UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA “INFORME DE ENSAYO DE METALOGRAFÍA” PROFESOR: ING. Jose Luis Sosa ESTUDIANTES: Cruz Soto Diego Joel 20132169G Samame Romero Anderson 20132132F Villachica Carranza Herberth 20130284C Vega López Jesús Alexis 20130114K CarhutantaChilcónWolfran 20130112H SECCION:I CIENCIA DE LOS MATERIALES
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7.- CUESTIONARIO DE ENSAYO METALOGRÁFICO………………………..
8.- BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………….
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OBJETIVOS
Estimar, en base a las fotografías captadas en el laboratorio,
el contenido decarbono de los materiales estudiados.
Reconocer los equipos utilizados en el ensayo de metalografía
Relacionar las características estructurales de un metal o aleación con sus
propiedades físicas o mecánicas.
Analizar las muestras ensayadas por medio de la observación en un
microscopio metalográfico
Adquirir algunas nociones acerca de las propiedades de las fases presentes en
las aleaciones hierro-carbono
Aplicar y conocer los tipos de químicos en el ataque a la superficie de nuestro
material
Determinar los factores de los cuales depende el tamaño de grano de un
material y conocer su influencia sobre las propiedades mecánicas de este.
Identificar los pasos que se deben seguir para realizar un análisis
metalográfico.
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MARCO TEÓRICO
4.1 Metalografía
La metalografía es una disciplina de la ciencia que se encarga de examinar y determinar los componentes en una muestra de metal, haciendo uso de varios niveles de magnificación que pueden ir desde 20x hasta 1 000 000x. También se conoce como el proceso entre la preparación de una muestra de metal y la evaluación de su microestructura.
Es la parte de la metalurgia que estudia las características estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos.
La importancia del examen metalográfico radica en que, aunque con ciertas limitaciones, es capaz de revelar la historia del tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido el material.
A través de este estudio se pueden determinar características como el tamaño de grano, distribución de las fases que componen la aleación, inclusiones no metálicas como sopladuras, microcavidades de contracción, escorias, etc., que pueden modificar las propiedades mecánicas del metal.
El examen metalográfico puede realizarse antes de que la pieza sea destinada a un fin, a los efectos de prevenir inconvenientes durante su funcionamiento, o bien puede ser practicado sobre piezas que han fallado en su servicio, es decir, piezas que se han deformado, roto o gastado. En este caso la finalidad del examen es la determinación de la causa que produjo la anormalidad.
Básicamente, el procedimiento que se realiza en un ensayo metalográfico incluye la extracción, preparación y ataque químico de la muestra, para terminar en la observación microscópica. Si bien la fase más importante de la metalografía es la observación microscópica, la experiencia demuestra que poco se puede hacer si alguna de las operaciones previas se realiza deficientemente.
Si la etapa de preparación no se realiza cuidadosamente es posible que se obtenga una superficie poco representativa del metal y sus características. Una preparación incorrecta puede arrancar inclusiones no metálicas, barrer las laminas de grafito en una muestra de fundición, o modificar la distribución de fases si la muestra ha sufrido un sobrecalentamiento excesivo.
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Análisis Macroscópico
El análisis macroscópico es aquel que se puede realizar a simple vista, es decir sin necesidad de microscopio. El rango de tamaño inicia en 10-3m en adelante. El análisis macroscópico se puede usar en:
Líneas de flujo en materiales forjados.
Capas en herramientas endurecidas por medio de tratamiento térmico.
Zonas resultado del proceso de soldadura.
Granos en algunos materiales con tamaño de grano visible.
Marcas de maquinado.
Grietas y ralladuras.
Orientación de la fractura en fallas.
Análisis Microscópico
Aquel tipo de análisis que no se puede realizar a simple vista, (menor a 10-3m).
Observar las estructuras microscópicas en materiales ayuda a comprender el comportamiento de los mismos. El microscópico se puede usar en:
Tamaño de grano.
Límites de grano y dislocaciones.
Análisis microestructural.
Distribución de fases en aleaciones.
