Oct-2007 Compilación de microestructuras de piezas de acero al

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
COMPILACIÓN DE MICROESTRUCTURAS DE PIEZAS DE
ACERO AL CARBONO DE USO FRECUENTE EN EL
SALVADOR
TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
PARA OPTAR AL GRADO DE
INGENIERO MECÁNICO
POR
ERICK ALEXANDER MEJÍA PORTILLO
OCTUBRE 2007
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.
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RECTOR
JOSÉ MARÍA TOJEIRA, S.J.
SECRETARIO GENERAL
RENÉ ALBERTO ZELAYA
DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EMILIO JAVIER MORALES QUINTANILLA
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
MARIO WILFREDO CHÁVEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO
CARLOS ERNESTO RIVAS
LECTOR
MANUEL PINEDA
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4
AGRADECIMIENTOS
•
A Dios Todopoderoso.
•
A mis Padres, hermana y abuela.
•
Ing. Carlos Rivas
Director del Trabajo de Graduación.
Universidad Centroamericana José Simeón Cañas, UCA.
•
Ing. Manuel Pineda
Asesor y Lector del Trabajo de Graduación
Consultora Metalúrgica, CONSULMET S.A. DE C.V.
•
Ing. Mario Chávez
Coordinador de la Carrera de Ingeniería Mecánica.
Universidad Centroamericana José Simeón Cañas, UCA.
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6
DEDICATORIA
Primero agradecer a DIOS TODOPODEROSO por haber permitido concluir mis estudios
universitarios; a mis padres, Efraín y Margarita por su esfuerzo al proporcionarme lo
necesario para salir adelante en todo el proceso de estudio.
A la vez, a mi hermana Karla, abuela Maria del Carmen y Claudia Guerra por su apoyo
incondicional.
Erick Mejía
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RESUMEN EJECUTIVO
El término acero se utiliza para nombrar a una familia muy numerosa de aleaciones
metálicas que se basa en la mezcla del hierro con pequeñas cantidades de otros elementos
químicos. Cuando el elemento principal que se mezcla con el hierro es el carbono, a la
aleación resultante se le conoce como acero al carbono. Cuando al acero al carbono se le
añaden otros elementos de aleación (como pueden ser cromo, manganeso, etc.) al metal
resultante se le conoce comúnmente como acero aleado. La adición de impurezas al hierro
puro se hace con el propósito de mejorar sus propiedades mecánicas. Para el caso de los
aceros al carbono, dichas propiedades dependen principalmente de la concentración del
carbono en la aleación.
La economía y el desarrollo tecnológico de un país se han medido con frecuencia en
relación al volumen de producción y consumo de acero. Este aleado del acero se hace con
el propósito de mejorar las propiedades del metal puro, cuya dureza y tenacidad son
funciones de la concertación de C.
El carbono influye en las propiedades mecánicas de los aceros al carbono de diversas
maneras. Uno de los mecanismos de endurecimiento consiste en transformar la cantidad de
las fases que se pueden formar a nivel microscópico en el acero. Cuando se incentiva la
formación de una fase con dureza elevada, como la martensita o la cementita, el acero
exhibe dureza y resistencia elevadas a nivel macroscópico.
La forma mas 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:
i
- Corte transversal: Naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos de
fabricación, y otros.
- Corte longitudinal: Proceso de fabricación de piezas, tipo y calidad de la soldadura y
otros.
Por otra parte, existe otro tipo de examen que es el examen micrográfico, que representa
una técnica más avanzada y se basa en la amplificación de la superficie mediante
instrumentos ópticos (microscopio) para observar las características estructurales
microscópicas (microestructura). Este tipo de examen permite realizar el estudio o controlar
el proceso térmico al que ha sido sometido un metal, debido a que los mismos colocan en
evidencia la estructura o los cambios estructurales que sufren en dicho proceso. Como
consecuencia de ello también es posible deducir las variaciones que experimentan sus
propiedades mecánicas (dependiendo de los constituyentes metalográficos presentes en la
estructura).
Los estudios ópticos microscópicos producen resultados que no solo son útiles a los
investigadores sino también a los ingenieros. Los ensayos micrográficos se realizan sobre
muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio, preparamos una
superficie que luego de ser pulida convenientemente, se ataca con reactivos químicos
apropiados a la finalidad de la determinación a realizar.
Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por
irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la propia
fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar y comparar
las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán deducir y contar con
una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta además, los tratamientos
recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado, laminado, recocido, temple, entre
otros; pues en muchos casos (forjado y laminado) es beneficio contar con muestras en las
distintas direcciones de sus fibras. Como se ha indicado, el estudio en si se hace sobre
superficies convenientemente preparadas de dichas muestras o probetas. Esta preparación
consiste en llegar a un pulido casi perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que
ii
podríamos llamar grueso, con el fin de aplanar la superficie, lo que se consigue con un
ajuste a lima o con el auxilio de devastadoras mecánicas de diseño especial. Los reactivos
químicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca con ellos la
revelación, por coloración o por corrosión, de los distintos componentes de una estructura
metalografica para poder diferenciarlos con facilidad.
Por lo general, están constituidos por ácidos o álcalis diluidos en alcoholes, agua o
glicerina. Y su elección se hará de acuerdo con la naturaleza química de la estructura a
destacar en la muestra.
Con tal fin, una vez pulida la superficie se hará en agua, frotándola con un algodón o tela
suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores que pueda presentar,
concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y secándola con un
soplado de aire caliente. Las fotografías obtenidas de estos exámenes, genéricamente
llamados "Microfotografías", se logran con la ayuda del microscopio metalográfico, cuyos
principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En él, con
iluminación adecuada, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir sobre el
objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través de un sistema
de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación.
Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación con
microfotografías, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y variedad de
los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por defectos de
fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos)
En El Salvador se utilizan muchas piezas de acero al carbono, o de acero aleado, a nivel
industrial. Las propiedades mecánicas de estas piezas dependen en alguna medida de la
estructura microscópica que se forme en el material.
A la fecha, no se ha realizado un esfuerzo por documentar la microestructura de dichas
piezas. El presente documento busca mostrar de manera gráfica la estructura microscópica
que se encuentra en algunas piezas de acero de uso frecuente en nuestro medio.
