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ESCUELA SUPERIOR POLITE CNICA DE
CHIMBORAZO
FACULTADDEMECANICA
ESCUELA DE INGENIERA MECNICA
LABORATORIO DE MATERIALES
TEMA: CARACTERIZACION DE UN MATERIAL
DESCONOCIDO
NOMBRE:
Rafael Gamboa 6073
PROFESOR:
Ing. Mario Pastor
NIVEL:
SEPTIMO
FECHA DE ENTREGA:
2014 06 - 12
RIOBAMBA - ECUADOR
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ESCUELA DE INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE MATERIALES
1.- TEMA:
CARACTERIZACION DE UN MATERIAL DESCONOCIDO (EJE DE UNA MAQUINA DE COCER)
2.- RESUMEN:
En el presente proyecto se realizo la caracterizacin de un material para el respectivo anlisis
de la microestructura, calculo de dureza y el tamao de grano y algunas caractersticas propias
de ciertos elementos mecnicos o de maquinas que sufren daos frecuentemente. Para ello
hemos elegido la caracterizacin de una eje de maquina de cocer.
Con lo cual primero se defini conceptos importantes para la facilitacin de clculos
relacionados al material de estudio, luego se describi el equipo y materiales utilizados as
como el procedimiento que se realizo en el laboratorio para luego observar las fotografas
realizadas de la microestructura y as verificar los diferentes contenidos de la microestructura.
Para el respectivo estudio se preparo dos especmenes del material (espcimen normal,
recocido) con lo cual se realizar la preparacin de los especmenes basndonos en el
procedimiento de la norma ASTM E3, el estudio se realizo en la parte transversal del
espcimen lo cual se atac qumicamente con nital 2% y se obtuvo los diferentes
microconstituyentes que son perlita, ferrita y con los cuales se hallo el carbono que fue de
0.45% C y al comparar con el metal handbook se estipulo que se trata de un acero AISI 1045.
Cave recalcar que se realizo la observacin de inclusiones en su microestructura normal los
cuales correspondieron a sulfuros y xidos globulares (Tipo A, B).
Para el clculo del tamao de grano en las muestras que sean posibles de realizarlas se opto
por el mtodo de interseccin la cual es muy segura para lo cual se baso en las normas ASTM
E- 112-85 y se obtuvo un tamao de grano G4, G3 en la probeta normal y recocida
respectivamente. Tambin para el caculo de dureza se empleo el ensayo de dureza BRINELL y
se obtuvo durezas de la probeta normal, recocida y templada 267.18, 180, 323 HB
respectivamente.
Por ltimo se presento las conclusiones, observaciones, recomendaciones y referencias del
presente proyecto.
3.- MARCO TEORICO:
ACEROS DE MEDIA ALEACIN
Los aceros de medio carbono tiene porcentajes en carbono comprendidos entre 0.25% y 0.6%.
Estos aceros pueden ser tratados trmicamente mediante austenizacion, temple y revenido
para mejorar sus propiedades mecnicas. Se utilizan en las condiciones de revenidos, con
microestructura martenciticamente revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, solo
tratables en piezas de delgadas seccin y velocidad de temple muy rpidas. Las adiciones de
cromo, nquel y molibdeno mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados
trmicamente, generando as gran variedad de combinaciones resistencia- ductilidad. Estos
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aceros tratados trmicamente son ms resistentes que los aceros de baja aleacin, pero
menos dctiles que y tenaces.
Aplicaciones : Se utilizan para fabricacin de ruedas y railes de trenes, engranajes, cigeales,
y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecnica, resistencia al
desgaste y tenacidad. [1]
Finalidad de losa aceros de media aleacion
- Aumentar la templabilidad del acero.- Mejor resistencia a temperaturas comunes.- Mejores propiedades mecnicas a altas como a bajas temperaturas.- Mejor tenacidad a cualquier dureza o resistencia mnima.- Mejor resistencia a la corrosin y al desgaste.- Mejores propiedades magnticas.
Tablas con las composiciones qumicas y propiedades mecnicas:
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TRATAMIENTO TRMICO DEL ACERO
RECOCIDOConsiste bsicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitizacin (800-925 C)
seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad,
mientras que disminuye la dureza. Tambin facilita el mecanizado de las piezas al
homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que
produce el trabajo en fro y las tensiones internas.
Dependiendo del porcentaje de carbono; luego del recocido se pueden obtener diversas
estructuras tales como Ferrita+ Cementita en los aceros Hipoeutectoides; Perlita en los aceros
Eutectoide; y Perlita+ Cementita en los aceros Hipereutectoides.
