COMPARACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA OBTENIDA DE UNA ALEACIÓN DE MEDIO CARBONO UTILIZANDO DIFERENTES REACTIVOS DE ATAQUE QUÍMICO EN EL LABORATORIO DE METALOGRAFIA DEL IUTEMAR GUAYANA

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DEL MAR
EXTENSIÓN CIUDAD GUAYANA
RIF: J-00066762-4
METALURGIA
COMPARACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA OBTENIDA DE UNA
ALEACIÓN DE MEDIO CARBONO UTILIZANDO DIFERENTES
REACTIVOS DE ATAQUE QUÍMICO EN EL LABORATORIO
DE METALOGRAFIA DEL IUTEMAR GUAYANA
JOSÉ BRITO
SAN FELIX, JUNIO 2014
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
Los laboratorios a lo largo de su existencia han sido lugares dotados de los
elementos necesarios para realizar investigaciones, experimentos, prácticas y trabajos
de carácter científico, tecnológico o técnico; en uno de sus modos esta la metalografía
que es, esencialmente, el estudio de las características estructurales, la constitución de
un metal o una aleación para relacionar esta con las propiedades físicas y mecánicas.
En ellos, los componentes de su microestructura se forman durante la solidificación
del estado líquido o durante las transformaciones que después tienen lugar en el metal
sólido. A nivel mundial, existen muchos laboratorios que estudian las propiedades
mecánicas y físicas de los metales y la relación directa de su estructura y los cambios
microestructurales.
Venezuela, y el estado Bolívar en especial, a través de sus empresas básicas e
institutos y universidades, cuenta con numerosos equipos para análisis metalográfico,
los cuales a través de estos años han dado lugar a una base de datos con las
fotomicrografías de diversos metales y aleaciones. La metalografía nos presenta las
diversas fases constitutivas, tipos de granos y tamaños de granos, inclusiones, etc.,
por lo que es una herramienta muy útil para la caracterización de estos metales, sin
embargo, esto es posible solo si se realiza un buen ataque químico con los reactivos
adecuados a cada material.
La región Guayana cuenta con un Instituto Universitario de Tecnología Industrial,
(Fundación La Salle) Campus Ciudad Guayana, ubicado en la UD-104 Calle Alonzo
de Herrera, es una sin fines de lucro que tiene como función primordial la formación
de técnicos superiores en la carrera de metalurgia, Electricidad, Mecánica, Seguridad
Industria, siendo estas pertenecientes al área Industrial, Administración, Contabilidad
y Finanzas perteneciente al área social. Es importante destacar que el área de
metalurgia cuenta con un laboratorio de metalografía en el cual se aplican los
conocimientos impartidos en clases referentes a los procedimientos metalográficos y
se caracterizan las diversas superficies reveladas..
El problema que se plantea en este trabajo consiste en la falta de información,
entre los estudiantes de Iutemar Guayana, sobre los cambios presentes, bien sea
diferencias o similitudes, en un mismo material al utilizar distintos reactivos de
ataque. A consecuencia de esto, el estudiantado mediante el estudio metalografico,
lograría llevar a la practica la teoría estudiada en la carrera y verificaría las
variaciones que se producen usando cada reactivo, lo que le indicaría cual es el mas
adecuado para la fase que desea revelar o investigar o para definir mejor los bordes y
tamaños de grano.
Las causas de la falta de información sobre este tema es que solo suele utilizarse
un solo reactivo, generalmente el que esta preparado en ese momento, sin asegurarse
si es el mas indicado para esa aleación. Otra causa es el desconocimiento, por parte
del alumnado, en que proporciones se deben preparar las soluciones. La consecuencia
de esto es que solo se trabaje con uno o dos reactivos preparados, aun cuando estos no
sean los más adecuados para revelar las fases que se desean estudiar, lo que hace que
se obtengan fotomicrografías que poco aportan a la caracterización del material.
Se pronostica que si no se realizan ataques con diferentes reactivos, no se podría
ver las ventajas que cada uno de ellos tienen sobre un mismo material, además de que
algunos de ellos podrían ser mas baratos o fáciles de preparar que el usado
actualmente. Toda esta experiencia seria de utilidad en el campo educativo.
La importancia de este trabajo radica en que sería de utilidad para el desarrollo
académico del estudiantado, para esto se realzaran ataques químicos a probetas de
acero de medio carbono, utilizando diferentes reactivos; lo siguiente será comparar
los resultados obtenidos experimentalmente con esas muestras que han el recibido el
ataque, y comparar la microestructura y fases reveladas con cada uno de ellos,
además de reforzar los conocimientos adquiridos en la formación académica
referente a los estudios antes mencionados e incrementar el interés de los alumnos
de Metalurgia por éste tipo de trabajos.
Para solucionar este problema se plantea realizar ataque químico, con tres
diferentes reactivos, en probetas de acero de medio carbono, comparando los cambios
microestructurales y fases reveladas con cada uno de ellos, obtenidos luego del ataque
y observación metalográfica. Además de que las condiciones de trabajo usadas
servirían de guía para trabajos posteriores con estos u otros tipos de aceros.
1.2 Objetivo general
Comparar la microestructura obtenida en probetas de acero de medio carbono,
utilizando diferentes reactivos de ataque, en el Laboratorio de Metalografía del
Iutemar Guayana.
1.2.1 Objetivos específicos
 Enumerar las características de cada reactivo usado en el ataque químico de la
probeta de acero de medio carbono.
 Efectuar la metalografía en las probetas de acero de medio carbono, utilizando
Nital, Picral y reactivo coloreado.
 Indagar la percepción de los estudiantes en relación a los reactivos de ataque y
los ensayos de metalografía.
 Presentar la comparación obtenida entre los tres reactivos de ataque, sobre el
acero de medio carbono.
