 145 172 186
L.R.C. (Mpa) 76 83 97 103 110
L.R.F. (Mpa) 48 55 62 69 69
E. (%) 30 10 8 5 4
D.B. (HB) 28 35 40 47 55
Leyenda: L.R.T.: Límite de resistencia a la tracción; L.R.F.: Límite de resistencia a la fatiga; L.F.: Límite de fluencia; E.: Elongación en 50 mm; L.R.C.: Límite de resistencia al corte; D.B.: Dureza Brinell 500 Kg, bola 10 mm.
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Tabla N° 3.- Propiedades físicas típicas a 20 °C, del AA3003. Módulo elástico N/mm2
Peso específico g/cm3
Intervalo de fusión ºC
69.500 Conductividad térmica W/m °K 0-190 H18-160
2,73 Resistividad eléctrica a 20ºC
640-655 Conductividad eléctrica % IACS 0-50,5 H18-42
μΩ cm
0-3,4 H18-4,1
Coeficiente de dilatación lineal 1/106°K 23,1 Potencial de disolución V -0,83
Usada comúnmente en equipo químico, ductos, y en trabajos comunes de lámina metálica. El 3003 también es usado en la manufactura de utensilios de cocina, recipientes a presión, elementos para construcción, bandejas para cubos de hielo, puertas para garajes, arcos para toldos, paneles para refrigeradores, líneas de gas, tanques de gasolina, intercambiadores de calor, piezas conformadas, y tanques de almacenamiento. Esta aleación debido a su conformabilidad está indicada para la fabricación de piezas por embutición profunda, como cebadores eléctricos, etc., Chapas corrugadas para cubiertas y fachadas por su gran resistencia a la corrosión, calorifugado de tuberías y depósitos, techos y laterales para autobuses y camiones, caravanas, contenedores para transporte en aviones, depósitos de combustible, chapas punta diamante de gran brillo para laterales de camión y decoración, industria química y de alimentación. El grupo de aleaciones de aluminio-manganeso tiene el campo de aplicación más importante los semiproductos laminados, ya que son muy indicadas para la embutición y extrusión en frío a causa de que presentan una elevada resistencia a la corrosión y unas características mecánicas superiores a las aleaciones de aluminio puro además de su buen comportamiento a bajas temperaturas. Se pueden anodizar
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pero no mantienen una buena uniformidad de color para fachadas por lo que sólo se aconseja lacar. Su gran poder de disipación del calor provoca que las naves industriales construidas con este material no mantengan excesivo calor en el verano al poder reflejar, en estado bruto, los rayos solares.
Maquinabilidad: La aleación de aluminio 3003 es fácilmente mecanizada y es considerada como una aleación de buena maquinabilidad entre las similares de aluminio.
Conformado: Esta aleación es fácilmente conformada tanto por trabajo convencional en frío como en caliente.
Soldadura: La soldadura se realiza fácilmente por métodos convencionales. El metal de aporte es generalmente de la aleación de aluminio 1100. Cuando se sueldan otras aleaciones de aluminio con el 3003, tales como 5052, 6061 o 6062 el metal de aporte deberá ser aluminio 4043.
Tratamiento térmico: El aluminio 3003 no es una aleación tratable térmicamente.
Forja: La aleación puede ser forjada en el rango de 950 a 500 °F.
Trabajo en caliente: El rango de temperaturas para trabajo en caliente (como para la forja), es 950 a 500 °F. En ese rango la aleación es fácilmente trabajada en caliente.
Trabajo en frío: La aleación de aluminio 3003 es fácilmente trabajada en frío por todos los métodos convencionales.
Recocido: El recocido, durante o posterior al trabajo en frío, se hace a 775 °F, dando un tiempo adecuado para el calentamiento completo, seguido de enfriamiento al aire.
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Envejecimiento: No es aplicable a esta aleación.
Revenido: No aplicable.
Endurecimiento: Endurece sólo como resultado de trabajo en frío.
Otras propiedades físicas: 40 por ciento de la conductividad eléctrica del cobre.
