Experiencia N1: El microscopio metalogrfico

Profesora: Stella Ordoez Asignatura: Ciencia e Ingeniera de los Materiales II Alumnos: Paulina lvarez Mara Laura de la Calle Cristbal Henrquez Csar Oyaneder Christopher Rodrguez Fecha Laboratorio: 03-09-2014

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERIADEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA

Fecha Entrega: 10-09-2014

Resumen

Con el siguiente informe se dio a conocer como se utiliza un microscopio, de la misma forma se aprendi a reconocer e identificar sus partes.

Por otra parte se observaron los micro-constituyentes de distintas aleaciones ferrosas.

Tambin se aprendi ms sobre el uso de las ciencias metalogrficas, donde se conocieron algunas caractersticas de las estructuras y/o la constitucin de un metal o aleacin. Durante el laboratorio se observaron distintas probetas de aceros y fundiciones, a travs del microscopio ptico, donde se pudo apreciar la forma y distribucin de las fases de las aleaciones.

Finalmente se obtuvo un mayor conocimiento sobre las distintas probetas de modo que se pudo diferenciar bien una muestra de otra.

Departamento de Ingeniera MetalrgicaStella Ordoez

Laboratorio de Ciencia e Ingeniera de Materiales II

ndice

1.Objetivos11.1Principales11.2Especficos12.Introduccin23.Base Terica33.1El Microscopio ptico33.1.1Definicin33.1.2Partes de un microscopio33.1.3Aplicacin del Microscopio43.2Probeta metalogrfica, tratamientos trmicos, fases, micronstituyentes y fundiciones.53.2.1Probeta Metalogrfica53.2.2Tratamientos Trmicos63.2.3Fases y Microconstituyentes73.2.4Fundiciones84.Procedimiento Experimental105.Resultados y Anlisis de los Resultados115.1Aceros en diferentes tratamientos trmicos y cantidad de carbono115.2Fundiciones blancas y grises196.Conclusin237.Bibliografa24

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Objetivos

1.1 Principales

Conocer los microconstituyentes de aleaciones ferrosas, ya sean aceros o fundiciones. Conocimiento y utilizacin del microscopio ptico.

1.2 Especficos

Identificar los microconstituyentes de aleaciones ferrosas, ya sean aceros o fundiciones.

Introduccin

La Metalografa es una ciencia que estudia las caractersticas de la estructura o los constituyentes de un metal o aleacin, en esta experiencia aceros y fundiciones.

Existe una gran cantidad de metales puros y tambin de aleaciones que pueden ser sometidos a un anlisis, con el cual se puede identificar y conocer su estructura. Este conocimiento que se adquiere despus de un anlisis metalogrfico sirve para escoger un material u otro, de acuerdo a las condiciones en las cual la pieza de material estar sometida, y as elegir el mejor metal aleacin que cumpla con las condiciones, esta eleccin evitar posibles fallas futuras.

Debido a esta necesidad, es que existe el microscopio metalogrfico.El microscopio ptico, opera con la luz reflejada por el metal, por la opacidad de los metales y aleaciones, entonces para poder observar la muestra es necesario preparar una probeta y puliendo a espejo la superficie. Este instrumento que es capaz de dar a conocer los constituyentes de una muestra y a travs de este microscopio es posible reconocer los tratamientos trmicos a los cuales ha sido sometida anteriormente.

Para poder obtener un buen anlisis y as reconocer las posibles propiedades fsicas, mecnicas y estructurales se debe conocer , aprender a utilizar los instrumentos de medicin de manera correcta y realizar una buena manipulacin de las muestras que se van analizar.

Una vez preparada la muestra es llevada al microscopio, donde es posible observarla con un gran aumento (los objetivos del microscopio son 10x, 40x y 60x) y as notar con mayor claridad los microconstituyentes, las formas, inclusiones, tratamientos a los cuales fue sometido el material, tamao de granos entre otras cosas presentes en las aleaciones a estudiar.

Base Terica

1.3 El Microscopio ptico

1.3.1 Definicin

Unmicroscopio pticoes unmicroscopiobasado enlentespticos. Tambin se le conoce comomicroscopio de luz, (que utiliza luz o "fotones") omicroscopio de campo claro.Es un instrumento ptico que amplifica laimagende un objeto pequeo. Mediante unsistemade lentes yfuentesdeiluminacinse puede hacer visible un objeto microscpico. Los microscopios pueden aumentar de 100 a cientos de miles de veces el tamao original.El aumento del objeto se consigue usando un sistema de lentes que manipula el paso de los rayos deluzentre el objeto y los ojos.