1.3. Delimitación del problema
Ésta investigación plantea comparar la microestructura obtenida en probetas de
acero de medio carbono, utilizando diferentes reactivos de ataque. Dicho estudio será
realizado en el Laboratorio de Metalografía del Iutemar Fundación La Salle. El
trabajo se efectuara entre Enero y Junio de 2014.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes de la institución
La Fundación lleva el nombre de La Salle, en honor al genial educador francés
Juan Bautista La Salle quien fue el fundador en 1682 de la congregación. Aunque ésta
denominación es el resultado normal de la creación de la obra, el colegio de La Salle
de caracas y la sociedad de ciencias naturales. El 15 de Mayo de 1940 un grupo de
alumnos del colegio La Salle, bajo la dirección de su profesor el hermano Ginés,
funda una agrupación dedicada al estudio científico de la naturaleza de Venezuela, la
sociedad de ciencias naturales que ya ha cumplido 69 años. En su etapa inicial de dos
años dedicados a gestiones y sin ningún capital para iniciar su tarea con apenas tres
personas dos de ellas a tiempo completo y escasa remuneración, la que en futuro
llegaría a ser un gran instituto, logró reunir un pequeño grupo de personalidades que
ofrece su decidido apoyo a la naciente obra.
El 21 de Agosto de 1957, se redacta el acta de constitución de la Fundación La
Salle de ciencias naturales. En el año 1968 la fundación La Salle creada diez años por
los hermanos de la escuela cristiana. Desde el principio puso en marcha un programa
de estudio a nivel del bachillerato técnico, al mismo tiempo que tenía el ya existente
centro de aprendizaje industrial organizado en colaboración con las empresas locales.
En 1969, se crea el liceo técnico de Guayana en instalaciones que fueron construidas
por la Corporación Venezolana de Guayana (CVG).
Fundación La Salle a través de su campus Guayana estableció en la ciudad de san
Félix, se hizo cargo en la década de los 70 del colegio que funcionaba bajo la
dirección de la congregación de los hermanos de las escuelas cristianas, en
colaboración con el instituto nacional de corporación educativa, de la Corporación
Venezolana de Guayana y de un convenio con la Orinoco Company Iron Mines of
Venezuela, se dio un impulso especial en el área industrial dictándose curos de
electricidad, así como también mecánica.
Al mismo tiempo en el año 1974 Fundación La Salle dirige su labor educativa a
forma técnica de educación media, se habla de los institutos universitarios de
tecnología en Margarita; Cojedes y Ciudad Guayana. Se establecen contactos con las
autoridades oficiales. En 1977 la gobernación del estado Bolívar construya la
subestación hidrobiológica de río claro, cerca de los terrenos donde se construirán los
estanques para el cultivo de algunos peces de la región y del camarón de río.
En 1978 como compensación de los servicios prestados, la Corporación
Venezolana de Guayana (CVG) hace el traspaso a fundación La Salle de los terrenos
donde está ubicado el campus Guayana y se inician labores para la dotación de un
polideportivo. En el año de 1986 nace el Instituto Universitario de Tecnología
Industrial de Guayana (IUTEIN) proporciona la formación en el ámbito superior en
las carreras de electricidad, mecánica, contabilidad y finanzas, administración de
empresas y metalurgia. Ambos institutos brindan una respuesta seria y oportuna al
mundo industrial que se ha desarrollado en Guayana.
La formación que se imparte en el instituto de la fundación La Salle en Guayana
cuenta con el apoyo de una dirección técnica encargada de coordinar la capacitación a
través de distintos talleres los cuales se encuentran debidamente equipados en la
actualidad se habla de que el (IUTEIN) pasará a ser universidad del Caribe, la cual
beneficiará a los egresados a continuar con sus estudios y así obtener el grado de
licenciatura o ingeniería, por la buena preparación de sus egresados y el desempeño
realizado en el tiempo de pasantía, las fructíferas labores, los diferentes trabajos y por
lo esfuerzos mancomunados de todos los que trabajan en la institución.
Visión
Ser una Institución Científico Educativo, de extensión-producción, integrada
sinérgicamente con excelencia y solidez. Reconocida regional, nacional e
internacionalmente. Fundamentada en su concepción filosófica humano-cristiana.
Apoyada en los avances científico-tecnológicos. Que cuenta con la voluntad,
capacidad y compromiso de sus miembros para fomentar la dignificación y
trascendencia de la vida y de la persona, en defensa y promoción de valores culturales
y ambientales de cada pueblo.
Misión
Servir a las comunidades más desasistidas, ajustándose a las necesidades y
realidades de cada una de ellas, a través de la educación, la investigación, la extensión
y la producción, con base en la cultura del trabajo, el hermanamiento y la solidaridad
para enraizar a la gente en su región y darle instrumentos que faciliten su desarrollo
personal y comunitario, teniendo como fin hacer realidad el reino de Dios en la tierra.
Fundación La Salle
La Función La Salle de Flasa Campus Guayana es la de enseñar, preparar y
producir hombres y mujeres aptos para su desenvolvimiento en el trabajo, bajo un
sistema educativo que de referencia a las actividades orientadas a la investigación,
expresión personal a los procesos grupales más que por impedir conocimiento de
acuerdo a las necesidades educativas de la región.
