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Informe – Ciencia de los Materiales

DEPARTAMENTO DE MECANICA Ciencias de los materiales

LABORATORIO ANALISIS METALOGRAFICO

Integrantes: Leandro Briceño Volta Alejandro Rojas Campusano Carrera: Ingeniaría en Ejecución Mecánica Asignatura: Ciencias de los materiales Profesor: Héctor Gálvez Peralta Fecha: 28 de agosto 2018

Informe – Ciencia de los Materiales

Introducción La metalografía estudia la estructura microscópica de los metales y sus aleaciones. Antes de observar un metal al microscopio, es necesario preparar la muestra de manera que quede plana y pulida. Plana, porque los sistemas ópticos del microscopio tienen muy poca profundidad de campo y pulida porque así se observara la estructura del metal y no las marcas originadas durante el corte u otros procesos previos. 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. A través de este estudio se pueden determinar características como el tamaño de grano, distribución de las fases que componen la aleación, micro cavidades de contracción, escorias, etc. que pueden modificar las propiedades mecánicas del metal.

Objetivos: 1. Conocer la microestructura de los metales y aleaciones, particularmente base cobre y hierro. 2. Estructuras de los metales: orden atómico, enlaces químicos, estructura cristalina, imperfecciones y su relación con las propiedades mecánicas.

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Marco teórico Ordenamiento Atómico: Los niveles del arreglo atómico en los materiales: los gases inertes no tienen un orden regular en sus átomos. Algunos materiales, incluyendo el vapor de agua y el vidrio, tienen orden en una distancia muy corta. Los metales y muchos otros sólidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por todo del material. Estructura Cristalina: se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red de un material. Red: Conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están ordenados de acuerdo a un patrón que se repite en forma idéntica. Puntos de Red: Puntos que conforman la red cristalina. Lo que rodea a cada punto de red es idéntico en cualquier otra parte del material. Celda Unitaria: es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Estructura cúbica centrada: Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio. Estructura cúbica centrada en el cuerpo: Cada átomo de la estructura, está rodeado por ocho átomos adyacentes y los átomos de los vértices están en contacto según las diagonales del cubo Estructura cúbica centrada en las caras: Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en contacto. Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel. Estructura hexagonal compacta: Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria. Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal. Los metales que cristalizan en esta forma de estructura son: titanio, magnesio, cinc, berilio, cobalto, circonio y cadmio.

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Imperfecciones en las redes cristalinas: Las imperfecciones se encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo alcance (grano) y se clasifican de la siguiente manera: Defectos puntuales (puntos defectuosos): Defectos puntuales: Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o imperfecciones, pueden ser generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introducción de impurezas; o intencionalmente a través de las aleaciones. Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio normal. Las vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o como consecuencia de daños por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas vacancias, pero éstas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta la temperatura. Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, aunque mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, aun así son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada. Los átomos intersticiales como el hidrógeno a menudo están presentes en forma de impurezas; los átomos de carbono se agregan al hierro para producir acero. Una vez dentro del material, el número de átomos intersticiales en la estructura se mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperatura. Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión. En cualquier caso, el defecto sustitucional distorsiona la red circundante. Igualmente, se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como un elemento aleante agregado deliberadamente y, una vez introducido, el número de defectos es relativamente independiente de la temperatura. Defectos Lineales (Dislocaciones): Las dislocaciones son imperfecciones lineales en una red que de otra forma sería perfecta. Generalmente se introducen en la red durante el proceso de solidificación del material o al deformarlo. Aunque en todos los materiales hay dislocaciones presentes, incluyendo los materiales cerámicos y los polímeros, son de particular utilidad para explicar la deformación y el endurecimiento de los metales. Podemos identificar dos tipos de dislocaciones: la dislocación de tornillo y la dislocación de borde.

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Dislocación de tornillo: La dislocación de tornillo se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, torciéndolo y desplazando un lado del corte sobre el otro la distancia de un átomo. Dislocaciones de borde: Una dislocación de borde se puede ilustrar haciendo un corte parcial a través de un cristal perfecto, separándolo y rellenando parcialmente el corte con un plano de átomos adicional. El borde inferior de este plano adicional representa la dislocación de borde. Dislocaciones mixtas: Las dislocaciones mixtas tienen componentes tanto de borde como de tornillo, con una región de transición entre ambas. El vector de Burgers, sin embargo, se conserva igual para todas las porciones de la dislocación mixta. Defectos Planares (superficies externas y límite de grano) Defectos de superficies: Los defectos de superficie son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas, y la superficie externa de un material. En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se altera el enlace atómico. Asimismo, la superficie puede ser muy áspera, contener pequeñas muescas y quizá ser mucho más reactiva que el interior del material. En líquidos, los átomos en la superficie tienen mayor energía porque no tienen todos sus átomos vecinos. Esto hace que al tratar de minimizar la energía se tiende a reducir el número de átomos en esta condición, por lo tanto tienden a reducir la superficie respecto al volumen, esto geométricamente corresponde a una esfera. Cristalización: El crecimiento de los cristales que se inicia en los centros o núcleos de cristalización en el metal líquido, no puede ser uniforme a causa de los diferentes factores de la composición del metal, la velocidad de enfriamiento y las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de crecimiento.

