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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA ESCUELA DE INGENIERÍA METALURGIA

INGENIERÍA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES ME – 323 R INFORME: METALOGRAFÍA CUANTITATIVA DOCENTE: ING. LOBATO FLORES ARTURO LEONCIO ALUMNO: POZO HUAMANI MARCOS ROBERTO CÓDIGO: 20160685F

LIMA – PERÚ 2019

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INTRODUCCIÓN

Entre las disciplinas que se encargan del estudio de estructuras en materiales encontramos la metalografía. El documento muestra información básica sobre metalografía, partiendo de su historia, pasando por el concepto, aplicaciones, uso de equipos hasta el desarrollo de la práctica en el laboratorio.

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OBJETIVOS 

El objetivo del presente laboratorio es conocer los métodos para determinar los porcentajes de las fases en las micro estructuras analizadas y la medición del tamaño de grano.



Conocer las propiedades de los metales y aleaciones que se encuentran relacionados con el tamaño de los granos y de las cantidades de las fases presentes en su microestructura.



Conocer y aplicar las técnicas para determinar el tamaño de grano y los porcentajes de cada fase presente en una microestructura.



Comprender el concepto de metalografía.



Comprender los requerimientos para el desarrollo de la práctica de metalografía.



Conocer los pasos para el desarrollo de la práctica de metalografía.



Conocer el uso del microscopio metalográfico y la pulidora.



Realizar un análisis completo sobre microestructuras.



Entender la importancia y uso adecuado de los instrumentos de seguridad en la práctica.



Conocer el concepto de grano ASTM de tamaño de grano.

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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. 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. También se conoce como el proceso entre la preparación de una muestra de metal y la evaluación de su microestructura. El estudio de metalografía comprende en gran parte la observación de granos, la dirección, el tamaño y la composición de los mismos; estas microestructuras pueden ser observadas en un rango entre 10m y 10m. El estudio de metalografía puede integrarse en dos subdivisiones: Análisis macroscópico y Análisis microscópico.

ANÁLISIS MACROSCÓPICO: El análisis macroscópico es aquel que se puede realizar a simple vista, es decir sin necesidad de microscopio. El análisis macroscópico se puede usar en: • Líneas de flujo en materiales forjados. • Capas en herramientas endurecidas por medio de tratamiento térmico. • Zonas resultado del proceso de soldadura. • Granos en algunos materiales con tamaño de grano visible. • Marcas de maquinado. • Grietas y ralladuras. • Orientación de la fractura en fallas.

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ANÁLISIS MICROSCÓPICO Aquel tipo de análisis que no se puede realizar a simple vista, (menor a 10m). 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. Para comprender el análisis microscópico es necesario tener claridad sobre el concepto de grano y el funcionamiento del microscopio metalográfico.

Resultado de la presencia de granos diversamente orientados y bordes de grano.

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. Cada tipo de grano desde su concepción obtiene diferentes características físicas, por ejemplo, la orientación del mismo y la rugosidad en la superficie.

Formación de granos por solidificación

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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. Las propiedades de los metales y aleaciones se encuentran relacionadas con el tamaño de los granos y de las cantidades de las fases presentes en su microestructura, de ahí la importancia de conocer y aplicar las técnicas para determinar el tamaño de grano y de los porcentajes de cada fase presente en una microestructura. A. Determinación del Porcentaje de Fase. - Para determinar el porcentaje de fases en una microestructura podemos realizar los siguientes análisis: i. Fracción de volumen (porcentaje de campo) = Fv %Campo = Fv * 100; todos los puntos sobre la fase α son Pα y los puntos de toda la red son Pt.



Conteo Puntual. - Este método se basa en el conteo de puntos, aplicando una red patrón.

Fv =



𝑷𝜶 𝑷𝒕

Análisis Lineal. - Se basa en la intersección de líneas.

Fv =

𝑳𝜶 𝑳𝒕

Lα= Sumatoria de las distancias interceptadas por la fase α.

6

Lt= Sumatoria de las longitudes trazadas. 

Análisis superficial. - Se basa en la medición de áreas.

Fv =

𝑨𝜶 𝑨𝒕

Aα= Sumatoria de las áreas de la fase α. At= Sumatoria de las áreas totales. ii.

Fracción de Peso. - Se aplica la siguiente expresión:

Fwα =

𝒘𝜶 𝒘𝒕

𝒒𝜶

= 𝒇𝒗 𝒒.𝒂𝒍𝒆𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏

wα: peso de la fase α en la foto. wt: peso total de la foto.