El crecimiento del grano: Al aumentar la temperatura disminuye la rigidez de la red,aumentando la velocidad de crecimiento de grano y a cada temperatura de calentamiento
existe un tamao de grano mximo, para el cual estas dos fuerzas estn equilibradas. El fin
ltimo del recocido del acero tiene baja dureza y resistencia.
Los constituyentes de los aceros recocidos son:
Ferrita.Solucin slida intersticial de carbono en hierro alfa (bcc). La mxima solubilidad de
carbono en el hierro alfa es de 0.025% a 723C. Tiene una dureza de 90 Brinell, una resistencia
a la rotura de 28 Kg/mm2 y un alargamiento del 35 al 40%.
Cementita. Es carburo de hierro, CFe3, que contiene 6,67% de C y 93,33% Fe. Es elconstituyente ms duro y frgil de los aceros al carbono, su dureza es superior a 65 HRC y
cristaliza segn la estructura ortorrmbica.
Perlita. Es un constituyente eutectoide formado por capas alternadas de hierro alfa y carburo
de hierro CFe3, o lo que es lo mismo ferrita y cementita. Tiene una resistencia de 80 Kg/mm2 y
un alargamiento de 15% aproximadamente.[3]
4.- OBJETIVOS:
- Comparar la estructura metalogrfica obtenida experimentalmente del espcimenrecocido con las estructuras del METAL HANDBOOK y verificar a que acero
corresponde.
- Determinar el tipo de inclusiones presente en el espcimen (normal).- Analizar cada una de las microestructuras y verificar que microconstituyentes existen
en cada uno de los especmenes.
- Calcular el tamao de grano en la microestructura obtenida en los especmenes quesean posibles utilizando el mtodo de interseccin.
- Determinar el valor de la dureza Brinell y comparar las durezas entre las tres muestrasy analizar por que existen diferencias.
5.- ANTECEDENTES:
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Ejes, rboles, Flechas
Son trminos que se aplican a barras cilndricas de acero, con
movimiento de rotacin y soportadas, en dos o ms puntos, por los
cojinetes. La diferencia entre estos trminos se puede resumir en
la siguiente forma
Eje: Cargados transversalmente y sujetos a esfuerzos de flexin,
para acople de piezas giratorias.
Flecha: Sujeta a esfuerzos de torsin y flexin. Se usan para
transmitir movimiento de rotacin a distancias relativamente cortas.
rbol:Similares a las Flechas, pero de mayor dimetro. Las fuerzas que actan sobre un Eje,
Flecha o rbol pueden ser: Radial, Axial Radial: En el sentido del radio. Axial: En el sentido
del eje geomtrico de la barra.
Combinada: Se compone de fuerzas radiales y axiales. Se puede transmitir potencia de un
extremo a otro de un eje, o bien se puede tomar en cualquier punto del mismo. Por ejemplo,
el rbol de levas del motor de un tractor de cuatro cilindros, recibe la fuerza en un extremo
por parte del cigeal y la transmite a las levas que actan sobre sendas vlvulas, a una
bomba de aceite y a una de gasolina o a cualquier otro accesorio en el otro extremo.[4]
Generalidades de una mquina de coser.
La mquina de coser industrial de doble pespunte recto es la ms utilizada en la industria deconfeccin. Sus aplicaciones son muy variadas, utilizndose prcticamente en casi todos los
gneros.
El principio de funcionamiento de una mquina de coser industrial parte de la transmisin de
un movimiento rotativo, generado por un motor elctrico y derivado hacia el conjunto del
cabezal por medio de una correa trapecial.
A partir del giro que le proporciona esta correa a un volante fijado a un eje horizontal se
transmiten todos y cada uno de los movimientos a los rganos que intervienen en la
consecucin de una puntada.
El esquema cinemtico de la mquina de coser de doble pespunte recto es el que se muestra a
continuacin:
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Como se ve en el esquema, el eje superior proporciona el movimiento de subida y bajada de la
barra de aguja y el tirahilos. Al mismo tiempo, una derivacin de su movimiento, por medio deuna correa dentada, hace mover los ejes situados en la parte inferior de la mquina.
Esta derivacin tambin se puede presentar en otro tipo de mquinas tomando como eje
principal el inferior y como ejes secundarios los superiores. Adems, puede llevarse a cabo
mediante un sistema de biela excntrica, como es el caso de las domsticas, mediante una
correa o por un eje vertical unido a una correa cnica helicoidal.
En la parte inferior nos encontramos tres ejes. El eje central es el que hace girar el garfio,
pudiendo estar fijado coaxialmente al eje o derivado perpendicularmente, mediante coronas.
