La metalografía microscópica (o micrografía de metales) estudia los productos metalúrgicos, con elauxilio del microscopio, objetivando determinar sus constituyentes y su textura. Este estudio es hecho ensuperficies previamente pulidas y, en general, atacadas por un reactivo adecuado.

Actualmente, la metalografía ya es considerada uno de los análisis más importantes para garantizar lacalidad de los materiales en el proceso de fabricación, y también para la realización de estudios en la formaciónde nuevas aleaciones de materiales.

Esta práctica se vuelve compleja pues los materiales presentan diferentes morfologías, dependiendode los tratamientos térmicos aplicados y también de la composición química empleada.

METALOGRAFÍA DE LOS ACEROS

MICROCONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

Microconstituyentes De Aceros No Aleados.

Ferrita

Cementita

Perlita

Microconstituyentes De Aceros No Aleados Templados.

Martensita

Estructuras intermedias: Sorbita, Troostita y Bainita.

Otros Microconstituyentes.

Además de los microconstituyentes comentados, los aceros no aleados presentan en susmicroestructuras otros elementos de interés. Entre los que se encuentran más comúnmente, se destacan lasimpurezas, óxidos e inclusiones resultado de la deficiente desoxidación y refino de los mismos.

Los óxidos se producen en la superficie de la pieza generalmente, aunque pueden existir ciertosprocesos de oxidación interna que los hacen aparecer de color gris pálido a gris oscuro según el tiempo depulido empleado.

Entre las inclusiones destacan las de silicatos y las de sulfuros, principalmente de Mn, que aparecencomo granos alargados en la dirección de laminación, con coloraciones oscuras y gris paloma, respectivamente.

La observación de estos microconstituyentes es conveniente realizarla previamente al ataque de laprobeta metalográfica.

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La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen lastransformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono.

El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metastables, sepuede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambiosde equilibrio.

En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. La partedel diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se denomina región delta. En ella sereconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacciónperitéctica.

La ecuación de esta reacción puede escribirse en la forma:

La máxima solubilidad del carbono en el hierro δδδδ delta (de red cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10

% de C, mientras que el Fe γγγγ gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una

proporción mucho mayor.

En cuanto al valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamientotérmico en este intervalo de temperaturas.

La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129ºC, esta temperatura es la desolidificación del eutéctico y la reacción que en ella se desarrolla es:

EL DIAGRAMA Fe-C

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La mezcla eutéctica , por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente lafase gamma no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento.

La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea corresponde a la temperatura deformación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma debe desaparecer.

La ecuación de la reacción eutectoide que se desarrolla puede expresarse por:

En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en dos partes: unaque comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se llaman aceros , y otra integrada por lasaleaciones con más de un 2 % de carbono, las cuales se llaman fundiciones.

A su vez, la región de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenidoen carbono es inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C) los cuales se llaman aceroshipoeutectoides , y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que seconocen por aceros hipereutectoides.

Hierro laminado en caliente de aproximadamente un 0,05%C

Este es un acero con un contenido muy pequeño de carbono (0,05%) por lo que entraría dentro delgrupo de los aceros hipoeutectoides (0,025 < %C < 0,80, véase diagrama Fe-C ). Sin embargo, como acontinuación se verá, debido a su pequeño contenido en carbono se considera como "hierro dulce".

A pocos aumentos (Fig. 1) se observan una serie de recintos poligonales y equiaxiales, que según eldiagrama corresponden a granos de ferrita. A mayores aumentos (Fig. 2) se observan la presencia de otrascaracterísticas en los límites de grano.

Efectivamente, al enfriar esta aleación y llegar a la temperatura de transformación eutectoide, elcarbono en forma de solución sólida en la ferrita a es sólo del 0,025%, por lo que debe precipitarse el otro0,025% como el eutectoide, denominado perlita.

La perlita es un agregado bifásico de láminas de cementita y de ferrita, de forma que no podemoshablar de granos sino de " colonias de perlita ". No obstante, la presencia de esta perlita en los límites degrano es casi inapreciable.

Por debajo de la temperatura de transformación eutectoide, la solubilidad del carbono en la ferritasigue disminuyendo hasta el 0,008%, lo que da lugar a una precipitación en estado sólido del carbono nosoluble en forma de cementita.

