ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD: MECÁNICA MECÁNICA ESCUELA ESCUELA DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA CARRERA: INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE MATERIALES I PRÁCTICA No. 1 TEMA: DETERMINACION DEL TAMAÑO DE GRANO DE UNA ALEACIÓN
1.
DATOS GENERALES: INTEFRANTES
CODIGOS
HENRY ROSERO JUAN MOSQUERA DARWIN VÁSCONEZ MARCO TENE
6631 6667 6662 6414
GRUPO No.: 02 FECHA DE REALIZACIÓN:
FECHA DE ENTREGA: ENTREGA:
2016/06/10
2016/06/27
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1. Resumen En esta práctica se eligieron muestras de probeta de bajo carbón de 1018, 1020 y lo cual procedimos a cortar con el disco de tom las siguientes muestras nos pueden ser muy útiles para poder estudiarlas y así observar su tamaño de grano. El tamaño óptimo de la probeta debe ser tal que pueda sostenerse con la mano durante su preparación y no tener ninguna dificulta en el procedimiento que se le da. El corte de la probeta debe realizarse con la maquina adecuada para evitar el calentamiento y así poder evitar u ocasionar alteraciones estructurales.
2.
OBJETIVOS: 2.1. GENERAL Observar y realizar la medición de tamaño de grano del acero 1018. 2.2. ESPECÍFÍCOS Determinar el tamaño de grano y número de grano de la microestructura para aumentos de 100X, 200X y 500X según los métodos descritos en la norma ASTM E112. Aprender a preparar la probeta según lo indicado en la norma ASTM E3-95. Utilizar compuestos químicos (nital al 2%), para atacar la probeta y observar la reacción de esta aleación y así poder observar la microestructura en el microscopio.
3.
METODOLOGÍA Para la realización de la presente práctica se tomaron en cuenta las recomendaciones dictadas por el docente y siguiendo las indicaciones en las normas ASTM E3-95 para preparación de muestras metalográficas y la norma ASTM E112 para determinación del tamaño de grano de la microestructura.
4.
INTRODUCCIÓN En la siguiente práctica se realizará el análisis del tamaño de grano con las muestras trabajadas en la práctica anterior, se utilizará el microscopio para así obtener imágenes de las muestra con sus respectiva escala y posteriormente las imágenes deberán ser sometidas a un análisis con el método ASTM EI 12 para encontrar el tamaño de grano de las respectivas muestras. Las imágenes serán comparas con la plantilla de muestras de grano que ha sido proporcionada por el Tec de Monterrey campus Monterrey; debido a que no se cuenta con un software actualizado y o patrones estándar que pueden ser colocados en el microscopio de manera que puedan determinarse directamente sobre la muestra.
3
5.
MARCO TEORICO: 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 procesos están sintetizados en detalle en la norma ASTM E112.Algunos tipos de tamaño de grano son medidos, tamaño de grano de la ferrita y tamaño de grano de la austenita. Cada tipo presenta problemas particulares asociados con la revelación de estos bordes de manera que puede obtenerse un rango exacto. Los principales métodos para la determinación del tamaño de grano recomendados por la ASTM (American Society for Testing and Materials). El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleados y el tiempo de impregnación térmica afectan
el
tamaño
del
grano.
En metales, porlo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío. Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano. Preparación metalográfica: Para la preparación de una muestra para un análisis metalográfico existe la norma ASTM E3-95 “Standard Practice for Preparati on of Metallographic specimens”, en la cual la probeta debe haber pasado por procedimientos como corte, limpieza, montaje en caso de ser necesario, esmerilado grueso, fino y pulido. Con estos procesos realizados podremos observar la estructura verdadera, sin ningún tipo de daño, ya que se debe lograr una superficie limpia, con un pulido espejo. Dependiendo del tipo de material es necesario un ataque químico que revele más contrastadamente las zonas existentes en la microestructura.