Los otros dos ejes son los encargados del movimiento del transportador de tejido, siendo uno,denominado rbol de elevacin, el encargado de la subida y bajada de los dientes y el otro,
rbol de arrastre, el encargado del movimiento longitudinal que realiza el arrastre del gnero.
A pesar de la gran variedad de modelos y subclases de mquinas de doble pespunte recto que
compiten en el mercado, el esquema bsico presentado es comn a la gran mayora de ellas .
[7]
6.- EXPERIMENTACION:
PROCEDIMIENTO:
Seleccin del material:
Para realizar el estudio de la microestructura del proyecto se seleccion un eje de una
mquina de coser.
Preparacion de las muestras:
De la esfera seleccionada se realizo el corte de 2 piezas las cuales fueron: una en se corto en laseccin transversal y la otra en forma longitudinal.
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Con las distintas muestras se realizo la preparo de la probeta segn la norma ASTM E 3 (ver
la norma ASTM E-3 en las referencias), como ya lo hemos venido haciendo durante las
prcticas anteriores.
Una vez preparada la muestra se atac qumicamente con Nital 2% la probeta obtenida de la
seccin transversal.
Posteriormente se obtuvieron todas los fotos correspondientes a la seccin longitudinal y
transversal a 100X y 200X, 500X respectivamente.
Observacin de la microestructura
La observacin de las inclusiones se realiza en el microscopio ptico de barrido sin ataque
qumico en el espcimen normal segn las normas ASTM E- 45- 97.
Los espcimenes ya atacados se llevo al microscopio ptico de barrido que contamos en el
laboratorio para observar la microestructura que corresponde al espcimen y realizar el
estudio pertinente al material para la observacin de los microconstituyentes que estn
presentes en las diferentes muestras anteriormente preparadas.
Una vez analizado y discutido observando la microestructura, se tomo las fotografas
pertinentes para realizar las conclusiones y recomendaciones de las mismas.
Para los clculos
Para los clculos pertinentes se utilizo los diagramas de Hierro-Carbono, diagramas TTT.
TAMAO DE GRANO
Mtodo de Interseccin:
Para este mtodo se ha procedido a dividir en cinco partes iguales en forma horizontal y
vertical en la fotografa tomada del anlisis metalogrfico realizado, luego se ha procedido a
contar el nmero de grano en las lneas trazadas en la horizontal y vertical. Esta parte del
procedimiento se la ha llevado a cabo con una ampliacin de 100X y 200 X pero se utilizo una
ecuacin para modificar la ampliacin con lo cual se cumple con la norma para 200X (los trazos
realizados se lo hizo en el AutoCAD).
ENSAYO DE DUREZA
Para el ensayo de la Dureza Brinellel eje con un dimetro de 8 mm para lo cual se calibro el
durmetro con la ayuda de una probeta normalizada y aplicando una precarga de 10 kg con
una velocidad de descarga de 8 10 como establece las normas ASTM. Una vez calibrada
procedemos a colocar la muestra que se va analizar, en el durmetro para luego aplicar una
carga de 185.5 Kg y esperar el tiempo estipulado por las normas ASTM. Despus se libera la
carga para as medir el dimetro de la huella con la ayuda del microscopio para su respectivoclculo.
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EQUIPOS Y MATERIALES:
- Mquina de corte con disco abrasivo (discotom)-
Mquina portaligas.- Microscopio metalogrfico.- Papel Abrasivo (lijas) (240, 320,400, 600, 1200,
1500).
- Pulidora de disco con pao.- Almina.- Agua.- Compresor.- Algodn.- Pinza.- Nital 2%- Probeta (Rotula)
7.- ANALISIS DE RESULTADOS:
PROBETA NORMAL
INCLUCIONES
El acero contiene inclusiones no metlicas debido a la naturaleza del proceso de elaboracin
en el estado lquido. Estas inclusiones pueden ser xidos, sulfuros, nitruros, carburos, etc. La
cual se va determinar a continuacin segn las normas ASTM E 45-97.
La fotografa metalografa es tomada de la seccin longitudinal del eje.
