Ensayos Metalográficos y Mecánicos: Propiedades y Aplicaciones

T3- Ensayos Metalográficos

1. Aplicaciones de la Metalografía

Es la ciencia que estudia las características estructurales de un metal o aleación, relacionándolas con las propiedades físicas o mecánicas que tiene el material. Los estudios metalográficos permiten definir completamente las características tecnológicas de un material.

Clasificación:

• Estudios macroscópicos
• Estudios microscópicos (microscopía óptica y electrónica)
• Estudios cristalográficos

a) Estructura cristalina: el elemento fundamental es el cristal, cuya máxima dimensión es de 10^-8 cm. Para observarlos habría que aumentar más de un millón de veces. Los materiales cristalizan en estructuras BCC, FCC y HXC

b) Estructura micrográfica: el elemento fundamental es el grano (formado por la agrupación ordenada de cristales de un mismo tipo), se observa con microscopio metalográfico.

c) Estructura macrográfica: el elemento fundamental es la fibra, se observa a simple vista atacando la superficie del metal. Se obtiene la fibra al laminar o estirar el metal en la forja.

2. Estudios Macroscópicos. Aplicaciones

Son estudios que a simple vista permiten ver y decidir sobre irregularidades físicas, químicas, térmicas o estructurales del material.

Son ensayos destructivos, los análisis operan con cantidades relativamente pequeñas de la sustancia, que pueden no ser representativas del material en su totalidad.

Las técnicas permiten detectar no solo las heterogeneidades de tipo químico del material, sino también las de origen térmico.

• Examen de las fracturas: técnica y macrografía importante, en la cual se analizan las piezas rotas. Estas fracturas están relacionadas con el tamaño de grano, las condiciones térmicas y las estructuras del material.
  • Fracturas en copa: material dúctil pero con alto alongamiento antes de la rotura.
  • Fracturas sin copa: material duro, frágil y sin alongamiento.
• Probetas de resiliencia: rotas por el péndulo de Charpy, cuanto más fino sea el grano, mayores serán la tenacidad y resistencia al choque.

2.1. Estudios Macroscópicos. Aplicaciones

2.1.1. Toma de Muestra

Si la pieza no es de grandes dimensiones, se hará un estudio en su totalidad. Si se quiere estudiar un aspecto superficial del material, primero desengrasamos la superficie.

2.1.2. Corte

Lo utilizamos para observar las zonas interiores de un material.

Si el tamaño de la pieza es grande, se utilizan tronzadoras metalográficas (cortan material de alta dureza con discos abrasivos). Es muy importante el material del disco con el que vamos a cortar. Si el tamaño de la pieza no permite el corte con la tronzadora, utilizaremos sierras alternativas (no cortan materiales de altas durezas).

2.1.3. Preparación de la Muestra y Desbaste

La muestra debe ser una superficie plana y de rugosidad adecuada. Si la muestra es grande, se hará un rectificado.

Cuando la superficie ya es plana, procedemos al desbaste:

• Desbaste mecánico: desbastadoras de cinta. El inconveniente es que puede producir rayas muy profundas, que supongan un problema. Suelen ser utilizadas para muestras grandes.
• Desbaste manual o mecánico: según la rugosidad, se clasifica en (grosero, intermedio y fino). La diferencia entre ellos está en el ancho de rayas que dejan sobre el material la lija.

Los materiales muy blandos, como aluminio, plomo…, no se deben desbastar con lijas de granos gruesos que producen capas muy profundas de material distorsionado.

2.1.4. Ataque de las Probetas

Disolución selectiva, constituida por un ácido, una sustancia orgánica inerte al material (alcohol) y agua.

Con los dos tipos de reactivo, el ataque se efectúa por disolución, pero existen otros reactivos en los que el ataque se realiza por deposición selectiva de un ion sobre ciertas fases de la probeta, y entonces hablamos de reactivos de deposición, que son mucho menos frecuentes.

El fundamento del ataque es una reacción química y, por lo tanto, su cinética depende del tiempo y de la temperatura.

La relación entre la velocidad de ataque y la temperatura suele ser de tipo exponencial. Las temperaturas de ataque no deben afectar a la composición química del reactivo ni producir pérdidas del mismo por evaporación.

El tiempo de ataque depende de la temperatura del reactivo y también se debe determinar mediante pruebas cuál es el más conveniente para cada temperatura.

