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NRC. 2731
CONTENIDO
LUIS DANIEL CARREÑO SILVERA COD. 200034207 ADALBERTO SALAZAR NAVARRO COD. 200036540 VINYENZO VARGAS DAZA COD. 20002655212/09/2011
LISTADO FIGURAS
LISTADO DE SIGLAS Y ABREVIATURAS
INTRODUCCION
1. MARCO TEORICO
1.1. Aceros al Bajo Carbono
1.2. Trabajo En Frío
1.3. Recristalización
1.4. Temperatura de Recristalización
1.5. Ensayo de Tensión
1.6. Metalografía
1.6.1. Materiales
1.6.2. Equipos
1.6.3. Procedimientos
1.6.3.1. Selecion y corte de la muestra
1.6.3.2. Montaje de la muestra
1.6.3.3. Esmerilado
1.6.3.4. Pulido
1.6.3.5. Ataque quimico
1.6.3.6. Observacion microscopica
1.6.4. Normas de seguridad
1.7. Dureza Vickers
1.8. Dureza Brinell
1.9. Normalizado
1.10. Forjado
2. MATERIALES Y EQUIPOS3. RECOMENDACIONES
4. BIBLIOGRAFIA
5. ANEXOS
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Máquina Cortadora .Figura 2. Maquina Pulidora .
Figura 3. Microscopio Metalografico.
Figura 4. Microscopio Metalografico.
Figura 5. Perlita .
Figura 6. Bainita
Figura 7. Martensita
Figura 8. Ferrita
Figura 9. Cementita
Figura 10. Austenita
Figura12. Maquina Universal de Ensayos
Figura 13. Microscopio Óptico
Figura 14. Horno de Cámara
INTRODUCCIÓN.
En el marco del desarrollo teórico-práctico del curso de Ingeniería de los Materiales, el cual hace parte del Programa de Ingeniería Mecánica, y al mismo tiempo integra la División de Ingenierías de la Universidad del Norte, se ha planteado desarrollar un experimento que permita identificar las diferentes fases de la microestructura de algunos materiales metálicos, y comprobar la correlación existente entre cambios de fase y propiedades.
Los conocimientos aplicados para la comprobación de lo planteado anteriormente se basan en una experiencia práctica, se opta por analizar la microestructura de materiales, tales como acero de bajo carbono, acero templado, hierro fundido gris y latón amarillo; y relacionar dichas fases con sus propiedades mecánicas. Para ello, se busca establecer el vínculo existente entre la composición de las fases y las durezas existentes en cada una de ellas, para los materiales anteriormente mencionados. Se desea reconocer y distinguir la microestructura de dichos materiales para identificar el cambio de la composición de sus fases, de acuerdo a la aplicación de tratamientos térmicos, tales como recocido de relevo de esfuerzos y normalizado. Por último, se busca realizar una comparación de los resultados obtenidos en esta práctica, con la base teórica establecida, para reafirmar la correcta identificación de las fases presentes en cada material, y sus correspondientes propiedades.
La metodología utilizada para este experimento consiste, en primera instancia, en la aplicación de tratamientos térmicos de recocido de relevo de esfuerzos, para el caso del acero de bajo carbono. Posteriormente, se llevara a cabo un proceso de forjado en las probetas, aplicando porcentajes de trabajo en frío. Cabe destacar que se caracterizarán estas probetas a partir de ensayos de metalografía, microdureza y tensión, para comparar las variaciones en sus propiedades de acuerdo al porcentaje aplicado, y generar la gráfica de propiedades contra porcentaje de trabajo en frío. Por último, se estimará un rango de temperaturas de recristalización, mediante la comparación metalográfica de tres muestras con igual porcentaje de trabajo en frío, sometidas a calentamiento bajo ciertas condiciones (temperatura y tiempo de sostenimiento).
MARCO TEÓRICO
1.1. ACEROS AL BAJO CARBONO
Los aceros al bajo carbono se definen de la siguiente manera:
Describimos los aceros al bajo carbono como aquellos que contienen no más de 0.2% de contenido de carbono. Su microestructura será esencialmente compuesta por ferrita, con una pequeña fracción de volumen de Cementita (Fe3C), presente con frecuencia como perlita. Los aceros con menor contenido de carbono dentro de este rango son aplicables en forma de láminas delgadas, mientras que los aceros con mayor contenido de carbono son utilizados como aceros estructurales en forma de secciones y platos más gruesos.
