Conceptos de Conceptos de MetalografíaMetalografía

ING. JAIME GONZALEZ VIVASING. JAIME GONZALEZ VIVAS

Definición de metalografía:Definición de metalografía:• La metalografía o Microscopía, estudia las características

estructurales de un metal o de un aleación microscópicamente.

• Es posible determinar el tamaño del grano, así como el tamaño, forma y distribución de fases e inclusiones que tengan efecto sobre las propiedades del metal o aleación.

• La Microestructura puede revelar el tratamiento mecánico y térmico del metal.

• La metalografía puede ser dividida, según el tamaño de los elementos estructurales que se desea analizar, en metalografía macroscópica, microscópica y submicroscópica.

• La metalografía macroscópica suele ser llamada macroscopía y la

microscópica, microscopía.

• Convencionalmente se considera que la división entre metalografía macroscópica y microscópica está dada por el uso de un aumento de 20x. La metalografía macroscópica incluye la observación a simple vista y con lentes de hasta 20x. Con aumentos mayores se está en el campo de la metalografía microscópica.

• Las técnicas de observación macro y microscópica son complementarias en el sentido de que las primeras permiten obtener un conocimiento no muy profundo de la estructura, pero vinculado a una zona bastante grande de las muestras, mientras que con las técnicas microscópicas, si bien se facilita un conocimiento más profundo de la estructura, dicho conocimiento está limitado a una zona muy pequeña.

• Los métodos metalográficos se clasifican en destructivos y no destructivos, según que la pieza analizada pueda ser utilizada o no después del examen al que es sometida.

• Los métodos metalográficos clásicos requieren casi siempre la preparación de una probeta extraída de la pieza a analizar y son, por ello, destructivos.

MÉTODOS MACROSCÓPICOS DE OBSERVACIÓN DIRECTA

• Las características estructurales de tamaño macroscópico pueden ser observadas sin preparación previa de la superficie en estudio, o requerir una preparación que siempre es menos elaborada que para la observación microscópica e incluye generalmente un ataque químico.

• También se utiliza la observación a simple vista para el análisis de las causas de rotura de las piezas. Esta observación puede ser complementada con la observación mediante lupas de poco aumento, quedando por ello el método dentro del campo de la macroscopía.

• El uso de aumentos elevados no es apropiado para la observación de superficies de fractura, porque la irregularidad de las mismas no permite obtener imágenes nítidas.

MÉTODO DE PREPARACIÓN: Se divide en varias etapas:

• Selección y extracción• Montaje (en caso de ser necesario)• Desbaste - Esmerilado grueso - fino• Pulido final.

SELECCIÓN Y EXTRACCIÓN:Hay veces que una vez recibido el material es necesario seccionarlo o cortarlo en una forma determinada. Se trata de lograr superficies planas con la menor deformación posible. En general, los mejores resultados se obtienen con corte por abrasivo húmedo (disco abrasivo: de Al2O3 para metales ferrosos y SiC para no ferrosos). En general, materiales blandos se cortan con discos duros y viceversa.

• Un factor a tener en cuenta es la temperatura generada por rozamiento en el corte, el cual debe realizarse con un liquido lubrirefrigerante, de lo contrario se estaría modificando la estructura original.

• En general de deben obtener por lo menos dos cortes: uno

longitudinal y otro transversal, para analizar las estructuras y las propiedades en esas dos direcciones (salvo en el caso de materiales directos de colada - fundidos). Es decir, es necesario conocer de antemano el proceso de fabricación y/o tratamientos térmicos del espécimen para determinar las zonas de extracción y los tipos de corte a realizar. Si se realiza un estudio de falla, la muestra debe tomarse lo más cerca posible de la falla o en la iniciación de esta.

• El método de preparación de muestras metalográficas se encuentra normalizado en la norma ASTM E 3.

MONTAJE:Cuando se considere necesario para una mejor manipulación de la muestra o para evitar la conservación de los bordes o alguna capa constituyente, es necesario montar la muestra en lo que llamamos "inclusión". La pieza debe estar libre de grasa o contaminante que interfiera en la adherencia.

