republica bolivariana de venezuela ministerio de...
TRANSCRIPT
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA
VICE-RECTORADO ACADÉMICO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
ANALISIS DE FALLA EN UN TORNILLO DE ACERO 1020, MEDIANTE
MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (MEB).
Ciudad Guayana, Junio del 2009
Realizado por: Ing. Asuncion Rojas
ii
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA VICE RECTORADO ACADEMICO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
ANALISIS DE FALLA EN UN TORNILLO DE ACERO 1020, MEDIANTE MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (MEB).
Trabajo de merito, requisito parcial del concurso de oposición para el ingreso al
Escalafón Universitario en la categoría de asistente.
___________________
Tutor Académico Lic. Jesús Bastardo
Ciudad Guayana, Junio del 2009
iii
Dedicatorias
Primeramente a Dios Todopoderoso como fruto del esfuerzo realizado
durante estos años de carrera, por acompañarme y guiarme por el camino
correcto.
A mi esposa e hijos que han perseverado junto a mí estimulándome para
alcanzar esta meta.
A mis padres Ángel Gabino y Eufemia, que han luchado junto a mí por
alcanzar esta meta, sin su ayuda no la podría haber logrado.
A Todos mis hermanos, que al igual que mis padres han sido un gran apoyo
durante estos años de carrera.
iv
Agradecimientos
Principalmente a Dios, por darme salud y guiarme para así tener un buen
desenvolvimiento durante la realización de este trabajo de investigación.
A mi tutor académico Jesús Bastardo, por su asesoría para la realización de
este Trabajo, así como también por ser mi guía y ofrecerme todo su apoyo y
colaboración en todo momento de manera desinteresada, muchas gracias.
A mis compañeros (as) Lilian Castillo, Héctor Navarro, Luis Azocar, Alfonso
Lezama, Nicolas Villegas por compartir conmigo en todo momento tanto en la
Universidad como fuera de ella, por demostrarme el simple hecho que puedo
contar con ellos.
A todos los que de una u otra forma me apoyaron en la realización de este trabajo,
Gracias.
A la Universidad Nacional Experimental de Guayana por permitirme el
estudio de esta Maestría.
A la Universidad de Oriente en Cumana por permitir el uso del laboratorio
de Caracterización de Materiales del Instituto de Investigaciones en
Biomedicinas y Ciencias Aplicadas (IIBCA), para la realización de las prácticas
de micrografías.
A todo el personal que laboran en el laboratorio especialmente al profesor
Benjamín Hidalgo y al profesor José Luís Prin, por expresar de la mejor
manera consejos que fueron útiles a la hora de aplicar la practica.
v
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DE GUAYANA VICE RECTORADO ACADEMICO
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
RESUMEN
La presente investigación esta basada en el análisis microfotográfico de una falla (fractura) en un tornillo de acero 1020, el cual falló cuando es sometido a una fuerza de torsión. Para este estudio se utilizó el microscopio electrónico de barrido (MEB) en forma de modo de electrones secundarios, este equipo se encuentra en el Laboratorio de Caracterización de Materiales del Instituto de Investigaciones y Ciencias Aplicadas (IIBCA), de la Universidad de Oriente, Cumana. Este laboratorio cuenta con los equipos para la ejecución de todas las etapas para el análisis de esta muestra. En los resultados obtenidos se observan dos tipos de morfología, una correspondiente a coalescencia de cavidades o micro hoyuelos (fractura dúctil) en los bordes y separación Inter.-granular (fractura frágil) en el centro.
La información obtenida de la micrografía revela que el tornillo falló en torsión como consecuencia de una fractura intergranular, originada probablemente por la presencia de impurezas o segregaciones en los límites de grano.
1
INTRODUCCIÓN.
Las técnicas de microscopía electrónica son útiles para realizar diferentes
análisis a muestras de materiales orgánicos e inorgánicos, según sea el interés del
investigador, si este quiere conocer, en dos dimensiones, bordes de granos,
precipitados y/o defectos de redes cristalina, como las dislocaciones, se utiliza el
microscopio electrónico de transmisión (MET) y si lo que desea es observar
topografías en forma tridimensional, deberá utilizar el microscopio electrónico de
barrido (MEB) en modo de electrones segundarios.
El Microscopio Electrónico de Barrido, permite observar y caracterizar la
superficie de la muestra, entregando información de su morfología; la alta
resolución, la gran profundidad de campo y lo fácil que resulta preparar la muestra
hacen a la técnica de MEB de gran utilidad para el análisis de materiales.
El objetivo final del análisis de falla es determinar las causas que provocan la
rotura de un componente en servicio y como evitarla en el futuro, sea mediante un
nuevo diseño de la pieza o remplazando el material utilizado originalmente.
Aunque la causa de la rotura final sea debido a una torsión aplicada, ésta se
produce como consecuencia de otros factores que son justamente los que se
deben identificar con el análisis de la falla. Por ejemplo efecto de fatiga,
temperatura, corrosión, etc.
Una fractografía es útil cuanto mayor sea la información que permita
obtener como: Propagación de la fisura, identificando así las cavidades típicas de
la rotura transgranular dúctil, las facetas de clivaje de una fractura frágil, las
superficies de corrosión bajo tensiones o las estrías típicas de un proceso de
fatiga. La fragilidad o ductilidad del material quedan en general relevadas en la
superficie de fractura.
