Caracterizacion Acero Inoxidable

Caracterización de Acero InoxidablePage 9






INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALTILLO


CARACTERIZACION DE ACERO INOXIDABLE

Luis Guillermo Valdés García
Alfonso Ortega López

MC. DOLORES



SALTILLO, COAH.
24 DE MARZO DEL 2014
INDICE

Objetivo………………………………………………………………….……………...….……3
Introducción…………………………………………………………………….…….……..…..4
Marco Teórico
Características de los Aceros……………………………………………………………5
Microestructuras del Acero Inoxidable ………………………………………....……..6
Propiedades de los Aceros Inoxidables Austeniticos………………………………….. 9
Procedimiento experimental………………..……………………………………………...…...10
Materiales empleados…………………………………………………………………………..11
Resultados y Muestras obtenidas….……………………………………………………………13
Conclusiones……………………………………………………………………………………17
Bibliografía……………………………………………………………………………………..18








OBJETIVO

El presente trabajo estudia la caracterización de la microestructura de fundiciones de Aceros como el Acero Inoxidable mediante la utilización del análisis digital de imágenes y conocer su porciento de composición (Acero Inoxidable Martensítico, Ferrítico, Austenitico).
El objetivo es aprender a trata muestras metalográficas para la determinación de Austenita, perlita, ferrita, Martensita, % de Cr y Ni dependiendo el tipo de acero inoxidable que sea.














I.INTRODUCCION

La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los metales y las aleaciones. La forma más sencilla de hacerlo es examinando las superficies metálicas a simple vista. Los estudios microscópicos producen resultados que son útiles no solo a los científicos, sino también a los ingenieros metalúrgicos y personas dedicadas a la ciencia de los materiales. El examen de la microestructura es muy útil para determinar si un metal o una aleación satisfacen las especificaciones en relación con trabajos mecánicos, tratamientos térmicos, y composición general. La microestructura es un instrumento para analizar las fallas mecánicas para controlar procesos industriales y de manufactura.
En este trabajo se ha realizado un estudio sobre una muestra de Acero Inoxidable para así conocer acerca de este material, como la identificación y análisis de la microestructura, según el acomodo del carbono y de acuerdo a las normas ASTM y después de haber tratado la pieza físicamente como en el cortado, esmerilado, pulido y ataque de esta forma poder explicar algunas de sus propiedades y el uso industrial que se le puede dar.









II. MARCO TEÓRICO

2.1 Diagrama de un Acero (Hierro-Carbono)
El acero se obtiene cuando se mezcla hierro con carbono. El acero aleado es un acero al que se le añade elementos de aleación adicionales al carbono. Al acero que está formado simplemente por hierro y carbono se le suele llamar "acero al carbono".
2.1.1 Fases de un Acero
Ferrita (α). Consiste en átomos de hierro con estructura cristalina BCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. La cantidad de átomos de carbono presentes en la ferrita es pequeña. La ferrita es una fase muy suave, dúctil y magnética.
Austenita (γ) consiste en átomos de hierro con estructura FCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales. Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita. Es una fase no magnética.
Cementita (Fe3C) también se llama carburo de hierro. Es un compuesto termetalico. Es una fase muy dura y frágil.
Perlita. Es una fase resultante de la reacción eutectoide del acero. La reacción eutectoide permite que la Austenita en estado sólido se transforma en ferrita y cementita, ambas también en estado sólido. Esta transformación es similar a la reacción eutecta, por lo que la fase resultante tiene una apariencia similar al solido eutéctico.

2.2 Microestructuras de un Acero Inoxidable
Los aceros inoxidables son aleaciones a base de hierro, carbono, cromo, níquel, molibdeno entre otros elementos, que le confieren al material principalmente una excelente resistencia a la corrosión. En general, según la composición química de la aleación existen cuatro tipos principales de aceros inoxidables: ferríticos, martensíticos, austeníticos y dúplex.
Estos tipos de aceros inoxidables se basan en el diagrama de equilibrio Cr-Fe.

La siguiente figura muestra el diagrama de equilibrio estable Cr-Fe, su análisis presenta una forma adecuada de revisar los conceptos básicos detrás de los diferentes tipos de aceros inoxidables.

