PRÁCTICA Nº 4

 

 

      DIAGRAMA DE FASES DEL ACERO.

 

 

 

Objetivos.

 

Ø      Análisis con el microscopio metalográfico de las diferentes microestructuras obtenidas tras distintos tratamientos térmicos  y con diferentes tipos de enfriamientos (normalizado, recocido y templado)..

Ø      Análisis de las curvas de dureza con respecto a la distancia a la cabeza del tornillo en los diferentes tratamientos térmicos.

Ø      Medida del tamaño de grano.

Ø      Relación de la microestructura observada con las medidas de dureza.

 

 

Equipos y materiales a utilizar.

 

 

Ø      Dos tornillos de acero con 50 mm de longitud y dos de 17 mm.

Ø      Horno cerámico.

Ø      Instrumento para la realización de templados con salmuera y agua.

Ø      Lijadora y pulidora

Ø      Productos  químicos para hacer el ataque a las muestras.

Ø      Microscopio óptico

Ø      Cámara fotográfica.

Ø      Microdurómetro.

 

 

Conocimientos previos necesarios.

 

 

La formación de aleaciones metálicas ha sido desarrollada desde el principio de los tiempos con el fin de buscar materiales que presenten propiedades diferentes a los metales puros existentes en la naturaleza.

 

El análisis de los procesos fisicoquímicos que suceden en la formación de las aleaciones y los diagramas de fase, y en particular el del acero, han sido estudiados en la asignatura de Materiales. Estos conceptos son imprescindibles para entender los procesos que en esta práctica se van a observar. Antes de comenzar el experimento se deberán conocer los siguientes conceptos:

 

Ø      Definición de aleación.

Ø      Conceptos de componente, soluto, fase, interfase, núcleo y solución sólida.

Ø      Tipos de aleaciones: Reglas de Hume-Rothery.

Ø      Procesos físicos que intervienen en la formación de las aleaciones, Cambios de fase.

Ø      Diagramas de fase: Construcción e interpretación en los casos de un metal puro y una aleación metálica.

Ø      Diagrama de fases del acero: diferentes fases (martensita, perlita, cementita, etc) y tipos de aceros que se encuentran dependiendo de la concentración de carbono. Propiedades de cada uno de ellos.

Ø      Fase martensita (observada fuera del equilibrio).

Ø      Tipos de enfriamiento. Recocido, normalizado y templado.

Ø      Efectos del enfriamiento.

 

 

Descripción de  la práctica.

 

Se va a trabajar con 4 tornillos de acero hipoeutectoide, dos de longitud 50 mm y dos de 17 mm que se entregarán al comienzo de la práctica. Podemos dividir el experimento en dos partes; una primera donde se realiza el recocido y el normalizado a los cuatro tornillos y una segunda donde se realizarán los templados.

 

1) Recocido y normalizado

 

Se programa el horno a 800oC, alcanzada la temperatura se introducen los tornillos, manteniéndose al menos 45 minutos a  esa temperatura para que todos adquieran la fase austenita homogenea.

 

Enfriamiento: transcurrido el tiempo previsto se apaga el horno, se sacan del horno un tornillo largo y otro corto (usar guantes y pinzas de horno largas) y se colocan encima de una cerámica refractaria hasta que se encuentren a temperatura ambiente (normalizado). Los otros dos tornillos se dejan en el horno para que se enfríen más lentamente (recocido).

 

Lijado y pulido: cuando los tornillos están fríos, se lijan con una pulidora (los tornillos largos se lijan con la pulidora manual) comenzando con las lijas más abrasivas y pasando a las de grano más fino posteriormente. Cuando se cambia de una lija a otra, hay que lijar girando la muestra 90o. Terminado el proceso se pasa al pulido en una pulidora circular (ver fotografía de la lijadora-pulidora) que consiste en pasar la muestra sobre un paño impregnado con alúmina. Se considera que el lijado y pulido está finalizado cuando en el microscopio no se observan surcos y la muestra refleja. Todo este proceso en los tornillos cortos se realiza teniéndolos introducidos en un molde de cera previamente construido en una prensadora (ver fotografía de la prensadora) y se lijan siguiendo los mismos pasos descritos anteriormente.