Otros propiedades mecánicas: La resistencia al cortante para endurecimiento O (recocido) es 11 Ksi. Para H14 (trabajado en frío) es 14 Ksi
Examen metalográfico El examen estructural de los materiales y aleaciones por vía microscópica es una de las armas principales que posee el metalurgista, ya sea en investigación científica como en el control de la calidad de los materiales, teniendo en cuenta la conocida relación estructura-propiedades. La importancia de la observación micrográfica está dada por la influencia que ejercen los componentes químicos de una aleación que pueden encontrarse en forma de una solución sólida homogénea, en forma de un compuesto intermetálico de composición química definida, dispersa en el seno de una solución sólida, en forma de una mezcla eutéctica, etc. Estos componentes reciben el nombre de constituyentes metalográficos y de sus proporciones, formas y estados dependen las propiedades físicas de una aleación. Por lo tanto, el desarrollo de la técnica que nos permite observar dichos constituyentes deberá ser objeto de un trabajo consciente y criterioso. El primer paso dentro de esta área técnica metalográfica será la zona micrográfica a estudiar y que deberá ser representativa del fenómeno a observar, teniendo en cuenta la forma, función y origen del material.
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La obtención de una superficie perfectamente plana y pulido especular, nos permitirá llegar a conclusiones exactas y ello dependerá exclusivamente de la prolijidad y esmero con que se realice esa tarea, siguiendo las técnicas usuales. La elección de los reactivos de ataque y de los aumentos a los que serán observados los distintos constituyentes, están dentro de las variables que juegan en un análisis metalográfico, como son la calidad de lo que se quiere observar y la dimensión apropiada de su magnificación para interpretar el problema que se desea estudiar. Se puede concluir entonces, que el objetivo de la preparación de una muestra metalografía es la revelación de la estructura verdadera, llamando en teoría estructura verdadera a la cual no posea deformaciones, rayas, arranques de material, elementos extraños, aplastamientos, relieves, bordes redondeados y daños térmicos. Esto se logra con la realización de un método sistemático de preparación.
Ensayo de doblado-desdoblado El ensayo de doblado-desdoblado (UNE-EN ISO 15630-1) tiene como objetivo comprobar la capacidad que presenta el acero para ser trabajado en las instalaciones donde ha de ser doblado para dar lugar a formas de armado, así como su posible desdoblado en obra cuando se trata de una armadura en espera. El ensayo ha de llevarse a cabo sobre mandriles de un determinado tamaño, función del diámetro de la barra, y por medio de una dobladora que permita el deslizamiento de la barra y la aplicación de la fuerza de doblado de forma constante y uniforme durante todo el ensayo. Existen dos ensayos alternativos para la comprobación de la aptitud al doblado: el de doblado-desdoblado y el de doblado simple, que han de efectuarse con los ángulos y los mandriles indicados en la Tabla 4.
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Tabla 4.- Diámetro de los mandriles para comprobar la aptitud al doblado. Diámetro de la barra o rollo(mm) ≤16 ≤25
>25
Tipo de ensayo Doblado – desdoblado Doblado simple α = 180º (1) α = 90° ß = 20º 5Ø 3Ø 8Ø 6Ø 10 Ø 6Ø
Ø Diámetro nominal de barra, en mm. α Ángulo de doblado. ß Ángulo de desdoblado. (1) Estos diámetros se consideran como máximos. Se pueden utilizar diámetros inferiores siempre y cuando los resultados del ensayo sean satisfactorios.
El ensayo de doblado-desdoblado consta de tres fases: doblado, envejecimiento y desdoblado. El doblado se realiza a temperatura ambiente de laboratorio (entre 10 ºC y 35 ºC) hasta alcanzar un ángulo de doblado de 90º. A continuación, la probeta se somete a un calentamiento en agua a 100 ºC durante 30 minutos (para simular un efecto de envejecimiento y permitir una cierta relajación de las tensiones generadas durante el doblado), dejándose enfriar al aire hasta alcanzar la temperatura ambiente. Una vez alcanzada esta temperatura se desdobla la barra 20º. Tras el ensayo no debe haberse producido la aparición de grietas transversales apreciables a simple vista. El ensayo de doblado simple es similar al anterior pero sólo se efectúa un doblado, en este caso de 180º alrededor de un mandril, comprobándose que no han aparecido grietas tras este proceso. El doblado es un proceso que permite conformar piezas de plancha metálica mediante matrices que generan una deformación plástica en la sección de la zona de curvatura.Las características del proceso son que las fibras del material al exterior del plano neutro se traccionan y las que están al interior se comprimen.Para un espesor “h” de la lámina, las deformaciones por tracción y compresión se incrementan con la
disminución del radio interior de curvatura (Ri) (es decir, con la disminución de la relación Ri/h). Para que la pieza retenga su forma, la relación Ri/h debe ser lo
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suficientemente pequeña para lograr que gran parte de la sección transversal de la lámina pase a la zona plástica. Cuando se dobla con radios relativamente grandes, la línea neutra está en el centro; cuando se dobla con radios pequeños, se desplaza hacia el lado sometido a compresión.
