Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatronica

INFORME DE LABORATORIO Ensayo de Metalografía

1. Resumen:En el ensayo se realizo un proceso con 2 varillas de 1” de longitud y otra varilla que no paso ningún tratamiento previo y los otros dos que si pasaron los tratamientos térmicos, en este ensayo de metalografía inicialmente se procedió a esmerilar con la máquina de cinta sinfín, lijar y finalmente a la máquina de pulido de paño; así queda un lado de la pieza totalmente lijada y pulida que quedan como un espejo y posteriormente se procede a un ataque químico con alcohol y ácido nítrico para finalizar observando su estructura en el microscopio.

2. Objetivos: Observar con microscopio la composición de los metales. Familiarizarse con los diferentes tipos de metalografía. Nos proponemos a identificar los metales y no metales, preparar

probetas, usar y manejo del microscopio.

3. Introducción:

3.1. Corte metalográfico:

Cortar la muestra con una cortadora o micro-cortadora metalográfica: es un equipo capaz de cortar con un disco especial de corte por abrasión, mientras suministra un gran caudal de refrigerante, evitando así el sobrecalentamiento de la muestra. De este modo, no se alteran las condiciones microestructurales de la misma.

3.2. Incluido metalográfico:

La muestra cortada se incluye en resina para su mejor tratamiento posterior y almacenado. La inclusión se puede realizar mediante resina en frío: normalmente dos componentes, resina en polvo y un catalizador en líquido, o bien en caliente: mediante una incluidora, que, mediante una resistencia interior calienta la resina (monocomponente) hasta que se deshace. La misma máquina tiene la capacidad de enfriar la muestra, por lo que es un proceso recomendado en caso de requerimientos de muchas muestras al cabo del día.

3.3. Pulido metalográfico:

Se usa el equipo Debastadora o Pulidora Metalográfica, se prepara la superficie del material, en su primera fase denominada Desbaste Grueso, donde se debasta la superficie de la muestra con papel de lija, de manera uniforme y así sucesivamente disminuyendo el tamaño de grano (Nº de papel de lija) hasta llegar al papel de menor tamaño de grano. Una vez obtenido el último pulido con el papel de lija de tamaño de grano más pequeño. Al inicio de la segunda fase de pulido denominada Desbaste Fino, en la que se requiere de una

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superficie plana libre de ralladuras la cual se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño para ello existen gran posibilidad de abrasivos para efectuar el ultimo pulido; en tanto que muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la gama de óxidos de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre y óxido de cerio para pulir aluminio, magnesia y sus aleaciones.

La etapa del pulimento es ejecutada en general con paños macizos colocados sobre platos giratorios circulares, sobre los cuales son depositadas pequeñas cantidades de abrasivos, en general diamante industrial en polvo fino o bien en suspensión, con granulometrías como por ejemplo de 10, 6, 3, 1, y 0,25 micras

El pulido se realiza sujetando la muestra a tratar con la mano o bien mediante un cabezal automático para pulir varias muestras a la vez. El cabezal automático ejerce una presión pre-configurada hacia el disco o paño de desbaste o pulido durante un tiempo concreto. Estos parámetros deben ser configurados según tipo de material. Opcionalmente existen sistemas con dosificador automático de suspensión diamantada.

3.4. Ataque químico:

Hay una enormidad de ataques químicos, para diferentes tipos de metales y situaciones. En general, el ataque es hecho por inmersión o fregado con algodón embebido en el líquido escogido por la región a ser observada, durante algunos segundos hasta que la estructura o defecto sea revelada. Uno de los más usados es el nital, (ácido nítrico y alcohol), para la gran mayoría de los metales ferrosos.

3.5. Microscopia:

Utilización de lupas estereoscópicas (que favorecen la profundidad de foco y permiten por tanto, visión tridimensional del área observada) con aumentos que pueden variar de 5x a 64X

El principal instrumento para la realización de un examen metalográfico lo constituye el microscopio metalográfico, con el cual es posible examinar una muestra con aumentos que varían entre 50x y 2000x.