2
El objetivo general de esta investigación es, usar la micrografía obtenida en el
MEB para evaluar la micro estructura de un tornillo de acero que falló, dentro de
los objetivos específicos se tienen: Aplicación de las técnicas de preparación de
muestras no biológicas para observación en el MEB, observación de la muestra
en el MEB, analizar la falla (fractura) a fin de determinar las causas probables de
ésta, preparar y presentar un análisis sobre los resultados obtenidos.
Para el análisis de esta muestra se contó con el, Laboratorio de
Caracterización de Materiales del Instituto de Investigaciones y Ciencias Aplicadas
(IIBCA), de la Universidad de Oriente, Cumana. Este laboratorio cuenta con
equipos para la ejecución de todas las etapas de análisis de muestras de
materiales, tales como:
• Área para preparación de muestras, donde se dispone de equipos para
corte, desbastado, pulido, decapado mecánico y químico, montaje de
muestra y recubrimiento.
• Área para Microscopia Electrónica (barrido y transmisión), para esta
practica se dispuso del MEB marca HITACHI S 800
• Área para Cobertura de muestra cerámica con películas delgadas de
materiales conductores tales, como el oro y el carbono.
3
INDICE DEDICATORIA………………………………………………………………....................I AGRADECIMIENTO…………………………………………………………..................II INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………......…..1 CAPITULOS
I. EL PROBLEMA 1.1.- Planteamiento del problema……………………………… …………………4
1.2.- Objetivos de la investigación…………………………………………………5
1.3.- Alcance del estudio…………………………………………………………....5
II. MARCO TEÓRICO 2.1.- Microscopio electrónico de Barrido...........................................…………..6
2.1.1.- Aplicaciones………………………………………………………………….7
2.1.2.- Preparación de muestra ……………………………………………...........7
2.1.2.1.- Preparacion de la muestra……………………………………………….8
2.2- Descripción de la muestra......................................................................12
2.3- Tipos de fracturas...................................................................................12
2.4- Características Fractograficas de las fracturas por clivaje.....................14
III. MARCO METODOLÓGICO 3.1.- Tipo de Investigación…………………………………………….......……….17
3.2.- Diseño de la Investigación…………………………………………......…….18
3.3.- Población y muestra……………………………………………....................19
3.4.- Fuentes de información……………………………………………………….19
3.5.- Material y recursos a utilizar……………………………………….........…...20
3.5.- Explicación de las actividades a realizar..................................................20
IV. ANÁLISIS Y RESULTADOS
4.1.-Análisis de resultados…………………………………………………………26 4.2.- Discusión de resultados……………………………………………………....29
CONCLUSIONES…………………………………………………………………...30
RECOMENDACIONES……………………………………………………………..31
BILIOGRAFIA………………………………………………………………………..32
4
CAPÍTULO I
1.1.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En la presente investigación se analiza la fractura de un tornillo que falló en
torsión, tornillo sujetador del alternador de un vehículo automotor; éste durante el
montaje del alternador falla durante la aplicación del apriete en torsión, quedando
prisionera la parte roscada del tornillo en la carcasa de fijación, lo cual trajo como
consecuencia la búsqueda de una herramienta adecuada y de fácil acceso al área
para quitar la parte incrustada del tornillo sin dañar la rosca interna y así colocar
otro, ocasionando de esta forma una demora en el servicio técnico. De allí nace la
inquietud de esta investigación. Se Decide someter la parte restante del tornillo
(parte de rotura) a un análisis microfactográfico, pués, la inspección visual
pareciera indicar que la fractura observada es de tipo frágil (tornillo muy rígido). El
análisis de la micro-estructura que arroje la micrografía, permitirá responder a las
siguientes interrogantes ¿el tipo de fractura es dúctil o frágil?, ¿Dónde comenzó la
fractura?, ¿Cuál es el origen de la fractura? ¿Será debido al calentamiento y fatiga
térmica? ¿Existiría alguna fisura en esa parte?
5
1.2.- OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN. OBJETIVO GENERAL ANALISIS DE FALLA EN UN TORNILLO DE ACERO 1020, MEDIANTE
MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO (MEB).
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Describir la muestra a observar.
• Identificar el tipo de fractura: dúctil y frágil.
• Analizar la muestra, observada en el Microscopio Electrónico de Barrido
(MEB) explicando e identificando la fractura.
1.3.- ALCANCE
En el presente trabajo se realizó un estudio a nivel micro estructural, el cual
consistió en el análisis de la falla de un tornillo sometido a torsión, mediante la
técnica de microscopía electrónica de barrido (MEB), la cual permite la
observación directa de la superficie fracturada, y la identificación del tipo de
fractura y así determinar la posible causa que la originó y de esta manera sugerirle
a los fabricantes o al usuario del tornillo el procedimiento más adecuado para un
control de calidad en la fabricación o instalación .
6
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO.
2.1.-Microscopio Electrónico de Barrido.
