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Índice
5. ENDURECIMIENTO DE METALES POR
- PREPARACIÓN METALOGRÁFICA....................................................
- 1.1. I NTRODUCCIÓN
- 1.2. OBTENCIÓN DE LA MUESTRA
- 1.3. EMBUTICIÓN
- 1.4. DESBASTE
- 1.5. P ULIDO
- 1.6. ATAQUE QUÍMICO
- 1.7. RESULTADOS
- ENSAYOS DE TRACCIÓN Y RESILIENCIA
- 2.1. ENSAYO DE TRACCIÓN
- 2.1.1. Introducción
- 2.1.2. Fundamentos del ensayo
- ISO 6892-1:2010 2.1.3. Magnitudes medibles en un ensayo de tracción según UNE-EN
- 2.1.4. Diagrama tensión real-deformación real
- 2.1.5. Tipo de probetas utilizadas en el ensayo de tracción........................................
- 2.1.6. Condiciones de ensayo
- 2.2. ENSAYOS DE RESILIENCIA
- 2.2.1. Introducción
- 2.2.2. Fundamentos del ensayo
- 2.2.3. Ensayo de resiliencia Charpy según norma UNE 7475-1:1992
- 2.2.4. Ensayo de resiliencia Izod
- 2.2.5. Factores que influyen en los valores de resiliencia
- 2.2.6. Procedimiento
- MEDIDA DEL TAMAÑO DE GRANO
- 3.1. I NTRODUCCIÓN
- 3.2. MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO
- 3.2.1. Método de intersección o de Heyn
- 3.2.2. Método planimétrico o de Jeffries
- 3.2.3. Método de comparación
- MICROESTRUCTURAS BIFÁSICAS 3.3. MEDIDA DEL PORCENTAJE DE FASE EN
- ENSAYOS DE DUREZA
- 4.1. I NTRODUCCIÓN
- 4.2. ENSAYO B RINELL
- 4.2.1. Ejecución del ensayo según norma UNE-EN ISO 6506-1:2006
- 4.2.2. Designación
- 4.2.3. Aplicaciones y limitaciones del ensayo Brinell
- 4.3. ENSAYO V ICKERS
- 4.3.1. Ejecución del ensayo según norma UNE-EN ISO 6507-1:2006
- 4.3.2. Designación
- 4.3.3. Aplicaciones y limitaciones del ensayo Vickers
- 4.4. ENSAYO R OCKWELL
- 4.4.1. Ejecución del ensayo según normas UNE-EN ISO 6508-1:
- 4.4.2. Designación
- 4.4.3. Aplicaciones y limitaciones de ensayo
- 4.5. ENSAYOS DE MICRODUREZA
- 4.5.1. Macrodureza y microdureza
- 4.5.2. Microdureza Vickers
- 4.5.3. Microdureza Knoop
- 4.5.4. Aplicaciones y limitaciones de los ensayos de microdureza
- 4.6. ANEXOS
- 4.6.1. Descripción del Durómetro "CENTAUR RB2-S/DUPLEX"...........................
- 4.6.2. Realización de ensayos Brinell o Vickers
- 4.6.3. Realización de ensayos Rockwell.....................................................................
- 4.7. P ROCEDIMIENTO
- TÉRMICOS DEFORMACIÓN EN FRÍO Y TRATAMIENTOS
- 5.1. ENDURECIMIENTO POR TRABAJO EN FRÍO
- MADURACIÓN EN ALUMINIOS 5.2. ENDURECIMIENTO POR TRATAMIENTO TÉRMICO DE
- 5.3. OBJETIVOS
- 5.4. MATERIAL NECESARIO
- 5.5. P ROCEDIMIENTO
- 5.5.1. Cobre laminado.................................................................................................
- 5.5.2. Alumino 7075 con tratamiento de maduración
- CONDUCTIVITAT TÈRMICA I ELÈCTRICA
- 6.1. I NTRODUCCIÓ
- 6.1.1. Conductivitat tèrmica
- 6.1.2. Conductivitat elèctrica
- 6.1.3. Relació entre la conductivitat tèrmica i la conductivitat elèctrica
- 6.2. MUNTATGE EXPERIMENTAL I PROCEDIMENT
- 6.2.1. Determinació de la conductivitat tèrmica
- 6.2.2. Mesura de la conductivitat elèctrica
- 6.2.3. Compliment de la llei Wiedemann-Franz
2 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials
blandos, etc.) evitará calentamientos excesivos del material, tiempo de proceso demasiado largo y una rugosidad excesiva de la superficie cortada que prolongaría las etapas posteriores.
