Ciencia de los Materiales - TP N2

38
Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional TRABAJO PRÁCTICO Nº2 RESEÑA Autor: Fabián Scholtus 2010 Carrera: Ingeniería Industrial Materia: Ciencia de los Materiales 1

Transcript of Ciencia de los Materiales - TP N2

Page 1: Ciencia de los Materiales - TP N2

Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Regional

TRABAJO PRÁCTICO Nº2

RESEÑA

Autor:Fabián Scholtus

2010

Carrera: Ingeniería IndustrialMateria: Ciencia de los Materiales

Profesor: Ing. Pozzoni Camilo

1

Page 2: Ciencia de los Materiales - TP N2

INTRODUCCIÓN..........................................................................................................................................3

DIAGRAMA GENERAL DE TRABAJO....................................................................................................4

ALGUNAS DEFINICIONES........................................................................................................................4

CURVAS DE ENFRIAMIENTO DE METALES PUROS Y ALEACIONES:...............................................................4ALEACIONES BINARIAS AL ESTADO LIQUIDO Y SÓLIDO................................................................................5DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES........................................................................................5DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE LAS ALEACIONES QUE NO FORMAN SOLUCIÓN SÓLIDA................................7DIAGRAMA HIERRO-CARBONO (FE-C).........................................................................................................8CURVAS DE ENFRIAMIENTO DEL HIERRO......................................................................................................8DIAGRAMA DE EQUILIBRIO META ESTABLE DE LA ALEACIÓN HIERRO-CARBONO........................................8ASPECTO MICROGRÁFICO DE CONSTITUYENTES EN LAS ALEACIONES DE HIERRO......................................10

Carbono..................................................................................................................................................10DUREZA RELATIVA......................................................................................................................................11AFINO..........................................................................................................................................................11

Sistemas a emplear para el proceso de afino.........................................................................................11CONVERTIDORES:........................................................................................................................................11HORNOS:.....................................................................................................................................................12

Cuadro que muestra características constructivas y funcionamiento....................................................14VENTAJAS Y DESVENTAJA...........................................................................................................................15IMÁGENES DE CONVERTIDOR......................................................................................................................16GRADOS DE CALIDAD PROVENIENTE DE LOS PROCESOS.............................................................................16TIPOS DE ACEROS........................................................................................................................................17

Aceros Efervescentes..............................................................................................................................17Aceros Calmados....................................................................................................................................17Colado del Acero....................................................................................................................................18

PASOS PARA PREPARAR PROBETAS METALOGRÁFICAS...............................................................................19INCLUSIONES...............................................................................................................................................19

Fósforo....................................................................................................................................................21Azufre......................................................................................................................................................22Magnesio................................................................................................................................................22Silicio......................................................................................................................................................22Aluminio..................................................................................................................................................23

CONCLUSIÓN.............................................................................................................................................24

ANEXO – INFORME DE LABORATORIO............................................................................................24

PULIDO DE PROBETAS Y CONTRASTACIÓN...................................................................................25

Introducción:..........................................................................................................................................25Obtención de la probeta:........................................................................................................................25Desbaste a mano....................................................................................................................................25

Desbaste grosero...................................................................................................................................................25Desbaste intermedio.............................................................................................................................................26Desbaste final.......................................................................................................................................................26

Pulido......................................................................................................................................................26Abrasivos para el pulido metalografico.................................................................................................26Montaje de probetas pequeñas...............................................................................................................26Tips de trabajo:.......................................................................................................................................27

2

Page 3: Ciencia de los Materiales - TP N2

INTRODUCCIÓNEn el siguiente trabajo empezando con unas definiciones relacionadas con el tema, pasaremos a analizar

detenidamente las aleaciones del diagrama hierro-carbono. Analizaremos también las curvas de enfriamiento de los metales puros, de las aleaciones y la combinación de ambas acompañada por gráficos.

Veremos los dos casos de aleaciones binarias al estado líquido y sólido, y el diagrama de equilibrio de las aleaciones que forman solución sólida y podremos ven en el grafico como la curva del sólido se encuentra debajo de la curva del líquido y se unen en las puntas.

Con la ayuda del gráfico de la curva del enfriamiento de hierro veremos que sobre 1530°C (temperatura de fusión del hierro) todo se encuentra en estado líquido y bajo ella todo es sólido, pero a pesar de que es sólido su estado de cristalización sigue cambiando en algunos puntos.

Cuando analicemos específicamente el diagrama de hierro-carbono veremos que hay 3 tipos de aleaciones, una que pertenece al campo de los aceros (las que contengan entre el 0 y el 1,7% de carbono) y dos que pertenecen al campo de las fundiciones, la primera (entre el 1,7 y el 4,27% de C) y la segunda entre el 4,27 y el 6,67% de C. Siendo 6,67 el porcentaje máximo de carbono que puede tener una aleación.

Las aleaciones de hierro carbono poseen distintos constituyentes a los cuales les analizaremos los aspectos micrográficos (ferrita, perlita, cementita, austenita, martensita y ledeburita).

Por último haremos mención a la clasificación y empleo de los metales según las normas IRAM. Los criterios para su clasificación son: según su composición química, según su fabricación, de acuerdo a su utilización. También hay normas fundamentales, normas de los materiales, norma SAE para la clasificación de los aceros, etc.

3

Page 4: Ciencia de los Materiales - TP N2

Diagrama general de trabajo

ALGUNAS DEFINICIONESMezcla: unión heterogénea de dos cuerpos o mas, conservando cada uno sus propiedades.Solución: difusión homogénea de uno o más cuerpos (solutos) en otros (solventes).Compuesto: Cuerpo nuevo resultante de una combinación química y que tienen propiedades diversas de

los componentes. Ejemplo: agua (H2O)Aleación: unión intima de metales con características propias pero que participan de las propiedades de

las soluciones y de las mezclas.Solución sólida: solución que se efectúa en estado sólido o bien es una solución que efectuada en estado

líquido subsiste también al estado sólido sin alteraciones. Tiene cristales mixtos homogéneos de solventes y solutos juntos.

Aleación eutéctica: tiene los componentes en proporciones definidas y constantes, constituida por cristales mixtos heterogéneos.

Curvas de enfriamiento de Metales puros y Aleaciones: Considerando un metal puro a temperatura suficientemente elevada para que se encuentre en estado

liquido. Si se lo deja enfriar, y a intervalos de tiempos regulares se toma su temperatura, obtenemos una curva semejante a la representada en la Fig. 1. En la parte superior a P, el material se enfría en función del tiempo; durante el tiempo al tramo PF el metal permanece a temperatura constante, donde tiene lugar el proceso de solidificación; a partir del punto F el metal ya esta totalmente solidificado, continuara enfriándose.

Figura 1. Grafico de metal puro

4

Page 5: Ciencia de los Materiales - TP N2

Si consideramos ahora una aleación de dos metales y repetimos la operación, la curva de enfriamiento sería la siguiente, Fig. 2. Donde P representa el principio y F el fin. A temperatura superior a la aleación se encuentra al estado liquido, entre la temperaturas y se produce la solidificación y bajo la aleación ya solidificada. En algunos casos las aleaciones se comportan como los metales puros en su enfriamiento (como en Fig. 1).

Figura 2. Gráfico de aleación eutécticaLa combinación estas figuras se pueden representar en la siguiente figura, Fig. 3. Donde sobre el punto P

toda la aleación se encuentra al estado liquido, a partir de comienza la solidificación que termina en , pero alcanzada esta y durante cierto tiempo representado por el segmento FF´ la solidificación continua produciéndose a temperatura constante. Por lo tanto en este caso la solidificación comienza en P y termina en F. Bajo F´ se encuentra todo en estado sólido.