iii
iv
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO……………………………………………………………………i
SIGLAS……………………………………………………………………………………..xi
UNIDADES DE MEDIDA………………………………………………………………..xiii
PRÓLOGO…………………………………………………………………………............xv
CAPÍTULO 1. MICROESTRUCTURA DE LOS ACEROS…………………….................1
1.1 MICROESTRUCTURA……………………………………………………........1
1.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO (Fe-C)………………………………….....2
1.2.1 FERRITA………………………………………………………............5
1.2.2 CEMENTITA…………………………………………………..……...7
1.2.3 PERLITA………………………………………………..……………..8
1.2.4 AUSTENITA……………………………….………………………….9
1.2.5 MARTENSITA………………………………………………………10
1.2.6 TROOSTITA………………………………………………………....11
1.2.7 SORBITA…………………………………………………………….12
1.2.8 BAINITA……………………………………………………………..12
1.2.9 LEDEBURITA……………………………………………………….13
1.3 DETERMINACION DEL TAMAÑO DEL GRANO…………………………14
CAPÍTULO 2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS…………………………………………..15
2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS…….…………15
2.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS COMUNES………………………..…15
2.3 TEMPLE………….……………………………………………………………18
2.3.1 MARTEMPERING……………………………….………………….20
2.3.2 TEMPLE SUPERFICIAL……………………………………………22
2.4 REVENIDO…………………………………………………………………….22
2.5 TEMPLE ISOTERMICO………………………………………………………23
2.6 RECOCIDO…………………………………………………………………….24
2.7 NORMALIZADO…………………...…………………………………………26
2.8 PRINCIPALES TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS…………………….27
2.8.1 CEMENTACIÓN…………….………………………………………27
2.8.2 NITRURACIÓN……………………….……………………………..27
v
vi
2.8.3 CIANURACIÓN……………………………………………….…….28
2.9
INFLUENCIA
DE
LOS
TRATAMIENTOS
TÉRMICOS
EN
LAS
PROPIEDADES DE LOS ACEROS………………………………………………28
CAPITULO 3 PREPARACIÓN DE MUESTRAS………..……………………………….29
3.1 OPERACIONES A SEGUIR PARA PREPARAR UNA MUESTRA
METALOGRÁFICA……………………………………………………………….29
3.1.1 SELECCIÓN DE MUESTRAS…………………….………………...29
3.1.2 TAMAÑO DE MUESTRAS…………………………………………29
3.1.3 CORTE DE MUESTRAS……………………………………………30
3.1.4 MONTAJE DE MUESTRA………………………………………….32
3.1.5 DESBASTE DE MUESTRAS……………………………………….33
3.1.6 PULIDO DE MUESTRAS…………………………………………...35
3.1.7 ATAQUE QUIMICO………………………………………………...35
3.2 ALBUM DE MICROESTRUCTURA…………………………………………37
CAPITULO 4 CONCLUSIONES …………………………………………………..…......53
GLOSARIO ………………………………………………………………………..............55
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………...............59
vii
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Estructura de granos de Cu……………………………………………………....1
Figura 1.2 Aleación de Al-Cu con precipitados……………………………………………..1
Figura 1.3 Micrografía de Acero (Fe-C)…………………………………………………….2
Figura 1.4 Diagrama Hierro-Carbono……………………………………………………….3
Figura 1.5 Microestructura de la Ferrita…………………………………………………….6
Figura 1.6 Estructura de Ferrita Widmanstaetten…………………………………………...7
Figura 1.7 Microestructura de la Cementita…………………………………………………8
Figura 1.8 Microestructura de la Perlita……………………………………………………..9
Figura 1.9 Microestructura de la Austenita………………………………………………...10
Figura 1.10 Microestructura de la Martensita……………………………………………...11
Figura 1.11 Microestructura de la Bainita………………………………………………….13
Figura 1.12 Tamaño de los granos en la microestructura del acero………………………..14
Figura 2.1 Diagrama de fases del acero……………………………….…………...………16
Figura 2.2 Diagrama TTT………………………………………………………………….18
Figura 2.4 Transformaciones de fase y tratamientos térmicos………………….………….20
Figura 2.8 Estructura de temple más revenido……………………………………………..23
Figura 2.9 Microestructura de un acero ferrítico…………………………………………..24
Figura 2.10 Estructura de normalizado…………………………………………………….26
Figura 3.1 Tamaño de muestras……………………………………………………………29
Figura 3.2 Piezas cortadas en su sección transversal………………………………………30
Figura 3.7 Proceso de embutido……………………………………………………………32
Figura 3.11 Proceso de desbaste y pulido………………………………………………….34
ix
x
SIGLAS
UCA:
Universidad Centroamericana José Simeón Cañas
CONSULMET:
Consultora Metalúrgica
HBN:
(Hardness Brinell Number)
HRA, HRB, HRC: (Hardness Rockwell series A, B, C)
HVN:
(Hardness Vickers Number)
xi
xii
UNIDADES DE MEDIDA.
g
gramo
lbf
Libra fuerza
MPa
Mega Pascal
N
Newton
Pa
Pascal
psi
Libra de fuerza por pulgada cuadrada
ºC
Grados Celsius
xiii
xiv
PRÓLOGO
Metalografía es la ciencia que estudia las características estructurales o constitutivas de un
metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas y mecánicas.
Entre las características estructurales están el tamaño de grano, forma, porcentajes y
distribución de las fases que comprenden la aleación y de los defectos, tales como: las
inclusiones no metálicas, así como la presencia de segregaciones y otras irregularidades que
profundamente pueden modificar las propiedades mecánicas y el comportamiento general
de un metal.
Mucha es la información que puede suministrar un examen micrográfico. El principal
instrumento para la realización de un examen micrográfico es el microscopio
metalográfico, con el cual es posible examinar una muestra con aumentos que varían entre
50 y 2000.
Objetivo principal de la metalografía es la realización de una reseña histórica del material
buscando conocer su macroestructura y su microestructura, nivel de inclusiones no
metálicas, tratamientos térmicos a los que haya sido sometido, calidad de los tratamientos
térmicos y tratamientos termoquímicos, microrechupes, microporosidaes, macro y
microsegregaciones con el fin de determinar si dicho material cumple con los requisitos
para los cuales ha sido diseñado. Se conocerá los porcentajes y distribución de fases que
componen la aleación y la calidad, forma y tamaño de las inclusiones no metálicas, así
como la presencia de segregaciones y otras irregularidades.
Es muy útil para determinar si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación
a trabajos mecánicos. Si bien para un estudio de la estructura microscópica se necesita una
preparación aún más cuidadosa de la superficie, el procedimiento de preparación de la
superficie es básicamente el mismo para ambos ensayos metalográficos (microscópico y
macroscópico). Los cuatro pasos básicos que se requieren para preparar la superficie para
su observación son: 1) Corte transversal, 2) Montaje, 3) Desbaste y pulido, 4) Ataque.
Los pasos a seguir en el procedimiento de preparación es el mismo para todos los
materiales difiriendo solo las herramientas de corte y el grado de finura de los papeles de
esmeril, según la dureza del material. El reactivo de ataque a utilizar depende del tipo de
aleación.
xv
xvi
CAPITULO 1
1. MICROESTRUCTURAS DE LOS ACEROS
1.1 MICROESTRUCTURA
•
Microestructura: las propiedades mecánicas y físicas de un material dependen de
su microestructura. Esta puede consistir en una “simple” estructura de granos o
fases microscópicas en un material.
Por ejemplo:
Figura 1.1 Estructura de granos de Cu puro. Fuente: TECNUN, Diagramas de fase y transformaciones
de fase, Capítulo 7.
Figura 1.2 Aleación de Al-Cu con precipitados de CuAl2. Fuente: TECNUN, Diagramas de fase y
transformaciones de fase, Capítulo 7.
1
•
Fase: porción homogénea de un sistema que tiene características físicas y químicas
uniformes: un material puro, un sólido, un líquido o un gas se consideran fases. Si
una sustancia sólida, puede existir en dos o más formas (por ej., puede tener tanto la
estructura FCC como BCC), cada una de estas estructuras es una fase separada.