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Dada la naturaleza de las muestras se usa un corte de la sección transversal para determinar: Cambios en la estructura desde el centro a la superficie. Distribución de las impurezas no metálicas. Descarburación en la superficie. Profundidad de la corrosión. Mientras que un corte longitudinal de la muestra nos ayuda a determinar: Contenido de inclusiones en acero Grado de deformación plástica La calidad alcanzada con algún tratamiento térmico. Medición del tamaño de grano Tamaño de Grano: Es determinado por la rapidez de crecimiento G y la rapidez de nucleación N. Si el número de núcleos formados es alto se producirá un material de grano fino y si solo se forman pocos núcleos será un material de grano grueso. Además la velocidad de enfriamiento influirá en la formación de núcleos, un enfriamiento rápido hará que se formen muchos núcleos y por lo tanto grano fino, además la formación de núcleos a diferentes temperaturas marcará una diferencia entre un grano y otro cuando se analicen metalográficamente. Para determinar experimentalmente el tamaño de grano de una microestructura ASTM recomienda tres métodos: 1) Método de Comparación: La imagen de la microestructura proyectada a una amplificación de 100X, o una fotomicrografía de la estructura a igual amplificación, se compara contra una serie de patrones estándar clasificados, que cubren los diversos tamaños de grano (ASTM E11263). Mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por el número correspondiente al número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en cuyo caso se acostumbra especificar el tamaño de granos en términos de dos números que denota el porcentaje aproximado de cada tamaño presente. El método de comparación es más conveniente y bastante preciso en muestras de granos de ejes iguales. El número de tamaño de grano "n" puede obtenerse con la siguiente relación: N=2 n -1.
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2) Método Planimétrico: En este método se traza sobre la fotografía de la microestructura un área conocida como una circunferencia o un cuadrado donde al menos se encuentren 50 granos dentro de esta área. La suma de todos los granos incluidos más la mitad de los granos intersecados por la línea da el número equivalente. Como se conoce la amplificación de la muestra se puede determinar el número de granos por milímetro cuadrado, multiplicando este número de granos por el factor de amplificación que corresponda. 3) Método Intercepción: El método de intercepción es más rápido que el método planimétrico debido a que la microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o por fotomicrografía o sobre la propia muestra, el número de granos interceptados por una o más líneas restas. Los granos tocados por el extremo de una línea se cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen por lo menos en tres posiciones distintas para lograr un promedio razonable. La longitud de líneas en milímetro, dividida entre el número promedio de granos interceptados por ella da la longitud de intersección promedio o diámetro de grano. El método de intersección se recomienda especialmente para granos que no sean de ejes iguales.
6.
EQUIPOS Y MATERIALES: PROBETA
DISCO TOM
PORTALIJAS
PULIDORA
6
QUIMICOS
COMPRESOR
Nital al 2% (98% de alcohol industrial + 2% de ácido nítrico)
MICROSCOPIO METALOGR FICO PTICO
7.
PROCEDIMIENTO: Los pasos requeridos para realizar una adecuada experimentación son los siguientes: 1) Selección del material a analizar: Para este ensayo se seleccionó una aleación, realizando un estudio de investigación de acuerdo a la norma ASTM E 3-95. 2) Tipo de sección a analizar: Se realizó el análisis de microestructuras para una sección transversal perpendicular al eje principal de la probeta. 3) Corte de Muestras Para extraer la probeta se empleó el Discotom realizándole un desbaste a la pieza. 4) Limpieza Después del corte, es necesario quitar todos los aceites, refrigerantes y residuos que deja, estos deben ser quitados con solventes orgánicos.
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5) Desbaste Para aplicar este paso es necesario tomar en cuenta los siguientes desbastes se cuentes para tener una superficie sin líneas. Desbaste br usco.- Este proceso aplana la superficie irregular producida por el corte. Las muestras blandas se desbastan moviendo lentamente de arriba hacia abajo sobre la superficie de una lija P (220). Desbaste fino.- Aquí se remueve la zona deformada que es causada por el desbaste anterior. La muestra es desbastada consecutivamente con lijas más finas que pueden ser los (números 320-400-600 y 1000 granos/pulg). Pasos recomendables para desbastar una muestra: a) La muestra debe ser movida de un lado a otro sobre la lija para permitir uniformidad. b) La muestra debe girarse 90° después de desbastar en cada lija, para evitar rasgaduras unidireccionales. c) La muestra debe ser limpiada completamente. 6) Pulido: El Pulido áspero.- Es suficiente para análisis rutinarios. Se emplea la pulidora de paño utilizando como abrasivo alúmina de 1 micrón en suspensión en agua. El tiempo de pulido y la fuerza deben reducirse a un mínimo para evitar los redondeos del borde y relieve, caso contrario se deberá regresar al paso de desbaste. El pulido fino.- Se aplica utilizando un abrasivo cuyo tamaño dependerá de la dureza de la muestra. Generalmente se utiliza alúmina de 0,3 micrones de tamaño promedio en suspensión en agua. En el pulido, se debe sostener firmemente la muestra contra el disco giratorio y moverla en sentido contrario a la rotación del disco, en una trayectoria ovalada pero nunca la probeta debe estar en estado de reposo. Finalmente se la puede limpiar con agua y luego con un chorro de aire a presión con la ayuda de un compresor. Al finalizar los procesos de desbaste y pulido la probeta debe quedar en estado espejo 7) Lavado y secado de la probeta: Una vez pulida la probeta procedemos a lavarla con abundante agua, para luego secarla con aire utilizando el compresor hasta lograr una superficie totalmente limpia y por último con el uso de algodón limpiamos suavemente la superficie a analizar.
