Memoria Práctica 13 PDF

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Memoria de la práctica 13....

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MICROESTRUCTURA DE LAS ALEACIONES Fe - C

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INTRODUCCIÓN

A la hora de usar materiales en construcción, industria, … buscamos los más económicos, resistentes, fáciles de manejar, que se adapten a las condiciones, etc. Por ello, uno de los materiales más utilizados son las aleaciones Fe-C debido a que tienen buenas propiedades mecánicas (gran resistencia y tenacidad), gran facilidad para realizar piezas de este material, y un precio bastante asequible. Respecto a sus propiedades, estas siempre van a ir ligadas a la composición química de la aleación, y por lo tanto, a su microestructura. Por ejemplo aquí podemos observar una microestructura de un acero (acero inoxidable en este caso). También podemos observar el diagrama de fases Fe- C, en el cual podemos ver la presencia de carburo de hierro Fe3C o cementita, austenita (γ), y ferrita (α) como fases de equilibrio, todo ello dependiendo de la temperatura.

La clasificación de las aleaciones Fe-C según el contenido en carbono comprende tres grandes grupos: 1. Hierro: Contiene menos del 0.008 % en peso de C. 2. Acero: La aleación Fe-C tiene un contenido en C mayor del 0.008 y menor del 2.11 % en peso (aunque generalmente contienen menos del 1 %). 3. Fundición: La aleación Fe-C tiene un contenido en C superior al 2.1%, normalmente, entre 3,5% y 4%. Respecto al segundo grupo, los aceros son los más usados para la construcción,

máquinas industriales, herramientas, moldes, y excepcionalmente, en elementos estructurales de instalaciones con alta resistencia a la corrosión. También hay que tener en cuenta que estos acero no solo son aleaciones de hierro y carbono si no que pueden contener otros aleantes como por ejemplo Mn, Si, Cr, Ni, Ti, V, Co, W y Mo. Estos materiales afectarán de manera importante en sus microestructura, por lo tanto, sus propiedades también se verán afectadas. Respecto al tercer grupo, las fundiciones son usadas para la fabricación de piezas por colada, en las cuales las dificultades de transformación de la pieza por forja y mecanizado o su bajo coste económico son requerimientos ineludibles.

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OBJETIVO El objetivo buscado al realizar esta práctica es el estudio del contenido de C en aleaciones Fe-C, más concretamente analizando su microestructura y viendo la influencia de esta en las propiedades mecánicas.

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EQUIPAMIENTO Para realizar la práctica utilizaremos: o Microscopio metalográfico y cámara o monitor de televisión.

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MATERIAL Probetas de acero: 1) 2) 3) 4)

F1110 (0.1%C). F1120 (0.2%C). F1130 (0.4%C). F1140 (0.7%C).

5) N20 (0.7%C). 6) N21 (0,8%C). 7) N24 (1,3%C).

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PROCEDIMIENTO Para realizar la práctica debemos seguir las siguientes instrucciones: 1. Conectar el microscopio. En este caso el microscopio de mayor potencia óptica. 2. Situar la probeta en el portamuestras del microscopio. 3. Seleccionar un objetivo de medio número de aumentos.. 4. Enfocar hasta que la imagen sea nítida. Pero evitando quemar la imagen que obtengamos con un exceso de luz entrante por la lente del microscopio. 5. Dibujar o tomar una fotografía y anotar los detalles que se indican: tipo de grano: forma y color. 6. Observar con otros objetivos de número de aumentos creciente para valorar con cual se obtienen mejores resultados para identificar sus caracteríticas de grano. 7. Repetir el proceso para cada una de las muestras. Se debe tener en cuenta que: El ataque con nital (del 2 al 5% de ácido nítrico en etanol) revela que los granos de ferrita (fase α) son de color blanco. Los de perlita entre marrón y negro, según la intensidad del ataque y la distribución del carburo de hierro Fe3C (fase cementita) entre la ferrita del grano perlítico. Hay que recordar que el grano de perlita está compuesto por la fase ferrita más la fase cementita, mientras que el de ferrita es exclusivo de la fase α. En los aceros con %C superior a 0.8% (hipereutectoides), aparece la cementitalibre de color blanco en borde de grano perlítico. Éste hecho es especialmente importante debido a que produce en el acero mayor dureza, pero también mayor fragilidad y menor ductilidad. Hay que tener presente que el hierro cristaliza en la variedad α hasta la temperatura de 768ºC. La red espacial a la que pertenece es la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La distancia entre átomos es de 2.86 Å. El hierro alfa no disuelve prácticamente en carbono, no llegando al 0.008% a temperatura ambiente, teniendo como punto de máxima solubilidad a T=723ºC (0,02%).

