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“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional ”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica Departamento Académico de Ciencias para Ingeniería

INFORME No.04 Metalografía

Curso

: Ciencia de los Materiales I (MC-117)

Profesor

: Ing. José Luis Sosa

Integrantes: Apellidos

Nombres

Código

Bautista Perez

Marcio Eusebio

20170069F

Choqque Moreno

Aníbal

20161168E

Chuquipoma Tejeda

Jaimer

20170222I

Ciclo

Firma

: 2018-II Lima-Perú 2018

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Ciencia de los Materiales I

Índice 1. Objetivos

2

2. Marco Teórico

2

3. Herramientas y Equipos

5

4. Procedimiento

6

5. Resultados

7

6. Conclusiones

9

7. Recomendaciones

9

8. Cuestionario

10

9. Bibliografía

14

10.Anexos

15

Metalografía

1

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1.

Objetivos Comprender el concepto de metalografía. Realizar un análisis sobre microestructuras. Determinar el tamaño de grano, así como el %C en aceros al carbono. Diferenciar la composición y naturaleza de diferentes materiales. Determinar el tipo de microestructura presente en las aleaciones ferrosas sin tratamiento térmico. Conocer el uso del microscopio metalográfico y la pulidora. Describir y analizar la estructura atómica ( límite de grano,límite de macla)

2.

Marco Teórico Historia

Henry Clifton Sorby, padre de la metalografía, fue el primero en examinar bajo el microscopio una muestra metálica correctamente preparada en el año de 1863. La observación de metales por medio de microscopios es aproximadamente dos siglos más tardía que la de muestras biológicas, esto se debe a la dispendiosa preparación que requieren las mismas. La Metalografía La metalografía es una disciplina de pueden ir desde 20x hasta 1’000.000x. la ciencia que se encarga de exami- También se conoce como el proceso ennar y determinar los componentes en tre la preparación de una muestra de una muestra de metal, haciendo uso metal y la evaluación de su microesde Varios niveles de magnificación que tructura.

Metalografía

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El estudio de metalografía comprende

de usar en:Líneas de flujo en ma-

en gran parte la observación de granos,

teriales forjados,grietas y ralladu-

la dirección, el tamaño y la composición

ras,rientación de la fractura en fa-

de los mismos; estas microestructuras

llas, etc.

pueden ser observadas en un rango entre 10−8 m y 10−2 m. El estudio de meta-

Análisis microscópico:Aquel tipo

lografía puede integrarse en dos subdi-

de análisis que no se puede reali-

visiones: Análisis macroscópico y Aná-

zar a simple vista, (10−3 m). Obser-

lisis microscópico.

var las estructuras microscópicas

Análisis macroscópico:El análi-

en materiales ayuda a comprender

sis macroscópico es aquel que se

el comportamiento de los mismos.

puede realizar a simple vista, es

El

decir sin necesidad de microsco-

puede

pio. El rango de tamaño inicia en

grano,límites de grano y disloca-

10−3 m en adelante.

ciones,Distribución de fases en

El análisis macroscópico se pue-

aleaciones, entre otros.

análisis usar

microscópico

se

en:Tamaño

de

Preparación de la Probeta Metalográfica Antes de observar un metal al microscopio, es necesario acondicionar 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 observaremos la estructura del metal y no las marcas originadas durante el corte u otros procesos previos. Las fases de preparación de la probeta metalográfica son las siguientes: 1. Corte de la muestra: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. 2. Montaje (opcional):Consiste en proporcionar una base que sostenga la

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muestra, lo anterior brinda facilidad de uso. Por ejemplo, en la manipulación de especímenes pequeños o cortantes. 3. Desbaste:Arreglo de partículas abrasivas fijas que actúan como herramientas de corte.Se realiza en una pulidora empleando discos abrasivos de distintos diámetros de partícula, cada vez más finos. 4. Pulido:En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se pretende es eliminar todas las rayas producidas en procesos anteriores. El pulido finaliza cuando la probeta es un espejo perfecto. 5. Ataque químico: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. 6. Observacíon: El microscopio metalográfico es la herramienta que permite ver de forma clara y magnificada las probetas destinadas para la práctica.

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3.

Herramientas y Equipos

Elemento

Descripción

Microoscopio

Microoscopio metalográfico: Epimicroscopio 50x,100x,200x,500x,1000x,1500x

Probetas

1. Cobre 1 2. Cobre 2 3. Bronce 1 4. Bronce 2 5. Acero BC SAE 1010 6. Acero MC SAE1045

Un juego de lijas

medidas: 180, 360, 600, 800, 1000, 1200,1500

Pulidora

Disco giratorio con paño utilizado para el micropulido picetas de agua y alcohol, secadora, algodón , agua en goteo

Materiales

Insumos

Metalografía

Notación

Alúmina de aprox. 3µm ,nital (ácido) al 2,5 %

5

utilizar durante el proceso de preparación de la probeta Nital:realzar la interface entre los carburos y la matriz. Ennegrecer perlita.