Otra definición de éste tipo de aceros se enuncia así:
Los aceros pueden clasificarse con base en su composición o según la forma en que han sido procesados. Los aceros al carbono contienen hasta 2% C. Estos aceros también pueden contener otros elementos, como, por ejemplo, silicio (máximo 0.6%), cobre (hasta 0.6%) y manganeso (hasta 1.65%). (…) Los aceros bajo carbono contienen de 0.04 a 0.15% de carbono. Estos aceros bajo carbono se utilizan para fabricar carrocerías automotrices y cientos de otras aplicaciones.
1.2. TRABAJO EN FRÍO
El trabajo en frío es un proceso térmico muy utilizado para modificar la forma y propiedades de un material, y se define de la siguiente manera:
Al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original del material metálico, se ha endurecido por deformación, o trabajado en frío ese metal, y al mismo tiempo se deformó. Es la base de muchas técnicas de manufactura, como el trefilado. (…) Para moldear y endurecer al mismo tiempo un material por trabajo en frío, se usan muchas técnicas. Por ejemplo, el laminado, el trefilado o estirado, la extrusión, estampado profundo, moldeo por estiramiento y doblado.
También se puede definir como: deformación permanente de metales y aleaciones por debajo de la temperatura a la que se produce una microestructura sin deformación (temperatura de recristalización). El trabajo en frio produce el endurecimiento del metal.
El porcentaje de trabajo en frío representa la cantidad de deformación por medio de la siguiente fórmula:
%CW=( Ao−A fAo )×100
1.3. RECRISTALIZACIÓN
Segunda entapa del proceso de recocido en el que los granos nuevos empiezan a crecer y la densidad de las dislocaciones disminuye considerablemente.
“la formación de nuevos granos por tratamiento térmico de un material trabajado en frío.” Este proceso se desarrolla de la siguiente forma:
Cuando un material trabajado en frío se calienta más allá de cierta temperatura, la recuperación rápidamente elimina los esfuerzos residuales y produce la estructura poligonizada de dislocaciones. Entonces, se nuclean nuevos y pequeños granos en los límites de celda de la estructura poligonizada, y se elimina la mayoría de dislocaciones. Como se reduce mucho la cantidad de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero gran ductilidad.
1.4. TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN
La temperatura de recristalización se define así:
La temperatura a la que aparece una microestructura de nuevos granos con muy baja densidad de dislocaciones se llama temperatura de recristalización.
Es la temperatura a la que los granos de la microestructura trabajada en frío comienzan a transformarse en nuevos granos, equiáxicos y sin dislocaciones. La fuerza motriz para la recristalización es la diferencia entre la energía interna de un material frío y la de un material recristalizado. Es importante enfatizar que la temperatura de recristalización no es una temperatura fija [su rango está definido entre un tercio y un medio de la temperatura de fusión], como la temperatura de fusión de un elemento puro, y está influida por una diversidad de variables de procesamiento.
la temperatura de re cristalización desminuye con el trabajo en frio. un menor tamaño de grano original trabajado en frio reduce la
temperatura de recristalización. los metales puros se recristalizan a menores temperaturas que las
aleaciones. al aumentar el tiempo de recocido se reduce la temperatura de
recristalización, ya que se dispone de más tiempo de para la nucleación y el crecimiento de los nuevos granos.
El concepto de temperatura de recristalización es muy importante, porque define también el límite entre el trabajo en frío y el trabajo en caliente de un material metálico.