Figura 2.1 Diagrama de equilibrio Cr-Fe

Las aleaciones hierro-cromo, con menos de 12% de cromo, transforman su estructura ferrítica a austenítica (fase gamma, γ) durante el calentamiento. Por enfriamiento rápido hasta la temperatura ambiente, conseguiremos transformar la Austenita en Martensita (aceros inoxidables martensíticos).
Las aleaciones de hierro con contenidos de cromo entre 12 y 13% forman a elevadas temperaturas estructuras bifásicas (α y γ) que enfriadas rápidamente a temperatura ambiente, presentarán una estructura formada por Ferrita y Martensita (aceros ferríticos-martensíticos).


2.2.1 ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

Los aceros inoxidables martensíticos son esencialmente aleaciones Fe-Cr que contienen entre 12 y 17 por ciento de Cr y tienen suficiente carbono (0.15 a 1.0%) para que se pueda producir, mediante el temple, una estructura martensítica a partir de la región de la fase austenítica.

Dentro de la gama de los aceros inoxidables martensíticos se destacan aquellos con un
13% de Cromo, a los cuales, se realizó posteriormente una adición de 4% de Níquel para mejorar su resistencia a la cavitación y al impacto, y se obtuvieron adicionalmente ventajas como:
Mejor Resistencia a la corrosión
Mayor grado de dureza
Mayor resistencia a la fractura
Mayor soldabilidad

La alta resistencia a la corrosión de los MSS 13%Cr-4%Ni se debe al contenido de cromo y carbono en la materia.

2.2.2 ACEROS INOXIDABLES FERRITICOS

Se caracterizan por una estructura ferrítica a cualquier temperatura ya que no presentan transformación de Ferrita en Austenita durante el calentamiento ni transformación martensítica en el enfriamiento. Por esta razón no hay posibilidad de cambios de fase. Si a un acero inoxidable se le aumenta el porcentaje de Cr y se limita la cantidad de C la vertical que representa a aleación se situará a la derecha del bucle gamma y el acero será ferrítico a cualquier temperatura, ya que no atraviesa ninguna línea de transformación, y no podrá ser templado.

Los aceros Ferríticos son conocidos como los aceros inoxidables de cromo directo. Su contenido de cromo que varía entre 10.5% (Tipo 409) y el 30% (Tipo 448). Los aceros de 25-30% de cromo presentan buena resistencia a la corrosión y en atmósferas sulfurosas en caliente.

2.2.3 ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS

La clase austenítica contiene níquel como segundo elemento principal de aleación. El Ni se utiliza para suprimir la transformación de la Austenita y hacerla estable incluso a temperatura ambiente y más baja. Así, cuando el níquel se agrega al acero inoxidable en cantidades su cientes, la estructura cambia a Austenita. Se utilizan en la mayor parte de las aplicaciones de soldadura ya que ellos son mucho más soldables que los aceros inoxidables ferríticos, martensíticos o de endurecimiento por precipitación. Endurecible solamente por trabajo en frío. Los aceros inoxidables Austeníticos no pueden ser templados para obtener Martensita, ya que el Níquel estabiliza la Austenita a temperatura ambiente e incluso por debajo de ella. Comparado con el acero al carbono posee menor punto de fusión, menor conductividad térmica, mayor resistencia eléctrica y coeficientes de expansión térmica aproximadamente 50% mayores. Son no magnéticos en estado recocido. Tienen una estructura cúbica centrada en las caras. Resistencia a la corrosión, tenacidad, ductilidad y soldabilidad excelentes. No pueden endurecerse por tratamiento térmico, solamente por deformación en frío o en caliente.


2.2.4 ACEROS INOXIDABLES ENDURECIBLES POR PRECIPITACIÓN

Son aleaciones base hierro, con Cr entre 12% y 18% y Ni entre 4% y 9%, además de elementos aleantes que producen el endurecimiento por precipitación tales como Molibdeno
(Mo), Titanio (Ti), Nitrógeno (N), Cobre (Cr), Aluminio (Al), Tántalo (Ta), Niobio (Nb), Boro (B) y Vanadio (V). Han sido formulados de tal forma que puedan ser suministrados en condición de solución sólida (en la cual ellos son maquinables) y así puedan ser endurecidos después de la fabricación a través de un proceso de "envejecimiento" a baja temperatura entre 482-593°C minimizando los problemas asociados con los tratamientos a temperaturas levadas. El principio del endurecimiento por precipitación es que una solución sólida cambia su estructura metalúrgica con el envejecimiento.
Presentan una moderada a resistencia a la corrosión, son magnéticos y una buena soldabilidad.