Montaje en caliente:La muestra se coloca en una prensa generalmente hidráulica (incluidota), se añade luego un polímetro o baquelita. Los polímetros pueden ser de dos tipos: termoendurecibles o termoplásticos. Luego se somete el polímetro o baquelita a una presión y temperatura determinada según el caso y posteriormente se enfría. Luego se saca la muestra de la prensa.

Montaje en frió: reacción química

• La muestra se coloca en un molde, y luego se añaden las partes necesarias de las resinas mezclándolas previamente y luego se vierten sobre la muestra cubriendo a esta y todo el volumen entre la muestra y el molde.

• Hay tres tipos de resinas en frió: Epoxi (menor contracción, excelente adherencia tiempo largo de solidificación), Acrílicas (menor tiempo y buena adherencia y son termoplásticos), de Poliester (idem anterior pero duro plásticas).

DESBASTE - PREPARACIÓN MECÁNICA:Para eliminar material de la superficie de la muestra, se utilizan abrasivos cada vez con partículas mas finas. Esto puede ser en forma manual o con pulidoras mecánicas.

Esmerilado grueso:Su objetivo es eliminar la superficie de la muestra que fue deformada por el proceso anterior y lograr un solo plano de pulido para las etapas posteriores. Se utilizan abrasivos de grano grueso (80 - 320), discos o papeles abrasivos al agua. El agua tiene por objeto refrigerar y barrer de la superficie las partículas de material tanto de la muestra como del abrasivo. Para pasar de un papel a otro se debe obtener una superficie plana, uniforme y las rayas deben estar en una misma dirección. Una vez logrado esto, se gira la muestra 90° y se procede de la misma forma

Papeles para esmerilado manual

Papeles para esmerilado mecánico

Desbastadoras

Fotomicrografías luego de varias etapas de esmerilado

Esmerilado fino:Es la etapa final del esmerilado. El procedimiento es igual al anterior con papeles (400 a 1200) o diamante en pasta desde 3 a 0,25 micrones.

Máquina para esmerilado mecánico

PULIDO MECÁNICO:

ABRASIVOS PARA EL PULIDO METALOGRÁFICOFísicamente, un abrasivo metalográfico ideal debe de poseer una dureza relativamente alta; la forma externa de las partículas debe ser tal que presenten numerosas y agudas aristas y vértices cortantes; las partículas, si se rompen durante su uso, deben hacerlo en forma de que se produzcan nuevas aristas y vértices cortantes

• Polvo de diamante. El abrasivo que más se aproxima al ideal es el polvo de diamante no adulterado y bien clasificado. Se ha empleado mucho en el pasado para preparar probetas de aleaciones muy duras, tales como carburos sinterizados de volframio o boro y recientemente se ha extendido su uso, con gran éxito, para el pulido de las aleaciones y metales más comunes.

• Alúndum. Para el pulido intermedio o preliminar de las probetas

metalográficas, en aquellos casos en que tal operación se realiza, se emplea como abrasivo el alúndum (óxido de aluminio fundido) y, a veces, carborundo (carburo de silicio) o carburo de boro, todos en un grado de finura de 500 a 600 mallas.

• Oxido de magnesio. Es el abrasivo que suele recomendarse para el pulido final de los metales blandos, tales como el aluminio, magnesio y otros, o para sustituir a la alúmina en el pulido de las fundiciones y otros materiales relativamente duros.

• Alúmina. La alúmina (óxido de aluminio) es, probablemente, el abrasivo más satisfactorio y universal desde el punto de vista metalográfico. El comercio lo proporciona en forma de pastas o suspensiones acuosas. La alúmina existe en tres formas cristalográficas distintas: alfa, beta y gamma. De ellas, la alfa y la gamma son las más empleadas como abrasivos. Algunos tipos de polvo seco de alúmina, aunque se adquieren como legivados, es preciso volver a legivarlos para obtener la debida finura y uniformidad de las partículas.

• Otros abrasivos. Además de los abrasivos citados anteriormente, también el óxido de cromo y el óxido de hierro (rojo de joyeros) se han empleado con éxito en el pulido metalográfico. El rojo de joyeros, sin embargo, tiene propensión a hacer fluir el metal superficial, y aunque proporciona una superficie extraordinariamente pulimentada, tal superficie no es la necesaria y característica del pulido metalográfico

PAÑOS PARA PULIR• En general, la textura superficial de los paños de pulir varía

desde la correspondiente a los que no tienen pelo, como la seda natural y el tejido empleado para cubrir las alas de aeroplanos, hasta aquellos con pelo relativamente largo, como el terciopelo y la pana, que son de aplicación muy general. En el caso intermedio se encuentran los paños de mesa de billar, los paños de lana de distintas finuras y las lonas de diferentes pesos.

