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UNIVERSIDAD DEL NORTE
GUIA DE METALOGRAFIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE MATERIALES DEINGENIERIA
2007
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1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
Desarrollar adecuadamente un estudio metalogrfico sobre varias aleaciones del
sistema hierro-carbono y analizar los resultados obtenidos a partir de la prctica.
1.2.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Preparar adecuadamente una muestra para ser sometida a observacin
metalogrfica.
Conocer los equipos involucrados en un estudio metalogrfico.
Adquirir algunas nociones acerca de las propiedades de las fases presentes en
las aleaciones hierro-carbono.
Establecer diferencias visuales entre cada una de estas fases en base a las
imgenes observadas por medio del microcopio ptico.
Estimar, en base a las fotografas captadas en el laboratorio, el contenido de
carbono de los materiales estudiados.
Conocer la influencia del tamao de grano en las propiedades mecnicas de los
metales y comentar acerca de este aspecto en los materiales ensayados.
Elaborar un informe presentando todos los resultados y anlisis derivados de la
prctica desarrollada.
2. MATERIALES
La experiencia del laboratorio se llevar a cabo con los siguientes materiales:
Acero 1045 con recocido
Acero 1045 templado
Acero de construccin civil
Fundicin gris
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3. INSUMOS Y EQUIPOS
Para la prctica se har uso de los siguientes equipos, insumos e instrumentos de
laboratorio.
Corte del material
o Tronzadora de corte refrigerado
o
Segueta y prensa de banco Desbaste y pulido
o Mesn de pulido.
o Pulidora de velocidad variable.
o Papel abrasivo N 100, 240, 320, 400 y 600.
o Almina (Al2O3) de 1 y 0.3 micras de tamao de grano.
Ataque qumico
o Nital (cido ntrico y Alcohol etlico) al 3 %.
Microscopa
o Microscopio ptico
o Sistema de adquisicin de datos
o Computador y software para manejo y visualizacin de imgenes
metalogrficas.
Microdureza
o Microdurmetro
4. PROCEDIMIENTO
El desarrollo de la prctica del laboratorio de Metalografa parte con una introduccin
terica por parte del profesor sobre los conceptos fundamentales y generalidades de la
preparacin metalogrfica siguiendo con un reconocimiento de los equipos empleados
en la prctica, y los materiales que sern ensayados.
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asistencia y supervisin directa del auxiliar de laboratorio responsable del
equipo o instrumento en uso.
Seguir las recomendaciones del profesor y el auxiliar del laboratorio.
6. VARIABLES DEL ENSAYO
Fases presentes en la microestructura del material Propiedades mecnicas del material debido a los tratamientos trmicos del
mismo
7. DATOS A ANALIZAR
MATERIALFASES
PRESENTES
TRATAMIENTO
TERMCOCARACTERISTICAS
CONTENIDO
DE
CARBONO
Acero 1045
Recocido
Acero 1045
Templado
Acero
corrugado
Fundicin gris
8. TEORA DE LA PRCTICA
La metalografa estudia la estructura de los metales y sus aleaciones estos tienen un
enorme campo de aplicacin en las construcciones mecnicas y metlicas
Los ensayos microgrficos se realizan sobre muestras o probetas de los materiales que
han de ser sometidos a estudio, preparamos una superficie que luego de ser pulida
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convenientemente, se ataca con reactivos qumicos apropiados a la finalidad de la
determinacin a realizar.
Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por
irregularidades en el material, las muestras debern ser por lo menos dos, una de la
propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar
y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrn
deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta
adems, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricacin, como forjado,laminado, recocido, temple, etc. pues en muchos casos (forjado y laminado) es
beneficio contar con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha
indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de
dichas muestras o probetas. Esta preparacin consistente en llegar a un pulido casi
perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podramos llamar grueso, con el fin
de aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de
devastadoras mecnicas de diseo especial.
Los reactivos qumicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca
con ellos la revelacin, por coloracin o por corrosin, de los distintos componentes de
una estructura metalogrfica para poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general,
estn constituidos por cidos, lcalis, etc. diluidos en alcoholes, agua, glicerina, etc. Y
su eleccin se har de acuerdo con la naturaleza qumica la estructura a destacar en la
muestra.