Estos discos están formados por un abrasivo de tamaño de grano adecuado aglutinado con un adhesivo apropiado.
1.3. Embutición
El proceso de embutición se realiza cuando el tamaño de la muestra es demasiado reducido para manipularlo con facilidad, o cuando se desea observar con detalle los bordes de la misma.
Consiste en la embutición de la muestra metálica en una base de material plástico. Este se presenta en forma de polvo o pastillas.
La embutición puede realizarse en caliente o en frío.
Embutición en caliente:
Los polímeros usualmente empleados son: Baquelita (resina fenólica opaca) Lucita (termoplástico acrílico transparente) El proceso consiste en colocar la muestra y el polímero en un molde usualmente cilíndrico y someter el conjunto a presión (12 bar) y temperatura (145ºC) durante un tiempo (8 min. aprox.), dejando enfriar posteriormente dentro del molde.
Embutición en frío:
Se utilizan resinas termoestables de polimerización a temperatura ambiente. Este grupo está formado por resinas de tipo epoxi, acrílico (metacrilato) y poliéster.
Se presentan en forma de polvo o líquido, que mezclado con un catalizador, produce la reacción de polimerización.
La utilización de uno u otro sistema y resina, dependerá de las instalaciones existentes, del tipo de material y del proceso.
1.4. Desbaste
Tiene por objeto la reducción de la rugosidad superficial; se realiza en cuatro etapas sucesivas mediante material abrasivo en forma de papel esmeril.
El abrasivo más utilizado es el carburo de silicio (SiC). Su tamaño de grano varía entre 240, 320, 400 y 600 grados mesh (#). La unidad mesh corresponde al número de hilos por pulgada cuadrada que hay en un cedazo. Por tanto, cuanto mayor tamaño de grano, menor índice mesh.
El proceso se realiza en un útil de desbaste y consiste en frotar la superficie de la probeta contra el abrasivo hasta que sólo se aprecien las marcas originadas por el tamaño de grano utilizado, a continuación se repite el proceso girando la probeta 90º, utilizando un tamaño de grano menor, hasta completar las cuatro etapas.
Durante el desbaste, la muestra debe estar refrigerada para evitar su calentamiento, usualmente se utiliza agua, que además de refrigerar, cumple la misión de limpieza por arrastre de granos arrancados y virutas de material de la muestra y soporte plástico. Ello implica que el papel esmeril empleado debe ser resistente al agua.
Preparación metalográfica 3
1.5. Pulido
Tiene por objeto reducir las marcas originadas en la etapa anterior. Igual que en el proceso anterior, el pulido se realiza en varias etapas consecutivas y en cada una de ellas se utiliza un abrasivo de tamaño de grano menor que el de la etapa anterior.
En este caso, el abrasivo se aporta en forma de polvo, pasta o suspensión, sobre un disco de tejido adherido a una superficie rígida que gira horizontalmente (entre 125 y 100 rpm) en una pulidora. El tejido de pulir tiene por objeto retener el abrasivo en el entramado de la tela y actuar de soporte para que el abrasivo frote sobre la superficie de la probeta. También en este caso es necesario utilizar lubricantes que varían según el abrasivo utilizado.
Los abrasivos más utilizados son:
Diamante : es el más utilizado, se suele presentar en forma de aerosol mezclado con un excipiente. Se comercializa en tamaños de 6m, 3m, 1m, 0,25m. Debe lubricarse con una mezcla de alcoholes. Sirve para todos los materiales.
Alúmina (Al 2 O 3 ) : se presenta en polvo para mezclar con agua, formando una pasta más o menos fluida. Se comercializa en tamaños de 15m, 7,5m, 3,25m, 1m, 0,3m. Se emplea en materiales de base hierro y aleaciones de cobre.
