Control de Los Metales

Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola

MATERIALES Y MANUFACTURA

PRESENTA:

M.I PEDRO CRUZ MEZA Chapingo, Edo de México Febrero de 2015

1.8 Métodos de estudio y control de los metales y aleaciones

Objetivos Objetivos

Al termino de la clase, el estudiante debe ser capaz de:

Reconocer los métodos de estudio de los metales y aleaciones.

Reconocer los métodos de control de los metales y aleaciones.

IntroducciónIntroducción Los principales métodos para el estudio y control de las

aleaciones son:

1) Macro y micrografía

microscopio metalográfico

microscopio electrónico

2) Examen por rayos X

radioscopia (radiografía)

análisis estructural

análisis espectrográfico

3) Análisis térmico

Dilatometría

4) Análisis magnético (defectoscopía magnética)

1.- Macro y micrografía1.- Macro y micrografía

Macrografía. La estructura de los metales y aleaciones que es visible a simple vista o con aumentos no mayores de 30 veces.

Un procedimiento particular de la macrografía es el examen de la fractura del metal para apreciar el tamaño del grano, la profundidad de la cementación, el grado de impureza en escoria de la aleación colada, etc. Por regla general, la macrografía se hace tomando una muestra adecuada llamada macroprobeta. Para preparar una probeta de este tipo, la pieza se corta por el plano que se ha de examinar, cortando de la parte a estudiar un trozo (placa).

Macro y micrografía (cont.)Macro y micrografía (cont.)

La superficie de la probeta primeramente se cepilla, puliéndola luego con papel de lija de diferentes granos, pasando del grano más grueso al más fino. La superficie pulida se ataca con un reactivo apropiado que tiñe con diferentes colores o corroe a los componentes de la estructura. Al examinar la macroestructura (figura 1), se puede determinar las direcciones de las fibras en las piezas forjadas y estampadas, el tamaño, la forma y la disposición de los granos en las piezas moldeadas, y segregaciones (aglomeraciones) de azufre y fósforo en el acero, la existencia de sopladuras, grietas, porosidades de rechupe, etc.


Figura 1. Macroestructura de corte longitudinal de un cigüeñal: a)- cigüeñal estampado; las fibras se disponen conforme a la configuración de la pieza; b)- cigüeñal troquelado de una cinta bruta; las fibras están cortadas.


Micrografía. La estructura de los metales y aleaciones que se examinan con un aumento de 30 a 1 500 veces con la ayuda de un microscopio se denomina microestructura.

La micrografía fue propuesta en 1831 por el científico ruso P. Anosov. En la microestructura (figura 2) se aprecian el tamaño y la forma del grano, se descubren los defectos microscópicos, el carácter del tratamiento térmico y químico-térmico, la composición química del acero al carbono recocido, los elementos estructurales de la aleación, etc.


Figura 2. Microestructura del hierro: granos de ferrita. Agente químico: solución al 4% de HNO3. aumentado a 100 veces


Para preparar una microprobeta se corta una muestra del metal que se ha de examinar, y una de sus caras se alisa, pule y se ataca con un reactivo.

Las muestras de hierro y acero generalmente se atacan con un reactivo compuesto de una solución de HNO3 (ácido nítrico) al 4% en alcohol etílico.

La probeta preparada se estudia con el microscopio metalográfico, basado en el principio de la luz reflejada.


