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IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN MATERIAL METÁLICO ARIAS AARÓN CARLOS ANDRÉS COD. 2082845 TRABAJO PRESENTADO EN LA ASIGNATURA METALOGRAFÍA CODIGO 23131, GRUPO J4 PROFESOR: JAIME GONZALES GONZALES

INFORME METALOGRAFIA

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Page 1: INFORME METALOGRAFIA

IDENTIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN MATERIAL METÁLICO

ARIAS AARÓN CARLOS ANDRÉS COD. 2082845

TRABAJO PRESENTADO EN LA ASIGNATURA

METALOGRAFÍA

CODIGO 23131, GRUPO J4

PROFESOR: JAIME GONZALES GONZALES

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOQUÍMICAS

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

BUCARAMANGA, ABRIL 16

2012

Page 2: INFORME METALOGRAFIA

CONTENIDO

Pag.

1. RESUMEN……………………………………………………………...3

2. ELEMENTOS TEÓRICOS………………………………………….....4

2.1. ALEACIÓN Zn-Al…………………………………………….....4

2.2. FUNDICIONES GRISES NODULARES……………………...5

3. PROCEDIMIENTO………………………………………………………7

4. RESULTADOS…………………………………………………………11

4.1. MICROGRAFIAS……………………………………………….11

4.1.1. ALEACIÓN Zn-Al…………………………………………..11

4.1.1.1. Sin ataque químico………………………………..11

4.1.1.2. Con ataque químico……………………………….11

4.1.2. FUNDICIÓN GRIS NODULAR……………………………12

4.1.2.1. Sin ataque químico………………………………...12

4.1.2.2. Con ataque químico………………………………..13

4.2. DUREZA…………………………………………………………13

5. CONCLUSIONES……………………………………………………....14

6. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………….15

7. ANEXOS………………………………………………………………....16

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1. RESUMEN

Basados en la naturaleza científica del experimento, este informe presentará

durante su desarrollo el procedimiento y sus diferentes etapas, hecho

estrictamente bajo la norma ASTM, que hizo posible la identificación y

caracterización de un material metálico asignado por el profesor titular del

laboratorio. De una forma general, el procedimiento inició con la identificación de

los equipos de laboratorio y la manera correcta de utilizarlos, siempre con la guía

del técnico ó auxiliar de laboratorio. Después de asignado el material a trabajar, se

dio inicio a la preparación metalográfica del mismo y finalmente se analizó su

estructura en el microscopio metalográfico. También obtuvimos el valor de dureza

del material. En este caso, la primera muestra fue una aleación Zn-Al y la segunda

una fundición gris nodular.

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2. ELEMENTOS TEÓRICOS

2.1. ALEACIÓN Zn-Al

Son aleaciones base zinc con contenido de aluminio aproximado desde 2% hasta

15% en peso. El aluminio aumenta sensiblemente la dureza y resistencia de la

aleación, así como su fluidez, permitiendo la obtención de piezas fundidas de

formas complicadas. Otra ventaja, es la disminución de los efectos corrosivos del

zinc líquido sobre otros materiales metálicos cuando se está procesando la

aleación.

Si el porcentaje de Al es superior al 4.5 %, la aleación se aproxima a su eutéctico

(5% de Al) reduciéndose su resistencia al impacto. En esas condiciones la

aleación es frágil, pudiendo agrietarse durante las operaciones de endurecimiento

o conformación. Por otro lado, para porcentajes inferiores al 3.5% la aleación

pierde resistencia y dureza, descendiendo también su fundibilidad, lo que hace

difícil la obtención de piezas complicadas y delgadas (ver Figura 1).

En general, en las aleaciones Zn-Al con crecimiento de granos equiaxiales, al

incrementar la proporción de aluminio en la aleación, aumenta la resistencia al

desgaste. Si hay crecimiento de granos columnares, esta propiedad es

independiente de la cantidad de aluminio que se adicione. La estructura equiaxial

o columnar de los granos depende de parámetros térmicos que se establecen en

una técnica llamada solidificación direccional.