Grafico de aleación con enfriamiento mixto

Aleaciones Binarias al estado líquido y sólidoCuando las aleaciones de metales que forman una solución líquida, al enfriarse se solidifican, pueden

ocurrir dos casos: 1º Que este sólido este constituido por cristales homogéneos, en los cuales no se puede distinguir su

composición binaria.2º Que al solidificar la solución liquida ambos metales cristalicen separadamente.

Diagramas de equilibrio de las aleaciones QUE FORMAN SOLUCIÓN SÓLIDAAl tomar diversas concentraciones del metal B en A trazamos sus curvas de enfriamiento empezando por

la aleación de 0% de B, o sea, metal A puro, y terminando por la de 100% de B, metal B puro. Estas dos curvas por corresponder a la solidificación de metales puros, tendrán la forma que se indica en I y IV (Fig. 4) presentando a las temperaturas de solidificación se verifica a temperatura constante.

Si trazamos las curvas de aleaciones intermedias m% de B y n% de B

5

Page 6: Ciencia de los Materiales - TP N2

Figura 4Estas aleaciones solidifican a temperaturas decrecientes y su configuración será la que indican II y III.Si tomamos ahora en un sistema de coordenadas las temperaturas por ordenadas y las concentraciones

de A y B por abscisas, podremos marcar para cada concentración las temperaturas principio y fin de la solidificación, constituyendo el diagrama de solidificación del sistema (A, B), en el que la curva I nos dará el punto A del diagrama; la II los m1 y m2; la III los n1 y n2 y la IV el punto B.

Uniendo por una línea los puntos A m1 n1 B y por otra los A m2 n2 B tendremos la línea AMB del lìquidus y la AMB del sólidus.

Todas las aleaciones del sistema AB de cualquier concentración que se hallen por arriba de la línea AMB se encuentran al estado totalmente líquido y por debajo de la línea ANB se encuentran al estado totalmente sólido. Las temperaturas entre AMB y ANB corresponden a aleaciones parcialmente solidificadas y parcialmente liquidas.

Un punto cualquiera por encima de AMB corresponde por tanto a una concentración y temperatura en que la aleación correspondiente se halla en estado liquido, e igualmente por debajo de la ANB corresponderá a una aleación totalmente sólida. Un punto de la región entre AMB y ANB corresponde a una temperatura en que la aleación correspondiente tiene parte liquida y parte sólida.

Consideremos una aleación A B compuesta por X% de A una temperatura dentro del intervalo . Esta aleación a esa temperatura estará constituida por una parte sólida de composición definida ( X`S% de A) y una parte liquida de composición (XL % de A), si se varia la temperatura dentro siempre del intervalo de solidificaron subsisten ambos estados, pero variaran las composiciones de la parte liquida y de la sólida. Así, a las temperaturas

, etc. , las composiciones de la parte sólida serán X``L X```L , ETC. En una aleación para cada temperatura, dentro del periodo de solidificación, estarán definidas la composición del líquido y la del sólido. Este concepto esta representado gráficamente en la Fig. 5

6

Page 7: Ciencia de los Materiales - TP N2

Diagrama de equilibrio de las aleaciones que no forman solución sólida Pertenecen a este grupo las aleaciones que, formando solución líquida, ambos componentes se separan

durante la solidificación; es decir, que al estado sólido, la aleación estará constituida por cristales de ambos materiales. En una solución líquida de este tipo, constituida por los metales A y B, al comenzar la solidificación se formaran cristales de A o de B, según cual sea el metal que está en exceso, modificándose, por consiguiente la composición del líquido. En la figura 6, vemos como son las curvas de enfriamiento de las aleaciones pertenecientes a este grupo y como se genera el diagrama de equilibrio.

Figura 6Consideremos una aleación compuesta por X% de A, al estado fundido, siendo su punto representativo el

punto M. el enfriamiento de la aleación estará representado por la línea MX. Bajo la línea del líquido, a una temperatura ´, por ejemplo, parte de la aleación habrá solidificado y este sólido estará constituido por el 0% de A y, por consiguiente, 100% de B; serán por lo tanto cristales del metal B puro.

El líquido habrá variado su compasión enriqueciéndose en A. A la temperatura ´´ su composición será X´L. Si consideramos una aleación situada a la derecha del punto E, tal como la X´, observamos que, durante temperatura ´´ por ejemplo la parte sólida estará constituida por cristales de 100% de A mientras que el líquido habrá modificados su composición, siendo en este momento X´´. En ambos casos, durante la solidificación se deposita un metal puro, mientras el líquido modifica su composición corriéndose hacia el punto E, vale decir, tendiendo a la composición XE. En este punto por pertenecer a la composición del líquido a ambas ramas a la vez, solidifican simultáneamente los metales A y B, íntimamente mezclados. Esta composición particular, llamada eutéctica, no debe confundirse con una solución sólida; es una mezcla íntima de A y B, pero ambos metales no se encuentran en solución.

Si consideramos el caso de una aleación de composición eutéctica XE al estado fundido, cuyo punto representativo sea ME observamos que durante el enfriamiento y antes de alcanzar la temperatura E, no ocurre ningún fenómeno de solidificación. Al alcanzar la temperatura E corta simultáneamente a la línea, del líquido que indica el comienzo de la solidificación, y a la del sólido, que indica el fin de la solidificación indica el fin de la solidificación, por lo consiguiente, la aleación eutéctica solidificará a temperatura cte., E siendo su curva de enfriamiento semejante a la de la figura 2 Todas las otras aleaciones que no corresponden a la composición eutéctica comenzarán su solidificación a temperatura más alta y la terminarán a temperatura E y como la parte de líquido que alcanzó una misma composición eutéctica debe solidificar a temperatura constante, a curva de enfriamiento de este tipo de aleaciones será similar a la de la figura 3. En resumen, las aleaciones correspondientes a la derecha de XE estarán constituidas por cristales de A más eutéctico (figura 7) y correspondientes a la izquierda de XE por cristales de B más eutéctico (figura 8)

Figura 7 Figura 8

7

Page 8: Ciencia de los Materiales - TP N2

Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)Este diagrama constituye las aleaciones hierro-carbono, los aceros comunes o al carbono, aleación

extensamente utilizada en la industria como también en las construcciones civiles. Los aceros pueden contener otros elementos además del hierro y del carbono; algunos de ellos constituyen las impurezas que no han sido posibles eliminar; otros elementos pueden haber sido agregado ex profeso a fin de imprimirle a la aleación características especiales constituyendo así los aceros especiales.

Como se expreso anteriormente la aleación Fe-C representa características mecánicas más elevadas que el hierro puro, y así mientras este último presenta una resistencia a la tracción menor de 38 Kg/mm 2, la adición de pequeñas cantidades de carbono y con tratamientos especiales, puede alcanzar resistencias de 120 Kg/mm2 y aún más.

Curvas de enfriamiento del hierroSi partimos del hierro al estado fundido y trazamos su curva de enfriamiento, esta presentará la forma

que se puede apreciar en la Fig. 6. El hierro funde a los 1530ºC, de manera que sobre esa temperatura se encontraría al estado líquido y bajo ella al estado sólido. El paso del líquido se efectúa, como ya se ha visto, a temperatura constante, de suerte que la curva de enfriamiento presentara a esa temperatura un tramo horizontal que evidencia el fenómeno de solidificación. Como se aprecia el diagrama luego de solidificado, la curva de enfriamiento presenta tres puntos singulares que revelan cambios de estado dentro del hierro ya solidificado. Son estas transformaciones alotrópicas en que el hierro ya sólido cambia su forma de cristalización y alguna de sus propiedades.

