PIURA 2011

LABORATORIO DE ENSAYOS MECÁNICOS

ALUMNA: Katherin Ordinola Alvarez

Introducción a la Ciencia de los

Materiales

GRUPO DE LABORATORIOGrupo 4

FECHA DE ENTREGAViernes 4 de noviembre de 2011

PROFESORA: Dra. Ing. Rosalba Guerrero A.

1. Objetivo

Observación de la microestructura de los diversos materiales a analizar. Reconocimiento de las fases presentes en las distintas microestructuras. Relacionar las propiedades físicas y mecánicas con la microestructura

correspondiente. Aprender cómo llevar a cabo una preparación metalográfica correcta, de tal forma

que nos permita estudiar las características microestructurales de un metal o aleación.

Comprobar y comprender que la aplicación de los distintos procesos de conformado implica la obtención de microestructuras diferentes.

2. Procedimiento, materiales y equipos utilizados

Materiales y equipos utilizados

Probetas analizadas: o X24o X25o Varilla de construccióno X20o X28o Chatarrao Sección cilíndricao X26o Cementada

Reactivos usados:o Nital

Máquinas pulidoras de: 3 y 1 micra Alcohol Agua Detergente Secadora Lunas de reloj Microscopio para metalografía por reflexión de luz Rollo fotográfico

Procedimiento

Preparación de la probeta: Primero la probeta debe ser sometida a un proceso de desbastado utilizando lijas de 180, 240, 320, 400 y 600; aunque en nuestro caso, no se realizó tal procedimiento porque las probetas ya estaban desbastadas.Luego se procede al pulido que es realizado mediante unas máquinas que constan de una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado con partículas abrasivas. Para el presente laboratorio primero se utilizó la máquina pulidora de 3 micras y posteriormente, para un mejor acabado, la de 1 micra. Una vez pulida la probeta debe ser lavada con detergente para remover la grasa presente en la superficie evitando rayarla.Luego se le echa alcohol y, finalmente, se procede a secar la probeta mediante el uso de una secadora, teniendo cuidado de utilizarla a una distancia y velocidad prudente a fin de que no se formen manchas sobre la superficie.

Ataque químico de las probetas:Para realizar un ataque químico la probeta es sometida a un reactivo que corroe el metal. Este reactivo actúa preferentemente en las juntas de grano, por ello nos permite ver la microestructura del material.El reactivo a utilizar depende del material y de lo que se quiere observar. Los más utilizados son: - Nital para aceros comunes

- Cloruro férrico para materiales no-férreosEn esta práctica de laboratorio el procedimiento para realizar el ataque químico de las probetas consistió en lo siguiente: las probetas preparadas fueron atacadas por inmersión con nital, para lo cual se requirió de los platos o lunas de reloj. El ataque de las distintas probetas tarda un determinado tiempo, después del cual se añade agua para terminar la reacción y posteriormente alcohol para limpiar la probeta. Finalmente se procede a secar la probeta de la misma forma que se hizo en la preparación.

Observación de las probetas:La observación de las probetas se realiza a través del microscopio y se toman las fotos respectivas que nos ayudarán a un posterior análisis. La observación en el microscopio se realizó tanto para las probetas atacadas como sin ataque.

3. Resultados

Para cada probeta:

Describa el aspecto superficial de la probeta una vez pulida. (observación visual)

La probeta pulida, una vez que ha pasado por las máquinas pulidoras tanto de 3 micras como de 1 micra y ha sido correctamente lavada y secada, presenta una superficie reluciente que se asemeja a un espejo. Esta superficie se observa siempre y cuando la preparación de la probeta haya sido realizada de manera adecuada, pues de lo contrario se observaría una superficie con líneas en distintas direcciones y algunas manchas, lo cual crearía confusión a la hora de pasar por al microscopio.

Presente esquemáticamente lo observado en el microscopio en las probetas sin ataque. Muestre los detalles que desea resaltar.

ProbetaSin atacar

Observaciones Esquema

X20

A una ampliación de 200x se puede observar, en su mayoría, manchas de grasa y defectos de la mala preparación de la probeta, por lo cual no es posible diferenciar la presencia de alguna inclusión.