El fenómeno de recristalización Cuando un metal es fuertemente trabajado en frío, mucha de la energía de deformación utilizada en la deformación plástica es almacenada en el metal en forma de dislocaciones y otras imperfecciones como defectos puntuales. Cuando un metal trabajado en frío es calentado hasta el intervalo de temperaturas de recuperación, que está justamente por debajo del intervalo de temperaturas de recristalización, se eliminan tensiones internas dentro del metal. Durante la recuperación, se suministra suficiente energía térmica como para permitir a las dislocaciones que se reordenen en configuraciones de menor energía. La recuperación de muchos metales trabajados en frío produce una estructura subgrano con fronteras de grano de pequeño ángulo. El proceso de recuperación se denomina poligonizacióny frecuentemente es un cambio estructural que precede a la recristalización. La energía interna del material recuperado es menor que la del estado de trabajado en frío, puesto que se aniquilan más dislocaciones o se transforman en configuraciones de menor energía por el proceso de recuperación. Calentando un metal trabajado en frío a una temperatura suficientemente alta se nuclean nuevos granos libres de deformación en la estructura de metal recuperado y comienzan a crecer formando una estructura recristalizada. Después de suficiente tiempo a la temperatura a la que tiene lugar la recristalización, la estructura de trabajo en frío es completamente reemplazada con una estructura de grano recristalizado. La recristalización ocurre por dos mecanismos principales: (1) un núcleo aislado puede
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expandirse dentro de un grano deformado, o (2) una frontera de grano de gran ángulo puede emigrar a una región más deformada del metal. En cada caso, la estructura del lado cóncavo de la frontera que se mueve está libre de deformación y tiene relativamente baja energía interna, mientras que la estructura del lado convexo de la intercara que se mueve está altamente deformada con una gran densidad de dislocaciones y gran energía interna. Por consiguiente, el crecimiento de un nuevo grano en expansión durante la recristalización primaria conduce a una disminución global en la energía interna del metal por la sustitución de regiones deformadas por regiones libres de deformación. Factores importantes que afectan al proceso de recristalización en metales y aleaciones son (1) la cantidad de deformación previa del metal, (2) la temperatura, (3) el tiempo, (4) el tamaño inicial del grano y (5) la composición del metal o aleación. La recristalización de un metal puede tener lugar en un intervalo de temperaturas, y este intervalo es dependiente en cierta forma del resto de variables. Por ello uno no puede referirse a la temperatura de recristalización de un metal en la misma forma que a la temperatura de un metal puro. Pueden realizarse las siguientes generalizaciones sobre el proceso de recristalización: 1. Se necesita una mínima cantidad de deformación para que sea posible la recristalización. 2. Cuanto menor sea el grado de deformación (por encima del mínimo), mayor es la temperatura necesaria para producir la recristalización 3. Aumentando la temperatura de recristalización disminuye el tiempo para completarlo. 4. El tamaño final de grano depende principalmente del grado de deformación. A mayor grado de deformación menor será la temperatura de recocido para la recristalización y menor será el tamaño de grano recristalizado. 27
5. A mayor tamaño de grano inicial, mayor será la cantidad de deformación necesaria para producir una cantidad de recristalización equivalente. 6. La temperatura de recristalización disminuye al aumentar la pureza del metal. La adición de aleaciones en forma de solución sólida siempre aumenta la temperatura de recristalización.
2.4 Marco Conceptual Aleación: Se trata de una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan. (Addison. 1964. Pág. 29).
Aleación AA3003: Esta aleación de aluminio y manganeso tiene buena capacidad para ser deformada, combinada con buena resistencia a la corrosión y de buen soldado. Principalmente utilizado en recipientes para almacenar sustancias varias, también se utiliza en pasillos y puentes en plantas industriales. (www.sumiteccr.com, catálogo 2006).
Deformación: Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica. (Wikipedia. La enciclopedia libre)
Doblado de metales: El ensayo de doblado-desdoblado tiene como objetivo comprobar la capacidad que presenta una aleación para ser doblada, sometiéndola a una fuerza constante para determinar su ductibilidad y sanidad. (www.simet.cl/ensayodedoblado.php)
Ductilidad: Capacidad de un material para deformarse plásticamente sin fracturarse, medida por la elongación o reducción de área en una probeta ténsil. (Avner. 1999. Pág. 667). 28
Dureza: Se denomina dureza a la resistencia a ser rayado que ofrece la superficie lisa de un mineral, y refleja, de alguna manera, su resistencia a la abrasión. Mediante el estudio de la dureza de un mineral se evalúa, en parte, la estructura atómica del mismo pues es la expresión de su enlace más débil. (www.UNED.es. 2012).