Para comprender el análisis microscópico es necesario tener claridad sobre el concepto de grano y el funcionamiento del microscopio metalográfico.
A. GRANOS
Los metales son materiales de estructura policristalina, este tipo de materiales están compuestos por una serie de pequeños cristales los cuales se conocen convencionalmente como granos. Cada tipo de grano desde su concepción obtiene diferentes características físicas, por ejemplo, la orientación del mismo y la rugosidad en la superficie.
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Determinacion de tamaño de grano
Al considerar las propiedades de un material policristalino generalmente se determina el tamaño de grano. En este sentido existen técnicas que especifican el tamaño de grano en función del promedio del volumen de grano, del diámetro o del área. Probablemete el mátodo más usado es el desarrollado por la American SocietyforTesting and Materials (ASTM). ASTM tiene preparadas 10 cartas normalizadas, con granos de diferente tamaño medio de grano. Se ha asignado un índice a cada una de estar cartas, del 1 al 10, denominado índice de tamaño de grano; el mayor índice tiene el menor tamaño de grano. Las probetas se deben preparar cuidadosamente para revelar a estructura granular, que se fotografía a 100 aumentos. El tamaño de grano se asigna por comparación con el índice del tamaño de grano de la carta mas parecida a la microfotografía. Asi, una relativamente sencilla cómoda determinación se utiliza profusamente en siderurgia.
La asignación del índice del tamano de grano mediante las diferentes cartas se realiza como sigue. El indice de tamaño de grano se designa por n y el número medio de granos por pulgada cuadrada a 100 aumentos por N. Ambos parámetros relacionados por a siguiente expresión:
N=2n−1
Cuando el aumento a es diferente de 100:
( a100 )
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N=2n−1
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Figura 2:Funcionamiento de un microscopio óptico reflexivo. Los microscopios ópticos funcionan básicamente por medio de lacombinación entre el sistema óptico y la iluminación.
B. MICROSCOPIO
Como se puede ver en la parte (a) de la figura 2 se muestran 3 granos, todos de diferente color, lo que indica que poseen una microestructura diferente. En la parte (b) se muestran
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los mismos tres granos que como se nota, poseen superficies dirigidas en diferentes ángulos; la diferencia entre la dirección que toman los haces de luz proyectados sobre dichas superficies, refleja contrastes sobre la lente creando la imagen que podemos observar en el microscopio, parte (c). Adicionalmente los átomos en los límites de grano son más reactivos durante el ataque químico y se disuelven en mayor cantidad que el grano mismo, por ello la reflexividad cambia y se acrecienta su visibilidad.
PROCEDIMIENTO DE ENSAYO METALOGRÁFICO
A. SECCIÓN Y EXTRACCIÓN
Hay veces que una vez recibido el material es necesario seccionarlo o cortarlo en una forma determinada. Se trata de lograr superficies planas con la menor deformación posible. En general, los mejores resultados se obtienen con corte por abrasivo húmedo. Los materiales blandos se cortan con discos duros y viceversa. Un factor a tener en cuenta es la temperatura generada por rozamiento en el corte, el cual debe realizarse con un liquidolubrirefrigerante, (en el caso del disco abrasivo y/o serrucho mecánico o manual), de lo contrario se estaría modificando la estructura original. Si se corta con soplete se debe eliminar la zona afectada por el calor mediante algún método mecánico.
Es necesario determinar la parte de la pieza a la que se le desea realizar el análisis. El tamaño de la muestra debe ser tal, que no sea mayor que el volumen de un cilindro imaginario que tiene las siguientes dimensiones diámetro de 20 mm y altura de 15 mm.Cuando el material a examinar es blando (acero al carbono recocido, aleaciones blandas de Al o de Cu), el corte se realizará con una sierra a mano y de diente grande (mientras más blando sea el material, más grande debe ser el diente de la sierra a utilizar, con el objeto de que la viruta sea fácilmente extraída de la zona de corte, evitando que al agruparse se adhiera a la superficie a estudiar, falseando la observación posterior). Los materiales duros (aceros aleados, templados, no ferrosos endurecidos) deben cortarse con discos abrasivos muy delgados de carbundum a altas velocidades y gran refrigeración. Los metales frágiles como fundición blanca, aceros templados, bronces ricos en estaño, etc, pueden romperse con golpe de martillo para extraer la probeta. En el caso del acero (y de algunas otras aleaciones), es necesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte.