• Cuando un paño no va a utilizarse durante algún tiempo, se le quita del disco de la pulidora, se le enjabona y se le lava cuidadosamente con agua corriente. Después se le puede secar o, mejor, se le guarda sumergido en agua en un vaso. El lavado elimina prácticamente todos los detritos adheridos al paño, y el guardarlo en húmedo evita que lo evita que los residuos de abrasivo que pudieran quedar formen tortas sobre el.

• El objetivo es hacer desaparecer las rayas finas producidas en la última operación de desbaste. El disco de la pulidora empleado en esta operación se cubre, generalmente, con paño de lana, paño de billar o una lona de poco peso, y se le hace girar a unas 400 a 500 rpm. Como abrasivo se emplea alúndum o carborundo de 600 mallas, o productos equivalentes. Para realizar un pulido preliminar se mantiene la probeta desbastada, firmemente, sobre el disco que gira, y durante la operación se mueve continuamente desde el centro al borde del disco, y a la inversa. Si es necesario, se añade de cuando en cuando suspensión del abrasivo, que contengan unos 15g por cada 100cc de agua.

Insumos para pulido con óxidos Pulidora metalográfica mecánica

Fotomicrografía luego de la etapa de pulido mecánico

PULIDO ELECTROLÍTICOEl pulido electrolítico disminuye notablemente las distorsiones superficiales producidas durante el pulido mecánico. Evita la formación de capas distorsionadas en la superficie pulida de la muestra. Es ideal para metales blandos, aleaciones monofásicas y aleaciones que endurecen por deformación. Como desventaja se encuentra la destrucción parcial o total de las inclusiones no metálicas por reacciones químicas con los electrolitos utilizados. También algunos electrolitos actúan sobre los bordes de las microfisuras y hacen que las mismas se agranden y a su vez produzcan un redondeo de sus bordes.De acuerdo a las circunstancias, los métodos de pulido electrolítico más utilizados son:

• Pulido en celda electrolítica.• Pulido por medio de equipos automáticos.• Pulido local por medio del método “tampón”.

Pulidoras electrolíticas portátiles

DEFECTOS DE PREPARACIÓN:

- Rayas: son surcos producidos por las puntas de los abrasivos.

- Deformación plástica: puede provocar defectos superficiales después del esmerilado o el pulido. Se revela después del ataque.

- Aplastamiento: es la deformación plástica de grandes zonas de la muestra. Se pueden producir por una elección incorrecta del abrasivo, lubricante o paño.

- Redondeo de bordes: se debe a la utilización de una superficie de pulido muy elástica. Provoca una eliminación del material tanto en la superficie como en los bordes.

- Relieve: cuando se pule un material con varias fases se puede dar lugar este fenómeno debido a la diferente dureza o resistencia al desgaste de c/u. Aparece durante el pulido. Hay que tener en cuenta para evitarlo el tiempo adecuado de pulido y el tipo de paño.

- Arranques: son cavidades que quedan después del pulido debido a la pérdida de material durante la abrasión. Aparecen en materiales duros y quebradizos o que tengan inclusiones. Son debidas a un exceso de fuerza o mal a selección del paño (pelo largo).

- Separaciones: son espacios que aparecen entre las resinas y el material luego de ser incluido. Puede ser debida a una mala elección de la resina, que la pieza tenga grasitud o impurezas, contaminantes o mala elección de los parámetros de inclusión.

- Grietas: Se producen por excesiva energía entregada en el proceso de preparación mayor a la que puede soportar. Se dan en materiales frágiles o con varias fases o estructura en capas. Se pueden provocar en el corte o en la etapa de inclusión.

- Falsa porosidad: los materiales blandos que tienen poros se pueden llenar con material por aplastamiento, apreciándose un número menor de poros que los reales. Caso contrario los frágiles.

- Colas de cometa: aparecen junto con las inclusiones o los poros cuando el movimiento relativo de la muestra y el disco es unidireccional. Se evita realizando movimientos en todas las direcciones de pulido.