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Inclusiones tipo D (xidos Globulares)
Fig. 2:Tipo de inclusin: Oxido globular Tipo D 11/2 segn las normas
ASTM E -45-97
Fig. 1:Microestructura longitudinal sin
ataque a 100X Fuente: Lab. Mecnica
Inclusiones globulares
Silicatos
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Inclusiones tipo C y tipo D (silicatos y oxidos globulares)
Fig. 3:Microestructura longitudinal (sin
ataque qumico); Ampliacin 100X;
Fuente; Lab. Mecnica
Fig. 4:Tipo de inclusin: Tipo C 2 segn las normas ASTM E -45-97
Oxido Globular
Silicatos
Fig. 5:Tipo de inclusin: Oxido globular Tipo D 1segn las normas
ASTM E -45-97
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Al observar las formas de inclusiones en las fotografas de las normas ASTM se decidio que el
material estudiado presenta inclusiones globulares, silicatos en donde estas inclusiones son
muy perjudiciales para el material por esa razn un material que contenga menores
inclusiones ser mejor.
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MICROESTRUCTURA:
Fotografa de la seccin transversal.
En esta fotografa se muestra que se trata de una matriz perlitica con un bajo porcentaje de
ferrita.
TAMAO DE GRANO
Fig.6:Microestructura de la seccin transversal
atacada qumicamente con Nital 2%.Fuente: Lab.
Mecnica
PerlitaFerrita
Fig. 7: Microestructura transversal atacado qumicamente (nital 2%),
ampliacin 200X. Fuente:Lab. Mecnica
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Para realizar este mtodo se dividi la fotografa (ampliada 200x) en cinco partes iguales para
sacar un promedio y as obtener datos muy exactos. Tambin se debe emplear las siguientes
ecuaciones.
granospromedio#
longitud
GT
Promedio de Granos en direccin horizontal= 11.7
Promedio de Granos en direccin Vertical= 10
Direccin Horizontal
um
umTG
87.347.11
408
10log*6439.6101
EG ; TG= E
39.61
10
87.34log*6439.6101
G
G
Para relacionar las ampliaciones.
2
1log*64.61
M
MGG
ASTM
4.4ASTM
G
Direccin Vertical
umum
TG
6.4010
406
10log*6439.6101
EG ; TG= E
95.51
10
6.40log*6439.6101
G
G
Para relacionar las ampliaciones.
100
200log*64.639.6
ASTMG
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2
1log*64.61
M
MGG
ASTM
100200log*64.695.5 ASTMG
02.4ASTM
G
El grano es aproximadamente de G4 en esta microestructura.
DUREZA BRINELL
Carga aplicada =185.5Kg = L
Dimetro del identador = 2.5 mm = D
Dimetro de la huella =0.9367 mm = d
Para el dimetro de la huella se realizo un promedio ya que en el ensay se obtuvo tres datos
las cuales son:
d1 = 0.9125 mm, d2 = 0.96 mm, d3 = 0.9375 mm
()( ) (HB = dureza Brinell)
()( )( )
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Contenido de Carbono
En este caso se realiz el estudio con la fig.8 que se muestra a continuacin que esta con unaumento de 500X ya que es ms visible y con la ayuda del programa ScopePhoto se realiza el
clculo correspondiente de ferrita y perlita para luego calcular el porcentaje de carbono que
est presente en el material lo cual se realiza a continuacin.
Mediante ScopePhoto
Estimacin del porcentaje de ferrita y perlita de la fotografa fig8. Para lo cual serealiz el clculo siguiente:
255 148100 X (Perlita)
Fig. 8: Microestructura transversal atacado
qumicamente (nital 2%), ampliacin
500X.Fuente:Lab. Mecnica
Fig. 8: Microestructura transversal atacado
qumicamente (nital 2%), ampliacin
500X.Fuente:ScopePhoto
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% (Perlita)
Para calcular de la ferrita se realiza lo siguiente:
100% = Ferrita + Perlita
Ferrita = 100% - Perlita
Ferrita = 100% - 58.03%
Ferrita = 41.96 %
Por lo tanto la cantidad de carbono que existe en el material recocido es losiguiente:
( )
( )
TOTAL DE CARBONO
El porcentaje de carbono que se obtiene al realizar de la microestructura es de 0.4675 % C.
Con la composicin del carbono, se puede estimar que es un acero de medio carbono ya que
su contenido de carbono est en el intervalo de 0.30 a 0.60; Se trata de un acero AISI 1045 y
verificando en el siguiente catlogo.