Organigrama General Campus Guayana
Fuente: Fundación La Salle
2.2 Antecedentes de la investigación
Los antecedentes de la investigación son resultados anteriores que se deben tomar
en cuenta para desarrollar con éxito el trabajo presentado y además evitar la
reproducción de un trabajo ya realizado por otra persona y mantener la confiabilidad
y el esfuerzo de los demás respetando sus derechos correspondiente para que no
existan ningún tipo de contraste entre los autores de dichas investigaciones. Según
González (2001) “se refiere a los estudios previos relacionados con el problema
planteado, es decir, investigaciones realizadas anteriormente y que guardan alguna
vinculación con el objetivo de estudio” (Pág. 16)
En tal sentido se encontró que la Bachiller Dermarys Brito, en el año 2012,
presentó en el Iutemar Guayana su Trabajo de Grado para optar al titulo de Técnico
Superior Universitario en Metalurgia, el cual lleva por el título “Análisis
metalográfico a muestras de acero de alto, medio y bajo carbono, utilizando la
técnica de ataque químico coloreado (tiosulfato de sodio) en el Laboratorio de
Metalografía” en el cual emite las siguientes conclusiones:
 Para la elaboración del análisis metalográfico se seleccionaron muestras de
acero de alto, medio y bajo carbono en la cual se procedieron de la siguiente
manera: cada una fue desbastada con diferentes números de lijas, se pulieron en
la mesa pulidora con alúmina, atacadas con ataque químico coloreado y vistas
en el microscopio óptimo.
 Se realizo la preparación reactivo químico (tiosulfato de sodio) llamado o
nombrado reactivo Klemm pesando 3 gr de bisulfito de sodio + 10 gr de
tiosulfato de sodio en la cual fue mezclado al final con 100 ml de agua para
obtener el reactivo, para el ataque, a la muestra pulida se le paso por la
superficie un hisopo impregnado con el reactivo por espacio de 30 segundos y
se logro de inmediato ver las muestras atacadas en el microscopio.
 Con la realización de la metalografía realizada en el laboratorio metalográfico
con ataque químico coloreado a dichas muestras se logro detectar o ilustrar con
claridad los constituyentes presentes en las muestras de acero de alto, medio y
bajo carbono en la que se observaron
ferrita, perlita y granos equiaxiales
presentes y la formalidad de coloreado de perlita y ferrita, además el reactivo
permite diferenciar con claridad los bordes y limites de granos.
Para el año 2013, el bachiller Fernando Guzmán, realizó su Tesis de Grado titulada
“Análisis de aceros por microscopia óptica”, del Instituto Politécnico Nacional,
México, para optar al título de Ingeniero Mecánico; concluyendo:
 Con este estudio, se tendrá una visión clara para observar las estructuras de
los aceros, tomando en cuenta que, para que una probeta se pueda observar
bien en el microscopio, debe estar bien pulida .
 Cuando se realiza el ataque y pulido químico de la probeta, es muy importante
no exponerla demasiado tiempo al reactivo, ya que este puede provocar que la
cara pulida se queme u opaque demasiado, y de esta forma no se observa la
microestructura.
 Al utilizar el microscopio óptico, se podrán observar de una mejor forma
todas las estructuras que se presentan e identificarlas por medio de sus
propiedades físicas, químicas y mecánicas, como también las estructuras que
se forman por un tratamiento térmico.
Los trabajos citados anteriormente, guardan relación con esta investigación, ya que
tratan sobre procesos de temple y ensayos de dureza, evaluando el comportamiento
presentado después del mismo.
2.3 Marco referencial
Una aleación es una sustancia que tiene propiedades metálicas y está constituida
por dos o más elementos químicos, de los cuales por lo menos uno es un metal. Un
sistema de aleación contiene todas las aleaciones que pueden formarse por varios
elementos combinados en todas las proporciones posibles. Si el sistema se forma por
dos elementos, se llama sistema de aleación binaria; si se forma por tres elementos, se
denomina sistema de aleación ternaria; etc. Al respecto Unican indica:
Una aleación es una combinación, de propiedades metálicas, que está
compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal.
Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro),
Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia
gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no
metálico. Pág. 35.
Diagramas de fase
Un diagrama de fase es cualquier representación gráfica de las variables de estado
asociadas con las microestructuras (a través de la regla de las fases de Gibbs). En la
práctica, los diagramas de fases ampliamente usados por los ingenieros, son los
diagramas binarios, que representan sistemas de dos componentes (C= 2 en la regla
de las fases de Gibbs) y los diagramas ternarios que representan sistemas de tres
componentes (C=3).
Hay gran número de importantes sistemas binarios que nos permitirán apreciar por
completo la potencialidad de la regla de fases. A la vez, pueden evitarse las
complejidades involucradas en la obtención de información cuantitativa de los
diagramas binarios. Los diagramas binarios son mapas de las fases en equilibrio
asociadas con varias combinaciones de temperatura y composición.
Diagrama de equilibrio hierro – carbono
El hierro es un constituyente fundamental de algunas de las más importantes
aleaciones de la Ingeniería. En una forma casi pura, conocida como hierro dulce, se
utiliza en alcantarillas para drenaje, material para techos y conductos, y como base
para sobre él esmaltar porcelana en refrigeradores, estufas, lavadoras, etc. Un análisis
típico para el hierro dulce es:
Tabla 1. Análisis típico de hierro dulce.
Carbono
Manganeso
Fósforo
Azufre
0,012%
0,017%
0,005%
0,025%
Las propiedades mecánicas típicas del hierro dulce son:
Tabla 2. Propiedades hierro dulce.
Resistencia a la tensión
Elongación en 2 pulg
Dureza Rockwell
40.000 lb/pulg2
40%
30
El hierro es un metal alotrópico, lo cual significa que puede existir en más de un
tipo de estructura reticular, dependiendo de la temperatura. Cuando el hierro primero
solidifica a 2.800 ºF, está en la forma B.C.C. (cúbica centrada en el cuerpo) δ (delta).
Para ulterior enfriamiento a 2.554 ºF, ocurre un cambio de fase y los átomos se
reacomodan por sí mismos en la forma γ (gamma), que es F.C.C (cúbica centrada en
la cara) y no magnética. Cuando la temperatura alcanza 1.666 ºF, ocurre otro cambio
de fase de hierro γ F.C.C no magnético a hierro α (alfa) B.C.C no magnético.