EEll mmiiccrroossccooppiioo eelleeccttrróónniiccoo ddee bbaarrrriiddoo ((MMEEBB)) ffiigguurraa nnúúmmeerroo 11,, eess uunn
iinnssttrruummeennttoo qquuee ppeerrmmiittee llaa oobbsseerrvvaacciióónn yy ccaarraacctteerriizzaacciióónn ssuuppeerrffiicciiaall ddee mmaatteerriiaalleess
iinnoorrggáánniiccooss yy oorrggáánniiccooss,, eennttrreeggaannddoo iinnffoorrmmaacciióónn mmoorrffoollóóggiiccaa ddeell mmaatteerriiaall
aannaalliizzaaddoo..
FFiigguurraa NNoo 11..-- MMiiccrroossccooppiioo eelleeccttrróónniiccoo ddee BBaarrrriiddoo ((MMEEBB))
En el MEB se producen distintos tipos de señales que se generan desde la
muestra y se utilizan para examinar muchas de sus características. See ppuueeddeenn
rreeaalliizzaarr eessttuuddiiooss ddee llooss aassppeeccttooss mmoorrffoollóóggiiccooss ddee zzoonnaass mmiiccrroossccóóppiiccaass ddee llooss
ddiissttiinnttooss mmaatteerriiaalleess ccoonn llooss qquuee ttrraabbaajjaann llooss iinnvveessttiiggaaddoorreess yy llaass eemmpprreessaass
pprriivvaaddaass,, aaddeemmááss ddeell pprroocceessaammiieennttoo yy aannáálliissiiss ddee llaass iimmáággeenneess oobbtteenniiddaass..
EEll MMEEBB ppuueeddee eessttaarr eeqquuiippaaddoo ccoonn ddiivveerrssooss ddeetteeccttoorreess,, eennttrree llooss qquuee ssee
ppuueeddeenn mmeenncciioonnaarr:: --DDeetteeccttoorr ddee eelleeccttrroonneess sseeccuunnddaarriiooss ppaarraa oobbtteenneerr iimmáággeenneess
ddee aallttaa rreessoolluucciióónn --DDeetteeccttoorr ddee eelleeccttrroonneess rreettrrooddiissppeerrssaaddooss qquuee ppeerrmmiittee llaa
oobbtteenncciióónn ddee iimmáággeenneess ddee ccoommppoossiicciióónn yy ttooppooggrraaffííaa ddee llaa ssuuppeerrffiicciiee --DDeetteeccttoorr ddee
7
eenneerrggííaa ddiissppeerrssiivvaa EEDDSS ((EEssppeeccttrrooccooppííaa ddee rraayyooss xx ppoorr ddiissppeerrssiióónn ddee llaa eenneerrggííaa))
ppeerrmmiittee ccoolleeccttaarr llooss RRaayyooss XX ggeenneerraaddooss ppoorr llaa mmuueessttrraa yy rreeaalliizzaarr ddiivveerrssooss aannáálliissiiss
ee iimmáággeenneess ddee ddiissttrriibbuucciióónn ddee eelleemmeennttooss eenn ssuuppeerrffiicciieess ppuulliiddaass..
22..11..11..-- AAPPLLIICCAACCIIOONNEESS DDEELL MMIICCRROOSSCCOOPPIIOO EELLEECCTTRRÓÓNNIICCOO DDEE BBAARRRRIIDDOO
((MMEEBB))..
LLaass aapplliiccaacciioonneess ddeell mmiiccrroossccooppiioo eelleeccttrróónniiccoo ddee bbaarrrriiddoo ssoonn mmuuyy vvaarriiaaddaass,, yy
vvaann ddeessddee llaa iinndduussttrriiaa ppeettrrooqquuíímmiiccaa oo llaa mmeettaalluurrggiiaa,, hhaassttaa llaa mmeeddiicciinnaa ffoorreennssee..
SSuuss aannáálliissiiss pprrooppoorrcciioonnaann ddaattooss ccoommoo::
•• TTeexxttuurraa..
•• TTaammaaññoo yy ffoorrmmaa ddee llaa mmuueessttrraa..
•• SSuuppeerrffiicciieess ddee ffrraaccttuurraa..
•• PPrreesseenncciiaa yy ccoommppoossiicciióónn ddee ppaarrttííccuullaass ddee sseegguunnddaa ffaassee..
•• PPoorroossiiddaadd..
•• TTaammaaññooss yy bboorrddeess ddee ggrraannooss yy ssuuppeerrffiicciieess ddee sseeppaarraacciióónn..
•• DDeeffeeccttooss ssuuppeerrffiicciiaalleess yy ssuu mmoorrffoollooggííaa..
•• DDiissttrriibbuucciióónn eelleemmeennttaall..
•• IImmáággeenneess yy mmoorrffoollooggííaa ddee ffiibbrraass,, mmaaddeerraa yy mmaatteerriiaalleess ppaarrttiiccuullaaddooss..
22..11..22..-- PPRREEPPAARRAACCIIÓÓNN DDEE MMUUEESSTTRRAA PPAARRAA EELL MMEEBB
En el MEB el modo de emisión más utilizado es el de electrones
secundarios, este modo de emisión es utilizado fundamentalmente para analizar
detalles de la estructura superficial de las muestras; PPoorr lloo ttaannttoo,, eess rreeccoommeennddaabbllee
tteenneerr ccuuiiddaaddoo eenn eell ttrraattaammiieennttoo yy mmaanniippuullaacciióónn ddee llaa ssuuppeerrffiicciiee ddee llaa mmuueessttrraa aanntteess
ddee lllleevvaarrllaa aall MMEEBB.. PPuueess ppuueeddee ssuucceeddeerr qquuee llaa ssuuppeerrffiicciiee ddee llaa mmuueessttrraa ssee
ccoonnttaammiinnee ddeebbiiddoo aa ssuu iinntteerraacccciióónn ccoonn eell mmeeddiioo:: óóxxiiddooss,, ppaarrttííccuullaass ddee ppoollvvoo,, eettcc..