Fragilidad: Nos indica que el material se fractura fácilmente, bajo pequeñas cargas. Esta se puede originar por una soldadura inadecuada. La fragilidad indica una pérdida total de ductilidad. (Gianchino y Weeks. 1981. Pág. 29).
Metal: Sustancia química elemental opaca y lustrosa que es un buen conductor del calor y de la electricidad y cuando se ha pulido, es un buen reflector de la luz. (Apraiz. 1999. Pág. 677).
Metalografía: Ciencia que estudia la construcción y estructura de metales y aleaciones reveladas ya sea a simple vista o por tales herramientas, como amplificación de baja resolución, microscopio óptico, microscopio de electrones, y técnicas de difracción o rayos x. (Valderrama. 1999. Pág. 677).
Microestructura: Apariencia estructural de un metal obtenida mediante imágenes microscópicas
de
la
superficie
de
una
muestra
totalmente
especular
queposteriormente es atacada químicamente para obtener socavaciones en las zonas energéticas como lo son los límites de granos. (Valderrama. 2001. Pág. 103).
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CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En esta investigación los objetivos estudiados se basaron en métodos que permitieron reflejar la estructura lógica del proceso de la investigación, la cual tiene como finel evaluar las características estructurales y la dureza de una pieza de aluminio AA3003 sin homogeneizar, luego de ser sometida a un proceso de doblaje y llega así a la solución del problema planteado. Por lo que el fin esencial del marco metodológico es situar los métodos e instrumentos que se emplearon y todo lo concerniente al tipo de indagación, diseño de investigación y las técnicas e instrumentos de recolección de datos. Al respecto Tamayo y Tamayo (1999) señalan: “nos ayuda a precisar y a organizar los elementos contenidos en la descripción del
problema, de tal forma que puedan ser manejados y convertidos en acciones concretas” (Pág. 77).
3.1 Tipo de investigación Descriptiva: Es importante su utilización, porque a través del detalle de las características de los hechos, situaciones e informaciones recibidas y evaluadas durante el estudio investigativo, se logró conocer con mayor facilidad y de manera detallada los procedimientos necesarios para la preparación del aluminio 3003 y de la realización del doblado, para luego ser observada microestructuralmente. Al respecto, Arias (2006) comenta: La investigación descriptiva consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con el fin de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de investigación se ubican en un nivel intermedio en cuanto a la profundidad de los conocimientos se refiere (Pág. 97). 30
Aplicada: Se empleó este tipo de investigación porque permitió contribuir con la solución del problema, es decir, se plantearon soluciones que dan respuestas a la problemática existente disponiendo del conocimiento obtenido a través del estudio, utilizando los resultados obtenidos para analizar y comparar la microestructura de la aleación de aluminio 3003. Según Méndez (1989), opina que: La investigación aplicada persigue fines más directos e inmediatos, tal es el caso de cualquier estudio que se proponga evaluar los recursos humanos o naturales, con que cuenta una región para lograr su mejor aprovechamiento, o las investigaciones encaminadas a conocer las causas que favorecen una enfermedad con el fin de proteger la salud (Pág. 58).
3.2 Diseño de la investigación De Campo: El presente trabajo investigativo, llevó implícito este diseño porque para doblar, analizar y comparar microestructuralmente la probeta de aluminio 3003, se hizo necesario la obtención de toda la información mediante el trabajo preciso del investigador directamente de la realidad, es decir, los datos fueron tomados de los ensayos realizados en el laboratorio de metalografía, debido a que es en ese lugar donde existe la posibilidad del conocimiento de la microestructura de las probetas de aluminio, siendo preciso el contacto directo con los equipos allí presentes. Cabe destacar que de esta manera se logró observar la microestructura de las aleaciones de aluminio; de igual manera se logró identificar las fases presentes en las mismas. Al respecto Tamayo (1997), expone: Cuando los datos se recogen directamente de la realidad, los denominados primarios, su valor radica en que permite cerciorarse de las verdaderas condiciones en que se han obtenido los datos, lo cual facilita su revisión o modificación en caso de sugerir dudas (Pág. 110).