Finalmente a 1.414 ºF, el hierro α se hace magnético sin cambio en la estructura
reticular. Originalmente, el hierro α no magnético se llamaba hierro β hasta que
ulteriores estudios con rayos X mostraron que no había cambio en la estructura
reticular a 1.414 ºF. Los cambios pueden observarse en las figuras 1 y 2.
Figura 1. Diagrama hierro-carbono.
Figura 2. Diagrama enfriamiento para hierro puro.
Los constituyentes pueden estar formados por:
 metales puros, como la ferrita que es el hierro puro.
 compuestos químicos, como la cementita, que es carburo de hierro.
 soluciones sólidas, en las que los átomos del metal disuelto están
intercalados entre los átomos de los cristales del metal disolvente (soluciones
sólidas de inserción) o los sustituyen parcialmente (soluciones sólidas de
sustitución).
 compuestos ínter metálicos, denominados así porque son intermedios entre
los compuestos químicos y las soluciones sólidas.
En las aleaciones hierro – carbono pueden encontrarse hasta once constituyentes,
que se denominan:
 Ferrita
 Martensita
 Ledeburita
 Cementita
 Troostita
 Steadita
 Perlita
 Sorbita
 Grafito
 Austenita
 Bainita
Ferrita
Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su
solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver a
0,008% de C. Por esto, prácticamente, se considera la ferrita como hierro alfa puro.
La máxima solubilidad del carbono en el hierro alfa es de 0,02 % a 723 ºC.
La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en la red
cúbica centrada. Tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la rotura de 28
Kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 35 al 40%. Es magnética. La ferrita se
observa al microscopio como granos poligonales claros. 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.
Figura 3. Ferrita.
Cementita
Es carburo de hierro, de formula Fe3C, y contiene por tanto 6,67% de carbono y
93,33 de hierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una
dureza Brinell de 700 (68 Rockwell C). Es magnética hasta 210 ºC, temperatura a
partir de la cual pierde el magnetismo.
En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece
como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0,9%C formando
una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas
paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o
granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han
sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoidesque no han
sido bien templados.
Figura 4. Cementita.
Perlita
Es un constituyente compuesto por el 86,5 % de ferrita y el 13,5 % de cementita, o
dicho en otra manera existen 6,4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene
una dureza de aproximadamente 200 Brinell, con una resistencia a la rotura de 80
kg/mm2, y un alargamiento del 15%. El nombre de perlita se debe a las irisaciones
que adquiere al iluminarla, parecidas a las de las perlas.
Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y
ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita por enfriamiento muy lento. Si
el enfriamiento es brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica,
aunque por otros autores se considera en este caso más bien sorbita. Si la perlita
laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura un poco inferior a la
crítica (inferior a 723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la
masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
Figura 5. Perlita.
Austenita
Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución
sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de carbono disuelto
varía desde el 0 al 1,76% correspondiendo este último porcentaje la máxima
solubilidad a la temperatura de 1.130 ºC. La austenita en los aceros al carbono, es
decir, sin ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723
ºC (A1 punto crítico inferior), y a partir de la temperatura crítica superior (A3 ó Acm)
la totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita. Puede
obtenerse una estructura austenítica en los aceros a la temperatura ambiente enfriando
muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de carbono o muy alta
aleación desde la temperatura por encima de la crítica superior; pero como esta
austenita no es estable, con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o cementita y
perlita.
Excepcionalmente hay algunos aceros al cromo- níquel denominados austeníticos,
cuya estructura es austenítica a la temperatura ambiente. La austenita está formada
por cristales cúbicos de hierro gamma con los átomos de carbono intercalados en las
aristas y en el centro. La austenita tiene una dureza Brinell de unos 300, una
resistencia de unos 100 Kg/mm2, y un alargamiento de un 30%. No es magnética.
Figura 6. Austenita.
Martensita
Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita
es una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por
enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente
para conseguir su constitución austenítica. La martensita se presenta en la red cúbica
centrada, que es la del hierro alfa, debido a la deformación que produce en su red
cristalina la inserción de los átomos de carbono. La dureza de la martensita puede
atribuirse precisamente a la tensión que produce en sus cristales esta deformación. De
la misma manera que los metales deformados en frío deben a los granos deformados
y en tensión el aumento de dureza que experimentan.
La proporción de carbono de la martensita no es constante, sino varía hasta un
máximo de 0,89%, aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el
contenido de carbono. Su dureza varía de 50 a 68 Rockell C; su resistencia mecánica
de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento de 2,5% a 0,5%. Es magnética.
Figura 7. Martensita.
Troostita
Antiguamente se la denominaba osmondita. Se produce la troostita por
transformación isotérmica de la austenita entre las temperaturas de 500 a 600 ºC. Es
decir, enfriando rápidamente la austenita hasta la temperatura comprendida entre los
500 y 600 ºC y manteniéndola a esta temperatura constante hasta que toda la austenita
se haya transformado en troostita. Es un constituyente nodular oscuro y aparece
generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
Se produce también la troostita cuando se enfría la austenita a una velocidad
inferior a la crítica de temple (la velocidad de enfriamiento crítica de temple, es la
mínima para que toda la austenita transforme en martensita). Durante mucho tiempo
se ha creído que la troostita y la sorbita se producían también en el revenido de los
aceros templados, es decir, por transformación de la martensita; pero las
investigaciones más recientes han desechado esta suposición. Se presenta la troostita
en forma de nódulos compuestos de laminillas radiales de cementita sobre la ferrita,
parecidas a las de la perlita, pero más finas. Su dureza es de unos 450 Brinell; su
resistencia 250Kg/mm2 y su alargamiento de 7,5%.
Figura 8. Troostita.