3. Microscopía

Los estudios microscópicos son los más importantes, ya que son los que más información proporcionan sobre las características estructurales de la aleación.

Mediante el estudio microscópico podemos conocer: tamaño de grano, número, forma y distribución de las fases presentes, las heterogeneidades.

Los aumentos de los microscopios oscilan entre 50 y 2000 aumentos.

3.1. Montaje de Probetas para Observación Microscópica

La técnica más empleada es montar las probetas en resinas, termoplásticas o termoendurecibles, utilizando una prensa metalográfica.

Las resinas termoendurecibles, tipo bakelitas, son las más conocidas. Estas resinas endurecen a una temperatura y presión determinada.

Las resinas termoplásticas, tipo metacrilato de metilo, son transparentes y así se pueden etiquetar las probetas, y tienen temperaturas y presiones de moldeo más bajas, lo que supone ahorro de tiempo en la preparación del montaje.

Existe un tipo de resinas líquidas que no exige el empleo de la prensa metalográfica; con ellas basta con preparar una mezcla de proporciones adecuadas entre resina y endurecedor que cubra la probeta y esperar unas horas para que solidifique la mezcla.

3.2. Pulido de Probetas

Realízase en máquinas pulidoras. Os discos das pulidoras poden ser de diferentes materiais, estos xiran en horizontal. 

Os panos que se fixan ós discos, a través de adhesivos, poden ser de moi diversos tecidos; a elección faise en función do material a pulir e o abrasivo que se vai empregar. Os abrasivos están formados por partículas dun material de alta dureza, clasificado por granulometrías. Os máis frecuentes son a alúmina e o pó de diamante. 

Se facemos o pulido sempre na mesma dirección sen xirar a probeta, esto provocaria abrasións no metal e aparecen picaduras e ocos en forma de liña na dirección do pulido, coñecidas como colas de cometa. 

Pulido electrolítico: consiste en somerte a probeta xa devastada, a unha electrolise, utilizándoa como ánotos, e como cátodo un metal ou aleación (aceiro inoxidable), asi as aristas disólvense. 

3.3. ATAQUE DAS PROBETAS 

O ataque da probeta opera disolvendo en maior cuantía aquelas zonas que teñen unha enerxía libre superior e, polo tanto, de máis inestabilidade fronte ó reactivo No caso de metais puros ou aleacións, as zonas de enerxía libre superior son os bordes de grans. A mayoría disolución destes límites fai que se produzan vales nos que a difusión e as reflexións da luz fan que aparezcan os límites como raias escuras. 

Pódese dicir que o tempo de ataque é moito máis crítico nas observacións microscópicas que macroscópicas, e é preferible empezar con ataques curtos e volver a atacar a probeta posteriormente en caso necesario, que empregar ataques longos correndo o risco de sobreatacar a probeta, ocultándose moitos detalles finos, que nos obrigaría a volver a pulir a probeta para eliminar o sobreataque. 

4. MICROSCOPIO METALOGRÁFICO 

O microscopio metalográfico diferenciase esencialmente do biolóxico no seu sistema de iluminación; como os metais son opacos á luz ordinaria, deben examinarse con luz reflexada e nunca por transparencia. 

4.1. Partes do microscopio metalográfic: 

- Banco óptico 

- Pletina donde se coloca a mostra 

- Lámpada para a iluminación da probeta 

- Obxectivo 

- Ocular para a observación directa 

- Cámara fotográfica 

4.2. Método para iluminar as mostras metalográficas: 

- Iluminación oblicua: a luz incide sobre a superficie a observar cun ángulo inferior a 90ºC, nunha superficie perfectamente lisa os raios refléxanse coa misma inclinación, polo que non entran no tubo do microscopio e a superficie parece oscura. Nunha superficie con irregularidades a luz refléxase no obxectivo dando zonas brillantes sobre un fondo oscuro. 

- Iluminación vertical: é o sistema máis utilizado para iluminar as probetas metalográficas. Faise incidir perpendicularmente sobre as mostras un cono de luz procedente dunha lámpada e dirixido por un prisma ou un reflector de vidro plano. As partes lisas da mostra devolven o feixe luminoso ó microscopio, resultando desviado cando atopa irregularidades. 