•
Componente: un metal y/o un compuesto que forma parte de una aleación. Por
ejemplo: Mezcla agua-hielo a 0ºC: tiene un componente: H20 y dos fases: sólido y
líquido. En la micrografía (figura 1.3) de un acero al carbono enfriado lentamente se
tienen dos componentes: Fe y C, y se observan dos fases, una de color claro y la
otra de color oscuro.
Figura 1.3 Micrografía de Acero (Fe-C) Fuente: TECNUN, Diagramas de fase y transformaciones
de fase, Capítulo 7.
1.2 DIAGRAMA HIERRO-CARBONO (Fe-C)
Los microconstituyentes que usualmente se presentan en las aleaciones de aceros al
carbono son: ferrita, cementita, perlita, austenita, martensita, bainita. Existen otras fases
como troostita, sorbita y ledeburita, las cuales no se presentan muy frecuentemente a nivel
industrial. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos,
silicatos, sulfuros y aluminatos.
Los análisis de micro-estructura de los aceros al carbono recocidos deben realizarse en base
al diagrama meta estable hierro-carbono.
2
Figura 1.4 Diagrama Hierro-Carbono Fuente:
http://www.stes.es/extremadura/principal_archivos/diagramasdefases.pdf
3
La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen
las transformaciones alotrópicas (propiedad del hierro de presentarse bajo estructuras
cristalinas diferentes, o fases que ocurre a diferentes temperaturas cuando este se encuentra
en estado sólido), entre estos elementos de aleación, el más importante es el carbono.
En el diagrama (figura 1.4), aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones
isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se
denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura
de 1493 ºC como la típica línea de una reacción peritéctica (reacción metalúrgica que
contiene aproximadamente ¼ fase δ y ¾ fase liquido, y aparece la fase γ, por consiguiente
habrá tres fases presentes, desaparece la fase δ y queda aproximadamente 50% fase γ y
50% fase liquido) la ecuación de esta reacción puede escribirse en la forma:
Líquido + δ
Enfriamiento
γ
(Ec. 1.1)
Calentamiento
Siendo la fase delta (derivada de la fase delta de hierro) con estructura b.c.c. y la fase
gamma (derivada de la fase gamma del hierro) es conocida como austenita con una
estructura f.c.c.
La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cúbica centrado en el cuerpo)
es 0,10 % de C, mientras que el Fe γ (de red cúbica centrado en las caras) disuelve al
carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor industrial de esta región es
muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de
temperaturas.
La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1130 ºC, esta temperatura es
la de solidificación del eutéctico y la reacción que en ella se desarrolla es:
Líquido
Enfriamiento
γ + Fe3C
(Ec. 1.2)
Calentamiento Mezcla eutéctica
La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura
ambiente la fase γ no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento.
La última línea horizontal, se presenta a los 723 ºC, esta línea corresponde a la temperatura
de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase γ debe
4
desaparecer. La ecuación de la reacción eutectoide (reacción metalúrgica que ocurre
durante el enfriamiento del acero. Todas las fases involucradas en este proceso son sólidas:
durante el enfriamiento, una fase se transforma en otras dos, por difusión en estado sólido.
Esto se materializa en la diferente estructura que adoptan los átomos, agrupándose en zonas
en las cuales los aleantes están claramente diferenciados, como por franjas, aunque no se
aprecia sino en el microscopio) que se desarrolla puede expresarse por:
Enfriamiento
γ
α+ Fe3C
(Ec. 1.3)
Calentamiento Mezcla eutectoide
En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en dos
partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se llaman
aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 % de carbono, las cuales se
llaman fundiciones. A su vez, la región de los aceros se subdivide en otras dos: una
formada por los aceros cuyo contenido en carbono es inferior al correspondiente a la
composición eutectoide (0,77 %C) los cuales se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra
compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se conocen
por aceros hipereutectoides.
Los microconstituyentes que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono
son:
1.2.1 FERRITA (Hierro α)
Es una solución sólida de carbono en hierro α, su solubilidad a la temperatura ambiente es
del orden de 0.008 % de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima
solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,0259 % a 723 °C.
5
Figura 1.5 Microestructura de Ferrita. Fuente: http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/ferrita.html
La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en
el cuerpo, tiene una dureza de 95 Vickers y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2,
llegando
hasta
un
alargamiento
del
35
al
40
%.
(http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.
htm).
La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros.
En los aceros al carbono de menos de 0.6 %C, la ferrita puede aparecer como granos
mezclados con los de perlita; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en
los aceros de 0.6 a 0.85 %C aparece en forma de agujas o bandas circulares orientadas 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 y soldados. Este tipo de estructura se
denomina Widmanstatten (ver figura 1.6)
6
Fig. 1.6 Estructura conocida como Ferrita Widmanstaetten, se muestra el interior de un grano de
austenita de miles de micrómetros, correspondiente a una muestra metálica tomada de Veas-01, y
analizada en la Universidad Técnica de Clausthal, Alemania. Fuente: http://rodolfonovakovic.blogspot.com/2005/11/widmanstaetten-fe-ni-y-widmanstaetten.html
La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas
paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros
de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, en los
aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el
temple no ha sido bien efectuado.
1.2.2 CEMENTITA
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el
microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza
Brinell
de
700
(68
HRC)
y
cristaliza
en
la
red
ortorrómbica.
(http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.
htm).
7
CEMENTITA
Figura 1.7 Microestructura del acero 1 %C, red blanca de cementita
Como se observa en la figura 1.7, con un color blanco aparece cementita primaria o
proeutéctica en los aceros con más de 0.9 %C, formando una red que envuelve los granos
de perlita; así formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras
láminas de ferrita (http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/micro_acero.htm).
1.2.3 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 el 0.77 %C. Tiene una
dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15
%.(http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20ace
ro.htm).
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 540 a 727°C.
8
Figura 1.8 Microestructura del acero al carbono, granos oscuros de perlita. Fuente:
http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/micro_acero.htm
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.
1.2.4 AUSTENITA
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por
inserción de carbono en hierro γ. 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 inoxidables al cromo-níquel
denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.
La austenita está formada por granos cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 305
Vickers, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es
9
magnética.(http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20de
l%20acero.htm).
Figura 1.9 Microestructura de la austenita. Fuente: http://rodolfonovakovic.blogspot.com/2006/03/aleaciones-de-fierro.html
En la figura 1.9, y semejando a un hexágono deformado, se puede apreciar la forma de un
grano de austenita en un corte bidimensional plano. La austenita no puede atacarse con
nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales
frecuentemente cuando sufrió deformación plástica, puede aparecer junto con la martensita
en los aceros templados.
1.2.5 MARTENSITA
Es el constituyente de los aceros al carbono y aceros especiales, está conformado por una
solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por
enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.
10
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1 % de carbono, su
dureza varía con su contenido de carbono hasta un máximo de 0.7 %C.