Sorbita
Se produce también por transformación isotérmica de la austenita a temperaturas
comprendidas entre 600 y 650 ºC. Es decir enfriando rápidamente la austenita, que
deberá estar a temperaturas por encima de la crítica superior, hasta una temperatura
comprendida entre 600 y 650 ºC, y manteniéndola a esta temperatura constante hasta
su total transformación en sorbita. También se produce la sorbita cuando se enfría la
austenita a velocidad bastante inferior a la crítica de temple. Por eso aparece en los
aceros forjados y laminados, en los cuales la velocidad de enfriamiento no es lo
suficientemente rápida ni para el temple, o sea, para la formación de la martensita, ni
aun para la formación de troostita, y tampoco es lo suficientemente lenta para la
formación de perlita.
La sorbita se presenta formando laminillas aún más finas que las de la troostita y
también similares a las de la perlita.Tiene una dureza de unos 350 Brinell, una
resistencia de unos 100 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%.
Bainita
Se forma la bainita en la transformación isotérmica de la austenita, entre
temperaturas de 250 y 550 ºC. Es decir, enfriando la austenita rápidamente hasta una
temperatura comprendida entre 300 y 500 ºC y manteniéndola después a una
temperatura constante hasta la transformación total de la austenita en bainita.
Ledeburita
La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se
encuentra en las aleaciones hierro – carbono cuando el porcentaje de carburo de
hierro aleado es superior al 25%, o sea, con un contenido total de carbono superior a
1,76%. La ledeburita es una eutéctica, palabra que en griego significa fluidez perfecta
y se emplea para designar una mezcla de componentes que pasan sin descomposición
ni segregación del estado sólido al líquido.
La ledeburita se forma al enfriar la fundición líquida de 4,3% de C desde 1.130 ºC,
siendo estable hasta 723 ºC (A 3 2 1 punto crítico inferior), descomponiéndose a
partir de esta temperatura en ferrita y cementita. La ledeburita contiene el 52% de
cementita y el 48% de austenita de 1,76% de carbono. El contenido total de carbono
de la ledeburita es de 4,3%.
Steadita
Es un constituyente de naturaleza eutéctica, que aparece en las fundiciones de más
de 0,15% de fósforo. Como la steadita se compone de un 10% de fósforo
aproximadamente, y casi todo el fósforo de la fundición se concentra en este
constituyente se puede calcular el porcentaje de steadita que contiene la fundición por
su contenido en fósforo. Así por ejemplo una fundición que contenga 0,15% de
fósforo tendrá el 15% de steadita.
La steadita es muy dura y frágil. Funde a 960 ºC. En las fundiciones grises está
compuesta de un eutéctico de ferrita y fosfuro de hierro. Y en las fundiciones blancas
y atruchadas, por un eutéctico de ferrita, fosfuro de hierro y cementita.
Grafito
El grafito es uno de los tres estados alotrópicos en que se encuentra el carbono en
estado libre en la naturaleza, siendo los otros dos el diamante y el carbono amorfo. El
grafito es blando, untuoso, de color gris oscuro y de peso específico 2,25. El grafito
se presenta en forma de láminas en las fundiciones grises; en forma de nódulos, en las
fundiciones maleables, y en forma esferoidal, en algunas fundiciones especiales. El
grafito baja la dureza, resistencia mecánica, elasticidad y plasticidad de las
fundiciones que lo contienen; pero, en cambio, mejora la resistencia al desgaste y a la
corrosión y sirve de lubricante en el roce.
Impurezas
Y por fin puede encontrarse también en la masa de los aceros inclusiones formadas
por sulfuros de manganeso, óxido de aluminio, silicatos, etc, que proceden de los
refractarios de los hornos, de las escorias, o de los procesos de oxidación o
desoxidación. En general las inclusiones no metálicas perjudican las propiedades del
acero.
Metalografía
La metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características
estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para relacionarlas con las
propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos. La importancia del examen
metalográfico radica en que, aunque con ciertas limitaciones, es capaz de revelar la
historia del tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido el material. A través de
este estudio se pueden determinar características como el tamaño de grano,
distribución de las fases que componen la aleación, inclusiones no metálicas como
sopladuras, micro cavidades de contracción, escorias, etc., que pueden modificar las
propiedades mecánicas del metal. En general a partir de un examen metalográfico
bien practicado es posible obtener un diagnóstico y/o un pronóstico.
El examen metalográfico puede realizarse antes de que la pieza sea destinada a un
fin, a los efectos de prevenir inconvenientes durante su funcionamiento, o bien puede
ser practicado sobre piezas que han fallado en su servicio, es decir, piezas que se han
deformado, roto o gastado. En este caso la finalidad del examen es la determinación
de la causa que produjo la anormalidad. Básicamente, el procedimiento que se realiza
en un ensayo metalográfico incluye la extracción, preparación y ataque químico de la
muestra, para terminar en la observación microscópica. Si bien la fase más importante
de la metalografía es la observación microscópica, la experiencia demuestra que poco
se puede hacer si alguna de las operaciones previas se realiza deficientemente.
Si la etapa de preparación no se realiza cuidadosamente es posible que se obtenga
una superficie poco representativa del metal y sus características. Una preparación
incorrecta puede arrancar inclusiones no metálicas, barrer las laminas de grafito en
una muestra de fundición, o modificar la distribución de fases si la muestra ha sufrido
un sobrecalentamiento excesivo.
Los pasos previos a la observación en el microscopio, comienzan por la extracción
de la muestra, siguiendo con las distintas fases de preparación de la misma y por
último el ataque químico a la muestra y la observación microscópica.
Toma de muestra
La elección de la muestra que ha de ser examinada al microscopio es de gran
importancia, ya que ha de lograrse una probeta representativa del material con el fin
de visualizar correctamente sus micros constituyentes. Para ello es necesario tomar
una muestra; para luego realizar el montaje respectivo. Durante la extracción de la
muestra es fundamental considerar el lugar de donde se extraerá la probeta y la forma
en que se hará dicha extracción.