2.2.5 ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX

Son aleaciones base hierro con Cr, Mo y una cantidad de estabilizadores de la Austenita como Ni y N para lograr el balance deseado entre las fases ferríticas y austeníticas de donde deriva su denominación dúplex. El nitrógeno aumenta el límite de fluencia y reduce la velocidad de la formación de compuestos intermetalicos frágiles. El molibdeno mejora la resistencia a la corrosión por picadura y rendija.





Figura 2.2 Microestructuras a color. a) Microestructura acero Inoxidable Martensítico. Acero 410. b) Microestructura de un acero inoxidable ferrítico 430, con una matriz ferrítica y partículas de carburos dispersas. c) Microestructura de un acero inoxidable austenítica 316 con una matriz 100% austenítica. d) Microestructura típica de un acero inoxidable dúplex 2205. e) Microestructura de un acero inoxidable endurecible por precipitación mostrando una matriz austenítica con Martensita y ferrita 


Tabla 3.1 clases de los Acero Inoxidable

2.3 Propiedades del Acero Inoxidable Austenitico

Los aceros inoxidables austeníticos son un importante tipo de aleación de ingeniería muy utilizados debido a que poseen gran estabilidad química. Estos aceros no son usados frecuentemente en la condición de trabajados en frío, debido a que la deformación plástica en frío tiene marcada influencia sobre las propiedades mecánicas, en particular a temperaturas menores a cero grados centígrados. Por otra parte, son ampliamente utilizados en aplicaciones donde se requiere combinación de alta resistencia a la corrosión, a la confortabilidad y a la soldabilidad, particularmente en la industria química, naval, farmacéutica, aeronáutica, alimenticia, de transporte, entre otras. Esto determina su importancia crítica en el desarrollo de la industria tecnológica.
Es el grupo más popular de la familia de aceros inoxidables. Son aleaciones no magnéticas endurecible por conformado en frío (en cuyo caso es posible que se vuelvan ligeramente magnéticas) pero no por tratamiento térmico. Su microestructura está constituida fundamentalmente por granos de Austenita. La presencia de Ni en estos aceros permite estabilizar la fase austenítica, pues de otro modo la adición única de Cr produciría una microestructura ferrítica a temperatura ambiente.
Cuando las condiciones de servicio exigen una mayor resistencia a la corrosión por picaduras se emplea el acero inoxidable del tipo AISI 316 (que es el de la muestra analizada (17% Cr – 12% Ni – 2% Mo)) que es empleado mayormente en procesos industriales como la elaboración del papel y en la industria alimentaria.


III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para poder observar la microestructura original de la pieza de Acero Inoxidable se le tuvo que hacer una preparación metalográfica en donde primero se le hizo un corte para obtener un tamaño de 1cm por 1 cm aproximadamente, aquí la pieza no cuenta con una superficie plana y especular así que no se puede observar en el microscopio hasta revelar lo deseado, que en nuestro trabajo serán fases.
Para facilitar su manipulación y mejorar los resultados de la preparación, se montó en caliente la pieza con una resina (baquelita).
Para eliminar el material superficial de la muestra se sometió a un desbaste con lijas de tamaños de: 60, 80, 120, 180, 240, 600, 1000, 1200 y 2000.
Enseguida se pulieron hasta un acabado espejo en paño grueso con Alúmina de 1 μm respectivamente.
Finalmente para revelar la microestructura es atacado con una solución de Ácido Oxálico por ataque electrolítico por 20 segundos con una carga de 4 a 6 Volts.
Por medio del microscopio óptico podemos ver la microestructura, límites de grano, hacer una cuantificación y ver las fases presentes con un aumento de 10x, 20x, 50, 100x.







3.1.Materiales Empleados

Para obtener una pieza accesible y ser vista en el Microscopio Óptico utilizamos la cortadora, que es para materiales duros y no frágiles como la que se muestra en la fig. 3.1


Fig 3.1 Cortadora

La montadora consiste en incrustar la muestra ya cortada
Dentro del soporte, colocando la resina para que retenga la
Muestra firmemente (Fig 3.2).
Fig. 3.2 Montadora

En la desbastadora Automática (fig. 3.4)
Aquí eliminamos el material superficial de la muestra
Mediante la acción abrasiva de materiales con gran dureza y bordes.
Fig. 3.4 Desbastadora Automática

En la pulidora automática (fig. 3.5)
se elimina el poco material superficial que aún tiene la muestra mediante paños de pulido ya sea paño grueso o fino y aquí darle el acabado espejo que se busca para así pasar al siguiente paso que es el ataque de la muestra. Figura 3.5
Ataque electroquímico (fig. 3.6)
Figura 3.6Figura 3.6Aquí se realiza el ataque por medio de una corriente donde la muestra se sumerge en el medio requerido (ácido oxálico) y se le da una cierta cantidad de potencia eléctrica (6V) por un cierto tiempo (33 seg) para así poder revelar la microestructura y llevarla al microscopio óptico y ver las fases que presenta y compararlas con el Atlas de microestructuras de acero inoxidable aleaciones convencionales (ASM Metal Handbook).
Figura 3.6
Figura 3.6





Fig. 3.7
El Microscopio Óptico con ayuda del software, son los que nos ayudan a caracterizar este material, que gracias a estos aparatos y software obtenemos imágenes con calidad y nitidez (fig.3.7).