13T fusión≤T rec≤
12T fusión
1.5. ENSAYO DE TENSIÓN
El ensayo de tensión o tracción “se utiliza para evaluar la resistencia de metales y aleaciones. En este ensayo, una muestra de metal se estira a velocidad constante hasta la fractura, que se produce en un tiempo relativamente corto.” De manera más amplia, se describe de la siguiente forma:
Un espécimen o “probeta” estándar (0.505 pulg de diámetro y longitud calibrada de 2 pulg) se coloca en la máquina de prueba y se aplica una fuerza F, llamada carga. Para medir la cantidad que se estira el espécimen entre las marcas de calibración cuando se aplica la carga, se usa un extensómetro o galga extensométrica. Así, lo que se mide es el cambio de longitud del espécimen en una longitud determinada. En ese ensayo de tensión se puede obtener información acerca de la resistencia, el módulo de Young y la ductilidad de un material. Comúnmente, el ensayo de tensión se hace con metales, aleaciones y plásticos.
1.6. METALOGRAFÍA
Las técnicas de metalografía óptica se emplean para estudiar las características y constitución interna de los materiales a escala micrométrica (nivel de aumento de alrededor de 2000X). Mediante la aplicación de las técnicas de metalografía óptica, puede extraerse información cualitativa y cuantitativa en relación con el tamaño de los granos, los límites de grano, la existencia de diversas fases, daño interno y algunos defectos.
El termino metalografía no se reduce meramente al examen visual o microscópica de los metal, sino que , ahora, comprende todos los métodos empleados en el estudio de la construcción y estructura interna de los metal y sus aleaciones, así como la influencia que ambas ejercen sobre las propiedades físicas y mecánicas.
En un metal o aleación, los componentes de su microestructura se forman durante la solidificación del estado líquido o durante las transformaciones que tienen lugar más tarde en el metal solido. La apariencia de la estructura no da por si sola una información completa sobre el origen del material ni que lo compone.
También se han empleado otros métodos para ampliar y complementar los resultados que nos brinda la metalografía, como por ejemplo:
Propiedades magnéticas Resistencia eléctrica Propiedades termo- eléctricas Fuerza electro-motriz
Además del análisis químico para poder conocer la composición del material, también se ha conseguido separar de forma química los compuestos del material.
Se ha podido demostrar que el éxito del ensayo metalografico radica en la preparación y el cuidado que se le dé a la muestra. Lo que sigue después de esto es relativamente sencillo; consiste en desbastar el material, ´por medio de una serie de papeles de lija, rotando el material siempre a 90 ° cada vez que se termine con un plano por completo, es decir al momento que el material se encuentre totalmente rayado, obteniendo así una superficie como de espejo en el material.
De esta manera todo esto se reduce a “metalografía microscópica” que no es más que el examen de la estructura de las aleaciones y metales por medio del microscopio.
La metalografía es la ciencia que estudia las características presentes en los materiales de manera micro estructural o que se encuentran formadas en un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas del material.
El principal instrumento para la realización del examen metalografico es el microscopio metalografico, ya que con este podemos examinar una muestra con aumentos que varían de 50 a 2000 X.
El examen metalografico es de gran importancia, ya que este nos brinda información bastante útil para conocer el material, y sus características más esenciales tales como forma, tamaño, y distribución de grano, inclusiones y micro estructura metalografía en general. La microestructura puede reflejar la historia completa del tratamiento mecánico o térmico que ha sufrido el metal.
1.6.1. MATERIALES
La experiencia del laboratorio se llevará a cabo con el siguiente material.
Acero de bajo carbono.
1.6.2. EQUIPOS
Para la práctica se hará uso de los siguientes equipos, insumos e instrumentos de laboratorio.
Corte del material :
Tronzadora de corte refrigerado Segueta y prensa de banco
Desbaste y pulido:
Mesón de pulido Pulidora de velocidad variable
Ataque químico:
NitalMicroscopía:
Microscopio óptico.
1.6.3. PROCEDIMIENTO
El desarrollo de la práctica del laboratorio de Metalografía parte con una introducción teórica sobre los conceptos fundamentales y generalidades de la preparación metalografico siguiendo con un reconocimiento de los equipos empleados en la práctica, y los materiales que serán ensayados.
La metodología para el desarrollo de la práctica de laboratorio es la siguiente:
El profesor asigna los materiales que van a ser objeto de estudio durante la práctica de laboratorio.
El estudiante con la colaboración del el asistente del laboratorio, realizará la preparación de la muestra y posteriormente el análisis microscópico.