EEssttooss ccoonnttaammiinnaanntteess ssoobbrree llaass mmuueessttrraass ppaarraa eell MMEEBB ddeebbeenn sseerr rreemmoovviiddooss uussaannddoo ttééccnniiccaass aapprrooppiiaaddaass--ttaalleess ccoommoo::
•• UUllttrraassoonniiddoo ccoonn ddeetteerrggeenntteess
8
•• LLiijjaaddoo ssuuppeerrffiicciiaall -- PPuulliiddoo ffiinnoo -- LLiijjaass 660000 oo 11220000 •• AAttaaqquuee qquuíímmiiccoo oo eelleeccttrroollííttiiccoo
22..11..22..11..-- PPRREEPPAARRAACCIIÓÓNN DDEE LLAA MMUUEESSTTRRAA aa.. LLiimmppiieezzaa ddee llaa mmuueessttrraa
EEnn aallgguunnooss ccaassooss eess nneecceessaarriioo rreemmoovveerr ccoonnttaammiinnaanntteess ppooccoo vviissiibblleess ((aacceeiittee
ddee llaa ppiieell ddeebbiiddoo aa mmaanniippuullaacciióónn)) uussaannddoo ssoollvveenntteess aaddeeccuuaaddooss qquuee nnoo rreeaacccciioonneenn
ccoonn eell mmaatteerriiaall ((aacceettoonnaa,, mmeettaannooll,, ddeetteerrggeenntteess eessppeecciiaalleess))..
bb.. LLiijjaaddoo yy PPuulliiddoo
LLaass ttééccnniiccaass ddee lliijjaaddoo yy ppuulliiddoo ddee llaass mmuueessttrraass ssee uussaann ccuuaannddoo ssee rreeqquuiieerree
eexxppoonneerr áárreeaass eessppeecciiffiiccaass ddeell eessppéécciimmeenn oo ppaarraa pprreeppaarraarr ssuuppeerrffiicciieess qquuee ccaarreecceenn
ddee uunnaa ttooppooggrraaffííaa aaddeeccuuaaddaa ((oobbsseerrvvaacciióónn ddee ggrraannooss,, iinncclluussiioonneess,, eettcc..))..
LLaa ttééccnniiccaa ccoonnssiissttee eenn uunn lliijjaaddoo ggrruueessoo sseegguuiiddoo ddee uunn ppuulliiddoo iinntteerrmmeeddiioo yy
ffiinnaallmmeennttee ppuulliiddoo ffiinnoo..
PPaarraa eell lliijjaaddoo ssee uussaann ssuussttaanncciiaass aabbrraassiivvaass nnaattuurraalleess oo aarrttiiffiicciiaalleess
((ddiiaammaannttee,, eessmmeerriill,, lliijjaass ddee ddiivveerrssooss ggrraannooss,, aalluummiinnaa,, eettcc..))..
DDeebbee tteenneerrssee eenn ccuueennttaa qquuee eell lliijjaaddoo yy ppuulliiddoo ppuueeddeenn aalltteerraarr llaa ssuuppeerrffiicciiee yy
llooss pprroocceessooss qquuee ssee iinntteennttaann eessttuuddiiaarr,, ppaarrttiiccuullaarrmmeennttee eenn eell ccaassoo ddee mmaatteerriiaalleess ddee
vvaarriiaass ffaasseess oo ccoonn iinncclluussiioonneess..
AAllgguunnaass vveecceess ssee rreeaalliizzaa uunn ppuulliiddoo eelleeccttrrooqquuíímmiiccoo uuttiilliizzaannddoo ssuussttaanncciiaass
ccoommoo áácciiddoo nnííttrriiccoo oo ppeerróóxxiiddoo ddee hhiiddrróóggeennoo ccoommoo aaggeenntteess ooxxiiddaanntteess..,, eenn eessttooss
ccaassooss ssee aapplliiccaa uunn ppootteenncciiaall eellééccttrriiccoo aa llaa mmuueessttrraa
cc.. AAttaaqquuee qquuíímmiiccoo ((EEttcchhiinngg))
EEssttaa ttééccnniiccaa ppeerrmmiittee rreemmoovveerr ccaappaass ssuuppeerrffiicciiaalleess ddee mmaatteerriiaall eenn llaa mmuueessttrraa..
SSee hhaaccee mmeeddiiaannttee pprroocceessoo aaccííddiiccoo yy eelleeccttrroollííttiiccoo yy aallgguunnaass vveecceess ssee uuttiilliizzaa
ttaammbbiiéénn uunn hhaazz ddee iioonneess..
La técnica de ataque químico, a diferencia del electro pulido, se utiliza para
revelar sub-estructuras topográficas particulares tales como:
•• EEssttrruuccttuurraa ccrriissttaalliinnaa
•• LLíímmiitteess ddee ggrraannooss
•• CCaammbbiiooss ddee ccoommppoossiicciióónn,, eettcc..