Los métodos que vamos a utilizar son el conteo puntual y el análisis lineal. Para el conteo de puntos se usa un papel cuadriculado.

B. Determinación del Tamaño de grano. - Se tiene los siguientes métodos:

Método comparativo ASTM. - Se basa en la comparación de las microestructuras tomadas a 100X (para aleaciones ferrosas – aceros y fundiciones) o 75X (para aleaciones no ferrosas), con patrones de la ASTM. Los patrones de tamaño de grano se han elegido de tal forma que cubran los normalmente encontrados en las aleaciones ferrosas y no ferrosas. Aceros:

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𝑙𝑜𝑔⁡(𝑛)

N = 𝑙𝑜𝑔⁡(2) + 1

y

2

𝑇 =⁡

25.52 𝑛

Donde: N = Número ASTM. n= Número de granos/pulg2 T= Tamaño de grano.

N° ASTM 1 2 3 4 5 6 7 8

Diámetro medio de los granos (mm) 0.287 0.203 0.144 0.102 0.071 0.05 0.036 0.025

N° de granos por mm2 16 32 64 128 256 512 1024 2048

Número de granos por pulg2 a 100X 1 2 4 8 16 32 64 128

Si los granos son mayores que los del N° 1, se proyecta a 50X en lugar de 100X y si entonces son comparables al N°2, se designan como de número 0 y si son comparables al N° 1 ASTM, como tamaño 00. Cuando el grano es muy fino se toma una foto a 200X y se designa con 9 y 10 si en los gráficos son comparables a los N° 7 y 8 respectivamente.

Método de Graff – Snyder. - Adecuado para aceros aleados, es muy sensible a pequeñas diferencias en el tamaño de grano. El método consiste, en medir los granos cortados por una línea de 0.005 pulgadas (0.127 mm) al tamaño natural. En la práctica se trazan líneas, considerando el aumento, si el aumento es 100, la longitud de la línea será 100 * 0.127 = 12.7mm, se hacen 10 determinaciones con líneas situadas al azar y la media aritmética de los números de granos cortados por cada uno es el índice del tamaño de grano. Según el método anterior, para los aceros: N° ASTM 1 – 5 grano grueso N° ASTM 5 – 8 grano fino Según este método: Menos – 8 grano basto 9 – 11 ligeramente basto 12 – 15 moderadamente fino

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15 – más

grano muy fino

Ejemplo: 1000X 1000 * 0.127 = 127 mm = 12.7 cm Se considera que los granos están unidos. d = Lt/NM = 127/NM = 127/ (8*1000) = 0.015mm Donde: N = Número total de granos cortados M = Aumento utilizado. d = Diámetro o tamaño de grano (mm). Lt = Longitud total (mm).

Método Planimétrico de Jefferies. - Sólo es aplicable a microestructuras de granos equiaxiales, lo cual suele ser el caso general en las microestructuras de los metales y aleaciones moldeadas y completamente recocidas. Se emplean rectángulos y círculos de un área de 5000 〖mm〗^2. De las siguientes dimensiones 70.7 x 70.7 mm 65.0 x 77.0 mm 60.0 x 83.3 mm 55.0 x 91.0 mm 50.0 x 100 mm Círculo de 79.8 mm de diámetro.

Número de granos / mm2 = (N° de granos interiores + 1/2 N° de granos cortados) *f Número de granos/mm2 = N° de granos totales (M^2/5000) M: aumentos

M Normal 10 25 50 75 100 150 200 250 300 500 750 1000 f 0.002 0.02 0.125 0.5 1.125 2 4.5 8 12.5 18 50 112.5 200

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Interpretación lineal (Hilliard). - Hilliard ha inventado un particular, rápido y novedoso método para determinar el equivalente N de la ASTM, por medio de los números de líneas cortadas (Pi). Se provee que de 2 figuras circulares de conocida longitud (10 y 20 cm), para aplicarse tal como se mostrará en la siguiente figura. L=d=Lt/ (NiM) Donde: Ni= Número de granos cortados por la circunferencia. Pi= Número de intercepciones de la circunferencia con los bordes de grano. Lt = Longitud de la circunferencia por el número de veces utilizado. L = Diámetro o tamaño de grano. M = Aumento empleado. Estructura que llena el espacio (1 fase) L= Lt/ (PiM)

Estructura que no llena el espacio (2 o más fases) 2𝑁𝑖 = ⁡ 𝑃𝑖 L= Lt/ (PiM)*2

Para aplicar cada círculo, ya sea el de 10 o el de 20 cm, tiene que haber por lo menos 6 intersecciones. G = Equivalente N° ASTM. G = -10 – 6.64 log (Lt/ (NiM)) ………. (cm)