3.3 Técnicas e instrumentos de recolección de datos Observación directa: Debido a que los datos necesarios para llevar a cabo esta investigación se recogieron directamente del Laboratorio de Metalografía de FLASA;
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donde se presenta la problemática, permitiendo observar la microestructura de las probetas de aluminio a través del microscopio, con la finalidad de comparar lo observado, ver anexo 1. Según Herrera (1992): “La observación consiste en el uso sistemático de nuestros sentidos orientados a la capacitación de la realidad que queremos estudiar” (Pág.101).
Entrevista estructurada: Se empleó este método ya que por medio de ella se pudo recabar datos e información de gran importancia para esta investigación, en la cual se elaboraron un total de doce (12) preguntas de ítems cerrado, las cuales fueron aplicados a 15 alumnos del área de metalurgia, para obtener datos que aportaran información a la investigación y así lograr los resultados finales, ver anexo 2. En relación con lo anterior, Balestrini (1998) indica que: Considerándolo como un método de comunicación escrito y básico, entre el encuestador y el encuestado, facilita traducir los objetivos y las variables de la investigación a través de una serie de preguntas muy particulares previamente preparadas de forma cuidadosa susceptibles de analizarse relación al problema estudiado (Pág. 138).
Revisión documental: Para realizar este trabajo se hizo necesario este tipo de técnica, ya que fue necesaria la revisión de fuentes bibliográficas, manuales, internet, etc., con el fin de soportar teóricamente el tema estudiado y reforzar los conocimientos que se adquirieron durante el proceso de aprendizaje, porque constituye un procedimiento científico y sistemático de indagación, recolección, organización, interpretación y presentación de datos e información básica extraída de las diversas técnicas de investigación y comunicación. De acuerdo a lo expuesto anteriormente Sabino (2002) comenta: Aunque no es de carácter primario, la revisión documental representa la mejor opción que se le presenta al investigador cuanto se refiere a libros, revistas científicas y boletines informativos porque contiene información útil en el proceso investigativo. Estas son fáciles de obtener en las bibliotecas de organismos estadales (Pág. 149). 32
3.4 Sistema de variables Se entienden por variables todo aquello que pueda causar cambios en los resultados de un experimento, estas se manifiestan como sistema, dos o más variables constituyen un sistema de variables, aparentemente una variable no es un sistema, pero es la expresión del efecto de un sistema y se distinguen entre variable independiente y dependiente. Las variables se controlan salvo las que queremos estudiar. En un experimento siempre existe un control o un testigo, que es una parte del mismo no sometido a modificaciones y que se utiliza para comprobar los cambios. Antes de iniciar una investigación es muy importante saber cuáles son las variables que se desea medir y la manera en que se hará. Arias, (2006). Comenta “es una característica o cualidad; magnitud o cantidad, que puede sufrir cambios, y que objeto de análisis, medición, manipulación o control en una investigación. (Pág. 57).
Variable independiente Son las causas que generan y explican los cambios en la variable dependiente. En los diseños experimentales la variable independiente es el tratamiento que se aplica y manipula en el grupo experimental. Casanova, (2004), expresa que: “es aquella que el
experimentador modifica a voluntad para averiguar si sus modificaciones provocan o no cambios en las otras variables”. (Pág. 170). En este trabajo de investigación la
variable independiente fue la preparación metalográfica que se realizo a la muestra de aluminio 3003 luego del doblado.
Variable dependiente Son aquellas que se modifican por acción de la variable independiente. Constituyen los efectos o consecuencia que se miden y dan origen a los resultados de la investigación. Según Salkind, (1999) la define como “es la que refleja los resultados de un estudio de investigación, estas podrían depender del tratamiento, experimento o
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de lo que el investigador modifica o manipula”. (Pág. 25). La variable dependiente a
estudiar fue la microestructura observada en el proceso.
3.5 Forma de presentación de los resultados Los resultados obtenidos en la entrevista se presentaran mediante un análisis estadístico descriptivo comprendido por un cuadro con los indicadores de respuesta de los trabajadores y la frecuencia de los mismos. Luego se presentan en un diagrama de torta para describir de manera cualitativa la información antes reseñada en el cuadro. Según Méndez, (2002) “representar los fenómenos estudiados a través de
figuras, que pueden ser interpretadas y compradas fácilmente entre sí, cuando reúnen ciertas características de simplicidad y precisión pueden ser mas expositivas que la descripción verbal”. (Pág. 167). A continuación se muestra un ejemplo de cómo se
presentan los resultados.
