Microestructuras en Los Materiales

CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES

2017256―1-3Departamento de Ingeniería Mecánica y

Mecatrónica

Ing. Juan Hernando Reyes [email protected]

2012-1

CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL

Asociación Colombiana de Soldadura ACS

MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y LAS ALEACIONES

• Cada metal tiene una estructura cristalina definida.El hierro a Tº ambiente, por ejemplo, está formadopor celdillas de estructura cúbica centrada en elcuerpo (BCC).

� Las propiedades de los metales dependen de laforma de los cristales, del número de átomosque comprende cada estructura espacial decristales, de la distancia entre los átomos de laestructura espacial, y de la interrelación de lasestructuras espaciales.

MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y LAS ALEACIONES (CONT.)

• Otros factores importantes de los que dependen laspropiedades son las características del proceso desolidificación, o los fenómenos asociados con latransformación de los metales del estado líquido al estadosólido.

� Este proceso se ilustra en forma esquemáticaen un diagrama de equilibrio, diagrama deconstitución o diagrama de fase.

� Un diagrama de fase es en esencia unarepresentación gráfica de la temperatura sobrela cual son estables las fases de un metal.

DIAGRAMA HIERRO CARBONO

MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y LAS ALEACIONES (CONT.)

• Cuando se usa la palabra equilibrio, implicaque cualquier cambio que ocurra en un metalpuro o en una aleación habrá generará uncambio reversible.

� Es decir, cualquier cambio que resultecomo consecuencia de una elevación detemperatura, por ejemplo, se producirá ala inversa , al haber un descensocorrespondiente en la temperatura.

ESTADOS ALOTRÓPICOS DEL HIERRO PURO


Estructuras Cristalinas

• Los metales y aleaciones en un 90% cristalizan en los sistemas:

•Cúbico de cuerpo centrado (BCC)•Cúbico de cara centrada (FCC)•Hexagonal compacto (HCP)

Estructura cristalina BCC

En este sistema cristalizan:

Cr, V, Mo, Nb, W, Pt, Cs, Ba, Acero.

Estructura cristalina FCC


Au, Ag, Ir, Th, Ce, Acero Inoxidable.

Estructura cristalina HCP


Zr, Hf, La, Os, Co, Cd, B.

Aleaciones

� Una aleación es un metal compuesto de doso más elementos, de los cuales por lo menosuno es metálico.

� Las principales categorías de aleación son:soluciones sólidas y fases intermedias .

� Una solución sólida es una aleación en lacual un elemento está disuelto en otro paraformar una estructura de fase única.

� El término fase describe cualquier masahomogénea de material.

Soluciones Sólidas

(a) (b)Las soluciones sólidas vienen en dos formas: la substitucional (a) y la intersticial (b).

Soluciones Sólidas (Cont.)

�En la solución o aleación sólidasubsititucional los átomos del elementosolvente son remplazados en su celda unitariapor átomos del elemento disuelto.

�En la solución o aleación sólida intersticiallos átomos del elemento disuelto se introducenen los espacios vacantes interatómicos de laestructura reticular del metal base.

ACEROS

• Los aceros contienen (0.05% - 2% C).

• Dos tipos de aceros son los Aceros al carbono y los Aceros

aleados.

• Los Aceros al C contienen cantidades controladas de C y se

clasifican como:

� Aceros de Bajo C (< 0,3% C)

� Aceros de Medio C (0,3% - 0,55% C)

� Aceros de Alto C (Hasta 1,7% C)

• Los Aceros aleados se caracterizan por sus propiedades

especiales debido a la presencia de las adiciones de otros

elementos, tales como: Cr, Mo, Ni, Mn, V, Si, W, Ti

INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LOS ACEROS ALEADOS

• CROMO. Incrementa la resistencia a la corrosión, mejora ladureza, tenacidad y la respuesta al tratamiento térmico.

• MANGANESO. Incrementa la resistencia mecánica y lasensibilidad al tratamiento térmico.

• MOLIBDENO. Incrementa la tenacidad y mejora laresistencia a altas temperaturas.

• NÍQUEL. Incrementa la resistencia, ductilidad y tenacidad.

• VANADIO. Retarda el crecimiento de grano y mejora latenacidad.

ACEROS AL C

• Los aceros al C comunes contienen alto contenido de Fe ypequeñas cantidades de otros elementos mezclados con él.