Óxido de cerio (Ce 2 O 3 ) : se comercializa en forma de suspensión y se utiliza para el pulido final de aleaciones de aluminio y magnesio.
Óxido de magnesio (MgO) : tiene las mismas aplicaciones que el óxido de cerio.
Sílice coloidal (SiO 2 ) : se comercializa ya preparada y se utiliza para el pulido final de probetas en base hierro. Una vez concluido el pulido es necesario lavar la muestra con agua jabonosa seguido de un enjuagado bajo un chorro de agua abundante para eliminar todos los productos de desecho. La mayoría de las veces es necesaria la utilización de etanol y ultrasonidos para que la limpieza sea completa.
Después de la limpieza se seca la superficie de la muestra mediante una corriente de aire caliente que desplace, sin romperla, la película de agua o etanol hacia uno de los extremos. De este modo se consigue que no se formen manchas.
1.6. Ataque químico
En la mayoría de los casos, es necesario atacar la probeta para distinguir claramente la microestructura. El ataque se realiza con reactivos específicos para cada material y cada tipo de fases y/o microestructuras a revelar.
Reactivos: Materiales con base Fe: NITAL (HNO 3 + CH 3 -CH 2 OH) Ácido nítrico + alcohol etílico (etanol), del 2 al 5 % de HNO 3 Materiales con base Al: 0,5 % HF + H 2 O Ácido fluorhídrico + agua Materiales con base Cu: FeCl 3 + H 2 O Cloruro férrico + agua El ataque se realiza por inmersión de la probeta en el reactivo con la superficie pulida hacia arriba para seguir la evolución del proceso. Conviene mover el recipiente para renovar el reactivo que está en contacto con la superficie y facilitar el ataque homogéneo.
Una vez concluido se lava de nuevo la probeta con agua y etanol y se seca con aire caliente del modo anteriormente descrito.
Preparación metalográfica 5
Acero C45E
(x300) (x750) Acero C45E laminado
(x300) (x750) Acero C45E templado
(x750) (x1500)
6 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials
Fundición laminar
(x750) (x1500) Fundición nodular
(x300) (x750) Fundición nodular
(x300) (x750)
24 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials
Cabe resaltar la necesidad que todos estos métodos están normalizados , de manera que los resultados obtenidos puedan ser comparados sin dificultad. En España se encuentra la norma UNE-EN ISO 643:2004, que contiene diversos métodos.
3.2.1. Método de intersección o de Heyn
El método de Heyn da un valor de longitud de grano. Para explicarlo nos basaremos en una fotografía a un número determinado de aumentos ( g ) de un material monofásico, mostrando claramente los límites de grano. Sobre la fotografía se dibujan segmentos rectilíneos, y se cuentan el número de intersecciones ( n ), entre este segmento y los límites de grano.
El número de segmentos que se pueden dibujar en cada fotografía es limitado, y por lo general se suelen dibujar una cuadrícula de igual longitud horizontal y vertical, tal y como muestra la figura.
La relación entre la longitud de todos los segmento (en mm) y el número de intersecciones encontradas constituye la longitud media de intersección lm. Esta longitud es un valor real puesto que en la fórmula se divide por el número de aumentos de la fotografía (g):
l (^) m =^
l g n
Hay que tener siempre en cuenta que el valor obtenido dependerá de la cantidad de superficie observada respecto al total. De esta manera, sólo se considera válido el procedimiento cuando el número de intersecciones es como mínimo 50.
3.2.2. Método planimétrico o de Jeffries
Este método da como resultado área por grano o granos por área , según se desee, y simplemente consiste en dibujar un área definida sobre una fotografía del material a unos determinados aumentos ( g ), y contar los granos que queden encerrados dentro de la superficie dibujada.
En este caso, el área a dibujar está definida: debe delimitar 5000 mm^2 y tiene que ser de forma circular, aunque también se acepta un cuadrado de 70,7 mm de lado. De la misma manera
Medida de tamaño de grano 25
que en el método anterior, el resultado será mejor cuanto mayor sea el número de granos examinado, siendo 50 el número mínimo exigido para poder aplicar el método.