1.3.2 Partes de un microscopio

Las partes que componen un microscopio ptico son (figura 2.1.2):

Figura 2.1.2 Microscopio y sus partes

Parte mecnica: Est constituido por una serie de piezasen las que van instaladas laslentes, que permiten elmovimientopara el enfoque, estas son: Pie o soporte. Platina. Tubo. Revlverportaobjetivos. Brazo o asa. Tornillomacromtricoo de enfoque grosero. Tornillo micromtrico o de enfoque fino. Parte ptica: Comprende un conjunto de lentes, dispuestas de tal manera que producen el aumento de lasimgenesque se observan a travs de ellas. Estas partes son: Oculares. Objetivos. Condensador. Fuente de iluminacin. Diafragma o iris. Transformador.

1.3.3 Aplicacin del Microscopio

Este instrumento es de gran utilidad, sobre todo en los campos de la ciencia en donde la estructura y la organizacin microscpica es importante, incorporndose con xito a investigaciones dentro del rea de la qumica (en el estudio de cristales), la fsica (en la investigacin de las propiedades fsicas de los materiales), la geologa (en el anlisis de la composicin mineralgica y textural de las rocas) y, por supuesto, en el campo de la biologa (en el estudio de estructuras microscpicas de la materia viva).Tambin se utiliza con una cmara digital con un adaptador ptico mecnico. Dicho adaptador sirve de enlace entre la cmara y el microscopio. Es especialmente importante que la conexin mecnica sea firme, pues cualquier movimiento mnimo, es decir, vibraciones de la cmara, reducira la calidad de la imagen notablemente. Adicionalmente, se requiere un adaptador ptico para el trayecto de luz con el que se lograr as que el sensor CCD/CMOS de la cmara proyecte una imagen de total nitidez e iluminacin.Con un microscopio de calidad adecuada, se pueden realizar fotomicrografas de una calidad razonable, utilizando una cmara de uso general, de objetivo fijo o intercambiable.

1.4 Probeta metalogrfica, tratamientos trmicos, fases, micronstituyentes y fundiciones.

1.4.1 Probeta Metalogrfica Son utilizadas probetas montadas sobre una resina, la preparacin de estas debe ser correctamente efectuada, ya que esto influir notoriamente en el resultado visual logrado. La superficie metlica debe estar plana y pulida, ya que la pequea profundidad de foco de los sistemas pticos de observacin a grandes aumentos, no permitira enfocar la imagen simultneamente en planos situados a distintos niveles.Al estar debidamente pulida, aparecen en ella detalles propios de su estructura.

1.4.2 Tratamientos Trmicos

Se conoce como tratamiento trmico el proceso al que se someten los metales o aleaciones con el fin de mejorar sus propiedades mecnicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad.

Etapas del Tratamiento Trmico

1. La etapa inicial del tratamiento trmico tiene como objetivo principal provocar el calentamiento lento del metal aleacin para as poder alcanzar una temperatura uniforme, evitando que se genere un calentamiento no uniforme que puede provocar una fractura o distorsin del material.2. Mantener a una temperatura uniforme la pieza durante un tiempo prolongado.3. La etapa final consiste en provocar el enfriamiento del metal aleacin.Es fundamental la eleccin del medio por el cual se llevara a cabo el enfriamiento de las muestras. Esta eleccin debe considerar las propiedades que se requieren obtener.

Tipos de Tratamientos Trmicos

1. Templado: Consiste en el calentamiento del metal aleacin hasta la temperatura deseada y luego se genera un enfriamiento rpido utilizando un medio que facilite esta disminucin rpida de temperatura como aceite, agua agua salina. Finalizado el templado se obtiene un acero con mayor dureza y resistencia.

2. Recocido: Este tratamiento provoca que al metal aleacin se caliente hasta la temperatura de austenizacin (800-925 C). Posterior al calentamiento se realiza un enfriamiento lento al interior del horno que genera una disminucin progresiva de la temperatura hasta llegar a la temperatura ambiente. Este tratamiento disminuye la dureza, pero aumenta la ductilidad del material. Tambin produce que se reduzcan los efectos del trabajo en fro y genera un alivio de las tensiones internas.

3. Normalizado: Tratamiento trmico aplicado solo a materiales ferrosos. Este se lleva cabo generando un calentamiento del acero hasta la temperatura deseada, y luego sacada la pieza del horno para ser enfriado a temperatura ambiente.