NNoo

Material de la Material de la probetaprobeta

Reactivo Reactivo

11 Acero de bajo contenido Acero de bajo contenido de carbono y de carbono y soldadurassoldaduras

2% HNO2% HNO33 (ácido nítrico) (ácido nítrico) disuelto en alcohol disuelto en alcohol etílicoetílico

22 Aceros al carbono de Aceros al carbono de medio y alto contenido medio y alto contenido de carbono, acero de carbono, acero perlítico y hierro perlítico y hierro fundido fundido

5% ácido cítrico y 5% ácido cítrico y alcohol etílicoalcohol etílico

33 Aluminio Aluminio Ácido fluorhídrico: 1% Ácido fluorhídrico: 1% HF en aguaHF en agua

44 Cobre Cobre 50% de NH50% de NH44OH y 50% de OH y 50% de aguaagua

Fuente: Pollak, Herman W. 1987

Tabla 1. Reactivos utilizados en las microprobetas


En la figura 3 se muestran: a)- el esquema de la trayectoria de los rayos por el microscopio metalográfico y b)- su vista general. En las investigaciones científicas, además del microscopio metalográfico, se emplea el microscopio electrónico, que permite estudiar la estructura de los metales con un aumento de más de 25 000 veces.

En el microscopio electrónico se utilizan los rayos electrónicos en lugar de los rayos ópticos, sometiendo a la observación no la probeta misma, sino una huella hecha de cuarzo o colodión que reproduce el relieve de la superficie obtenida por la corrosión en la prueba a estudiar.


Figura 3. Microscopio metalográfico: a)- esquema de la trayectoria de los rayos; 1- fuente de luz; 2- condensador; 3- prisma; 4- objetivo; 5- mesa portaobjetos; 6- microprobeta; 7- prisma; 8- ocular; b)- vista general de un microscopio para examinar metales: 1- cuerpo; 2- cámara fotográfica; 3- tornillo de corrección aproximada; 4- tornillo micrométrico; 5- iluminador; 6- ocular; 7- mesa portaobjetos; 8- microprobeta; 9- microscopio.

Macro y micrografía (cont.)Macro y micrografía (cont.)Como sabemos por la óptica, el poder separador o resolutivo de un microscopio es: d = λ / [n . sen θ ] (1)donden – número entero; para el aire n=1, para el aceite de cedro n=1.5λ - longitud de la onda;d – distancia entre los planos del cristal;θ - ángulo de apertura del objetivo; en los modernos microscopios θ=90.

La longitud de onda de los rayos electrónicos: λ = h/ [m . v ] (2)Donde:h – constante de Planck;m – masa del electrón;v- velocidad con que se mueve el electrón.


Figura 4 Microscopio metalográfico

Figura 5 Examen metalúrgico de un espécimen. A) espécimen bajo examen; B) espécimen como se ve a través del microscopio.

2.- Examen por rayos X2.- Examen por rayos X

Por su naturaleza, los rayos X son análogos a los ópticos, y se diferencian de éstos porque tienen longitudes de onda más cortas comprendidas entre 2 x 10-8 y 0.006 x 10-8 cm. La aplicación de los rayos X permite realizar tres clases de investigaciones de los metales y aleaciones: 1) radioscopia (radiografía), 2) análisis estructural, 3) análisis espectrográfico.

La radioscopia consiste en que los rayos X, al tener una longitud de onda muy corta, son capaces de pasar a través de los cuerpos que son impenetrables a los rayos ópticos. Este método da la posibilidad de determinar los defectos internos de las piezas fundidas, forjadas o soldadas sin destruir la pieza al examinarla.

Examen por rayos X (Cont.)Examen por rayos X (Cont.)

Los haces de rayos que pasan por aquellas partes de la pieza donde se hallan, por ejemplo, sopladuras (figura 6), tendrán mayor intensidad y, por lo tanto, actuarán sobre la película fotográfica más intensamente. La capacidad de penetración de los rayos X en las piezas de acero es de unos 100 mm y en las de aluminio y sus aleaciones hasta unos 400 mm. En los últimos años, en la radiografía se empieza a emplear los rayos gamma emanados por sustancias radiactivas, tales como el radio, el mesotorio, el isótopo de cobalto y otros. Por su naturaleza los rayos gamma son semejantes a los rayos X, pero su longitud de onda es aún más corta; por esta razón, su poder de penetración es mucho mayor que el de los rayos X.