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% en peso de Zn

Figura 1 Diagrama de fases Al-Zn

2.2. FUNDICIONES GRISES NODULARES

La fundición nodular o esferoidal se produce en hornos cubilotes, con la fusión de

arrabio y chatarra mezclados con coque y caliza. La mayor parte del contenido de

carbono en el hierro, tiene forma de nódulos esferoidales. Para producir la

estructura nodular se necesitan tres condiciones muy importantes:

- Que la temperatura del horno sea de 1500 ºC.

- La adición de un nodulante, generalmente magnesio (0.04 a 0.06% en

peso), para darle la forma al grafito.

- La adición de un inoculante, generalmente silicio (1.8 a 2.8% en peso), para

inocular el elemento nodulante.

El elemento que controla el tipo de matriz es el manganeso, si se pretende

conseguir una matriz ferrítica de colada, el contenido de manganeso no debe

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superar el 0.2% y si se desea obtener una matriz perlítica sin la utilización de

tratamientos térmicos, el contenido de manganeso debe alcanzar el 1% en peso.

La fundición nodular tiene una resistencia mucho mayor que la fundición gris

ordinaria y un considerable grado de ductilidad. Posee una excelente fluidez por lo

que se pueden obtener piezas de reducidos espesores y presentan la facilidad

para realizar tratamientos térmicos.

Tabla 1. Tipos de fundiciones nodulares.

ASTM A536

GRADO DESCRIPCION USOS GENERALES

60-40-18Ferrita; puede ser recocida

Piezas resistentes al impacto; servicio a bajas temperaturas

65-45-12Mayoritariamente ferrítica; de colada o recocida

Servicios generales

80-55-06Ferrítica-Perlítica; puede ser normalizada

Servicios generales

100-70-03

Mayoritariamente perlítica; puede ser normalizada

La mejor combinación de resistencia al desgaste y tenacidad. Buena respuesta al endurecimiento superficial

120-90-02Martensítica; temple al aceite y revenido.

La más tenaz y resistente al desgaste

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3. PROCEDIMIENTO

Todo procedimiento se hizo bajo la norma ASTM (ver Anexo 1). Los equipos y

materiales utilizados se muestran en la Tabla 2. El procedimiento se dividió en las

siguientes etapas:

Dada la muestra, se procedió a cortarla con las especificaciones dadas, se

utilizó una cortadora con discos especiales de corte por abrasión, se

suministró un caudal de agua para garantizar la no alteración de la

estructura interna de la muestra.

Debido al tamaño de la muestra, no se podía manipular fácilmente y para

evitar daños en las manos, se realizó el montaje con el montamuestras

METASERV, en un polímero (resina o baquelita), éste procedimiento se

realizó fundiendo el polímero y aplicando una presión a la muestra con una

refrigeración posterior.

Se procedió a desbastar la superficie metálica con papeles de lija de

diferentes tamaños de grano el procedimiento se realizó desde la de mayor,

hasta la menor tamaño. Las lijas utilizadas fueron 80-120-150-240-320-400-

600. Se utilizó agua como refrigerante para evitar el calentamiento

excesivo. Cada vez que se pasó de una lija a la otra se realizó un giro de

90º para eliminar las rayas de la que dejaba la lija anterior de una manera

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uniforme. Se lavó la probeta con abundante agua para limpiarla de

pequeñas partículas que se producen durante el desbaste.

Terminado el desbaste, se llevó a las mesas de pulido grueso y fino

respectivamente; para el paño grueso se utilizó alúmina de 0.05 micras

como abrasivo y para el paño fino se utilizó alúmina de 0.05 micras como

abrasivo. El pulido se realizó colocando la superficie desbastada sobre el

disco giratorio y girándola en sentido contrario al movimiento del disco. Se

realizó con mucha concentración para no soltar la probeta y dejarla golpear

con el interior de la mesa.

Se lavó la probeta y se seco con ayuda de la secadora, se observó en el

microscopio para determinar si se habían eliminado las rayas y no

quedaban colas de cometa.

Antes del ataque químico se tomaron fotos. Para la fundición gris, sólo

interesó la sección transversal. Para la aleación Zn-Al, se tomaron fotos a la

sección longitudinal y transversal. Para descubrir la microestructura se

atacó químicamente con Nital-2% (ácido nítrico y alcohol) la fundición gris, y

con HF-2% (ácido fluorhídrico). El ataque se realizó por inmersión en un

vidrio-reloj y pasados varios segundos se levantaba para observar si se

opacaba. Se debe adicionar alcohol para detener el ataque.