CUADRO N° 1 Conocimiento de la preparación de muestras INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 6 60% SI 9 90% NO 15 150% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia de Flasa. Abril 2013
NO
34
SI
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 6personas,que representan el 60 por ciento, indicaron que si sabenpreparar muestras para ensayos metalográficos, otras 9 personas, que equivalen al 90 por ciento, señalaron que todavía no habían tenido oportunidad de realizar ensayos metalográficos. Se puede inferir que la causa principal de esta falla se debe a que no han cursado la materia de ensayos destructivos, donde deben hacer uso de esta técnica.
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CAPÍTULO IV RESULTADOS En este capítulo se presentan los resultados obtenidos luego del ensayo de doblado de la muestra de aluminio 3003; en él se plasman el desarrollo de cada objetivo específico, aplicando todas las técnicas, tanto experimentales como metodológicas, para dar lugar a la consecución del objetivo general de este trabajo de investigación.
4.1 Microestructura del material mediante el uso de la metalografía antes de ser sometido al doblado El material antes del doblado presento la siguiente Microestructura, figura 2.
Figura 2.- Muestras de AA3003, tratadas con HF 1%, antes del proceso de doblado. Superior a 100x; inferior a 200x. 36
En esta figura se observa la microestructura que presenta la aleación AA3003, antes del doblado. Se observa que la fase continua es la matriz de aluminio y el precipitado blanco es presencia de compuestos intermetálicos correspondientes a aluminio-manganeso, posiblemente Al6Mn o α-Al15(Fe,Mn)3Si2.
4.2 Esfuerzos necesarios a la pieza para generar el doblado Para el doblado de la pieza de aluminio, secorto primeramente un pedazo para poder comparar con la muestra doblada. El trozo remanente fue doblado ejerciendo presión contra una cabilla hasta doblarla con un ángulo aproximado de 80º. Esta muestra fue lijada en la parte curva para poder ver los cambios que ocurrieron por el proceso de doblado en el microscopio óptico. El ataque fue realizado con HF al 5 por ciento, en ambas muestras.
4.3 Microestructura de la pieza luego de realizada la deformación, mediante el uso de la metalografía En la figura 2 se tiene la microestructura una vez realizado el proceso de doblado.
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Granos alargados
Figura 3.- Muestras de AA3003, tratadas con HF 1%, después del proceso de doblado. Superior a 100x; inferior a 200x. En esta figura 3, se observa que hay un crecimiento o alargamiento de los granos en la dirección en que fue doblada la pieza de aluminio, lo cual es más evidente en la parte superior izquierda de la figura inferior derecha.
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4.4 Opinión de los estudiantes, referente a las propiedades mecánicas del aluminio AA3003 y su micro estructura CUADRO 1 Significado de las siglas AA3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 6 40% SI 9 60% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
40,0
60,0
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 6 personas,que representan el 40 por ciento, indicaron que las siglas AA3003 denotan el tipo de aleante presente en el material, otras 9 personas, que equivalen al 60 por ciento, señalaron que no recordaban sobre que hacia referencia estas siglas. Se puede inferir que la causa principal de esta falla se debe a que no estudian lo suficiente y por lo tanto no recuerdan las siglas presentadas.
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CUADRO 2 Propiedades mecánicas del aluminio 3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 3 20,0% Soldabilidad 2 13,3% Dureza 6 40,0% Anticorrosivo 4 26,7% Ductilidad 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
20,0
26,7
13,3
Soldabilidad Dureza
40,0
Anticorrosivo Ductilidad
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 6 personas, que representan el 40 por ciento, indicaron que la resistencia a la corrosión es la propiedad mas significativa del AA3003, otras 4 personas, que equivalen al 26,7 por ciento, señalaron que la ductilidad es lo mas notable de esta aleación, mientras que 3 personas, que representan el 20 por ciento, y 2 personas, el 13,3 por ciento restante, señalaron la soldabilidad y la dureza, respectivamente. Se puede inferir que la mayoría de los estudiantes conocen bien las principales propiedades mecánicas de este material.
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CUADRO 3 Aleante principal del aluminio 3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 11 73,3% Mn 4 26,7% Otros 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
26,7 Mn
73,3
Otros
De los datos mostrados en el cuadro anterior se tiene que 11 personas,que representan el 73,3 por ciento, indicaron que el Mn es el aleante principal en el AA3003, otras 4 personas, que equivalen al 26,7 por ciento, señalaron otros metales como el principal componente aleante. Se puede inferir quela mayor parte de los estudiantes saben que el Mn es el componente principal de esta aleación, sin embargo debe recordársele al resto esta composición.