Este tipo de cementita se conoce como " cementita terciaria ", e igualmente, su cantidad es casiinapreciable, pudiéndose confundir sin la suficiente resolución óptica con la referida anteriormente perlita,precipitada también en los límites de grano. La formación de esta cementita terciaria es perjudicial para latenacidad de este acero.

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ACERO CON 0,05 %C

Fig 1: x100 Fig 2: x400

Se trata en esta ocasión de un acero con contenido muy bajo en carbono, por lo que su estructura esmuy similar a la descrita para el acero de un 0.05% C ya descrita.

La metalografía de este acero presenta una matriz de ferrita formada por granos equiaxiales.

Se observan, igualmente la presencia de unas fibras de color oscuro de diferentes tamaños quecoinciden con la dirección de laminación de este producto. Estas fibras se corresponden con impurezaspropias de un afino del acero de baja calidad.

Su carácter cerámico hace que después de la temperatura a la que se ha realizado la deformación encaliente, no pueden recristalizar como lo han hecho los granos de ferrita.

La estructura de este acero es bastante tenaz, dada la disposición de las fibras.

HIERRO PUDELADO

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente y enfriado desde 870ºC en el horno(recocido).

Se trata de un acero hipoeutectoide (véase Fe-C). Al enfriar lentamente desde 870ºC y cruzar la líneaA3 aparece en su estructura -hasta entonces monofásica de austenita- la fase alfa (ferrita) (solución sólida muy

diluida de carbono en hierro αααα alfa), de color blanco (Fig. 1).La austenita aún no transformada se va concentrando en carbono al seguir bajando la temperatura

hasta llegar a alcanzar, por este proceso, la composición eutectoide del 0,8%C.

Al seguir enfriando, se alcanza la temperatura de la transformación eutectoide y precipitan de estaaustenita, simultáneamente, fase alfa (ferrita) y Fe3C (cementita) en forma del eutectoide perlita.

La perlita con pocos aumentos aparece como manchas de color pardo oscuro (Fig. 1). Sin embargo amayores aumentos (Fig. 2) se resuelve su estructura laminar.

Por lo tanto, la microestructura está, pues, formada por colonias de perlita (o zonas oscuras)distribuidas en una matriz ferrítica (blanca).

Fig 2, x100

Fig 1, x100 Fig 2, x400

Fig 1, x100

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ACERO DE UN 0,35 %C

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente a 870ºC y normalizado (enfriado alaire).

La microestructura estudiada tiene la misma composición que el acero al carbono del 0,35%C,laminado en caliente y enfriado al aire. Enfriando en determinadas condiciones, el eutectoide perlitapuede llegar a ocupar todo el campo de la microestructura, en aceros con sólo un 0,4 % de carbono.

En la probeta que aquí se estudia, el enfriamiento al aire fue suficiente rápido como para retrasar lainiciación de la separación de ferrita proeutectoide, e iniciar la reacción eutectoide cuando la austenitaremanente tenía menos de 0,8 % de carbono. El resultado es una microestructura en la que los camposferríticos parecen haberse reducido comparándola con una en estado recocido.

Sin embargo, las colonias perlíticas se han extendido hasta ocupar una gran superficie. La propiamorfología de los granos de ferrita ha cambiado, presentándose ahora con tendencia acicular, nucleada, conpreferencia, en los límites de grano austenítico, pero sin llegar a la estructura de Widmanstätten. En cuanto ala perlita, el espaciado interlaminar de sus constituyentes es menor; su estructura, más fina.

ACERO DE UN 0,35 %C

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente, calentado a 870ºC durante una hora ytemplado en agua desde esa temperatura (templado).

El enfriamiento rápido ( temple ) desde 870ºC ( a cuya temperatura le corresponde una estructuraaustenítica, monofásica ) impidío la reacción eutectoide allí donde la velocidad de enfriamiento fue superior aun valor crítico.

Cuando el temple es drástico, se llega a una estructura martensítica de aspecto acicular- dura y

frágil- que representa una solución sobresaturada de carbono en hierro αααα alfa, y que puede retener algo deaustenita. La sobresaturación deforma la red, creando las tensiones que determinan esa dureza. De estaforma martensítica, metaestable, se precipita el carbono en forma de Fe3C por tratamientos de revenido.