B. LIJADO (O DESBASTE) Y PULIDO
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Desbaste grueso
Este se logra mejor en un esmeril húmedo de banco usando lijas de 180, 300 y 600. El objetivo del lijado es obtener una superficie plana, libre de toda huella de marcas de herramientas, y en la que todas las marcas del lijado sigan la misma dirección. Se puede lijar en seco a condición de no producir cambios estructurales por el calentamiento de la muestra. También se deben evitar presiones excesivas que calienten o distorsionen la superficie a observar. Luego, la muestra se lava y se seca antes de pasar a la próxima etapa del lijado.
Desbaste fino
Este proceso se efectúa utilizando granos cada vez mas finos de lija metalográfica para lijar. Se utilizan lijas de 800 en adelante. La lija se sostiene sobre una superficie plana y dura, que puede ser acero o vidrio, y la muestra se pasa sobre el papel de lija sin seguir un movimiento rotatorio. Cuando se termina de esmerilar con un papel de lija, las marcas deben estar todas en la misma dirección.
Antes de proseguir con la siguiente lija mas fina, deben lavarse la muestra como las manos del operario.
Ahora la muestra debe desplazarse en forma tal que las rayas hechas por las distintas lijas formen ángulos rectos con las del inmediatamente anterior. Así, puede verse con claridad si se han eliminado las rayas más gruesas que se hicieron en la operación anterior. El desbaste se da por terminado cuando se obtiene una cara perfectamente plana, con rayas muy finas en toda la superficie, producidas en un solo sentido, por el papel de esmeril de mayor finura. Cuando más blando es el material, mayor es la finura del grano del papel de esmeril utilizado en ultimo término.
Pulido
Se procede a hacer el pulido solo después de lavar con sumo cuidado tanto las manos como la muestra, a fin de evitar cualquier contaminación en el plato de pulido. Este procedimiento se basa en el uso de un plato cubierto con una tela (o paño), cargada con una suspensión de alúmina (Al2O3). Al principio, la muestra se sostiene en una posición sobre la rueda, sin girar la muestra, hasta que se hayan eliminado la mayoría de las rayas anteriores producidas en el desbaste. Luego puede hacerse girar con lentitud en sentido contrario al de rotación de la rueda, hasta que solo puedan verse las marcas de alúmina. La rotación de la muestra reduce a un mínimo el peligro de formación de ranuras. La muestra se hace girar con lentitud en sentido contrario al de giro de la rueda tendiendo a obtener una superficie especular. Si los pasos descriptos se realizan debidamente, este
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pulido no debe requerir más de dos minutos. Los resultados del pulido pueden mejorarse si esta última etapa de pulido se realiza sobre la rueda girando a baja velocidad. El aspecto de la superficie debe ser igual al de un espejo; donde se observa una superficie brillante con algunos puntos oscuros producto de las inclusiones no metálicas (ej. impuresas de óxidos).
Para pulir aceros dulces (blandos), casi siempre es conveniente usar una alúmina de grano 600. En otros metales y aleaciones pueden lograrse mejores resultados si se acaba con alúmina rebajada, óxido de magnesio, diamante en polvo o cualquier otro tipo de compuesto pulidor que se disponga. El electropulido es adecuado para el acabado de gran numero de muestras idénticas, puesto que requieren ajustes y control cuidadoso. Por otro lado alguno de los mejores electrolitos constituyen un peligro de explosión.