Figura 1.10 Microestructura de la martensita. Fuente:
http://www.neokatana.com/web/nihonto/ciencia/ciencia_metal.htm
La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2
y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando
grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
(http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/micro_acero.htm)
Los aceros especiales suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se
corrige por medio 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 cualquier medio.
1.2.6 TROOSTITA
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple por
transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600 °C, o por
11
revenido a 400 °C. Como norma general la velocidad de calentamiento (calentamiento a la
temperatura máxima y permanencia a dichas temperaturas), es moderada, se requiere una
hora de calentamiento por cada 20 mm, de espesor o dimensión transversal media de la
pieza.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de
400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del
5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X
y
aparece
generalmente
acompañando
a
la
martensita
y
a
la
austenita.
(http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/micro_acero.htm).
1.2.7 SORBITA
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la
austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple por
transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650 °C, o por revenido a la
temperatura de 600 °C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de
88
a
140
kg/mm2,
con
un
alargamiento
del
10
al
20
%.
(http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/micro_acero.htm).
Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas; pero con 1000X toma la
forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la
sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.
1.2.8 BAINITA
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la
temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 580 °C. Se diferencian dos tipos de
estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580 °C, compuesta
por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400 °C tiene
un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que
contienen delgadas placas de carburos.
12
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 HRC (da Costa, 2005: p.50) comprendida
entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Figura 1.11 Micrografía 0.30%C 0.48%Mn 1.17%Cr 0.45%Mo 0.24%V 0.55%W
0.053Ti 0.0012B, bainita granular, aumento 100X. Fuente: ww.materia.coppe.ufrj.br/.../f10_13.html
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los
aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único constituyente y además pueden
aparecer otros carburos simples (que contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso,
hasta un 0,8% de carbono, y el resto de hierro) y dobles (que contiene otros elementos
además del manganeso).
1.2.9 LEDEBURITA
La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en
las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en el hierro aleado es superior al 25%
es decir que consta de 1.75% de C, siendo el 100% un 7% de C.
La ledeburita se forma al enfriar una fundición líquida de carbono (de composición
alrededor del 4.3% de C) desde 1130 ºC, siendo estable hasta 723 ºC, decomponiéndose a
partir de esta temperatura en ferrita y cementita
13
1.3 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DEL GRANO
La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma
ASTM, por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las retículas
patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano más fino.
En el sistema ASTM el tamaño del grano austenítico se indica con un número convencional
n, de acuerdo con la formula:
logG = (n-1) log2
Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100
aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el
número de tamaño de grano de uno a ocho.
1
2
4
5
7
8
3
6
Figura 1.12 Forma, tamaño y distribución de los granos en la microestructura del acero para
comparación a 100X. Fuente: http://html.rincondelvago.com/metalografia.html
14
CAPITULO 2
2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS
En general, un Tratamiento Térmico consiste en calentar el acero hasta una cierta
temperatura; mantenerlo a esa temperatura durante un tiempo determinado y luego
enfriarlo, a la velocidad conveniente. El objeto de los tratamientos térmicos es cambiar los
microconstituyentes de los metales, principalmente de los aceros.
2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos pueden dividirse en dos grandes grupos:
1º Tratamientos sin cambio de composición, la composición química del metal no sufre
ningún cambio. 2º Tratamientos con cambio de composición, los que añaden nuevos
elementos a sus propios componentes o cambian la proporción de los existentes. De aquí
que se llamen con más propiedad Tratamientos Termoquímicos.
2.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS COMUNES
En todo tratamiento térmico se distinguen tres fases:
1° Calentamiento hasta la temperatura adecuada.
2° Mantenimiento a esa temperatura hasta obtener uniformidad térmica.
3° Enfriamiento a la velocidad adecuada.
De acuerdo con las variantes de estas fases se obtienen los distintos tratamientos.
Calentamiento
Fase 1ª Si en esta fase se llega a la temperatura de transformación superior, toda la
estructura se convierte en austenita. Si el calentamiento es suficientemente lento, la
transformación se logra a las temperaturas que aparecen en la figura 2.1
15
Figura 2.1 Diagrama de Fases del Acero. Fuente:
http://www.metalia.es/fichaarticulos.asp?id=68&sub=21
Si el calentamiento se hace a distintas velocidades, la transformación empieza y termina
tanto más tarde cuanto mayor se la velocidad, aún para el mismo acero.
16
Mantenimiento a Temperatura constante
Fase 2ª Esta fase tiene por objeto lograr el equilibrio entre la temperatura del centro y la
periferia y con ello la homogeneización de la estructura. Deberá ser tanto más larga cuanto
más rápido haya sido el calentamiento.
Enfriamiento Controlado
Fase 3ª Es la fase decisiva en la mayoría de los tratamientos. Para lograr el constituyente
deseado hay que partir de la estructura austenítica, si queremos que haya transformación.
Si esta tercera fase se hace escalonadamente, es decir, enfriando rápidamente hasta una
cierta temperatura y luego se la mantiene a esa misma temperatura durante el tiempo
suficiente, se comprueba que también se logra la transformación. Se dice de estas
transformaciones que son a temperatura constante o isotérmica. Las transformaciones
isotérmicas tienen la ventaja, sobre las logradas en el enfriamiento contínuo, de que la
estructura resulta muy homogénea, mientras que en el enfriamiento contínuo pueden
resultar varios tipos de fases.
Uniendo los puntos de principio de transformación resulta una curva característica para
cada acero. A la izquierda o por encima de ella, todo está en forma austenita.
Uniendo los puntos finales de transformación se obtiene otra curva, detrás de la cual o
debajo de ella toda la masa estará transformada. Estas se llaman de las "eses" por su forma
característica, y al diagrama se le llama de las TTT (Transformación, Tiempo,
Temperatura).
Las temperaturas Ms y Mf son muy importantes y representan el principio y el final de la
transformación en martensita, como se muestra en la figura 2.2.
17
Figura 2.2 Diagrama TTT. Fuente: http://www.metalia.es/fichaarticulos.asp?id=68&sub=21
Con estas curvas resulta fácil comprender los efectos de los tratamientos térmicos.
Variando las fases se pueden variar los resultados.
2.3 TEMPLE
El temple (quenching) tiene por fin formar martensita para dar a un metal aquel punto de
resistencia que requiere para ciertos usos.
Los constituyentes más duros y resistentes son las martensita y la cementita. Para lograr
estos constituyentes, se sigue este proceso:
Fase 1ª El calentamiento se hace hasta alcanzar la austenización completa en los aceros de
menos de 0.9% de C; y entre la A1 y Acm para los que pasan de 0.9% de C. En la figura 2.3
aparece la zona adecuada de calentamiento, en función del C.
18
Figura 2.3 Fuente: http://www.metalia.es/fichaarticulos.asp?id=68&sub=21
Fase 2ª El mantenimiento debe ser suficiente para alcanzar la homogeneización entre el
núcleo y la periferia. Las piezas gruesas necesitarán más tiempo que las delgadas. Si la
velocidad en la fase 1ª fue grande, hay que alargar el tiempo de permanencia de la fase 2ª
Fase 3ª La velocidad de enfriamiento debe ser tal, que no penetre la curva de enfriamiento
en la S, hasta llegar a la temperatura Ms de la martensita.
