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CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
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Metalografía en blanco y negro del acero 1018 normal, aluminizado y del acero API X-70
Tomas De la Mora Ramírez, Daniel Sanchez Huerta 2
,Luis Alonso Sánchez Ortiz3
RESUMEN La microscopía en blanco y negro es una de las técnicas más
usadas para el reporte de resultados en la investigación de
materiales, el presente trabajo se abordaran la técnica de
metalografía con ataque mediante diferentes sustancias químicas
la cual permite la identificación de diversas fases y constituyentes
presentes en la microestructura de diferentes aleaciones.
ABSTRACT Microscopy in black and white is one of the techniques more used
to report results in materials research, this work are tackled
metallographic technique with using different chemicals attack
which allows the identification of different phases and constituents
present in the microstructure of different alloys.
Palabras claves: Microscopía, metalografía, estructura, fases,
acero 1018 1. INTRODUCCIÓN
Una primera aproximación a la estructura de un material puede
obtenerse por un simple análisis visual del mismo teniendo
limitaciones en la información de resultados obtenidos mediante
este procedimiento, pudiendo observar únicamente imperfecciones
en la superficie, rugosidad, grietas y fisuras. Sin embargo un
análisis microscópico es de mayor precisión para estudiar
imágenes de los materiales con una resolución espacial mayor que
la que podemos obtener con nuestros ojo. Nos ayuda a observar la
morfología de los granos representada con diferentes tonalidades
de grises, el límite de grano y la identificación de inclusiones o
fases.
La metalografía realizada fueron a los acero SAE 1018 normal,
aluminizado y al acero API X-70.
El acero API X-70 es uno de los aceros utilizados para la
construcción de tuberías por la industria del petróleo, generalmente
para el transporte de hidrocarburos. La tabla 1 muestra la
composición química del acero bajo estudio.
¹Univerisdad Autónoma del estado de Mèxico, Facultad de
Ingeniería, [email protected] ²Institución, Escuela, Departamento, Correo electrónico.
Información de adscripción de los autores y coautores del artículo.
Tabla 1. Composición nominal del acero API X-70 bajo
estudio.
C Mn Si S P Al Nb
0.037 1.50 0.14 <0.003 <0.015 0.03 0.09
Cu Cr Ni Ti Ca N2
0.27 0.26 0.16 0.010 0.0025 0.0040
El acero SAE 1018 de bajo - medio carbono tiene buena
soldabilidad y ligeramente mejor maquinabilidad que los aceros
con grados menores de carbono. Se presenta en condición de
calibrado (acabado en frío). Debido a su alta tenacidad y baja
resistencia mecánica es adecuado en operaciones de deformación
plástica como remachado y extrusión. Se utiliza también en
componentes de maquinaria debido a su facilidad para conformarlo
y soldarlo. Piezas típicas son los pines, cuñas, remaches, rodillos,
piñones, pasadores, tornillos y aplicaciones de lámina. La tabla 2
muestra la composición química del acero SAE 1018.
Tabla 2. Composición química del acero SAE 1018. %C %Mn %P MÁX % S MÁX
0.15-0.20 0.60-0.90 0.04 0.05
2. METODOLOGIA.
En un análisis metalográfico el resultado depende mucho de la
preparación de la muestra. La selección del material para el estudio
estará en razón de la información que se quiera obtener, pero debe
existir una comparación entre un antes y un después o con una
probeta del material próximo a la falla y otra del material normal.
Las muestras deben de ser identificadas correctamente para evitar
la mezcla de resultados.
Las muestras en estudió fueron proporcionadas por el Profesor y
se desconoce la forma de corte, ya que esta pudiera afectar a la
estructura de la probeta debido al calentamiento. La figura 1
muestra las probetas entregadas por el profesor para realizar el
estudio metalográfico.
1a 1b
La figura 1a muestra las probetas de acero inoxidable SAE
1018, y la 1b las del acero API X-70
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El diámetro de las probetas cilíndricas está en un rango entre
10mm y un espesor de 12 mm, y las rectangulares es de 3.7mm X
7 mm con un espesor de 3 mm.
2.1 Equipo a utilizar
Para poder comprender la organización de los procesos llevados a
cabo para el análisis metalográfico, se describe a continuación los
procedimientos, equipo y consumibles utilizados.
AA.. LLiijjaass PPaarraa RReeaalliizzaarr UUnn EEssmmeerriillaaddoo OO PPuulliiddoo..
Se inició con el procedimiento de un lijado burdo. Las tres
muestras fueron desbastadas con papel lija del No 200 y 320 para
quitar irregularidades en las caras de la probetas.