• Para un Acero AISI/SAE 1020, los 5 elementos más comunesque se mezclan con el Fe, con sus límites cuantitativos son:

C = 0,18 – 0,23% Mn = 0,3 – 0,6% Si = 0,3 máx.

P = 0,04 % máx. S = 0,05% máx.

Estos aceros se conocen como ferríticos o ferríticos–perlíticos.

• Estos términos corresponden a los aspectosmicroestructurales de los enfriamientos lentos de losaceros, que se caracterizan por una baja resistenciamecánica, alta ductilidad y microestructura uniforme.

• Estas propiedades pueden cambiar por tratamientotérmico, trabajo mecánico, adición de elementos dealeación, o combinación de estos.

• Tratamiento Térmico, es el conjunto de operaciones decalentamiento y enfriamiento, bajo condicionescontroladas de T°, t, atmósfera y velocidad deenfriamiento.

Tratamientos Térmicos de los Aceros

• Los principales objetivos de los tratamientostérmicos son:

– Remoción de tensiones internas.

– Aumento o disminución de la dureza.

– Aumento de la resistencia mecánica.

– Mejora de la ductilidad, maquinabilidad, resistencia aldesgaste, resistencia a la corrosión, resistencia al calor,propiedades de corte.

– Modificación de las propiedades eléctricas y magnéticas.

Tratamientos Térmicos de los Aceros

Los Tratamientos Térmicos de uso común son:recocido, alivio de tensiones, temple, revenido,normalizado, tratamientos isotérmicos.

• Recocido (Annealing). Consiste en elcalentamiento del acero por encima de la Tºcrítica, durante el tiempo necesario, para tenersolución de carbono o de los elementos aleantesen el Fe gamma, seguido de un enfriamiento muylento, realizado controlando la velocidad deenfriamiento en el horno o apagando el mismo ydejando que el acero enfríe al mismo tiempo queél.

Tratamientos Térmicos de los Aceros (Cont.)


Estructura de perlita fina y laminar

Microestructura de un acero recocido

• Alivio de Tensiones (Stress Relief).Consiste en el calentamiento del aceropor debajo de la Tº crítica. El objetivo esaliviar las tensiones producidas durantelos procesos de fabricación, operacionesde conformado, soldadura o maquinado.



• Temple (Quenching). Consiste en elcalentamiento del acero por encima de la Tº deaustenización, seguido de un enfriamientorápido en un medio como agua, aceite, sales oaire inducido. Su objetivo es la obtención de laestructura martensítica, reduciéndose laductilidad, la tenacidad y apareciendo en elmaterial apreciables tensiones internas.




La microestructura es martensita y probablemente algo de austenita retenida

Microestructura de un acero templado

• Revenido (Tempering). Es el T.T. quenormalmente acompaña al temple, ya queademás de aliviar las tensiones internas, corrigela excesiva dureza y fragilidad del material,aumentando su ductilidad y resistencia alchoque, como también la pérdida de piezas porrotura.

• Generalmente se calienta el acero a una Tºinferior a la crítica, seguido de un enfriamientolento.


La estructura es martensita revenida con partículas de cementita esferoidal

Microestructura de una acero revenido

• Normalizado (Normalizing). Consiste enel calentamiento del acero por encima dela Tº de austenización, seguido de unenfriamiento al aire. Este T.T. es aplicable apiezas que han sido laminadas o forjadas.


La estructura consiste de perlita y ferrita

Microestructura de un acero normalizado

Enfriamiento de un Acero Recocido

• 0.35%C , 900 ºCEnfriamiento lento :Cristales blancos = Ferrita

Puntos negros = Perlita• 1.1%C , 900 ºC

Aparición de cristales negros contorneados por una retícula blanca.Cristales negros = Perlita Retícula blanca = Cementita.

• Ataque HNO3 (3%) , t = 10 s.

Aceros Recocidos (Cont)

• Los constituyentes característicos de los aceros recocidos son:

– La ferrita

– La perlita

– La cementita


Enfriamiento en los Aceros

• Cuando un acero se enfría lentamente seobtiene como resultado una microestructuradúctil, la cual tiene una apariencia laminar ycorresponde a la perlita.

• Cuando un acero se enfría rápidamente seobtiene como resultado un endurecimientocon tendencia a la fragilidad y corresponde auna estructura martensítica.

ALEACIONES HIERRO – CARBONO (Cont.)

• A temperatura ambiente losconstituyentes fundamentales de losaceros son la Ferrita, la cementita y laperlita.