Con tal fin, una vez pulida la superficie se har en agua caliente, frotndola con un
algodn o tela suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores o grasitud
que pueda presentar, concluyendo esta limpieza con alcohol etlico o solvente similar y
secndola con un soplado de aire caliente.Las fotografas obtenidas de estos exmenes, genricamente llamados
Microfotografas , se logran con la ayuda del microscopio mtalo grfico, cuyos
principios pticos y de observacin no difieren mayormente de los comunes. En l, con
iluminacin adecuada de una, se observa por reflexin (los rayos luminosos al incidir
sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a travs
de un sistema de lentes con los que se amplifica segn lo que requiera la observacin.
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Por otra parte, con la observacin de las estructuras microgrficas y por comparacin
con microfotogrfias, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y
variedad de los componentes, clasificacin de aceros, reconocer las inclusiones por
defectos de fabricacin (xidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos), etc
Se sabe que existe cierta relacin entre la tenacidad de los aceros y el tamao de
grano.
Siempre se han preferido los aceros de grano fino, porque las herramientas y piezasfabricadas con esos aceros, tiene mayor tenacidad que los fabricados con acero de
grano grueso.
En metalografa a menudo es necesario establecer cuantitativamente valores diferentes
tales como:
1. El nmero de partculas o poros por unidad de volumen (las partculas se usan aqu
en el sentido de partculas sueltas o unidades separadas de un constituyente en la
matriz; granos y tamaos de grano se refieren a los cristales de la matriz y su
tamao).
2. El tamao de las figuras presentes en la probeta.
3. El tamao del grano del material.
4. La fraccin de volumen de las fases presentes en una probeta.
Generalmente, los clculos de la fraccin de volumen a partir de las mediciones
cuantitativas sobre una superficie de un material opaco solamente puede, proporcionar
valores aproximados. No obstante, este mtodo es empleado casi sin excepcin.
TAMAO DE GRANO
Una de las mediciones micro estructurales cuantitativas ms comunes es aquella del
tamao de grano de metales y aleaciones. Numerosos procedimientos han sido
desarrollados para estimar el tamao de grano, estos procedimientos estn
sintetizados en detalle en ASTME112
Algunos tipos de tamao de grano son medidos, tamao de grano de la ferrita, tamao
de grano de la austenita y tamao de grano de la austenita previa. Cada tipo presenta
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Figura 2. Diagrama de Fases de las Aleaciones Hierro Carbono
La figura 2 muestra el diagrama de fases del sistema Hierro-Carbono, en el que el eje
vertical corresponde a la temperatura y el eje horizontal a la composicin qumica. En
el extremo izquierdo se encuentra la composicin 100% Fe y 0% C y en el extremo
derecho se encuentra la composicin 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra
solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor inters ya que contiene losaceros y las fundiciones de mayor uso.
Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cmo el metal al
solidificar se dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o
pierden energa y buscan una nueva ordenacin tratando siempre de permanecer
estables.
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EXAMEN MICROSCPICO DE LOS METALES
Los detalles de la estructura de los metales no son fcilmente visibles, pero las
estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las
caractersticas del metal, el tamao de grano y el contenido de carbono pueden
determinarse estudiando la micrografa. A continuacin se muestran varias imgenes
obtenidas de muestras de materiales metlicos observadas a travs del microscopio
ptico:
Figura 3. Imgenes metalogrficas
El porcentaje aproximado de carbono puede estimarse por medio de porcentaje de
perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propsito, se
utilizan un microscopio metalrgico y tcnicas asociadas de foto microscopia. El
microscopio metalrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros
propsitos, excepto que contiene un sistema de iluminacin dentro del sistema delentes para proveer iluminacin vertical.
Algunos microscopios tambin tienen un retculo y una escala micromtrica para medir
la imagen aumentada. Otro retculo que se utiliza contiene los diferentes tamaos de
grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamao de grano
relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminacin o el sistema ptico para
reducir el brillo y mejorar la definicin de las estructuras de grano. En poder de
aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente
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objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X
agrandara la imagen hasta 500X (500 dimetros).
Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseo ms moderno. En este
instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de
platina invertida, junto con una cmara de video y un monitor de TV de circuito
cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolucin. La mayor
ventaja de este arreglo se obtiene en la visualizacin de grupo. Los instrumentos de
metalografa tambin permiten un observacin en grupo del aumento metalrgico. Laimagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios
metalrgicos se utilizan modelos de gran tamao. Muchos instrumentos mtalo
grficos tienen la capacidad de producir microfotografas de color instantneas o
estndar. Para obtener fotografas existen adaptadores para la mayora de los
microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con una cmara
SLR de 35mm para la toma de foto micrografas. Con este arreglo simple, el obturador
se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8 segundos con
una pelcula Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le vidrio mate de la
cmara.