9
dd.. SSuuppeerrffiicciieess ddee FFrraaccttuurraa
EEll MMEEBB ssee uuttiilliizzaa ttaammbbiiéénn ccoommoo hheerrrraammiieennttaa ppaarraa eessttuuddiiaarr ffrraaccttuurraass eenn
mmaatteerriiaalleess..;; eenn eessttooss ccaassooss,, aallgguunnooss ccoonnttaammiinnaanntteess ssuuppeerrffiicciiaalleess ppuueeddeenn aalltteerraarr uu
oobbssccuurreecceerr llooss ddeettaalllleess qquuee ssee ddeesseeaann eessttuuddiiaarr,, eennttrree eessttooss ccaassooss eess llaa pprreesseenncciiaa
ddee ppoossiibblleess pprroodduuccttooss ddee ccoorrrroossiióónn,, llooss ccuuaalleess ddeebbeenn sseerr rreemmoovviiddooss
aaddeeccuuaaddaammeennttee..
OOttrraass vveecceess eess ddeesseeaabbllee iinndduucciirr ffrraaccttuurraa eenn uunn mmaatteerriiaall ppaarraa eessttuuddiiaarr
ddeettaalllleess ssuubb--eessttrruuccttuurraalleess ((iinncclluussiioonneess,, hhuueeccooss,, mmiiccrroo--ggrriieettaass,, eettcc..)).. EEssttoo ssee ppuueeddee
rreeaalliizzaarr mmeeddiiaannttee ffrraaggiilliizzaacciióónn aa bbaajjaass tteemmppeerraattuurraass oo ppoorr aattaaqquuee iinntteenncciioonnaall ddee llaa
mmuueessttrraa ddee iinntteerrééss ccoonn mmeettaalleess llííqquuiiddooss..
ee.. SSeeccaaddoo ddee llaass mmuueessttrraa..
SSee ddeesshhiiddrraattaa llaa mmuueessttrraa uuttiilliizzaannddoo mmééttooddooss ssiimmiillaarreess aa llooss uussaaddooss ccoonn
mmuueessttrraass bbiioollóóggiiccaass ((SSeeccaaddoo ddee ppuunnttoo ccrrííttiiccoo))..
OOttrraass vveecceess eess ssuuffiicciieennttee mmaanntteenneerr eell mmaatteerriiaall eenn uunn hhoorrnnoo oo eessttuuffaa aa
tteemmppeerraattuurraa ssuuffiicciieenntteemmeennttee aallttaa ppaarraa ffaacciilliittaarr llaa eevvaappoorraacciióónn ddeell aagguuaa ssiinn pprroodduucciirr
ddaaññoo eessttrruuccttuurraall eenn llaa mmuueessttrraa..
ff.. RReeccuubbrriimmiieennttoo ddee llaa mmuueessttrraa
EEssttee ppaassoo ssee rreeaalliizzaa ppaarraa mmuueessttrraass nnoo ccoonndduuccttoorraass,, ssee rreeccuubbrreenn ccoonn uunnaa
ppeellííccuullaa uunniiffoorrmmee ppuueeddee sseerr ccaarrbboonnoo uu oottrroo mmaatteerriiaall ccoonndduuccttoorr..
EEnn eell oorrggaanniiggrraammaa nnúúmmeerroo 11 ssee iilluussttrraann llooss ppaassooss ppaarraa pprreeppaarraarr mmuueessttrraass
nnoo--bbiioollóóggiiccaass ccoonn eell pprrooppóóssiittoo ddee eessttuuddiiaarr ssuuss ccaarraacctteerrííssttiiccaass ttooppooggrrááffiiccaass eenn eell
MMEEBB..
10
OOrrggaanniiggrraammaa ..NNoo 11.. PPaassooss eenn llaa pprreeppaarraacciióónn ddee mmuueessttrraass ppaarraa oobbsseerrvvaarr ccaarraacctteerrííssttiiccaass ttooppooggrrááffiiccaass
EEnn eell OOrrggaanniiggrraammaa nnúúmmeerroo 22 ssee iilluussttrraann llooss ppaassooss ppaarraa pprreeppaarraarr mmuueessttrraass
nnoo--bbiioollóóggiiccaass ccoonn eell pprrooppóóssiittoo ddee aannaalliizzaarr ssuuss ccaarraacctteerrííssttiiccaass mmoorrffoollóóggiiccaass eenn eell
MMEEBB..
11
OOrrggaanniiggrraammaa NNoo.. 22.. ppaassooss eenn llaa pprreeppaarraacciióónn ddee mmuueessttrraass ppaarraa oobbsseerrvvaarr ccaarraacctteerrííssttiiccaass mmoorrffoollóóggiiccaass mmiiccrroo eessttrruuccttuurraalleess..
2.2.- DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA
La muestra a evaluar corresponde a un tornillo de acero 9 mm de diámetro
y 30 mm de longitud que se usó para fijar y mantener el alternador de un vehículo
automotor, en esa posición el tornillo estuvo sometido a vibraciones, calentamiento
y fatiga térmica. La pieza falla al aplicársele una fuerza de torsión, presentando
una rotura (fractura) en la parte media. Se corta la muestra a 10 mm por debajo de
la fractura para su preparación y análisis en el MEB.
