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PROPUESTA DE TRABAJO DE GRADO

VERSIÓN: 01

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES E INGENIERIAS

TECNOLOGIA EN OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ELECTROMECÁNICO

LABORATORIO DE RESISTENCIA DE MATERIALES

ENSAYO METALOGRAFIA

E-112A

M.SC.ENG DIANA CAROLINA DULCEY DIAZ PRESENTADO POR: Franco Alexander Salamanca Carreño Sergio Alexander Mancipe Medina

Bucaramanga Fecha de Presentación: (27-05-2019) ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones

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TABLA DE CONTENIDO 1.

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………….4

2.

MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………….4

2.1.

GENERALIDADES SOBRE LA METALOGRAFÍA ………………………………………….4

2.1.1. ANÁLISIS MACROSCÓPICO…………………………………………………………………..5 2.1.2. ANÁLISIS MICROSCÓPICO …………………………………………………………………...6 2.1.2.1. GRANOS…………………………………………………………………………………………6 2.1.2.2. MICROSCÓPIO………………………………………………………………………………….6 2.2.

ENSAYO DE METALOGRAFÍA ……………………………………………………………….8

2.2.1. SECCIONAR……………………………………………………………………………………..8 2.2.2. MONTAJE DE LA MUESTRA………………………………………………………………….8 2.2.3. PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE………………………………………………….……10 2.2.4. ATÁQUE QUÍMICO ……………………………………………………………………………10 3.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………………………..………..13

4.

JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………….13

5.

OBJETIVOS…………………………………………………………………………………….14

5.1.

OBJETIVO GENERAL………………………………………………………………………...14

5.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS………………………………………………………………….14

6.

METODOLOGÍA DEL EXPERIMENTO………………………………………..…………….14

6.1.

ELECCIÓN DE LA PROBETA (MUESTRA)………………………………………………….14

6.2.

PREPARACIÓN DE LA PROBETA (MUESTRA)……………………………………………14

6.3.

ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL ANTES DEL ATAQUE………………………….……15

6.4.

ATAQUE QUÍMICO……………………………………………………………………………..16

6.5.

ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DESPUÉS DEL ATAQUE……………………………16

7.

EQUIPOS Y MATERIALES …………………………………………………………………..17

7.1

SOFTWARE EOS UTILITY (EU), INSIGHT PRO-8 E IMAGEN……………………………17

7.2

MICROSCOPIO METALOGRÁFICO………………………………………………………….17

7.3.

PULIDORA METALOGRÁFICA……………………………………………………………….18

7.4.

PROBETA (MUESTRA) DE ACERO 1020…………………………………………………..19

8.

RESULTADOS OBTENIDOS…………………………………………………………………19

9.

CONCLUSIONES………………………………………………………………………………21

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10.

RECOMENDACIONES……………………………………………………………………….21

11.

BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………..22

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1. INTRODUCCIÓN En el presente informe se describe el ensayo metalográfico realizado a la superficie de la sección trasversal de una probeta, la cual, anteriormente fue sometida a un esfuerzo torsor hasta producir su ruptura. Este ensayo se realiza con el fin de conocer la granulometría del acero 1020, lo cual es importante para determinar qué tan duro es dicho material en comparación con otros, y a su vez observar, con la ayuda de un microscopio como es su estructura superficial después de cada proceso aplicado al transcurrir la práctica. los procesos que se le realizan a la probeta durante el ensayo son: desbaste, utilizando lijas de diferente denominación; pulido, en una máquina de laboratorio para pulir y con la ayuda de una sustancia para facilitar el pulido; ataque químico, el cual es un proceso de oxidación controlado utilizando una solución química, en este caso 95% alcohol etílico y un 5% de acido nítrico. Después de llevar a cabo todo el proceso se realizan los cálculos de granulometría para determinar el tamaño de grano, apoyándose en el registro fotográfico que se realiza de los lentes de 10x 20x y 50x del microscopio. Para este ensayo se siguen los lineamientos de la norma ASTM E-3 y E112.