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4.

Procedimiento

1. Tomamos una de las probetas la cual está cortada en su sección transversal recta y le hacemos una marca en la cara que no va a ser usada, para guiarnos en la dirección que vamos a tomar para lijar y así evitar confusiones. 2. Frotamos su sección transversal en un papel abrasivo (lija de agua), que descansa sobre una lámina de vidrio, mientras le cae chorros suaves de agua, el grado de rugosidad del papel abrasivo variará según el avance: P180, P360, P600, P800, P1000, P1200, P1500. 3. Debe observarse que se formen líneas paralelas cada vez que se acabe de lijar con cada una de las lijas hasta que estas sean casi invisibles, teniendo en cuenta que cada vez que se cambia de papel abrasivo rotar la pieza un ángulo de 90o . 4. Una vez concluida la secuencia con el papel abrasivo, lavar bien la superficie trabajada para que no quede ningún tipo de partícula en éste y posteriormente se introduce la probeta en un disco giratorio que contiene un paño previamente rociado con un producto abrasivo en polvo (Alúmina) junto con pequeños chorros de agua, el paño realizará un micropulido a la probeta. La probeta debe estar pulida “al espejo”. 5. “Atacamos” la probeta (cara pulida) con Nital, durante 8-12 segundos para aceros; con ácido nítrico al 70 % para Cobre, Bronce; Aluminio durante 5-8 segundos 6. Después de rociar a cada probeta con el reactivo se lava probeta con agua por un momento. Luego secamos las probetas con la secadora teniendo en cuenta que la secadora no esté muy cerca de la probeta. 7. Finalmente observamos las probetas a través del microscopio metalográfico.

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5.

Resultados Observación de las Probetas Atacadas

- Para la probeta de acero de bajo carbono determinar el porcentaje de carbono,y a partir de éste valor estimar utilizando las tablas apropiadas cual será el valor de su dureza y su esfuerzo de fluencia.

%C = fferrita ( %Cferrita ) + fperlita ( %Cperlita ) Aperlita y ff errita = 1 − fperlita Atotal además [ %Cf errita = 0,008 %C y %Cperlita = 0,8 %C] donde: fperlita =

de la fotografía para el acero de bajo carbono: se tomó 5 zonas de 16x16: 41 41 Aperlita = 36+38+45+44+42 = 41u2 → fperlita = 2 = 256 5 16 41 y para la ferrita : ff errita = 1 − = 215 256 256 Luego: 215 41 %C = ( )(0,008 %C) + ( )(0,8 %C) = 0,134844 256 256

∴ %C = 13,48 % (ok!) según tablas para aceros de bajo carbono: %CBC < 25 % Según tablas para el acero de bajo carbono: %C

Acero ASTM

13.48

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G10100

σf luencia (MPa) 180

7

Dureza Brinell 95

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y a partir de éste valor estimar utilizando las tablas apropiadas cual será el valor de su dureza y su esfuerzo de fluencia. - Para la probeta de cobre determinar el tamaño de grano Índice de grano: de manera general:

(

a 2 ) N = 2n−1 100

siendo: a = aumento N = numero de granos por pulgada cuadrada n = indice de grano Para el Bronce:

a = 200x 39granos granos N= = 0,060947 = ( 200 )2 (0,060947) = 2n−1 → n = −1,0363 100 (30)(21,33)in2 in2 n ≈ −1 Para n ≈ −1 según tabla: → Lpromedio = 0,442mm →

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Granos = 3,875 mm2

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6.

Conclusiones En los aceros al carbono se observa los constituyentes principales ferrita (F e − α, perlitaF e3 c, etc.) Por consigueinte se obriene el %C Se relaciona los siguiente: A mayor índice de grano menor tamaño de grano por lo tanto hay mayor resistencia mecánica esto se debe principalmente a que los límites de grano anclan las dislocaciones impidiendo el movimiento. Análogamente, a menor índice de grano mayor tamaño de grano por los tanto hay menos resistencia mecánica. Es decir, el índice de grano y la resistencia mecánica son ïnversamente proporcionales" Los bordes de grano influyen en las propiedades mecánicas de un material.

7.

Recomendaciones El ataque químico es independiente para cada material. dependiendo de la naturaleza del metal se eligirá el tipo de solución qúimica a utilizar, concentración y tiempo de ataque. No se debe presionar demasiado la probeta al momento de pulirla, pues malograría la superficie abrasiva. En el lijado la superficie del metal es recomendable siempre limpiar con agua, más no con la mano. Para obtener la imagen en el microscopio, la superficie del metal tiene que tener un solo plano. También es importante saber exactamente la concentración del químico para así calcular el tiempo de ataque.

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8.

