conalepmaqhtas.files.wordpress.com€¦ · web viewse relaciona con otras asignaturas,...

Tecnológico de Estudios Superiores de Coacalco

Departamento de Ingeniería

Mecatrónica

Prácticas de laboratorioCiencia e ingeniería de los materiales

Realizó: Ing. Miguel Angel Ponce García

1

Contenido

Pág.

Práctica #0: Inducción al taller de máquinas herramientas convencionales... …………………………………. 4

Práctica #1: Estructura y defectos cristalinos……………………………………. ………………………………… 10Práctica #2: Ensayo de tracción…..………. ………………………………… 16

Práctica #3: Ensayo de impacto……...… ………………………………… 30

Práctica #4: Metalografía de los aceros… ………………………………… 39

Práctica #5: Tratamientos térmicos……… ………………………………… 46

2

Caracterización de la asignatura

Esta asignatura aporta al Ingeniero Mecatrónico el conocimiento de las propiedades y aplicaciones de los materiales para la selección apropiada y uso eficiente en componentes mecatrónicos.Se relaciona con otras asignaturas, principalmente vinculadas con desempeños profesionales, tal como química, metrología y normalización, ética, procesos de fabricación, dibujo asistido por computadora, mecánica de materiales, diseño de elementos mecánicos, electrónica analógica y desarrollo sustentable, por lo que para alcanzar el objetivo se inserta en la primera mitad de la trayectoria escolar. De manera particular, lo trabajado en esta asignatura se aplica en el estudio de los temas: propiedades-estructura, función-procesamiento.Para integrar esta asignatura debe utilizar las bases de la química, conocer, seleccionar y utilizar adecuadamente los diferentes sistemas de unidades, así como analiza, reflexionar y practicar la solución de problemas y toma de decisiones.

3


Ciencia e ingeniería de los materiales

Ingeniería Mecatrónica

Fecha de elaboración: ___________

Fecha de entrega: ___________

Grupo: ___________

Práctica # 0Inducción al taller de máquinas herramientas

convencionales

Nombre del alumno: ______ ___________________________ Equipo # _______

Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

4

Objetivos.

Conocer los lineamientos que rigen en el laboratorio. Conocer los derechos y obligaciones del alumnado al hacer uso del

laboratorio.

Lineamientos de operación de talleres y laboratorios

5






Grupo: ___________

Práctica # 1Estructura y defectos cristalinos

Nombre del alumno: __________________________________ Equipo # _______

Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

6

Objetivos.

Conocer las estructuras cristalinas presentes en los materiales, así como las imperfecciones que pueden presentarse en estas.

Introducción.

La mayoría de los materiales estructurales y tecnológicos, a excepción de la mayoría de los vidrios y los polímeros, son de naturaleza cristalina. Esto es, poseen un arreglo ordenado repetitivo o periódico de átomos (o iones) enlazados en las tres dimensiones. Por consiguiente, la estructura cristalina de un material se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red.

La red es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un patrón periódico de tal modo que los alrededores de cada punto de red son idénticos (estructura cristalina).

Figura 1. Empaquetamiento cerrado en el plano.

La celda unitaria es la subdivisión de una red que sigue conservando las características generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idénticas se puede construir toda la red.

Algunas características de una red o celda unitaria son: Parámetro de red. Describe el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen

las dimensiones de las aristas de la celda unitaria y los ángulos entre estas. Existen siete sistemas cristalinos y 14 puntos de red, llamados redes de Bravais.

7

Figura 2. Redes de Bravais y sus características.

Cantidad de átomos por celda unitaria. Es el producto del número del punto de red multiplicado por el número de puntos de red en cada celda unitaria.

Puntoderedceldaunitaria

=Punto deredvértice

x vérticescelda

Número de coordinación. Es el número de átomos que tocan a otro en particular, es decir, el número de vecinos más cercanos.

Figura 3. Número de coordinación: Cubico simple (CS), Cubico centrado en el cuerpo (BCC)

Factor de empaquetamiento. Es la fracción de espacio ocupada por átomos, suponiendo que los átomos son esferas sólidas que tocan a su vecino más cercano.

Factor deempaquetamiento=

Númerodeátomoscelda

xVolumende cadaátomo

Volumende la celdaunitaria

8

La siguiente tabla muestra los principales parámetros de las estructuras

cristalinas:

Tabla 1. Características de cristales.