Para determinar el número de granos contenido en el área dibujada (figura inferior), hay que distinguir entre los que son completamente interiores ( ni ) y los que son cortados por la línea o granos exteriores ( ne ). El número de granos que se utiliza en el cálculo ( n ) corresponde a la suma de los interiores más la mitad de la suma de los exteriores.
El valor del tamaño de grano según éste método puede expresarse de varias maneras:
- Como área media ( am ) de grano en mm^2 , a partir de la expresión: (^) a (^) m = (^2)
g (^) n
- Como número de granos por mm^2 de superficie real ( m ): m =
n g 5000
^2
- También se utiliza el diámetro medio de grano ( dm ): d (^) m =
m Generalmente, este método se aplica para materiales que presentan granos sin orientaciones preferentes, comúnmente conocidos como equiaxiales.
3.2.3. Método de comparación
Este método se basa en comparar las fotografías o imagen de la muestra con una serie de imágenes patrón de tamaño de grano ya conocido. El patrón que mejor coincida con la imagen indicará aproximadamente el tamaño de grano del material.
El método funciona mejor para materiales equiaxiales y con un tamaño de grano homogéneo. Para materiales no homogéneos se puede dar un porcentaje de cada uno de los tamaños presentes y el valor correspondiente a cada uno de ellos.
a) Índice de tamaño de grano según norma ASTM E-
Medida de tamaño de grano 27
I
n faseoscura=
Para que la medición tenga significancia estadística, el número de intersecciones debe ser elevado. Aproximadamente, para una precisión dada se necesitan un número I de intersecciones igual o superior a 4 ó 5 veces el inverso de la precisión en valor unitario. Así, para obtener una precisión del 1%, se debería trabajar con una parrilla con mínimo de 400 ó 500 intersecciones.
500 0 , 01
precisión
I=
30 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials
Las desviaciones máximas admisibles del perfil geométrico teórico, sean causadas por deformación y/o desgaste, están especificadas en las normas correspondientes a cada ensayo que obligan, además, a un control periódico de los penetradores.
Exactitud de la carga aplicada:
Debe ceñirse a los márgenes normalizados y análogamente al caso anterior se efectuar un control periódico del calibrado de la máquina de ensayos.
Estaticidad de las cargas:
Las cargas deben aplicarse sin impactos, lentamente, aumentando de forma continua y sin que se produzcan choques ni vibraciones.
Condición superficial de la muestra:
La superficie a ensayar no debe presentar defectos que puedan alterar la forma de las huellas producidas por el penetrador, y el acabado superficial debe permitir una medición precisa de estas huellas. Igualmente, la superficie debe estar exenta de materias extrañas como suciedad, óxido, lubricantes, pinturas, etc. La preparación de la superficie deber hacerse con las precauciones necesarias para evitar toda alteración del material, especialmente por calentamiento o deformación en frío que modificaría los valores de dureza.
Espesor de la muestra:
Debe ser suficientemente grande para evitar las deformaciones de la misma y/o la aparición de protuberancias en la cara opuesta a la de ensayo. Las distintas normas que rigen los ensayos de dureza por indentación también especifican este aspecto.
Forma de la superficie de ensayo:
Es conveniente que sea plana y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. En el caso de superficies esféricas o cilíndricas, es posible corregir el valor de dureza obtenido compensando así el efecto de la no planicidad.
Separación mínima entre huellas:
Si se realizan varias pruebas en la misma superficie, las marcas sucesivas estarán lo suficientemente separadas. De otro modo se producen alteraciones de los valores de la dureza del material debido al endurecido por deformación en frío y a las irregularidades superficiales producidas. Por idéntico motivo las marcas estarán suficientemente alejadas del borde de la muestra.
Homogeneidad del material:
Las variaciones de composición química, porcentaje y distribución de los constituyentes microestructurales, grado de deformación plástica, etc. conducen a una heterogeneidad del material dentro de una misma pieza que puede producir una dispersión de los valores de dureza obtenidos en distintos puntos de la superficie. Esta situación deber considerarse durante la interpretación del resultado.