Figura 6. Esquema de disminución de la intensidad de los rayos X al atravesar un metal: 1- pieza moldeada; 2- sopladura; 3- película fotográfica.

Examen por rayos X (Cont.)Examen por rayos X (Cont.)El análisis estructural se basa en la capacidad que tienen los planos atómicos de los cristales de reflejar los rayos X según la ley de Bragg:n . λ = 2 d sen θ (1)donden – orden de reflexión. 1, 2, 3, …λ - longitud de onda del rayo X, Å;d – distancia entre los planos del cristal, Å;θ - ángulo de incidencia o reflexión del de rayos X, °.

Los rayos X reflejados impresionan una película fotográfica que luego se descifra. El análisis estructural hace posible determinar los tipos y parámetros de las redes cristalinas de los metales y aleaciones.


El análisis espectrográfico. La esencia del análisis espectrográfico se funda en la capacidad que tienen los átomos de un elemento de emitir líneas espectrales determinadas al excitar constantemente los átomos.

El análisis se realiza con ayuda de los aparatos denominados espectrógrafos, por medio de los cuales se puede estudiar y examinar un cuerpo sin destruirlo. Basándose en los datos obtenidos se puede realizar el análisis químico cualitativo y cuantitativo de las aleaciones que se estudian. El análisis espectrográfico se aplica con éxito al estudio de los aceros y aleaciones no ferrosas.

Probetas: de polvo de 1 x ½ pulg

3.- Análisis térmico3.- Análisis térmico

El análisis térmico consiste en determinar las temperaturas de las transformaciones alotrópicas (puntos críticos), al calentar o al enfriar el metal (aleación), lo que permite trazar luego la gráfica de las funciones entre la temperatura y el tiempo.

Los puntos de inflexión o tramos horizontales (figura 7) de las curvas, indican las temperaturas de las transformaciones alotrópicas que van acompañadas de un desprendimiento (al enfriarse) o absorción (al calentarse) de calor. El análisis térmico es racional sólo cuando las transformaciones en el metal transcurren con un efecto térmico considerable.

Análisis térmico (cont.)Análisis térmico (cont.)

Figura 7. Curvas de calentamiento y de enfriamiento de un metal puro: a) curva de calentamiento; b) curva de enfriamiento sin sobreenfriamiento; c) curva con sobreenfriamiento; d) curva con el lazo de sobreenfriamiento; e) curva de enfriamiento de un cuerpo amorfo.

Análisis térmico (cont.)Análisis térmico (cont.) Dilatometría. Es el método más preciso para

determinar los puntos críticos es el método dilatométrico. Este método se basa en el cambio del volumen que experimenta un metal (aleación) al sufrir una transformación. La magnitud del cambio de volumen no está relacionada con la velocidad de calentamiento o enfriamiento, lo que constituye una de las ventajas más importantes del análisis dilatométrico.

La medición de temperaturas se efectúa con ayuda de aparatos denominados pirómetros, los cuales, según el principio de funcionamiento, se dividen en tres grupos:

1) Termoeléctricos;2) Ópticos; y3) Radiación.Los pirómetros eléctricos y ópticos tienen un uso

más amplio.


El pirómetro termoeléctrico [figura 8 a)] consta de un termopar y un galvanómetro. El termopar lo forman dos cintas 1 y 2 de metales diferentes soldadas por un extremo. Si se calienta el punto soldado 3, entonces entre los extremos libres de las cintas se origina una diferencia de potencial igual a una milésima de voltio. Mediante los alambres 4 los extremos libres de las cintas se unen con los bornes 5 del milivoltímetro 6, cuya aguja se desviará de la posición cero formando un determinado ángulo, según la magnitud de la diferencia de potencial. El milivoltímetro está provisto de dos escalas: una escala tiene divisiones en milivoltios y la otra en grados centígrados.