El arreglo de los átomos o de los iones en los materiales diseñados tienen imperfecciones o defectos. Usualmente, estos defectos afectan las propiedades de los materiales. En muchas aplicaciones es útil la presencia de los defectos. Los defectos son interrupciones localizadas en arreglos atómicos o iónicos, los cuales pueden ser puntuales, dislocaciones o superficiales.

Figura 4. Defectos puntuales: (a) Vacancia; (b) Pequeño átomo intersticial; (c) átomo sustitucional;

(d) átomo sustitucional grande; (e) defecto Frenkel y (f) defecto Schottky.

9

Material a utilizar.

50 esferas de unicel. 1 caja de palillos de madera con punta.

Procedimiento.Armar con las esferas de unicel

1) Las redes cristalinas (3-D):2) Defectos puntuales (2-D)

Vacancias. Intersticial. Sustitucional.

Reporte.

1. Completar los datos requeridos de la tabla. Colocar imagen del modelo realizado correspondiente a cada celda. Además, determine la cantidad de átomos e investigue la ecuación para determinar el volumen de cada estructura cristalina.

Estructura Simple (S) Centrada en las caras

(FC)

Centrada en el cuerpo

(BC)

Volumen Cantidad de átomos por

celdaCúbica

Tetragonal

Ortorrómbica

Hexagonal

Romboédrica

Monoclínica

Triclinica

2. ¿Cómo afectan las imperfecciones puntuales (sitios vacantes, átomos intersticiales, átomo sustitucional) el comportamiento de un material?

10

3. ¿En qué tipo de proceso (químico, térmico, mecánico, etc.) se presenta la

generación de dislocaciones?4. La densidad del torio, que tiene estructura FCC y un átomo por punto de red,

es 11.72 g/cm3. El peso atómico del torio es 232 g/mol. Calcular: a) el parámetro de red y, b) el radio atómico del torio.

5. El berilio tiene una estructura hexagonal con a0=0.22858 nm y c0=0.35842 nm. Su radio atómico es 0.1143 nm, la densidad es 1.848 g/cm3 y el peso atómico es 9.01 g/mol. Calcular: a) la cantidad de átomos por celda unitaria y, b) el factor de empaquetamiento en la celda unitaria.

Conclusiones.

Realizar comentarios acerca de las diferentes celdas unitarias y sus imperfecciones; así como el efecto que tienen estas en las propiedades de un material.

Referencias. Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé. Ciencia e ingeniería de los materiales,

cuarta edición. Editorial Thomson.

11






Grupo: ___________

Práctica # 2Ensayo de tracción


Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

12

Objetivo.

Determinar las propiedades mecánicas del aluminio mediante la prueba de

tracción e interpretación de su gráfica s-e.

Introducción.

En el ensayo de tracción o tensión se mide la resistencia de un material a una fuerza estática o aplicada lentamente. Este ensayo se evalúa mediante la norma ASTM-8 para determinar la resistencia en el límite elástico, alargamiento del límite elástico, resistencia a la tracción, alargamiento y reducción del área del metal.Mediante este ensayo se pueden obtener diferentes propiedades, como son:Resistencia de cedencia. Al aplicar una carga a un material, este presenta primeramente una deformación elástica, la cual desaparece si se elimina la carga. Pero si se continúa aumentando la carga, el material comienza a presentar una deformación tanto elástica como plástica. El valor crítico del esfuerzo necesario para iniciar la deformación plástica se llama límite elástico del material.Resistencia a la tensión o a la tracción. Es el esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada. En muchos materiales dúctiles, la deformación no permanece uniforme.

Figura 1. Curva esfuerzo ingenieril-deformación ingenieril para una aleación de aluminio.

Ductilidad. Mide la cantidad de deformación que puede resistir un material sin romperse. Puede determinarse mediante la elongación porcentual o por la reducción porcentual del área.

13

% alargamiento=l f−l0

l0x 100

% reducciónenárea=A0−A f

A0x100

Donde lf y lo son la longitud final y la longitud inicial de la probeta entre las marcas

de calibración, respectivamente. A0 es el área transversal de la probeta antes del

ensayo, y Af es el área transversal en la superficie fracturada.

Fragilidad. Propiedad de un material de fracturarse con escasa deformación, es decir, un material poco dúctil es frágil.

