IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN MATERIAL MET ÁLICO.

CARLOS ANDRÉS GALÁN PINILLA

Profesora: ANA EMILSE COY ECHEVERRIA

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE FISICO-QUIMICAS

ESCUELA DE INGENIERIA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES BUCARAMANGA

2011

1

Tabla de contenido. Introducción 2 Resumen 3 Procedimiento 4 Fundamentos teóricos 5 Equipo utilizado 9 Resultados y análisis de los resultados 9 Prueba de dureza 14 Tamaño del grafito 15 Conclusiones 20

2

INTRODUCCIÓN Con este informe se pretende presentar el resultado del trabajo realizado en el laboratorio de metalografía durante el segundo periodo de 2010. Los resultados que se mostraran han sido obtenidos durante el desarrollo de las actividades de acuerdo con los requerimientos para la identificación y caracterización de un material metálico, estos resultados fueron obtenidos siguiendo un orden, y teniendo como guías las diferentes normas internacionales para dicha práctica y se mencionaran de acuerdo a su requerimiento.

3

RESUMEN. Durante los días designados al laboratorio de metalografía, se ha desarrollado el proceso general de obtención de muestras para el análisis metalográfico, siendo esta la ciencia que estudia las características estructurales de los metales y aleaciones, permitiéndonos el análisis de la constitución de la estructura interna de los metales y aleaciones para relacionadas con las propiedades físicas y mecánicas. En el laboratorio de metalografía se contaba con los equipos básicos necesarios para llevar a cabo el proceso, y ha sido guiado por las personas encargadas de Éste, con el objetivo de comprender los procesos necesarios para la obtención y análisis de la muestra, también fue de gran importancia el desarrollo de este laboratorio ya que permitió aprender el funcionamiento general de los equipos, su seguridad, y sus limitaciones.

4

PROCEDIMIENTO. El proceso se inició cuando fue asignada una muestra representativa del material, o se cortó de una pieza de mayor tamaño por medio de la cortadora metalográfica, según las dimensiones de la muestra se analizaba si se podía manipular fácilmente, iniciando el proceso de desbaste. Si la muestra era de dimensiones pequeñas donde se dificultaba su manipulación, esta debía ser montada en bakelita. Las muestras que requieren de montaje, se montaron en bakelita, es una resina termoendurecible, este montaje se hace utilizando una prensa, y la muestra se pone de modo que la parte a pulir quede en la superficie de la baquelita, y no en el centro. En mi caso particular, la muestra era fácilmente manipulable, el proceso de desbaste se inicia resbalando la cara a pulir de la muestra sobre la lija, es de anotar que esta lija debe borrar las rayas marcadas, o en su defecto las rayas de la cortadora, cuando todas las rayas están apuntando en la misma dirección, puede pasar a la lija siguiente, el proceso de desbaste se inicia con una lija de grano grueso, una lija 80. Las lijas deben contar con suficiente flujo de agua para evitar el calentamiento de la muestra, y quitar partículas sueltas indeseables, además la fuerza que se aplica sobre la muestra no debe ser mucha, para evitar trasformar la estructura real del material. Luego de terminar el proceso de desbaste en la lija 80 se pasa a la lija 120,Para desbastar la muestra se gira 90º, de modo que las rayas hechas por la lija 80, queden perpendiculares al desplazamiento sobre la lija 120, hasta que todas las rayas queden en la misma dirección, para terminar el proceso de desbaste en la lija 120, se gastaron aproximadamente 2 o 3 clases, según la habilidad y el tipo de material en particular, estas lijas se colocaban sobre un vidrio para garantizar una superficie lisa. El mismo proceso se da sobre las lijas en orden, pasando por la 180, 240, 320,400, 500 y 600, en este momento la pieza esta brillante pero todavía no está tipo espejo o especular, se debe tener mucho cuidado para evitar que se caiga la pieza, o rosarla sobre otra superficie, para no dañar el trabajo realizado, la muestra debe estar totalmente plana, para poder ser analizada en el microscopio. Después de terminado este proceso se pasa al pulido de la muestra, se requiere una terminación especular para observaciones micrográficas, se hacen girar unos discos que tienen adheridos unos paños especiales, que con la ayuda de unos