X28

Similarmente a la probeta anterior, a una ampliación de 200x se observan defectos de mal pulido y no podemos notar por ello la existencia de inclusiones.

Chatarra

A una ampliación de 200x, se observa gran cantidad de hojuelas de grafito tipo A y, también algunas manchas de grasa y defectos.

Seccióncilíndrica

A la misma ampliación que la probeta anterior, podemos notar la presencia de nódulos de grafito, así como, también, algunas manchas de grasa.

Describa el aspecto superficial de la probeta una vez atacada. (observación visual)

La superficie de la probeta, una vez atacada, se torna de brillante a opaca. Cabe resaltar que con la probeta atacada se debe tener el mismo cuidado que se tiene con una recién pulida, pues un mal procedimiento conllevaría a obtener resultados erróneos en la observación de la microestructura.Por otro lado, se puede especificar que, en esta práctica de laboratorio, se realizó un ataque por inmersión y que sólo se utilizó nital como reactivo porque todas las probetas fueron aleaciones férreas.Además es importante tener en cuenta una correcta elección del reactivo, dado que éste es el que definirá lo que se podrá observar en el microscopio.

Presente esquemáticamente lo observado en el microscopio en las probetas atacadas. Muestre los detalles que desea resaltar. Indique el reactivo utilizado.

Probetasatacadas

Esquema

X20

Reactivoutilizado Nital

X24

Reactivoutilizado Nital

X25

Reactivoutilizado Nital

X26

4. Discusión de resultados

Explique lo que observa en las probetas sin ataque relaciónela con el método de fabricación y el estado en que se encuentran.

Probeta X20

- Composición química: Fe, 1,2%C, 0,5%Mn- Proceso de conformado: Laminado en caliente y normalizado- Observaciones: Principalmente se observan unas manchas de grasa

que podrían deberse a un mal pulido de la probeta o a un mal lavado de la misma luego de salir de la máquina pulidora. Por otro lado, después de investigar en determinada bibliografía, no se puede asegurar la presencia de inclusiones ni porosidades, pues la probeta se encuentra mal preparada y lo que se observa podrían ser defectos resultantes de ello.

Probeta X20 sin atacar a 200x

Probeta X28

- Composición química: Fe, 0,01%C- Proceso de conformado: laminada en caliente y normalizada.- Observaciones: En esta probeta ocurre algo similar a la probeta

anterior, pues luego de investigar no es posible aseverar que lo que se observa sean inclusiones, poros o defectos producto de la incorrecta preparación metalográfica. Aunque, se puede notar que presenta un estado mejor que el de la probeta anterior, es necesaria una foto a mayor ampliación para que podamos distinguir acertadamente si se trata de inclusiones o sólo defectos.

Probeta X28 sin atacar a 200x

Probeta sección cilíndrica

- Composición química: Fe, 3%C, 3%Si, 0,8%Mn- Proceso de conformado: solidificada según el diagrama Fe-C estable y

enfriada según el diagrama metaestable. Se utilizó Mg en la solidificación, el cual no forma parte de la aleación.

- Observaciones: En esta probeta, principalmente se observan abundantes nódulos de grafito, esto se debe a que se trata de una fundición gris pues presenta un contenido de carbono del 3%.Asimismo, también se pueden observar algunas manchas de grasa, que como ya se dijo anteriormente, se debe a un mal lavado de la probeta.

Probeta sección cilíndrica sin atacar a 200x

Probeta chatarra

- Composición química: Fe, 3%C, 3%Si, 0,8%Mn, 0,1%P- Proceso de conformado: moldeada, solidificada según el diagrama Fe-C estable y enfriada según el diagrama metaestable.- Observaciones: La probeta chatarra se trata también de una fundición

gris, por ello, se observan hojuelas de grafito de tipo A que se caracterizan por una distribución uniforme y orientación al azar. También, se pueden percibir algunas manchas de grasa cuya procedencia ya se explicó anteriormente. En esta probeta sí existe la posibilidad de la existencia de porosidades en la superficie por tratarse de una fundición.

Probeta chatarra sin atacar a 200x

En base a la composición química y con ayuda bibliográfica, identifique la microestructura de las probetas. Previamente, y si no tuviera el dato, identifique la aleación.