C. ATAQUE QUÍMICO
Este permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación. Existen diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el ataque químico. El ataque químico puede hacerse sumergiendo la muestra en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un algodón embebido en dicho reactivo. Luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca en corriente de aire. El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá mas oscuro al microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante, reflejará más luz y se verá más brillante en el microscopio. Por otro lado, en los metales con un solo constituyente metalográfico, los límites de grano están sujetos a ataques selectivos, puesto que representan zonas de imperfección cristalina e impurezas que aceleran el ataque local. Además los granos con orientaciones distintas son atacados con diferente intensidad, dado que esta diferencia en la orientación provoca velocidades de ataque diferentes. Se debe evitar el sobreataque, dado que la superficie se puede manchar y tapar la estructura o producirse manchas de corrosión. En caso de que esto sucediera se deberá proceder a un nuevo desbaste y pulido (dependiendo del grado de sobreataque). Un reactivo común utilizado para atacar hierros y aceros al carbono en general es el nital, que consiste en 5% de ácido nítrico concentrado en alcohol etílico ( en 100 cm3 de alcohol etílico 95% agregar 5 cm3 de NO3H concentrado).
Para su aplicación, se toma la muestra con unas pinzas con la cara pulida hacia arriba, se vierte unas gotas de nital sobre la muestra (lavada y secada previamente) asegurándose que el nital cubra toda la cara (con algunos movimientos de la pinza).
Por lo común es adecuado de 3 a 5 segundos para que el ataque químico sea adecuado. El nital oscurece la perlita y pone de manifiesto los bordes de la ferrita. Ferrita y cementita blancos y perlita mas oscura (laminas claras y oscuras semejante a una impronta digital).
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Inmediatamente después se lava la muestra con elevada agua corriente, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un golpe de aire.
Otro método de ataque muy utilizado en aleaciones no ferrosas y que actualmente se esta introduciendo en el campo de las ferrosas, especialmente en los aceros inoxidables es el ataque electrolítico. Se hace generalmente a continuación del pulido electrolítico pero con un voltaje mucho menor. La diferencia con el pulido es que en el pulido la disolución anódica es indiferenciada y ahora es selectiva.
EQUIPOS Y MATERIALES UTILIZADOS
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A. PROBETAS
ACERO BAJO CARBONO 100X
ACERO BAJO CARBONO 500X
ACERO MEDIO CARBONO 100X
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ACERO MEDIO CARBONO 500X
BRONCE 100X
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BRONCE 500X
COBRE 100X
COBRE 500X
B. LIJAS
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C. PAÑO DE BILLAR
D. DISCO GIRATORIO (PULIDORA)
E. Componentes químicos.
Numero
c
360
600
800
1000
1500
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Nital 3% Solución de HNO3
Alcohol
F. Microscopio óptico.
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PROCEDIMIENTO
Marcar en la cara de la probeta que no va ser pulida dos rectas perpendiculares que se crucen en el centro de la superficie.
Empezar a trabajar con la lija de 180 en la cara que será pulida, realizando el esfuerzo en una misma dirección (se debe seguir la dirección de una de las rectas trazadas).
Repetir el paso anterior con las lijas de 360, 600, 800, 1000 y 1500 cambiando de dirección a seguir cuando se cambia de lija.
Una vez terminado de lijar la probeta, se empieza a pulir con alúmina sobre el paño de billar haciendo un movimiento radial.
Se ataca químicamente con el compuesto indicado para cada tipo de probeta.
Se seca luego de haber sido atacada por un tiempo de 20 a 25 segundos.
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Se observa el área trabajada con ayuda del microscopio.
OBSERVACIÓN DE LAS PROBETAS ATACADAS
CÁLCULO DEL ÍNDICE DE GRANO DEL COBRE
En la imagen anterior mostramos el proceso de conteo de granos de cobre. Cada circunferencia representa un grano completo y cada cuadrado medio grano. El área de la circunferencia es de 4plg2
Se sabe que:
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( a100 )N=2n−1
Donde:
N : número de granos por pulgada cuadrada a : factor de ampliación en el microscopio metalográfico n : índice de grano
N=20+16 /24
=7
a=100
Aplicando la formula
n=3.8073
Ahora calculamos el diámetro promedio de grano usando la siguiente tabla
Grain Size No.G
NA Grains/Unit Area A A Average Grain Area d Average DiameterNo./in.2 at 100X No./mm2 at 1X mm2 µm2 mm µm