El estudiante debe presentar el correspondiente informe de laboratorio sobre la práctica desarrollada, de acuerdo con los parámetros planteados por el profesor para la entrega de informes.
Para el desarrollo de la práctica el estudiante debe tener en cuenta las etapas del análisis metalográfico, las cuales comprende:
1.6.3.1. Selección y corte de la muestra : para la preparacion de las muestras para metalografia se debe tener en cuenta a la hora de el corte de las muestras , por conveniencia de manipulacion, siempre que sea posible, se recomienda mantener el tamaño de las muestras para el examen microscopico dentro de ciertos limites, entre 6 y 25 mm de diametro para redondos o de lado para cuadrados. Las
muestras demasiado pequeñas o muy grandes resultan muy dificiles de pulir; las primeras por la tendencia que muestran los bordes a redondearse y las ultimas por la dificultad para eliminar todas las rayas.Las muestras se cortaran, siempre que sea posible, con una sierra de metales , cuya hoja se lubricara a intervalos aplicando una solucion de jabon con una bocha.( ver figura 1).
Figura 1.
1.6.3.2. Montaje de la muestra:
Con frecuencia, la muestra a preparar, por sus dimensiones o por su forma, no permite ser pulida directamente, sino que es preciso montarla o embutirla en una pastilla.
1.6.3.3. Esmerilado: El esmerilado es la operación siguiente al corte y al montaje de la probeta y se efectúa sobre papeles abrasivos (lijas) de diferentes grados. Se aconseja pasar la probeta por toda la serie de lijas: 100, 240, 320, 400, y 600.
1.6.3.4. Pulido :
Se desbasta la muestra con una seria de papeles lija cada vez más finos. Cada hoja o pliego de papel de lija se emplea colocándolo sobre una placa de vidrio de unos 6 mm de espesor; la muestra se mantiene con la cara hacia abajo sobre la lija, preferiblemente para no crear un cambio de temperatura en el material el pulido se debe hacer con un chorro de agua constante que mantenga al material a una temperatura también constante, imprimiéndole un movimiento firme de vaivén que la acerque y la aleje del operador, hasta que cambie a un papel de grado más fino, se limpia la
muestra, y se continua lijando en otra dirección ( 90 °) para reemplazar la rayas anteriores por un sistema de rayas más fino. Un polvo apropiado para el pulimiento de uso general es la alúmina. (Ver figura 2).
Figura 2.
1.6.3.5. Ataque químico :
Permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación. Existen diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el ataque químico. El ataque químico se hace agregando Nital a la superficie cortada.
1.6.3.6. Observación microscópica :
Para la observación microscópica se utilizan microscopios como: Microscopio metalúrgico Microscopio metalúrgico con iluminador visual Un equipo microfotografico Microscopio de proyección
(Ver figuras 3 y 4).
Figura 3. Figura 4.
1.6.4. NORMAS DE SEGURIDADDurante la realización de ensayos al interior del laboratorio se deben cumplir los siguientes requisitos:
Los estudiantes deben tener la indumentaria adecuada para la realización de la práctica (Bata de laboratorio, Pantalón largo, Zapatos Cerrados)
Las actividades docentes se llevan a cabo de una forma demostrativa, es decir, los equipos, herramientas e instrumentos serán utilizados a manera de ilustración del principio de su funcionamiento y operación así como la metodología para la realización de los distintos ensayos. Bajo ninguna circunstancia los estudiantes podrán operar algunos de estos sin la debida asistencia y supervisión directa del auxiliar de laboratorio responsable del equipo o instrumento en uso.
Seguir las recomendaciones del profesor y el auxiliar del laboratorio.
EXAMEN MACROGRAFICO Y MICROGRAFICO
Los exámenes macroscópicos se realizan generalmente sin preparación especial, pero a veces es necesaria una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las características macroscópicas. En microscopía, se utilizan criterios para el tipo de corte a realizar (transversal o longitudinal) para extraer la muestra dependiendo el estudio a realizar, por ejemplo:
Corte transversal: Naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos de fabricación de caños, y otros.
Corte longitudinal: Proceso de fabricación de piezas, tipo y calidad de la soldadura y otros.