Colocando la probeta en el microscopio se procedió a analizarla,

determinando los microconstituyentes y/o fases presentes. Para el caso de

la fundición gris, también se determinó el tamaño de grano por comparación

con las plantillas de referencia para aleaciones ferrosas.

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Por último se midió la dureza Rockwell mediante la ayuda de un durómetro.

Para la fundición gris se utilizó la escala Rockwell G y para la aleación Zn-

Al se utilizó la escala Rockwell F.

Tabla 2. Materiales y equipos utilizados

Material metálico( varilla) Cortadora de disco

Montadora de muestras

Probeta montada Serie de lijas

Desbastadora manual

Mesa de pulido Pulidora universal Alúmina (abrasivo)

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Alcohol Algodón Secador

Vaselina Reactivos Epimicrosopio

Microscopio de barrido Durómetro Identador

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4. RESULTADOS

4.1. MICROGRAFÍAS

4.1.1. ALEACION Zn-Al

4.1.1.1. Sin ataque químico

(a) (b)

Figura 2 (a) Micrografía de la sección longitudinal tomada a 100x.

(b) Micrografía de la sección transversal tomada a 100x.

Se observan poros (huecos) productos de la concentración de esfuerzos en esas zonas.

4.1.1.2. Con ataque químico (HF-2% en volumen)

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Figura 3 Micrografía de la sección transversal tomada a 1000x. Se observa una

estructura dentrítica en una matriz eutéctica de Zn. Las zonas grises (las

dendritas) corresponden a la fase beta del aluminio que está en menor proporción.

4.1.2. FUNDICION GRIS NODULAR

4.1.2.1. Sin ataque químico

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Figura 4 Micrografía de la sección transversal tomada 100x. Se observa el grafito

nodular. Según la norma ASTM para el tamaño de grafito nodular, es un grafito

ASTM tipo II tamaño 7 (ver Anexo 2).

4.1.2.2. Con ataque químico

Figura 5 Micrografía de la sección transversal tomada a 500x. Se

observa la matriz perlítica. Las zonas claras que rodean al grafito

nodular corresponden a la ferrita.

4.2. DUREZA

La dureza de la aleación Zn-Al fue de 77 en la escala Rockwell F con 60 kg de

carga. La fundición gris tuvo una dureza de 86 en la escala Rockwell G con 150 kg

de carga.

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5. CONCLUSIONES

La aleación Zn-Al es una aleación seguramente con composición de Al

entre 5 y el 15 %. Hay muchas zonas marcadas de aluminio en una matriz

rica en Zn y se nota claramente el componente eutéctico, producto de la

reacción eutéctica. Tiene una estructura dentrítica, por lo que la aleación

fue obtenida por colada, con granos equiaxiales. Su dureza fue de 77 en la

escala Rockwell F. Debe tener muy buena resistencia al desgaste

seguramente.

La fundición gris nodular es una fundición muy especial, obtenida por

colada. Tiene una matriz perlítica con granos nodulares de grafito rodeados

por una zona rica en ferrita. Es una fundición que se obtuvo mediante

factores especiales, que se explicaron en la parte 2 correspondiente a los

elementos teóricos. Antes de revelar su estructura se pudo establecer que

tiene un grafito ASTM tipo II tamaño 7. Su dureza fue de 86 en la escala

Rockwell G. De muy buenas propiedades mecánicas seguramente.

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6. BIBLIOGRAFIA

GIL, F.J. Metalografía. Primera Edición. Ediciones UPC. España 2005.

ASKELAND, Donald. Ciencia e ingeniería de los Materiales. Tercera Edición. McGraw-Hill 2005.

BERNAU, R.L. Elementos de Metalografía y de Acero al carbono. Editorial Andrés Bello. Santiago de chile 1989

CALVO, F.A. Metalografía Práctica. Alhambra, Madrid 1992.