(a) (b)

Figura 2. (a) Material dúctil (b) Material frágil.

El diagrama esfuerzo-deformación de un material dúctil mostrado en la figura 3, inicia con una línea recta desde O hasta A, en donde la relación entre el esfuerzo y la deformación además de lineales son proporcionales. Más allá del punto A ya no existe proporcionalidad, por lo que al esfuerzo en el punto A se le llama límite de proporcionalidad. La pendiente de la línea recta de O a A se denomina módulo de elasticidad. Con un incremento del esfuerzo más allá del límite de proporcionalidad ocurre un alargamiento considerable sin un aumento notable de la fuerza (del punto B al C), llamado punto de fluencia. La elongación de la muestra requiere un aumento en la carga de tensión, por lo cual se presenta una pendiente positiva de C a D. La carga llega a un valor máximo y el esfuerzo correspondiente (punto D) se llama esfuerzo último.

14

Figura 3. Diagrama esfuerzo-deformación de materiales dúctiles en tensión.

El módulo de elasticidad o módulo de Young (E), es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación unitaria en la región elástica. Esta relación es la ley de Hooke.

ϵ= σE

Siendo e es la deformación unitaria, s el esfuerzo y E el módulo de elasticidad.Además:

ε=lf−l0

l0

σ= FA

Siendo lf y lo son la longitud final y la longitud inicial de la probeta entre las marcas de calibración, respectivamente. F la fuerza aplicada y A el área transversal inicial de la probeta.

Los diagramas esfuerzo-deformación de diversos materiales varían ampliamente y diferentes ensayos de tensión con el mismo material pueden producir resultados diferentes de acuerdo con la temperatura de la probeta y la velocidad de carga.

15

Figura 4. Diagramas esfuerzo-deformación de dos materiales dúctiles típicos.

Las probetas para ensayos de tracción se fabrican en una variedad de formas. La sección transversal de la probeta puede ser redonda, cuadrada o rectangular.

Figura 5. Probeta redonda para ensayo de tracción y sus dimensiones (Norma ASTM E8)

Figura 6. Probeta rectangular para ensayo de tracción y sus dimensiones (Norma ASTM E8).

16

http://www.monografias.com/trabajos13/libapren/libapren2.shtml#TRECE

Material y equipo a utilizar.

Probeta de aluminio para ensayo de tracción. Máquina universal de ensayos, Marca SHIMADZU Calibrador vernier.

Procedimiento.

Realizar el ensayo de tracción siguiendo los pasos descritos a continuación:

Paso 1. Fabricar la probeta cilíndrica de acuerdo con las dimensiones del espécimen 1, mostradas en la figura 6.

Figura 7. Fabricación de probeta.

Paso 2. Entintar la probeta y empleando un calibrador de alturas, trazar una línea recta a lo largo de la línea de centro de la probeta. Posteriormente trazar dos líneas separadas equidistantemente del centro de la probeta, las cuales representan la longitud de medida (Dimensión G, figura 5).

(a) (b) (c)

Figura 8. Trazado. a) Línea de centro, b) Longitud de medida, c) En probeta.

Paso 3. Preparar la máquina universal de ensayos.

17

Figura 8. Máquina universal de ensayos, Marca SHIMADZU.

a) Energizarla activando los interruptores.

Figura 9. Interruptores.

b) Al energizar aparece el icono Force E-cal en la pantalla. Presionar y seleccionar la opción Yes para calibrar.

Figura 10. Pantallas para calibración del sistema de fuerza.

18

c) Seleccionar las mordazas de sujeción adecuadas al tipo y dimensiones de

la probeta.

(a) (b)

Figura 11. Mordazas. (a) Para probeta cilíndrica, (b) Para probeta plana.

d) Montar las mordazas: d1) Retirar el resorte de tensión, d2) Aflojar los tornillos de sujeción, d3) Colocar las mordazas, d4) Apretar los tornillos y colocar el resorte.

Figura 12. Sujeción de mordazas.

Paso 4. Medir las dimensiones de la probeta empleando un calibrador vernier.

(a) (b)Figura 13. Medición de probeta. a) Longitud de medición, b) Diámetro.

19

Paso 6. Colocar la probeta en las mordazas de la máquina universal de ensayos, asegurando que este bien sujeta antes de iniciar la prueba.

(a) (b)Figura 9. Tipos de probetas. a) Cilíndrica, b) Plana.