2. MARCO TEÓRICO 2.1. GENERALIDADES SOBRE LA 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 (1). El estudio de metalografía puede integrarse en dos subdivisiones: 2.1.1. ANÁLISIS MACROSCÓPICO El análisis macroscópico es aquel que se puede realizar a simple vista, es decir sin necesidad de microscopio (2). El análisis macroscópico se puede usar en: • Líneas de flujo en materiales forjados. • Capas en herramientas endurecidas por medio de tratamiento térmico. ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones

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• Zonas resultado del proceso de soldadura. • Granos en algunos materiales con tamaño de grano visible (1). • Marcas de maquinado. • Grietas y ralladuras. • Orientación de la fractura en fallas.

2.1.2. ANÁLISIS MICROSCÓPICO Aquel tipo de análisis que no se puede realizar a simple vista, (menor a 10−3 m). Observar las estructuras microscópicas en materiales ayuda a comprender el comportamiento de los mismos. El análisis microscópico se puede usar en: • Tamaño de grano. • Límites de grano y dislocaciones. • Análisis microestructural. • Distribución de fases en aleaciones (1). Para comprender el análisis microscópico es necesario tener claridad sobre el concepto de grano y el funcionamiento del microscopio metalográfico. 2.1.2.1. 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 (3). 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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Figura 1. Formación de granos por solidificación (3)

La figura muestra la formación de granos. (a) Se muestran los pequeños cristales iniciales dentro de la formación. (b) Los pequeños cristales crecen y se agrupan con otros cercanos. (c) Formación de granos completos. (d) Representación de los granos vistos en el microscopio (3). 2.1.2.2. MICROSCÓPIO

Figura 2. Funcionamiento de un microscopio metalográfico (3) ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones

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La figura 2 muestra el funcionamiento de un microscopio óptico reflexivo. Los microscopios ópticos funcionan básicamente por medio de la combinación entre el sistema óptico y la iluminación. 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) de la figura 2 se muestran 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 (3).

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2.2. ENSAYO DE METALOGRAFÍA La preparación de una muestra consiste en los pasos necesarios para poder analizar la misma de forma correcta. Específicamente se describen a continuación, los pasos para la preparación de muestras observadas en microscopio. 2.2.1. SECCIONAR Consiste en remover una muestra del material analizado, teniendo en cuenta las convenciones en tamaño y qué tan representativa es dicha porción del total a analizar. Este primer paso es usado para otras prácticas además de la metalografía, por ejemplo, ensayos de dureza (1). 2.2.2. MONTAJE DE LA MUESTRA Consiste en proporcionar una base que sostenga la muestra, lo anterior brinda facilidad de uso. Por ejemplo, en la manipulación de especímenes pequeños o cortantes. Es importante tener en cuenta que, antes de realizar el montaje se debe limpiar la muestra según su naturaleza. Por ejemplo, muestras con óxido (el cual no es objeto de estudio) deben ser limpiadas químicamente, por otro lado, la limpieza física es adecuada y casi siempre necesaria (1). Tipos de montaje: MONTAJE MECÁNICO: Montaje en abrazaderas de diferentes tipos. Es un tipo de montaje sencillo, pues no requiere maquinaria especializada.

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Figura 3. Tipos de montajes mecanicos (1)

MONTAJE EN PLÁSTICO: Es el tipo de montaje más usado. Básicamente se usan dos formas para montaje en plástico: 

Moldeo por compresión o montaje en caliente: Requiere de calor, presión y por tanto algún tipo de prensa especializada.



Montaje en frio: Se realiza vertiendo encima de la muestra, dos mezclas líquidas poliméricas que se solidifican al reaccionar a temperatura ambiente.

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Figura 4. Tipos de montaje en frio, los dos tipos de puntos representan diferentes plásticos (1)

2.2.3. PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE Durante el montaje de muestras generalmente el objeto de estudio es solamente una superficie, los tipos de preparación son: 

MAQUINADO: Uso de herramientas con filos de diferentes formas, ejemplo torneado y fresado.



RECTIFICADO Y ABRASIÓN: Arreglo de partículas abrasivas fijas que actúan como herramientas de corte.



