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UNIVERSIDAD DEL NORTE

GUIA DE METALOGRAFIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERIA

2007

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE MATERIALES DE INGENIERIA

Página 2 de 14 GUIA DE METALOGRAFÍA

1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVO GENERAL

Desarrollar adecuadamente un estudio metalográfico sobre varias aleaciones del

sistema hierro-carbono y analizar los resultados obtenidos a partir de la práctica.

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Preparar adecuadamente una muestra para ser sometida a observación

metalográfica.

• Conocer los equipos involucrados en un estudio metalográfico.

• Adquirir algunas nociones acerca de las propiedades de las fases presentes en

las aleaciones hierro-carbono.

• Establecer diferencias visuales entre cada una de estas fases en base a las

imágenes observadas por medio del microcopio óptico.

• Estimar, en base a las fotografías captadas en el laboratorio, el contenido de

carbono de los materiales estudiados.

• Conocer la influencia del tamaño de grano en las propiedades mecánicas de los

metales y comentar acerca de este aspecto en los materiales ensayados.

• Elaborar un informe presentando todos los resultados y análisis derivados de la

práctica desarrollada.

2. MATERIALES

La experiencia del laboratorio se llevará a cabo con los siguientes materiales:

• Acero 1045 con recocido

• Acero 1045 templado

• Acero de construcción civil

• Fundición gris



3. INSUMOS Y EQUIPOS

Para la práctica se hará uso de los siguientes equipos, insumos e instrumentos de

laboratorio.

• Corte del material

o Tronzadora de corte refrigerado

o Segueta y prensa de banco

• Desbaste y pulido

o Mesón de pulido.

o Pulidora de velocidad variable.

o Papel abrasivo N° 100, 240, 320, 400 y 600.

o Alúmina (Al2O3) de 1 y 0.3 micras de tamaño de grano.

• Ataque químico

o Nital (Ácido nítrico y Alcohol etílico) al 3 %.

• Microscopía

o Microscopio óptico

o Sistema de adquisición de datos

o Computador y software para manejo y visualización de imágenes

metalográficas.

• Microdureza

o Microdurómetro

4. PROCEDIMIENTO

El desarrollo de la práctica del laboratorio de Metalografía parte con una introducción

teórica por parte del profesor sobre los conceptos fundamentales y generalidades de la

preparación metalográfica 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 profesor y 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.

El procedimiento de preparación de la muestra, en este caso, estará comprendido por

los siguientes pasos:

• Asignación de una muestra de material por grupo.

• Desbaste por medio de papel abrasivo, avanzando desde el más grueso

hasta el más fino.

• Pulido hasta acabado especular por medio de la pulidora de velocidad

variable, utilizando alúmina.

• Vista preliminar de la muestra en el microscopio sin ataque químico.

• Ataque químico de la muestra.

5. NORMAS DE SEGURIDAD

Durante 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.

6. VARIABLES DEL ENSAYO

• Fases presentes en la microestructura del material

• Propiedades mecánicas del material debido a los tratamientos térmicos del

mismo

7. DATOS A ANALIZAR

MATERIAL FASES

PRESENTES

TRATAMIENTO

TERMCO CARACTERISTICAS

CONTENIDO

DE

CARBONO

Acero 1045

Recocido

Acero 1045

Templado

Acero

corrugado

Fundición gris

8. TEORÍA DE LA PRÁCTICA

La metalografía estudia la estructura de los metales y sus aleaciones estos tienen un

enorme campo de aplicación en las construcciones mecánicas y metálicas

Los ensayos micrográficos se realizan sobre muestras o probetas de los materiales que

han de ser sometidos a estudio, preparamos una superficie que luego de ser pulida



convenientemente, se ataca con reactivos químicos apropiados a la finalidad de la

determinación a realizar.

Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por

irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la

propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar

y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán

deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta

además, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado,

laminado, recocido, temple, etc. pues en muchos casos (forjado y laminado) es

beneficio contar con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha

indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de

dichas muestras o probetas. Esta preparación consistente en llegar a un pulido casi

perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podríamos llamar grueso, con el fin

de aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de

devastadoras mecánicas de diseño especial.

Los reactivos químicos y sus finalidades son muy variadas, pero en principio se busca

con ellos la revelación, por coloración o por corrosión, de los distintos componentes de

una estructura metalográfica para poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general,

están constituidos por ácidos, álcalis, etc. diluidos en alcoholes, agua, glicerina, etc. Y

su elección se hará de acuerdo con la naturaleza química la estructura a destacar en la

muestra.

Con tal fin, una vez pulida la superficie se hará en agua caliente, frotándola con un

algodón o tela suave para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores o grasitud

que pueda presentar, concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y

secándola con un soplado de aire caliente.

Las fotografías obtenidas de estos exámenes, genéricamente llamados

“Microfotografías “, se logran con la ayuda del microscopio métalo gráfico, cuyos

principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En él, con

iluminación adecuada de una, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir

sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través

de un sistema de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación.



Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación

con microfotográfias, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y

variedad de los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por

defectos de fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos), etc

Se sabe que existe cierta relación entre la tenacidad de los aceros y el tamaño de

grano.

Siempre se han preferido los aceros de grano fino, porque las herramientas y piezas

fabricadas con esos aceros, tiene mayor tenacidad que los fabricados con acero de

grano grueso.

En metalografía a menudo es necesario establecer cuantitativamente valores diferentes

tales como:

1. El número de partículas o poros por unidad de volumen (las partículas se usan aquí

en el sentido de partículas sueltas o unidades separadas de un constituyente en la

matriz; granos y tamaños de grano se refieren a los cristales de la matriz y su

tamaño).

2. El tamaño de las figuras presentes en la probeta.

3. El tamaño del grano del material.

4. La fracción de volumen de las fases presentes en una probeta.

Generalmente, los cálculos de la fracción de volumen a partir de las mediciones

cuantitativas sobre una superficie de un material opaco solamente puede, proporcionar

valores aproximados. No obstante, este método es empleado casi sin excepción.

TAMAÑO DE GRANO

Una de las mediciones micro estructurales cuantitativas más comunes es aquella del

tamaño de grano de metales y aleaciones. Numerosos procedimientos han sido

desarrollados para estimar el tamaño de grano, estos procedimientos están

sintetizados en detalle en ASTME112

Algunos tipos de tamaño de grano son medidos, tamaño de grano de la ferrita, tamaño

de grano de la austenita y tamaño de grano de la austenita previa. Cada tipo presenta



problemas particulares asociados con la revelación de estos bordes de manera que

puede obtenerse un rango exacto.

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 utilizan 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 y generalmente se especifica el

tamaño de grano austenítico, que para un acero templado de manera apropiada debe

ser pequeño. En la siguiente figura se muestran algunas imágenes de distintos

tamaños de grano bajo observación microscópica:

Figura 1. Imágenes microscópicas de distintos tamaños de grano.



Figura 2. Diagrama de Fases de las Aleaciones Hierro – Carbono

La figura 2 muestra el diagrama de fases del sistema Hierro-Carbono, en el que el eje

vertical corresponde a la temperatura y el eje horizontal a la composición química. En

el extremo izquierdo se encuentra la composición 100% Fe y 0% C y en el extremo

derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe. En la figura se muestra

solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor interés ya que contiene los

aceros y las fundiciones de mayor uso.

Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al

solidificar se dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o

pierden energía y buscan una nueva ordenación tratando siempre de permanecer

estables.



EXAMEN MICROSCÓPICO DE LOS METALES

Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las

estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las

características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden

determinarse estudiando la micrografía. A continuación se muestran varias imágenes

obtenidas de muestras de materiales metálicos observadas a través del microscopio

óptico:

Figura 3. Imágenes metalográficas

El porcentaje aproximado de carbono puede estimarse por medio de porcentaje de

perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se

utilizan un microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El

microscopio metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros

propósitos, excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de

lentes para proveer iluminación vertical.

Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala micrométrica para medir

la imagen aumentada. Otro retículo que se utiliza contiene los diferentes tamaños de

grano a aumentos de 100X y se utiliza para comparar o medir el tamaño de grano

relativo. Los filtros y polarizadores se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para

reducir el brillo y mejorar la definición de las estructuras de grano. En poder de

aumento del microscopio puede determinarse si se multiplica el poder de la lente



objetivo por el del ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X

agrandaría la imagen hasta 500X (500 diámetros).

Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este

instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. Se utiliza un microscopio de

platina invertida, junto con una cámara de video y un monitor de TV de circuito

cerrado. El poder 400 del microscopio, pero se pierde algo de resolución. La mayor

ventaja de este arreglo se obtiene en la visualización de grupo. Los instrumentos de

metalografía también permiten un observación en grupo del aumento metalúrgico. La

imagen se proyecta sobre una pantalla de brillo mate. En los grandes laboratorios

metalúrgicos se utilizan modelos de gran tamaño. Muchos instrumentos métalo

gráficos tienen la capacidad de producir microfotografías de color instantáneas o

estándar. Para obtener fotografías existen adaptadores para la mayoría de los

microscopios. Los acaparadores de manga sencilla pueden utilizarse con una cámara

SLR de 35mm para la toma de foto micrografías. Con este arreglo simple, el obturador

se abre y se permite la entrada de la luz durante pocos segundos (6 a 8 segundos con

una película Panatomic-X de 32 ASA). El enfoque se realiza sobre le vidrio mate de la

cámara.

Preparación de la muestra

La muestra debe seleccionarse de la zona de la pieza que necesita eximirse y en la

orientación apropiada. Es decir, si el flujo de grano o la distorsión es importante,

puede ser que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados;

únicamente una tajada paralela a la dirección de laminado revelaría adecuadamente

los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se requiere más de una

muestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio de una sección

transversal.

