laboratorio de dureza del aisi 1045

Universidad Distrital FJDC. Vargas Mara Alejandra, Rodrguez Luis Felipe, Villa Oscar Eduardo. Crdoba Cubillos

Jhordan. Micrografa y Dureza.

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ResumenEn este informe se presentan los resultados de micrografa y dureza obtenidos a

partir de una muestra de acero AISI 1045. El

propsito del documento es dar a conocer la

estructura del acero aqu analizado, mostrar

grficamente sus constituyentes o fases, mostrar la

dureza del material y establecer las fracciones

volumtricas del material, que den informacin

estimada del porcentaje en volumen de las fases de

la probeta tratada.

INTRODUCCIN

Los ensayos de dureza y metalografa son un buen

aliado en la ciencia de los materiales, siendo

mtodos efectivos para determinar las

caractersticas qumicas y mecnicas de los metales.

Bien sea para el desarrollo de nuevos materiales o

para caracterizar un material se hace necesario

conocer sus propiedades. De esta forma, los anlisis

metalogrficos brindan una descripcin de la

estructura, as como sus constituyentes de acuerdo

al color y una visin superficial de los defectos del

material, mientras que los ensayos de dureza

permiten definir la resistencia del material, as como

la verificacin de sus constituyentes por la dureza

de cada fase. Este laboratorio se embarcar en el

anlisis en torno al acero 1045, determinando sus

constituyentes, la proporcin en la que estn

dispuestos y la dureza general y por cada una de las

fases del material tratado.

1 MARCO TEORICO

Los aceros, se clasifican de acuerdo a su

composicin de carbono en:

Hipoeutectoides: cuentan con un porcentaje de C menor al 0.89%. A este tipo de acero

corresponde la probeta analizada en este

documento

Hipereutecoides: Son aleaciones de acero con porcentaje de carbono superior al 0.89

Como los aceros hipoeutectoides poseen baja

cantidad de carbono, es de esperar que en estas

aleaciones se presenten con mayor frecuencia

constituyentes como la ferrita y la perlita, mientras

que en los de alto carbono predomine la cementita a

la ferrita, acompaada de perlita. Los aceros

templados, poseen otros constituyentes, tales como

la martensita e incluso estructuras intermedias, del

tipo de la sorbita, la troostita o la bainita.

1.1 Microconstituyentes de los aceros

Los aceros tienen variedad de fases, producidas por

tratamientos trmicos o alteracin de las

propiedades qumicas del mismo. En estos metales

los constituyentes representan el tipo de material,

expresan su contenido de carbono y el modo en que

ha sido tratado trmicamente. Algunos

constituyentes del acero son:

Austenita

Ferrita

Cementita

Perlita (que de hecho es cementita y ferrita combinadas)

Bainita

Martensita

Las fases dependen de cmo los tomos se

encuentren organizados. A su vez los constituyentes

del acero se forman de acuerdo a la forma en que se

propaguen los tomos. De esta manera, si los

tomos tienen suficiente tiempo como para ocupar

espacios huecos en la estructura cristalina o para

Laboratorio 1: Dureza y Metalografa de probetas

del acero AISI 1045

Vargas Mara Alejandra, Rodrguez Leguizamn Luis, Villa Oscar Eduardo, Crdoba Dewytt Jhordan Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

Bogot D.C, marzo del 2014



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nuclearse (que sucede cuando se mantiene durante

tiempo prolongado una elevada temperatura) se

conocer como un proceso difusivo a dicha

propagacin de tomos. Un ejemplo de este

proceso es la perlita. Por otra parte, si al alcanzar la

temperatura crtica se enfra rpidamente el acero,

los tomos no tendrn el tiempo suficiente como

para difundirse a lo largo del material y este ser un

proceso no difusivo. Un constituyente creado por un

proceso no difusivo es por ejemplo la martensita.

1.2 Micrografa de metales

El examen estructural de los materiales y

aleaciones por va microscpica es una de las

principales herramientas con las que se cuenta para

mostrar, analizar y relacionar con sus respectivas

propiedades al elemento de estudio, ya sea en

investigacin cientfica como en el control de la

calidad de los materiales. Todo esto se realiza

gracias a los procedimientos metalogrficos.

La metalografa microscpica o metalografa de

metales entonces, se encarga de estudiar los

procesos metalrgicos con ayuda del microscopio,

con el objetivo de determinar los constituyentes y la

textura del material de anlisis. Para ello, el estudio

se debe llevar a cabo en superficies totalmente

pulidas, y por lo general atacadas por un adecuado

reactivo.