Paso 7. Preparar el sistema graficador de la máquina universal de ensayos.a) Abrir el programa TRAPEZIUM. Seleccionar la opción “Crear nuevo

método”.

Figura 15. Pantalla inicial del programa TRAPEZIUM.

b) Capturar datos de la probeta y parámetros a emplear en la prueba de tensión.

20

Figura 16. Pantalla inicial de captura de datos y parámetros. Programa TRAPEZIUM

c) Grabar el método mediante la opción “Grabar un método”. Nombrar el archivo.

Paso 8. Iniciar la prueba de tensión para obtener la gráfica de esfuerzo-deformación unitaria.

a) Seleccione la opción “Iniciar el ensayo”.b) Aparece un mensaje para confirmar inicio del ensayo. Seleccionar “Inicia

el ensayo”

(a) (b)

Figura 17. Opciones. a) Inicio de ensayo, b) Confirmación para iniciar el ensayo

21

Figura 18. Generación de la gráfica.

Paso 9. Una vez que ocurre la falla, retire las partes de la probeta ensayada, preséntelas y mida el diámetro de la sección de rotura, así como la nueva longitud entre las líneas de calibración (longitud de medida).

Figura 19. Probeta ensayada.

Paso 10. Al retirar la probeta, analizar los tipos de fracturas. Determinar a simple vista si el material presenta zonas plásticas o no, identificando la zona de deformación y el tipo de fractura que presenta.

Figura 20. Tipos de fractura: a) Frágil, b) Dúctil, c) Completamente dúctil.

22

Reporte.

1. Completar la siguiente tabla con los datos obtenidos en el ensayo.

No. de ensayo

Longitud inicial (mm)

Diámetro inicial (mm)

Longitud final (mm)

Diámetro final (mm)

Tipo de fractura

Imagen

1

2. Con los datos obtenidos en durante la prueba, realizar el diagrama esfuerzo-deformación.

Ensayo 1.No. Esfuerzo

(N/mm2)Deformación

unitariaNo. Esfuerzo

(N/mm2)Deformación

unitaria 1 162 173 184 195 206 217 228 239 2410 2511 2612 2713 2814 2915 30

3. De la gráfica esfuerzo-deformación obtenida en el ensayo 1, determinar: los esfuerzos de a) cedencia con un 0.2% de deformación convencional, b) máximo y c) de ruptura.Esfuerzo de cedencia

(N/mm2)Esfuerzo máximo (N/mm2) Esfuerzo de ruptura (N/mm2)

23

4. Con los datos obtenidos por otro equipo en una probeta del mismo material,

realizar el diagrama esfuerzo-deformación. Considerarla como ensayo 2.

No. de ensayo

Longitud inicial (mm)

Diámetro inicial (mm)

Longitud final (mm)

Diámetro final (mm)

2

Ensayo 2.No. Esfuerzo

(N/mm2)Deformación

unitariaNo. Esfuerzo

(N/mm2)Deformación

unitaria 1 162 173 184 195 206 217 228 239 2410 2511 2612 2713 2814 2915 30

5. Compara las gráficas obtenidas mediante la prueba. En caso de existir diferencias entre ambas pruebas, explica las causas a las que se deben estas.

24

Conclusiones.

Elaborar las conclusiones a partir de lo observado en los resultados y el análisis de éstos.

Referencias. Askeland, Donald R., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, cuarta edición.

Editorial Thomson. James M. Gere, Barry J. Goodno. Mecánica de materiales, Séptima edición.

Editorial CENGAGE Learning. Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de ingeniería. Manual

de prácticas, Laboratorio de ciencia de materiales, Ingeniería mecánica. Norma E8-00 Métodos de prueba estándar para tensión en materiales

metálicos. https://es.slideshare.net/filomenospanfilodeagor/norma-astm-e8-en-espaol

Norma ASTM E8/E8M. https://ingmecausta.wordpress.com/2015/11/21/ norma-astm-e8e8m/

25






Grupo: ___________

Práctica # 3Ensayo de impacto


Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

26

Objetivo.

Determinar la tenacidad y ductilidad de los materiales.

Introducción.

En muchas operaciones de manufactura, así como durante la vida útil de los componentes, los materiales se someten a impacto o cargas dinámicas, por ejemplo, en operaciones de trabajo de metales de alta velocidad, como cabeceado para la fabricación de pernos y el forjado por golpe. Los efectos de estos impactos pueden ser evaluados mediante una prueba o ensayo de impacto.