El éxito del temple estriba en el conocimiento exacto de los puntos de transformación y del
empleo del medio adecuado para lograr la velocidad suficiente de enfriamiento
A continuación se muestra la representación esquemática del tratamiento térmico en el
diagrama TTT:
19
Fig. 2.4 Transformaciones de fase y tratamientos térmicos. Fuente: CTMat
2.3.1 Martempering
Así se llama a cierto tipo de temple diferido, la primera y segunda fase son iguales a las del
temple con enfriamiento continuo. En la fase tercera se enfría la pieza rápidamente, sin
llegar a la temperatura Ms y se la mantiene así unos momentos sin alcanzar la curva de
principio de transformación. Con ello se logra una uniformidad térmica; se vuelve a enfriar
seguidamente y se logra la transformación deseada: martensita.
Seguidamente se enfría hasta la temperatura ambiente.
A continuación se muestra la representación esquemática del tratamiento térmico en el
diagrama TTT:
20
Fig. 2.5 Transformaciones de fase y tratamientos térmicos. Fuente: CTMat
Figura 2.6 Fuente: TECNUN, Diagramas de fase y transformaciones de fase, Capítulo 7.
21
2.3.2 Temple superficial
Es un nombre que, como su mismo nombre indica, no alcanza más que a la superficie de la
pieza. Se emplea para obtener piezas superficialmente duras y resilientes en el núcleo.
Fase 1ª Se calienta la pieza a gran velocidad, cuidando que sólo llegue a la temperatura de
austenización el espesor deseado de la periferia.
Fase 2ª No existe, ya que no interesa lograr la homogeneización.
Fase 3ª Se enfría rápidamente para lograr la transformación martensítica de la periferia.
2.4 REVENIDO
Es un tratamiento posterior al temple y que tiene por objeto:
1º Eliminar las tensiones del temple y homogeneizar el total de la masa
2º Transformar la martensita en estructuras perlíticas finas, menos duras pero más resilintes
que la martensita.
Fase 1ª Se calienta siempre por debajo del punto crítico A1. La temperatura alcanzada es
fundamental para lograr el resultado deseado.
Fase 2ª En general, el mantenimiento no debe ser muy largo.
Fase 3ª Se enfría en aceite, agua o al aire; en algunos aceros esta fase es muy importante.
Durante el revenido, se consigue, por difusión atómica, la formación de martensita revenida
(ver figura 2.7):
es decir, la descomposición en las fases estables: ferrita y cementita, en forma de una
dispersión muy fina de cementita en una fase ferrítica. De esta forma, se consigue aumentar
la tenacidad del acero templado, conservando valores de resistencia considera
22
Figura 2.7 Fuente: TECNUN, Diagramas de fase y transformaciones de fase, Capítulo 7.
2.5 TEMPLE ISOTERMICO
Pueden obtenerse efectos semejantes al del temple y revenido con un solo tratamiento, que
consiste en lograr la transformación de austenita a temperatura constante y próxima a la
Ms, pero por encima de ella. Se alcanza así una estructura bainítica, con buena dureza y
resiliencia y se evitan peligros del temple tales como tensiones y grietas y la fragilidad del
revenido. Este tratamiento se llama Austempering.
Fig. 2.8 Estructura de Temple más Revenido. Temple 850 ºC 1h/agua. Revenido 525º C 2h/aire.
HRB=104 250X
Fuente:http://sisbib.unmsm.edu.pe/BibVirtual/Publicaciones/geologia/v02_n4/acero60_3.htm
23
2.6 RECOCIDO
Consiste en un tratamiento térmico con el cual los metales adquieran de nuevo la ductilidad
o cualidades perdidas por otros tratamientos térmicos u operaciones mecánicas, lo primero
es calentar un material a alta temperatura durante un tiempo y luego enfriarlo lentamente
para eliminar tensiones residuales, incrementar ductilidad y tenacidad.
Los tratamientos de recocido se suelen aplicar a materiales deformados en frío para reducir
los efectos del endurecimiento por deformación y aumentar así su ductilidad para su trabajo
posterior. Durante el recocido tienen lugar procesos de: 1.Restauración: la densidad de
dislocaciones disminuye gracias a la activación de la difusión a altas temperaturas. 2.
Recristalización: nuevos granos sustituyen a los granos deformados. 3. Crecimiento de
grano. En la figura 2.9 se muestra un ejemplo de ello.
Figura 2.9 Microestructuras de un acero ferrítico antes de la deformación, después
de la deformación y después de un tratamiento de recocido con recristalización. Fuente: TECNUN,
Diagramas de fase y transformaciones de fase, Capítulo 7.
24
2.6.1 Recocido de regeneración
Es el empleado para que un acero, que por distintas causas haya adquirido un grano muy
grande, quede a grano normal y con pequeña dureza.
2.6.2 Recocido de ablandamiento
Se emplea este recocido para ablandar aceros que ya sea por mecanizado, ya sea por forja o
laminación han quedado duros y difíciles de mecanizar. Con él se logran durezas más
pequeñas y una maquinabilidad más fácil.
2.6.3 Recocido contra acritud
Se emplea este recocido para quitar acritud (estado en que se encuentra el acero que perdió
su ductilidad y maleabilidad) a aceros pobres en carbono, cuando se han trabajado en frío,
como sucede en el trefilado, estirado, embutido, etc. La acritud puede llegar a ser tal que
resulte imposible continuar la operación que se realizaba sin peligro de rotura o de grietas.
Es un recocido similar al de ablandamiento, pero a menor temperatura.
2.6.4 Recocido isotérmico
Se emplea este recocido principalmente para herramientas de acero de alta aleación.
1º Se calienta y mantiene la herramienta por encima de la temperatura crítica superior.
2º Se enfría rápidamente por debajo de la A1 y próxima a ella.
3º Se mantiene a esa temperatura hasta terminar la transformación.
4º Y se deja enfriar hasta alcanzar la temperatura ambiente.
2.6.5 Recocido (annealing)
Tratamiento a elevada temperatura, con máxima velocidad de transformación, seguido de
enfriamiento lento. El objetivo de este tratamiento térmico es formar las fases de equilibrio
25
en el acero (ferrita + perlita ó cementita + perlita). El acero recocido adquiere su mayor
ductibilidad y menor resistencia posible.
2.7 NORMALIZADO
Es un tratamiento que solamente se da a los aceros al carbono y aleados Es similar al
recocido de regeneración, pero la fase tercera se hace enfriando al aire ambiente.
Fig. 2.10 Estructuras de Normalizado a 850º C 250X Fuente:
http://sisbib.unmsm.edu.pe/BibVirtual/Publicaciones/geologia/v02_n4/acero60_3.htm
Isotérmico
Fig. 2.11 Transformaciones de fase y tratamientos térmicos. Fuente: CTMat
26
2.8 PRINCIPALES TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
A este grupo pertenecen los tratamientos de cementación, nitruración y cianuración.