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8) Ataque químico: La función del ataque químico es hacer visible al microscopio metalográfico las características estructurales del metal o aleación, mediante la aplicación de un reactivo apropiado sobre la superficie de la probeta. El ataque químico es un proceso de corrosión controlada. La selección del reactivo de ataque se la realiza en base al tipo de metal y por la estructura específica que se desea observar. En este caso se utilizará Nital al 2%, es decir 2% de ácido nítrico y 98% de alcohol industrial. Luego de 10 segundos de haber actuado el ácido reactivo procedemos a llevarlo al microscopio. 9) Observación: Y toma de fotografías de la microestructura mediante el microscopio y regular los respectivos aumentos de 100X, 200X y 500X para una mejor visualización. Listar las actividades o etapas en forma secuencial para el desarrollo de la práctica, generalmente se utilizará: Observación y reconocimiento de instrumentos y equipos Manejo de instrumentos y equipos Toma y recolección de datos con aumentos a 100X, 200X y 500X. Ordenamiento y procesamiento de datos Análisis, graficación e interpretación de resultados 10) Cálculos: Aumento 300x
H
V
h1
h2
h3
h4
h5
H PROM
33
36
24
27
31
30,2
v1
v2
v3
v4
v5
V PROM
21
19
22
20
19
20,2
=
380 30.2
= 12.58
3 ∗ 380 4 = = 14.11 20.2 + = = 13.35 2 = 10 − 6.6439log( ) 10 = 9.16
9
= − 6.64log( 1-3
Grueso
4-7
Medio
8-10
Fino
> 10
Ultra Fino
300 ) 100 = 5.99
El tamaño de grano es medio
Aumento 200x
H
V
h1
h2
h3
h4
h5
H PROM
24
26
23
27
26
25.2
v1
v2
v3
v4
v5
V PROM
14
16
17
16
15
15.6
=
380 = 15.07 26
3 ∗ 380 4 = = 18.27 16.4 + = = 16.67 2 = 10 − 6.6439log( ) 10 = 8.52
= 8.52 − 6.64log( 1-3
Grueso
4-7
Medio
8-10
Fino
> 10
Ultra Fino
8.
200 ) 100
= 6.53 Tamaño de grano es medio
OBSERVACIONES Gracias a esta experiencia de laboratorio podemos determinar que: Una vez se logra esto la muestra se podrá relacionar con las propiedades físicas y mecánicas que se desean. El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. La temperatura, los elementos aleados y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
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Reduciendo el tamaño de grano se incrementa el número de granos por unidad de volumen, y por consiguiente la cantidad de fronteras o bordes de grano. El tamaño de grano es inversamente proporcional al número de granos presentes en la muestra. 9.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
7.1. Conclusiones Un ensayo de metalografía se realiza con el fin de obtener toda la información que es posible encontrar en la estructura de los diferentes materiales. Este ensayo se realiza con la ayuda de un microscopio en donde se observa la estructura de ciertas muestras, que nos permitirán concluir que tipo de aleación se tiene, contenido de carbono (una aproximación) y tamaño de grano. Una vez se logra esto la muestra se podrá relacionar con las propiedades físicas y mecánicas que se desean. 7.2. Recomendaciones Los diferentes procesos deben ser realizados durante un tiempo prudente hasta obtener la superficie de espejo. El ataque químico no debe superar 5-20 segundos. Se debe utilizar el mandil. Tomar en consideración en el método de intercepción para el cálculo de tamaño grano, que se debe trazar el mismo número de líneas verticales como de horizontales. 10.
BIBLIOGRAFÍA: NORMAS ASTM E-112-63, E3-95 S. HAVNER, Introducción a la metalurgia física, Segunda Edición, editorial McGraw. Hill, México 1979, pp 38-46, pp112-115 Callister, W.D. (1997), Introducción a la Ciencia e Ingeniería de l os Materiales. Barcelona: Editorial Reverté, S.A.. 84-291-7253X. Versión PDF
11. ANEXOS
11 380 µm
H1
H2
H3
H4
H5
V1
V2
V3
Aumento a 300x
V4
V5
12
380 µm
H1
H2
H3
H4
H5
V1
V2
V3
Aumento a 200x
V4
V5