En la Fig. 9 cada una de estas especies de hierro presentan diferentes propiedades; el hierro y cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y no forman solución sólida con el carbono; El hierro cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras y forma solución sólida con el carbono. De las especie del Fe no nos ocuparemos por no presentar interés, para el desarrollo ulterior de este tema. Es de hacer notar que las temperaturas de trasformación mencionadas son aproximadas, pudiendo existir diferencias de algunos grados con su valor exacto.

Diagrama de equilibrio meta estable de la aleación Hierro-Carbono. Partiendo de que la velocidad de enfriamiento es muy lenta, este diagrama corresponde a aleaciones

entre 0% y 6.67% de C, este tenor de 6.67% de C forma con el hierro un compuesto químico Fe3C denominado carburo de hierro. Los elementos que forman la aleación son hierro y Fe3C.

Las temperaturas correspondientes a la línea ACD indica que sobre esa línea todo se encuentra en estado líquido y yendo para abajo indica el comienzo de la solidificación mientras que la línea AECO indica el fin del estado liquido, o sea que debajo de esa línea ya todo es sólido.

Tenemos TRES aleaciones de distinto tenor para observar el proceso de solidificación:ALEACION I: (entre 0% y el 1.7% de C) aceros.

8

Fig. 9

Page 9: Ciencia de los Materiales - TP N2

Al cortar la línea de enfriamiento a la curva AC en el punto P, comenzaran a formarse cristales de solución sólida, Fe-Fe3C, a medida que baja la temperatura entre P y F se seguirán formando cristales de solución sólida, mientras que en el líquido restante aumenta su concentración en C.

Bajo las temperaturas correspondientes a la línea AE formaran una solución sólida de Fe-Fe3C, denominada AUSTENITA. El Fe3C recibe el nombre de CEMENTITA. Luego la austenita es una solución sólida de hierro-cementita.

Aleaciones que constituyen al acero (0% a 1,7%): analizando los fenómenos que ocurren durante el enfriamiento de dos aleaciones, desde el campo de la austenita (sobre la línea FSE) hasta una temperatura inferior a 700°. Considerando primeramente la aleación I´ comprendida entra 0 y el 0,86% de carbono, y luego la II´ comprendida entre 0,86 y 1,7% de carbono, ambos a temperatura superior a las correspondientes a la curva FES estarán constituidas por austenita, o sea solución sólida Fe-CFe3. Los fenómenos que ocurren, como también la forma del diagrama tiene similitud con las aleaciones que formando solución líquida, son totalmente insolubles a temperaturas más bajas; de manera que en ambos casos los procesos de enfriamiento son semejantes. Tomando la aleación I´, que a la temperatura indicada en el diagrama será de composición austenítica.

Al enfriarse, cuando llega a la temperatura P´ comienza la descomposición de la austenita, separándose el hierro. La austenita entonces aumentará en su contenido de carbono, a medida que disminuye la temperatura como lo indica la curva FS. En el caso de aleación I´´ al alcanzar la temperatura P´´, comienza la separación de la cementita, disminuyendo la cantidad de carbono de la austenita restante, a medida que baja la temperatura.

En ambas aleaciones, cuando la temperatura alcanza el valor de 700° (puntos F´ o F´´) la austenita estará compuesta por el 0,86% de C y en ese momento se descompondrá en sus dos componentes que permanecen íntimamente mezclados, formándose así una nueva especie metalográfica llamada “perlita” o eutectoide (de los aceros). En el caso particular de una aleación de 0,86% de carbono que estaría bajo los 700 ° constituidas únicamente por perlita, sin ferrita ni cementita libre. El proceso de formación de la perlita es semejante al de los eutécticos, pero como se refiere a la transformación de un estado sólido a otro estado sólido se le llama eutectoide.

ALEACION II: (entre 1.7% de C y 4.27% de C) fundiciones.Cuando la línea de su enfriamiento II corte a la curva AC en el punto PII, comenzara a depositarse solución

sólida de austenita y a medida que continúa el enfriamiento entre PII y FII continuara depositándose austenita, mientras que la parte líquida aumenta su concentración en carbono. Al alcanzar la temperatura correspondiente a FII (1127°) la aparte líquida tendrá un tenor de 4,27% y a esa temperatura solidificarán simultáneamente cristales de austenita y de cementita, formando un eutéctico que se le denomina LEDEBURITA. Por consiguiente bajo el punto FII la aleación estará constituida por cristales de AUSTENITA y LEDEBURITA. Como todas las aleaciones comprendidas entre el 1,7 y el 4, 27% sufren el mismo proceso, bajo la línea EC, se encontrarán todas las aleaciones constituidas por AUSTENITA + LEDEBURRITA.

ALEACION III: (entre 4,27% de C y 6,67% de C) fundiciones.Comenzarán su solidificación cuando la línea de su enfriamiento corte a la línea CD, comenzando a

solidificar la cementita. Entre las temperaturas correspondientes a PIII y FIII continuará solidificando la cementita, mientras la parte líquida se empobrece en su cantidad de carbono. Al alcanzar la temperatura correspondiente a FIII (1127°) y el líquido restante, tendrá un tenor de carbono igual a 4,27% y por consiguiente solidificará bajo la forma de “eutéctico”. Por lo tanto todas las aleaciones comprendidas entre 4,27 y 6,67% de carbono bajo la línea CO estarán constituidas por cementita y ledeburita.

9

Page 10: Ciencia de los Materiales - TP N2

Aspecto micrográfico de constituyentes en las aleaciones de hierro

CarbonoFERRITA

La ferrita es el hierro y se presenta en los aceros con menos de 0,86 % de carbono. El ataque de acido nítrico diluido solo marca el contorno de los granos, quedando la ferrita sin ataque.

1. PERLITA (eutectoide): Mezcla intima de ferrita y cementita. Si el acero solo contiene 0.86% de C, se compondrá solamente de

perlita que atacada al acido nítrico, esta se vuelve oscura, pero observando con suficiente aumento puede distinguirse su composición binaria (ferrita y cementita), debido a que el reactivo ataca y colorea la ferrita que se halla muy subdividida dejando sin ataque a la cementita.

Con menos de 0.86% de C la perlita aparecerá con la ferrita. Cuanto mayor sea la proporción de C que contenga el acero mayor será su cantidad de perlita y por consiguiente su aspecto puede variar.

2. CEMENTITA (Fe3C): Más de 0.86% de C. Al aumentar la cantidad de C, mayor será la proporción de la cementita con

relación a la perlita. No es atacada y puede dar lugar a confusiones. Para distinguirla se ataca la probeta con picrato sódico en caliente que lo colorea de negro, dejando brillante la perlita.

CEMENTITA GLOBULAR: Cuando se presenta bajo forma de pequeñas gotitas blancas brillantes3. AUSTENITA (Fe + Fe3C):

Solución sólida de Fe γ y Fe3C. Para que a temperatura ambiente un acero presente estructura austenítica es necesario calentarlo sobre su punto de transformación y enfriarlo rápidamente en un baño de líquido refrigerante, de esta manera no se efectúa el desdoblamiento.

4. MARTESITA: Su aspecto varía según la temperatura que haya alcanzado y según la velocidad de enfriamiento, pero

en general se presenta bajo el aspecto de pequeñas agujas dispuestas en ángulos agudos.

10

Page 11: Ciencia de los Materiales - TP N2

Dureza relativaTomando como unidad la dureza de la ferrita pura:FERRITA: 1PERLITA: 4.3AUSTENITA: 104 MARTENSITA: 239CEMENTITA: 272

A. En los aceros entre 0 y 0.86% de C, a medida que aumenta la cantidad de C aumenta la perlita y disminuye la ferrita. En los aceros de más de 0.86% de C aumenta la cementita a expensas de la perlita. Cuanto mayor sea la cantidad de C, los aceros serán más duros y resistentes.

