Metalografia_ Guia

Guía de prácticas/Metalografía y Microscopia Electrónica/2015 - Nº 6 Ing. Juan Manuel Jara Gonzales U.N.S.A.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERÍA PROCESOS

Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica

Guía de Practicas

Metalografía y Microscopia Electrónica

Practica Nº 6

Caracterización de Microestructuras en aceros

2015


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Caracterización de Microestructuras en aceros

1. Objetivos: Al finalizar la guía de prácticas el estudiante del curso será capaz de identificar las diferentes microestructuras de los principales aceros más usuales en la Industria. Como objetivo fundamental de esta práctica es la de relacionar las microestructuras con las propiedades finales del acero. 2. Introducción: Todos alguna vez hemos utilizado un acero para diferentes ocasiones sin embardo las propiedades de los aceros en general tiene su interpretación metalográfica, vale decir totas las propiedades de los aceros tienen su origen en su composición química, tratamientos térmicos, tratamientos termoquímicos y fundamentalmente por las microestructuras presentes en el acero que hacen que se comporten de manera especial para una utilidad en productos terminados. Existe en el mercado actual muchos tipos de aceros de acuerdo al uso y las propiedades que deben de tener, para que un acero pueda tener ciertas características este deberá tener como elemento aleante un metal que le otorga en pequeñas cantidades propiedades puntuales para usos específicos. ¿Qué es un Acero? Es una aleación de hierro con un contenido en carbono hasta el 2%, el contenido de Manganeso y Silicio es inferior al 1%; además de ello existen aceros especiales con contenidos de Cromo, Wolframio, Níquel, Cobalto, Aluminio, Titanio, etc. Las Microestructuras que se pueden presentan en equilibrio y rompiendo el equilibrio en los aceros son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. Detallamos en forma resumida los principales constituyentes de un acero al carbono: Ferrita: Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, 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 0,02% a 723 °C. La ferrita es el microconstituyente más blando y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros.

Microestructura tipica de la Ferrita

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA METALURGICA


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Aparecen como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, forman una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados 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. Este tipo de estructura se denomina Widmanstaten.

Perlita Es un microconstituyente formado por reacción eutectoide y se le puede observar por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción 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 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 650 a 723°C.

Microestructura tipica de la Perlita

Cementita: Es el carburo de hierro que en el diagrama He-C tiene un contenido máximo de 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 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica. 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 hipoeutectoides que no han sido bien templados.

Microestructura de cementita en los bordes de grano


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Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. 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 al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. Tiene una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.

Microestructura de la Austenita

Martensita Es el constituyente de los aceros templados, 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. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. 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.

Microestrucura de la Martensita Templada


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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 o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C.

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.

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 o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. 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%. 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. 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 500°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 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. Diagrama He-C.


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El diagrama hierro carbono tiene los siguientes puntos críticos.

3. Materiales

1. Muestras (ver tabla Nro. 1) 1. Alcohol medicinal 2. Algodón 3. Hojas abrasivas N° 200, 400, 600, 100 y

1500

4. Resina poliéster y Acrílica 5. Curador de resina (Polimerizado) 6. Pasta de pulido 7. Trapo industrial 8. Otros complementarios

. 4. Equipos: 1. Molde de resina 2. Vaso de vidrio de preparación 3. Base de pulido vidrio (6mm) 4. Equipo de desbaste (discos con abrasivos) 5. Equipo de pulido (paños) 6. Microscopio Metalográfico

7. Vaso de precipitados 8. Marcador indeleble 9. Pinza 10. Luna de vidrio 11. Alicate 12. Otros complementarios

5. EPPS: 1. Lentes de seguridad 2. Guardapolvo y/o mameluco

3. Guantes de jebe 4. Zapatos de seguridad

Equipos de apoyo: a. Cámara fotográfica b. Filmadora


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6. Procedimiento: Cada alumno será responsable del estudio de un acero; el alumno podrá traer su propio acero o pedirá al docente un acero el mismo que prepara la muestra con los procedimientos aprendidos en la guía de prácticas cuatro. Seguir todo el proceso de preparación de muestra y finalmente deberá ser atacada para la observación en el microscopio Metalográfica. Los aceros en estudio que se adjunta en la tabla número 1 no deberán presentar tratamientos térmicos de ningún tipo, salvo algunos aceros que viene tratados para usos finales. El interés de esta práctica es de reconocer las principales microestructuras de los aceros, reconocer que influencia trae el añadir un elemento a un acero y que ventajas le proporciona, debemos comprender por que algunos aceros son más resistentes a la corrosión, otros porque son más duros que otros y en general por que varían sus propiedades en función de su microestructura. Tabla N° 1