2.3.- TIPOS DE FRACTURAS.
12
Fractura Dúctil. Se forman cavidades en la zona plástica que por coalescencia
dan lugar al crecimiento de grieta, la superficie presenta un aspecto rugoso. Se
notan las cavidades (dimples) que son la resultante de la coalescencia de micro
cavidades iniciadas alrededor de inclusiones, como se observa en la figura
número 2. Escala: 10 µm.
Fig. No.2 – Fractura dúctil de un acero bajo carbono.
Fractura Frágil. Ocurre sin deformación plástica apreciable y por propagación
rápida de la grieta, como se aprecia en la figura número 3. La dirección del
movimiento de la grieta es perpendicular a la dirección de la tensión aplicada y
produce una superficie de fractura relativamente plana.
13
Fig. No.3. fractura Frágil
Fractura por Fatiga. Revela una superficie de fractura generalmente plana, como
corresponden a una deformación plástica relativamente pequeña y con líneas de
detención conocidas como marcas de playa, a escala microscópica son llamadas
estrías de fatiga estas marcas se atribuyen a diferentes periodos en el crecimiento
de la fisura y suelen ser curvadas. En la Figura número. 4. Se observan las
características marcas de playa (beach marks) que indican sucesivas etapas del
proceso de rotura. Escala: 100 µm.
Fig. No.4. - Micrografía electrónica de bajo aumento correspondiente a una superficie fracturada por un mecanismo de fatiga.
2.4.- Característica Fractográfica de las Fracturas por Clivaje.
Los pedazos se encajan sin deformaciones plásticas apreciables, no
deberían juntarse los pedazos pues se rallan las superficies de fractura y dificulta
su posterior observación microscópica. Figura número 5. La fractura es plana,
perpendicular a la carga y brillante, en materiales policristalinos, con aspecto de
azucarillo.
En el MEB se observan:
• Facetas planas que son los planos cristalográficos de clivaje.
• Ríos. Cuando la grieta se introduce en un nuevo grano se descompone en
muchos escalones pequeños.
14
• Huella de Neumático o líneas de Wallner. Se produce la grieta por
concentración de tensiones.
Figura No.5.- Fractura Frágil por Clivaje
En la figura número 6 se muestra un aspecto típico de una superficie de
cuasi clivaje de un acero martensítico templado y revenido. En el proceso de
rotura por cuasi clivaje, la fractura se origina dentro de las facetas. Las
dimensiones de las pequeñas facetas corresponden a las de las agujas
martensíticas.
15
Fig. No.6.- Superficie de Rotura `por Cuasi Clivaje . Escala: 10µ m.
La figura número 7 muestra una fractura ínter granular de una muestra de
titanio traccionada en una solución de yodo en metanol. Se notan claramente los
distintos granos descohesionados, la forma de los granos del material, así como
algunas pequeñas regiones de fractura dúctil. También se observan fisuras
secundarias, que corresponden a la descohesion de granos en planos
perpendiculares a la superficie de la rotura principal. Magnificación 500x.
Detalle de una superficie de fractura por fatiga, Figura número 8. Observada
en el microscopio electrónico MEB. Se notan las características marcas de playa
o nivel (beach marks). Escala: 10 µm.
Fig. No.- 7 .Superficie de una fractura Inter-granular.
Fig. No.8.- Fractura por Fatiga
16
Estrías características de una superficie de fractura por fatiga. Figura
número 9. Cada estría representa la posición del frente de la fisura en cada etapa
de la fractura. Para cargas constantes el espaciado entre estrías aumenta con la
longitud de la fisura. De la misma manera, existe una relación directa entre el
espaciado entre estrías y la amplitud de la carga.
Fig. No.9.- Estrías de una fractura por fatiga.
Magnificación = 1600 x.
CAPÍTULO III
MARCO METODOLOGICO.
3.1.- TIPO DE INVESTIGACIÓN. La metodología es el conjunto de métodos que se siguen en una
investigación científica o en una exposición doctrinal. A través de ella se busca
lograr de una manera precisa el objetivo de la investigación, acerca de cómo se
van a encontrar las posibles soluciones de la problemática planteada,
garantizando dentro de lo posible la objetividad de los resultados a obtener.
Se tomaron en cuenta los siguientes tipos de investigación para el
cumplimiento de los objetivos.
17
Descriptiva:
La investigación según el nivel de profundidad es del tipo descriptiva porque
al desarrollarla proporciona detalles en forma clara y precisa de todo lo referente a
las actividades, así como también, de los equipos que intervienen en el desarrollo
del trabajo.
Según SAMPIERI, (1988).
“Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de
personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea sometido a
análisis. Miden y evalúan diversos aspectos, dimensiones o componentes del
fenómeno a investigar, midiendo de manera independiente los conflictos o
variables a los que se refieren, requieren considerables conocimientos del área
que se investiga para formular las preguntas específicas que se busca responder”.
Aplicada:
De acuerdo con el resultado que se espera obtener esta investigación se
enmarca en el tipo de investigación aplicada, por cuanto a través del desarrollo se
tomaran decisiones entorno a la problemática para que no ocurra nuevamente.
Para esto UPEL (2003) explica:
Consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de
un modelo operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o
necesidades de organizaciones o grupos sociales. Se diseñan estrategias,
instrumentos, herramientas totalmente prácticas directamente relacionadas con
una situación real en el ambiente de trabajo.