El microscopio metalográfico, debido a la opacidad de los metales y aleaciones, opera con la luz reflejada por el metal. Por lo que para poder observar la muestra es necesario preparar una probeta y pulir a espejo la superficie.

4. Base Teórica:La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el microscopio es la herramienta más importante del metalurgista tanto desde el punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura

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revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende en mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más costoso no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en forma deficiente. El procedimiento que se sigue en la preparación de una muestra es comparativamente sencillo y requiere de una técnica desarrollada sólo después de práctica constante. El último objetivo es obtener una superficie plana, sin rayaduras, semejante a un espejo. Las etapas necesarias para preparar adecuadamente una muestra metalografíca.

Al observar existen muchas composiciones como:

Austenita: Se define como una solución sólida de carbono en hierro gamma. Solo es estable a temperaturas superiores a 723 ºC, desdoblándose por reacción eutectoide, a temperaturas inferiores, en ferrita y cementita. Solo puede aparecer austenita a temperatura ambiente en los aceros austeníticos, en este caso la austenita si es estable a temperatura ambiente. Es deformable como el hierro gamma, poco dura, presenta gran resistencia al desgaste, es magnética, es el constituyente más denso de los aceros y no se ataca con reactivos. La resistencia de la austenita retenida a la temperatura ambiente oscila entre 80 y 100 daN/mm2 y el alargamiento entre 20 y 25 %. Puede disolver hasta 1,7-1,8 % de carbono. Presenta red cristalográfica cúbica centrada en las caras (c.c.c.), con los siguientes parámetros de red, a=3,67 A y d=2,52 A.

Ferrita: Este constituyente está formado por una solución sólida de inserción de carbono en hierro alfa. Es el constituyente más blando de los aceros pero es el más tenaz, es el más maleable, su resistencia a la tracción es de 28 daN/mm2 y su alargamiento de 35 %. Su solubilidad máxima es de 0,008 %. Puede también mantener en solución de sustitución a otros elementos tales como Si, P, Ni, Cr, Cu... que figuran en los aceros, bien como impurezas, bien como elementos de aleación. La ferrita se presenta en los aceros hipoeutectoides como constituyente y mezclada con la cementita entra a formar parte de la perlita. Si el acero es muy pobre en carbono, su estructura está formada casi en su totalidad por granos de ferrita cuyos límites pueden revelarse fácilmente con el microscopio, después de un ataque con ácido nítrico diluido. Los granos son equiaxiales. Tiene una distancia interatómica de 2,86 A y un diámetro atómico de 2,48 A.

Perlita: Está formada por una mezcla eutectoide de dos fases, ferrita y cementita, se produce a 723 ºC cuando la composición es de 0,8 %. Su estructura está constituida por láminas alternadas de ferrita y cementita, siendo el espesor de las láminas de ferrita superior al de las de cementita, estas últimas quedan en relieve después del ataque con ácido nítrico, lo cual hace que en la observación microscópica se revelen por las sombras que proyectan sobre las láminas de ferrita. La perlita es más dura y resistente que la ferrita,

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pero más blanda y maleable que la cementita. Se presenta en forma laminar, reticular y globular.

Perlita y Ferrita: La ferrita es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.

la perlita es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.

En los aceos, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten.

Cementita: Es un constituyente que aparece en fundiciones y aceros. Es el carburo de hierro, de fórmula Fe3C, que cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es muy frágil y duro, teniendo sobre 840 Vickers, y es muy resistente al rozamiento en las fundiciones atruchadas. A bajas temperaturas es ferromagnético y pierde esta propiedad a 212 ºC (punto de Curie). Se piensa que funde por encima de 1950 ºC, y es termodinámicamente inestable a temperaturas inferiores a 1200 ºC. Se puede presentar en forma reticular, laminar y globular.

Red de Cementita: Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente más duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. También la morfología de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras típicas. Se consideran las siguientes en los aceros: Cementita secundaria Cementita eutectoide Cementita terciaria

En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita También, aparece como consecuencia de una precipitación en estado sólido en aceros con muy poco carbono, como consecuencia de la disminución de la

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solubilidad del mismo por debajo de la temperatura de transformación eutectoide. Se conoce como cementita terciaria.