El ensayo de impacto suministra una indicación de la fragilidad del material y considera los tres factores que aumentan la fragilidad:

1. Alta velocidad de aplicación de la carga.2. Bajas temperaturas.3. Estado complejo de tensiones (existencia de entallas, cambios bruscos de

sección, etcétera)

En el ensayo de impacto, una masa (péndulo o martillo) que cae de cierta altura impacta sobre una probeta con muesca (entalladura). Como resultado, se obtiene la energía absorbida por la probeta, cuando esta probeta es rota de un solo golpe, por la masa que cae.

Figura 1. Ensayo de impacto.

27

Existen dos formas para realizar los ensayos de impacto y son el método Charpy (que es el más usado) y el método Izod. En ambos casos, la rotura se produce por flexión de la probeta, por lo que esta se llama flexión por choque.

En el método de Charpy, el espécimen se soporta en ambos extremos; mientras que en el ensayo Izod, se soporta en un extremo como una viga en voladizo. La energía disipada al romper el espécimen se obtiene a partir de la cantidad de oscilación del péndulo, esta energía es la tenacidad al impacto del material.

Figura 2. Colocación de la probeta

Las muestras empleadas en este ensayo, deben ser maquinadas, según la norma ASTM E23-07a “Standard Test Method for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials”.

Figura 3. Características de las probetas para ensayo tipo Charpy e Izod.

28

Las pruebas de impacto son útiles para determinar la temperatura de transición dúctil-frágil de los materiales. En general, los materiales con una alta resistencia al impacto también tienen resistencia y ductilidad altas, y por lo tanto, alta tenacidad.

En los materiales de ingeniería se presentan dos tipos de fractura que son:1) Fractura dúctil. La deformación será plástica, por lo tanto, son fracturas con

absorción de energía relativamente alta.2) Fractura frágil. La deformación plástica es mínima y la absorción de energía

muy baja.

Figura 4. Probetas de acero fracturadas. (a) Dúctil, (b) Frágil.

Figura 5. Superficies típicas de las fracturas: (A) Frágil, (B) Parte dúctil, parte frágil, (C) Dúctil

En el ensayo de impacto se puede considerar:

Expansión lateral. Apariencia de fractura. Temperatura de transición.

Expansión lateral. La acción del impacto produce flexión y corte en la probeta. La flexión provoca simultáneamente, tracción y compresión. La zona traccionada se alargará longitudinalmente y, por tanto, disminuirá su ancho; mientras que la zona comprimida se acortará en la dirección del eje de la probeta y se ensanchará transversalmente.

29

Figura 6. Expansión lateral.

Apariencia de la fractura. En el plano de la rotura de la probeta, se distinguen dos zonas: una zona dúctil cuyo aspecto es sedoso y opaco, y una zona frágil de aspecto granular y brillante.

Figura 7. Esquema de una fractura.

Figura 8. Apariencia de la fractura

30

Temperatura de transición. Determinados materiales (aceros férricos, aleaciones de titanio) se caracterizan por que la energía absorbida en la rotura varía fuertemente en función de la temperatura de ensayo.

Figura 9. Gráfico de temperatura de transición.


Máquina para ensayo de impacto. 4 probetas de acero para prueba Charpy.

Procedimiento.Someter varias muestras al ensayo de impacto tipo Charpy.

Figura 10. Máquina para prueba de impacto Charpy.

31

Los ensayos se realizarán siguiendo los pasos indicados a continuación:

Paso 1. Realizar prueba en vacío para determinar el estado de calibración de la máquina.

a) Ajustar la aguja en el valor máximo de la escala de acuerdo al péndulo empleado (150 J- Small Pendulum; 300 J – Big Pendulum).

Figura 11. Escala.b) Liberar el péndulo.

Figura 12. Botonera.

b.1) Colocar el interruptor en “On”.b.2) Presionar el botón “Take Pendulum”.b.3) Presionar el botón “Release Pendulum”.

Notas:1) En caso de no liberar el péndulo,

presionar el botón “Impact”.2) En caso de no regresar el péndulo a su

posición inicial, presionar el botón “Take Pendulum” para que la maquina regrese el péndulo a su posición inicial de manera automática.

c) Colocar el interruptor en “Off”.d) Tomar el valor de la energía absorbida en vacío.