El examen micrográfico, es una técnica más avanzada y se basa en la amplificación de la superficie mediante instrumentos ópticos (microscopio) para observar las características estructurales microscópicas (microestructura). Este tipo de examen permite realizar el estudio o controlar el proceso térmico al que ha sido sometido un metal, debido a que los mismos nos ponen en evidencia la estructura o los cambios estructurales que sufren en dicho proceso.
Como consecuencia de ello también es posible deducir las variaciones que experimentan sus propiedades mecánicas (dependiendo de los constituyentes metalográfico presentes en la estructura). Los estudios ópticos microscópicos producen resultados que no solo son útiles a los investigadores sino también a los ingenieros. El examen de la microestructura es muy útil para determinar si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos anteriores, tratamientos térmicos y composición general. La microestructura es un
instrumento para analizar las fallas metálicas y para controlar procesos industriales.
Después de la metalografía se pueden obtener las siguientes microestructuras:
Perlita Bainita Martencita Ferrita Cementita Austenita Grafito
Perlita:
Se denomina 'perlita' a la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y Cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutécticas. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. (Ver figura 5).
Figura 5.
Bainita:
La Bainita es una mezcla de fases de ferrita y Cementita y en su formación intervienen procesos de difusión.
La Bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Los detalles micro estructurales de la vainita son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas alargadas de Cementita. La fase que rodea las agujas es Martencita, a menos que se haga un tratamiento isotérmico hasta transformar toda la Austenita en Bainita. (Ver figura 6).
Figura 6.
Martensita:
Es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión, a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material.
Por extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusiones materiales metálicos. (Ver figura 7).
Figura 7.
Ferrita:
La ferrita (o hierro alfa) es, en metalurgia una de las estructuras moleculares del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes
aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, zinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. (Ver figura 8).
Figura 8.
Cementita:
La Cementita o carburo de hierro se produce por efecto del exceso de carbono sobre el límite de solubilidad. Si bien la composición química de la Cementita es Fe3C, la estructura cristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda. La Cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no es posible de utilizar para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos. Se trata de una fase soluble en estado sólido que puede hacerse desaparecer mediante un tratamiento térmico adecuado (recocido de grafitización). (Ver figura 9).
Figura 9.
Austenita:
La Austenita es una forma de ordenamiento distinta de los átomos de hierro y carbono. Ésta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Está formado por una disolución sólida del carbono de hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2%. Es dúctil, blanda y tenaz. Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro. También se le conoce como austerita. Admite el temple, pero no es magnético. (Ver figura 10).
Figura 10.
Grafito:
Es de color negro con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presenta una conductividad de la electricidad baja y que aumenta con la temperatura, comportándose pues como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura, comportándose como un conductor semimetálico. (Ver figura 11).
Figura 11.
1.7. DUREZA VICKERS
El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración de un objeto duro. Dependiendo del contexto, puede representar resistencia al rayado o penetración y una medida cualitativa de la resistencia del material. El ensayo de dureza Vickers, que usa un indentador de diamante en forma de pirámide, se puede hacer como ensayo de micro o de macrodureza. La fórmula para hallar dicha dureza se presenta de la siguiente manera:
VHN=1.72 P
d2
1.8. DUREZA BRINELL
En este ensayo de dureza, se comprime una esfera de acero duro, por lo general de 10 mm de diámetro, contra la superficie del material. Se mide el diámetro, contra la superficie del material. Se mide el diámetro de la impresión, que suele ser de 2 a 6 mm, y se calcula el número de dureza Brinell (que se abrevia HB o BHN, por sus siglas en inglés) con la siguiente ecuación:
HB= 2 F
(πD [D−√D2−D i2])
Donde F es la carga aplicada en kilogramos, D es el diámetro del penetrador en milímetros y Di es el diámetro de la impresión en milímetros. Los números de dureza se usan principalmente como base cualitativa de comparación entre materiales o en especificaciones para tratamiento térmico en la manufactura o control de calidad y para correlacionar con otras propiedades de materiales; por ejemplo, la dureza Brinell se relaciona estrechamente con la resistencia a la tensión del acero, con la ecuación: Resistencia a la tensión (psi) = 500 HB, donde HB tiene las unidades de kg/mm2.