La relación entre el TENOR DEL C, RESISTENCIA A LA TRACCION Δr y ALARGAMIENTO ε% serán dados por:TIPOS DE ACERO C% Δr Kg/mm2 ε%

ACEROS EXTRA DULCE 0.15 38 27DULCE 0.15 a 0.25 44 24

SEMI-DULCE 0.25 a 0.40 50 20

SEMI-DURO 0.40 a 0.60 60 16

DUROS Mas de 0.60 70 10

B. Para un mismo tenor de C los aceros con estructura martencítica presentan mayor dureza que con estructura perlitica. Este es el fundamento de los tratamientos térmicos.

AfinoProceso mediante el cual se eliminan las impurezas que perjudican al empleo industrial de los metales o

las reducen a su forma menos nociva. Todo proceso por el cual se puede obtener acero con las “mejores” propiedades físicas y mecánicas.

Para la ingeniería sólo ciertos aceros son empleados, y otros que no; ya que no poseen las características necesarias para una aplicación primordial dentro de la industria.

Sistemas a emplear para el proceso de afinoExisten los convertidores de afino (Aparato ideado por el ingeniero inglés Bessemer, para convertir la

fundición de hierro en acero), y los hornos de afino.

Convertidores: (Imágenes al final de la sección)

Bessemer: se aplica cuando el arrabio es rico de Si (Si > 2%) y pobre de fósforo (P<0.08%).El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades, que empleaba un horno de gran altura

en forma de pera, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba. Hay 3 posiciones de trabajo: 1) se produce el inicio de la etapa de proceso de afino (carga de materia prima). 2) proceso muy violento de oxidación, en esta etapa es muy visible el desprendimiento de energía que se produce; pivotea y 3) proceso de descarga (del acero ya terminado).

Thomas: se aplica cuando el arrabio contiene poco silicio y mucho fósforo hasta 2,4 %.Procedimiento por el que se elimina C e impurezas oxidándolas con el oxigeno del aire. Se llama básico, ya

que elimina el P y el Si utilizando por tanto escoria básica.Dado que su misión es eliminar el P y Si, generalmente se carga con el material obteniendo en el

procedimiento Bessemer. El material debe tener muy poco contenido de Si ya que estropearía el recubrimiento básico.

Una vez terminado del proceso, no se vuelca inmediatamente, sino que se toma una muestra de la colada y se analiza la composición química en frió mediante un tubo colocando la hora, el jefe de proceso, y añadiendo

11

Page 12: Ciencia de los Materiales - TP N2

elementos de trazabilidad y se coloca la muestra en un canal de comunicación tipo canal de aire que viaja a los laboratorios. Esta muestra es analizada en aproximadamente 5 minutos hasta la milésima parte en cuanto a composición de impurezas. Luego de esto, y analizada la muestra, se da permiso o no mediante un circuito cerrado para el volcado. El segundo objetivo es permitir la perdida de efervescencia del acero por la cantidad de oxigeno o aire atrapado escape. Para terminar de extraer por completo las burbujas de aire, se le agrega por la boca del horno, polvo ferro aluminio que posibilita la eliminación de oxido atrapado en el acero. Estos aceros se denominan aceros calmados al aluminio o calmados simplemente. Al ser altamente oxidable por capturar el oxigeno, es posible filtrar una pequeña capa de escoria flotante en la parte superior de la colada.

Si por necesidad, es necesario seguir bajando el porcentaje de carbono, se vuelve el convertidor a la posición 2, y se vuelve a insuflar aire por las toberas para generar el proceso nuevamente.

Hornos:Horno eléctrico: (figura 10) en algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la

electricidad y no de la combustión de gas. Los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxigeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumente la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxigeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas. En la mayoría de los casos, la carga esta formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado. Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que junto con el producido por el acero eléctrico funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor. Al ser trifásico funciona con tres barras (electrodos) de grafito.

Figura 10Horno de Crisol Abierto: funciona altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del

combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras

12

Page 13: Ciencia de los Materiales - TP N2

y son calentados por los ladrillos. Con este método los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1650°C.

El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero o mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000kg de chatarra de acero, 11.000kg de arrabio frío, 45.000kg de arrabio fundido, 12.000kg de caliza, 1.000kg de mineral de hierro y 200kg de fluorita. Una vez encendido el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor.

Desde el punto de vista químico, la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como Si, P, Mn y S, que se combinan con la caliza y forman escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a temperaturas de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650°C durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran chatarra situada a ras del suelo, por debajo del horno. Desde la chatarra se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50cm de lado, y una longitud de 1,5m. Estos lingotes (la materia prima para todas las formas de fabricación del acero) pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma más continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes.

Martín Siemens: es un proceso económico, estos hornos pertenecen al tipo de hornos de solera abierta y se caracterizan por tener un sistema recuperador de calor (los gases que se están combinando, oxígeno y carbono, forman monóxido y dióxido) que permite que el aire y los gases empleados por la combustión sean precalentados.

1) Se transforma el arrabio en acero por dilución añadiendo al arrabio líquido productos menos carburados para que disminuya el contenido de carbono del conjunto. La adición es de chatarra de acero. Este proceso se denomina arrabio y chatarra (pero no cualquier chatarra).

2) se produce una oxidación del “C” añadiendo arrabio líquido, óxidos de hierro. La mayor parte del oxígeno necesario para la descarburación procese del mineral y el resto de la atmósfera del horno. El acero obtenido es de buena calidad porqué es posible el dosaje exacto de los componentes.

13

Page 14: Ciencia de los Materiales - TP N2

Cuadro que muestra características constructivas y funcionamiento.

Horno o convertidor Funcionamiento Características Constructivas

BESSEMER

El horno se carga por la boca con arrabio líquido y el aire que atraviesa la masa metálica produce la refinación por oxidación de esta. No se necesita combustible porque el calor necesario para mantener la masa metálica en estado líquido es proporcionado por las reacciones químicas que se producen. Se oxidan el Fe, el Si y el Mn con formación de escorias que flotan; a continuación se quema el C que se manifiesta con la salida de intensas llamas por la boca del convertidor. Cuando las llamas se apagan la descarburación ha reducido el carbono a 0.03%

Gran recipiente acorazado exteriormente con acero (chapa de 20 a 25mm) y revestido Interiormente con ladrillos refractarios (40 a 50cm). El fondo está constituido por una gruesa. Placa refractaria con 100 a 200 agujeros o toberas de 10mm de diámetro; por debajo de esta placa se encuentra la caja de viento unida a una tubería que pasa por uno de los muñones huecos y por la que llega aire a presión. El convertidor báscula alrededor de un eje horizontal para la carga y la colada: uno de los muñones de apoyo es macizo y lleva un piñón que engrana con una cremallera accionada hidráulicamente

THOMAS

Por la acción fuertemente oxidante del soplado se elimina primero el carbono y después se oxida fósforo, que actúa de importante elemento termógeno. La cal necesaria se añade con la carga; se funde durante el soplado y se combina con el P oxidado, formándose la escoria Thomas, utilizada como fertilizante. Se controla como el Bessemer por el aspecto de la llama.

El convertidor tiene forma de pera con apertura superior, un diámetro medio de 1,5m y una altura aproximada de 30m interiormente tiene una capa de material refractario básico de 70 a 30cm de espesor. Está soportado por unos muñones laterales que le permiten bascular para la carga y la descarga y en el fondo tiene unas toberas para insuflar el aire. El tiempo necesario del soplado es sólo de 15min, por lo que el éxito del proceso depende de la pericia del operario. Tan corto tiempo no permite efectuar control por análisis de muestra.