Para realizar un pulido intermedio, después de un montaje
adecuado, la muestra se pule sobre una serie de hojas de lija, con
abrasivos más finos sucesivamente. Generalmente, las operaciones
de lijado se hacen con papel de lija que tiene goma y por lo tanto,
se puede utilizar agua como lubricante y como refrigerante, para
impedir el sobrecalentamiento de la muestra. Las lijas que se
utilizan son:
a) Lija No 200
b) Lija No 320
c) Lija No 400
d) Lija No 600
e) Lija No 1 000
f) Lija No 1 200
g) Lija No 1 500.
Para darle el pulido y acabado requerido para la metalografía se
utilizaron lijas a partir del No. 400 hasta la 1500, utilizando como
lubricante agua.
La figura 2 muestra algunas de las lijas utilizadas en el desbaste y
pulido.
Figura 2 muestra algunas ligas que se utilizaron en el desbaste
y pulido con agua.
El pulido fino (acabado espejo), se obtiene mediante una rueda
giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con
partículas abrasivas como lo muestra la figura 3. El abrasivo
utilizado fue el óxido de aluminio, ya que es el más utilizado para
pulir materiales ferrosos.
Figura 3 Pulidora con paño para el acabado fino de las
probetas
BB.. MMiiccrroossccooppiioo MMeettaallooggrrááffiiccoo..
La caracterización de la microestructura se llevó a cabo mediante
el uso de un microscopio óptico invertido (ZEISS AX10)como lo
muestra la figura 4 , teniendo en su revolver lentes de 100X, 250
X, 500X y 1000X.
Figura 4 del microscopio óptico invertido utilizado en las
pruebas metalográficas.
C. Reactivos Químicos.
En los ensayos de metalografía se hace uso de varios reactantes
químicos que son importantes porque al entrar en contacto con el
material que va ser observado en el microscopio (SAE 1018
normal, aluminizado y acero API X-70) las microestructuras que
lo forman sea más visibles por medio de dicho instrumentos para
esto dos aceros los compuestos químicos que se van a utilizar
según las normas ASTM son:
Tabla 3 reactivos químicos utilizados para atacar los diferentes
aceros
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2.2 Ataque químico de las probetas.
Después de una adecuada preparación superficial, la muestra
metalográfica fue limpiada con alcohol para evitar que quedaran
partículas sobre la superficie que puedan interferir en el momento
de visualizar la probeta en el microscopio óptico.
Para las probetas de acero SAE 1018 la duración del ataque con
Nital 2 (ver figura 5) fue de 2 seg, para el acero API X-70
permaneció sumergida durante 8 minutos en ácido pícrico (ver
figura 5), durante estos intervalos de tiempos, la superficie atacada
cambia de tonalidad haciéndose más opaca. Una vez concluido el
ataque la muestra se enjuaga en chorro de agua y se seca
empleando algodón limpio. En esta última etapa se podrá apreciar
la coloración final y definitiva de la muestra metalográfica, que
muchas veces suele diferir bastante de la coloración obtenida en la
muestra húmeda inmediatamente después de su remoción de la
solución de ataque. Los tiempos de inmersión de la muestra
dependen fuertemente de la composición química del material y de
su estado microestructural y de estos depende que la visualización
sea la adecuada evitando quemar la probeta como sucedió en el
caso del acero SAE 1018 aluminizado. Teniendo que realizar
nuevamente los procedimientos de pulidos a partir de la lija No.
600.
Figura No. 5 Reactivos de ataque utilizados.
2. 3 Observación microscópica
Las muestras se observaron en el microscopio óptico de platina
invertida. Las muestras se examinan ajustando la iluminación
(campo claro) y filtros de luz para regular la brillantez de la
imagen. También se puede emplear luz polarizada y contraste
interferencial del software para intensificar el contraste entre
fases.
El registro se lleva a cabo con película fotográfica digital en
blanco y negro.
3. METALOGRAFIAS DEL ACERO 1080 NORMAL,
ALUMINIZADO Y DEL ACERO API X-70.
La observación metalográfica se llevó a cabo en la sección
longitudinal de cada una de las muestras, empleando un
microscopio óptico ZEISS AX10 de platina invertida. La
observación y posterior registro fotográfico se realizó con
iluminación y el empleo de filtros de color en caso que se
requieran. El registro fotográfico se efectuó empleando una cámara
fotográfica, acoplada al microscopio.
Las siguientes fotografías muestran el material del acero SAE 1018
normal después del pulido a diferentes aumentos. En la figura 6
muestra unas marcas provocadas por el desbaste la preparación de
las muestras, en la figura 7 se visualiza el terminado del pulido a
lija del No 1500.