32

Paso 2. Realizar la prueba de impacto Charpy.

a) Colocar la probeta en el soporte.

Figura 13. Colocación de probeta.

b) Ajustar la aguja en el valor máximo de la escala de acuerdo al péndulo empleado (150 J- Small Pendulum; 300 J – Big Pendulum).

Figura 14. Escala.c) Liberar el péndulo.

Figura 15. Botonera.

b.1) Colocar el interruptor en “On”.b.2) Presionar el botón “Take Pendulum”.b.3) Presionar el botón “Release Pendulum”.

Notas:3) En caso de no liberar el péndulo,

presionar el botón “Impact”.4) En caso de no regresar el péndulo a su

posición inicial, presionar el botón “Take Pendulum” para que la maquina regrese el péndulo a su posición inicial de manera automática.

33

d) Colocar el interruptor en “Off”.e) Tomar el valor de la energía absorbida por el materialf) Retirar la probeta y observar el tipo de fractura.

Paso 3. Repetir el paso 2 para cada una de las probetas.

Reporte.

1. Capturar la información generada en la práctica en la siguiente tabla:

Ensayo MaterialEnergía

absorbida(J)

Energía en vacío

(J0)

Energía absorbida

real(J – J0)

Tipo de fractura

Imagen

1

2

3

4

Conclusiones.

En base a lo observado y a los datos obtenidos, elaborar conclusiones, respecto a los diferentes conceptos relacionados con el ensayo de impacto de un material y, como afecta en el resultado las dimensiones de la probeta y la fabricación de la muesca..Referencias.

Kalpakjian, Serope & Schmid, Steven R. Manufactura, ingeniería y tecnología, Quinta edición. PEARSON Educación.

Avner, Sydney H. Introducción a la metalurgia física, Segunda edición. McGraw Hill.

Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de ingeniería mecánica. Manual de prácticas: Laboratorio de ciencia de materiales.

ASTM International. Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, Designation E23-07ª.

34






Grupo: ___________

Práctica # 4Metalografía de los aceros


Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

35

Objetivo.

Prepara muestras metálicas para su análisis metalográfico y relaciona la microestructura observada con sus propiedades mecánicas.

Introducción.

La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las características estructurales de un metal o aleación para relacionarlas con las propiedades físicas y mecánicas de los mismos, como lo es el tamaño de grano, forma y distribución de las fases que comprenden la aleación, y de las inclusiones no metálicas como sopladuras, micro cavidades de contracción, escorias, así como la presencia de segregaciones y otras heterogeneidades que tienen gran efecto sobre las propiedades mecánicas y el comportamiento general de un metal. La microestructura revelará el tratamiento mecánico y térmico del material y, bajo un conjunto de condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.

Para realizar el análisis metalográfico, es necesario seguir la siguiente metodología.1. Selección de la muestra. La selección de una muestra para estudio

metalográfico depende del tipo de trabajo que se trate:a) Muestras de producción.b) Muestras de productos laminados.c) Muestras de fundición.d) Muestras de tratamientos térmicos.e) Muestras de piezas falladas, etcétera.

2. Corte. Cuidar que al realizar el corte no incremente la temperatura, ya que ésta puede alterar la estructura del material. Dependiendo del material, el corte se puede realizar mediante disco abrasivo (cortadora), sierra mecánica, etcétera.

Figura 1. Cortadora

3. Montaje. El montaje de muestras tiene dos objetivos: Facilitar la manipulación de las muestras.

36

Proteger los bordes de las muestras (Preservarlos).

Entre los materiales usados para formar el montaje se encuentran los materiales termoendurecibles (baquelita y materiales a base de celulosa); y materiales termoplásticos (resinas epóxicas).

Figura 2. Montaje de muestra

4. Desbaste. El desbaste se lleva a cabo con la finalidad de preparar la superficie, obteniendo un rayado uniforme. Un desbaste adecuado minimiza la distorsión superficial del material. El desbaste se realiza desgastando la superficie de la muestra con papeles abrasivos (lijas) progresivamente más finos; por ejemplo, papeles de 180, 240, 400 y 600, en ese orden. El desbaste debe realizarse en húmedo, usando agua o algún aceite como medio líquido.

Figura 3. Lijadora para desbaste.

