Metalografía y Tratamientos Térmicos

21 mayo, 2010 · 2 comentarios

El objetivo de esta práctica consiste en conocer los métodos para la preparación de muestras metalográficas que servirán para la observación microscópica de las características físicas de un metal o aleación. Además pretendemos conocer los tratamientos térmicos más comunes, entendiendo su fundamento físico y sus efectos sobre los materiales y sus propiedades.

Materiales

  • Cortadora
  • Esmeril
  • Desbastadora automática y manual
  • Lijas (180,240,360,400,500,600)
  • Pulidora (Alúmina Gris y Blanca)
  • Probetas de acero
  • Microscopio
  • Nital al 2 %
  • Horno para tratamientos térmicos
  • Pinzas
  • Guantes
  • Muestras de diferentes aceros
  • Aceite para temple
  • Salmuera
  • Desbastadora
  • Lijas
  • Durómetro rockwell
  • Microscopio metalográfico
  • Procedimientos

    Desbastado

    La primer etapa para la obtención de muestras metalográficas consta en desbastar la muestra, como se muestra en el vídeo se emplearon diferentes técnicas con diferentes equipos para lograr un desbastado cada vez más fino.
    El propósito es crear una superficie lo más perfecta y pareja posible antes del pulido, habrá líneas que jamás van a poder eliminarse con el pulido, así que el proceso de desbastado y lijado debe ser cuidadoso y bien hecho.
    Uno de los equipos que tiene el laboratorio para desbastar es la desbastadora automática SurfMet 1 de la que podemos señalar los controles;


    Técnicas de Pulido y Ataque Químico

    Pulir el material es lo que permite que la luz del microscopio refleje de manera continua y directa, lo que nos permitirá observar las características que buscamos. Un buen pulido bien vale la pena al llegar al microscopio y no encontrar rayas en la probeta. Antes del ataque químico hay que asegurarse de haber pulido perfectamente la superficie de estudio.

    Ataque Químico

    Nital al 2% es suficiente para revelar los límites de grano del material, el ataque químico es una técnica muy común y debe aplicarse antes de la observación al microscopio, en los gráficos que se mostrarán más adelante se puede ver la diferencia de lo que se ve en el microscopio antes y después del ataque químico.
    El secreto es que este ácido es suficiente para colarse por los huecos que hay entre los granos del material para así revelar su forma, la reacción se lleva a cabo casi instantáneamente y oscurece la fase perlítica del material.
    Macroscópicamente sólo notamos un ligero cambio de color (color ámbar). Y parece que la superficie perdió su acabado pulido. Esto es normal.

    Prueba de la Chispa

    La prueba de la chispa es el primer acercamiento empírico a una posible determinación del contenido de carbono de la probeta en cuestión, pues resulta que diferentes cantidades presentes de carbono en una muestra provocan diferentes clases de chispa, en la tabla que aparece en el vídeo están dibujadas las formas que deberían tener las chispas que corresponden a determinadas concentraciones de carbono. El contenido de carbono está directamente relacionado con las propiedades mecánicas del acero, de hecho los aceros se nombran de acuerdo a su contenido de carbono.
    Es recomendable hacer esta prueba en la fase de desbaste burdo. Como se observa en el vídeo determiné que mi probeta tiene un contenido de carbono alto tratándose entonces de un acero de al menos 0.55% de peso de carbono.

    Dureza de la Muestra

    Otro parámetro a considerar es la dureza de la muestra, la dureza está relacionada directamente con el contenido de carbono, es una de las propiedades mecánicas que dependen del mismo. Con un durómetro analógico Rockwell tomé dureza antes de cualquier tratamiento que pudiese afectar la estructura o propiedades de la probeta, la técnica para tomar durezas puede verse aquí. La norma pide que se hagan 5 ensayos, se eliminen las medidas extremas y se haga un promedio los resultados de cada ensayo se muestran en la tabla de la izquierda.