4.2. Ensayo Brinell
El ensayo Brinell permite determinar la dureza de un material a partir de la huella producida en su superficie por una esfera de material más duro y la fuerza de compresión que actúa entre la esfera y el material durante un tiempo ( t ). El valor de dureza se calcula a partir de la relación entre el valor de la fuerza aplicada ( F ) expresada en N (hasta la adopción del SI ha venido expresada en kgf) y la superficie del casquete esférico producido ( A ) expresada en mm^2. Esta superficie puede determinarse a partir del diámetro del penetrador esférico utilizado ( D ) y del diámetro del casquete esférico ( d ) producido en el material, según la siguiente relación:
Ensayos de dureza 31
A
F
HBW medición área casquete esférico
2 2
- 102 2 D D d
F D
HBW
F en N, D en mm y d en mm.
Inicialmente se utilizaron los valores D = 10 mm, F = 29421 N y t = 10s a 15s para determinar los valores de dureza mediante el ensayo Brinell, pero pueden emplearse otras combinaciones de carga y diámetro de bola inferiores que deben cumplir la siguiente relación para que los distintos valores obtenidos sean comparables:
2
D
F g K
Esta relación se conoce como CONSTANTE DE ENSAYO K , los valores que toma esta constante dependen del material a ensayar y se han elegido de forma que entre el diámetro de la bola utilizada ( D ) y el de la huella producida ( d ) se verifique la relación:
d D
En la tabla 3.1 se resumen los valores más comunes de K, sus respectivos campos de aplicación y el rango de los valores de dureza Brinell usual.
Sección de un penetrador Brinell Esquema del penetrador utilizado en el ensayo de dureza Brinell y de la forma de la huella producida.
Ensayos de dureza 33
Tabla 3.2 Distancias mínimas entre huellas de dureza Brinell según el tipo de material ensayado.
DISTANCIAS MÍNIMAS
Acero, fundición, cobre y sus aleaciones
Metales ligeros, plomo, estaño y sus aleaciones
Desde centro huella a borde probeta
2,5 d 3 d
Entre centros de huellas adyacentes
3 d 6 d
4.2.2. Designación
La dureza Brinell se expresar por el número entero que mide esta característica seguido del símbolo de dureza. Este símbolo está formado por las letras HBW , y de los valores del diámetro de la bola utilizada, del número convencional representativo de la masa equivalente a la fuerza aplicada , y del tiempo de aplicación de la carga si es distinto del especificado por la norma.
En la tabla 3.3 se agrupan todas las combinaciones de diámetro de bola ( D ), y valor nominal de masa aplicada ( m ) definidas en la norma UNE-EN ISO 6506-1:2006. Así,
si HBW = 350, D = 10 mm F = 29,42 kN ( m = 3000 kg) y t = 10 a 15 s se designa 350 HBW 10/3000 ;
y si HBW = 350, D = 5 mm F = 7,355 kN ( m = 750 kg) y t = 20 s
Lectura de la huella Brinell con la retícula graduada del microscopio
34 Pràctiques de Ciència i Tecnologia de Materials
se designa 350 HBW 5/750/.
Tabla 3.3 Valores nominales de fuerza aplicada (F), diámetros de bola (D) y valores de las constante de ensayo (K) definidos en la norma UNE-EN ISO 6506-1:2006.
Símbolo de dureza Diámetro bola (mm)
K
mm^2
kg
Valor nominal de fuerza aplicada (N)
HBW 10/ HBW 10/ HBW 10/ HBW 10/ HBW 10/ HBW 10/ HBW 10/ HBW 5/ HBW 5/ HBW 5/ HBW 5/62, HBW 5/31, HBW 5/ HBW 2,5/187, HBW 2,5/62, HBW 2,5/31, HBW 2,5/15, HBW 2,5/7, HBW 2,5/6, HBW 2/ HBW 2/ HBW 2/ HBW 2/ HBW 2/ HBW 2/ HBW 1/ HBW 1/ HBW 1/ HBW 1/2, HBW 1/1, HBW 1/
4.2.3. Aplicaciones y limitaciones del ensayo Brinell
Dado que durante el ensayo Brinell se produce una huella relativamente grande, su aplicación está limitada a secciones y/o piezas grandes en las que no importe la formación de melladuras superficiales. Sin embargo, esta misma razón constituye una ventaja cuando el material es heterogéneo y se desea obtener un valor promedio de dureza.