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Límite de grano: La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. En la figura se muestran de manera esquemática tres granos; la red de cada uno de ellos es idéntica pero están orientados de manera distinta. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.

Materiales, Maquinas, Instrumentos      

Probeta de acero SAE 1020,1045,1010 Set de lijas de distinta granulometría ( 240, 320, 400, 500, 1200) Maquinas pulidoras Alcohol desnaturalizado al 95% Alúmina 0,03 y 0,05 micrón Nital al 2% , Algodón

Descripción del laboratorio En esta sesión de laboratorio de expondrá una probeta de acero (1020 y 1040) a un set de lijas granuladas para eliminar cualquier partícula ajena al acero (oxido, partículas de polvo impregnadas a la probeta, etc.) e imperfecciones (pequeños orificios o montículos producidos por golpes); luego la probeta será pulida con alúmina y posteriormente se le aplicara nital al 2% con el fin de poder observar mediante un microscopio la microestructura del acero

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Procedimiento 1- Elegir una cara de la probeta y lijar con el set de lijas. 2- En la máquina pulidora, realizar pulido con alúmina de 0,03 y 0,05 micrón. 3- Limpiar con abundante agua, luego con algodón empapado en alcohol limpiar la superficie. 4- Aplicar el reactivo nital al 2% durante 20 a 40 segundos aproximadamente hasta que la superficie quede opaca. 5- Corta el reactivo con abundante agua, luego limpiar con alcohol y secar con algodón. 6- Observar en microscopio la estructura del metal (si la microestructura se observa difusa repetir pasos 2 hasta el 5).

Resultados A continuación se describirán y mostraran los tipos de microestructuras de los aceros para poder comparar éstas con las fotografías tomadas en nuestro ensayo y así identificar cual es la microestructura de nuestra probeta Ferrita: Es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6% de Carbono; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85% de Carbono en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita, como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados.

 Microestructura de acero al carbono, cristales blancos de ferrita.

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Cementita: Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el micro constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de700 (68 Rc) y cristaliza en la red orto-rómbica. En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9% de Carbono, formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como: láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita y cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globalización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.

 Micro estructura del acero, red blanca de cementita

Perlita: Es el micro constituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene un 0.8 % de Carbono. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular

 Micro estructura del acero, cristales oscuros de perlita

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Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética La austenita no puede atacarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.

 Micro estructura de la Austenita

Martensita: Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido delos aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y unalargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzagcon ángulos de 60 grados.Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige pormedio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior(727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquiermedio.

 Micro estructura de martensita

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Análisis Acero SAE 1020: Se puede apreciar la probeta después de haber pasado por el proceso de lijado, a pesar de haber quitado todas las partículas ajenas a la probeta, como el óxido, se pueden apreciar grandes rayones producidos por los granos de las lijas tanto en el acero 1020 (figura 1.1) y acero 1045 (figura 1.2)

Figura 1.1

Figura 1.2

Tras haber pasado por el proceso de pulido con alúmina de 0,03 y 0,05 micrón. Se puede observar que todos los rayones producidos por el lijado fueron eliminados observándose la probeta casi lisa ya que aún presenta abolladuras o imperfecciones como se aprecia en las imágenes (acero 1020 figura 1.3 y acero 1045 figura 1.4).

Figura 1.3

Figura 1.4

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Las probetas después de ser atacada con Nital al 2%. Se presenta la microestructura a través del microscopio con el cual analizando la información previamente mostrada y comparando con nuestro resultado podemos determinar que lo observado en el acero 1020 (figura 1.5) contiene una menor cantidad de perlita y una mayor cantidad de ferrita en su estructura. En cambio en el acero 1045 (figura 1.6) presenta una mayor abundancia de perlita y una menor cantidad de ferrita.

Figura 1.5

Figura 1.6

Conclusión Se observó dentro del laboratorio que el numero en la designación de la liga mientras menor sea el número que indica mayor será la abrasión que producirá en el material y al ser más áspero los granos se textura. Además al someter la probeta a mayor tiempo en el Nital se sobreexpone a manchas o tapando la estructura e imposibilitando la observación de este mediante el microscopio por lo que se debe realizar un nuevo desbaste y pulido Por lo tanto la metalografía es importante en el entorno industrial actual ya que permite conocer las características estructurales de los metales y aleaciones, características que a su vez proporcionan propiedades físicas, mecánicas y químicas del material, lo cual es de utilidad para la toma de decisiones en el mundo laboral y así poder elegir el material más conveniente de acuerdo a las condiciones que se será sometido el material.

Conclusión: Alejandro Rojas Campusano