Metalografia cuantitativa acero 1045 PDF

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Metalografía de Aceros Estructurales al Carbono y Medición del tamaño de grano Diego Marcelo López Ayala Mechanical Engineering ESPOCH Riobamba, Ecuador [email protected]

Abstract- With the help of the metallography we will determine the phases present in a test tube made of a construction rod, this rod is made of carbon steel, to observe our test piece in the microscope we had to prepare it, for this we sanding from the sandpaper with coarse grain until sandpaper with fine grain, we had to sand until we had a totally smooth and uniform face, from here we went to polish it, to clean it with alcohol and dry it for then, we attacked it with 4% of nital, to later observe it in the microscope and take photos, the results obtained, it was determined that two phases were present 42.3% ferrite and 57.7% pearlite, and with a carbon percentage of 0.45, resulting in that it is a zero carbon 1045 .

Las fases en las que se puede encontrar un acero al carbono, dentro del diagrama de equilibrio son:  Ferrita  Cementita  Perlita  Austenita  Martensita  Bainita  Ledeburita [2]

I. INTRODUCTION La metalografía es una rama de la metalurgia, que se dedica al estudio de la estructura de los metales y de sus aleaciones, en relación a sus propiedades mecánicas, físicas y químicas. Para llegar a obtener el análisis de dichas estructuras, se procede a examinar las superficies de una manera macroscópica, este es el denominado ensayo de macrografía en nuestra probeta, donde se obtiene a simple vista características tales como discontinuidades o defectos del material. Gracias a la ayuda de un microscopio óptico, aplicamos un ensayo micrográfico sobre una probeta pulida, gracias a este ensayo se determinara características como el tamaño de grano, el porcentaje y distribución de las distintas fases e inclusiones no metálicas que tienen amplio efecto sobre los metales [1]. A. Diagrama hierro- Carburo de Hierro El acero se obtiene cuando se mezcla hierro con carbono, se lo suele llamar acero al carbono, los compuestos de este acero se los puede analizar mediante un diagrama hierro – carbono. El diagrama hierro-carbono es un diagrama de equilibrio, donde se representa las transformaciones que padecen los aceros al someterlos a cierta temperatura [2]. Para el análisis de este diagrama, se lo ha divido en dos partes, dependiendo exclusivamente del porcentaje de carbono; es decir que si tiene un porcentaje menor al 2% se lo denominan aceros, y si es mayor se los denominan fundiciones.

Fig. 1. Diagrama Hierro- Carbono [2].

B. Tratamientos termicos Los tratamientos térmicos son operaciones de enfriar o calentar bajo la acción de temperaturas y de diferentes condiciones, realizándolo de una manera controlada. El objetivo principal de un tratamiento térmico es mejorar las propiedades mecánicas de un acero. Para un acero o una fundición, se los puede aplicar básicamente un tratamiento térmico [4] Los tratamientos térmicos se clasifican en:  Temple  Revenido  Recocido  Normalizado

C. Metodos de medición de grano

C.

Procedimiento

Una de las mediciones microestructurales cuantitativas más comunes es aquella del tamaño de grano de metales y aleaciones. Se han desarrollado numerosos procedimientos para estimar el tamaño de grano, y estos están analizados de forma más profunda en la Norma ASTM E112. Los principales métodos para la determinación del tamaño de grano son:

1. Obtención del material de trabajo: Se obtiene una muestra del material que vamos a analizarlo, de acuerdo a la norma ASTM utilizada en la práctica, tomando en cuenta principalmente el tamaño y que tan representativa es dicha porción del total que vamos a analizar, para esta práctica se lo hizo con una probeta de acero al carbono.

a) Metodo de comparación Este es conocido como el método de prueba y error, se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio, y se designa el tamaño de grano. Este método es más conveniente y bastante preciso [3].

2. Trabajo sobre la probeta Esto permite analizar las estructura de la probeta[4], la cara a analizar debe ser lo más uniforme posible asimilando a un espejo, para esto debemos lijar dicha cara, iniciamos con una lija con un tamaño de grano grande y a medida que vayamos lijando vamos reduciendo el tamaño de grano en la lija hasta obtener una superficie totalmente lisa, después de esto pasamos a la pulidora para dar un acabado más vistoso para que sea más fácil de observar en el microscopio, a continuación, lavamos la superficie, la limpiamos con alcohol y la secamos.

b) Metodo Planimetrico Es el más antiguo procedimiento para medir el tamaño de grano de los metales. El cual consiste en que un circulo de tamaño conocido (5000 mm2 de área) es extendido sobre una rnicrofotografía. Se cuenta el número de granos que están completamente dentro del círculo n1 y el número de granos que interceptan el circulo n2 para un conteo exacto los granos deben ser marcados cuando son contados lo que hace lento este método [3]. c) Soluciones 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 rectas. 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 [3].