 

Ataque químico: si se observa al microscopio la muestra pulida no se ve la microestructura, por lo que es necesario un ataque químico selectivo. Se buscará en la bibliografía del laboratorio los posibles ataques químicos del acero. El tiempo de ataque y la concentración de la disolución son factores muy influyentes en el ataque químico de la superficie. En una disolución muy concentrada o durante un período de tiempo excesivamente largo, la superficie puede estropearse y no poder ser observada; por ello, se recomienda usar disoluciones diluidas e ir aumentando progresivamente el tiempo de ataque hasta observar la microestructura. Cuando ésta es observada, mirar a lo largo del tornillo para ver las fases que aparecen y los cambios que se observan en las diferentes distancias relativas a la cabeza del tornillo. Realizar fotos de las diferentes zonas.

 

Medidas de dureza: después de conocer el manejo del microdurómetro, que explicará el profesor, realizar varias medidas a lo largo del tornillo. La medida de la dureza se realizará haciendo al menos tres medidas a lo ancho del tornillo, manteniendo fija la posición a lo largo del mismo. Se procede de esta manera para tener la certeza de que la fase que estamos midiendo es la misma debido a que los materiales policristalinos no presentan la misma dureza en un grano que en una frontera de grano o una dislocación. Posteriormente con las medidas realizadas y comprobando que no varían en exceso, se calcula la media aritmética y el error cuadrático medio. Representar la dureza para los cuatro tornillos frente a la posición a lo largo del tornillo.

 

2) Templado

 

 Se introducen otros tornillos en el horno a 800oC y transcurrido al menos 45 minutos se saca primero un tornillo largo y se introduce en el aparato preparado para la realización de los templados. Se le hace incidir un chorro de agua fría sobre la punta hasta que la temperatura del tornillo sea la ambiente (comprobar previamente que el chorro de agua tiene suficiente presión para incidir sobre la punta del tornillo). Después de templar el tornillo largo, se pasará al templado del corto. Posteriormente se cambiará a la disolución de agua por salmuera para templar con sal los tornillos que queden en el horno. No se apagará el horno hasta que no se saque el último tornillo.

 

De forma análoga a lo descrito en los tratamientos de normalizado y recocido, se lijarán, pulirán y se atacarán los tornillos, observándose la microestructura a lo largo del tornillo y midiendo su dureza en diferentes partes.

 

Con los resultados obtenidos se realizarán diferentes representaciones y se analizarán los resultados obtenidos:

 

Ø      Representación de la dureza en los tornillos largos frente a la posición en los cuatro tratamientos térmicos.  Realizar una gráfica similar para los cuatro cortos.

Ø      Representaciones gráficas de cada par de tornillos con el mismo tratamiento.

Ø      Análisis los resultados obtenidos:

               - Explicar la variación de la dureza con el tratamiento y con  la longitud del tornillo.

               - Identificar las diferentes fases del acero en las fotografías realizadas.

 

 

Bibliografía

 

 

·        W.F. Smith "Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales" .MacGraw Hill, (1998).

·        J.P. Mercier, G. Zambelli, W. Kurtz "Introduction á la Science des Matériaux”, Presses Polytechnique et Universitaires Romandes Laussane (1999).

·        J.F. Shackelford "Introduction to Materials Science", 5 th Edition, Prentice Hall, (2000).

·        L:H. Van Vlack, "Materials Science for Engineers" Addison Wesley, (1989).

·         S.H. Avner, "Introducción a la metalurgia Física" Edicione5 del Castillo, (1962).

·        Colin J. Smithells “Smithells metal reference book” Butterworths Heinemann Publications (1992)

 

Asimismo, pueden resultar de interés las siguientes direcciones relacionadas con el tema:

 

¨       http://www.utp.edu.co/%7Epublio17/aceros.htm  (información completa en relación con los tipos de aceros)

¨       http://www.inoxidable.com/dureza.htm (ensayos de dureza, además se puede encontrar unas tablas muy útiles de conversión de unidades)

¨      http://web.uniovi.es/QFAnalitica/trans/AnIndustrial/tema 7.ppt (breve presentación en power point sobre la industria siderúrgica y tratamientos térmicos)

¨      http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/principal.html (página muy completa acerca de tratamientos témicos, transformaciones y preparación de las muestras)

 

 

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