Probeta X24

- Composición química: Fe, 0,35%C, 0,5%Mn, 0,03%Si- Proceso de conformado: laminado en caliente y normalizado.- Microestructura: Esta muestra presenta un % C menor al 0.77% C y de

acuerdo al diagrama metaestable Fe-C, se trata de acero un hipoeutectoide. Este tipo de acero sigue un enfriamiento según el diagrama metaestable, siendo su microestructura a temperatura ambiente conformada por dos fases: perlita como disperso y ferrita como matriz. Además se sabe que este acero ferrito-perlítico ha sido sometido a un proceso de normalizado, por tanto su microestructura presentará perlita fina, la cual mejora la resistencia y tenacidad del acero.

Fases (condiciones de equilibrio) -Perlita= 44,88% (disperso)-Ferrita= 55,12% (matriz)

Probeta X25

- Composición química: Fe, 0,35%C, 0,5%Mn, 0,03%Si- Proceso de conformado: austenizada y enfriada en agua.- Microestructura: Análogamente a la probeta anterior, por presentar el

mismo %C, se trata también de un acero hipoeutectoide. Este acero presentará, según el diagrama metaestable Fe-C, un enfriamiento igual al anterior obteniendo de esta manera en su microestructura (a temperatura ambiente) perlita dispersa y una matriz ferrítica. Esta microestructura es la que se esperaría encontrar en el acero enfriado bajo condiciones de equilibrio. Sin embargo, conocemos que este acero fue austenizado y enfriado en agua, con lo cual la microestructura final que presenta este acero es martensítica.

Fases (condiciones de equilibrio) -Perlita= 44,88% (disperso) -Ferrita= 55,12% (matriz)

Probeta varilla de construcción

- Composición química: Fe, 0,25%C- Microestructura: Esta muestra es, también, un acero hipoeutectoide

pues su %C es de 0,25%C (<0,77%), por tanto su microestructura a

temperatura ambiente, luego del enfriamiento según el diagrama metaestable, presentará dos fases de equilibrio: perlita (disperso) y ferrita (matriz) siendo así un acero ferrito-perlítico.

Fases -Perlita= 31,76% (disperso) -Ferrita= 68,24% (matriz)

Probeta chatarra

- Composición química: Fe, 3%C, 3%Si, 0,8%Mn, 0,1%P- Proceso de conformado: moldeada, solidificada según el diagrama

estable Fe-C y enfriada según el diagrama metaestable.- Microestructura: Esta muestra se trata de una fundición gris, con lo

cual tendríamos que usar el diagrama estable, pero dado que no se cuenta con él consideraremos condiciones de equilibrio. Esta probeta presenta un % C mayor al 0.77% C y de acuerdo al diagrama metaestable Fe-C su microestructura a temperatura ambiente es conformada por dos fases: perlita como disperso y cementita como matriz.

Fases -Perlita= 62,2% (disperso) -Cementita= 37,8% (matriz)

Probeta sección cilíndrica

- Composición química: Fe, 3%C, 3%Si, 0,8%Mn- Proceso de conformado: solidificada según el diagrama Fe-C estable y

enfriada según el diagrama metaestable. Se utilizó Mg en la solidificación, el cual no forma parte de la aleación.

- Microestructura: Análogamente a la probeta anterior, según el diagrama metaestable Fe-C su microestructura (a temperatura ambiente) es conformada por dos fases: perlita como disperso y cementita como matriz.

Fases -Perlita= 62,2% (disperso) -Cementita= 37,8% (matriz)

Probeta X20

- Composición química: Fe, 1,2%C, 0,5%Mn- Proceso de conformado: Laminado en caliente y normalizado- Microestructura: Esta muestra presenta un % C mayor al 0.77% C y de

acuerdo al diagrama metaestable Fe-C, se trata de un acero hipereutectoide. Siguiendo un enfriamiento según el diagrama

metaestable, su microestructura a temperatura ambiente es conformada por dos fases: perlita como disperso y cementita como matriz. Además, este acero cementito-perlítico ha sido sometido a un proceso de normalizado con lo cual su microestructura presentará perlita fina.