Acero 1020 Resina Acrilica 10x5x5 mm

Acero 1045 Resina Acrilica 10x5x5 mm

Acero Inoxidable Resina Acrilica 10x5x5 mm

SAE 5160H (resortes) Resina Acrilica 10x5x5 mm

Acero VCL Resina Acrilica 10x5x5 mm

Acero T1 Resina Acrilica 10x5x5 mm

Acero ASTM A 706 Resina Acrílica 10x5x5 mm

Acero M2 Resina Acrílica 10x5x5 mm

7. Cuestionario: 1) Indique las microestructuras observadas en su muestra 2) De su Muestra en estudio indique su matriz representativa 3) Observa usted alguna inclusión en su muestra? 4) Describa la forma de los límites de grano 5) Según lo analizado indique que propiedades debe presentar su muestra en un producto acabado. 6) ¿Es posible modificar sus propiedades y su microestructura de su muestra? 7) Haga u bosquejo de su micrografía indicando las partes más representativas 8. Bibliografía. [1] William F. Smith, FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES, Tercera Edición. [2]ASM Metals HandBook [3] http://html.rincondelvago.com/materiales_9.html [4] http://www.centralclubs.com/diagram-t67924.html [5] http://es.wikipedia.org/wiki/Acero [6] Tesis de grado influencia de microestructura sobre las propiedades mecánicas en varillas de cero. Allauca Pancho Fabián Roberto. Escuela Superior Politécnica de Chimborazo. Ecuador 2011 [7] Marshalls etch + HF, 300x. Courtesy of A.O.Benscoter, Lehigh University [8] A.O. Benscoter, Lehigh University. [9]ASM Metals HandBook. Vol 3. Alloy Phase Diagram.

http://html.rincondelvago.com/materiales_9.html

http://www.centralclubs.com/diagram-t67924.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero


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9.-Anexos:

SAE 5160H

Este acero se caracteriza por su gran templabilidad, tenacidad, resistencia a la fatiga y a la tracción, en razón de sus altos contenidos de carbono, manganeso y cromo. Es utilizado en la fabricación de piezas muy solicitadas que requieran una elevada dureza y tenacidad, especialmente en la industria automotriz en la producción de

ballestas (hojas para paquetes de resorte) y muelles helicoidales, para automóviles, trenes ferroviarios y maquinaria minera. De igual manera en piezas de responsabilidad que requieren una calidad especial, como árboles de transmisión, barras de torsión, grandes engranajes trabajando sin choque, engranajes en general y repuestos de maquinaria agrícola. También es una excelente alternativa sensiblemente más económica para ciertos trabajos muy específicos (habitualmente realizados en aceros T1, K100, 4140, 4340, acero plata, y otros), como diversos tipos de cuchillas y ejes así como para golillas industriales, varillas para alcantarillados, herramientas, sargentos, piezas de matricería, etc.

Fases Del Diagrama Hierro Carbono Austenita (0 hasta 2% C) Ferrita alfa α (0 hasta 0,022%C) Ferrita delta δ (0 hasta 0,09%C)

La austenita es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida

por inserción de carbono en hierro gamma, la cantidad de carbono disuelto, varía de 0 a 2.1 %

C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C.

La austenita presenta las siguientes características:

Baja temperatura de fusión. Baja tenacidad.

Excelente soldabilidad. No es magnética.

La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras estructura (FCC).

Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura

cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å.

Prácticamente no disuelve en carbono, como se puede

observar en la micrografía adjunta tiene un acero con bajo

porcentaje de carbono.

La máxima solubilidad es 0,022% de C a 727°C, y disuelve

sólo 0,008% de C a temperatura ambiente.

Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace

retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.008% a

1487ºC. Las características de la ferrita δ son:

Muy blanda. Estructura cristalina BCC

Es magnética Muy poca posibilidad de disolución del carbono.

La ferrita experimenta a 912°C una transformación polimórfica a austenita FCC o hierro γ. No

posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

http://www.ferrometal.cl/acero-de-resorte/acero-resorte/circulo1.gif?attredirects=0


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Fase Cementita (0,022% a 6,67%C) Fase Perlita

Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α

por debajo de 727°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La

cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta

considerablemente la resistencia de algunos aceros.

Es la mezcla eutectoide que contiene 0,77 % de C y se forma a 727°C a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y cementita. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.

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