    Estudio en el Microscopio

    Después de ser atacada químicamente la muestra está lista para ser observada en el microscopio, la búsqueda de inclusiones y de fases nos darán una idea mucho más exacta de la composición y estado de la muestra, esto por supuesto nos ayudará a determinar las propiedades mecánicas de la misma.
    En la secciones posteriores haré con las imágenes obtenidas en el microscopio una búsqueda y explicación más detallada de los resultados. De igual manera determiné el tamaño de grano, como se ha visto en el vídeo.

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    Búsqueda de inclusiones

    Esta es una imagen 100x de la probeta antes de ser atacada químicamente, lo que estamos buscando son tres tipos de inclusiones; óxidos, alúminas y sulfatos. Las inclusiones son defectos mucho más grandes que los cristalinos y normalmente aparecen en los materiales durante el proceso de fabricación o de algún tratamiento.

    Identificación de Fases

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    Después de atacar la muestra químicamente, a un aumento de 100x buscamos las fases presentes en el material, recordando que la formación de fases se da en aleaciones esperamos encontrar al menos dos.

    Tratamiento Térmico

    En el laboratorio, se realizaron diferentes tipos de tratamientos térmicos, para todos la temperatura en el horno alcanzó 900 ºC durante 45 minutos. El tratamiento varía de acuerdo al enfriamiento; Temple en agua, temple en salmuera, temple en aceite, normalizado y recocido…
    Mi probeta ya era de por si una de las más duras, después del tratamiento térmico hay que hacer de nuevo la metalografía para observarla en el microscopio, si la hubiésemos templado el resultado habría sido una probeta extremadamente dura y horas de trabajo, por esa razón elegimos el normalizado como tratamiento térmico.

    Las siguientes imágenes muestran la microestructura del material a 100x y 500x respectivamente, lo que estamos buscando nuevamente son las fases presentes.

    Ahora comparemos las imágenes a 100x pre y post tratamiento térmico de normalizado…

    La primer característica que es evidente que cambió es el tamaño de grano, observo un tamaño de grano mucho menor, además nota cómo las zonas obscuras ahora en lugar de estar juntas están mejor distribuidas. Es evidente también que las fases no cambiaron, quiere decir que la energía se usó sólo para rehacer los granos y dio origen a una redistribución de fases, no se encontró martencita, porque el tratamiento térmico de normalizado no enfría suficientemente rápido para la formación de la misma. En el siguiente diagrama veremos las fases comunes de acuerdo a los tratamientos realizados:

    Nueva Dureza de la Muestra

    Otro parámetro a considerar es la dureza de la muestra, la dureza está relacionada directamente con el contenido de carbono, pero ahora también con qué tratamiento térmico que le hemos dado, un tratamiento térmico no cambia el contenido de carbono de la muestra. Con un durómetro digital Rockwell tomé dureza después del tratamiento térmico, la técnica para tomar durezas puede verse aquí. La norma pide que se hagan 3 ensayos y se haga un promedio. Los resultados de cada ensayo se muestran en la tabla de la izquierda.

    Aplicaciones Industriales

    El acero 1060 es comúnmente utilizado en piezas que requieren una dureza respetable, sin embargo esto es bajo la condición de templarlo, en realidad lo que yo hice fue normalizarlo, la única aplicación que encontré en la industria para este tratamiento con este acero es la de darle normalizado al acero como preparación al temple. Las fases se redistribuyen y desaparecen las imperfecciones, se re acomoda la microestructura y se relajan los esfuerzos, esto lo hace más dúctil. Y si se vuelve a calentar y después se templa se puede usar el resultado para piezas mecánicas que necesiten resistir una gran cantidad de esfuerzos.
    El normalizado entonces, es común para el refinamiento de aceros, y en el caso de necesitar ductilidad en vez de dureza.