5. DETERMINACIÓN DO TAMAÑO DE GRAO DO ACEIRO 

A determinación do tamaño e forma do grao dos aceiros comprende dúas fases: - Preparar as probetas axeitadamente. 

- Observar e clasificar o tamaño de grao. 

A primeira fase pódese realizar para o aceiro por tres métodos: 

1. Método de Mac Quaid et Ehn: cementar unha probeta cuadrada coas caras mecanizadas e limpas, de 20mm a 925ºC, durante oito horas, cun cementante sólido composto do 60 % de carbón vexetal en po e o 40 % de carbonato bárico. O método Mac Quaid é o máis utilizado, aínda que se lle encontra o inconvinte de que se realiza a unha temperatura moi elevada. O tamaño de grao determínase cun microscopio. 

2. Método de Vilella: austenízanse as probetas quentándoas a temperaturas axeitadas e o tempo necesario. Témplanse con auga. Rebaixánse uns 2 mm por unha das caras, e atácase co reactivo Vilella. Sobre a cara preparada determínase o tamaño de grao con axuda dun microscopio. 

3. Método de oxidación: púlese unha das caras da probeta ata o número 1 de papel esmeril. Quéntase ata a temperatura de austenización, témplase en auga e púlese a cara outra vez. O tamaño de grao determínase cun microscopio. 

6. CLASIFICACIÓN A.S.T.M. DO TAMAÑO DO GRAO 

É a clasificación máis empregada, establece 8 tamaños de grao. 

T4- ENSAIOS MECÁNICOS 

1. PROPIEDADES ELÁSTICAS OU PLÁSTICAS 

Un esforzo de tracción produce un aumento da lonxitude e unha diminución da sección. Un esforzo de compresión produce unha diminución da lonxitude e un aumento da sección. 

As forzas de cohesión que fan que as partículas se manteñan unidas, vense afectadas por accións externas que son provocadas por situación de traballo dos materiais para cumprir a función para a que foron deseñados e fabricados. 

Cando os esforzos que se aplican pasan dun certo valor, a resposta que dan as partículas é a de non voltar ás posición iniciais antes de que se deformaran. Mentras non se acada ese valor as partículas retornan ás súas posición iniciais cando se elimina o esforzo que o deformou. Este valor recibe o nome de límite elástico (ou límite de elasticidade) e é o valor mínimo que produce deformacións permanentes. 

Resistencia de materiais: conxunto de características e propiedades mecánicas dos materiais que lles aportan aptitudes suficientes para responder ás necesidades e esixencias das diferentes situacións de traballo que teñen que executar. 

2. PROPIEDADES MECÁNICAS 

Son aquelas propiedades que definen o comportamento que os materiais teñen fronte a determinadas accións exteriores: a resistencia ao choque, a dificultade que opoñen a ser raiados, estirados, comprimidos, a deformarse, romper, etc. 

Cohesión: resistencia que opoñen os átomos dos materiais a separarse entre sí. Elasticidade: é a propiedade que teñen os corpos de recuperar a súa forma primitiva cando cesan as forzas externas que os deforman. Dise que un corpo é totalmente elástico se recobra a forma orixinal dun modo absoluto. 

Plasticidade: é a capacidade dos corpos para adquirir deformacións permanentes sen chegar á rotura; cando estas deformacións se presentan en forma de láminas fálase de maleabilidade, e se se presentan en forma de fíos dicimos ductilidade. 

Dureza: resistencia que opón un material a ser raiado ou penetrado por outro. Tenazidade: un material é tenaz se ofrece unha resistencia grande á rotura cando actúan sobre él forzas externas. 

Fraxilidade: un corpo é fráxil se a rotura do mesmo ocorre de repente e sen previa deformación; é unha propiedade contraria á tenacidade. 

Fatiga: é a capacidade de resistencia dun material a esforzos repetitivos.

3. CONCEPTO E CLASES DE CARGA, ESFORZO (OU RESISTENCIA) E TENSIÓN 3.1. CARGA 

É calquera forza externa aplicada sobre un corpo ou elemento resistente. Carga é a forza que aplicamos sobre o material que estamos estudiando. 

Pode ser de dous tipos: 

- Carga estática: é a que se aplica desde o valor cero ata o máximo estando en contacto co material. 

- Carga dinámica: aplícase sobre un corpo a determinada velocidade. 