La cementita no libre, únicamente aparece asociada a la ferrita, como láminas finas alternadas de una y otra, cuyo agregado se conoce como perlita. Son también destacables las formas que la cementita adopta como la esferoidita.

Cementita Globular: Las condiciones cinéticas requeridas para que ésta descomposición tenga lugar, requieren un número tan elevado de horas que, en la práctica, no se presentan nunca en los aceros binarios Fe – C.Sin embargo, por prolongada permanencia (miles de horas a θ > 450º C) los aceros de bajo carbono o débilmente aleados (por ejemplo, C < 0.15%, 0.5 Mn) grafitizan parcialmente por descomposición de cementita en ferrita y grafito.Ciertos elementos tienden a estabilizar a la cementita, entre los que se encuentran: S, Te, Mn, Mg; mientras que: Si, Ti, Al, Bi, H facilitan su descomposición.Su densidad es 7.649 g/cm3.Son también destacables las formas que la cementita adopta como cementita globular (también llamada esferoidito).

Bainita: Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian 2 tipos de estructuras: la Bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos y la Bainita inferior, formada a 250-4000 ºC tiene un aspecto similar a la martensita y esta constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza que va de 40 a 60 HRc.

Sorbita: Se obtiene con un revenido después del temple. Al realizar el calentamiento la martensita experimenta una serie de transformaciones y en el intervalo comprendido entre 400 y 650 ºC la antigua martensita ha perdido tanto carbono, que se ha convertido ya en ferrita. La estructura así obtenida se conoce como sorbita.

Martensita: Es una solución sólida, intersticial, sobresaturada de carbono en hierro alfa. Es el constituyente estructural de temple de los aceros y su microestructura se presenta en forma de agujas cruzadas. Los átomos de hierro están como en la ferrita, en los vértices. Los átomos de carbono están en las caras y en las aristas, presenta por tanto una red distorsionada. Esta distorsión de la red es la responsable de la dureza de la martensita. Presenta una red tetragonal. Sus características mecánicas son resistencia a la tracción entre 170-250 Kg/mm2, dureza HRc entre 50-60, alargamiento de 0,5 % y es magnética.

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5. Procedimiento experimental: Máquina de esmeril de cinta sinfín: Es la máquina que permite esmerilar en

un inicio la probeta; lo mayor posible pero sin alterar sus propiedades.

Maquina pulidora de paño: Maquina con la que se finaliza todo el proceso; esta parte es el bruñido donde la probeta queda como un espejo.

Máquina de corte fino Es la máquina que nos permite realizar el corte a las probetas para que queden exactas.

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DIAGRAMA DE EQUILIBRIO ESTABLE DE ALEACION FIERRO - CARBONO

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Lijar de agua: Material utilizado para refinar la probeta antes de que pase a la pulidora de paño.

Microscopio: Utilizado para observar la composicion de las probetas de metal.

6. Resultados y análisis: Figura 1: Resultado de probeta sin tratamiento Figura 2: Resultado de probeta Templada Figura 3: Resultado de probeta Revenida Figura 4: Resultado de probeta Normalizada Figura 5: Resultado de probeta Recocida

7. Conclusiones: Un material metálico está conformado por muchos compuestos, que se

pueden analizar con un ensayo de metalografía Un material posee distintas características y esto depende de sus

componentes que se observan dentro de él. Algunos aceros tiene las mismas características y por eso sus componentes

son iguales; y eso se observa en los resultados.

8. Bibliografía: Metalografía

http://es.wikipedia.org/wiki/Metalograf%C3%ADa Guía de Laboratorio – Ensayo de Metalografía

Senati

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Figura 1: Resultado de probeta sin tratamiento

Figura 2: Resultado de probeta templada

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Perlita y Ferrita

Martensita y Cementita

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Figura 3: Resultado de probeta revenida

Figura 4: Resultado de probeta normalizada

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Martensita y Cementita

Perlita y Ferrita

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Figura 5: Resultado de probeta recocida

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Ferrita y Perlita* *Perlita en menor cantidad.