5. Pulido. Es la etapa final en la preparación de una superficie plana, libre de ralladuras y de apariencia especular.El pulido mecánico utiliza discos cubiertos con algún tipo de paño, sobre el cual se esparce un medio abrasivo (alúmina). Los discos giran a velocidades ajustables y la muestra se oprime contra ellos manual o mecánicamente hasta alcanzar el acabado espejo en la superficie de la muestra. Esta operación se divide en dos etapas:

a. Alúmina de color gris (20 micras de diámetro).b. Alúmina de color blanco (0.5 micras de diámetro).

37

Figura 4. Pulido.

6. Ataque. El ataque es de tipo químico y consiste en cubrir la zona preparada (acabado espejo), con una solución química que debe ser acorde al tipo de metal por observar. El ataque hace visibles las características estructurales del metal, delineándolas con claridad y precisión.

7.

Figura 5. Reactivos para realizar el ataque.

8. Análisis. Se examina la microestructura del metal a través de un microscopio metalográfico.

38

a) b)Figura 6. Microscopio metalográfico a) no invertido y b) invertido.

Figura 7. Microestructuras


Lijas de carburo de silicio con tamaño de grano 120, 180, 220, 360, 400, 500 y 600

Probetas de diferentes aceros. Reactivos de ataque (Nital) Cortadora. Desbastadora. Pulidora. Microscopio metalográfico.

39

Procedimiento.Aplicando la metodología indicada realiza la siguiente secuencia para realizar la preparación metalográfica.1. Proporcionar muestras de trabajo seleccionadas.2. Cortar la muestra (el tamaño deberá ser representativo).3. Si el material se cortó con cinta sierra, esmerilar para disminuir el rayado.4. Realizar el pulido intermedio con lijas, empezar con un tamaño de grano de

120 y llegar al 600. Con cada cambio de lija, girar la pieza 90° para generar el nuevo acabado.

5. Realizar el pulido fino con alúmina fina (alúmina gris de 20 micras de diámetro y alúmina blanca de 0.5 micras de diámetro), hasta obtener un acabo espejo en la cara de la pieza de trabajo.

6. Hacer el análisis metalográfico. En la primera fase, observar la pieza para determinar si presenta inclusiones, de qué tipo son y qué acabado tiene la pieza.

7. Realizar el ataque químico de acuerdo al material. Para los aceros se aplica NITAL (Ácido nítrico 2% y alcohol metílico 98%).

8. Observar en el microscopio las fases presentes en la microestructura y tamaño de grano por pulgada cuadrada.

9. Registrar los resultados.

Reporte.

1. Explica la importancia del desbaste y el pulido en el proceso de preparación de la muestra.

2. ¿Cuál es la importancia del ataque químico de la muestra ya pulida?3. ¿Qué muestra se preparó durante la práctica y que aspecto se obtuvo al

microscopio? Describa lo más detallado posible la forma y tamaño de los granos observados en la muestra preparada.

Conclusiones.

En base a la observación y análisis de resultados, elaborar conclusiones, respecto a los factores que afectan la realización de un análisis metalográfico confiable.Investigue en diversas fuentes la micrografía del material de la prueba y analice las similitudes y diferencias entre estas.

40

Referencias.

Rosas Morales, Luis. Curso de metalografía y pruebas mecánicas fundamentales. Sample & Test México.

Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de ingeniería mecánica. Manual de prácticas: Laboratorio de ciencia de materiales.

ASM International. ASM Handbook volumen 9, Metallography and microstructures.

41






Grupo: ___________

Práctica # 5Tratamientos térmicos


Observaciones: ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Evaluación: _______________

42

Objetivo.

Realiza el temple de un acero cuyas características se desconocen.

Introducción.

El tratamiento térmico de temple consiste en calentar el acero a una temperatura predeterminada; mantener esta temperatura hasta que el calor haya penetrado hasta el corazón de la pieza y enfriar bruscamente en el medio correspondiente según el tipo de acero.La temperatura de temple para los aceros de diferente contenido de carbono y elementos aleantes está determinada por la posición de las líneas A1 y A3.

