MARCO TEÓRICO:

La metalografía es una disciplina de la ciencia que se encarga de examinar y determinar los componentes en una muestra de metal, haciendo uso de varios niveles de magnificación que pueden ir desde 20x hasta 1000000. También se conoce como el proceso entre la preparación de una muestra de metal ya la evaluación de su microestructura. El estudio de la metalografía comprende en gran parte la observación de granos, la dirección, el tamaño y la composición de los mismos.

Resina Poliéster:

Es una macromolécula (polímero) compuesta por unidades más pequeñas llamadas monómeros, viene doblemente promovida con un sistema de octoatos y anilinas, por lo que presenta una extraordinaria reactividad, además posee un sistema de inhibidores que le confieren una gran estabilidad a temperaturas elevadas con mínima pérdida de sus propiedades, presenta una gran adherencia al metal, especialmente diseñada para ser catalizada con una pasta de peróxido de benzoilo al 50%, sin embargo puede ser catalizada con metil etil cetona peróxido, se cataliza (cura) a bajos tiempos lo cual permite que sea lijado con mayor rapidez. La resina poliéster es un producto inflamable por lo que debe manejarse con cuidado, posee una estabilidad normal de un año almacenada en condiciones adecuadas (20 °C y bajo techo).

Resina epoxi:

Una resina epoxi o poliepóxido es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o endurecedor. Las resinas epoxi más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol A.

Los compuestos de resinas epoxídicas han tenido amplia aceptación y su uso se ha extendido a las actividades donde se requiere un polímero de mucha resistencia mecánica. Los compuestos epoxi son un grupo de éteres cíclicos u óxidos de alqueno (alquileno) que poseen un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono adyacentes (estructura oxirano).

Catalizador o Endurecedor:

Un endurecedor o agente de curado es un producto que cuando se añade a una sustancia macromolecular determinada en cantidades superiores a las catalíticas, reacciona con ésta y la convierte en un polímero irreversible que poseerá una serie de características perfectamente definidas, de las que anteriormente carecía. Entre los sistemas de importancia industrial que utilizan endurecedores se encuentran los sistemas de resinas epoxídicas.

Ejemplos de estos endurecedores son los grupos amino, oxhidrilo y carboxilo, así como con los ácidos inorgánicos, para dar compuestos relativamente estables.

Corte transversal

Por lo general, se deben cortar varios trozos pequeños del material a examinar. La ubicación de las muestras y la forma en que se corten afectarán los resultados y su interpretación. Dependiendo del tipo de pieza a examinar se determina el lugar de dónde extraer las muestras.

Cuando el material a examinar es blando (acero al carbono recocido, aleaciones blandas de Al o de Cu), el corte se realizará con una sierra a mano y de diente grande (mientras más blando sea el material, más grande debe ser el diente de la sierra a utilizar, con el objeto de que la viruta sea fácilmente extraída de la zona de corte, evitando que al agruparse se adhiera a la superficie a estudiar, falseando la observación posterior). Los materiales duros (aceros aleados, templados, no ferrosos endurecidos) deben cortarse con discos abrasivos muy delgados de carbundum a altas velocidades y gran refrigeración.

Los metales frágiles como fundición blanca, aceros templados, bronces ricos en estaño, etc, pueden romperse con golpe de martillo para extraer la probeta. En el caso del acero (y de algunas otras aleaciones), es necesario evitar el calentamiento de la muestra al hacer el corte.

Montaje:

Si la muestra que va a examinarse es lo suficientemente grande como para que pueda sujetarse bien con la mano, no es necesario montarla. Siempre que se pueda se eligen probetas de 20 x 20 mm y alturas de 15 mm. No obstante la mayoría de las veces la muestra es demasiado pequeña como para que pueda sostenerse de esta forma (por ejemplo un tramo de varilla, alambre, lámina), mientras se esmerila o pule. El montaje puede efectuarse de varias maneras, una de estas es encerrar la muestra en una resina epóxica de dos compuestos, que se solidifican después de que se mezclan; asimismo pueden usarse resinas termoplásticas transparentes.

Técnicas de preparación y diferenciación de fases

La preparación de muestras para la observación mediante microscopio óptico es una tarea laboriosa y que debe hacerse con mucho cuidado, ya que el buen examen microscópico dependerá de una buena preparación. Si las muestras están preparadas defectuosamente, pueden producir graves consecuencias.

Para estudiar y observar, la probeta ha de ser plana y estar pulida. Plana porque la pequeña profundidad de foco de los sistemas ópticos de observación a grandes aumentos no permitiría enfocar la imagen simultáneamente en planos situados a distintos niveles, y debidamente pulida para que sólo puedan aparecer en ella detalles propios de su estructura y no de circunstancias ajenas a ella que pueden enmascararla.