Corte de la muestra
El corte es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el metal.
Si el corte es muy agresivo, no veremos el metal que queremos estudiar sino la
estructura resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para reducir estos
efectos al mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes variables: lubricación, corte
a bajas revoluciones y poca presión de la probeta sobre el disco de corte.
En cuanto a la forma de extracción de la probeta se debe tener en cuanta que esta
operación debe realizarse en condiciones tales que no afecten la estructura superficial
de la misma. Por lo tanto se debe cuidar que la temperatura del material no se eleve
demasiado durante el proceso de extracción. La extracción se puede hacer con cierras
de corte manual, o en el caso de piezas muy duras con cortadoras sensitivas muy bien
refrigeradas.
Figura 9. Probetas cortadas.
La preparación de la muestra puede dividirse en tres fases:
1) Desbaste Grosero
2) Desbaste Final
3) Pulido
Desbaste grosero
El desbaste grosero se practica una vez extraída la probeta con la finalidad de
reducir las irregularidades, producidas en la operación de extracción, hasta obtener
una cara lo más plana posible. Esta operación puede realizarse con una cinta de
desbaste o bien en el caso de materiales no muy duros como aceros sin templar,
fundiciones y aluminio, se puede hacer con lima, aunque aumente algo la distorsión
que se produce en la superficie a causa de la fluencia del material. De cualquier
manera que se practique el desbaste grosero siempre se debe cuidar que la presión no
sea exagerada para que la distorsión no sea muy importante, ni la temperatura de la
superficie se eleve demasiado.
Desbaste final
La operación de desbaste final comienza con un abrasivo de 150, seguido del 250,
400, para terminar con el 600 o 1000. El desbaste se puede realizar a mano o con
desbastadoras mecánicas. Para el caso de desbaste manual el papel abrasivo se coloca
sobre una placa plana y limpia y se mueve la probeta longitudinalmente de un lado a
otro del papel aplicándole una presión suave; se debe mantener la misma la dirección
para que todas las rayas sean paralelas. Durante la operación se debe dejar que una
corriente de agua limpie los pequeños desprendimientos de material y a su vez
lubrique y refrigere la zona desbastada.
El final de la operación sobre un papel está determinada por la desaparición de las
rayas producidas durante el desbaste grosero o el papel anterior. Para poder reconocer
esto fácilmente se opera de manera que las rayas de un papel a otro sean
perpendiculares, es decir se debe rotar 90º la dirección de movimiento de la probeta
cada vez que se cambia de abrasivo. Además cada vez que se cambia de abrasivo es
conveniente lavar la probeta y enjuagarse las manos para no transportar las partículas
desprendidas en el abrasivo anterior, ya que esto puede provocar la aparición de
rayas.
Figura 10. Proceso de desbaste de muestras.
La presión que se aplica a la probeta no debe ser exagerada ya que esto aumenta la
distorsión y además pueden aparecer rayas profundas. La presión debe ir
disminuyendo a medida que se avanza en la operación.
Pulido
El pulido tiene por objeto eliminar las rayas finas producidas en el desbaste final y
producir una superficie con características especulares y apta para el ataque
metalográfico. Esta operación por lo general se realiza en forma mecánica y se utiliza
un paño impregnado con partículas de algún abrasivo en solución acuosa.
Básicamente, se pueden utilizar dos tipos de paños: con pelo (pana, terciopelo, lanas)
y sin pelo (seda natural). Se debe elegir el que más se adapte al tipo de material a
examinar. Por ejemplo, el pulido de muestras de fundición se debe realizar con paños
sin pelo para evitar el arrancamiento de grafito.
En cuanto a los abrasivos pueden ser: pasta de diamante, alúmina, alumdun, etc. El
abrasivo comúnmente utilizado es la alúmina, que es oxido de aluminio en partículas
y que comercialmente se obtiene en forma de pastas o soluciones acuosas. Esta
alúmina gruesa, que posee un tamaño de grano de 9 μm, gracias a sus partículas
esferoidales hacen fluir el metal con el paño logrando un pulido correcto. Se debe
cuidar que la humedad del paño sea la adecuada, es decir, si la humedad es excesiva
la acción abrasiva se retardará demasiado y si es escasa la probeta tiende a
mancharse.
El éxito del pulido y el tiempo empleado en la operación, depende en gran parte
del cuidado con que se realice. El pulido se efectúa sujetando la muestra a tratar con
la mano para pulir en el paño que está colocado en el disco giratorio a una velocidad
de giro de 250 y 500 r.p.m, es preciso ejercer una presión moderada hacia el disco de
pulido para lograr los resultados óptimos. Durante la operación del pulido, la probeta
deberá desplazarse en la dirección del radio, desde el borde hasta el centro del disco.
Figura 11. Proceso de pulido de muestras.
Debe lavarse la probeta en un chorro de agua, secar con la ayuda del compresor
del laboratorio, sin tocar la cara pulida. Observar en el microscopio a 100 aumentos;
si persisten imperfecciones continuar con el pulido en la forma ya descrita, el tiempo
que sea necesario para que éstas desaparezcan. El pulido finaliza cuando la probeta es
un espejo perfecto.
Ataque químico
Antes de realizar el ataque la probeta debe estar pulida, seca, limpia y semejante a
un espejo. El ataque químico de la cara que se observará tiene por objetivo poner en
evidencia, mediante un ataque selectivo, las características estructurales de la
muestra. Al aplicar el reactivo sobre la superficie a observar, las características de la
estructura son reveladas como consecuencia de un ataque selectivo de la superficie.
Esto se debe a que las distintas fases así como los planos cristalográficos
diferentemente orientados poseen diferencias en la susceptibilidad al ataque.