Si la velocidad de enfriamiento no hubiese sido superior a la crítica, la microestructura finalaparecería compleja, con láminas de ferrita proeutectoide en los límites de grano austenítico, unas formas enpluma de ave que representan el producto de transformación intermedia llamado bainita , y algunas agujasmartensíticas producidas a partir de la austenita, que alcanzo la temperatura Ms, sin experimentartransformación intermedia.

Fig 2, x100

Fig 1, x100 Fig 2, x400

Fig 1, x100

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ACERO DE UN 0,35 %C

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente, Calentado a 870ºC durante una hora,templado en agua desde esa temperatura y revenido a 600ºC durante dos horas.

En esta probeta se va a observar el efecto de revenido sobre la estructura metaestable - obtenida portemple. El calentamiento a la temperatura de revenido (600ºC) no prevé en el diagrama de equilibrio Fe-Cninguna transformación, pero exige que, cualquiera que sea la condición inicial del sistema para esacomposición, evolucione a uno bifásico constituido por fase alfa (solución sólida de carbono en hierro alfa) yFe3C (cementita). Por este tratamiento, el carbono precipita de la solución sobresaturada (martensita, noprevista en el diagrama), en forma de carburo de hierro (cementita), y la red tetragonal, tensionada, seestabiliza en la forma alfa (cúbica centrada en el cuerpo).

Aunque metaestable y sobresaturada, la estructura martensítica era homogénea en cuanto a ladistribución del soluto (carbono), por eso la precipitación de Fe3C tiene lugar en toda la masa, y se presenta enforma de pequeñas partículas, que aparecen como puntos oscuros sobre una matriz ferrítica que aún conservaestructura acicular. La estructura final es más tenaz y casi igual de resistente. En realidad, la cementita nose tiñe en negro con el ataque, lo que pasa es que el microscopio no resuelve su contorno para este tamaño tanpequeño, y aparecen como puntos negros.

El tamaño de las partículas precipitadas depende de la temperatura y el tiempo de revenido, pero elcrecimiento a una determinada temperatura es muy lento. Es preciso calentar durante varios días para quepueda apreciarse al microscopio la diferencia entre la microestructura de esta probeta y la de otra revenida a lamisma temperatura.

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ACERO DE UN 0,35 %C

Fig 1, x100 Fig 2, x400

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente, calentado a 870ºC durante una hora,templado en agua desde esa temperatura y revenido a 600ºC durante cuatro días.

La diferencia con respecto al acero al carbono de 0.35%C, templado y revenido a 600ºC durante2 horas está exclusivamente en el tiempo de revenido a 600ºC, que en esta probeta fue de aproximadamentecincuenta veces mayor.

El resultado fue que las partículas crecieron y se resuelven ya como pequeñas formas redondeadas, deun tono claro, como la matriz, delineadas por un contorno oscuro sobre la matriz ferrítica todavía ligeramenteacicular.

Este revenido fue intencionadamente prolongado para revelar el crecimiento de las partículas, y nocorresponde a ningún revenido normal.

ACERO DE UN 0,35 %C

Fig 1, x100 Fig 2, x400

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente, calentado a 870ºC durante una hora,templado en agua desde esa temperatura y revenido a 660ºC durante cuatro días.

La diferencia con respecto al acero del 0,35%C templado y revenido a 600ºC durante 4 días es que serevino a una temperatura superior de 660ºC, pero con el mismo tiempo.

Se llega, sin embargo, a un tamaño de partículas de cementita notablemente mayor y con formasredondeadas, lo que se conoce como "esferoiditas ". Esto indica la importante influencia en el proceso derevenido de relativamente pequeñas variaciones de temperatura. Ha desaparecido, casi por completo, laestructura acicular de la matriz ferrítica. Las condiciones del tratamiento dado a este acero no corresponden alas utilizadas en la práctica. Esta estructura resultaría tenaz, pero demasiado blanda; sus propiedades finalesno justificarían el tratamiento dado.

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ACERO DE UN 0,35 %C

Fig

1,

x1

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Fig

2,

x4

00

Comparación de diversas estructuras de un acero al carbono del 0,35%C.