PULIMENTO: Arreglo de partículas abrasivas suspendidas entre las fibras de un paño

Para la preparación de superficies típicamente se utiliza una secuencia de maquinado o rectificado y luego de pulimento. La operación se compone de distintas etapas que van incrementando su fineza para proporcionar un mejor acabado (1).

2.2.4. ATÁQUE QUÍMICO Luego de la última pasada de pulimento, la superficie es tratada químicamente. El ataque químico es un proceso de corrosión controlada de la muestra, se realiza sumergiendo la superficie en algún tipo de solución adecuada. La solución química usada depende del material que compone la muestra, la temperatura y tiempo del ataque, el efecto deseado en la superficie entre otros (1). La siguiente tabla muestra soluciones químicas para realizar el ataque en algunos metales típicos.

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Tabla 1. Soluciones químicas de acabado (1)

Aluminio

Cobre

60ml H2SO4 30ml H3PO4 10ml HNO3 70ml H3PO4 15ml ác. Acético 15ml Agua 6ml HNO3 65ml ác. Acético 27ml H3PO4 80ml H2SO4 20ml HNO3 1ml HCl 55-60g CrO3 200ml Agua

Hierros

Hierro, aleaciones con bajo contenido de Carbono

Aceros al carbono

Acero inoxidable

70ml H2O2 (30%) 30ml HNO3 70ml HF 300ml agua 25g ác. Oxálico 10ml H2O2 1gota de H2SO4 1000ml de agua 3 partes de H3PO4 1 parte de H2SO4 1 parte de HNO3 90ml H2O2 (30%) 10ml Agua 15ml H2SO4

Usar a 100°C de 2 a 5 min

Usar de 100°C a 120°C por 2 a 6 min

Pulir hasta lija 600 y sumergir a 60°C por 1 min

Usar de 20°C a 40°C por 1 a 3 min. Eficaz con aleaciones también.

Usar de 15°C a 25°C

Usar a 60°C

Pulir hasta lija 600 y sumergir a 20°C

Usar a 85°C

Usar de 25°C de 2 a 5 min

Agregar por peso 30% HCL 40% H2SO4 Usar por inmersión de 70°C a 80°C de 2 a 5.5% tetracloruro de 5 min titanio

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24.5% Agua

Solución A

Aceros

Concentraciones mayores a 0,3% C: Pulir hasta lija 150, sumergir en solución A de 15 3 partes de H2O2 a 25 segundos, lavar con agua, limpiar con solución B en algodón, lavar con agua y (30%) secar. 10 partes agua 1 parte HF Concentraciones entre 0.15 y 0.3% C: Pulir hasta lija 320 y sumergir en solución A de 12 a 18 segundos, luego realizar proceso de limpieza indicado anteriormente. Solución B Concentraciones menores a 0.15% C: Pulir 1 parte H3PO4 hasta lija 600 Sumergir en solución A de 3 a 5 segundos, luego realizar proceso de 15 partes agua limpieza indicado anteriormente.

Adicionalmente se presentan dos químicos comunes para el acabado final de las muestras en aleaciones ferrosas en la siguiente tabla.

Tabla 2. Soluciones típicas para el tratamiento de aceros (4) (5)

SOLUCIÓN

COMPOSICIÓN

PICRAL

Ácido pícrico 4 g Alcohol etílico 100 ml

NITAL 2%

Ácido nítrico 2ml Alcohol etílico 110 ml

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EFECTO Revelar límites de grano de austenita en estructuras martensíticas. Ennegrecer perlita. Realzar la interface entre los carburos y la matriz. Ennegrecer perlita.

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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Es normal que en aplicaciones de la ingeniería como en el diseño de ciertos elementos de máquinas, que se desea, que cumpla con una función determinada bajo condiciones ambientales específicas, sea necesario la selección del material adecuado. La metalografía analiza y determina propiedades de los metales (en la actualidad de algunos no metales) por ejemplo: tamaño de grano, profundidades de soldaduras, espesores, recubrimientos, porcentajes de áreas de diferentes aleaciones, tamaños de partículas. En donde cada una de estas se compara contra la especificación que se requiere, o bien para certificar el material, garantizando su utilidad. Por estas razones es necesario llevar a cabo el ensayo de metalografía en los materiales, más comúnmente en los metales, que son los más usados en distintas áreas de la ingeniería.

