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MANUAL DE PROCEDIMIENTOS DE PRÁCTICAS LABORATORIO CARRERA SEDE

Ciencia de Ciencia de Materiales / Metalografía Ingeniería Mecánica Quito – Campus Sur

Universidad Politécnica Salesiana Sede Quito – Campus Sur

Carrera de Ingeniería Mecánica

Ciencia de Materiales II

Informe de laboratorio (Acero AISI 4340)

Docente: Ing. Milton Jami

Alumno: Jose Jonny Condolo Molina

Nivel: 6

Grupo: 1

Elaborado por: Ing. Milton Salomón Jami. MsC. Fecha de elaboración: octubre2018

Revisado por: Ing. Patricio Quitiaquez MsC. Fecha de revisión: Octubre 2018

Aprobado por: Fis. Sonia Guaño MsC. Número de resolución de Consejo de Carrera:

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1. DATOS INFORMATIVOS a. Materia / Cátedra relacionada:

Procesos de Manufactura

b. Número de práctica:

2

c. Número de estudiantes:

32

d. Nombre del docente:

Milton Jami

e. Tiempo estimado:

90 minutos

2. DATOS DE LA PRÁCTICA a. Tema Caracterizar probetas de Aceros Aleados, AISI 4340, AISI D3, AISI 1018, AISI 5115, AISI 7210, AISI D6. b. Objetivo general Preparar la probeta en acero aleado AISI 4340, para caracterizar la microestructura en el laboratorio de metalografía. c. Objetivos específicos 

Seguir un procedimiento ASTM E-3 para alcanzar una probeta sometida a observación metalográfica.

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

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Establecer diferencias visuales entre cada una de estas fases en base a las imágenes observadas por medio del microscopio óptico.



Diferenciar el tamaño de grano, así como el límite y el tipo de granos presentes en la captura de la imagen.



Manipular los reactivos para cada material.

d. Marco teórico Debe responder en forma de párrafos a las preguntas expuestas:  Aceros aleados 

AISI 4340. Acero de baja aleación al Cromo Níquel Molibdeno. Posee gran templabilidad, tenacidad y resistencia a la fatiga. Se suministra con tratamiento térmico de bonificado (temple y revenido). Se utiliza en piezas que están sometidas a grandes exigencias de dureza, resistencia mecánica y tenacidad. Su maquinabilidad es regular y posee baja soldabilidad.



AISI D3 Acero ledeburítico al 12% de cromo, de mínima variabilidad dimensional, especialmente apto para el temple al aire. Buena tenacidad. Es considerado un acero semi-inoxidable, por su alto contenido en cromo, por lo que el mantenimiento que requiere es mínimo. Su alto contenido en carbono le proporciona elevada dureza y retención de filo.

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Temple: 940-970ºC de enfriamiento en aceite, baño de sales a 220-250ºC o 500550ºC. Es posible un temple al aire o al aire comprimido hasta un espesor máximo de 25 mm. Revenido: Se debe realizar inmediatamente después del temple, mediante un calentamiento lento a temperatura de revenido.  Con un tiempo de permanencia en el horno de 1 hora por cada 20 mm (recomiendan mínimo 2 horas), enfriamiento al aire. 

AISI 1018 Es el más común de los aceros rolados en frío. Es un producto muy útil debido a sus características típicas de buena resistencia mecánica y buena ductilidad. En términos generales excelente soldabilidad y mejor maquinabilidad que la mayoría de los aceros al carbón. Puede ser sometida a cementado para tener una superficie dura pero un centro de gran tenacidad. Por su ductilidad puede usarse en procesos de recalcado, doblado, estampado, etc.



AISI 5115 Acero aleado al Cromo – Manganeso Acero de uso universal utilizado en piezas sometidas a medianas solicitaciones mecánicas que requieran gran dureza superficial y un núcleo tenaz. Ideal para fabricar moldes de inyección de plástico.