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CUADRO 4 Usos del aluminio 3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 13 86,7% SI 2 13,3% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
13,3 Si
86,7
No
De los datos obtenidos en el cuadro anterior se tiene que 13 personas,que representan el 86,7 por ciento, señalaron los principales usos del aluminio AA3003, otras 2 personas, que equivalen al 13,3 por ciento, dijeron que no recordaban tales usos. Se puede inferir que los alumnos conocen muy bien los principales usos de la aleación 3003, siendo lo mas nombrado los marcos de bicicletas.
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CUADRO 5 Ensayo de doblado INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 1 6,7% SI 14 93,3% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013. 6,7
Si No
93,3
Delcuadro anterior se tiene que 1 persona,que representa el 6,7 por ciento, indicóconocer en que consistía el ensayo de doblado, otras 14 personas, que equivalen al 93,3 por ciento, señalaron que no sabían que este ensayo existiese. Se puede inferir quehay un desconocimiento acerca del propósito de este ensayo sobre los materiales, por lo que hay que divulgarlo en clases.
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CUADRO 6 Realización de pruebas de dureza en materiales no ferrosos INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 2 13,3% SI 13 86,7% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
13,3 Si No
86,7
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 2 personas,que representan el 13,3 por ciento, indicaron haber realizado pruebas de dureza en cobre o aluminio, otras 13 personas, que equivalen al 86,7 por ciento, señalaron que no lo habían realizado o al menos en materiales ferrosos. Se puede inferir que la causa principal de esta falla se debe a que se trabaja más con hierro o acero en este ensayo no destructivo.
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CUADRO 7 Como se realiza la dureza en los materiales INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 8 53,3% SI 7 46,7% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
46,7
53,3
Si No
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 8 personas,que representan el 53,3 por ciento, indicaron saber como se realiza el ensayo de dureza, otras 7 personas, que equivalen al 46,7 por ciento, señalaron que no lo habían realizado o no recordaban bien como hacerlo. Se puede decir que la causa principal de esta falla se debe a la confusión por los tipos de dureza que existen.
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CUADRO 8 Estructura metalográfica del aluminio 3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 0 0% SI 15 100% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
0,0
Si No
100,0
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que las 15 personas,que representan el 100 por ciento, indicaron no saber o haber visto como es la microestructura de la aleación 3003. Se puede decir que la causa principal de esta falla se debe a que no es común trabajar con este material en el laboratorio.
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CUADRO 9 Importante del estudio metalográfico en la especialidad de Metalurgia INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 15 100% SI 0 0% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
0,0
Si No
100,0
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que las 15 personas,que representan el 100 por ciento, indicaron la metalografía es muy importante en la especialidad de metalurgia, debido a que ayuda al metalurgista en aprender sobre las propiedades mecánicas. Se puede inferir que los alumnos conocen bien la importancia de la metalurgia.
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CUADRO 10 Modificación por el doblado de las propiedades mecánicas del AA 3003 INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 10 66,7% SI 5 33,3% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
33,3 66,7
Si No
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 10 personas,que representan el 66,7 por ciento, indicaron que el doblado modifica las propiedades mecánicas de la probeta de aluminio 3003, otras 5 personas, que equivalen al 33,3 por ciento, señalaron que es poco lo que el doblado modifica o que incluso no tiene influencia. Se puede decir que hay dudas acerca del efecto que causa el doblado sobre las propiedades mecánicas del material.
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CUADRO 11 Equipos y reactivos en para realizar una metalografía INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 13 86,7% SI 2 13,3% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
13,3 Si
86,7
No
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 13 personas,que representan el 86,7 por ciento, indicaron que en el laboratorio de metalografía hay existencia de reactivos y equipos para realizar el ensayo respectivo, otras 2 personas, que equivalen al 13,3 por ciento, señalaron que no saben si los equipos están en servicio o hay reactivos preparados. Se puede decir que los alumnos están bien informados sobre esta situación.
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CUADRO 12 Influenciadel ensayo de doblado sobre la dureza
INDICADORES FRECUENCIA PORCENTAJE 11 73,3% SI 4 26,7% NO 15 100% TOTAL Fuente: Alumnos 5to. Semestre Metalurgia, Flasa. Abril 2013.