La variedad beta existe de 768ºC a 910ºC. Cristalográficamente es igual a la alfa, y únicamente la distancia entre átomos es algo mayor: 2.9 Å a 800ºC y 2905ºC a 900ºC. La variedad gamma se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura FCC. El cubo de hierro gamma tiene más volumen que el de hierro alfa. El hierro gamma disuelve fácilmente en carbono, creciendo la solubilidad desde 0.85% a 723ºC hasta 1.76% a 1130ºC para decrecer hasta el 0.12% a 1487ºC. Esta variedad de Fe es amagnético. La variedad delta se inicia a los 1400ºC, observándose, entonces una reducción en el parámetro hasta 2.93Å, y un retorno a la estructura BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Esta variedad es poco interesante desde el punto de vista industrial. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

De esta forma, en función de la forma de los granos, podemos determinar la fase del grano en la que se encuentra.

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CÁLCULOS

% Grano

% Grano

% Grano

% Fase

% Fase

Ferrita α

Perlita

Cementita

Ferrita α

Fe3C

F 1110

87,50%

12,50%

0,00%

98,50%

1,50%

F 1120

75,00%

25,00%

0,00%

97,01%

2,99%

F 1130

67,50%

37,50%

0,00%

95,52%

4,47%

F 1140

50,00%

50,00%

0,00%

94,03%

5,97%

N20

12,50%

87,50%

0,00%

89,55%

10,44%

N21

0,00%

100,00%

0,00%

88,06%

11,94%

N24

0,00%

91,52%

8,47%

80,60%

19,40%

Acero

Los cálculos correspondientes a la tabla se han realizado siguiendo las siguientes instrucciones: La proporción de microconstituyentes o granos se calcula teniendo en cuenta que: 1) Segmento unidad va desde 0.0 %C a 0.8 %C para aceros de contenido de C hasta 0.8% (hipoeutectoides). De ahí que el contenido de grano de perlita %GP venga dado para esos aceros por: %GP = 100(%CA / %CΣ) Siendo %CA el contenido de C del acero, y %C Σ = 0.8%, contenido de C del acero de composición eutectoide. El resto hasta 100, es contenido de grano ferrítico %GF. 2) Segmento unidad va desde 0.8 %C a 6.7 %C para aceros de contenido en C superior a 0.8% (hipereutectoides). 3) El punto de apoyo del segmento se define para el %CA del acero en cuestión. %GP se calculará: %GP = 100(%CC - %CA) / (%CC - %CΣ) Siendo %C C = 6.7 el contenido de C de la cementita precipitada en el borde de grano de la perlita. La proporción de fases, las que cita el diagrama de fases, se calcula teniendo en cuenta que: 1) Segmento unidad va desde 0.0 %C a 6.7 %C para cualquier tipo de acero: hipo o hipereutectoide. 2) El punto de apoyo del segmento se define para el %C del acero en cuestión. De esta forma, el contenido de fase α %Φα vendrá dado por: %Φα = 100 (%CC - %CA) / (%CC) El resto hasta 100 es el contenido de fase cementita %Φ C (Fe3C). Añadir que mientras en los aceros hipoeutectoides la fase α se localiza tanto en el grano de ferrita como en el de perlita, fijando este último la fase cementita, en los aceros hipereutectoides es la fase cementita la que aparece libre en borde de grano perlítico, además de formar parte de éste, y la fase α solo se localiza en el grano de perlita. Representación de las 4 propiedades mecánicas frente al porcentaje de perlita de las diferentes aleaciones de los aceros:

Dureza frente al porcentaje de perlita

Límite elástico frente al porcentaje de perlita

Resistencia frente al porcentaje de perlita

Deformación frente al porcentaje de perlita

Grano hipoeutectoide. 87,5% ferrítico. 12,5% perlítico.

F1110 (0,1% de C)

Blanco. 98,5% Fase Ferrita α 1,5% Fase Fe3C Oscura tirando a negra.

Grano hipoeutectoide. 75% ferrítico. 25% perlítico.