Se puede concluir entonces, que el objetivo de la

preparacin de una muestra metalogrfica es el de

la revelacin de la estructura verdadera del material,

la cual no posea deformaciones, rayas, arranques de

material, elementos extraos, aplastamientos,

relieves, bordes redondeados y daos trmicos.

Pero para lograr una muestra metalogrfica en

tales condiciones, se hace necesario cumplir un

procedimiento, de tal forma que la probeta quede

perfectamente pulida y reaccione con el reactivo

adecuado. Para ello se siguen por lo general las

siguientes fases de preparacin:

a. Seleccin y extraccin: A menudo es necesario cortar el material en una forma

determinada de tal manera que se logre

obtener una superficie plana y con la

menor deformacin. Un aspecto a tener en

cuenta en el corte de la muestra de

anlisis, es el control de la temperatura

generada al momento del corte, ya que

podra modificar la estructura original de

la misma.

b. Desbaste por abrasivos/Esmerilado: Para llevar a cabo este paso, se utilizan

abrasivos, tales como discos de corte,

esmeriles o lijas. Con esto se busca

producir una superficie uniforme y

descubrir la superficie interna de la

muestra a analizar.

Fig. 1.21: Papeles para esmerilado manual

c. Pulido y limpieza: El anterior paso, deja rastros de lneas y rayas producidas por el

abrasivo. Con este tipo de superficie, el

microscopio arrojar una imagen opaca y

con rayones. Para ello, se hace necesario

pulir la probeta con una pulidora

metalogrfica que elimine por completo

las marcas de los abrasivos usados en el

proceso de desbaste. Luego de ello, es

necesario asegurarse de que la muestra se

encuentre totalmente limpia, para que

partculas de los elementos de bruido o

pulido no interfieran en el microanlisis

de la estructura.

d. Ataque qumico: Ahora, para revelar la estructura de la probeta se hace necesario

atacarla con un reactivo. Para realizar

esto, se sumerge la muestra sobre una

solucin cida o bsica dbil. En aceros

por lo general se usa nital (una solucin de

alcohol y cido ntrico) mientras en otros

metales tales como los bronces se emplea

para tal labor agua oxigenada y cido

sulfrico. Para determinar el reactivo

adecuado, se tiene en consideracin el

material y el objetivo buscado por el

ataque.



3

e. Finalmente las muestras se llevan a un microscopio ptico y se observan a

diferentes aumentos. Si el inters es

observar microestructura en forma macro,

se puede observar a 50X o 100X, pero si

se quieren observaciones con mayor

detalle, se pueden usar desde 200 hasta

2000X en un microscopio ptico y hasta

100000X y ms en microscopios

electrnicos de barrido y de transmisin.

Fig. 1.22: Equipo de microscopio ptico para metalografa de metales

1.3 Ensayo de dureza en aceros

La dureza de un material consiste en su capacidad

de resistir ser rayado otro. En la actualidad, existen

varios mtodos para determinar la dureza de un

material. Entre ellos, de los ms conocidos se

encuentran los ensayos de dureza tipo Rockwell,

Brinell y Vickers. Como tal, el ensayo de dureza

mide la resistencia de un material a la penetracin

de un punzn o cuchilla que se conoce como

indentador. Todo el sistema que acciona el

penetrador, se conoce como durmetro. El

durmetro en su indentador, usualmente consta de

una pirmide, un cono o una bola construidos de un

material mucho ms duro que el acero a medir. La

profundidad a la cual penetra este material entrega

un valor que est tabulado, obtenindose de esta

forma una medida de la dureza del acero.

Para el ensayo Rockwell, se emplea como

elemento de penetracin, un cono de diamante de

ngulo 120 para aceros duros, mientras que para

los semiduros y blancos se usa una bolita de acero

de 1/16, y se deduce la fuerza Rockwell de la profundidad conseguida en la penetracin. En el

indentador se hace incidir sobre la superficie de la

pieza a medir con una carga previa de 10 Kg. Luego

se aplica una carga mayor predeterminada. La

diferencia en la penetracin entrega una medida de

la dureza del acero.

Para el ensayo de dureza Brinell, se comprime

una bola de acero templada contra el material a

medir con una fuerza determinada. Despus de

liberar la carga, se mide el dimetro de la huella con

un dispositivo amplificador ptico. El tamao de

dicha huella entrega una medida de la dureza bajo

las condiciones del ensayo.

Para el ensayo Vickers, se emplea como cuerpo

de penetracin una pirmide cuadrangular de

diamante. La dureza Vickers, se calcula partiendo

de la fuerza aplicada y de la diagonal en la huella en

forma de cuadrado creada por el indentador.

