Lab 1. Materiales metálicos. Metalografía

Ciencia de Materiales (GRETA)
Lab 1. Materiales
metálicos.
Metalografía
Lab 1. Metalografía
1. Introducción
La
metalografía
permite
estudiar
microscópicamente
las
características
estructurales de un material metálico, las cuales se correlacionan con sus propiedades
físicas, químicas y mecánicas. A través de la metalografía se pueden identificar tanto
cambios estructurales que se producen a lo largo de los distintos procesos de
fabricación de componentes, como la presencia de segregaciones y otras
irregularidades que a menudo afectan al comportamiento mecánico.
En general, las características estructurales de los metales son: el tamaño de
grano, los límites de grano; el tamaño, la forma y distribución de las fases en una
aleación, y el porcentaje y morfología de las inclusiones no metálicas, conocidas
también como elementos de aleación o aleantes. El tamaño de grano tiene un notable
efecto en las propiedades mecánicas del metal, y viene regulado entre otros factores
por el tratamiento térmico aplicado sobre el material y por los elementos de aleación
añadidos.
Los metales/aleaciones de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción,
mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son
menos
susceptibles
al
agrietamiento.
Los
metales/aleaciones
experimentan
crecimiento de grano a altas temperaturas. Suele utilizarse el término grano fino/grano
grueso para referirse al tamaño de grano.
Los detalles de la estructura de los metales/aleaciones no son fácilmente visibles a
nivel macroscópico. Es por ello, que para el análisis de su microestructura se utilizan
técnicas de microscopía. Asimismo, a partir de la microestructura observada, es
posible deducir qué tratamiento térmico y mecánico ha experimentado el metal, por lo
que es factible en muchos casos predecir de modo cualitativo cuál será su
comportamiento en servicio.
La naturaleza opaca de estos materiales requiere el empleo de microscopios de
reflexión, si se desea un análisis microestructural más profundo. Si se desea un
análisis más sencillo, por ejemplo el análisis de una superficie de fractura (superficies
por lo general rugosas al no requerir de pulido), se utiliza una lupa estereoscópica o
binocular, que a pesar de no alcanzar magnificaciones tan elevadas como los
microscopios, sí permite observar superficies irregulares. En ambos casos se requiere
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una preparación específica de la probeta, ya que sólo es posible la observación en un
plano.
El procedimiento que se sigue en la preparación de la superficie a observar es
relativamente sencillo, y tiene como objetivo principal la obtención de una superficie
plana, sin rayas, semejante a un espejo (superficie especular). El éxito en el análisis
metalográfico depende en gran medida del procedimiento de preparación de una
muestra. A continuación se describen las etapas necesarias para una preparación
correcta de una muestra metalográfica.
2. Preparación de las probetas para el microscopio metalográfico
Si se dispone de un pequeño volumen del material a analizar, éste mismo puede
ser considerado como una probeta. En cambio, si se ha de evaluar una pieza, es
necesario extraer una porción lo suficientemente pequeña como para ser de fácil
manejo, pero también lo suficientemente grande como para ser representativa a nivel
microestructural (Fig. 1a). Posteriormente esta muestra se montará dentro de una
pastilla (generalmente de una resina acrílica, poliéster o epoxi) para una mejor
maniobra en la preparación de la superficie a observar (Fig. 1b).
a)
b)
CAMBIAR “EMPASTILLADO” EN FIGURA
Fig. 1. Esquema representativo de la preparación de probetas metalográficas: a)
identificación de la orientación de la muestra y b) embutición de la muestra.
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Desbaste (pulido grueso con papel de lija)
Mediante un proceso de desbaste se obtiene una superficie lisa y exenta de
irregularidades. Para ello se utilizan una serie de papeles de esmeril (las partículas
abrasivas del papel suelen ser de carburo de silicio, SiC), donde los tamaños de las
partículas abrasivas sea variable, comenzando por partículas mayores y finalizando
con papeles de partículas muy pequeñas. Estos papeles se colocan en el soporte de
los platos de la desbastadora y se coloca la probeta en su superficie, aplicando una
ligera presión mientras los platos giran. Es necesario añadir un poco de agua para
enfriar la probeta y retirar partículas abrasivas y residuos de material eliminado.
El desbaste consiste en actuar sobre dos direcciones perpendiculares durante un
cierto tiempo, en función del acabado de la superficie. Cada vez que se cambie de
papel de esmeril se debe conseguir eliminar las líneas de rayado del papel anterior,
así como cada vez que se gire la muestra 90º (Fig. 2). En esta etapa es fundamental
conseguir una superficie totalmente plana de la muestra, con rayas paralelas
correspondientes a la última etapa de desbaste.
Fig. 2. Esquema representativo de los diferentes cambios de orientación durante el
desbaste de la probeta.
Pulido fino o especular
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Posterior al desbaste continúa el pulido de la muestra sobre una superficie
relativamente blanda (caucho, corcho, fieltro) y no abrasiva sobre la que se impregna
una suspensión de componente abrasivo como la alúmina (óxido de aluminio, Al2O3).
El procedimiento es muy similar al de desbaste, con la diferencia de ir añadiendo la
dispersión de Al2O3 lentamente.
Mediante el pulido se debe conseguir llevar la superficie de la muestra hasta que
alcanzar un brillo especular. De esta manera, la muestra se observa bajo el
microscopio con el fin de evaluar la calidad del pulido (quedarán arañazos residuales
no perceptibles fácilmente a simple vista) y para comparar con la imagen que se
obtenga tras el ataque químico.
Ataque químico
Una vez que la probeta haya sido pulida especularmente, se ha de proceder al
revelado de la microestructura, para lo cual la probeta se somete a un ataque químico
que provoca defectos en las zonas más sensibles de la microestructura policristalina
del metal (los bordes de grano) por oxidación o reacción química progresiva. Si el
ataque es muy prolongado, se podrían distinguir las diferentes orientaciones de los
granos que componen la microestructura. En caso de que el material posea una
microestructura con más de una fase, se observará que la fase más sensible al ataque
es la más afectada, con lo cual se revelará de forma distinta. Algunos de los reactivos
más comunes incluyen al Nital para aceros y fundiciones, cloruro férrico para
aleaciones de cobre (latón,bronce), entre otros.
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Fig. 3. Esquema representativo del revelado de la microestructura a través del ataque
químico.
3. Objetivos
- Conocer la preparación de probetas metalográficas.
- Utilizar los microscopios que se encuentran en el laboratorio para visualizar las
superficies de distintos materiales.
- Identificar diversas microestructuras
4. Materiales
- Microscopio metalográfico.
- Microscopio biológico.
- Lupa
- Probetas metalográficas y muestras de polímeros.
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5. Desarrollo de la práctica
- Coloque las probetas metalográficas y dibuje y describa detalladamente las
observaciones a distintos aumentos.
- Coloque las muestras de polímeros y compuestos. Deberá enfocar muy bien los
polímeros hasta identificar claramente las esferulitas y, en el caso de los compuestos,
las fibras. Dibuje lo observado.
Cuestiones
1.-En base a las observaciones realizadas, identifique las estructuras correspondientes
a las probetas metalográficas.
2.- ¿Qué ocurriría si la etapa de ataque químico se prolongase en exceso?
3.- Represente y describa la microestructura observada en las muestras de polímero.
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