3.2 Resultados y muestras obtenidas
Después de la preparación metalográfica se obtuvieron las siguientes imágenes por medio del microscopio óptico con los aumentos de 10X, 20X, 50X, 100X donde se muestra que es un Acero Inoxidable Austenitico 316 con 100% de Austenita debido a que la parte negra es carbono y lo amarillo es Austenita.
En la figura 3.8 muy apenas se alcanzar a ver los límites de grano así que se volvió atacar por unos segundos más (3 seg)

Figura 3.8 Micrografía Acero Inoxidable Austenitico a 10X
En la figura 3.9 se aprecia el cambio que se obtuvo al aumentar el tiempo de ataque, los límites de granos se notan más.

Figura 3.9 Micrografía Acero Inoxidable Austenitico a 20X
En la figura 3.10 se muestra la Micrografía a 50x

Figura 3.10 Micrografía Acero Inoxidable Austenitico a 50X
En la figura 3.11 Le falto más tiempo de ataque, debido a que la fase de Austenita no se puede identificar muy bien debido a que el límite de grano no se distingue muy bien.

Figura 3.11 Micrografía Acero Inoxidable Austenitico a 100X




Cuantificación de la muestra metalográfica



ASTM Grain Size: 'G' ASTM Grain Size
Field 1 8.9638147
Accum. 8.9638147














Analysis Statistics Phase Area Limite de grano Austenitca
Minimum 1.0778% 1.0778% 98.922%
Maximum 98.922% 1.0778% 98.922%
Mean N/A 1.0778% 98.922%
Std. Dev. N/A 0% 0%
Field Statistics
Total Scanned Area 93899.64
Field Area 93899.64
Number of Fields 1

AustenitaLímite de granoAustenitaLímite de grano
Austenita
Límite de grano
Austenita
Límite de grano






IV. Conclusiones
El Acero inoxidable estudiado resulto ser un Acero inoxidable Austenitico 316, el cual contiene altas concentraciones de Austenita y muy pero muy poco concentración de carbono estos resultados fueron obtenidos por el software, esto debido que así, está compuesto este material, como se muestra en las imágenes tomadas en el microscopio a diferentes aumentos. Según imágenes vistas en el laboratorio es un Acero Inoxidable Clase III (tipo 316)
Tipo % Cr %Ni %C %Mn % Mo
316 16-18 10-14 0.08 2.0 2.3
Conocimos como preparar una muestra metalográfica, sus etapas por las que debe de pasar así el que y como es lo que se usa para preparar una muestra de acero inoxidable y hacer una prueba metalográfica y saber qué tipo de acero inoxidable es. Conocimos cada uno de los equipos y cómo manejarlos, al final de la práctica conocimos como se ve la microestructura del acero inoxidable y en cuanto y que es lo que contiene esta pieza de acero, nos dimos cuenta de que a pesar de que todos son aceros existen diferentes estructuras y no todos contienen lo mismo, está en diferente cantidad y sus propiedades son diferentes. El contenido de esta muestra de acero inoxidable fue un Acero Inoxidable Austenitico 316.







V. Bibliografía
FUENTES DE INFORMACION
Cuadernillo curso de metalografía del Dr. Alberto Pesina
http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/12065/ANALISISACERO.pdf?sequence=1
http://www.bdigital.unal.edu.co/2161/1/43983823.2009.pdf
http://www.indura.com.mx/_file/file_1774_manualdeacerosinoxidables%20indura.pdf
Metallography and Microstructures Volume 9 of the 9th Edition Metals Handbook
http://www.mty.itesm.mx/dia/deptos/im/m00-861/Lecturas/LectP1M1.pdf
http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/26/7-aceros-inoxidables/
http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2013.pdf
http://www.acerosymetalescuautitlan.com.mx/catalogo/acero-inodixable/108-acero-inoxidable-austenitico-316.html