1.9. NORMALIZADO
Los aceros se pueden endurecer por dispersión al controlar el tamaño de la perlita. El normalizado permite un enfriamiento más rápido del acero, al aire, que produce perlita fina. Para el normalizado se efectúa el austenitizado a aproximadamente 55oC por encima de A3 (temperatura a la cual empieza a formarse la ferrita al enfriarse) o Acm (temperatura a la cual se empieza a formar la cementita); el acero se retira entonces del horno y se deja enfriar al aire. Este enfriamiento más rápido produce perlita fina y proporciona una resistencia más elevada.
1.10. FORJADO
El forjado es un proceso en el que la pieza se conforma mediante fuerzas sucesivas de compresión, aplicadas a través de diversos dados o matrices y herramientas. Se pueden hacer operaciones sencillas de forja con un marro de mano, o maceta, y un yunque, como lo hacen los herreros en forma tradicional. Sin embargo, la mayor parte de las forjas requieren un conjunto de matrices y equipo como prensas o martinetes. Entre los productos característicos del forjado están tornillos y remaches, bielas, ejes de turbinas, engranajes, herramientas de mano y piezas estructurales para maquinaria, aviones, ferrocarriles y una diversidad de equipo de transporte.
El forjado se puede hacer a temperatura ambiente (forjado en frío) o a temperatura elevada (forjado en caliente).
Una operación normal de forjado implica el siguiente orden de pasos:
Preparar un trozo de metal en frío o en caliente. Si es necesario, limpiar la superficie.
Para forjado en caliente, calentar la pieza en un horno adecuado y, si es necesario, descascararla después de calentarla, con un cepillo de alambre, chorro de agua o de vapor, o rascándola.
Forjar en los dados correctos y en el orden correcto. Si es necesario, quitar todo exceso de material, como la rebaba, por troquelado, maquinado o esmerilado.
Limpiar la pieza forjada, comprobar sus dimensiones y, si es necesario, maquinarla a sus dimensiones y tolerancias finales.
MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS
Materiales:
Clavos de Acero al Bajo Carbono para madera.
Equipos:
Ensayo de Tensión
Máquina Universal de EnsayosNormalizado y Recristalización
Horno (de Cámara o Cuba Jominy)
Forjado:
Martillo Hombresolo Base de Acero AISI 1045 Calibrador, Vernier o Pie de Rey
Metalografía:
Papel abrasivo (lija) número 100 hasta 600 Pulidora Microscopio óptico Nital Secador Algodón Alúmina en polvo: 1µm, 0.3µm y 0.05µm
Medición de dureza:
Microdurómetro Indentador de punta de diamante
MATERIALES:
Aceros Bajo Carbono:
Aceros con porcentaje de contenido de carbono entre 0.06 y 0.2%. Este porcentaje define gran parte de sus propiedades: por ejemplo, la dureza, la resistencia a la tensión y la resistencia de fluencia se incrementan al aumentar dicho porcentaje, mientras que la elongación, reducción de área, y los valores de impacto Charpy disminuyen notablemente. Se utilizarán clavos para madera de este material, debido al alto costo del material en otras presentaciones (por ejemplo, ejes de acero sin trabajo en frío).
Máquina Universal de Ensayos:
Se denomina así a la máquina en la cual se pueden ejecutar ensayos tanto de tensión como de compresión. En este caso, se aplicará el ensayo de tensión. Para medir la cantidad que se estira el espécimen entre las marcas de calibración cuando se aplica la carga, se usa un extensómetro o galga extensométrica. Se aplica una fuerza unidireccional a un espécimen en el ensayo de tensión, mediante el puente o cabezal móvil. El movimiento del puente puede generarse con tornillos sinfín o con un mecanismo hidráulico. (ver figura 12)
Figura 12. Maquina universal de ensayos.
Martillo:
Es una herramienta cuya función es de golpear un material, causando ya sea un cambio en su forma o su desplazamiento. En este caso, se utilizó esta herramienta para aplicar el proceso de forjado a las probetas, con diferentes porcentajes de trabajo en frío.