La finalidad de todos ellos es la de obtener una capa exterior muy dura y resistente,
mientras el núcleo de la pieza queda con menor dureza, esto se les aplican a las piezas que
necesitan dureza superficial, considerando su tenacidad por ejemplo piezas como ejes,
engranajes, y se logran haciendo que el acero absorba el elemento requerido aislándolo en
una atmósfera controlada o dentro de un horno también con atmósfera controlada.
2.8.1 Cementación
Consta este tratamiento de dos fases fundamentales:
1ª Enriquecimiento superficial de carbono. Se logra calentando el acero a unos 900º C, en
presencia de sustancias ricas en carbono y capaces de cederlo, para unirse al hierro y formar
carburo de hierro. La mayor o menor penetración, desde algunas décimas hasta 2 ó 3 mm
de este enriquecimiento, depende de la duración de la operación de la energía de las
sustancias y de la temperatura alcanzada. La duración puede ser de pocos minutos y hasta
de varias horas. Las sustancias cementantes pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas.
2ª La segunda fase es el temple; con él se logra que la capa exterior adquiera gran dureza
mientras el núcleo permanece sin cambios. Cuando la primera fase ha sido muy larga, se
suele intercalar entre la primera y la segunda un recocido de regeneración.
Los aceros empleados para cementar deben ser pobres en carbono.
2.8.2 Nitruración
Es un procedimiento en el cual, por la absorción de nitrógeno, se obtiene una fina capa de
nitruros de hierro de gran dureza. Para ello se colocan las piezas en una caja
herméticamente cerrada por la que se hace circular gas amoniaco, que a 500º C cede el
nitrógeno y se combina con el hierro. La operación es lenta, de 20 a 80 horas, y el espesor
de la capa muy pequeño. No necesita temple posterior. El acero debe ser adecuado.
27
2.8.3 Cianuración
Es una variante de la cementación y nitruración por la que las sustancias ceden nitrógeno y
carbono. Se realiza con sustancias en estado líquido y tiene la ventaja de que es muy rápido.
Se obtienen pequeñas penetraciones y el temple se hace aprovechando el calor de la
primera fase.
2.9
INFLUENCIA
DE
LOS
TRATAMIENTOS
TÉRMICOS
EN
LAS
PROPIEDADES DE LOS ACEROS
Cuando un acero está formado por un solo constituyente, sus características son las del
constituyente.
Cuando está formado por varios, que es lo más común, entonces sus propiedades son un
promedio de las propiedades de los mismos constituyentes o fases.
Los tratamientos cambian las fases de los aceros y por consiguiente cambian también sus
propiedades mecánicas. En líneas generales se puede decir:
Del temple: que aumenta la dureza, la resistencia a la tracción, el límite elástico, y que
disminuye la resiliencia y el alargamiento.
Del recocido: que aumenta el alargamiento y la resiliencia y disminuye la resistencia y la
dureza.
Del revenido: disminuye la resistencia, el límite elástico y la dureza; mientras que aumenta
el alargamiento y la resiliencia. Hay que cuidar mucho la temperatura, entre los 200 °C y
400º C para evitar efectos contrarios en la resistencia.
28
CAPITULO 3
3. PREPARACIÓN DE MUESTRAS
3.1
OPERACIONES
A
SEGUIR
PARA
PREPARAR
UNA
MUESTRA
METALOGRÁFICA.
3.1.1 Selección de muestra: parte más importante debido a que su resultado final
dependerá de la buena elección de la muestra. Antes de seleccionar la muestra debe saberse
lo que se quiere estudiar, analizando las caras longitudinales y transversales de la pieza.
Las muestras analizadas son de naturaleza de estudio de investigación y se seleccionó hacer
un corte transversal a las piezas para revelar la siguiente información:
Las variaciones en la estructura del centro de la superficie.
La distribución de impurezas no metálicas a través de la sección.
3.1.2 Tamaño de la muestra: siempre que se pueda, debe ser tal que su manejo no
encierre dificultad en la operación. Generalmente el tamaño no es más de 12 a 25
milímetros si es cuadrado el material, o aproximadamente 12 a 25 mm de diámetro si el
material es redondo. (Norma ASTM E3-95)
En las muestras analizadas el tamaño se encuentra en el rango descrito anteriormente. En la
figura 3.1 se muestran el tamaño de las muestras a utilizar.
Fig. 3.1 Muestras ya cortadas dentro de tubos de PVC en donde serán embutidas.
29
3.1.3 Corte de la muestra: las muestras analizadas se cortaron con sierra de mano,
aunque este método de corte no es ventajoso. El corte mediante este método ocasiona
superficies irregulares con valles excesivamente altos, dando como efecto más tiempo de
aplicación de las técnicas de preparación de las muestras. Generalmente este tipo de corte
es utilizado para extraer probetas de piezas muy grandes, para poder luego proceder con el
corte abrasivo y adecuar la probeta a los requerimientos necesarios. En las figuras 3.2 a 3.6
se muestran las piezas cortadas en su sección transversal.
Fig. 3.2 Tensor galvanizado
Fig. 3.3 Argolla cerrada de ½”
30
Fig. 3.4 Perno y tuerca hexagonal de ½” x 1”
Fig. 3.5 Grillete
Fig. 3.6 Eslabón de cadena de ¼” galvanizada
31
3.1.4 Montaje (Embutido) de muestras: Con frecuencia, la muestra a preparar, por sus
dimensiones o por su forma, no permite ser pulida directamente, sino que es preciso
montarla o embutirla. El material del que se componen estas puede ser Lucita (resina
termoplástica) o Bakelita (resina termoendurecible). En las figuras 3.7 a 3.11 se muestra el
proceso de embutido.
Fig. 3.7 Primero se elaboró la resina.
Fig. 3.8 Se colocó la resina dentro de los tubos de PVC.
32
Fig. 3.9 Se colocó un poco más de resina dentro de los tubos de PVC.
Fig. 3.10 Muestras recién embutidas.
Fig. 3.11 Muestras 48 horas después del embutido.
3.1.5 Desbaste de muestras: Después de montada las muestras, se inicia el proceso de
desbaste sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente.
El proceso de desbaste se divide en 3 fases: Desbaste grueso, Desbaste intermedio y
33
Desbaste final. Cada etapa de preparación de probetas metalograficas debe realizarse muy
cuidadosamente para obtener al final una superficie exenta de rayas.
Desbaste Grueso: Es el desbaste inicial, que tiene como objetivo planear la
probeta. El papel de lija utilizado es de carburo de silicio con granos de 80 a
120. En cualquier caso, la presión de la probeta sobre la lija debe ser suave, para
evitar la distorsión y rayado excesivo del metal.
Desbaste Intermedio: En esta fase se utilizó los papeles de lija No.320 y 400.
Desbaste Final: Se realizó de la misma forma que los anteriores, con papel de
lija No.500 y 600.
En todo caso, en cada fase del desbaste se utilizó como sistema refrigerante agua. Cada vez
que se cambie de papel, debe girarse 90 grados, en dirección perpendicular a la que se
seguía con el papel de lija anterior, hasta que las rayas desaparezcan por completo.
Se utilizó una pulidora de discos, a las que se le fijó los papeles de lija adecuado en cada
fase de la operación. En la figura 3.11 se muestra el desbaste realizado.