En general aquellas regiones de la estructura donde la energía libre del sistema es
mayor, como por ejemplo los limites de fases, bordes de grano, etc., son atacadas más
rápidamente que las regiones monofásicas o ínter granulares. Los reactivos de ataque
por lo general son ácidos orgánicos disueltos en agua, alcohol, glicerina, etc. El grado
de ataque de una probeta es función de la composición, temperatura y tiempo de
ataque.
Para que el ataque sea apropiado es necesario elegir el reactivo de acuerdo a la
composición de la probeta, es decir, un reactivo a base de persulfato de amonio es
ideal para atacar probetas de cobre y latón, pero no es adecuado para atacar al acero o
aleaciones ferrosas.
Se pueden utilizar dos modos de ataque:
1. Sumergiendo la probeta en el reactivo con la cara que se observará hacia arriba.
2. Mojando un algodón con el reactivo y frotar la cara de la probeta.
Comprobando así que, atacando con cualquiera de estos métodos, se obtiene un
ataque correcto. Transcurrido el tiempo de ataque se debe tomar la probeta y lavar
con alcohol e inmediatamente se debe secar con el compresor. La muestra se debe
manipular en todo momento con pinzas o sujetarla de las partes externas de la
baquelita, ya que si se tiene contacto con la superficie atacada se manchará.
El ataque químico tiene como objetivo revelar las fases y micro-constituyentes de
los metales y aleaciones. En general, dado un reactivo, el tiempo de ataque es una
variable fundamental y debe ser determinado en forma práctica. Un tiempo de ataque
demasiado corto (subataque), no permitirá que el reactivo actúe lo suficiente y por lo
tanto no se obtendrá un buen contraste entre las fases, por otro lado, un sobre ataque
proporcionará una cara obscura con bordes de grano demasiado anchos, resultando
dificultoso una distinción clara década una de las fases.
En este sentido, en el caso de no conocer el tiempo de ataque adecuado, es
conveniente comenzar con ataques de corta duración y observaciones microscópicas
hasta lograr el contraste apropiado. Una guía de los ataques químicos se pueden ver
en la norma ASTM E407 - 07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys.
Observación metalográfica
Después de ser atacada químicamente la muestra está lista para ser observada en el
microscopio; pues representa una técnica más avanzada y se basa en la amplificación
de la superficie para observar las características estructurales microscópicas o
microestructura. El principal instrumento para la realización de un examen
metalográfico lo constituye el microscopio metalográfico, con el cual es posible
examinar una muestra con aumentos que varían entre 50x y 400x.
Éste microscopio metalográfico se diferencia del ordinario, fundamentalmente, en
su sistema de iluminación. La luz no puede atravesar el metal y por tanto la luz entra
en el objetivo después de ser reflejada en la probeta metálica. Los microscopios
metalográficos suelen llevar un acoplador para sujetar una cámara fotográfica o de
video ya que, para poder estudiar mejor la estructura del metal, se obtienen
microfotografías. Se deberá registrar el campo observado a distintos aumentos.
Para conservar la probeta debemos envolverla en algodón para evitar que se
estropee la superficie colocándola en un recipiente herméticamente y bien
identificado.
2.4 Marco conceptual
Abrasivo: Sustancia utilizada para esmerilar, añadir, cambiar, pulir. Incluyen
materiales naturales, granate, esmeril, corindón y diamante producto del horno
eléctrico, como oxido de aluminio, oxido de silicio (Avner. 1979. Pág. 660)
Aleación: Sustancia con propiedades metálicas y compuesto por dos o más elementos
químicos, de lo cual por lo menos uno es un metal. (Avner. 1979. Pág. 661)
Ataque químico: Proceso que permite revelar los detalles de la microestructura del
metal. (Marcial. 2002. Pág. 13).
Diagrama de fases: Esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada
combinación de temperatura y composición de la aleación. (Askeland. 1998. Pág.
247).
Fase: Región homogénea, físicamente distinta y mecánicamente separables de una
microestructura mecánica. (Smith. 1990. Pág. 67).
Fase homogénea: Es aquella microestructura que es igual en todo el metal. Se
encuentra en metales puros y aleaciones de solución substitucional parcial o total en
estado solido. (Brito. 2013. Pág. 60)
Grano:
Metal: Cuerpo simple, dotado de un brillo conductor, en general, del calor y la
electricidad (Introducción de la metalurgia. Pág. 148)
Metalografía:
Metalurgia: Es la ciencia que estudia la tecnología de los metales tiene por objeto la
extracción de los metales y sus minerales. (Avner. 1979. Pág. 9)
Microestructura: Estructuras de metales pulidos y atacados químicamente, revelada
por un microscopio a una ampliación mayor de 10 diámetros. (Avner. 1985. Pág.
678).
Microscopio: Es un instrumento que permite observar objetos que son demasiado
pequeños para ser visto a simple vista (http //www.gloogle.com).
Nital:
Picral:
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
La Metodología tuvo por objeto definir las estrategias, técnicas y procedimientos
empleados para la solución del problema planteado o que se plantea en toda la
investigación, es fundamental que los hechos y relaciones, que establecen los
resultados obtenidos tengan el grado máximo de exactitud y confiabilidad, ya que en
todo trabajo propuesto se deben conocer las bases principales de la aplicación de
distintos medios de investigación que faciliten las soluciones de las diversas
dificultades que puedan presentarse, con la finalidad de hallar una solución inmediata.
Mirian Balestrini (2009) sostiene que el marco metodológico:
Es la instancia referida a los métodos, las diversas reglas, registros,
técnicas y protocolos con los cuales una teoría y su método calculan
las magnitudes de lo real. De allí pues, que se deberá plantear el
conjunto de operaciones técnicas que se incorporarán en el
despliegue de la investigación en el proceso de la obtención de los
datos. Pág. 88.