5

abrasivos muy finos, se obtiene una muestra con una superficie especular lista para el ataque, en este proceso hay que tener cuidado con posibles restos de metal que pueden rayar el material. Primero se utilizó alúmina (Al2O3) de 0.5 micras y luego de 0.3 micras, Todo el proceso de preparación de la muestra, necesaria para la análisis metalográfico se hizo siguiendo la norma ASTM E3-01, “standard guide for preparation of metallographic specimens” Después de terminado el proceso de pulido se hace el ataque metalográfico a la muestra, que para el caso de la fundición gris se utilizó el picral, esto se hizo siguiendo la norma E407-07, “ Standard Practice for Microetching Metals and Alloys” el picral tiene la siguiente composición: 4 gr de ácido pícrico. 100ml de etanol o metanol. Por medio de este proceso de ataque se revelara la estructura general de la muestra. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. La metalografía es de gran importancia en el desarrollo industrial y tecnológico en el área de los materiales, esta ciencia nos permite estudiar las características estructurales de un metal y aleación que están a su vez muy relacionadas con las propiedades mecánicas y físicas del material. Por medio de la metalografía también podemos observar inclusiones, tratamientos térmicos a los que se ha sometido el material y la distribución de las fases que componen la aleación. Según las micrografías mostradas más adelante, la muestra es representativa de una fundición gris, estas aleaciones tienen un porcentaje en carbono mayor al 2%, estos materiales se caracterizan por tener poca plasticidad, utilizando el diagrama hierro carbono a temperatura ambiente, en estado estable, las fases son ferrita, cementita formando un micro constituyente laminar llamado perlita, y el grafito que puede estar en varias formas. Según la velocidad de enfriamiento estas fases pueden variar, al final las fases que constituyen el material son las que finalmente dan las propiedades. La estructura granular de los metales no es visible si la observamos directamente después de hacer el pulido metalográfico y está en condición especular, el objetivo

6

del ataque químico es principalmente acentuar las diferencias estructurales del material para que sea fácil su observación y caracterización, haciendo que se distingan los granos, esto se da gracias a que los granos tienen naturalezas químicas diferentes, y según esta diferencia se selecciona un reactivo que ataque una fase preferencial, y el resultado es que da unas diferenciar de coloración permitiendo diferenciar los granos y las fases. Hay muchos factores que influyen en la microestructura que puede tener una aleación a temperatura ambiente, como son la velocidad de enfriamiento, la composición química, los nucleantes, y las impurezas. La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la deformación plástica, se mide forzando la indetación de un penetrador en la superficie de un metal, este indentador normalmente es una esfera, pirámide o cono, y tiene que ser de un material mucho más duro que el material a ensayar, en el desarrollo del laboratorio, se utilizó el equipo de dureza Rockwell para determinar la dureza del material.

Durante el desarrollo del laboratorio se realizó el ensayo de dureza Rockwell sobre la muestra, este ensayo es de gran aplicación ya que tiene instaladas diferentes escalas en el transportador que sirven para la utilización en distintas combinaciones de penetradores y cargas, permitiendo hacer en ensayo a casi cualquier muestra desde los más duros utilizando puntas de diamante, hasta los mas blandos utilizando puntas esféricas de hasta ½ de pulgada de diámetro para el caso de dureza superficial, el ensayo se trata de aplicar una carga sobre el material por medio de un indentador, el indentador a utilizar debe ser más duro que la muestra, y se selecciona de acuerdo al análisis metalográfico según el análisis de la microestructura, para cada penetrador y cada carga hay una escala. Durante el desbaste de la muestra se utilizó papel de lija, y era el encargado de preparar la muestra hasta que no tenga rayas, a continuación una tabla donde se muestran las principales lijas utilizadas en la industria y en el laboratorio.