- Contaminación: material distinto al de la muestra que se deposita en las etapas de esmerilado o pulido. Pueden estar presentes en los discos, papeles o paños. Por eso es de suma importancia el lavado previo.

- Abrasivo incrustado: son partículas de abrasivos sueltas incrustadas por presión en la muestra. Se producen por una mala combinación en la selección del tamaño de abrasivo, paño y lubricante.

- Huellas de lapeado: son indentaciones producidas por las partículas del abrasivo. No forman una línea continua sino una línea entrecortada. La partícula salta sobre la superficie dejando ese aspecto. Se pueden producir por mala selección de fuerza y superficie de disco o paño.

Ataque Quimico

Permite observar la estructura del metal o aleación. Existen diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el de ataque químico.

El ataque químico puede hacerse sumergiendo la muestra con cara pulida hacia arriba en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un algodón embebido en dicho reactivo. Luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca 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 mas oscuro al microscopio y el más resistente permanecerá más brillante, reflejará más luz y se verá más brillante en el microscopio.

Microscopio Metalografico

Referencia 1.- Caja de iluminación 2.- Diafragma de apertura 3.- Diafragma de campo 4.- Torreta porta objetivos 5.- Objetivos 6.- Platina 7.- Cabezal trinocular 8.- Salida trinocular 9.- Salida binocular 10.- Oculares 11.- Ajuste de foco fino/grueso coaxial con control de tensión 12.- Estativo

• En comparación al microscopio biológico el microscopio metalúrgico difiere en la manera en que la luz es proyectada. Como una muestra metalográfica es opaca a la luz, la misma debe ser iluminada por luz reflejada. Un haz de luz horizontal de alguna 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 amplificará al pasar a través del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuará hacia arriba a través del reflector de vidrio plano; luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de lentes, el ocular.

a) AUMENTOS. Se denomina aumento del microscopio (Am) a la relación sobre el tamaño de la imagen y el del objetivo.

Am = (D1/D2) M1M2

en donde:

Di = distancia entre el ocular y la pantalla de protección,D2 = distancia entre el ocular y objetivo,Mi = aumento propio del ocular, M2 = aumento propio del objetivo,

b)PODER DE RESOLUCIÓN.

Se define como la capacidad de un objetivo para producir imágenes separadas y distintas de dos detalles del objeto muy próximos. Es función directa de la longitud de onda, X, de la luz incidente e inversa del índice de refracción del medio, n, y del ángulo de semiabertura de la lente objetivo, u. Para el caso de haz incidente ancho paralelo en el objeto, se cumple la expresión:

en donde las unidades de d son las mismas que las de X.

En la microscopía óptica suele emplearse tipos de iluminación distintos de la luz blanca, y aunque no aportan mayor resolución si permiten facilitar la separación de los incidentes observables. Citamos entre ellos:

•Campo oscuro.•Luz polarizada.•Técnica de Nomarsky.

c) PROFUNDIDAD DE CAMPO, e, también denominada penetración o resolución vertical del objetivo, es la capacidad de dar imágenes nítidamente enfocadas, cuando la superficie delobjeto no es completamente plana. La profundidad de campo es inversamente proporcional a los aumentos propios del objetivo, M2, al

índice de refracción, n, del medio y al ángulo de semiapertura del objetivo, u, es decir:

• El poder de amplificación inicial del objetivo y del ocular está generalmente grabado en la base del lente. Cuando es utilizada una combinación particular de objetivo y ocular y una longitud adecuada de tubo, la amplificación total es igual al producto de las amplificaciones del objetivo y ocular. La amplificación máxima obtenida con el microscopio óptico es de unos 2000 x. La limitación principal es la longitud de onda de la luz visible, la cual limita la resolución de los detalles finos de la muestra metalográfica. La utilidad del microscopio metalúrgico puede ser ampliada debido a la incorporación de diversos aparatos auxiliares, como son los que permiten observar aspectos estructurales que no son visibles en condiciones normales.

Microfotografías:Microfotografías:

TAMAÑO DE GRANO

• El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.

• En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío

CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO.• Existen diversos métodos para determinar el tamaño de

grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino

La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma ASTM o 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 grosor del grano austenitico 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.