Hombresolo:
Es una herramienta cuya función es la de sostener, doblar o torcer un objeto o material determinado. En esta experiencia, se utilizó esta herramienta para sostener la probeta al momento de ser golpeada con el martillo.
Calibrador, Vernier o Pie de Rey:
Instrumento de medición utilizado para determinar longitudes internas, externas y de profundidad, entre otras; es de ajuste fino; sus rangos pueden ir desde los 100 mm hasta 1000 mm y sus resoluciones son de 0.01, 0.02, 0.05, 0.1 y 0.5 mm. En nuestra experiencia, este instrumento fue utilizado para medir los diámetros y longitudes de las probetas estudiadas.
Papel abrasivo (lija):
Con el papel de lija se le da forma y acabado a los materiales. El papel abrasivo viene en una gran variedad de granos. Entre más bajo sea el número de la lija,
más grueso es el grano. El trabajo de lijado normalmente se hace por pasos: primero se utiliza una lija gruesa y se continúa el trabajo hasta darle el acabado con una lija de grano fino.
Pulidora:
El pulido preliminar y el final de una probeta metalográfica desbastada se realizan en uno o más discos. Tales discos son, esencialmente, platos de bronce de 20 a 25 mm de diámetro, cubiertos con un paño de calidad apropiada.Los discos giran, generalmente, en un plano horizontal, y es conveniente que cada disco posea su motor individual para facilitar el control y ajuste de la velocidad de rotación. (Ver Figura 2)
Microscopio Óptico:
Con el microscopio óptico, se utiliza la luz para estudiar la microestructura; sistemas ópticos y de iluminación son los principales elementos. En aquellos materiales que son opacos a la luz visible (todos los metales y muchos cerámicos y polímeros) sólo la superficie es susceptible de ser observada, y la luz del microscopio se debe usar en reflexión. Las distintas regiones de la microestructura originan diferencias en la reflexión y éstas producen contrastes en la imagen. Esta investigación se suele denominar metalográfica, ya que los metales fueron los primeros en ser examinados con esta técnica. (Ver Figura 13)
Figura 13. Microscopio óptico.
Nital:
Solución de 1 a 5 ml de ácido nítrico (HNO3) en 100 ml de etanol o metanol (95%). Es adecuado para desarrollar fronteras de grano de ferrita en aceros de bajo carbono; produce un contraste máximo entre perlita y cementita o ferrita; desarrolla fronteras de grano en aceros con 4% de Silicio y en estructuras consistentes de martensita y ferrita. (ver figura 7 y 8).
Secador:
Pequeño electrodoméstico diseñado para expulsar aire caliente o frío sobre el material húmedo, acelerando la evaporación del líquido.
Algodón:
Fibra suave utilizada para terminar el proceso de secado del material, y para aplicar el ataque químico en el proceso de metalografía.
Alúmina en Polvo:
Cerámico de ingeniería que se desarrolló originalmente para tubos refractarios y crisoles de alta pureza que pueden ser usados a altas temperaturas, y en la actualidad tiene una alta aplicación. Es utilizado en este procedimiento para pulir la probeta metalográfica, al ser esparcido en la pulidora.
Microdurómetro:
Instrumento que mide la dureza de los materiales, basado en la medida del desplazamiento de un indentador bajo una determinada carga.
Indentador:
Dispositivo utilizado en una prueba de dureza que es oprimido contra el material de prueba.
Horno (de Cámara o Cuba Jominy):
En general, los hornos son dispositivos generadores y almacenadores de calor dentro de compartimientos cerrados, y son utilizados para cocinar, calentar o secar, por medio de procesos de
Combustión o electricidad. Para nuestro caso específico, debe utilizarse un horno para normalizar los ejemplares, retirando todos los esfuerzos residuales que puedan existir en el material. (Ver Figura 14).
Figura 14. Horno de cámara.
1. RESULTADOS ESPERADOS.
Es posible estimar algún tipo de resultado de los procesos aplicados al acero de bajo carbono; ya sea como la temperatura de recristalización, trabajo en frio, fases o cambios de las propiedades mecánicas del material anteriormente descrito.