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Tratamiento Térmico: Acero apto para el temple directo: cementación de baja y alta templabilidad. 

AISI 7210 Acero aleado para cementación, con un núcleo de alta resistencia. Se usa para casos donde se requiere alta dureza y resistencia al desgaste superficial combinado con buena tenacidad del núcleo. Tiene un grano fino tratado, del cual se aprovecha tenacidad y seguridad en el temple directo. Se suministra con una buena dureza natural controlada, dando opta maquinabilidad.



AISI D6 Acero leduburítico al Cromo, con alto contenido de Carbono, Aleado con tungsteno. Mayor resistencia al desgaste que "D3", alta resistencia a la corrosión, elevada dureza después del temple con muy buena estabilidad dimensional. Cuchillas, punzones y matrices de corte para espesores hasta 3mm. aprox. Herramientas de extrusión. Herramientas para trabajar la madera. Cuchillas para papel y derivados.

 Elementos de aleación 

AISI 4340 Elemento

Hierro, Fe Elaborado por: Ing. Milton Salomón Jami. MsC. Fecha de elaboración: octubre2018

Contenido (%) 95,195 – 96,33 Revisado por: Ing. Patricio Quitiaquez MsC. Fecha de revisión: Octubre 2018

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Níquel, Ni

1,65 – 2,00

Cromo, Cr Manganeso, Mn Carbono, C Molibdeno, Mo Silicio, Si Azufre, S Fósforo, P  AISI D3

0,700 – 0,900 0,600 – 0,800 0,370 – 0,430 0,200 – 0,300 0,150 – 0,300 0,0400 0,0350

Elemento

Contenido (%) 2 0,25 0,35 11,30

Carbono, C Silicio, Si Manganeso, Mn Cromo, Cr  AISI 1018 Elemento Carbono, C Silicio, Si Manganeso, Mn P max. S max.  AISI 5115

Contenido (%) 0,15-0,20 0,15-0,35 0,60-0,90 0,04 0,06

Elemento Carbono, C Silicio, Si Manganeso, Mn Cromo, Cr Molibdeno, Mo Níquel, Ni  AISI 7210

Contenido (%) 0,13 – 0,18 0,15 – 0,30 0,70 – 0,90 0,70 – 0,90 -

Elemento Carbono, C Silicio, Si Manganeso, Mn Cromo, Cr

Contenido (%) 0,15 0,25 0,90 0,80

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Molibdeno, Mo Níquel, Ni  AISI D6

0,1 1,2

Elemento Carbono, C Silicio, Si Manganeso, Mn Cr W

Contenido (%) 2,05 0,30 0,80 11,5 0,70

Efectos principales de los mejores aleantes para el acero Element o

Porcentaj e

Alumini o

0,95–1,30

Elemento aleante para la nitruración del acero

Bismuto

-

Mejora la maquinabilidad

Boro

0,001– 0,003

Poderoso agente endurecedor

Cromo

0,5–2

Incrementa la dureza

4–18

Incrementa la resistencia a la corrosión

Cobre

0,1–0,4

Resistencia a la corrosión

Plomo

-

Mejora la maquinabilidad

Mangane 0,25–0,40 so

Función Primaria

Combinado con Azufre y con Fósforo reduce la fragilidad. También ayuda a remover el exceso de oxígeno en el acero fundido

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>1

Aumenta la templabilidad al disminuir los puntos de transformación

Molibde no

0,2–5

Estable carburo, inhibe el crecimiento de grano (Evita formación de cristales a altas temperaturas). Aumenta la tenacidad de acero, haciendo así una aleación de metal de molibdeno muy valioso para fabricar las partes de corte de herramientas de máquinas y también las alabes o aspas de una turbina.

Níquel

2–5

Aumenta la resistencia y dureza (se utiliza en conjunto con el molibdeno para lograr mejores resultados)

12–20

Incrementa la resistencia a la corrosión

0,2–0,7

Incrementa la fuerza

2,0

Aceros elásticos

En altos porcentaje s

Mejora las propiedades magnéticas

Azufre

0,08–0,15

Mejora las propiedades del mecanizado (forjado, troquelado, etc.)