Para medir las temperaturas hasta 700° C se usan termopares de hierro-constatán; en los talleres de tratamiento térmico son preferidos los termopares de cromel-alumel que miden temperaturas hasta 1 000° C; las temperaturas más altas (hasta 1600° C) se miden con termopares de una aleación de platino y de platino-rodio. Para proteger el termopar contra el efecto perjudicial de los gases del horno y evitar deterioros mecánicos, se coloca dentro de una cubierta de acero después de haberlo protegido previamente con un tubo aislador de porcelana o de cuarzo [figura 8 b)].


Figura 8 Pirómetro termoeléctrico: a)- esquema del pirómetro termoeléctrico: 1, 2- cintas de distintos metales; 3- punto soldado; 4- alambres; 5- bornes; 6- milivoltímetro; b)- aspecto general del termopar: 1- punto soldado; 2- manguitos de chamota; 3- cubierta de acero; 4- cabezas; 5- alambre.

TemperatuTemperatura, °Cra, °C

Material Material

700700 Hierro - constatanHierro - constatan

1 0001 000 Cromel - alumelCromel - alumel

1 6001 600 Platino – platino-rodioPlatino – platino-rodio


El pirómetro óptico (con filamento incandescente) sirve para medir la temperatura apreciando el brillo del cuerpo incandescente, y comparándolo con el brillo del filamento de una lámpara eléctrica cuya temperatura se conoce. El pirómetro óptico representado en la figura 9 consta de una especie de anteojo dentro del cual está colocada una lámpara incandescente de modo que el filamento se encuentra en el centro del campo visual. Delante del anteojo se coloca un filtro rojo para medir las temperaturas en el intervalo de 800° a 1 500° C. Si se mide una temperatura más alta, para debilitar el brillo del cuerpo incandescente, se emplea el filtro gris.


Dirigiendo el anteojo hacia el cuerpo calentado, veremos en un fondo rojo el filamento negro de la lámpara. Conectando al aparato la corriente de la pila eléctrica y variando su intensidad con la ayuda del reóstato, el filamento de la lámpara se va poniendo incandescente hasta que el brillo del filamento coincida con el brillo del cuerpo incandescente. Según la intensidad de la corriente que pasa por el filamento de la lámpara, la aguja del aparato se desplaza por la escala graduada, en la que está indicada la temperatura correspondiente al brillo del filamento de la lámpara.


Figura 9 Pirómetro de filamento incandescente: 1- objetivo; 2- ocular; 3- lámpara eléctrica; 4- pila; 5- escala; 6- filtro gris.

TemperaturTemperatura, °Ca, °C

Filtro Filtro

800-1 500800-1 500 Rojo Rojo

> 1 500> 1 500 Gris Gris

4.- Análisis magnético (defectoscopía 4.- Análisis magnético (defectoscopía magnética)magnética)

Este método se ha extendido mucho en la práctica, ya que permite controlar la calidad de las piezas elaboradas y semielaboradas sin destruirlas. La pieza que se ha de controlar se magnetiza de antemano; en la parte donde se halla el defecto aparece una dispersión de las líneas de fuerza magnéticas, formando sus polos en los extremos del defecto. Si se esparce polvo ferromagnético (método seco) o se echa una suspensión de partículas magnéticas (método húmedo) sobre la pieza, los polos comienzan a atraer a las partículas magnéticas, formando un dibujo de gran contraste (figura 10) que indica la situación y el tipo del defecto. Una vez inspeccionada, la pieza se desmagnetiza. El método magnético permite revelar defectos tales como grietas, poros superficiales, sopladuras, inclusiones no metálicas y otros.

Análisis magnético (defectoscopía Análisis magnético (defectoscopía magnética)magnética)

Figura 10 Esquema de disposición de las líneas de fuerzas magnéticas en una pieza con defecto: 1- pieza; 2- líneas de fuerza magnéticas; 3- inclusión de escoria; 4- líneas magnéticas formadas por encima de un defecto.

Muchas Gracias

Control de Los Metales

Documents

Transcript of Control de Los Metales