ASTM HANDBOOKCOMITE: Metals Handbook. 7ma ed. Atlas of Microstructures of industrial
Alloys, USA, American Society for Metals, 1972.29p
Comparacin de la microestructura
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Composition of Carbon and Alloy Stell of Medium Carbon for Which Micrographs Are in This
Section
Fig. 7: Microestructura transversal atacado
qumicamente (nital 2%), ampliacin
500X.Fuente:Lab. Mecnica
Fig. 8: Microestructura transversal de un acero
AISI 1045 atacado qumicamente (nital 2%),
ampliacin 500X.Fuente: Lab. Mecnica
Fig. 9: Composition of Carbon and Alloy Stell of Medium Carbon for Which Micrographs Are
in This SectionFuente: Metals Handbook
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Ficha Tcnica del Acero
CALCULO DEL NUEVO PUNTO EUTECTOIDE:
Para determinar el porcentaje de carbono eutectoide y la temperatura eutectoide se considera
los porcentajes de cada elemento. Para el acero 1045 tenemos lo siguiente:
Carbono: 0.47
Silicio: -----
Manganeso 0.75
Cromo ------
Molibdeno ------
Fosforo 0.04
Azufre 0.050
Fig. 10: Ficho Tecnica de un Acero AISI 1045 Fuente:
http://www.sumiteccr.com
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Determinacin de la temperatura eutectoide
Para el clculo de la temperatura eutectoide nos ayudaremos del diagrama siguiente:
Teut= 727 comp
TMn= 727730 = -3
Teut= 727 + 3
Teut= 7300C
Determinacin del carbono eutectoide
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Ceut= 0.76 comp
CMn= 0.760.75 = 0.01
%Ceuto= 0.760.01
%Ceuto= 0.75
Comprobamos cuanto se desplaza el punto eutectoide en el diagrama hierro carbono
graficando los puntos ya hallados.
CALCULO DEL CARBONO EQUIVALENTE:
[]
[]
[]
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8.- CONCLUSIONES:
- Al comparar la fotografa de la microestructura obtenida de la seccin transversal conel metal handbook se puede decir que se trata de un acero AISI 1045 normalizado y
adems se comprueba con el
- porcentaje de carbono hallado de la microestructura que es de 0.47% C ya que seencuentra dentro del rango de la misma.
- Las inclusiones que se obtuvieron en el espcimen fueron de tipo C y D, silicatos yxidos globulares respectivamente segn las normas ASTM E -45-97.
- En la microestructura del espcimen normal se observa que los microconstituyentesson perlita y ferrita, pero en el la microestructura del espcimen recocido se observa
que existe tambin perlita y ferrita con unos porcentajes de 52.94, 47.06
respectivamente pero en este caso se redujo notablemente la perlita. En cambio que
en el espcimen templado en agua se observa una matriz martencitica con ferrita yperlita pero en pequeas cantidades.
- El tamao de grano que se obtuvo del espcimen normal corresponde a G4 y en elespcimen recocido corresponde aG3 segn las normasASTM por lo tanto se puede
decir que al realizar el recocido el tamao de grano aumenta y el material se vuelve
muy frgil, pero ayuda a liberar tenciones del material.
- Las durezas que se obtuvieron en los especmenes (normal, recocido, templado) sonde 267.18, 180, 323 HB respectivamente las cuales varan notablemente ya que al
realizar los diferentes tratamientos trmicos el material cambia sus propiedades
mecnicas y su composicin en los microconstituyentes.
9.- RECOMENDACIONES:
- Para este material AISI 1040 no debera a ver hecho el temple mas bien se debera aver hecho un revenido ya que se trata de un acero de media aleacin y en casos es
mas recomendable realizar el revenido.
- A todas las probetas se debe atacar qumicamente con nital 2% ya que se trata de unacero de media aleacin y no presenta ninguna dificultad para observar sus diferentes
estructuras.
- Tambin se debe verificar que al rato de observar en el microscopio que la superficieeste bien atacada y sin agua ya que en ese caso la microestructura varia notablementey se confundira al observar.
10.- REFERENCIAS:
- [1] WILLIAM D. CALLISTER, introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales,Tomo II, Editorial Reverte (1995), Cap12, Pp 371,372 .
- [] Smith, W. F., Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales - 2a. ed. -Madrid: McGraw-Hill, 1993.pp 323-328.
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- []Sydney H. Avner., Introduccin a la metalurgia fsica, 2a. ed., New York, McGraw-Hill, pp 134- 158, 252- 312.
- [] http://www.transmission-shaft.com/es/car-ball-joint.html- [] Metals handbook Vol. 7, Properties and Selection : Lead and lead Alloys .
American Society foer Metals, p. 304, 1985.
- []NORMA ASTM E112 Standard Test Methods for Determining Average Grain Size- []http://lasmaquinasdecoser.blogspot.com/2012/02/generalidades-de-una-
maquina-de-coser.html
http://www.transmission-shaft.com/es/car-ball-joint.htmlhttp://www.transmission-shaft.com/es/car-ball-joint.html