Se parte de la estructura obtenida tras el temple (arriba a la izquierda). Se ha dado un revenido a600ºC durante 2 horas obteniéndose la estructura de la figura situada arriba a la derecha. Si el revenido serealiza a 600ºC durante 4 días se obtiene la estructura de abajo a la izquierda. Finalmente, se presenta lacorrespondiente a un revenido a 660ºC durante 4 días.

Estos tratamientos no tienen una utilidad industrial pero se han realizado para observar comoevoluciona el sistema con la temperatura y el tiempo, partiendo de una microestructura no de equilibrio, paraconseguir las condiciones de equilibrio.

ACERO DE UN 0,35 %C

x4

00

x4

00

Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente (bandeado).

Este material, aun trabajado en caliente cuando es monofásico (austenítico), puede adoptar laestructura en bandas. Al parecer, por un fenómeno complejo, no bien conocido, el carbono se segrega enciertas (fibras) de la sección que, naturalmente, se alternan con otras de menor contenido en este elemento; alproducirse la reacción eutectoide, la perlita se distribuye, con preferencia, en las bandas en que se habíasegregado el carbono, dando la estructura que puede observarse.

Si el hechurado se realizó a temperaturas en que el material es bifásico (ferrita + austenita), ambasfases se distribuyen en bandas, y después al enfriar, la perlita se forma en las bandas que ocupó la austenita.

Las inclusiones, generalmente de sulfuro de manganeso, aparecen plásticamente alargadas en ladirección del laminado.

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ACERO DE UN 0,35 %C

Fig 1, x100 Fig 2, x200

Acero al carbono del 0,80 %C, laminado en caliente.

Calentado a 800ºC durante una hora y enfriado en el horno.

A este contenido en carbono corresponde la composición eutectoide en el diagrama Fe C. Elrecocido a 800ºC situó al material en un punto del campo austenítico (fase gamma), que representa a unasolución de carbono en hierro alfa.

Al enfriar lentamente, y por reacción eutectoide, la solución sólida (gamma) se desdoblo en elagregado de las fases alfa (ferrita) y Fe3C (cementita), de estructura laminar, denominado perlita.

Por la lentitud del proceso de su formación, las fases constituyentes del eutectoide obtenido (perlita)se presentan en láminas gruesas espaciadas y glóbulos o esferoiditas.

ACERO DE UN 0,80 %C

Fig 1, x200 Fig 2, x400

Acero al carbono (0,80 %C), laminado en caliente, calentado a 800ºC durante 1 hora yenfriado en el aire.

A este contenido en carbono corresponde la composición eutectoide en el diagrama Fe-C. Elenfriamiento al aire es considerablemente más rápido que en el horno, por eso la estructura final eutectoide(perlita) es notablemente más fina, aun partiendo de una misma estructura monofásica que la probeta de 0,80%C enfriada en el horno.

Es decir, las láminas alternas de ferrita y de cementita son más estrechas, están más próximas; tantoque sólo se resuelven a grandes aumentos las correspondientes a ciertas colonias favorablemente orientadas.

El tratamiento térmico de autenización, seguido de un enfriamiento al aire, es el que se conoceindustrialmente con el nombre de normalizado. El material resulta ligeramente más duro y resistente que elrecocido.

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ACERO DE UN 0,80 %C

Fig 1, x100 Fig 2, x400

Acero al carbono (1,30 %C), laminado en caliente. Enfriado en el horno desde 970ºC.

Su contenido en carbono lo sitúa a la derecha de la composición eutectoide, y por ello, se le clasificaentre los denominados hipereutectoides. Según el diagrama Fe-C, enfriado lentamente desde 970ºC (austenitahomogénea) se separa cementita Fe3C cuando la aleación entra en el campo bifásico austenita+cementita.

En esta cementita secundaria -que se precipita en los límites de granos austeníticos- se separa elexceso de carbono de la austenita, ya que la solubilidad del carbono en la fase gamma disminuye con latemperatura para concentraciones superiores a 0,80 % de C.

Esta trama de cementita que dibuja los contornos de los granos de la austenita originaria, se puedeapreciar ya a relativamente pocos aumentos, y aparece muy clara a mayores aumentos rodeando las coloniasperlíticas cuya estructura está perfectamente resuelta.

ACERO DE UN 1,30 %C

Fig 1, x100 Fig 2, x400