Cuestionario

1. ¿Qué es el Ensayo Metalográfico? El ensayo metalográfico es el estudio microscópico de las características micro estructurales de un metal o aleación, para luego relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos. 2. ¿En qué casos se hace necesario el ensayo micrográfico? El examen de la microestructura es muy útil para determinar si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos anteriores, tratamientos térmicos y composición general. La microestructura es un instrumento para analizar las fallas metálicas y para controlar procesos industriales. 3. ¿Qué números de lija han sido utilizados para el desbaste de la superficie? Se usaron 8 lijas: 180, 320, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500. 4. ¿Qué tipo de polvo abrasivo se ha utilizado durante el pulido mecánico de las probetas? Se usó el abrasivo alúmina. 5. ¿Qué reactivo se ha empleado en el ataque químico de las probetas de cobre y bronce y en el ataque de las probetas de acero al carbono? Indique la forma de la aplicación. Los reactivos de ataque fueron ácido nítrico y alcohol etílico (nital). Para su aplicación, el nital se vierte en un recipiente y la muestra (lavada y secada previamente) se frota con un algodón impregnado en nital. 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 más oscura (láminas claras y oscuras semejantes a una impresión digital). Inmediatamente después se lava Metalografía

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la muestra con elevada agua corriente, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un golpe de aire. 6. ¿Qué constituyentes se observan en los aceros al carbono? Los constituyentes son: austerita, ferrita, perlita, cementita, martensita. 7. ¿Cómo se realiza la determinación del tamaño de grano? Indique los métodos que pueden utilizarse Los principales métodos para la determinación del tamaño de grano recomendados por la ASTM (American Society for Testing and Materials) son: Método de comparación: Mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por el número correspondiente al número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en cuyo caso se acostumbra especificar el tamaño de granos en términos de dos números que denota el porcentaje aproximado de cada tamaño presente. El método de comparación es más conveniente y bastante preciso en muestras de granos de ejes iguales. El número de tamaño de grano “n” puede obtenerse con la siguiente relación: Métodos de intercepción: Este método consiste en que un circulo de tamaño conocido (generalmente 19.8 mm f, 5000 mm2 de área) es extendido sobre una rnicrofotografia o usado como un patán sobre una pantalla de proyección. Se cuenta el número de granos que están completamente dentro del círculo n1 y el número de granos que interceptan el circulo n2 para un conteo exacto los granos deben ser marcados cuando son contados lo que hace lento este método. Métodos de intercepción El método de intercepción es más rápido que el método planimétrico debido a que la microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o por fotomicrografía o sobre la propia muestra, el número de granos interceptados por una o más Metalografía

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líneas rectas. Los granos tocados por el extremo de una línea se cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen por lo menos en tres posiciones distintas para lograr un promedio razonable. La longitud de líneas en milímetro, dividida entre el número promedio de granos interceptados por ella da la longitud de intersección promedio o diámetro de grano. El método de intersección se recomienda especialmente para granos que no sean de ejes iguales. 8. ¿En qué casos se emplea el ensayo macrogràfico? Muestre ejemplos del uso del ensayo macrográfico, incluir fotos de estructuras.

La macrografía pretende verificar entre otros, la ausencia de defectos, determinar la geometría de la unión soldada o poder observar el grado de penetración de los cordones de soldadura en el material base. La forma más sencilla de realizar el estudio, es examinando las superficies metálicas a simple vista, logrando determinar de esta forma las características macroscópicas. Este examen se denomina macrográfico y de ellos se extraen datos sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material, es decir, determinar si el material fue trefilado, laminado, forjado, entre otros, comprobar la distribución de defectos como grietas superficiales, de forja, rechupes, partes soldadas. Así mismo, los exámenes macroscópicos se realizan generalmente sin preparación especial, pero a veces es necesaria una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las características macroscópicas. En macroscopía, se utilizan criterios para el tipo de corte a realizar (transversal o longitudinal) para extraer la muestra dependiendo el estudio a realizar, por ejemplo: - Corte transversal: Naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos de fabricación, y otros.

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- Corte longitudinal: Proceso de fabricación de piezas, tipo y calidad de la soldadura y otros. 9. Indicar cuál sería el reactivo más adecuado para atacar una probeta fabricada en acero AISI 316L. Dicho material es un acero austenítico, la cual posee bajo carbono por ello el reactivo más adecuado sería el picral, 4 g de ácido pícrico en 100 ml de alcohol metílico.

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9.

Bibliografía

Referencias [1] ASKELAND,Donald ; Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté S.A. 1998. [2] CALLISTER,William D; Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales.México: Editorial Limusa Wiley,2009. [3] SHACKELFORD,James F.; Introducción a la Ciencia de los Materiales para Ingenieros. Pearsons Educacion S.A. 2005.

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10.

Anexos

*Proceso de ensayo y cara pulida de las probetas .

*Tabla ASTM de patrón de grano .

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