3.2. ESFORZO OU RESISTENCIA 

Forza que se orixina no elemento resistente e que contrarresta ou equilibra a carga; o seu valor numérico é igual á carga pero de sentido contrario. 

Os esforzos clasifícanse en: 

Simples: tracción / compresión / cortadura ou cizalladura. 

→ tracción: : é o esforzo que xurde cando intentamos alongar algo. 

→ compresión: é o esforzo de tracción en sentido negativo; cando aplicamos unha carga coa intención de comprimir un material, éste reacciona opoñéndose a ser comprimido. → cortadura: este esforzo e a carga que o orixina están os dous na mesma sección sobre a que actúa a forza. 

Compostos: flexión (tracción + compresión + cortadura); pandeo (compresión + flexión); torsión (tracción + cortadura). 

Combinados: tracción ou compresión + flexión; tracción ou compresión + torsión; torsión + flexión. 

3.3. TENSIÓN 

Esforzo ou resistencia por unidade de superficie. 

Existen dúas clases de tensión: a normal ou perpendicular á sección sobre a que actúa (tracción ou compresión) e a contida nela (cortadura ou cizalladura). 

4. ENSAIOS MECÁNICOS 

Serven para asegurar a calidade das materias primas e dos produtos acabados, necesítase coñecer os valores das propiedades e características previstas. Son procedementos que se aplican en calquera fase da producción co fin de ver se cumpren con determinadas características e función. 

Tipos: 

- Ensaios para materias primas. 

- Ensaios para produtos semiacabados. 

- Ensaios para produtos acabados. 

Os ensaios máis característicos son: tracción, fluencia, compresión, cizallamento, flexión, pandeo, torsión, dureza, impacto, fatiga, chispa, pregado, fractura, embutición, desgaste. 

Aplícanse na recepción das materias primas recibidas dos proveedores para comprobar, polo menos periódicamente, que cumpren coas especificacións demandadas ós materiais mercados. 

Para que un resultado sexa válido é imprescindible que as persoas que fagan os ensaios teñan a capacidade técnica suficiente para realizalos correctamente. Débese de dispoñer dun procedemento elaborado previamente. Con el debemos poder garantir a repetitividad do ensaio. Os equipos deben de estar calibrados. E todos os resultados deben estar expresados cunha incertidumbre. 

Etapas: toma de mostra, preparación das probetas, toma de datos iniciais, execución do ensaio, toma de datos finais, resultados, elaboración do informe. 

5. ENSAIOS DE TRACCIÓN 

O ensaio de tracción é un dos máis utilizados dentro do sector mecánico. Este ensaio pódese realizar en calquera tipo de material metálico, plástico, cerámico ou compostos. Para realizar o ensaio de tracción tómase unha mostra do material en estudio, mecanízase para obter a peza a ensaiar, chamada probeta. 

As zonas dos extremos, de maior diámetro, son o que se chama cabeza de amarre, e é por onde vai suxetar a máquina de ensaio á probeta, mediante uns agarres chamados mordazas. 

A zona central é a chamada zona calibrada, de diámetro menor, é a que se vai tomar como valor da sección inicial á hora dos cálculos dos distintos parámetros do ensaio. O ensaio de tracción emprégase para suministrar información sobre a resistencia e ductilidade dos materiais: neste ensaio sometemos a unha probeta a un esforzo de tracción, xeralmente ata a rotura, para determinar unha ou varias das seguintes características: - Alongamento (diferencia entre a lonxitude inicial e a lonxitude final da probeta). - Coeficiente de estricción (variación máxima da área de sección transversal). - Límite elástico (carga máxima á que un material presenta deformación elástica = se cesase o esforzo, o material recuperaría a súa posición inicial) 

- Resistencia á tracción (o valor da carga ou o esforzo en tracción que é capaz de soportar un material antes de producirse a rotura). 

6. ENSAIOS DE FLUENCIA 

A fluencia é unha deformación que se produce lentamente pola acción dunha carga e o efecto da permanencia a unha temperatura elevada. 

Os factores que van afectar á deformación baixo influencia son: tempo, carga e temperatura. O aumento de calquera destes tres factores determinará que a deformación producida na fluencia sexa maior. 

Para calcular este valor de defromación utilízase o ensaio de fluencia, que consiste en quentar unha probeta a temperatura uniforme, determinada previamente en función do estudio que se vai realizar, e sometela a un esforzo de tracción constante.