F1120 (0,2% de C)

Blanquecino. 97,01% Fase Ferrita α 2,99% Fase Fe3C Oscura tirando a negra. Grano hipoeutectoide. 62,5% ferrítico. 37,5% perlítico.

F1130 (0,3% de C)

Grisáceo. 92,52% Fase Ferrita α 4,47% Fase Fe3C Oscura tirando a negra.

Grano hipoeutectoide. 50% ferrítico. 50% perlítico.

F1140 (0,4% de C)

Blanquecino. 94,03% Fase Ferrita α 5,97% Fase Fe3C Oscura tirando a negra.

Grano hipoeutectoide. 12,5% ferrítico. 87,5% perlítico.

N20 (0,7% de C)

Blanquecino y marrón. 89,55% Fase Ferrita α 10,44% Fase Fe3C Marrón oscura. Grano eutectoide. 0% ferrítico. 100% perlítico.

N21 (0,8% de C)

Marrón – Marrón claro. 88,06% Fase Ferrita α 11,94% Fase Fe3C Marrón oscuro. Grano hipereutectoide. 8,47% cementítico. 91,52% perlítico.

N24 (1,3% de C)

Marrón claro. 80,60% Fase Ferrita α 19,40% Fase Fe3C Marrón oscura.

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CUESTIONES 1. ¿Cómo influye el contenido de C en la variación de la microestructura de los aceros? A mayor contenido de carbono, mayor resistencia, menor ductilidad. Se convierte en un material mas duro y mas frágil, poco útil para uso estructural excepto en elementos pretensados. A menor cantidad de carbono, menor resistencia, mayor ductilidad. Material con buen comportamiento inelástico-plástico, muy útil para su uso estructural y de hecho así se le conoce. El acero a-36 por ejemplo se conoce como acero estructural o de calidad estructural, el A-50 aun entra en la definición.

2. ¿Cómo influye la modificación de la microestructura en las propiedades mecánicas de los aceros? Como en todos los materiales, las propiedades intrínsecas a cada uno se ven afectadas si se produce una modificación en su microestructura que pueda deberse a un aumento de la temperatura, a una deformación física, al contacto con ácidos,etc. Para explicar como influye la modificación de la microestructura, en este caso del acero, en sus propiedades mecánicas utilizaremos el caso o experiencia de aplicar la deformación en frío. La deformación producida por tracción al tener un efecto más volumétrico que el laminado superficial, permite que el acero responda mejor al tratamiento térmico y que el grano inicie su crecimiento a temperaturas menores. Sin embargo las mejores propiedades magnéticas se alcanzan con porcentajes de deformación en frío y temperaturas de tratamiento similares a las necesarias para el acero de uso eléctrico comercial.

3. ¿Un acero de 0.8 %C posee mayor proporción de grano perlítico que un acero de 1.1 %C? Primeramente cabe explicar que la perlita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, que contiene 0.8% de carbono, se presenta en el área de los aceros (los aceros tiene un porcentaje de carbono que va de 0 a 2.14 %) Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 0,77% en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los granos austeníticos. Por tanto concluimos que un acero 0,8%C posee mayor proporción de grano perlítico que un acero de 1.1 %C? 4. En ese caso ¿Por qué posee menor dureza, resistencia y límite elástico, menor dureza, y mayor ductilidad? La razón de este comportamiento radica en los fenómenos que ocurren en los límites de fases (α y cementita). En primer lugar, hay un alto grado de adherencia entre las dos fases en el límite. Por lo tanto, la resistencia y la rigidez de la fase cementita restringe la deformación de la fase (ferrita), más blanda, en las regiones adyacentes al límite; es decir, la cementita refuerza a la ferrita.Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también influyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero.

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CONCLUSIÓN La principal conclusión que podemos extraer son las diferentes composiciones de los granos de las aleaciones Fe – C o aceros con sus diferentes composiciones en porcentaje de carbono. Otra de las conclusiones que hemos podido extraer es el cálculo de dichas proporciones de grano y fases mediante el empleo de las fórmulas propuestas en la introducción. La identificación de los granos y las fases así como el color de los mismos ha resultado menos complejo pero sí que ha sido otra de las conclusiones extraídas. Finalmente, con la resolución de las cuestiones, asimilamos y repasamos la teoría explicada en clase sobre los microconstituyentes de los aceros así como su microestructura compuesta por los granos y las fases.

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BIBLIOGRAFÍA www.poliformat.upv.es www.wikipedia.org www.lawebdefisica.com...