LINZ DϋSENVERFAHREN

Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza el arrabio es convertido en acero en un BOF, el oxígeno reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de bióxido o monóxido de carbono. La caliza sirve para eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.

Olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo básico, óxido de magnesio. Se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en chumaceras que le permiten girar.

HORNO ELÉCTRICOSe producen dos arcos entre el primer electrodo y el baño metálico y el otro entre el mismo baño y el segundo electrodo

Horno a solera conductora, alimentando a corriente monofásica y con 2 electrodos de grafito. La capacidad es de 15 a 35 toneladas durando la operación de 3 a 6hs.

SIEMENS MARTÍN

Produce acero mezclando a la fundición rezagos de Fe dulce, así el C de la primera fundición, difundiéndose en la masa líquida disminuye su porcentaje en relación a la cantidad de los dos metales mezclados. También permite cargar el horno de fundición bruta, licuarla y quemar el Si y C con más minerales de Fe.

Horno de reverbero, cuya solera se calienta exteriormente, pudiéndose cargar arrabio de cualquier composición.

14

Page 15: Ciencia de los Materiales - TP N2

HORNO CRISOL ABIERTO

Se calienta el acero en un crisol, hecho con arcilla y coque. Al fundirse, la escoria flota sobre el acero. Se insufla oxígeno provocando un borboteo que activa las reacciones. Al sacar el crisol del horno, se quita la escoria y se vierte el acero en lingotes.

El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6x10m, con un techo de 2,5m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio ocupado debajo del crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno.

Kaldo

La presión de entrada del oxígeno puede ser menor y se homogeniza la temperatura en toda la masa. Tiene mayor contacto entre la escoria y el baño, lo que activa las reacciones. Además, admite mayor porcentaje de chatarra.

Es análogo al LD pero está inclinado respecto a la horizontal y presente un movimiento rotando.

Ventajas y desventaja

15

Page 16: Ciencia de los Materiales - TP N2

Imágenes de convertidor

Grados de calidad proveniente de los procesos.Bessemer: El proceso de refinación por convertidor es muy económico y permite operaciones muy

rápidas. La calidad del acero no es suficiente para muchas aplicaciones debido principalmente a que la rapidez del proceso no permite controlarlo correctamente no pudiéndose mantener mucho tiempo el material líquido por el peligro de su enfriamiento.

Las características mecánicas obtenidas con acero de convertidor son, a igualdad de composición, inferiores a los correspondientes aceros obtenidos por los procedimientos (elevado contenido de oxígeno y nitrógeno). Otro inconveniente lo constituye el tener que emplear solamente arrabio de composiciones definidas. La fase sin llamas se efectúa dentro de unos 10min, y recién al término de la operación aparecen chispas rojizas que salen de la boca del convertidor.

Thomas: Permite tratar, hasta 500 toneladas de material, de las cuales aproximadamente la mitad pueden ser chatarra. El proceso es lento; se tardan 5hs encargar e horno, 4 en fundir y formar la escoria y 3 en afinar, acabar y descargar. Es, por tanto, mas caro; pero da más calidad, por mejor control.

LD: Una de las grandes ventajas que desde un principio se observo en los convertidores de oxígeno básico fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de chatarra junto con la carga de arrabio líquido.

La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra. Algunos éxitos en esta dirección se han obtenido al adicionar oxígeno que entra por la lanza combustóleo y carburos de silicio y calcio.

Horno Eléctrico: Generalmente no se emplean para el afino de la fundición ya que tienen un elevado costo. Se emplean para ajustar la composición de aceros obtenidos por cualquier otro método de afino. Fundamentalmente, eliminan P y S. el horno eléctrico presenta las ventajas que el acero no se contamina no por el aire ni por el combustible además puede calentarse rápidamente alcanzando altas temperaturas fácilmente regulables cuando se necesite.

Horno a Crisol Abierto: Por el bajo rendimiento térmico de los hornos de crisoles y por el gran consumo de crisoles el costo del producto resulta elevado y por esa rezón este método se limita solamente a la fabricación de aceros especiales. Sin requerir la presencia de oxígeno en su atmósfera, el horno eléctrico ocupa una posición privilegiada para la fabricación de una amplia gama de calidades de aceros finos aleados, con elevados contenidos de elementos de aleación oxidables, tales como el carbono, vanidio y wolframio. El horno de 3 electrodos ha alcanzado gran auge y perfeccionamiento, no sólo por la alta calidad del acero que se obtiene, sino también en muchos casos por ser competitivos con el proceso de afino por solera para cualquier calidad de acero; parece que continúa aumentando su importancia, incluso para la producción de grandes tonelajes.

16

Page 17: Ciencia de los Materiales - TP N2

Siemens Martín: Sus ventajas que posee son de poder ensayar la calidad de acero producida, pudiéndose modificar su composición, y también poder utilizar los desperdicios de hierro y las virutas de las maquinas. Siendo el de mayor calidad el obtenido en Martín-Siemens.

Kaldo: Procedimiento más económico, aunque son más lentos y su tamaño dificulta el estado del afino.

Tipos de aceros

Figura 11Existen en principio tres tipos de aceros distintos en función del contenido de oxígeno: efervescentes,

semicalmados y calmados. (Figura 11)

Aceros EfervescentesSon aceros (en general C < 0,15 %) en cuya solidificación existe una fuerte efervescencia y un gran

desprendimiento de chispas y gases. No se les adiciona Si como desoxidante, efectuándose sólo una desoxidación incompleta por agregado de Mn; a veces también una pequeña cantidad de Al.

El lingote no presenta rechupe (Fig.19) porque la contracción del acero es compensada por las sopladuras del interior, que suelen contener CO. Se cuida que no estén cercanas a la superficie, se requiere un espesor de 10 a 25 mm sin porosidades, para evitar la penetración de oxígeno atmosférico a través de pequeñas fisuras que podrían oxidar las paredes de las cavidades e impedir su soldadura en el posterior trabajado mecánico (laminación o forja). Estos aceros se emplean para fabricar chapa para embutido profundo por que poseen buena calidad superficial Además son los de menor costo de fabricación. Actualmente, debido al empleo difundido de la colada continua, estos aceros han dejado de tener un uso masivo, esto es por el hecho que no se pueden colar en colada continua por los problemas que generan las sopladuras.

La segregación en los aceros efervescentes es también importante, especialmente el C cuyo contenido es muy bajo en la piel o capa superficial y también en la cabeza (donde también se encuentra la mayor parte de las impurezas). Los lingotes presentan una fuerte segregación central de S, que es reconocible rápidamente mediante un ensayo Baumann (impresión sobre papel fotográfico de una sección pulida y atacada con ácido sulfúrico al 5 % durante 10 minutos).

Aceros CalmadosSon aceros que al solidificarse no desprenden gases, una enérgica desoxidación impide la formación de

CO. Todos los aceros de alta calidad se fabrican calmados. Al final del proceso son desoxidados casi completamente con Si y Al agregados al baño metálico en la cuchara; así se impide la efervescencia y la aparición de porosidad. La composición de los aceros calmados no es uniforme en todas las zonas del lingote: las segregaciones son el resultado de una solidificación diferencial característica de todas las soluciones.

17

Page 18: Ciencia de los Materiales - TP N2

Figura 12Las zonas de segregación positiva tienen composiciones superiores a las medias respecto del elemento

analizado, mientras que las de segregación negativa son inferiores (Figura 12). Para compensar el gran rechupe que se produce en estos aceros, en la parte superior de la lingotera poseen una cabeza denominada “mazarota” (Figura 13), donde se produce el rechupe; esa parte es de baja calidad, por la gran segregación de impurezas; luego es cortada y usada como chatarra. La masa del lingote de acero queda sin sopladuras y con menos P y S que la mazarota.