18
3.2.- DISEÑO DE LA INVESTIGACIÒN
Esta se refiere a la estrategia que se adopto para responder al problema de
investigación. En tal sentido fue conveniente utilizar un diseño a seguir en la
búsqueda y aplicación más idónea para analizar la fractografía tomada por el
microscopio electrónico de barrido.
Documental:
Para poder tener una visión clara y un conocimiento científico del problema
en estudio, fue necesaria la información de fuentes bibliograficas y del Internet.
Arias (2004) define: Es aquella que se basa en la obtención y análisis de
datos provenientes de materiales u otros tipos de documentos, los datos básicos
se encontraron en documentos como (Libros, tesis, revistas, periódicos,
documentos audiovisuales e Internet). El objetivo de la investigación documental
es elaborar un marco teórico conceptual para formar un cuerpo de ideas sobre el
objeto de estudio. Con el propósito de elegir los instrumentos para la recopilación
de información es conveniente referirse a las fuentes de información.
De campo:
Toda la información requerida para la ubicación y análisis del problema
fueron extraidos directamente del área donde ocurrió la falla.
UPEL (2008) explica: Los datos de interés son recogidos en forma directa
de la realidad; en este sentido se trata de investigaciones a partir de datos
originales o primarios. Sin embargo, se aceptan también estudios sobre datos
censales o muestrales no recogidos por el estudiante, siempre y cuando se utilicen
los registros originales con los datos no agregados; o cuando se trate de estudios
que impliquen la construcción o uso de series históricas y, en general, la
19
recolección y organización de datos publicados para su análisis mediante
procedimientos estadísticos, modelos matemáticas, o de otro tipo.
3.3.- POBLACIÓN Y MUESTRA.
La población objeto de este estudio correspondió a un solo elemento (un
tornillo) del cual se extrajo una muestra (parte de la fractura).
3.4.- FUENTES DE INFORMACIÓN.
En la presente investigación se contaron con las siguientes fuentes de
información para su desarrollo:
Primaria: Estas fuentes de información son las que se denominaron como las de
observación científica la cual es extraída de la realidad, entrevista personal.
Secundaria: Esta información es la que esta directamente relacionada con la
investigación, como recolección bibliografica e internet.
3.5.- MATERIAL Y RECURSOS UTILIZADOS.
Recursos Humanos El Dr. Benjamín Hidalgo Director del Instituto de Investigaciones en
Biomedicina y Ciencias Aplicadas (IIBCA) de la Universidad de Oriente Cumana,
Asistente Luís Prin técnico del microscopio electrónico de barrido y otros
colaboradores.
Recursos Materiales -El MEB marca Hitachi S-800 con las siguientes características:
• Voltaje de aceleración de electrones hasta 30 Kv.
• Presión de vacío en columna (10-6) Torr.
20
• Presión en pre-camara y camara (10-3) Torr.
• Modo operativo electrones Secundarios.
-Muestra Cortada a 10 mm de alto.
-Cinta de carbono conductora doble cara
-Pintura de plata
-Secador
-Pinzas
-Porta muestras de Aluminio
-Guantes
-Cápsula de vidrio
-Equipo de ultrasonido -marca Bronsonict 220
-Cegueta
3.6.- ACTIVIDADES REALIZADAS.
La actividad se inicio en el laboratorio de Caracterización de Materiales del
Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas (IIBCA) de La
Universidad de Oriente Cumana en donde la probeta se preparo y observo usando
MEB.
Material
Se trata de un pieza de acero identificada como tornillo de 9 mm de
diámetro, usado para fijar el alternador de un vehículo automotor, la pieza
presenta una rotura (fractura) en la parte media, además se conoce para esta
investigación la historia de la muestra.
Inspección visual
Sobre toda la muestra y en particular sobre la zona de fractura, se realizo
una observación visual detallada, a fin de obtener información sobre el proceso de
falla
21
Preparación de la muestra
Con esta actividad se inicio la segunda fase en el IIBCAUDO en Cumana
donde la probeta fue preparada siguiendo el proceso siguiente:
a. La muestra fue cortada por el extremo no fracturado con segueta, hasta las
siguientes dimensiones: diámetro 9 mm. y altura de 10 mm.
b. Se colocan en las manos del preparador de la muestra guantes de goma
para manipular la muestra y no contaminarla.
c. Se limpio la muestra con etanol, fue secada con un secador y se llevo a
una cápsula de vidrio.
d. Los porta muestra de aluminio, se colocaron en un vaso de precipitado que
contenía etanol y se llevan al equipo de ultrasonido -marca Bronsonict 220-
por un periodo de 10 minutos, en este proceso la limpieza se realiza porque
la vibración acelera la reacción del etanol con el porta muestra.
e. Utilizando una pinza se llevan los porta muestra del vaso de precipitado al
una cápsula de vidrio.
f. Se toma un porta muestra, se seca con secador.
g. Sobre el porta muestra se coloca un trozo de cinta cat # 77816 tipo doble
cara de carbono. Double sided carbon tape, Electron sided carbon tape,
size: 8mm (w) x 20m (L),.
h. Se adhiere la muestra al porta muestra, se realiza presión (evitando
contaminarla) para mejorar la adhesión muestra - porta muestra, esta se
lleva de nuevo a la cápsula de vidrio.
i. Se coloca pintura conductora (pintura de plata de alta pureza para
microscopia electrónica) en la zona externa de contacto muestra - porta
muestra.