1.4.3 Fases y Microconstituyentes

Los distintos microconstituyentes y fases que se aprecian en el diagrama de Fe-C se muestran a continuacin:

1.4.4 Fundiciones

Proceso de fabricacin de piezas, comnmentemetlicaspero tambin deplstico, consistente enfundirun material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde sesolidifica.

Tipos de fundiciones:

1. Fundiciones Blancas: tiene el carbono en forma de cementita. Para su formacin el contenido en carbono se limita entre un 2.5 a un 3% y, sobre todo, el contenido en Si, elemento que en mayor medida favorece la formacin de carbono libre en forma de grafito, entre un 0.5 a un 1.5%, debiendo adems de imprimirle una elevada velocidad de solidificacin que no facilite la formacin de placas de grafito. Estas fundiciones son las que poseen una mayor resistencia al desgaste y a la abrasin, fundamentada en la gran cantidad de carburo de hierro que poseen. La estructura de este tipo de fundiciones est formada por el eutctico del hierro, denominado ledeburita y esta se forma con grandes zonas blancas de cementita intercaladas con las zonas oscuras que corresponden a la perlita, y estas a su vez estn formadas por ferrita y cementita.

Tipos de fundiciones blancas

1. Fundiciones blancas hipoeutcticas: tienen un contenido de carbono del 2 al 4.3% estn formadas por dendritas de austenita (Primer microconstituyente) transformada en perlita y ledeburita transformada.2. Fundiciones blancas hipereutcticas: tiene un contenido de carbono de 4.3 a 6.67%, estn formadas por cristales de cementita (Primer microconstiyuyente) y ledeburita transformada.1. Fundiciones grises: se forma cuando el contenido de carbono (2,5 a 4% de C)de la aleacin se encuentra en una cantidad superior a la que puede disolverse en la austenita, y precipita como hojuelas de grafito, por ello cuando se fractura la superficie presenta una coloracin gris. El contenido de Si (1 a 3%) este elemento es un estabilizador del grafito, por ende se utiliza en contenidos altos para as poder provocar su formacin. Tambin se utilizan velocidades moderadas y bajas de enfriamiento ya que estas favorecen tambin la formacin de grafito. Las fundiciones grises son comparativamente frgiles y poco resistentes a la traccin. En estas fundiciones la resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresin son muy superiores. La caracterstica radical de las fundiciones grises es que no presentan ledeburita.1. Fundiciones maleables: son aleaciones frreas que en estado bruto de solidificacin eran fundiciones blancas y que, por recocidos adecuados, modificaron su estructura para dar un producto con mayor tenacidad y ductilidad.

Procedimiento Experimental

En una primera etapa, se identific las principales partes que constituyen un microscopio metalogrfico, tales como: los oculares, los objetivos, el porta objetos, la fuente de luz, los enfoques grueso y fino etc. Luego de una familiarizacin con l, se realizaron observaciones, utilizando pequeos y grandes aumentos, de muestras previamente preparadas de aleaciones ferrosas. Al mismo tiempo, se pudo identificar algunos microconstituyentes propios de los aceros y tambin la ocurrencia de grafito en fundiciones.

En la segunda mitad de la experiencia, se abord mucho ms en profundo la observacin de muestras. En primer lugar se estudiaron probetas de acero hipoeutectoide, lo que significa que poseen un porcentaje de carbono menor al 0,8%; los aceros estudiados fueron 1020 (0,2% de C), 1045 (0,45% de C) y 1070 (0,70% de C), aplicados a los tratamientos trmicos de recocido, normalizado y templado. Este ltimo tratamiento se examin tanto en agua, como en aceite, ya que el segundo responde a un enfriamiento ms lento. Tambin se pudo observar, probetas templadas en agua ms un posterior revenido; el revenido es un tratamiento trmico que busca el alivio de tensiones de un material endurecido a travs de un aumento de la temperatura por debajo del punto eutectoide.

Finalmente se analizaron muestras de fundiciones, las muestras estudiadas fueron: fundicin blanca hipoeutctoide, fundicin blanca hipereutctoide, fundicin gris laminar, fundicin gris nodular y fundicin maleable; poniendo especial atencin en las diferentes ocurrencias del carbono.