Fig. 3.11 Muestra siendo desbastada por una lija Nº 500.
34
3.1.6 Pulido de muestras: la última aproximación a una superficie plana libre de
ralladuras se obtuvo mediante un paño húmedo cargado con partículas abrasivos de pasta
de diamante. Se realizaron 3 procesos de pulido de cada muestra. En la figura 3.12 se
muestra el pulido realizado.
Fig. 3.12 Muestra siendo pulida por un paño y pasta de diamante.
Fig. 3.13 Muestras pulidas sin ataque químico.
3.1.7 Ataque químico a las muestras: permite poner en evidencia la estructura del metal o
aleación. El ataque químico que se realizó fue colocar gotas de Nital al 1% sobre la cara
35
pulida completa con un gotero, aproximadamente por unos 30 segundos. Luego se lavó la
probeta con agua, y se secó en corriente de aire. El fundamento se basa en que el
constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá
más oscuro al microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante.
Para cada muestra se tomaron dos fotomicrografia: la primera siendo sin ataque químico y
la segunda siendo con ataque químico, el reactivo utilizado fue Nital 1.
Se utilizo un microscopio metalográfico por medio de un haz de luz horizontal de una
fuente de luz es reflejado, por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo a través
del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta luz
incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplifica al pasar a través del
sistema inferior de lentes, y continuará hacia arriba a través del reflector de vidrio plano;
luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de lentes, el ocular. Cada objetivo
posee un aumento diferente. El poder de amplificación inicial del objetivo y del ocular está
generalmente grabado en la base del lente. Cuando se utiliza una combinación particular de
objetivo y ocular y la longitud adecuada de tubo, la amplificación total es igual al producto
de las amplificaciones del objetivo y del ocular. Por ejemplo, con un objetivo 20X y un
ocular 10X se obtiene una amplificación de 200X.
36
3.2 ALBUM DE MICROESTRUCTURA
PIEZA Nº 1
DESCRIPCIÓN.Consta de 3 segmentos:
1A – gancho
1B – cuerpo del tensor
1C - argolla
CARACTERISTICAS.Nombre: Tensor Galvanizado de ½”
Material: Acero al Carbono
PROCESO.Se realizó el corte en la sección
transversal de cada segmento luego se
realizaron
3
micrografias
confirmar la calidad del material.
1A
1B
37
1C
para
SEGMENTO 1A
FOTOMICROGRAFIA Nº 1
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
OSCURO, AUMENTO 100X
INCLUSIÓN
FOTOMICROGRAFIA Nº 2
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO 100X ATAQUE QUÍMICO NITAL 1.
38
SEGMENTO 1B
FOTOMICROGRAFIA Nº 3
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIÓN
INCLUSIONES GLOBULARES
DE COLOR OSCURO,
AUMENTO 100X
FOTOMICROGRAFIA Nº 4
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), Y SE ESPERARÍA
UNA ORIENTACIÓN
PREFERENCIAL ORIGINADA
POR EL FORJADO EN
CALIENTE DEL MATERIAL
AUMENTO 100X ATAQUE
QUÍMICO NITAL 1.
39
SEGMENTO 1C
FOTOMICROGRAFIA Nº 5
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN POCAS
INCLUSIONES PEQUEÑAS DE
INCLUSIÓN
COLOR OSCURO, AUMENTO
100X
FOTOMICROGRAFIA Nº 6
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO 100X ATAQUE QUÍMICO NITAL 1.
40
PIEZA Nº 2
DESCRIPCIÓN.Consta de 2 segmentos:
2A – argolla
2B – tuerca hexagonal de ½”
galvanizada
CARACTERISTICAS.Nombre: Argolla Cerrada de ½”
Material: Acero al Carbono
PROCESO.Se realizó el corte en la sección
transversal de cada segmento luego
se realizaron 2 micrografias para
confirmar la calidad del material.
2A
2B
41
SEGMENTO 2A
FOTOMICROGRAFIA Nº 7
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN POCAS
INCLUSIONES PEQUEÑAS
PEQUEÑAS
INCLUSIONES
DE COLOR OSCURO,
AUMENTO 100X
FOTOMICROGRAFIA Nº 8
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA DE
GRANOS FORMADOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO
100X - ATAQUE QUÍMICO
NITAL 1.
42
SEGMENTO 2B
FOTOMICROGRAFIA Nº 9
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
INCLUSIÓN
OSCURO, AUMENTO 100X
FOTOMICROGRAFIA Nº 10
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA DE
ACERO DE BAJO CARBONO,
LA DEFORMACIÓN
PLÁSTICA ES EXTENSA EN
LA ZONA DE FABRICACIÓN
DEL HILO DE ROSCA,
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO 100X ATAQUE QUÍMICO NITAL 1.
43
PIEZA Nº 3
DESCRIPCIÓN.Consta de 2 segmentos:
3A – Perno Hexagonal de ½” x
1”
3B – Tuerca hexagonal de ½”
CARACTERISTICAS.Nombre: Perno Hexagonal de ½”
Material: Acero al Carbono
PROCESO.Se realizó el corte en la sección
transversal de cada segmento luego
se realizaron 2 micrografias para
confirmar la calidad del material.
3A
3B
44
SEGMENTO 3A
FOTOMICROGRAFIA Nº 11
INCLUSIÓN
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
OSCURO, AUMENTO 100X
FOTOMICROGRAFIA Nº 12
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR MÁS
GRANOS DE FERRITA
(CLAROS) Y GRANOS DE
PERLITA (OSCUROS), ACERO
BAJO EN CARBONO
AUMENTO 100X - ATAQUE
QUÍMICO NITAL 1.
45
SEGMENTO 3B
FOTOMICROGRAFIA Nº 13
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
OSCURO, AUMENTO 100X
INCLUSIÓN
FOTOMICROGRAFIA Nº 14
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA DE
ACERO DE BAJO CARBONO,
LA DEFORMACIÓN
PLÁSTICA ES EXTENSA EN
LA ZONA DE FABRICACIÓN
DEL HILO DE ROSCA,
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO 100X ATAQUE QUÍMICO NITAL 1.
46
PIEZA Nº 4
DESCRIPCIÓN.Consta de 2 segmentos:
4A – Cuerpo del Grillete
4B – Pin del Grillete
CARACTERISTICAS.Nombre: Grillete
Material: Acero al Carbono
PROCESO.Se realizó el corte en la sección
transversal de cada segmento luego
se realizaron 2 micrografias para
confirmar la calidad del material.
4A
4B
47
SEGMENTO 4A
FOTOMICROGRAFIA Nº 15
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN INCLUSIONES
DE COLOR OSCURO,
AUMENTO 100X
INCLUSIÓN
FOTOMICROGRAFIA Nº 16
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR MÁS
GRANOS DE FERRITA
(CLAROS) Y GRANOS DE
PERLITA (OSCUROS), ACERO
BAJO EN CARBONO
AUMENTO 100X - ATAQUE
QUÍMICO NITAL 1.
48
SEGMENTO 4B
FOTOMICROGRAFIA Nº 17
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
OSCURO, AUMENTO 100X
INCLUSIÓN
FOTOMICROGRAFIA Nº 18
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS) CASI IGUALES,
AUMENTO 100X - ATAQUE
QUÍMICO NITAL 1.