2 ANTECEDENTES

El estudio de la estructura y fases de los aceros est

muy diversificado. Es tal la variedad de este tipo de

investigaciones, que existen patrones y tablas con

datos consignados de la micrografa y dureza de

diferentes aceros. No obstante, ningn material

analizado en dichos estudios es exactamente igual al

acero 1045 aqu tratado debido a variaciones en la

composicin qumica. Pero de igual manera,

ofrecen excelentes referentes del tipo de resultados

al que se pretende llegar. Para la elaboracin de este

informe, se tuvieron en cuenta algunos de ellos,

basndose en el criterio de la metalografa de aceros

hipoeutectoides e hipereutectoides. Los artculos y

laboratorios se presentan junto con una descripcin

a continuacin:

La investigacin Asignacin de fase in-situ y

observaciones directas de las transformaciones de

fase durante la soldadura con arco en acero SAE

10451 desarrollado por JW Elmer y TA Palmer

quienes realizaron inspeccionesor difraccin de

rayos X y se realizaron inspecciones de la

microestructura durante la soldadura por arco con

gas de tungsteno. En el anlisis se identificaron en

total austenita y ferrita. Tambin se evidencia

subenfriamiento, causado por los granos grandes en

la zona analizada. Tambin se observaron en los

estudios que exista una fase con dos parmetros de

1 JW Elmer; TA Palmer. In-situ phase mapping and direct observations of

phase transformations during arc welding of 1045 steel [en lnea]. Base de

datos SpringerLink.Marzo 2007. [ref. 14 marzo 2014]. Disponible en Web: .



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red cristalina, causada por la distribucin no

homognea de carbono.

El artculo de revista Estructura de acero

endurecido lser 10452 detalla el anlisis de la

microdureza de acero AISI 1045. En las pasadas del

haz, se detect martensita formada en la zona de

fusin y regiones de perlita. Cuando se expuso las

zonas con austenita al lser, se encontr una dureza

de 750 y 900 HV (Vickers). No obstante se detect

que la dureza no es uniforme y va desde alrededor

de 800 HV hasta 400 HV. Tambin se concluy que

cuando la densidad del haz de lser excede un cierto

nivel de umbral, la regin afectada por el lser sufre

una disminucin drstica.

El informe Ensayo Interlaboratorio3 del SAI, se

llevaron a cabo micrografas de lminas de acero

ASTM E 112, para determinar el tamao de grano

medio segn la norma ASTM E-112/04 y para

determinar el estado inclusionario del acero segn

la norma ASTM E-45/05. Para llevar a cabo

estos anlisis, se realizaron pruebas por microscopia

electrnica. Respecto al tamao de grano se obtuvo

que el tamao medio era de 9 con un lmite de

confianza de 0.13. Para este estudio participaron 6

personas, quienes llevaron a cabo la aplicacin de

las normas mencionadas.

3 DESARROLLO DEL LABORATORIO

En el laboratorio, se efectuaron pruebas de dureza

con el durmetro y el microdurmetro, adems de la

realizacin de micrografas a varios aumentos de

una probeta 1045. El proceso detallado se muestra a

continuacin:

3.1 Clculo de las temperaturas crticas

Para encontrar las temperaturas de inicio y final de

la transformacin de austenita (A1 y A3

respectivamente) se utilizaron los aleantes de la

probeta de acero, encontrados a partir de un anlisis

2 M. Riabkina-Fishman; J Zahavi. Strcuture and microhardess of laser

hardened 1045 steell [En lnea]. Texinfo. Ed. 1. Mayo, 1998. [ref. 14 marzo

2014]. Journal of Materials Science, pp: 1547-1552. Disponible en SpringerLink Web: .

3 Grupo Arcelor Mital ; CNEA, INTI; Tenaris Siderca. Ttulo [En

lnea]. Servicio Argentino de Laboratorios (SAI). Lugar de publicacin: l,

septiembre de 2010. [ref. 14 marzo 2014] (Disponible

en:

de composicin qumica. Las frmulas empleadas

fueron extradas de la recopilacin de Antonio

Augusto Gorni en su texto STEEL FORMING AND

HEAT TREATING HANDBOOK. A continuacin se

dan a conocer los resultados obtenidos:

3.1.1 Composicin qumica de las probetas Para hallar la composicin qumica se realizaron en

total 3 quemas de una misma muestra de material.