Desbaste y pulido mecánico: La técnica convencional para la preparación diferenciación de las fases está constituida por Ias operaciones de desbaste, pulido y ataque químico. La superficie a pulir primero se desbasta pasándola sucesivamente por papeles con abrasivos cada vez más finos (Para devaste grueso, se usan esmeriles húmedos 80, 120, 200, 400, con el objetivo de obtener una superficie plana, libre de toda huella de marcas de herramientas, y en la que todas las marcas de esmerilado sigan la misma dirección; Para devaste fino, se usan esmeriles de 600 en adelante hasta 2500, antes de proseguir con la siguiente lija más fina, deben lavarse la muestra como las manos del operario, ahora la muestra debe desplazarse en forma tal que las rayas hechas por las distintas lijas formen ángulos rectos con las del inmediatamente anterior, así, puede verse con claridad si se han eliminado las rayas más gruesas que se hicieron en la operación anterior). El desbaste se da por terminado cuando se obtiene una cara perfectamente plana, con rayas muy finas en toda la superficie, producidas en un solo sentido, por el papel de esmeril de mayor finura. Posteriormente, la superficie de la probeta, desbastada hasta el grano más fino, se pasa por unos paños impregnados de abrasivos que suelen ser suspensiones de alúmina, magnesia o polvo de diamante.

Cuando la probeta ya está especularmente pulida, se puede observar si en ella, hay grietas, poros, inclusiones, inclusiones, fases (si su forma y color las hacen diferenciables).

Pulido electrolítico: El pulido electrolítico debe considerarse una alternativa o método complementario al pulido mecánico y puede resolver las dificultades que se experimentan en los pulidos de los metales blandos (como el cobre, aluminio, bronce) por métodos ordinarios. La muestra que se va a pulir se coloca corno ánodo en

una solución adecuada y se aplica una FEM creciente: la intensidad se eleva hasta alcanzar un máximo.

Alúmina

Es el óxido de aluminio AL2O3, Junto con la sílice, es el componente más importante en la constitución de las arcillas y los esmaltes, confiriéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración.

Los cristales de óxido de aluminio son normalmente hexagonales y de tamaño diminuto. Los tamaños mayores de los granos se forman de numerosos cristales, a diferencia de los grandes granos monocristalinos del carburo de silicio. La estructura en forma de octaedro de alúmina, en el cual 6 grupos hidroxilos (OH-) o átomos de oxigeno están dispuestos de tal manera que cada uno forma un vértice de un octaedro que se mantiene unido por un átomo de aluminio en el centro, algunas veces el aluminio es sustituido por fierro en estado ferroso o férrico.

Figura N°1: Estructura octaédrica de la alúmina (AL2O3), • = O, • = Al.

Para esta práctica se usó como abrasivo final en la preparación de los metales para la observación en el microscopio óptico.

Ataque químico

Hay una enormidad de ataques químicos, para diferentes tipos de metales y situaciones. El ataque químico puede hacerse sumergiendo la muestra en un reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un algodón embebido en dicho reactivo. Luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca en corriente de aire. El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá más oscuro al microscopio, y el menos atacable

permanecerá más brillante, reflejará más luz y se verá más brillante en el microscopio.

Uno de los reactivos más usados es el nital, (ácido nítrico y alcohol), para la gran mayoría de los metales ferrosos. Para su aplicación, se toma la muestra con unas pinzas con la cara pulida hacia arriba, se vierte unas gotas de nital sobre la muestra (lavada y secada previamente) asegurándose que el nital cubra toda la cara (con algunos movimientos de la pinza). Por lo común es adecuado de 3 a 5 segundos para que el ataque químico sea adecuado. El nital oscurece la perlita y pone de manifiesto los bordes de la ferrita. Inmediatamente después se lava la muestra con elevada agua corriente, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un golpe de aire.

Una guía de los ataques químicos utilizados para revelar las fases y microconstituyentes de metales y aleaciones se pueden ver en la norma ASTM E407 - 07 Standard Practice for Microetching Metals and Alloys.

Microscopio metalográfico

Se diferencia del ordinario, fundamentalmente, en su sistema de iluminación. La luz no puede atravesar el metal y por tanto la luz entra en el objetivo después de ser reflejada en la probeta metálica a fin de resaltar aquellas características que queremos contrarrestar y medir. Los microscopios metalográficos suelen llevar un acoplador para montar una cámara fotográfica o de video ya que, para poder estudiar mejor la estructura del metal, se obtienen microfotografías.

Límites del grano:

La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. En la figura se muestran de manera esquemática tres granos; la red de cada uno de ellos es idéntica pero están orientados de manera distinta. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.

Figura N°2: Los átomos cerca de la fronteras de los tres granos no tienen un espaciamiento o arreglo de equilibrio.

Perlita

Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos. En aceros, mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también influyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero.

Ferrita

Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, la ferrita es la fase más blanda 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.

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.

BIBLIOGRAFÍA

*Francisco J. Gil Mur, METALOGRAFÍA, primera edición, Ediciones de la universidad técnica de Catalunya SL, Barcelona, 2005.

*Metalografía, Preparación de probetas y observación al microscopio, http://web.fi.uba.ar, [extraído 24/05/2014].