Es posible determinar el acero al carbono con que se está trabajando en términos de los valores de su dureza (Microdureza Vickers, o Macrodureza Rockwell C).
Cabe destacar, además, que la microestructura del acero al bajo carbono sufrirá una variación con respecto al porcentaje de trabajo en frío aplicado por medio del proceso de forjado con martillo.
Otro punto importante es el aumento de la dureza Vickers del material con respecto al porcentaje de trabajo en frío aplicado al mismo. A medida que se aplica un porcentaje superior de trabajo en frío, los valores de dureza superficial se incrementaran.
La principal discusión del desarrollo de esta experiencia está centrada en la aplicación del ensayo de tensión
RECOMENDACIONES
Como primera medida, se debe tener claridad sobre el tipo de material con el cual se va a trabajar, para evitar posibles confusiones en la estimación de la temperatura de normalizado, y en las mediciones o tomas de datos en la experiencia. Para ello, se pueden utilizar los ensayos de metalografía, para determinar la estructura granular del material; y de dureza, para el caso de los aceros al bajo carbono, para determinar el porcentaje de carbono del material con respecto a los valores obtenidos.
Al momento de preparar las probetas para realizar los diferentes procesos, ya sea microdureza, tensión o recristalización, se debe tener en cuenta que hay que evitar, al momento del corte, elevar de manera considerable la temperatura de las probetas, para evitar posibles cambios en su microestructura, generando por esto errores en la medición y en la toma de datos.
Por último, para el proceso de recocido de recristalización, el cuidado que se debe tener es aún mayor con respecto al proceso de normalizado, debido a que al momento de someter las probetas a dicho proceso, se debe controlar la temperatura y tener cuidado al momento de introducir las probetas al horno, pues debe recordarse que este proceso a diferencia del normalizado las probetas se llevan al horno cuando se alcanza la temperatura especificada de acuerdo al rango de temperaturas y que el tiempo de sostenimiento depende del porcentaje de trabajo en frio.
BIBLIOGRAFÍA
ASKELAND, Donald, y PHULÉ, Pradeep. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial Thomson. Cuarta Edición. Ciudad de México, 2004.
ASM INTERNATIONAL. Metals Handbook. Metallography, Structures and Phase Diagrams. Octava Edición. Metals Park, 1973.
SMITH, William, y HASHEMI, Javad. Fundamentos de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Editorial McGraw Hill. Cuarta Edición. Ciudad de México,
2006.
ANEXOS
ANEXO 1
UNINORTE, AGOSTO 31/2011DIVISIÓN DE INGENIERÍASDEPTO. DE I. MECÁNICA
INGENIERÍA DE MATERIALESTRABAJO No 1
UTILIZANDO LAS FACILIDADES DE LABORATORIO EXISTENTES EN UNINORTE, PROPONER UN EXPERIMENTO QUE PERMITA, PARA UN ACERO DE BAJO CARBONO: 1) CARACTERIZAR SU COMPORTAMIENTO MECÁNICO FRENTE AL TRABAJO EN FRÍO; Y, 2) ESTIMAR EL EXTREMO INFERIOR DEL RANGO DE SU TEMPERATURA DE RECRISTALIZACIÓN.
La propuesta, en grupos de máximo TRES (3) estudiantes, debe presentarse en informe escrito, cuya estructura debe incluir 1) carátula, 2) listado de contenido,3) listado de figuras (si las hay), 4) listado de cuadros y/o tablas (si las hay), 5) la introducción, 6) marco teórico, 7) listado de materiales, equipos, herramientas e instrumentos a utilizar, 8) procedimiento, 9) resultados esperados, 10) bibliografía consultada, 11) anexos (al menos la presente guía). Este informe será objeto de una evaluación y, como resultado de la misma, se les autorizará la ejecución del experimento propuesto, siempre y cuando este se considere pertinente; si no, se les identificarán las inconsistencias encontradas y se les devolverá para que Uds (el grupo) lo corrijan y lo devuelvan para una segunda evaluación que, de ser aprobada, da derecho a realizar el experimento; si no, la misma se da por reprobada. Fecha y hora de entrega: Lunes 12 / 09, antes de las 18:30, en la oficina del profesor.