Fases -Perlita= 92,71% (disperso) -Cementita= 7,29% (matriz)

Probeta X28

- Composición química: Fe, 0,01%C- Proceso de conformado: laminada en caliente y normalizada.- Microestructura: Esta probeta presenta, también, un %C menor al

0,77%C, por tanto es un acero hipoeutectoide. Luego del enfriamiento según el diagrama metaestable, la microestructura de este acero será monofásica siendo esta fase ferrita con precipitados de cementita (para condiciones de equilibrio). Sin embargo, a causa del proceso de normalizado que se le aplica al final la microestructura que se obtendrá es ferrita y perlita logrando así una estructura más fina y homogénea.

Fases (condiciones de equilibrio) Presenta una sola fase: ferrita

Probeta X26

- Composición química: Fe, 0,35%C, 0,5%Mn, 0,03%Si- Proceso de conformado: austenizada y enfriada en agua, calentada

hasta 600°C y enfriada en aceite.- Microestructura: De manera análoga a las probetas X24 y X25, esta

probeta es un acero hipoeutectoide, que además tiene el mismo %C que dichas probetas, por lo cual su enfriamiento se dará de la misma manera obteniendo así, según el diagrama metaestable, una microestructura (a temperatura ambiente y con un enfriamiento a condiciones de equilibrio) formada por perlita dispersa y una matriz ferrítica. Sin embargo, este acero ferrito-perlítico fue austenizado y enfriado en agua y luego calentado hasta 600°C y enfriado en aceite, con lo cual la microestructura final que presenta este acero es martensita revenida.

Fases (condiciones de equilibrio) -Perlita= 44,88% (disperso)-Ferrita= 55,12% (matriz)

Probeta cementada

- Composición química: Acero base con 0,3%C.- Proceso de conformado: cementación.- Microestructura: Acero ferrito perlítico

Esta muestra presenta un % C de 0,3% y de acuerdo al diagrama metaestable Fe-C, se trata de acero un hipoeutectoide. Este tipo de acero sigue un enfriamiento según el diagrama metaestable, siendo su microestructura a temperatura ambiente conformada por dos fases: perlita como disperso y ferrita como matriz. Además, este acero fue cementado con el objeto de endurecer la superficie sin modificar el núcleo, lo cual implica que esta probeta presente diferentes microestructuras en la periferia y núcleo, siendo las de la periferia las que varían según la velocidad de enfriamiento que se utilice.

Fases (condiciones de equilibrio) -Perlita= 38,32% (disperso)

-Ferrita= 61,68% (matriz)

5. Cuestionario

¿Cuál es el fundamento del método de preparación metalográfica aplicado en el laboratorio?

El método de preparación metalográfica tienen su fundamento en que un material metálico examinado al nivel de la Microscopía óptica o electrónica, menor de 5000 aumentos, no es un medio continuo sino un ensamblado de compuestos químicos, de tipo iónico, y fases, soluciones sólidas metálicas, siendo la Metalografía la técnica que revela la organización espacial de fases y compuestos que conforman dicho material metálico. El campo de aplicación de la Metalografía es muy extenso, pues es utilizada tanto para la caracterización de los metales y aleaciones como para materiales compuestos de matriz metálica o de fibras metálicas (como materiales cerámicos, compuestos o no).El método de preparación metalográfica se puede dividir básicamente en cuatro partes principales:

Corte : Tiene por objeto dejar la muestra en unas medidas razonables y permitir una fácil manipulación de la zona a observar. Es un paso muy importante, ya que una incorrecta preparación puede alterar la microestructura a analizar.

Montaje : El montaje de las muestras consiste en colocar estas en un soporte que se utiliza para protegerlas, facilitar su manipulación,

aumentar su observabilidad y en algunos casos, favorecer el posterior pulido.

Pulido : Es la fase en la que se prepara la superficie a observar y eliminan defectos superficiales debidos a los procesos anteriores, de tal manera que podamos observar la estructura real sin interferencias.

Ataque : Una vez pulida la muestra se procede al ataque químico de su superficie para revelar la microestructura normalmente bajo la acción de la luz. Y según el reactivo de ataque que se aplique se podrá observar lo que se busca con él.

¿Cuáles serían las consecuencias de una incorrecta preparación metalográfica? Especifique.