Figura 1. Diagrama Hierro-Carburo de hierro

Para los aceros al carbono la temperatura de temple puede determinarse por el diagrama Hierro-Carburo de hierrro. Por lo general para el acero hipoeutectoide debe ser 30-50°C más alta que AC3 y para el hipereutectoide, 30-50°C más alto que AC1.Es deseable que el medio de enfriamiento para el temple enfríe con rapidez en la zona de temperaturas donde la austenita tiene poca estabilidad (600-500°C) y con

43

lentitud en la zona de temperaturas de la transformación martensítica (300-200°C) para que no se originen esfuerzos muy elevados que puedan deformar o agrietar el material.Para templar las piezas hechas de acero al carbono, con alta velocidad crítica de temple, se utiliza corrientemente el agua; aunque otro medio de enfriamiento muy común es el aceite. Los mejores resultados se obtienen templando en baños de sal, los cuales tienen muchas ventajas sobre los medios de enfriamiento ya citados.Cuando la composición del acero se desconoce, será necesaria una experimentación para determinar el rango de temperaturas de temple. El procedimiento a seguir es templar un determinado número de muestras del acero a diferentes temperaturas y medios de temple y observar los resultados mediante pruebas de dureza o al microscopio. La temperatura y medio de temple adecuados serán los que den como resultado el mayor aumento en la dureza y en otras propiedades sin ocasionar fracturas o deformaciones.


Barras de acero. Horno. Pinzas de sujeción. Guantes de asbesto. Agua y aceite mineral. Lijas de carburo de silicio con tamaño de grano 180, 220, 360, 400, 500 y 600 Reactivos de ataque para el acero (Nital 2%). Microscopio metalográfico. Durómetro. Recipientes para contener los medios de temple.

Procedimiento.Se utilizarán por lo menos dos probetas de acero de la misma composición de carbono, para visualizar las diferencias de templar en agua y aceite.Paso 1. Se tomarán dos muestras del mismo material y se les denominarán probeta 1 y probeta 2.Paso 2. Desbaste y pulido de la una de las probetas de acero.Paso 3. Ataque de la probeta de acero con el reactivo.Paso 4. Observar al microscopio la probeta y fotografiar la microestructura observada a 400X.Paso 5. Realizar la prueba de dureza a las probetas

44

Paso 6. C Calentar las dos probetas en el horno a una temperatura comprendida entre 850 y 900ºC durante 20 minutos.Paso 7. Cuando las probetas estén listas para el temple, tomarlas con las pinzas y depositar primero la probeta 1 en el recipiente con agua y agitar en forma de "ocho" dentro del medio de temple. Hacer lo mismo con la probeta 2, sólo que se templará en aceite.Paso 8. Pulir y atacar con el mismo reactivo a las probetas.Paso 9. Observar al microscopio las dos probetas y fotografiar la microestructura observado a 400X.Paso 10. Realizar la prueba de dureza a las dos probetas.

Reporte.

1. ¿Qué es un tratamiento térmico?2. ¿Qué es el temple y cuál es su objetivo?3. ¿Cuáles son los medios de enfriamiento que se emplean en el temple, y de

qué factores depende la elección de éstos?4. Para la mayoría de los propósitos donde el acero al carbono debe ser

endurecido. ¿Cuál es el rango de contenido de carbono que es utilizado? ¿Por qué?

5. ¿Por qué no debe calentarse el acero demasiado arriba de su temperatura crítica superior antes de ser enfriado?

6. Explique por qué no es deseable la oxidación en un tratamiento térmico.7. Explique por qué no es deseable la descarburación en un tratamiento térmico8. ¿Qué ventajas proporciona un calentamiento previo (precalentamiento) del

acero antes de ser templado?9. ¿A qué se deben los cambios dimensionales ocasionados al templar aceros?10.¿Existen cambios en la microestructura del acero antes y después del temple?

¿Por qué?

Conclusiones.

En base a lo observado, elaborar conclusiones, respecto a los diferentes conceptos relacionados con el temple del acero.

45

Referencias.

Askeland, Donald R., Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 4ta ed., México, Thomson, 2004.

Apraiz Barreiro, José. Tratamientos Térmicos de los Aceros. Editorial Dossat, S. A. 8a Edición. 1981.

Sydney H. Avner, Introducción a la Metalurgia Física. McGraw-Hill. Segunda Edición.1988.

Díaz del Castillo R., Felipe y Reyes Solís, Alberto. Acero, Estructuras y sus tratamientos térmicos.

46

conalepmaqhtas.files.wordpress.com€¦ · web viewse relaciona con otras asignaturas,...

Documents