7

(3)Tabla 1, clasificación de las lijas de desbaste

Designación

de la arena

de ISO/FEPA

Designaci

ón de la

arena de

CAMI

Diámetro

medio de la

partícula

(µm)

P40 40 425

50 348

P50 336

60 265

P60 269

P80 201

80 190

P100 162

100 140

P120 125

120 115

P150 100

150 92

P180 180 82

P220 220 68

P240 58.5

240 53.0

P280 52.2

P320 46.2

P360 40.5

320 36.0

P400 35.0

P500 30.2

360 28.0

P600 25.8

400 23.0

P800 21.8

500 20.0

P1000 18.3

600 16.0

8

Solidificación de una fundición gris. (1) Las fundiciones grises son generalmente aleaciones ternarias Fe-C-SI, el grafito es una fase termodinámicamente estable, el principal efecto del silicio es incrementar la fuerza termodinámica impulsora para la formación de grafito, al enfriarse una aleación en condiciones estables se forma el grafito, en la figura 1 se mira la parte del diagrama que corresponde a las líneas punteadas. Según mis observaciones, la composición de la fundición gris analizada es de aproximadamente 3%. Al enfriar desde el estado líquido , al legar a la temperatura de liquidus ~ (1280ºC) se forman dentro del líquido cristales de austenita, al seguir enfriando el líquido aumenta su contenido de carbono hasta alcanzar la composición eutéctica de ~(4.26%C) y se solidifica como eutéctico formando austenita mas grafito, al continuar el enfriamiento se forma a partir de la austenita mas grafito, debido a la disminución de solubilidad de carbono en la austenita , hasta que la austenita tiene la composición eutectoide a ~738ºC, la austenita eutectoide se puede descomponer en ferrita y grafito, o ferrita y cementita formando perlita.

9

(2) Figura 1, diagrama Fe-C

EQUIPO UTILIZADO. Cortadora metalográfica, prensa embutidora para montaje del material en bakelita, lijas, pulidoras, microscopios, reactivos, secador, agua, esmeril, abrasivos, durómetro de ensayo Rockwell, secador de manos. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. Micrografías antes del ataque. Estas micrografías fueron obtenidas antes de atacar, a diferentes aumentos.

10

Figura 2. 50x AT Microfotografía obtenida sin ataque a 50x

Figura 3. 100x AT Figura 4. 100x AT Microfotografías obtenida pulida, sin Ataque

De las tres microfotografías anteriores se concluye que la muestra analizada es representativa de una fundición gris, el grafito adopto la forma de numerosas láminas curvadas o comúnmente llamadas escamas o laminas. El proceso de

Grafito laminar

11

grafitización se realiza con mayor facilidad en contenidos de carbono elevado, a temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes, especialmente silicio es la adecuada. La formación de cementita a temperatura eutéctica es minimizada por el alto contenido de elementos grafitizantes como también por la velocidad de enfriamiento. Figura 5. 50x. DA

Analizando las micrografías, después del ataque, (figura 5), se observa una fundición gris en una matriz perlitica, si analizamos el diagrama Fe-Fe3C, para tener perlita en una fundición gris a temperatura ambiente, se debe impedir la grafitización de la cementita eutectoide, para que aparezca formando un micro constituyente laminar llamado perlita, si la cementita eutectoide se grafitiza, la fundición sería totalmente ferritica.

Grafito laminar.

Perlita

Zonas blancas

12

En la figuras 5 y 6 se ven ciertas zonas blancas, las fundiciones contiene fosforo del mineral de hierro en cantidades variables, que van desde un 0.1% hasta 0.9%, este se puede combinar con el hierro formando un fosfuro de hierro, (Fe3P), llamado comúnmente esteadita, este fosfuro forma el eutéctico ternario con la cementita y la perlita llamado esteadita, esta esteadita es dura y frágil, su efecto aumenta la fluidez y favorece la grafitización junto al silicio

Figura 6

Esteadita

Grafito

laminar

13

Figura 7. 200X DA

Micrografía del primer intento de ataque metalográfico, este ataque fue hecho con nital, pero la muestra no reacciono correctamente, ocasionando que no se pueda identificar fácilmente la matriz de la fundición.

Luego realizó un ataque metalográfico a la muestra con picral, siguiendo la norma E407-07, “Standard Practice for Microetching Metals and Alloy s” , en el primer intento con Nital el material no revelo su estructura, las posibles causas del error pudieron ser las fallas humanas, o que el material duro muy poco tiempo en contacto con el reactivo, al repetir el proceso con picral la muestra fue atacada perfectamente y revelo su estructura perlitica, este proceso de ataque químico se realiza por medio de inmersión, la cara a atacar se sumerge y se deja un tiempo.