3.1 Tipo de investigación
Descriptiva
Con lo correspondiente a este trabajo se seleccionó este tipo de investigación
debido a que se obtuvo información empleada para comparar la microestructura
revelada en probetas de acero de medio carbono, utilizando diferentes reactivos de
ataque, en el Laboratorio de Metalografía y poder comparar las diferencias entre
ellos, con el fin de ajustar todas las inquietudes y conocimientos acerca del ensayos
realizados en el laboratorio; así lo afirman Fernández y Baptista (2014) opinan que:
“La investigación descriptiva comprende la descripción, análisis e interpretación de la
naturaleza actual y la composición o procesos de los fenómenos” (Pág. 60).
Aplicada
Es aplicada ya que con el estudio metalográfico se pueden revelar los diferentes
constituyentes y estructuras de granos presentes en los aceros de medio carbono
usando diversos reactivos de ataque. Al respecto la Universidad Central de Venezuela
(2012) dice: ¨En este tipo de investigación se busca conocimientos con fines de
aplicación inmediata a la realidad para modificarla su propósito es presentar solución
o problemas prácticos más que formular teorías acerca de ellos ¨ (Pág. 75).
3.2 Diseño de investigación
De campo
En esta investigación fue necesario el empleo del diseño de campo debido a que
todos los datos fueron recogidos directamente por el investigador, donde se presentó
el problema es decir, en el laboratorio de metalografía y que contribuyó a la
realización de análisis metalográfico a muestras de acero medio carbono utilizando la
técnica del ataque químico. La Universidad Pedagógica Experimental Libertador
(2011) sostiene que: “El análisis sistemático de problemas en la realidad, con el
propósito bien sea de describirlos, interpretarlos, entender su naturaleza y factores
constituyentes, explicar sus causas y efectos, o predecir su ocurrencia; en este sentido
se trata de investigaciones a partir de datos originales o primarios. Pág. 5.
3.3 Técnicas e instrumentos de recolección de datos
Los instrumentos de recolección de datos son recursos de los que se vale el
investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos la información. Según
Hurtado (2013) expresa: “La selección de técnicas e instrumentos de recolección de
datos implica determinar por cuáles medios o procedimientos el investigador
obtendrá
la
información
necesaria
para
alcanzar
los
objetivos
de
la
investigación.”(Pág. 83)
Observación Directa
Por medio de ella, el investigador observo la realidad objeto de estudio en el
equipo de metalografía Al tener un contacto directo con el estudio, se pudo
comprobar el estudio metalográfico a muestras de acero de medio carbono atacado
con tres reactivos diferentes. Por ello se empleó la observación directa; al respecto
Méndez (2010) expresa que: la observación es participante directa cuando el
investigador forma parte activa y asume comportamiento del grupo observado
obteniendo así, los datos más importantes que estén en relación directa con el
problema de investigación (Pág. 105).
Entrevista Estructurada
Esta fue utilizada para obtener la información directa a los estudiantes de la
especialidad de Metalurgia del Instituto Universitario de Fundación La Salle, Campus
Guayana, con la finalidad de indagar la opinión y conocimientos, sobre análisis
metalográfico a muestras de acero de medio carbono, utilizando la técnica de ataque
químico con diversos reactivos. Para tener un mejor conocimiento acerca de la
microestructura y comparaciones de estos metales, a través de una entrevista
estructurada conformada por doce (12) preguntas las cuales se aplicaron a quince (15)
alumnos del Laboratorio de Metalografía, con el fin de corroborar lo primero y contar
con información efectiva, ver anexo A. Finalmente, en esta investigación se empleó la
entrevista estructurada, que según Rojas Soriano (s.f.), se entiende como:
La entrevista estructurada o dirigida se emplea cuando no existe
suficiente material informativo sobre ciertos aspectos que interesa
investigar, o cuando la información no puede conseguirse a través de
otras técnicas. Para realizar la entrevista estructurada es necesario
contar con una guía de entrevista. Ésta puede contener preguntas
abiertas o temas a tratar, los cuales se derivan de los indicadores que
deseen explorarse. (s.p.)
Revisión Bibliográfica
Es la manera indispensable de acudir a información a través de diferentes fuentes
como: libros de textos, manuales, planos, folletos, tesis, enciclopedias, diccionarios,
entre otros. Los cuales permitirán evaluar y entender las distintas problemáticas
habidas en el área de investigación, así como el desarrollo del presente trabajo con la
finalidad de que el marco teórico de este estudio sea objetivo y conciso en relación al
problema de estudio. Al respecto la Universidad Nacional Abierta (2010) define que:
“se basa en el estudio de documentos, entendidos por ello, todo aquello que bajo la
forma de relativa permanencia puede servir para suministrar, conservar la
información” (Pág. 98).
3.4 Sistema de Variables
Una variable es una característica observable o un aspecto confuso en un objeto de
estudio que pueden adoptar diferentes valores o expresarse en varias categorías, dos o
más variables constituyen un sistema de variables. Según Bavaresco (2009)
“representa diferentes condiciones, cualidades, características o modalidades que
asumen los objetos de estudio desde el inicio de la investigación”, (Pág. 76).
Variable independiente
Es el elemento de quien se está hablando en la investigación. Ante lo cual Méndez
(2011) comenta que “son las condiciones manipuladas y / o manejadas por el
investigador con el propósito de ciertos efectos”. (Pág. 174). La variable observada en
este trabajo fue la técnica del ataque químico con varios reactivos.
Variable dependiente
Es el objeto o evento de estudio, sobre lo cual se centra la investigación en todo su
magnitud, es decir, constituyen las consecuencias del fenómeno. Ante todo Hayman
(2014) la define como “la propiedad o característica que se trata de cambiar mediante
la manipulación de la variable independiente”. (Pág. 69). La variable observada en
este trabajo fue la metalografía observada de las probetas de acero.