Alteración radical de la estructura de la probeta, lo cual puede suceder si no se elige cuidadosamente el disco de corte y no se enfría suficientemente la probeta durante el corte o por lo menos la superficie obtenida por el corte.

Las probetas de superficie muy grande pueden requerir tiempos de pulido excesivamente largos.

Las probetas demasiado pequeñas tienden a redondearse durante el desbaste, obteniéndose superficies preparadas curvas con los bordes estropeados.

Durante el desbaste, NO se debe aplicar la probeta contra el medio abrasivo con presión demasiado grande, pues la presión excesiva no sólo produce rayas muy profundas, difíciles de eliminar después, sino que también distorsiona intensamente el metal de la superficie de la probeta.

En el pulido final, cuando se pule en una sola dirección se produce la formación de colas de cometa, que son inevitables por que se arrancan más o menos las inclusiones, se abrasiona el metal adyacente y aparecen picaduras y huecos dejados por dichas inclusiones.

En el procedimiento de ataque, un sobreataque puede ocultar muchos detalles finos y ensanchar los límites de grano logrando una imagen no verdadera. Cuando la probeta esta sobreatacada siempre es necesario volver a pulirla sobre el disco final y, luego, volver a repetir el ataque durante un tiempo más corto.

¿Cuáles son los reactivos más comunes para revelar la microestructura de aceros al carbono, bronces, latones y aceros inoxidables?

Aceros al carbono Ácido nítrico (nital), Ácido pícrico (picral). Bronces Persulfato de amonio. LatonesPersulfato de amonio. Aceros inoxidables Cloruro férrico y ácido hidroclórico.

Averigüe el significado de estos términos e ilustre:

a) Microestructura as cast: Es aquella microestructura que presenta el material tal como se encuentra después de haber sido fundido o colado, sin haber sido trabajado o laminado y sin haber recibido tratamiento térmico.

Microestructura “as cast”

b) Microestructura dendrítica: Microestructura de aleación para colado compuesta de cristales muy alargados con una morfología ramificada en lugar de granos equiaxiales.

Microestructura dendrítica

c) Microestructura bandeada: La microestructura bandeada está originada por la superposición de láminas claras y oscuras, con superficies crenuladas.

Microestructura bandeada

6. Conclusiones

La microestructura de los aceros depende de las transformaciones de la austenita (varía según el porcentaje de carbono que presente el acero), así como también de los procesos térmicos a los que sean sometidos.

Se ha podido comprobar cómo la microestructura de dos materiales que tienen la misma composición química y, que según el diagrama metaestable de Fe-C tendrían una solidificación de la misma manera, varía al aplicarles un tratamiento térmico distinto. Este es el caso que experimentaron las probetas X24 y X25, siendo su microestructura correspondiente perlita fina y martensita respectivamente.

Se puede resaltar el extremo cuidado con que se debe realizar cada una de las partes de la preparación metalográfica, pues cualquier negligencia o distracción que se tenga durante la realización de alguna de ellas puede ocasionar alteraciones en la superficie de la probeta, las cuales nos darían resultados erróneos durante la observación de la misma.

A partir del conocimiento de la microestructura de cada uno de los materiales podemos tener una idea del comportamiento mecánico que desarrollarán dichos materiales. Así, por ejemplo, en el caso de la probeta X25 conociendo que su microestructura final, después de haber sido austenizada y enfriada en agua, es martensita podemos esperar que su comportamiento sea duro y frágil. Mientras que, en el caso de la probeta X26, su microestructura será martensita revenida, siendo así su comportamiento esperado duro y tenaz.

7. Bibliografía http://dai.itam.mx/dingind/labingind/Lab_Materiales/

ciencias_practicas.html http://www.parro.com.ar/definicion-de-acero+dulce http://tecnoatocha.wordpress.com/metales-ferrosos-2/ Phillips, la ciencia de los materiales dentales. Escrito por Kenneth J.

Anusavice Información Tecnológica, 1996 (Revista). http://forum.wordreference.com/showthread.php?t=1371520 http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-861/Lecturas/LectP1M1.pdf http://personales.upv.es/~avicente/curso/unidad3/fundamentos.html http://metalografia.comli.com/preparacio%20de%20mostres.html