Titanio

-

Corrección de carbono en partículas inertes, reduce la dureza martensíticas (en acero es la no difusión del carbono cuando se forma o calienta el metal, el temple dificulta la difusión del carbono y se origina partículas de martensita.. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono) en los aceros al cromo

Silicio

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Vanadio

0,15

Carburos estables; aumenta la resistencia/fuerza sin perder ductilidad, promueve estructura de grano fino. Aumenta la resistencia a altas temperaturas

Cobalto

-

Aumenta la dureza del acero en caliente, su resistencia a la corrosión, a la oxidación y al desgaste

Wolfram io

-

Se utiliza para hacer los denominados aceros rápidos, con mayor resistencia al desgaste y a la temperatura.

 Límites de grano Los límites de grano son defectos interfaciales en materiales poli cristalinos, son límites que separan granos o cristales de diferentes orientaciones. Las muestras metálicas y cerámicas se pulen, en primer lugar, para obtener una superficie lisa, y entonces son químicamente tratadas con agua fuerte de forma que los límites de grano son atacados más rápidamente Al examinarse con un microscopio óptico la luz incidente no será tan intensamente reflejada en los límites de grano que aparecerán como líneas oscuras en el ocular del microscopio.  Tamaño de granos El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se

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distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburación y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.

 Tipos de grano. 

De granos simples. Casi enteramente constituida por granos de arena., sin, o con muy poco, material fino entre los granos. Granos sueltos o tocándose parcialmente.



De granos puenteados. Granos de arena unidos por puentes de material fino.



De granos peliculares. Granos de arena recubiertos de una película de material fino.



De micro agregados intergranulares. Entre los granos de arena hay micro agregados de material fino.



De vesículas intergranulares. Con vesículas entre los granos de arena.



De canales intergranulares. Con canales entre los granos de arena.

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

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De granos compactos. Con granos de arena muy próximos entre sí, dando una estructura muy compacta

 Microestructuras en Atlas Metalográfico. El atlas posee cantidad de datos inherentes a la composición química y a las características mecánicas y tecnológicas de cada acero. Incluyen diagramas de equilibrio, que permiten establecer las fases que existen a cada temperatura, la composición de dichas fases así como las cantidades relativas de cada una de ellas. No informan sobre la influencia que la velocidad de enfriamiento tiene sobre la estructura de la aleación y la posibilidad de que se produzcan segregaciones de uno o más componentes de un sistema. La práctica de este procedimiento se vuelve compleja pues los materiales presentan diferentes morfologías, dependiendo de los tratamientos térmicos y también de la composición química empleada.

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Ilustración. 1 Microestructura del acero AISI 4340 observada a 100x Fuente: (Vegas, J y Robles J)

e.

Marco procedimental

 Preparación de la muestra.  Desbaste de la muestra  Pulido intermedio en banco de lijas desde la lija Nº400, 800, 1200, y la Nº 1700.  Pulido fino en la pulidora de paño, utilizar Al2O3  Utilizar el reactivo químico indicado según normas, para realizar el ataque a cada material.  Secar probeta con aire  Observar la microestructura en el microscopio metalográfico.  Capturar imagen.  Realizar comparación con el atlas de Metalografía y hacer discusión de resultados.  Realizar informe de práctica.

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f. Recursos utilizados (Equipos, accesorios y material consumible) N. 1 2 3 4

RECURSO Banco de lijas de desbaste Banco de lijas de pulido Maquina pulidora de paño Reactivos químicos para revelar probeta

CANTIDAD 4 1 2 1

UNIDAD u u U 50mg

5 6

NITAL 2 Línea de aire para secado de probetas Microscopio Metalográfico.