10

Ejemplo. - Supongamos que el círculo de 10 cm se aplica a una microestructura de 250X, dando un total de 36 intersecciones. Calculando el valor de G, con la expresión anterior se tiene: G = -10 – 6.64log (40/ (36*250)) = 5.6 Así el tamaño de grano equivalente se obtiene directamente. Este método nos da también la equivalencia con el N° ASTM, con el nomograma ilustrado a continuación:

VISTA DE LOS GRANOS DE NUESTRA PROBETA SIN ATAQUE: A) LADO A - X50

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-

X100

DESCRIPCION: -

Se concluye de la imagen analizada en el laboratorio que presenta pequeñas cantidades de humedad con exceso de alúmina y incrustaciones de abrasivo, siendo más notoria en la vista mayor a x100.

B) LADO B - X50

-

12

-

X100

-

X200

DESCRIPCION: 

Se observa un poco de quemadura, algunos rasgos de humedad por el exceso de alúmina.

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CON ATAQUE: A) LADO A -

X100

-

X200

-

DESCRIPCION: Se puede observar manchas de corrosión y exceso de alúmina en microestructura formada por granos perlita y ferrita, siendo la perlita los granos oscuros y la ferrita la parte blanca.

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B) LADO B -

X100

X200

15

DESCRIPCION:

- Se observa exceso de alúmina y algunas manchas de corrosión en los granos de perlita y ferrita.

93 ⁡= 10

d=

9.3⁡

𝐿𝑡 𝑁𝑀

………… ligeramente basto

=

14.4∗10 93∗100

= 0.01548𝑚𝑚.

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x200

95 10

⁡ = 9.5⁡

d=

𝐿𝑡 𝑁𝑀

=

…………. Ligeramente basto

8.763∗10 95∗100

= 0.0092242𝑚𝑚.

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Conclusiones 





Un ensayo de metalografía se realiza con el fin de obtener toda la información que es posible encontrar en la estructura de los diferentes materiales. Con la ayuda de un microscopio en donde se pudo observarla estructura de ciertas muestras, que nos permitió deducir que tipo de aleación se tiene, contenido de carbono (una aproximación) y tamaño de grano. El ensayo de metalografía nos permite relacionar los resultados de las muestras con las propiedades físicas y mecánicas que se desean obtener de un material para un uso determinado. Los componentes que se pudo observar en las estructuras fueron: ferrita, perlita, austenita y martensita. En esta práctica pudimos darnos cuenta de las características del acero que teníamos en la probeta, debido a que fue diseñada para ser analizado mediante la metalografía.



Entender los métodos de determinación de grano



Una vez realizado el pulido de la pieza fuimos al laboratorio en donde pudimos aplicarle nital a las caras de la probeta para eliminar impurezas en la pieza una ves realizado esto procedimos a observar la probeta en un microscopio con un aumento de 100x por cierto el máximo aumento que se puede alcanzar con los microscopios del laboratorio pero que en este caso es suficiente para llevar a cabo la práctica de determinación de tamaño de grano por los diferentes métodos.



La m edi ci ón d el t a m añ o de gr an o re l a ci o n a, e n el m a t e ri al , el núm e ro d e gr an os por unidad de área, el diámetro promedio y la intercepción promedio.



La determinación de la fracción volumétrica de un constituyente o fa s e pa rt i c ul ar en una microestructura es otra importante y usual medida estereológica. Este, al i gu al q u e el t am añ o de gra no , es c ap a z de a rr oj ar b ast an t e s d at os ac e r ca d el comportamiento tanto mecánico como químico de un material particular.

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BIBLIOGRAFÍA

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ASM International, 2004. ASM HANDBOOK VOLUME 9 Metallography and Microstructures. 10 ª ed. USA: ASM Handbook Committee. Askeland, D.R. & Phulé, P.P., 2004. Ciencia e ingeniería de los materiales. 4ª ed. International Thompson editores, S.A. Callister, W.D., 2007. Materials science and engineering: an introduction. 7ª ed. USA: Jhon Wiley & Sons, Inc. Diccionario esencial de la Real Academia Española, 1997. 2ª ed. Madrid: ESPASA. O’Flaherty, S. & Edwards, J., 2011. Digital imaging: A Powerful Quality Tool for Materials Analysis. ADVANCE MATERIALS & PROCESSES, 169(2), pp.20. 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.olympus-ims.com/en/microscope/gx41/ [Acceso 2 Julio 2011]. Instruction manual. Intructions GX41 Compact Inverted Metallurgical Microscope. OLYMPUS.

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