• La Ferrita es el hierro alfa o hierro casipuro. Es muy dúctil, maleable ymagnético. Cristaliza en el sistema BCC.



Microestructura del Hierro Puro

Fte: APRAIZ. Metalurgia de los Aceros


• La cementita es un carburo de hierro(Fe3C) es el constituyente más duro delos aceros. Es magnética por debajo delos 210°C y no magnética atemperaturas superiores.

• Contiene 6.67%C y 93.33%Fe.

MICROGRAFÍA QUE MUESTRA LAS HOJUELAS DE GRAFITO EN UNA FUNDICIÓN GRIS


• La perlita es una mezcla mecánica de 88.5%de ferrita y 11.5% de cementita.

• Tiene forma laminar (láminas finas)dispuestas alternadamente.

• La proporción en un acero crece desde 0%hasta 100% para un acero eutectoide (0,77-0,8% C).

• Las propiedades mecánicas son intermediasentre la ferrita y la cementita.



Microestructura de la Perlita

Fte: APRAIZ. Metalurgia de los Aceros

ESTRUCTURA PERLÍTICA

ESTRUCTURA PERLÍTICA


• Por encima de 726°C aparece otro microconstituyente que corresponde a la austenita.

• La Austenita es una solución sólida de carbono en hierro gamma, es blanda, dúctil, tenaz y no magnética.

• Cristaliza en el sistema FCC.



ESTRUCTURA AUSTENÍTICA (BAINITA)


• La Martensita puede considerarse comouna solución sólida de carbono en ferritasobresaturada y distorsionada.

• Este es el constituyente de los acerostemplados.

• Su aspecto es de forma acicular.

• Tiene una elevada dureza pero es muyfrágil.

MICROESTRUCTURA MARTENSÍTICA

Enfriamiento en los Aceros

� Cuando un acero se enfría lentamente seobtiene como resultado una microestructuradúctil, la cual tiene una apariencia laminar ycorresponde a la perlita.

�Cuando un acero se enfría rápidamente seobtiene como resultado un endurecimientocon tendencia a la fragilidad y corresponde auna estructura martensítica.

ENSAYO DE TEMPLABILIDAD*La templabilidad (endurecibilidad ) se definecomo la capacidad del acero de endurecerse oa la profundidad de endurecimiento .*Dicha profundidad depende del tamaño degrano austenítico y de la presencia deelementos de aleación más que del contenidode carbono del acero .*La templabilidad está asociada a la obtenciónde la máxima tenacidad , en función de lamicroestructura producida en el enfriamiento .*El objetivo fundamental de la templabilidad esel de obtener la mayor dureza y la más altatenacidad , a una profundidad determinada,reduciendo al mínimo las tensiones generadaspor el enfriamiento .

MEDIDA DE LA TEMPLABILIDAD� Los métodos más conocidos son el método Grossmann y el

método de Jominy.� MÉTODO JOMINY:• Desarrollado por Jominy y Boegehold, homologado por la

ASTM, SAE, AISI.• Se parte de una probeta cilíndrica de 1” de diámetro por 4” de

largo, la cual se calienta hasta T° austenítica.• Posteriormente se dirige un chorro de agua en condiciones

controladas, de P, T° y Cantidad , contra uno de sus extremos.• Después de enfriado , se hace un corte longitudinal en la

probeta, se rectifican (mecanizado) las dos superficiesparalelas y opuestas y se mide su dureza a distanciasvariables (generalmente 1,6 mm), a partir del extremo querecibío el chorro de agua. Los valoren obtenidos se grafican ,obteniéndose una curva como la que se muestra en la figura.

DISPOSITIVO PARA EL ENSAYO JOMINY PARA DETERMINAR EL ENDURECIMIENTO DE LOS

ACEROS

CURVA DE TEMPLABILIDAD OBTENIDA POR EL ENSAYO JOMINY

ENSAYO JOMINY

• La curva de templabilidad Jominy tambiénpermite especificar la distancia del extremoenfriado a la zona de media dureza (ó 50% demartensita), como la profundidad deendurecimiento Jominy.

• El método Jominy es tan popular que ungran número de aceros cuentan con susrespectivas curvas Jominy determinadas.

ENSAYO DE DIFUSIÓN

• La Difusión consiste en un tratamientotermoquímico de los materiales cuyoobjetivo fundamental es el de mejorar laspropiedades mecánicas de sus superfices.

• Ejemplos: Cementación, Nitruración,Boratación, películas delgadas (PVD), entreotras.

Documents

Microestructuras en Los Materiales