49
PIEZA Nº 5
DESCRIPCIÓN.CARACTERISTICAS.Nombre:
Cadena
de
¼”
galvanizada
¼” x 250 kg
Material: Acero al Carbono
PROCESO.Se realizó el corte en la sección
transversal de la cadena luego se
realizó
1
micrografía
para
confirmar la calidad del material.
5A
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SEGMENTO 5A
FOTOMICROGRAFIA Nº 19
SIN ATAQUE
SE OBSERVAN PEQUEÑAS
INCLUSIONES DE COLOR
OSCURO, AUMENTO 100X
INCLUSIÓN
FOTOMICROGRAFIA Nº 20
CON ATAQUE
SE OBSERVA UNA
MICROESTRUCTURA QUE HA
SIDO NORMALIZADA,
ACEOR BAJO EN CARBONO,
FORMADA POR GRANOS DE
FERRITA (CLAROS) Y
GRANOS DE PERLITA
(OSCUROS), AUMENTO 100X ATAQUE QUÍMICO NITAL 1.
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52
CAPITULO 4
4. CONCLUSIONES
El trabajo de metalografía se realizó con el fin de obtener toda la información que es
posible encontrar en la estructura de las probetas de algunas piezas de uso frecuente en
la industria de acero al carbono.
Durante la observación de las fotomicrografías la mayoría de las piezas presenta
inclusiones pequeñas; estas piezas no tendrían que presentar inclusiones por el tipo de
uso que tienen en la práctica.
El tiempo de ataque químico a las probetas influye en el momento de diferenciar las
fases.
Las piezas 2, 3 y 5 son aceros de bajo carbono según lo que se observó en las
micrografías, por lo tanto al realizar el proceso de preparación metalográfica se torno
difícil porque se formaban muchos planos en la superficie transversal de las piezas y
esto pudo ocasionar que al visualizar en el microscopio las fotomicrografías se vieran
difusas en su contorno.
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GLOSARIO
Aleación: sustancia formada por la combinación de dos o más elementos donde por lo
menos uno de ellos es un metal y eso le da carácter metálico.
Alotropía: cambio de fase que ocurre en un metal puro a diferentes temperaturas cuando
este se encuentra en estado sólido.
Análisis Térmico: es uno de los métodos para lograr información necesaria para
construir in diagrama de equilibrio.
Brinell: el penetrador es una esfera de acero duro cuyos diámetros son 10, 5, 2.5, 1.25,
1 mm. Las cargas que se aplican son variables. La carga máxima aplicable es de 300 kg,
Compuestos químicos: tipos de fase en estado sólido formada por elementos que poseen
valencias opuestas.
Curvas de enfriamiento: gráfico que relaciona la temperatura en función del tiempo, del
comportamiento del material.
Desbaste: consiste en someter la cara elegida de la pieza a la acción de un papel
esmeril, tomándose 3 etapas.
Diagrama de equilibrio: es un gráfico de temperatura vrs. composición donde sé
interrelaciona todas las fases presentes a cualquier temperatura y concentración pueden
ser totalmente soluble, insoluble parcialmente insoluble.
Embutido: se utiliza cuando la pieza es muy pequeña, consiste en colocar la pieza, en
una resina plástica; estas resinas son plásticas cuyas características son: no deben
ablandarse, obstaculizando la preparación; no deben reaccionar con los reactivos
químicos y con el metal. Deben ser aisladores eléctricos. En el embutido se selecciona
la resina para el molde tomando en cuenta la presión y la temperatura de fusión de la
resina.
Estructura
dendrítica: se forma en el primer proceso de solidificación cuando la
temperatura del líquido es muy cercana a la de solidificación la que permite que se
formen núcleos que comiencen a crecer en todas partes y en diferentes direcciones y
cuando se consiguen en su interior queda líquido atrapado. Los núcleos se observan de
un color brillante porque es el metal más puro, y menos brillante porque es la impureza
del metal.
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Fase: es toda parte homogénea de un sistema que es físicamente diferenciable de las de
más partes de ese sistema.
Fundición: proceso para el fabricar piezas, el cual consiste en vaciar un metal en estado
líquido en un molde de manera que cuando el líquido solidifica ya está la pieza. La
pieza obtenida por fundición tiene la ventaja que tienen las mismas propiedades en
cualquier parte de ella.
Heterogénea: cuando está formada por dos o más fases.
Homogénea: cuando está formada por una sola fase.
Metales puros: solidifican o funden a la misma temperatura la cual es constante y
característica de cada metal presentan una sola fase.
Método metalográfico: consiste en definir el sistema luego se toma muestras de una
aleación calentándolas a diferentes temperaturas u manteniéndolas a esta temperatura
hasta establecer un equilibrio, luego se enfría rápidamente la muestra con el objeto de
conservar la estructura que sé tenia a altas temperaturas.
Porosidades: se forman durante la solidificación son producto de aire o gases
acumulados en el material líquido que al ser vertido en el molde quedan atrapados y no
salen adecuadamente, formándose burbujas en el interior del metal. Las porosidades e el
centro tienen forma redondeada y hacia los alrededores alargadas llamadas sopladuras.
Probeta: llamadas también muestra, parte que se separa de la pieza para ser sometida a
análisis.
Rechupe: surge durante la solidificación, se forma a causa de las contracciones por la
disminución de volumen cuando el metal pasa de líquido a sólido. También influye en
su formación el escape de los gases. La disminución de volumen origina una cavidad en
el centro de la pieza. Esta cavidad es la ultima en solidificarse y como esta en contacto
con el aire presenta oxidación.
Rockwell: se basa el medir la diferencia de penetración que hay en aplicar una carga
inicial de 10 kg y una final mayor (60-100-150).
Rockwell B: el penetrador usado es una esfera de acero duro de 1/16’’ de diámetro. La
carga inicial es de 10 kg. y la final de 100 kG. Se utiliza para medir la dureza de
materiales blandos.
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Rockwell C: el penetrador utilizado es de diamante con forma esfero- cónica cuya
esfera tiene un radio de 0.2 mm. La carga inicial es de 10 kg. y la carga final de 150 kg.
Se utiliza para medir la dureza de los materiales duros. La dureza del material la da
directamente el aparato de medición.
Segregaciones: se forman durante la solidificación son producto de las impurezas
contenidas en el metal o contenidas en la lingotera. Son las ultimas en solidificarse y se
observan en el centro.
Soluciones sólidas: formada por un soluto y un disolvente donde el disolvente está en
mayor cantidad. A mayor temperatura mayor solubilidad.
Tensión: esfuerzo aplicado a un cuerpo.
Vicker: el penetrador utilizado es un elemento de base cuadrada que en sus caras
opuestas forman un ángulo de 136º. Las cargas aplicadas van de 1-120 kg. (las más
usadas son 30-50 kg).
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BIBLIOGRAFÍA
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Buenos Aires, Argentina
Smith W.F., Fundamentos de la Ciencia de los Materiales, 2da. Edición, Editorial McGraw-Hill, México.
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