3. Ataque químico Luego de limpiar y secar nuestra probeta procedemos al ataque químico, el cual es un proceso de corrosión controlada, esto se obtiene bañando la cara a analizar con Nital, este proceso de poner el nital sobre la cara de la probeta se lo realiza durante 7 segundos. 4.

Observación de la microestructura

La probeta se ubica en el microscopio, de manera que la cara a analizar este de forma perpendicular al ojo óptico del microscopio. Observamos con una ampliación de 10X. Al analizar observamos rotundamente perlita en una muestra de acero. Si la cara observada ha sido bien atacada por el nital la perlita será casi invisible o muy débil, si el ataque ha sido en exceso la perlita vendría a quemarse y para corregir esto volvemos a pulir y a atacar . III. RESULTADOS Y DISCUSION

II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL A.     B.      

Materiales

A. Comparacion de la microestructura

Lijas Probeta, varilla de acero al carbono Alcohol Nital

Después de haber realizado el respectivo procedimiento de trabajo sobre nuestra probeta en este caso de acero, y luego de haberle observado en el microscopio óptico, se determinó que el acero está constituido por dos fases, dichas fases se las puede ver claramente en la fig. 2, donde las zonas oscuras es la fase perlita y las zonas claras es la fase ferrita.

Equipos Banco para lijar Pulidora Compresor Microscopio óptico Televisor Cámara fotográfica

Ahora para la comparación, tuve la necesidad de investigar para determinar que tipo de acero es. Con la ayuda del libro Metals Handbook [5], se procedió a comparar cada una de las fotomicrografías de acero obtenidas del libro, con la de mi probeta de acero, dando como resultado que la fotomicrografía

que más se asemeja es la de un acero 1045, ya que al igual que mi acero esta está formada por zonas claras (fase ferrita) y zonas obscuras (fase perlita), su configuración de granos es similar a la configuración de granos de mi acero, y de igual forma aplicada un ataque químico con nital, esta comparación se las observa en las siguientes figuras:

Aplicamos la regla de la palanca: %𝑃 =

%𝐶 − 0.022 0.77 − 0.022

0.577 =

%𝐶 − 0.022 0.77 − 0.022

%𝐶 = 0,45 Se obtuvo un porcentaje de carbono de 45%, donde se puede asegurar que me acero es un 1045. 

100 µm

Fig. 2. Microestructura observada en la probeta de acero, aplicado 4% nital. Ampliación del lente objetivo 10X.

Calculo de tamaño de grano.

a) Metodo de comparación: Este método se lo realizo con la ayuda del microscopio óptico, incluyéndole un lente óptico especial para medir el tamaño de grano, dando como resultado que el tamaño de grano de nuestra probeta de acero era igual a G=7 tanto para la fase perlita como para la fase ferrita. b) Metodo planimetrico. Según la Norma ASTM E112 [3], nos dice que sobre la fotomicrografía debe tener un tamaño de 8x8 cm, para poder trazar una circunferencia de q tenga un área 5000 mm2 , y realizar el conteo de granos dentro y en la parte donde intercepten los granos con la circunferencia. Para este caso se realiza el análisis de tamaño de gano para dos fases.

Fig. 3. Microestructura de una acero 1045, normalizado por austenización a 845 °C, enfria al ambiente, estructura lamelar perlita (obscura) y ferrita (blanca), aplicado 2% nital. 500X [5].

B. Tipo y tamaño de grano Para encontrar el tamaño de grano se aplica los tres métodos analizados por la norma ASTM E112 [3], empezando por el calulo de porcentaje de las fases y porcentaje de carbono que posee nuestro acero. 

Calculo de porcentaje de carbono. 260-----------100% 150----------- X X=57.7%  

Fase obscura perlita; P=57.7% Fase blanca ferrita, α= 42.31%

Fig. 4. Metodo planimetrico aplicado en la fotomicrografia.Lente objetivo 10X.

a.

Tamaño de grano perlita: Nins. = 73 Nint. = 27



Calculo Factor f.

NA = 118.20(58 + f=

M2 5000 ∗ (%P)

16 ) 2

NA = 7801.2 G = 3.321928 ∗ log NA − 2.954

Obtención de M, ver tabla 5 de la norma ASTM E112 [3]

G = 3.321928 ∗ log(7801.2) − 2.954 G𝑓𝑒𝑟𝑟𝑖𝑡𝑎 = 9.97 Podemos apreciar que el tamaño de grano obtenido por el método planimétrico da como resultado un tamaño de grano similar para las dos fases presentes en nuestra probeta. Este tamaño de grano es diferente al encontrado por el método de comparación.

2

f=

(500) 5000 ∗ (0,577) f = 86.65



Calculo de tamaño de grano de perlita: NA = f(Nins. +

c) Metodo de intercepción Este método se lo realiza, trazando líneas sobre la fotomicrografía, y que dichas líneas sumen 500mm de longitud, de acuerdo a la norma ASTM E112 [3], para cumplir con la norma opte por trazar 5 líneas de 100mm cada una, y posteriormente realizar el conteo de granos tanto para perlita como para ferrita.