4. JUSTIFICACIÓN Realizar el ensayo de metalografía en los materiales que serán utilizados en secciones criticas de una maquina es muy importante para saber si el material cumple con los criterios de selección y determinar que la pieza no va a perjudicar en algún momento de su vida útil al proceso que lleva el equipo en cuestión. Que el estudiante de ingeniería electromecánica de las unidades Tecnológicas de Santander tenga en cuenta un ensayo metalográfico, y aparte de esto, conozca el proceso del mismo, resulta muy beneficioso para certificar los materiales empleados para determinada función y que estará bajo ciertas condiciones ambientales y de esta manera darle más confiabilidad al equipo que se esté desarrollando.

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5. OBJETIVOS 5.1. OBJETIVO GENERAL Realizar el estudio microscópico de la sección trasversal (lugar de la ruptura) de una probeta de acero 1020 que fue sometida a una carga de torsión hasta ocasionar su ruptura. 5.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Realizar el desbaste y pulido a espejo de la sección trasversal del material, con

lijas que van desde la denominación de 400 hasta la 1200, y usando alúmina para le pulido. 2. Realizar el ataque químico a la superficie pulida a espejo del material utilizando

una solución de 95% alcohol etílico y 5% de ácido nítrico 3. Visualizar la microestructura superficial del material en el microscopio con los

lentes de 10x, 20x y 50x, y hacer registro fotográfico. 4. Utilizar las fotografías para hacer el cálculo de tamaño de grano y el análisis de la

microestructura del acero 1020.

6. METODOLOGÍA DEL EXPERIMENTO

6.1. Elección de la probeta (muestra). Se eligió como probeta para el ensayo de metalografía un pedazo de la probeta utilizada en el ensayo de torsión con el fin de analizar la parte fracturada.

6.2. Preparación de la probeta (muestra). Regidos bajo la norma de preparación de muestras de análisis metalográfico ASTM, procedemos hacer el corte de la muestra longitudinalmente cerca a 1cm del lugar donde fracturo por torsión. Luego del corte procedimos al desbaste en el cual la probeta (muestra) se lija con lijas 250, 400, 800 y

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1200, teniendo en cuenta girar la muestra 90° cada vez que cambiamos de lija evitando así imperfecciones en la muestra, terminando con la preparación de la probeta (muestra) pasamos al pulido el cual se realiza de forma manual, usando alúmina como abrasivo el pulido manual se ha realizado en dirección contraria al sentido de rotación del disco de pulido. Además, la muestra debe ser movida continuamente acercándola y alejándola desde el centro al borde del disco, asegurando una distribución igual del abrasivo, y así evitar la aparición de colas de cometa.

6.3. Análisis microestructural antes del ataque. El análisis de la probeta (muestra) antes del ataque químico se realizó en un microscopio por medio del cual se hicieron las tomas de las micrografías a 10x, 20x y 50x para proceder a realizar el respectivo estudio de las inclusiones no metálicas presentes en la microestructura, basándose en la norma para inclusiones no metálicas en aceros (ASTM E45).

Figura 5. Micrografía con lente 10x. Fuente: Autores.

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Figura 6: Micrografía con lente 20x. Fuente: Autores.

Figura 7: Micrografía con lente 50x. Fuente: Autores.

6.4. Ataque químico. Para este ataque químico utilizamos la solución química respectiva para el material en este caso aceros al carbono, el cual debe sumergir la probeta (muestra) de 2 a 5 minutos a 25°C.

6.5. Análisis microestructural después del ataque. El análisis de la probeta (muestra) después del ataque químico se realizó en un microscopio por medio del cual se hicieron

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las tomas de las micrografías a 10x, 20x y 50x para visualizar mejor el grano de la probeta (muestra).