Colado del AceroCOLADO EN LINGOTERASCuando el acero ha sido colado en la lingotera, que puede tener distintas características (Figura 13),

comienza a solidificar; primero lo hace el material periférico en contacto con las paredes frías y luego el fenómeno progresa paralelamente a ellas, hacia el interior: Gradualmente, el liquido va solidificando hacia la región central y se produce por contracción una cavidad denominada rechupe, en la parte superior del lingote.

Figura 13

Durante el enfriamiento, el acero se contrae continuamente (8 % de contracción volumétrica) y se distinguen:

1) contracción por cambio de estado líquido-sólido (aproximadamente 6 %), 2) contracción en estado sólido (aproximadamente 2%).

La inclinación lateral de la lingotera limita la altura del rechupe; la geometría del lingote tiende a evitar rechupes secundarios, segregaciones importantes, debilidades en el pie o cabeza y otros defectos. El corte transversal o longitudinal de un lingote de acero, pulido y atacado con ácido nítrico al 5 %, muestra la variación de la estructura cristalina resultante de la solidificación, que es de importancia para las posteriores operaciones metalúrgicas (forja y laminación), como también en las propiedades mecánicas de las piezas terminadas.

18

Page 19: Ciencia de los Materiales - TP N2

Pasos para preparar probetas metalográficas. (Observación de micro constituyentes)

1) Extracción de la MUESTRA: tiene que ver en el inicio con todo el proceso que viene a continuación. Hay que saber elegir el lugar de donde se va a extraer la muestra. Esta muestra tiene que ser significativa y tiene que responder a lo que yo necesito. No se toma el borde de la muestra ni el centro sino que se elige una zona media, con el tamaño de una moneda.

2) Corte: sin deformación plástica (impacto); sin elevación de temperatura (calentamiento); lo correcto sería una máquina de corte con disco de espesor aproximadamente de 1,5mm y “refrigerado” con solución especial (hay de distintos tipos), con 3000-3500rpm

Empastillado: a través de polvo de Baquelita y máquina a presión (esta es la forma activa). Consiste en un molde de acero apoyado sobre una base, el molde se rellenaba con el polvillo de la baquelita y se lo compactaba hasta arriba, se le colocaba un punzón arriba para comprimir la baquelita de arriba y la que estaba en el molde. A demás había una resistencia que calentaba el molde a 250°C. después de 5 min. Se sacaba y quedaba una pieza consolidada.

Otra forma era con las resinas de epoxi, hay 2 tipos la T.F. que se denominan termo fijas y las T.E. que se denominan termo endurentes que (tienen la resina propiamente dichas, tienen catalizador y acelerador)

3) Desbaste: 1° etapa: con una cinta de tela esmeril continua tipo carpintero. Se quiere lograr usar una tele de características de tela gruesa para desbaste o una tela 180

4) Pulido Grueso: Se realiza con tela esmeril (es como el papel de lija). Con una tela de esmeril gruesa vamos a realizar el pulido y se van a marcar unas rayas a 90° de las hechas en la rectificadora. Tiene una secuencia 220-320-400-600, estas se realizan en seco y a manoPulido fino o especular: se usa un disco de pulido que tiene un paño. Es un pulido de espejo. Alúmina o

abrasino: blanca (materiales blando), celeste (materiales celeste), rosado (materiales duros). Observación sin ataque para ver”inclusiones”: las inclusiones son impurezas como azufre bajo la

forma de sulfuro, silicio formando silicatos, y el oxigeno atrapado formando óxidos que son oclusiones gaseosas GRAFICOS DE CIRCULOS.

5) Ataque: se realiza mediante un ataque químico con ácido nítrico al 1; 1,5; 2; 3 o 4 %. Tiene una duración que puede ser desde un par de segundos o hasta un par de minutos dependiendo de la concentración del reactivo o de lo que quiera visualizar. Se utiliza “nitral” y “freno” que puede ser alcohol para frenar el ataque y nos fijamos si se ve la perlita y se ven cada una de las micro estructuras. Luego se recubre la muestra con aceite para que no se pueda oxidar.

6) Observación / informe: se hace un informe con el día y la clasificación de probetas.

InclusionesAdemás del hierro, el carbono y algunos elementos agregados al acero para mejorar determinadas

propiedades (aleantes), aparecen otros elementos provenientes del mineral original o bien incorporado en el proceso de fabricación (residuales): P, S, Si, Mn, O, H, N, etc.; en particular cuando poseen efectos nocivos se los denomina impurezas (p.e.: P, S). Las partículas aisladas (incoherentes) de los distintos compuestos (aluminatos, sulfuros, silicatos, óxidos, etc.) se denominan “inclusiones”. Pueden clasificarse por su origen:

1) Endógenas: (naturales) formadas por reacciones químicas producidas durante la elaboración o solidificación, a partir de elementos provenientes del mineral o agregados intencionalmente (aleantes) (Figura 14);

2) Exógenas: (accidentales) arrastre de escoria y de refractarios, desprendimiento de material del lingote, etc.; sus dimensiones en general son mayores que las endógenas (Figura 15).

19

Page 20: Ciencia de los Materiales - TP N2

Figuras 14 y 15

Figura 14: Inclusiones endógenas, oxigeno globular (FeO) en acero colado (x250)Figura 15: inclusión exógeno, probablemente refractario, en acero laminado en caliente (x5)

En general provocan una reducción de la ductilidad, tenacidad y límite de fatiga porque constituyen discontinuidades duras y frágiles en la matriz del acero. Estos efectos dependen de la cantidad, forma y distribución, dando lugar a una tipificación amplia y compleja. Son menos perjudiciales en poca cantidad, con una dispersión homogénea.

La cantidad, morfología y distribución de las inclusiones están regidas por:A. fabricación: materias primas, tipo de proceso, combustibles, etc.; para aceros de alta calidad, se

aplican procedimientos para disminuir la formación de inclusiones;B. solidificación: condiciones de enfriamiento, tiempo de solidificación, dimensiones del lingote o

pieza, etc.; las inclusiones actúan como centros de nucleación en la solidificación del acero;C. trabajado mecánico: (deformación plástica en caliente o frío); algunas partículas pueden

deformarse e incluso fragmentarse, resultando diferentes comportamientos metalúrgicos. La clasificación usual, a partir de observaciones metalográficas, es la propuesta por la Asociación de Siderurgistas Suecos (Jernkontoret), que es adoptada posteriormente por la norma ASTM con muy pocas variantes. Las inclusiones están tipificadas en 4 grupos principales (A: sulfuros; B: alúmina; C: silicatos; D: óxidos globulares), divididos en 2 series (fina y gruesa) y con distintos niveles (1 a 5 ó 6) y la evaluación se realiza mediante una comparación contra láminas con dibujos tipo a un aumento determinado (fig. 18).

20

Page 21: Ciencia de los Materiales - TP N2

Figura 18: Tabla empleada para la determinación micrográfica de inclusiones no metálicas en los aceros.Originalmente adoptada por la Asociación de Siderúrgicos Suecos (Jemkontoret) de Estocolmo, está

actualmente adoptada en todo el mundo con muy pocas o ninguna variante.

FósforoEs una de las impurezas más nocivas, proviene del mineral, provoca fragilidad en frío disminución de la

resiliencia). Además, el fósforo forma solución sólida con la ferrita; la solubilidad supera el 2 % hacia 1050 °C (temperatura de fusión del eutéctico hierro-fosfuro de hierro).