14

Prueba de dureza.

Según pruebas realizadas por investigadores, la dureza de una fundición gris esta entre 140 y 250 Brinell según sea la composición, según las tablas comparativas (4) de durezas, compararemos estas durezas con las obtenidas en el laboratorio metalográfico.

RB: Rockwell en escala B, 100Kg de carga

En el laboratorio se obtuvo una dureza promedio de 93RB, mirando la tabla también se puede obtener el valor de la dureza en RA, dando un valor promedio de 57 RA, en el laboratorio se tomaron 2 resultados del ensayo, el valor mencionado es el promedio de estos dos datos.

Estas durezas se tomaron con un indentador con punta esférica de diámetro 1/16

Figura 8. Esquema del indentador esférico usado en la prueba de dureza Rockwell.

Esta imagen fue tomada de internet: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Durete_rockwell.png

15

Para las fundiciones de grafito no se puede usar un indentador con punta de diamante cónico, debido a que el resultado será erróneo, la punta puede tomar dureza de una hojuela o escama del grafito dando una dureza alta, o también puede medir dureza en la matriz de la fundición sin tocar el grafito dando una dureza bajita.

Para las fundición gris analizada se utilizó un indentador esférico con un diámetro de 1/16, este indentador abarca un poco más de área de contacto, afectando tanto al grafito como a la matriz, en el caso de que el material sea extremadamente blando se utiliza un indentador esférico pero con un diámetro mayor.

La dureza de la fundición gris analizada es relativamente alta dando un valor promedio de 93RB.

Para realizar se prueba de dureza se sigue la norma E18 – 08b, Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials.

Determinación del tamaño del grafito.

Los rasgos característicos del grafito son designados por números y letras, y se obtienen por el método de comparación con unas microestructuras estándar, por comparación de las microfotografías obtenidas y las cartas que están en el laboratorio se concluye que es un grafito laminar de tamaño 5 y tipo B.

Para analizar el tamaño y tipo del grafito se sigue la norma A247 – 10, Standard Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings . La determinación del tamaño y tipo de grafito se hizo mediante comparación, a continuación se muestran las cartas estándar de comparación utilizadas.

16

Figura 9. Cartas estándar de comparación para deter minar tamaño del grafito.

17

18

figura 10. Cartas estandar de comparacion para dete rminar el tipo de grafito

Orientado al azar. Agrupado en forma de rosetas.

19

Laminas superpuestas. Seg interdendrítica. Seg in terdendrítica preferencial

20

Conclusiones:

� La muestra representativa analizada en el laboratorio de metalografía corresponde a una fundición gris, con grafito en forma de láminas curvadas comúnmente llamado grafito laminar.

� El ataque de la muestra para análisis micrográfico se realizó primero con nital, pero este no reacciono con la muestra para revelar la matriz de la fundición, este resultado se muestra en la figura 6.

� El ataque realizado con un segundo reactivo, Picral, revelo por completo la estructura de la fundición.

� Según el ataque y las micrografías analizadas, el grafito está distribuido en una matriz perlitica.

� El grafito tiene un tamaño 5 y está distribuido según el tipo B definido por la norma ASTM A247 – 10 y resaltadas en un en un cuadro rojo en las cartas de comparación de las figuras 8 y 9.

� La muestra tiene una dureza relativamente alta, aproximadamente 93RB, resultado obtenido del ensayo de dureza Rockwell hecho en el laboratorio.

21

Bibliografía

(1) GÓMEZ MORENO, Orlando José. Aleaciones Hierro-Carbono. Bucaramanga: Universidad Industrial de Santander, 1993

(2) http://proxy.iescondesaeylo.com/publico/TECNOLOG%C3%8DA%20INDUSTRIAL%20II/02%20TEMA%202%20DIAGRAMAS%20DE%20METALES/FUNDICIONES.ppt

(3) www.sni.org.pe/downloads/fichas_tecnicas/LIJA %20AL%20AGUA.doc

(4) http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

• Callister, William D. introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales.

• Smith, William F, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. Mexico, 2007

• Abril, Eduard R, Metalurgia técnica y fundición, Buenos Aires, 1956