El criterio de bsqueda de aleantes se basa en la

presencia de 20 elementos. En la muestra de acero

analizada slo hay presencia de 18, siendo nula la

cantidad de magnesio y titanio presente en dicha

muestra. Una vez obtenidos los datos de cada

resultado se determin el promedio, y de esta forma

se calcul el porcentaje de presencia en la probeta

de acero de los siguientes elementos:

Componente

Porcentaje

Fe 98.420

C 0.453

Mn 0.777

P 0.005

S 0.011

Si 0.180

Cu 0.041

Ni 0.018

Cr 0.036

V 0.001

Mo 0.012

W 0.028

Co 0.005

Ti 0.000

Sn 0.003

Al



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3.1.2 Clculo de A1 Con los datos arrojados por la composicin

qumica, se determin con la frmula de Kasatkin4

la temperatura de inicio de transformacin

austentica. Esta se muestra a continuacin:

1 = 723 7.08 + 37.7 + 18.1 +44.2 + 8.95 + 50.1 + 21.7 + 3.18 +297 830 11.5 14.0 3.10 57.9 15.5 5.28 6.0 + 6.77 0.80 0.80 27.4 + 30.8 0.842 3.462 0.462 282

De donde se determina que A1 corresponde

aproximadamente a 725.1812 C

3.1.3 Clculo de A3

Clculo de A3Para hallar la temperatura final de

transformacin austentica se emple la frmula

propuesta por Kasatkin para el A3:

3 = 912 370C 27.4Mn + 27.3Si 6.35Cr 32.7Ni + 95.2V + 180Ti + 72.0Al + 64.5Nb +5.57W + 332S + 276P + 485N 900B +16.2C Mn + 32.3C Si + 15.4 C Cr + 48.0C Ni +4.32Si Cr 17.3Si Mo 18.6Si Ni + 4.80Mn Ni +40.5Mo V + 1742 + 2.462 6.862 +0.3222 + 9.902 + 1.242 60.22

Por lo que A3 corresponde a 778.4234 C

3.2 Micrografa de la probeta

Como primera accin, se puli la probeta de acero

y se atac qumicamente para que los granos

pudieran identificarse microscpicamente de

acuerdo a su color. Se realizaron tomas fotogrficas

con el microscopio metalogrfico con aumentos de

100, 500 y hasta 1000 veces el tamao real. De

acuerdo al anlisis metalogrfico se estima que los

granos de color blanco son ferrita, y ya que la

probeta es un acero hipoeutectoide, los grisceos y

opacos representan probablemente constituyentes de

la perlita. Las micrografas se muestran en la pgina

siguiente:

KASATKIN, O.G. et al. Calculation Models for Determining the Critical

Points of Steel. Metal Science and Heat Treatment. 26:1-2, Enero - Febrero 1984, pp: 27-31.



6

Tabla 3.2: Imgenes organizadas de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Micrografas de la probeta de acero 1045 a 100, 200,

500 y 1000 aumentos. Los granos oscuros (de color crema y marrones) representan constituyentes del acero ricos en carbono. Los

mismos se encuentran dentro de una matriz blanca (que se observa amarilla a pocos aumentos por la iluminacin propia del

microscopio) que posiblemente corresponde a ferrita.

3.3 Ensayo de dureza

Una vez obtenidas las tomas microgrficas del

material, se procedi a tomar la dureza. Los datos

obtenidos en cada equipo de los utilizados en el

ensayo se muestran a continuacin:

o Prueba en el durmetro

Este ensayo tiene como finalidad dar a conocer la

dureza total de la probeta de acero. Los datos son:

Carga: 100 Kg

Tiempo: 10 s

Cantidad de indentaciones: 5

Unidad de dureza: Rockwell B (HRB)

Resultados de dureza en todos los intentos:

94.9

95.8

97.1

98.6

97.8 Promedio: 96.84

o Prueba en el Microdurmetro

En el ensayo con el microdurmetro, se midi la

dureza de cada fase visible en el microscopio.

Los datos obtenidos son:

Aumentos: 400X

Carga: 490,3 mN

Tiempo: 30s

Unidades de dureza: Vickers (HV) y por

conversin Rockwell B (HRB)

Resultados de dureza: HV Fase/Zona por color

157 Gris

128 Blanca

Promedio: 142.5

Tabla 3.31: Resultados de dureza en Vickers dados por el

microdurmetro



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HRB Fase/Zona por color

81.7 Gris

72.2 Blanca

Promedio: 76.95

Tabla 3.32: Resultados de dureza en Rockwell B obtenidos por

conversin.