Normas ASTM E 3-01 E18-03 E112-96 E407-99

http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-861/Lecturas/LectP1M1.pdf

http://materias.fi.uba.ar/6713/PREPARACION%20METALOGRAFICA.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Metalograf%C3%ADa

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

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7. ANEXOS

Anexo 1. RESUMEN NORMAS ASTM UTILIZADAS

ASTM E3. Guía Estándar para la preparación de muestras metalográfica 

Esta norma define el objetivo de la realización de las pruebas metalográfica y su

utilidad en los procesos industriales además de establecer ciertas indicaciones a

seguir para su satisfactoria realización planteando además ciertas circunstancias

representativas que sirven de guía para la aplicación de la misma, dicha

preparación está basada en varias etapas.

SELECCIÓN Y EXTRACCION DE LA MUESTRA, 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 lubri-refrigerante, de lo contrario se estaría modificando la estructura original.

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

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"inclusión". La pieza debe estar libre de grasa o contaminante que interfiera en la adherencia.

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

Para conocer si el pulido fue satisfactorio se debe lavar con agua, secar mediante un secador de aire caliente sin tocar con las manos la cara pulida. Se debe observar la probeta a 100 aumentos, si se presentan rayas se debe volver a realizar el pulido hasta que desaparezcan las rayas finas; si no presenta rayas se procede al ataque químico.

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 precede de la misma forma. Luego ya se está en condiciones de pasar al otro papel. Se recomienda en esta etapa cambiar el agua para que no queden partículas en suspensión.

Esmerilado fino: Es la etapa final del esmerilado. El procedimiento es igual al anterior con papeles (400 a 1200).

 

ASTM E 112 Métodos de prueba estándar para determinar el tamaño medio de

grano. Esta norma se generalmente se encarga de determinar el tamaño promedio

de un tipo particular de estructura de grano en un multifase o espécimen

multiconstituyente. Este tamaño en cuanto la muestra debe ser de 12 a 25 mm2

para secciones cuadradas y de 12 a 25 mm da radio para cilíndricas, con el único

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objetivo de facilitar el pulido posterior, de no ser así esta debe ser montada en

algún tipo de resina sintética.

Para aleaciones ferrosas se compara la imagen a 100 aumentos con 8 plantillas

que están establecidas en la norma. Del 1 al 5 denominados tamaños bastos y del

5 al 8 se consideran tamaños finos. Para granos que su tamaño sea mucho

mayor o menor se debe observar a 50 y 200 aumentos respectivamente y

comparar.

ASTM E18 Pruebas de dureza Rockwell, las cuales son pruebas de dureza que

nos pueden proporcionar información útil sobre los materiales metálicos. Esta

información se correlaciona con resistencia a la tracción, resistencia al desgaste,

la ductilidad, y otras características físicas de los materiales metálicos, y puede ser

útil en el control de calidad y selección de materiales.

Hay 2 tipos de Penetradores, el de cono de diamante y el de bola; estos son

quienes nos ayudan a interpretar los diferentes tipos de dureza establecidas en

tablas. Previamente el equipo debe estar o ser calibrado para que la prueba tenga

validez, luego se deberá aplicar una precarga de 10 kg. La dureza se calcula por

la profundidad del hundimiento proporcionado con la fuerza adicionada. Se esta

forma se realiza varias veces para establecer un promedio de este valor.

ASTM E407 Norma para el ataque químico, el cual consiste en utilizar un agente

químico que reaccione con la superficie a examinar, este es el paso de mayor

importancia durante la metalografía, ya que si el agente no es el indicado, no se

podrán observar las características deseadas sobre la pieza, la selección del

agente químico varía según el material y sus características. Entonces tendremos

que hacer un reconocimiento del reactivo mediante el uso de tablas que nos

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facilita la norma, la cual nos especifica el reactivo, la composición y la forma de

usarlo.

Luego tendremos en cuenta las respectivas medidas de seguridad para continuar

a usar el reactivo, sobre la cara de la pieza recientemente pulida hacemos una

inmersión en el reactivo y según norma tendremos nuestros resultados que luego

analizaremos en el microscopio.

Anexo 2. NORMA ASTM PARA EL TIPO Y TAMAÑO DE GRAFITO NODULAR

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