Resultados y Anlisis de los Resultados

4.1 Aceros en diferentes tratamientos trmicos y cantidad de carbono

Acero Recocido: A bajo carbono la microestructura predominante es la ferrita, tambin existe perlita pero en menor proporcin y en forma dispersa. Pero a medida que aumenta la cantidad de carbono tambin lo hace la perlita. En cualquier caso se evidencia equilibrio estructural, cercano a lo que se espera tomando en cuenta el diagrama de Fe-C.

Acero 1020 recocido: aleacin ferrosa hipoeutctoide, la cantidad relativa de granos de ferrita proeutectoide, es ms que cantidad de colonias perliticas, proveniente desde austenita eutectoide (figura 5.1.1).

Figura 5.1.1 Acero 1020 recocido

Acero 1045 recocido: aleacin ferrosa hipoeutctoide, la cantidad relativa de granos de ferrita proeutectoide, es semejante a la cantidad de colonias perliticas, proveniente de la austenita eutectoide (figura 5.1.2)

Figura 5.1.2 Acero 1045 recocido

Acero 1070 recocido: aleacin ferrosa hipoeutectoide, la cantidad de granos de ferrita proeutectoide, es mucho menor a la cantidad de colonias perliticas, proveniente desde austenita eutectoide (figura 5.1.3). Figura 5.1.3 Acero 1070 recocido

Acero Normalizado: El normalizado es un tratamiento trmico de enfriado al aire, quieto hasta temperatura ambiente. El enfriamiento es fuera del equilibrio, por lo que las cantidades relativas en la muestra no se pueden asociar al diagrama Fe-C. Existe menos tiempo para la formacin de microconstituyentes proeutectoides debido al enfriamiento ms rpido. A nivel microscpico la Ferrita se presenta de color blanco y las colonias perliticas de color oscuro causado por el ataque qumico.

Acero 1020 normalizado: se presenta mucha ms Ferrita proeutectoide, que colonias de perlita, presenta una forma similar al recocido (figura 5.1.4).Figura 5.1.4 Acero 1020 normalizado

Acero 1045 normalizado: las colonias de perlita estn presentes en mucha ms cantidad y rodeadas de Ferrita proeutectoide. Se pueden observar agujas en las colonias perliticas, estas estn compuestas por ferrita, debido al enfriamiento rpido, conociendo este tipo de ferrita como Widmansttten. Se observa una diferencia con el tratamiento de recocido (figura 5.1.5)

Figura 5.1.5 Acero 1045 normalizado

Acero 1070: La microestructura de la muestra est compuesta en su mayor parte por perlita y presenta una forma similar a la del recocido (figura 5.1.6).Figura 5.1.6 Acero 1070 normalizado

Acero Templados: son enfriados mucho ms rpido, impidiendo la difusin del carbono desde la austenita, debido a esto, la austenita cambia de BCC a tetragonal centrada en el cuerpo, provocando un microconstituyente llamado martensita, esta se aprecia como una gran estructura blanca acicular (tipo aguja).La diferencia entre el temple en agua y aceite es la forma con la cual se transmite el calor, siendo un enfriamiento en agua mucho ms rpido obteniendo estructuras distintas.

Acero 1020 temple en aceite: se observa mucho ms perlita que lo normal, la ferrita en baja cantidad solo se presenta en forma de agujas o bandas que rodean a los granos de perlita, microestructura llamada ferrita Widmansttten (figura 5.1.7)

Figura 5.1.7 Acero 1020 temple en aceite

Acero 1045 y 1070 temple en aceite: se muestran visualmente similares, en ambos se observa una solucin slida saturada de carbono y con forma de placas en distintas direcciones, microestructura llamada martensita (figura 5.1.8).

Figura 5.1.8 Martensita 1045; 1070; temple en aceite

Acero 1020 temple en agua: Se observa martensita de color claro, debido a la gran cantidad de ferrita (figura 5.1.9)

Figura 5.1.9 Bainita, acero 1020 temple en agua Acero 1045 y 1070 temple en agua: en ambas se aprecia martensita, la diferencia entre ellas son las tonalidades, debido a la composicin nominal de estas. En el acero 1070 se genera martensita ms rica en carbono (Figura 5.1.10).

Figura 5.1.10 Martensita 1045, 1070; temple en agua

Acero Revenido: tratamiento complementario del temple, que regularmente sigue a ste. A la unin de los dos tratamientos tambin se le llama "bonificado". El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una temperatura menor al punto crtico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rpido cuando se deseen resultados elevados en tenacidad, o lento, para reducir al mximo las tensiones trmicas que puedan causar deformaciones.