26,7 Si
73,3
No
De los datos presentados en el cuadro anterior se tiene que 11 personas,que representan el 73,3 por ciento, indicaron que el ensayo de doblado tiene influencia sobre la dureza, otras 4 personas, que equivalen al 26,7 por ciento, señalaron que no hay modificación en esa propiedad debido al doblado. Se puede decir que hay confusión sobre si influye o no el doblado sobre la dureza, por lo que debe reforzarse en clase este tópico
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4.5 Resultados de la evaluación estructural y de la dureza del aluminio AA3003 sin homogeneizar luego del proceso de doblaje Se encuentra que hay un alargamiento de los granos después del doblado en el material; esto es debido a que al aplicar la fuerza para el doblado del aluminio, este estiramiento afecta solo al conjunto de granos ubicados en la región sobre el cual se esta ejerciendo el doblado, por lo tanto son estos los únicos que sufren estiramiento. También se tiene que el alargamiento de los granos es en el sentido del doblado de la pieza. La dureza observada, antes del ensayo de dureza, presentó un valor de 22 HRC, en el durómetro del laboratorio de metalografía. Este valor concuerda con los valores reportados en la bibliografía para este material, la cual indica que para un aluminio sin homogeneizar los rangos de dureza están cercanos a los 25 HRC. Se observó que el material cambia su microestructura luego del ensayo de dureza, razón por la cual aumenta su dureza en la sección doblada, siendo esta 34 HRC en promedio. La razón de este aumento es que hay un endurecimiento debido a la deformación aplicada, lo que se refleja en los valores obtenidos.
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CONCLUSIONES
Se presentan a continuación, las principales conclusiones que pueden ser sacadas de cada uno de los objetivos específicos planteados y que fueron expuestos oportunamente. Se encontró que la microestructura del material antes de ser sometido al doblado presentaba granos redondeados de la matriz de aluminio y presencia de compuestos intermetálicos de Al-Mn. Se verifico que con poco esfuerzo aplicado a la pieza se pudo generar el doblado del material. Este fue realizado hasta un ángulo aproximado de 80º utilizando una cabilla como soporte. Se tiene que la microestructura que presenta el material después de ser sometido al doblado presentaba granos alargados de la matriz de aluminio, producto del doblado en si. Se determinó que los estudiantes tienen buenos conocimientos respecto a las propiedades mecánicas del aluminio AA3003 y su micro estructura. Se encontró que la dureza del aluminio AA3003 sin homogeneizar antes del doblado fue de 22 HRC y luego aumentó a 34 HRC, luego del proceso de doblaje.
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RECOMENDACIONES
Se presentan a continuación, una serie de recomendaciones que pueden servir para estudios futuros de esta aleación u otros materiales no ferrosos, ayudando a entender más sobre las propiedades mecánicas del mismo. Realizar ensayos de micrografía al material antes de ser sometido al doblado. Realizar guía donde se indique como establecer los esfuerzos necesarios a la pieza para generar el doblado. Guardar las micrografías obtenidas en la base de datos del microscopio. Guardar los datos de dureza y compararlos con valores de otros tipos de aleaciones de aluminio.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS
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ANEXOS
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INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DEL MAR EXTENSIÓN CIUDAD GUAYANA RIF. J-00066762-4 METALURGIA
ANEXO 1 MATRIZ DE OBSERVACIÒN
FECHA
OBSERVACIÒN
14-05-13
Se procedió a cortar la pieza, para proceder al desbaste.
21-05-13
Se realizo el desbaste grueso para cambiar la microestructura del material
30-05-13 05-06-13
Se realizo el desbaste fino para cambiar nuevamente la microestructura del material. Se procedió a realizar el ataque químico a la pieza con Nital, para observar el alargamiento de los granos.
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INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DEL MAR EXTENSIÓN CIUDAD GUAYANA RIF. J-00066762-4 METALURGIA
ANEXO 2 ENTREVISTA ESTRUCTURADA La siguiente entrevista fue aplicada exclusivamente a los estudiantes de la especialidad de Metalurgia de FLASA La Salle, Campus Guayana, con la finalidad de indagar la opinión y conocimientos, de los estudiantes, referente a las propiedades mecánicas del aluminio AA3003, su micro estructura y el ensayo de doblado. Se agradece su mejor colaboración al ser objetivos en sus respuestas.
1. ¿Sabe el significado de las siglas AA3003? Si _____
No _____
2. ¿Podría describir algunas propiedades mecánicas del aluminio 3003? Si _____
No _____
3. ¿Sabría indicar cual es el aleante principal del aluminio 3003? Si _____
No _____
4. ¿Conoce algunos usos del aluminio 3003? Si _____
No _____
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