    Reflexiones Teóricas y Conclusión

    Nuevamente el objetivo planteado es cualitativo, así la conclusión debe ser congruente en forma. Las técnicas sugeridas para la preparación de muestras metalográficas fueron registradas y aplicadas con éxito en el transcurso de varias semanas.
    Logré determinar empíricamente y de manera más formal la proporción del contenido de carbono, sabía desde la prueba de la chispa y la dureza 15HRC que era muy probable que esta muestra tuviera un alto porcentaje en contenido de carbono.
    Ya en el microscopio metalográfico, fue evidente esta premisa y más específicamente determinamos que se trataba de un acero 1060. La identificación del tamaño de grano sirvió de parámetro para notar la diferencia después del tratamiento térmico.
    Lo más destacable de esta práctica desde mi punto de vista fue el aprendizaje y experiencia que adquirí en el manejo de los equipos.
    Es relativamente fácil leer sobre las propiedades mecánicas de un material, pero nunca se olvidan las consecuencias de estas cuando tienes que estar horas desbastando y puliendo una probeta demasiado dura, o cuando es demasiado suave y se raya fácilmente. El contenido de carbono, efectivamente influye en la manufactura y en el rendimiento del acero.
    Fue importante reconocer las inclusiones y fases en el microscopio metalográfico, que en realidad es el objetivo completo de la metalografía. Reporté como resultado el hallazgo de inclusiones; óxidos de serie fina, lo que es bastante lógico tratándose de una matriz ferrítica en contacto con mucha agua, y de alúminas en pequeña cantidad, resultado del proceso de pulido. Las fases presentes fueron ferrita, lógica desde que es un acero, y perlita, resultado del contenido de carbono.
    Misma situación con a segunda parte de la práctica, los tratamientos térmicos fueron registrados y aplicados en el transcurso de un par de semanas, hablando específicamente del normalizado, que es el que me concierne, entiendo teóricamente que la perlita a altas temperaturas cambia de fase a una austenita fina que al enfriarse se ha transformado nuevamente en perlita, y esto sólo ocurrió porque el enfriamiento fue lento. Sé que si hubiésemos templado la probeta, el resultado hubiera sido la austenita convertida en martencita y la propiedad de dureza hubiese aumentado considerablemente. La clave de este tratamiento térmico no se encuentra en el cambio de fases, mas en el la liberación de esfuerzos, el reacomodo más homogéneo de las fases lo que notablemente cambiaron sus propiedades. Por ejemplo, antes del tratamiento de normalizado trabajé con la probeta en el esmeril casi a placer, después del tratamiento térmico era imposible sostener la probeta con las manos desnudas, pues la fricción con el esmeril elevaba la temperatura a grados insoportables para sostener. Tuve que usar guantes y enfriar con agua repetidamente. También noté una facilidad dramática a la hora de lijar y pulir. Puede ser debido a la experiencia que había adquirido antes, pero lo que es un hecho es que la dureza de la probeta cambió después de normalizarla 10.83HRC, son sólo 3 unidades de diferencia pero 3 unidades que significaron casi dos semanas menos de trabajo, después de normalizar tardé mucho menos en aplicar las técnicas de metalografía. Como la dureza cambió también la ductilidad, por el reacomodo de las redes cristalinas durante el tratamiento, lo que provocó una redistribución de fases el acero se hizo notablemente más dúctil y por lo tanto tenaz.
    Creo que las dos imágenes que pueden quedar como conclusión gráfica de la práctica, por ser el objetivo primordial de la misma, son las microestructuras antes y después del normalizado, después de todo, la totalidad de este esfuerzo pagó con la obtención de estas dos imágenes;


    carlos antonio aguilar aguilar abril 24, 2013 a las 23:05

    Me gustaria recibir mas informacion sobre el acero y tambien en especial conocer las formas de prevenir la corrosion del metal, estudio ingeneria y me interesaria hacer mi tesis sobre la corrosion del metal.

    Responder

    sergiortellez noviembre 10, 2013 a las 8:43

    Para hacer una tesis se necesita mucha información, la ingeniería en materiales no es mi campo. Mucho menos el Acero, pero te invito al instituto de materiales de la UNAM. Tienen una biblioteca especializada y estoy seguro de que ahí encontrarás justo lo que estás buscando. Saludos.

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