Acero 1020 templado en agua y revenido: se observa una estructura que combina las agujas propias de la martensita y los granos de austenita, esta estructura intermedia se denomina bainita (figura 5.1.11)

Figura 5.1.11 Bainita, acero 1020 temple en agua y revenido

Acero 1045 y 1070 templado en agua y revenido: se observan similares, ambos forman agujas muy finas de martensita, sin embargo estas se ven difuminadas (figura 5.1.12).Figura 5.1.12 Martensita revenida, 1045; 1070.

4.2 Fundiciones blancas y grises

Fundicin blanca: El carbono se presenta como Cementita y es de color blanca. Fundicin blanca Hipoeutctica: se forman dendritas de austenita proeutctica (forma similar a un hexgono), cuando alcanza la temperatura eutctica, el material restante solidifica como eutctico de austenita- Fe3C (ledeburita). Continuando con el descenso de la temperatura hasta la temperatura eutectoide, la austenita se transforma en perlita. Finalmente lo que se observa en las imgenes es perlita, que se aprecia en forma de cementita y ferrita intercalada (figura 5.2.1). Figura 5.2.1 Fundicin blanca Hipoeutctica

Fundicin blanca Hipereutctica: se observan masas blancas que son cementita hipereutctica, adems de agrupaciones derivadas de la ledeburita, las cuales estn formadas por pequeas partculas de perlita que se ven de color negro y por ltimo el fondo blanco que se observa el cual est por debajo de las partculas es cementita (figura 5.2.2).

Figura 5.2.2 Fundicin blanca Hipereutctica

Fundicin gris: el carbono se presenta como grafito y es de color gris.

Fundicin gris laminar: se observan listones negros que corresponden a lminas de grafito, el resto es perlita. Los colores que se observan se deben a un exceso con el ataque qumico (figura 5.2.3).

Figura 5.2.3 Fundicin gris Laminar

Fundicin gris nodular: las esferas redondas que se observan corresponden a ndulos de grafito, alrededor de estas se encuentra la ferrita y el resto es perlita. La ferrita se forma alrededor de los ndulos de grafito ya que este ltimo atrae el grafito cercano, concentrndolo y dejando un dficit de carbono en su cercana (figura 5.2.4).

Figura 5.2.4 Fundicin gris Nodular

Fundicin gris maleable: esta fundicin se produce desde una fundicin blanca por lo que el grafito es un conglomerado de grafitos ms pequeos que existieron anteriormente, es por eso que no se ven redondeados como en la fundicin gris nodular. Alrededor de esta masa de grafito tambin ocurre la formacin de ferrita por la atraccin del carbono cercano. Tambin se observan lminas de perlita (figura 5.2.5).

Figura 5.2.5 Fundicin gris maleable

Conclusin

Con esta experiencia se pudo apreciar la importancia del microscopio cristalogrfico y lo esencial que es para un metalurgista, esto dado que para poder conocer los microcontituyentes de una muestra es necesario realizar un anlisis metalografico. Las partes identificables en un microscopio son -oculares: por donde se observan las muestras. -revolver: conjunto de objetivos. -objetivos: lentes de distintos zoom (x5, x10, etc). -platina: placa negra donde se ve la muestra. -Enfoques: acercar o darle claridad a la muestra analizada. -fuente iluminacin: generar haces de luz que son reflejados por la muestra. El microscopio al utilizarse con muestras cristalogrficas debe realizarse con luz reflejada (esto se debe a que las muestras son opacas a la luz, es decir, los haces de luz no logran atravesar la muestra). Con ello pudimos ver la diferencia que existe con otros tipos de microscopios. En la experiencia se comprendi lo esencial que es el saber manejar de buena manera el microscopio, y este debe tener mantenciones a menudo dado que cualquier desperfecto arrojar una imagen errnea de la muestra que es vista. Adems que el microscopio no debe ser tratado por manos equivocadas porque el hecho de mover cualquiera de las piezas presentes en el microscopio de una manera equivocada har que se descalibre el microscopio. Finalmente, se pudo comprender las diferencias de cada uno de los distintos tratamientos trmicos, generando cambios en la velocidad de enfriamiento de una muestra. Dependiendo de la velocidad a la que la muestra se enfre, esta favorece o desfavorece la aparicin de ciertos microcontituyentes. Esto hace que la aleacin presente caractersticas y propiedades especficas logrando obtener un producto ms verstil y completo.

Bibliografa

J. Apraiz, Tratamientos Trmicos de los Aceros. S. H. Avner, Introduccin a la Metalurgia Fsica.

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