7. EQUIPOS Y MATERIALES 7.1 Software Eos utility (EU), insight pro-8 e imagen.

Es un software para la comunicación con la cámara EOS DIGITAL. Conectando la cámara y el ordenador puede descargar en el ordenador las imágenes guardadas en la tarjeta memoria de la cámara, así como establecer distintos ajustes de la cámara o tomar la foto remotamente desde EU en el ordenador.

7.2 Microscopio Metalográfico.

Este tipo de microscopio es de uso común para el control de calidad y producción en los procesos industriales. Con ellos, es posible realizar el control de superficie y el análisis óptico de los metales. De acuerdo al propósito de uso, existen multitud de variedades dependiendo del tipo de objetivos, oculares, aumento máximo permitido, enfoque, etc. Este tipo de microscopio difiere de los biológicos en que el objeto a estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz.

Su funcionamiento está basado en la reflexión de un haz de luz horizontal que proviene de la fuente, dicha reflexión se produce, por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo, a través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Parte de esta luz incidente, reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al pasar a través del sistema inferior de lentes, llegará al objetivo y continuará hacia arriba a través reflector de vidrio plano; después, de nuevo se amplificará en el sistema superior de lentes (ocular). ELABORADO POR: Oficina de Investigaciones

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Figura 8: Microscopio Metalográfico. Fuente:http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/Anexo/microscopio_metalografic o.htm

7.3. Pulidora metalográfica.

Dispositivo que permite terminar los diferentes tipos de muestras. Su disco de pulir contiene varios gramos, combinados con diversas velocidades de rotación, permiten diversas aplicaciones.

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Figura 9: Pulidora Metalográfica. Fuente: Autores.

7.4. Probeta (muestra) de Acero 1020.

De la practica numero 1, en nuestro caso fue el ensayo de torsión seleccionamos un pedazo de probeta para analizar la superficie fracturada en el ensayo de metalografía.

8. RESULTADOS OBTENIDOS Observamos cada una de las micrografías al 10x, 20x y 50, y nos podemos dar cuenta que al comparar con las micrografías tomadas antes del ataque químico se nota un poco mejor la microestructura de la superficie longitudinal lista para la determinación del tamaño de grano.

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Figura 10: Micrografía después del ataque químico con lente de 10x. Fuente: Autores.

Figura 11: Micrografía después del ataque químico con lente 20x. Fuente: Autores.

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Figura 12: Micrografía tomada después del ataque químico con lente de 50x. Fuente: Autores.

9. CONCLUSIONES 

Se alcanzó una buena preparación de la probeta (muestra) regido por las normas ASTM E3, después del pulido no presento defectos excesivos en la superficie longitudinal excepto lunas rayas provenientes del lijado.



Obtuvimos una visión más clara de las características de la microestructura del acero 1020 gracias al microscopio metalográfico.

10. RECOMENDACIONES 

Recomendamos no sobre atacar químicamente la probeta (muestra) para visualizar mejor la microestructura del acero 1020 y poder extraer información que nos ayude a comparar la micrografía tomada con una micrografía ejemplo (estándar acero 1020).

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Tener en cuenta el detalle de que cuando se vaya a cambiar de lija de un calibre a otro girar la probeta (muestra) 90° para cumplir la norma y garantizar el proceso de desbaste.

11. BIBLIOGRAFÍA. 

ASM International, 2004. ASM HANDBOOK VOLUME 9 Metallography and Microstructures. 10 ª ed. USA: ASM Handbook Committee.



Curso de materiales. Edición 2011-II. Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito



Callister, W.D., 2007. Materials science and engineering: an introduction. 7ª ed. USA: John Wiley & Sons, Inc.



Bramfitt, B.L. & Bencoter, A.O., 2002. Metallographer’s guide: practices and procedures for irons and steels. ASM International.



GX41.en-2

[online].

De: http://www.olympusims.com/en/microscope/gx41/

[Acceso 2 Julio 2011].

Normas ASTM (American Society for Testing Materials):  ASTM E112-96 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. ASTM International 2004.  ASTM E45-05. Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel. ASTM International 2005.

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