UNIVERSIDAD NACIONALDE INGENIERIA FACULTAD INGENIERIA GEOLOGIA MINERA Y METALURGICA Microestructura de los Metales : NUÑEZ-MELGAR BNNHGNHNHJMNHYJMHJMHJ20132127B ESTUDIANTE LEON PABLO DOCENTE : Ing. LOBATO FLORES, Arturo Leoncio CURSO : Ingeniería y Ciencias de los Materiales (Me211) pág. 1 S. INTRODUCCIÓN La razón del estudio de la microestructura es la necesidad de relacionar esta con las propiedades del material. Las distintas fases se suelen caracterizar por su diferente reflectividad y este hecho nos permite revelar la microestructura de los sólidos. Podemos entonces decir que la microestructura es el resultado de la forma real de las transformaciones producidas desde el estado líquido o en el estado sólido. No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir el metal para ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3.000 a.c., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro; los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.c, la técnica de cierta complejidad para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c.) se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico lleno de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y dejar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. pág. 2 La metalografía permite conocer el papel de la energía superficial e interfacial en la propia transformación y en el crecimiento de las fases. Los aspectos energéticos de las superficies interfase o entre granos dominan en la transición de los estados metaestables a estados estables, así como la morfología de las fases y su configuración en el sólido. OBJETIVOS Aprender el diagrama de fierro – carbono. Interpretar el diagrama de fierro – carbono. Aprender acerca de los tipos de aceros fundidos gris, nodular perlitico, etc. Reconocer la microestructura del acero. MICROESTRUCTURA DE METALES FERROSO Y NO FERROSOS FUNDAMENTO TEÓRICO pág. 3 Puede admitirse como acero al carbono, todo acero con un contenido en carbono hasta el 2%, el contenido de Manganeso y Silicio es inferior al 1% para cada uno de ellos, el contenido de Cromo, Wolframio, Níquel, Cobalto, Aluminio, Titanio, etc., es inferior a 0.3% para cada uno de ellos y el contenido de Vanadio y Molibdeno es menor a 0.08% para cada uno de ellos. Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son: FERRITA Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C. La ferrita es el microconstituyente más blando y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos poligonales claros. CEMENTITA Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica. En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados. PERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. pág. 4 Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular. AUSTENITA Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. MARTENSITA Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio. TROOSTITA Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 6000C, o por revenido a 4000C. pág. 5 Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. SORBITA Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650%, o por revenido a la temperatura de 600%. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. BAINITA Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-4000C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita. Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos. pág. 6 Micro estructuras del acero a. Austenita (acero inoxidable) peso) b. Ferrita (< 0.02 C, % en c. Ferrita + Perlita (0.3 C % en peso) peso) d. Ferrita + Perlita (0.6 C % en pág. 7 e. Perlita (0.85 C % en peso) granular f. Perlita + cementita ínter • Aceros para temple y revenido: Mediante el tratamiento térmico del temple se persigue endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el material a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica y se somete a un enfriamiento más o menos rápido (según características de la pieza) con agua, aceite, etc. Por otro lado, el revenido se suele usar con las piezas que han sido sometidas previamente a un proceso de templado. El revenido disminuye la dureza y resistencia de los materiales, elimina las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima (unos 50° C menor que el templado) y velocidad de enfriamiento (se suele enfriar al aire). La estructura final conseguida es martensita revenida; DIAGRAMA DE HIERRO-CARBONO En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representa las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos. pág. 8 En los aceros, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstaten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, figura 8, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado. pág. 9 pág. 10 METAL NO FERROSO Los metales no ferrosos son aquellos en cuya composición no se encuentra el hierro. Los más importantes son siete: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y magnesio. Hay otros elementos que con frecuencia se fusionan con ellos para preparar aleaciones de importancia comercial. También hay alrededor de 15 metales menos importantes que tienen usos específicos en la industria. Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos: Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³. Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³. Materiales no ferrosos pesados Estaño (Sn): Características: su densidad, su punto de fusión alcanza los 231 ºC, tiene una resistencia de tracción de 5 kg/mm²; en estado puro tiene un color brillante pero a temperatura ambiente se oxida y lo pierde, en temperatura ambiente es muy blando y flexible, sin embargo en caliente es frágil y quebradizo, por debajo de -18º C se empieza a descomponer convirtiéndose en un polvo gris. Este proceso se conoce como peste de estaño; al doblarse se oye un crujido denominado grito de estaño Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre y estaño) y las soldaduras blandas (plomo + estaño con proporciones de este entre el 25 % y el 90 %) Aplicaciones: sus aplicaciones más importantes son la fabricación de hojalata y proteger el acero contra la oxidación. Cobre (Cu): Características: se encuentra en el cobre nativo, la calcopirita, la calcosina, la malaquita y la cuprita; su densidad es de 8,9 kg/dm, su punto de fusión es de 1083 ºC, su resistencia de tracción es de 18 kg/mm²; es dúctil, manejable y posee una alta conductividad eléctrica y térmica. Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre + estaño), latón que se compone por cobre y cinc. Aplicaciones: Campanas, engranes, cables eléctricos, motores eléctricos. Cobalto (Co) Características: su densidad es de 8,6 kg/dm³, su punto de fusión es de 1490 ºC; tiene propiedades análogas al níquel pero no es magnético. Aleaciones y aplicaciones: se emplea para endurecer aceros para herramienta (aceros rápidos) y como elemento para fabricación de metales duros empleados para herramientas de corte. Materiales no ferrosos ligeros Titanio: -Densidad: 4,45 kg/dm3 -Punto de fusión: 1800 °C. -Resistividad: 0,8 W•mm2/m. -Resistencia a la tracción: 100Kg/mm2 -Alargamiento: 5% Aluminio (Al): Características: Se obtiene de la bauxita -Densidad es de 2,7 kg/dm³ -Punto de fusión es de 660 ºC -Muy ligero e inoxidable -Buen conductor de electricidad y del calor. Aleaciones y aplicaciones: Al +Mg: se emplea en la aeronáutica y automoción. Materiales no ferrosos ultraligeros Magnesio (Mg): Características: se obtiene de la carnalita, dolomía y magnesita, su densidad es de 1,74 kg/dm³, su punto de fusión es de 650 ºC. En estado líquido y en polvo es muy inflamable, tiene un color blanco parecido al de la plata, es manejable, y es más resistente al aluminio. Aplicaciones: se emplea en estado duro, tiene pocas utilidades, excepto en la fabricación de productos pirotécnicos y como desoxidante en los talleres de fundición de acero METALES FERROSOS Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que contienen hierro como elemento base; pueden levar además pequeñas proporciones de otros. A pesar de todos los inconvenientes que presentan estos materiales (hierro, acero y fundiciones) por ser muy pesados, oxidarse con facilidad y ser dificiles de trabaja, entre otros, son uno de los más usados en la actualidad. Las aplicaciones más significativas a las que se destinan los materiales ferrosos son la construcción de puentes, estructuras de edificios, barcos, trenes, coches y utensilios domesticos (ollas, grifos, cucharas, etc.) FUNDICIÓN BLANCA La fundición blanca es aquella en la que todo el carbono está combinado bajo la forma de cementita. Se distinguen por que al fracturarse presenta un color blanco brillante. Es un tipo de fundición menos fluida que la gris y al solidificarse se produce algo de contracción. Estas fundiciones blancas se caracterizan por: • Su alta dureza. • Resistencia al desgaste. • Alta fragilidad. Su nombre se debe al color de su fractura. FUNDICIÓN NODULAR: La fundición nodular contiene grafito de forma esférica y sus características principales son: buena rigidez (módulo de Young); buena resistencia al impacto = material tenaz, no quebradizo; buena resistencia a la tracción; mala amortiguación, no absorbe la vibración de un motor; mala conductividad térmica, más calor en el proceso de mecanizado. Si se compara con la GCI, el grafito de la NCI aparece formando nódulos y esto contribuye a sus superiores propiedades de tracción y tenacidad. FUNDICIÓN GRIS El hierro fundido, hierro colado, más conocido como fundición gris es un tipo de aleación conocida como fundición, cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris. El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material. Fundición gris con su matriz perlitica. 150 X CONCLUSIONES Se pudo aprender que todo acero tiene contenido en carbono hasta el 2%. Se aprendió a diferenciar entre los tipos de aceros que hay y el porcentaje de carbono. Se aprendió a identificar y a reconocer el diagrama de hierro – carbono, sobre sus puntos de fusión a una composición dada. Conocer acerca de los metales ferrosos y no ferrosos WEBGRAFÍA http://www.textoscientificos.com/quimica/acero http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_Hierro-Carbono http://www.utp.edu.co/~publio17/maleable.htm http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html