Figura 6 metalografía del acero SAE 1018 pulida con un
aumento de 100X
Figura 7 metalografía del acero SAE 1018 pulida con un
aumento de 1000X.
La muestra es atacada con nital (2 a 5% de ácido nítrico en alcohol
metílico). Se da un intervalo de 2 a 4 segundos, la cual oscurece
la perlita como se muestra en la siguiente figura 8.
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Figura 8 metalografías a 100X acero SAE 1018
De las imágenes de 1000X como se observa en la figura 9 notamos
que la perlita se ve de color oscuro y la ferrita de color claro
mientras que en las imágenes de aumentos 500 X apreciamos
variedades de tonalidades de marrón así como el blanco que aun
hace referencia a la ferrita y la variedad de marrones a la perlita
como se observa en la figura 10.
Figura 9. Metalografía a 500X presentando faces de ferrita y
perlita.
Figura 10. Metalografía a 1000X mostrando las diferentes
tonalidades de la perlita.
Observamos que es un acero que contiene perlita y ferrita , esta
ferrita se ve blanca debido a que el nital solo ataca al carbón y la
ferrita no contiene carbón por el contrario la perlita tiene ferrita y
cementita, esta última es rica en carbón por lo cual esta si es
atacada por el nital oscureciendo la perlita. La probeta del acero SAE 1018 aluminizado, pulida se muestra en
la figura 11 a 200X, en ella se puede observar que el proceso de
pulido no fue el adecuado ya que presenta aun rayas del proceso de
desbaste que en teoría con el pulido en paño y alúmina deberías de
desaparecer.
Figura 11. Metalografía a 500X del acero 1018 alimunizado
sin atacar.
En un prime ataque con nital (2 a 5% de ácido nítrico en alcohol
metílico). Se da un intervalo de 2 a 4 segundos, sin embrago la
muestra se excedió en ataque químico y se quemó la superficie lo
que origino que no se observara ninguna fase de la muestra ( ver
figura 12.)
Figura 12. Metalografía a 1000X del acero 1018 alimunizado
atacada con nital , excedida en el tiempo de exposición con el
químico.
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Se pulió nuevamente la probeta del acero 1018 alimunizado para
quitarle de la superficie la parte quemada, comenzando con la lija
No. 600.
Se realizó nuevamente el proceso de ataque con nital (2 a 5% de
ácido nítrico en alcohol metílico). Cuidando que el tiempo de
exposición con el químico fuera solamente de 1 segundo.
La metalografía atacada con este tiempo se muestra en la Figura 13
a 100X muestra solo residuos de la solución con la cual se atacó y
no muestra ninguna fase ni límites de grano.
Figura 13. Metalografía a 100X del acero 1018 alimunizado
atacada con nital .
El acero API X-70 tambien presentaba capa de aluminizado, sin
embargo no se muestra en las metalografías debido a que la
cantidad de material desbastado lo elimino.
La figura 14 muestra la probeta de acero API X-70 pulida a 1000
X donde muestra pequeños rechupes debido al proceso de
fundición de la pieza.
Figura 14. Metalografía del acero API X-70 a 1000X pulida sin
ataque químico.
La probeta de este material fue atacado con Prical (ácido pícrico),
en un primer ataque de 4 segundos no revelo ninguna fase por lo
que se procedió a dejar la muestra sumergida en la solución de
prical 8 minutos.
La figura 15 muestra la metalografía del acero API X70 después
del ataque de 8 minutos. La micrografía fue obtenida con una
ampliación de 200X y 1000X. en esta se muestra una morfología
bifásica con una zona de granos de ferrita en color claro y perlita
en color obscuro siendo esta última la más predominante.
Figura 15 Micrografias ópticas de la microestructura del
acero API X-70 a una ampliación de 200X y 1000X
4. CONCLUCIONES.
La finalidad del presente proyecto es de saber manejar el
microscópio óptico invertido, además de seguir el proceso de
preparación de las muestras para poder observar adecuadamente la
microestructura del material según norma.
Un estudió metalográfico nos sirve para identificar si el material
tiene defectos o tenga problemas de fabricación; de tratamiento
térmico o como es en este caso observar la capa de aluminizado.
Cabe resaltar que es de suma importancia realizar correctamente la
preparación de las muestras ya que esta influye en el resultado de
las pruebas, además de no exceder el tiempo de ataque de la
probeta.
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Final mente se logró identificar diferentes estructuras
metalográficas y la identificación de sus faces en los aceros SAE
1018 normal y API X-70, no así para el 1018 aluminizado debido a
los problemas descritos anteriormente.
REFERENCIAS Y BIBLIOGRÁFICAS
1.Introducción a la metalurgia Física; Sidney H. Avne: segunda
edición; editorial McGrawHill; 1988.