En la solidificación del acero hay una segregación menor (interdendrítica) rica en fósforo, alojada como una fina capa en borde de grano, esto reduce la cohesión intercristalina al fundirse el eutéctico. Su presencia no se observa al microscopio cuando el contenido es menor al 0,1 %, pero se la detecta indirectamente por la estructura en bandas (ghost-lines) (Figura 19).

El P y el S mejoran la maquinabilidad y se los agrega en algunos aceros, aunque disminuyen otras propiedades (como la resistencia a la corrosión).

21

Page 22: Ciencia de los Materiales - TP N2

Figura 19: Bandeado producido en chapa de aceropor la presencia de fósforo segregado (x200)

AzufreEl azufre se combina con Mn y Fe formando sulfuros con eutécticos alrededor de 1600 °C y 1000 °C; son

parcialmente solubles entre sí y forman un sulfuro complejo de temperatura de fusión intermedia. El azufre tiene mayor afinidad por el Mn; el sulfuro respectivo se aloja dentro del grano de ferrita y es

relativamente dúctil a las temperaturas de trabajado en cliente, pudiendo ser deformado (Figura 20). En cambio, el sulfuro de hierro tiene punto de fusión más bajo y se ubica entre los granos, lo cual provoca fragilidad en caliente (red shortness) a las temperaturas de laminación o forja.

El azufre es difícil de eliminar del acero, pero su efecto nocivo se reduce con agregado de Mn (cuyo contenido es hasta 10 veces superior). Las inclusiones de MnS aparecen como glóbulos o polígonos; la segregación macroscópica de azufre se observa por la impresión del ensayo Baumann.

Figura 20: Inclusiones de MnS en un acero de corte libre laminado en caliente (x250)

MagnesioEl manganeso se disuelve en la ferrita. En aceros al C el contenido varía entre 0,25 al 1 %, se lo agrega

como desulfurante (forma SMn) y eventualmente como desoxidante. Aumenta la templabilidad, la resistencia mecánica, pero disminuye un poco la ductilidad. Los aceros al Mn muestran tendencia a fisuras por temple y también fragilidad de revenido (caída de la resiliencia por enfriamiento lento en el rango 450-550 °C).

SilicioEl silicio forma solución sólida con la ferrita, por lo tanto no se detecta al microscopio y debe realizarse

análisis químico. Se lo agrega como desoxidante. Al impurificar la ferrita, modifica sus propiedades: mayor resistencia y fragilidad, pero más dureza y menor tenacidad. El silicio reacciona con el O y forma sílice (SiO2); estas inclusiones son de tipo globular y aspecto etálico, muy duras e indeformables por trabajado mecánico, también forma silicatos vítreos altamente deformables (Figura 21). A veces están asociadas con óxidos y sulfuros.

22

Page 23: Ciencia de los Materiales - TP N2

AluminioLa acción desoxidante del aluminio es más enérgica que el Mn y el Si; los aceros desoxidados con aluminio

son de grano fino. Las partículas de alúmina (Al2O3) son pequeñas, duras y frágiles; se observan al microscopio como puntos negros (Figura 22). La alúmina dificulta el mecanizado y resulta muy abrasiva para el trabajado en frío, especialmente laminación y trefilado. El aluminio en exceso se combina con el nitrógeno formando partículas muy pequeñas de nitruro de aluminio, que son las responsables de controlar el tamaño de grano.

Figura 21 y 22

Figura 21: Inclusiones de silicatos deformadas por laminación (x750)Figura 22: Inclusiones de alumina en acero colado (x1000)

Los efectos nocivos (perjudiciales) de las inclusiones aparecen en:a) deformación en caliente: los sulfuros de hierro y ciertos eutécticos de bajo punto de fusión, provocan

fragilidad en caliente, el MnS es plástico en caliente; la alúmina (Al2O3) y la sílice (SiO2) casi no se deforman y son abrasivos;

b) deformación en frío: los fosfuros provocan fragilidad en frío;c) propiedades mecánicas: reducción de resistencia estática y dinámica; inicio de fisuras en cargas cíclicas

(fatiga) o de impacto (choque);d) maquinabilidad: las inclusiones indeformables (óxidos) poseen un efecto abrasivo sobre las

herramientas y causan una peor terminación superficial (rugosidad);e) resistencia a la corrosión: formación de pares en presencia de un electrolito (líquido), así se favorece el

ataque localizado;f) tratamientos térmicos: retardo en crecimiento del grano, especialmente por partículas pequeñas (esta

consecuencia es favorable).

23

Page 24: Ciencia de los Materiales - TP N2

CONCLUSIÓNDebido al grado de importancia que tiene el hierro en el desarrollo de la tecnología y como uno de los

elementos principales de las necesidades humanas, un estudio meticuloso de sus características es relevante a la hora de su manufacturación.

Las características del hierro ya sea como simple elemento en su máximo nivel de pureza, o combinado con otros elementos químicos, son de gran utilidad en todos los rincones del desarrollo humano. Desde el comienzo y el estudio de sus propiedades físicas y mecánicas, hasta el estudio de su comportamiento como parte de aleaciones, fue el objetivo central de esta investigación.

Las mejoras a implementar en el proceso para encontrar el hierro adecuado a la tarea, son muchas. El método a utilizar puede variar según las características buscadas. Por eso se describieron varios tipos de herramientas y posibilidades tanto micro como microscópicas a utilizar y encontrar al momento de buscar ese hierro. Todas estas herramientas y posibilidades nos dirán con mas exactitud, no solo el hierro que hemos fabricado, sino podrán ayudar al desarrollo de nuevas técnicas e información pertinente al manejo del hierro. La correcta utilización de este fenómeno, posibilita la maximización de este mineral y sus propiedades tecnológicas.

24

Page 25: Ciencia de los Materiales - TP N2

ANEXO – Informe de Laboratorio

Pulido de probetas y contrastación

Introducción:En el laboratorio realizado observamos los distintos procesos para la obtención de probetas y las

características de cada uno, las herramientas utilizadas y el procedimiento de uso y trabajo correcto.La metalografía es, esencialmente, el estudio de las características estructurales o de constitución de un

metal o una aleación para relacionar ésta con las propiedades físicas y mecánicas. La preparación de la probeta consiste, en general, en obtener primero una superficie plana y semipulida, mediante el empleo de telas de esmeril de finura de grano creciente o realizando este desbaste con discos adecuados sobre los que se deposita un abrasivo, terminando con un pulido fino y final sobre discos provistos de paños. El final de la operación es la obtención de una superficie especular que es la requerida para, después, efectuar el ataque y observar adecuadamente la estructura.

Obtención de la probeta:La elección de la muestra que ha de ser examinada al microscopio es de gran importancia, ya que ha de

lograrse una probeta representativa del material a examinar; por desgracia, no se le suele dar toda la importancia que merece. Las probetas seleccionadas deben ser características del metal estudiado y servir para el fin a que se dirige tal estudio; por ejemplo, si se ha roto durante el servicio una pieza y el objeto del estudio metalográfico es determinar las causas de la rotura, la probeta debe seleccionarse y obtenerse de aquella región particular de la fractura que pueda dar el máximo de información.

Las probetas de materiales duros, que no se pueden serrar con facilidad, tales como aceros templados y las aleaciones no férreas endurecidas por envejecimiento, se pueden cortar con seguridad empleando discos abrasivos. Tales disco son generalmente delgados y son un conglomerado de un abrasivo adecuado, tal como esmeril, carborundo o polvo de diamante. El enfriamiento se logra manteniendo la probeta totalmente sumergida en agua u otros líquidos refrigerantes, o proyectando sobre ella una corriente ininterrumpida del líquido de refrigeración y precisamente en la región que se corta.