1 1

u 10x

g. Registro de resultados

Ilustración. 2 Microestructura del Acero AISI 4340 Fuente: Condolo Jose (Lab. Metalografía)

Ilustración. 1 Microestructura del acero AISI 4340 observada a 100x Fuente: (Vegas, J y Robles J)

Analizando los resultados obtenidos con la práctica realizada la probeta acero aleado AISI 4340 se obtuvo que si esta es sometida a pulido intermedio aplicada por lijas de 500 a 2500 si no son empleadas correctamente, provocaran ralladuras en la superficie del material a trabajar afectando a su microestructura, mientras si se aplica pulido fino al material aplicado por la máquina de pulido constituida de una rueda giratoria y un pañuelo húmedo cargado con partículas abrasivas acuosas, ya que este tratamiento es Elaborado por: Ing. Milton Salomón Jami. MsC. Fecha de elaboración: octubre2018

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una aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se puede visualizar su microestructura metalográfico de la probeta a trabajar obteniendo grandes resultados. Al realizarse el ataque químico mediante su reactivo adecuado se obtiene mejores y excelentes resultados esto consiste en pasar sobre la cara pulida una a dos gotas sobre la superficie del material, luego se enjuaga con agua se deja secar en una corriente de aire. El fundamento se basa en el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción Con cada uno de estos tratamientos el que más se acerca a los resultados del material en el atlas metalográfico es el ataque químico. Conclusiones 

Sometiendo la probeta a un pulido intermedio con lija 500 a 2500 , pulido fino con la maquina pulidora y reactivo químico adecuado según el material se obtiene y se observa condiciones de microestructura con diferentes resultados



En esta práctica se pudo evidenciar algunas características del acero aleado AISI 4340, debido a que este tipo de probeta fue diseñada para ser analizada mediante la metalografía y así poder relacionar las propiedades físicas y mecánicas.



Se estableció diferencias visuales comparando la microestructura del material con la del atlas metalográfico, además de que al momento de ser atacada con el reactivo los límites de grano también lo son más rápidamente, se podría decir que el tipo de grano es de microagregados intergranulares.

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

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Se comprobó que con el ataque químico aplicado al final, la claridad de la microestructura es mucho más visible que con los otros procedimientos.

Recomendaciones 

Debido a la opacidad de los metales y aleaciones, el microscopio debe operar con la luz reflejada por el material. Por lo que para poder observarla es necesario preparar la probeta y pulir a espejo la superficie.



Utilizar los elementos y materiales de manera correcta al momento de aplicar cada uno de los tratamientos en la superficie del material a trabajar.



Es necesario graduar el microscopio para poder observar más claramente la microestructura.



Para que la prueba se realice de manera adecuada y de resultados correctos es necesario limpiar la superficie de la probeta nivelada y abrillantada por los pulimentos (brazo) para que su lectura en el microscopio metalográfico sea óptimo.

h. Anexos

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i. Bibliografía utilizada Vegas, J y Robles J "Caracterización del acero AISI 4340 en el Laboratorio de Tratamientos térmicos del IUTPC". Recuperado el 15 de Enero de 2019 de: http://metalografiainsitu.blogspot.com/2016/02/acero-aisi-4340-normalizadorecocido.html http://www.ivanbohman.com.ec/wp-content/uploads/2018/10/Catalogo-generalIBCA-2018-.pdf Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2007), Materials and Processes in Manufacturing (10th edición), Wiley, ISBN 978-0-470-05512-0 A. Nesse, G. Garbossa, G. Pérez, D. Vittori, N. Pregi - Laboratorio de Análisis Biológicos, Departamento de Química Biológica, facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires.- Revista Química Viva, Volumen 2, Número 1, abril 2003. Callister, W. D. (2002). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales (Vol. 1). Reverté. UNIVERSIDAD COMPLUTENSE MADRID: “Atlas Metalográfico como Recurso Didáctico en el Aprendizaje de Microestructuras de Aleaciones de Interés Tecnológico”

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