Preparacin de la muestra
La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la
orientacin apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsin es importante,
puede ser que una seccin transversal de la parte no muestre granos alargados;
nicamente una tajada paralela a la direccin de laminado revelara adecuadamente
los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se requiere ms de unamuestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio de una seccin
transversal.
Los materiales blandos (de durezas menores a 35 RC) pueden seccionarse por
aserrado, pero los materiales ms duros deben cortarse con un disco agresivo. Las
sierras de corte metalrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las
herramientas que se usan para este propsito. La muestra no debe sobrecalentarse, no
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importa si es dura o blanda. Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta
temperatura de corte.
La muestras pequeos o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para
facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeos muestras de hoja
metlica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o
sujetarse rgidamente en una monta mecnica.
A menudo, se utiliza los plsticos termo fijos conformndolos con calor y presin
alrededor de la muestra. La resina termo fijada que ms se emplea para montarmuestras es la baquelita.
Pulido de la muestra
Los granos y otras caractersticas de los metales no pueden verse al menos que la
muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes
mtodos de pulido tales como el electroltico, el rotatorio o el de vibracin.
El procedimiento ms comn consiste en desbastar primero la superficie de la muestra
en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde
el nmero de partcula de 240 hasta de 600.
Pulido intermedio
La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos ms finos,
sucesivamente.
El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo
general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sinembargo, en ciertos casos, como el de preparacin de materiales suaves, se puede
usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de
silicio tiene mayor rapidez de remocin y, como su acabado es a base de resina, se
puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra,
minimiza el dao cuando los metales son blandos y tambin proporciona una accin de
enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo
que le papel no se ensucie.
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Pulido fino
El tiempo utilizado y el xito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto
durante los pasos de pulido previo. La ltima aproximacin a una superficie plana libre
de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria hmeda cubierta con un pao
especial cargado con partculas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamao.
Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el ltimo pulido. En tanto que
muchos harn un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama delxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y xido de
serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final
que se emplean a menudo son la pasta de diamante, xido de cromo y xido de
magnesio.
La seleccin de un pao para pulir depende del material que vaya a pulirse y el
propsito del estudio mtalo grfico. Se pueden encontrar paos de lanilla o pelillo
variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo
intermedio (como pao de ancho, pao de billar y lonilla) adems de aquellos de pelillo
profundo (como el terciopelo). Tambin se pueden encontrar paos sintticos para
pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro pao son los que se
utilizan ms ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrar
nicamente las inclusiones no metlicas; adems, estar libre de ralladuras.
Ataque qumico de la muestra
El propsito del ataque qumico es hacer visibles las caractersticas estructurales del
metal o aleacin. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas laspartes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que
somete a la superficie pulida a una accin qumica. Los reactivos que se sutilizan
consisten en cidos orgnicos o inorgnicos y el lcalis disueltos en alcohol, agua u
otros solventes. En la tabla que se muestra a continuacin se observan los reactivos
ms comunes.
Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergindolas boca
abajo en una solucin contenida en una caja de Petri. Un mtodo opcional consiste en
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aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto,
la muestra quedar subatacada y los lmites de grano y otras configuraciones se vern
desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de
ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacar y quedar muy obscura,
mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy
cuidadosamente.
La accin del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua.
Lmpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar desecarla. Cudese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los
dedos, porque esto altera la condicin superficial del metal.
9. CUESTIONARIO
Investigue acerca de la composicin y propiedades de las siguientes fases
propias del sistema hierro-carbono: ferrita, perlita y cementita.
Qu es martensita?, Cules son las propiedades propias de esta fase?,
Cmo se obtiene?
Cules son las diferencias entre los aceros y las fundiciones de hierro? (Estas
diferencias tienen que ver con las fases presentes, la manera en que el Carbo
est presente en el material, las propiedades mecnicas, etc)
Investigue acerca de la influencia del tamao de grano en las propiedades
mecnicas de los metales.
Para cada uno de los aceros estudiados en la prctica estime el porcentaje de
carbono en base a las imgenes obtenidas en la prctica.
En base a toda la informacin anterior y las imgenes obtenidas en ellaboratorio, comente acerca de las fases presentes y las propiedades de los
materiales observados.