Desbaste a mano

Desbaste groseroLa superficie que haya de observarse se debe de hacer primero plana mediante un desbaste grosero.

Cuando el área es grande, se puede terminar en un tiempo muy corto si se le gira ligeramente mientras se desbasta.

Ni durante el desbaste grosero, ni durante los posteriores, intermedio y final, se debe aplicar la probeta contra el medio abrasivo con presión demasiado grande. La presión excesiva no sólo produce rayas muy profundas, difíciles de eliminar después, sino que también distorsiona intensamente el metal de la superficie de la probeta.

La distorsión del metal superficial no se puede evitar enteramente, pero se puede aminorar mucho mediante técnicas adecuadas de desbaste y pulido; la presión de contacto en las operaciones citadas debe mantenerse baja, y en todo caso, el metal distorsionado se elimina mediante varios ciclos de pulido y ataque. Biselando los bordes d la probeta durante el desgaste grosero se evitan roturas y desgarrones de papeles y paños en las operaciones posteriores.

Cuando la superficie es completamente plana y se han eliminado sus irregularidades, se da por terminado el desbaste grosero.

25

Page 26: Ciencia de los Materiales - TP N2

Desbaste intermedioEl papel de esmeril se coloca sobre una placa o sobre cualquier superficie bien plana y limpia. La probeta

se mueve longitudinalmente de un lado a otro del papel comprimiéndola con una presión suave; la dirección del movimiento se mantiene constante, para que todas las rayas producidas sean paralelas. El final de la operación sobre un papel esta determinado por la desaparición de las rayas producidas por el desbaste grosero o el papel anterior, y para poder reconocerlo fácilmente se opera en forma que las nuevas rayas sean perpendiculares a las anteriores; así es mas fácil ver cuándo estas nuevas rayas sustituyen totalmente a las anteriores más gruesas.

Para desbastar muchas probetas de aleaciones tratadas térmicamente, y en particular muchos de los metales blandos, es conveniente impregnar los papeles de esmeril con un lubricante adecuado. Para este fin se han puesto muchos líquidos, tales como aceites, gasolina, soluciones de parafina en queroseno, jabones líquidos, glicerina, y mezclas de glicerina y agua. Estos lubricantes disminuyen la fluencia superficial de los metales blandos y evitan la modificación estructural superficial de las tratadas térmicamente, al actuar como refrigerantes, mejorándose los resultados que se obtendrían desbastando en seco.

Desbaste finalEl desbaste final o fino se realiza de la misma forma que el desbaste intermedio, pasando del papel de

esmeril empleado al número 00; en general se utilizan dos papeles, que son el número 00 y el 000.Cada vez que se cambia de papel se opera en la forma descrita anteriormente, a fin de obtener rayas

nuevas perpendiculares a las anteriores. Cuando la observación visual demuestra que sólo existen las rayas producidas por el último papel empleado y se han eliminado totalmente las anteriores, la probeta esta en condiciones de ser pulida.

PulidoEl pulido de una probeta metalográfica tiene por objeto eliminar de su superficie las rayas finas

producidas en la última operación de desbaste y conseguir una superficie sin rayas y con alto pulimiento.

Abrasivos para el pulido metalograficoFísicamente, un abrasivo metalográfico ideal debe de poseer una dureza relativamente alta; la forma

externa de las partículas debe ser tal que presenten numerosas y agudas aristas y vértices cortantes; las partículas, si se rompen durante su uso, deben hacerlo en forma de que se produzcan nuevas aristas y vértices cortantes; por ultimo, la naturaleza del abrasivo debe de ser adecuada para permitir una buena clasificación de las partículas por tamaños mediante levigación, después de que se haya realizado una buena pulverización.

Montaje de probetas pequeñasCuando las probetas metalográficas son pequeñas o de una forma que no permite un manejo fácil en las

operaciones de desbaste y pulido, como ocurre, por ejemplo con virutas, alambres, varillas y tubos pequeños, chapas, secciones delgadas, etc. Es necesario montarlas en un material adecuado para hacer posible la preparación.

Resinas termoplásticas. Las resinas de este tipo, tales como el poliestireno, compuestos de metacrilato de metilo (lucite) y materiales a base de celulosa, tienen la propiedad de ser claras y transparentes como el cristal si se las moldea correctamente.

Las resinas termoplásticas no endurecen durante el moldeo, si no que, por el contrario, se reblandecen y fluyen cada vez que se les aplica una combinación adecuada de temperatura y presión. El montaje se realiza satisfactoriamente moldeando a una presión de 2500 a 3500 libras por pulgada cuadrada y a temperaturas de 140 a 165 °C.

Para el ataque del metal o aleación sea perfecto y muestre claramente los detalles estructurales deseados, es necesario que la composición del reactivo empleado corresponda exactamente a la composición de la probeta y las distintas fases que la constituyen.

26

Page 27: Ciencia de los Materiales - TP N2

Tips de trabajo: Las rayas a eliminar deben ser pulidas transversalmente. Si la herramienta de corte genera rayas

horizontales, el pulido debe ser con dirección 90° respecto de estas. Para cada etapa de pulido, se debe girar 90° el sentido de pulido. Existe la posibilidad de tener que volver al principio del proceso.

El uso de las telas esmeril es de un solo sentido. El mismo está definido en cada tela esmeril. No respetar este sentido puede generar desgaste excesivo. Cada tela esmeril tiene un sentido que determina no solo la dirección de trabajo, sino la línea de corte de la misma.

Entre etapas, es recomendable aplicar una limpieza no solo de la probeta sino de las herramientas (reglas, guantes o manos, etc.)

Una vez terminado el proceso de pulido y alcanzado el estado especular, se procede a observar la probeta en el microscopio. Dependiendo de los resultados derivados de la observación se determinará si necesita más pulido.

En el microscopio, a través del revolver, se cargarán los lentes con la cantidad de zoom necesarios para aplicar las normas que regulan los análisis métalo gráficos del tipo macro gráfico.

El microscopio cuenta con movilidad en los 3 ejes x,y,z lo que permite la libre movilidad de la observación, así como también cualquier medición necesaria (longitud) mediante un nonio dispuesto con una escala apropiada.

Una luz especial – con opción de filtrado de colores – es aplicada por debajo del revolver cargado con los zoom, en la misma dirección en la que se observa la probeta.

En la parte superior del microscopio, se dispone de una boca de observación para cámara en vivo o de grabación. El microscopio utilizado observa la probeta de forma invertida, o desde abajo.

27

Page 28: Ciencia de los Materiales - TP N2

CONCLUSIÓNEn el laboratorio realizado pudimos apreciar – en carne viva – cuales son algunos de los detalles a tener

en cuenta en el proceso de pulido de probetas. Así como también, ser testigos de los detalles oculares y los requerimientos necesarios para la recolección de una buena muestra, y correcta observación de la misma.

Los instrumentos utilizados, fueron facilitados por la Universidad, reflejan la complejidad de los procesos y las distintas tecnologías necesarias para la realización de las distintas tareas que no solo el análisis de probetas conlleva, sino también los anteriores procesos de manufacturación.

Pudimos ver y apreciar el uso adecuado de un microscopio y sus características, lo que antes no había sido apropiadamente posible. Las apreciaciones que se pudieron alcanzar abren todo un campo de conceptos y conocimientos prácticos aplicables al momento de la evaluación de probetas. Los colores, tipo de inclusiones y sus formas, características de la aleación y descripción de la misma, son algunos de las generalidades a conocer y que fueron comentadas en clase.

28