Los materiales blandos (de durezas menores a 35 RC) pueden seccionarse por

aserrado, pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo. Las

sierras de corte metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son las

herramientas que se usan para este propósito. La muestra no debe sobrecalentarse, no



importa si es dura o blanda. Las estructuras de grano pueden alterarse con una alta

temperatura de corte.

La muestras pequeños o de forma incomoda deben montarse de alguita manera para

facilitar el pulido intermedio y final. Alambres, varillas pequeños muestras de hoja

metálica, secciones delgadas, etc. Deben montarse en un material adecuado o

sujetarse rígidamente en una monta mecánica.

A menudo, se utiliza los plásticos termo fijos conformándolos con calor y presión

alrededor de la muestra. La resina termo fijada que más se emplea para montar

muestras es la baquelita.

Pulido de la muestra

Los granos y otras características de los metales no pueden verse al menos que la

muestra se desbaste y se pula para eliminar las ralladuras. Se utilizan diferentes

métodos de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio o el de vibración.

El procedimiento más común consiste en desbastar primero la superficie de la muestra

en una lijadora de la banda y luego a mano con papel abrasivo de varios grados, desde

el número de partícula de 240 hasta de 600.

Pulido intermedio

La muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos,

sucesivamente.

El primer papel es generalmente no. 1, luego 1/0, 2/0, 3/0 y finalmente 4/0. Por lo

general, las operaciones de pulido intermedio con lijas de esmeril se hacen en seco; sin

embargo, en ciertos casos, como el de preparación de materiales suaves, se puede

usar un abrasivo de carburo de silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de

silicio tiene mayor rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se

puede utilizar con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra,

minimiza el daño cuando los metales son blandos y también proporciona una acción de

enjuague para limpiar los productos removidos de la superficie de la muestra, de modo

que le papel no se ensucie.



Pulido fino

El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en mucho del cuidado puesto

durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a una superficie plana libre

de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño

especial cargado con partículas abrasivas cuidadosamente seleccionadas en su tamaño.

Existe gran posibilidad de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que

muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma gama del

óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en cobre, y óxido de

serio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos para pulido final

que se emplean a menudo son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de

magnesio.

La selección de un paño para pulir depende del material que vaya a pulirse y el

propósito del estudio métalo gráfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo

variable, desde aquellos que no tienen pelillo (como la seda) hasta aquellos de pelillo

intermedio (como paño de ancho, paño de billar y lonilla) además de aquellos de pelillo

profundo (como el terciopelo). También se pueden encontrar paños sintéticos para

pulir con fines de pulido general, de los cuales el gamal y el micro paño son los que se

utilizan más ampliamente. Una muestra pulida en forma de cuadro mostrará

únicamente las inclusiones no metálicas; además, estará libre de ralladuras.

Ataque químico de la muestra

El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales del

metal o aleación. El proceso debe ser tal que queden claramente diferenciadas las

partes de la micro estructura. Esto se logra mediante un reactivo apropiado que

somete a la superficie pulida a una acción química. Los reactivos que se sutilizan

consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y el álcalis disueltos en alcohol, agua u

otros solventes. En la tabla que se muestra a continuación se observan los reactivos

más comunes.

Las muestras pueden ahora atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca

abajo en una solución contenida en una caja de Petri. Un método opcional consiste en



aplicar el reactivo con un gotero para ojos. Si el tiempo de ataque es demasiado corto,

la muestra quedará subatacada y los límites de grano y otras configuraciones se verán

desvanecidos e indistintos cuando se observen en el microscopio. Si el tiempo de

ataque es demasiado largo, la muestra se sobre atacará y quedará muy obscura,

mostrando colores no usuales. El tiempo de ataque debe controlarse muy

cuidadosamente.

La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una corriente de agua.

Límpiese la muestra con alcohol y utilice una secadora de pelo para terminar de

secarla. Cuídese de no frotar la muestra pulida y atacada con alguna tela o con los

dedos, porque esto altera la condición superficial del metal.

9. CUESTIONARIO

•••• Investigue acerca de la composición y propiedades de las siguientes fases

propias del sistema hierro-carbono: ferrita, perlita y cementita.

•••• ¿Qué es martensita?, ¿ Cuáles son las propiedades propias de esta fase?,

¿Cómo se obtiene?

•••• ¿Cuáles son las diferencias entre los aceros y las fundiciones de hierro? (Estas

diferencias tienen que ver con las fases presentes, la manera en que el Carbo

está presente en el material, las propiedades mecánicas, etc)

•••• Investigue acerca de la influencia del tamaño de grano en las propiedades

mecánicas de los metales.

•••• Para cada uno de los aceros estudiados en la práctica estime el porcentaje de

carbono en base a las imágenes obtenidas en la práctica.

•••• En base a toda la información anterior y las imágenes obtenidas en el

laboratorio, comente acerca de las fases presentes y las propiedades de los

materiales observados.

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