Nint. ) 2

NA = 86.65(73 +

27 ) 2

NA = 7235.28 G = 3.321928 ∗ log NA − 2.954 [3] G = 3.321928 ∗ log(7235.28) − 2.954 G𝑝𝑒𝑟𝑙𝑖𝑡𝑎 = 9.8 b.

Tamaño de grano ferrita: Nins. = 58 Nint. = 16



Fig. 5. Metodo de intercepción aplicado en la fotomicrografia. Lente objetivo 10X.

Calculo Factor f. f=

M2 5000 ∗ (%P)

(500)2 f= 5000 ∗ (0,423) f = 118.20 

Calculo de tamaño de grano de ferrita: NA = f(Nins. +

Nint. ) 2

a.

Tamaño de grano perlita:

Granos contados: Línea 1: 9 granos Línea 2: 10 granos Línea 3: 11 granos Línea 4: 7.5 granos Línea 5: 8 granos total granos 45.5 = = 9.1 𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜𝑠 # de lineas 5

%𝐴 = 23.46% 3. Resistencia Tensil Calculo de L:

𝛿= 194 Um = 10.54 𝑈𝑚 9.1

𝐿= 

𝛿=

Calculo de tamaño de grano:

b. 



Tamaño de grano ferrita: Granos contados: Línea 1: 10.5 granos Línea 2: 9.5 granos Línea 3: 11.5 granos Línea 4: 11 granos Línea 5: 9 granos total granos 51.5 = = 10.3𝑔𝑟𝑎𝑛𝑜𝑠 # de lineas 5 Calculo de L: 𝐿=



206 Um = 20 𝑈𝑚 10.3

 



Como se puede observar en este metodo, es mas rapido de calcular el tamño de grano, a diferencia del planimetrico que era un poco mas demorado, dando como resultado el tamaño de grano tanto para perlita como ferrita. C. Propiedades mecanicas esperadas para este acero 1. Dureza %α ∗ HBα + %P ∗ HBp 𝐻𝐵 = 100 𝐻𝐵 =

42.3 ∗ 90 + 57 .7 ∗ 250 100

%𝐴 =

%𝐴 =

Se logró determinar que en nuestra acero al carbono existe dos fases presentes la perlita y ferrita, las mismas que se procedieron a determinar su tamaño de grano. Al analizar el tamaño de grano, de acuerdo a la norma ASTM E112, se pudo realizar por tres métodos, de comparación, planimétrico e intercepción, concluyendo que el método planimétrico o de intercepción es el más óptimo para el cálculo del tamaño de grano de las fases presentes en mi probeta de acero al carbono. . Gracias a la comparación de fotomicrografías, se determinó que mi acero era más parecido al cero 1045, por lo que se procedió a realizar el análisis y determinación de propiedades con este tipo de acero. REFERENCES

[1]

[2]

[3]

𝐻𝐵 = 182.32𝐻𝐵 [4]

2. % Alargamiento

𝑘𝑔 𝑚𝑚2

IV. CONCLUSIONES

𝐿 10

𝐺𝑓𝑒𝑟𝑟𝑖𝑡𝑎 = 8

42.3 ∗ 28 + 57.7 ∗ 84 100

Al realizar la comparación de foto micrografías, se determinó que la más parecida a mi probeta de acero al carbono era la de un acero 1045, al conocer esto tomamos en cuenta que es un acero medio en carbono, por su microestructura es una acero hipoeutectoide. Este acero 1045 es conocido por su buena resistencia, un buen mecanizado y soldabilidad ya sea en laminado o normalizado, y excelente maquinabilidad. La dureza del acero en la escala de dureza Brinell es de 170 a 210, y su elongación, basada en 2 pulgadas (5 cm), es 23 aproximadamente [6]

Calculo de tamaño de grano: G = 10 − 6.64 ∗ log

100

𝛿 = 60.3

𝐿 G = 10 − 6.64 ∗ log 10 𝐺𝑝𝑒𝑟𝑙𝑖𝑡𝑎 = 9.84

%α ∗ 𝛿α + %P ∗ 𝛿p

%α ∗ Aα + %P ∗ Ap 100

[5]

42.3 ∗ 35 + 57.7 ∗ 15 100

[6]

Universidad técnica del Norte, Ensayos de Laboratorio, visto 2 Noviembre 2017,

Universidad Catolica de Argentina, Diagrama hierro-carbono.visto 2 noviembre 2017.

ASTM E 112. ASTM Committee. Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel. 2da. Ed. USA: Annual Book of ASTM Standards, 1997. Universidad en linea, Tramientos termicos, visto 2 Novimbre 2017,

ASM. 2004, Metallography and microstructures, Handbook, vol 9./ Pag 327/fig129. Propiedades del acero, visto 3 de novmienbre del 2017,...