De acuerdo a los resultados anteriormente

mostrados por el microdurmetro, es posible

observar que constituyentes como la martensita no

estn presentes en la muestra de acero por lo que se

entiende que est en estado normalizado. De

acuerdo al nivel de dureza, posiblemente las zonas

de color oscuro que aparecen en la micrografa sean

perlita (cementita+ferrita) y como se observa en las

tablas 3.31 y 3.32 son ms duras que las de color

crema (blancas). Los granos de color marrn claro

podran tratarse de ferrita combinada con un nivel

de carbono mayor del que se encuentra en la ferrita)

o de perlita con una cantidad de ferrita mayor que la

cementita.

3.4 Estimacin del porcentaje volumtrico de cada constituyente

Para determinar las fracciones volumtricas se

recurri al microscopio metalogrfico. Se realiz un

anlisis de dos fases entendidas como perlita para

las zonas marrones (oscuras) y ferrita para las de

color crema. Es de mencionar que la clasificacin

de los constituyentes es netamente grfica y

dependiente del color, puesto que el software del

microscopio la realiza bajo escala de grises de

acuerdo al color de los pixeles en la micrografa de

la probeta.

Para asegurarse de que la clasificacin de las dos

fases (de acuerdo al color) haya sido vlida se

tomaron datos de dos anlisis de la misma

micrografa. A continuacin se muestran los

resultados de cada prueba:

Constituyente 1er anlisis 2do anlisis

Perlita 68.71 72.24

Ferrita 30.01 31.66

Fase restante 0.73 0.43

Tabla 3.41: Porcentaje de presencia de los constituyentes ferrita y

perlita para los dos anlisis

Como se muestra en la tabla, la fase de perlita

ronda alrededor del 70 %, mientras que la ferrita

ocupa casi el restante 30% del material de la

probeta.

La micrografa utilizada corresponde a una de

500 aumentos.

Figura 3.42: (Izquierda) Microfotografa utilizada en el anlisis

del porcentaje de constituyentes. La imagen de la derecha muestra

el mapeo de la clasificacin por color de los dos constituyentes.

La ferrita se muestra como el color celeste mientras que la perlita

como el azul oscuro.

CONCLUSIONES

Pudo determinarse experimentalmente y comprobarse de acuerdo a la dureza y al

color las fases correspondientes de la

muestra de acero tratada. De esta forma,

finalmente se pudo precisar que el

componente de color oscuro con dureza de

X corresponda a perlita y el constituyente

blanco con dureza Y es ferrita.

En base a los resultados de la composicin qumica se puede confirmar que la probeta

es de acero AISI 1045, puesto que el

contenido de carbono para que un acero

tenga tal clasificacin debe oscilar entre el

0.42 hasta el 0.43 %. Como s eaprecia en

la tabla 3.11, el contenido de carbono es

de 0.453 %.

Para el caso de la estimacin de las fracciones volumtricas, pudo

determinarse que los porcentajes de fase

restante 0.73 y 0.43 mostrados por el

primer y segundo reporte respectivamente

corresponden a zonas de la micrografa

que el anlisis por escala de grises fue

incapaz de clasificar. Ello significa que

son combinaciones complejas de separar

formadas por la perlita y la ferrita.

Tambin se evidenci la forma en que un desnivel en la probeta de acero cambia

significativamente los resultados de la



8

prueba de microdureza. De esta forma, el

primer ensayo realizado sobre la probeta

arroj durezas que ondeaban 30 HV. En el

segundo anlisis (con la probeta refrentada

en el desnivel) se obtuvieron resultados de

alrededor de 70 HV. No obstante, despus

de refrentar la probeta, esta sigui con un

desnivel mayor, situacin que se ve

reflejada entre los promedios obtenidos

del ensayo de dureza y microdureza que

corresponden a 96.84 y 76.95 Rockwell-B

respectivamente.

REFERENCIAS

[1] CALLISTER D. Wlliam; Rethwisch G. David. Fundamentals of Materials Science and Engineering [en

linea]: An Integrated. 4 Ed. [ G. O. Young,885 Synthetic structure of industrial plastics (Book style with paper title

and editor), in Plastics, 2nd ed. vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 1564.

[2] JW Elmer; TA PALMER. In-situ phase mapping and direct observations of phase transformations during arc

welding of 1045 steel [en lnea]. Base de datos

SpringerLink. Marzo 2007. [ref. 14 marzo 2014].

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Laboratorios (SAI). Lugar de publicacin: l, septiembre

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en:

[5] GORNI Antonio Augusto. Steel Forming and heat treating Handbook [En lnea]. 4 Abril 2002. Rev 25 Enero

2012 [ref. 14 marzo 2014]. Disponible en Web Gorni:

laboratorio de dureza del aisi 1045

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