3.7.- CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL
Sobre la superficie de fractura se realizó microscopía electrónica de barrido,
a fin de determinar características de la falla analizada. Seguidamente se muestra
22
el proceso de colocación de dicha muestra en el equipo para su observación.
Figuras números (10-15).
.
Fig. No 10.-Microscopio Electrónico de barrido MEB.
Fig. No 11.- Precamara del MEB
23
Fig. No 12.- Apertura de la precamara del MEB
24
Fig.No 13.- Colocación de la muestra en el porta muestra del MEB
Fig. No.14.- Colocación del porta muestra del MEB en su interior.
25
Fig. No 15.-Posición Final de la muestra en el MEB.
26
CAPITULO IV
4.1.- ANÁLISIS DE RESULTADOS. En la inspección visual realizada, antes de la preparación, para observación
en el MEB sobre la zona fracturada del tornillo, se pudo observar una fractura con
poca estricción localizada, que es característica de la fractura frágil y además se
notó en el borde estructura fibrosa propia de la fractura dúctil; se puede observar,
qué, también presenta forma helicoidal característica de la fractura por torsión.
Fig. No 16. Morfología Microscópica
En la figura número 16 se observa una micrografía (MEB) correspondiente a
la muestra, se puede apreciar aspectos de la superficie de fractura, los lados de
cizalladura con detalles de la transición entre la zona central frágil y zona del
borde dúctil.
El área del borde con apariencia opaca y fibrosa característica de la fractura
dúctil, diferenciándose de la frágil que es brillante y rugosa, esta micrografía
Zona del borde con fractura dúctil
Zona central con fractura frágil
27
confirma la teoría que dice: las fracturas nunca son completamente frágiles o
completamente dúctiles.
Fig. No 17 Morfología Microscópica
En la figura número 17, se amplia la imagen para una mejor observación del
área de fractura, las características topográficas de la muestra tales como
estructuras punteadas y bordes afectan significativamente el área de la superficie
de emisión y con ello la intensidad de la señal, así se observa el contraste entre
una zona de crestas (brillantes) y valles (oscuras), en esta ultima zona se pueden
apreciar los grano muy descohesionados y la forma tridimensional.
Granos
Zona Brillante
Fractura ínter granular
28
Fig. No.18 Morfología Microscópica
La figura número 18, corresponde a otra zona observada, en esta se puede
apreciar mejor la separación entre los granos, lo que nos indica la existencia de
una fractura intergranular, se puede apreciar también la existencia de planos a
nivele inferiores que parecieran ascender siguiendo la forma helicoidal de la
fractura por torsión hacia planos superiores.
Plano superior
Plano inferior
Fractura intergranular
29
4.2.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Aunque la superficie de fractura revela el carácter frágil de esta, se puede
observar la zona de transición entre la fractura frágil área central y la fractura dúctil
en el área del borde, Figura número 19, ésta última es una región donde la
fractura avanza lentamente, la grieta crece por coalescencia de los micro hoyuelo,
originando una grieta que progresa por los límites de granos y produce la fractura
intergranular, probablemente por la presencia de impurezas o segregaciones en
los límites de grano, que producen el debilitamiento del material. La morfología
de la superficie de fractura (Dúctil y Frágil) resultante es fácilmente identificable
por el aspecto fibroso y facetado que revelan las microfotografías.
Fractura dúctil
Zona de transición
Fractura frágil
Fig.No 19 Microfotografía por MEB de la fractura
30
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos en esta investigación a través del análisis
micrográfico se llegaron a las siguientes conclusiones:
Cuando el tornillo es expuesto a una fuerza de torsión se produce una
fractura ínter granular originada posiblemente por la presencia de impurezas o
segregaciones en los limites de grano.
La fractura ínter granular debilita la resistencia del tornillo desde lo interno
a lo externo produciendo la fractura.
La morfología observada fueron de dos tipos, una correspondiente a
coalescencia de cavidades o microhoyuelos (fractura dúctil) en los bordes y
separación entre granos, ínter granular (fractura frágil) en el centro.
Las características topográficas de la muestra (cresta, valles, bordes)
afectan significativamente el área de la superficie de emisión y con ello la
intensidad de la señal, observándose zonas brillantes (cresta) y zonas oscuras
(valles)
31
RECOMENDACIONES
De acuerdo a los resultados preliminares obtenidos de la presente investigación se
recomienda:
Realizar un estudio más profundo, Microscopia Electrónica de Transmisión
(MET) para observar los granos, límites de granos, fases presentes, que pudiesen
afectar en la fractura.
Implementar un sistema de control de calidad efectivo que permita
monitorear la fabricación de estas piezas.
No almacenar estas piezas en sitios expuestos a la oxidación y corrosión.
Colocar el tornillo adecuado, dependiendo del tipo de ambiente al cual va a
estar sometido.
32
BIBLIOGRAFÍA.
[1]. J. I. GOLDESTEIN, D. E. NEWBURY, P. ECHELIN, D. C. JOY, CH. FIORI, E.LIFSHIN,.. “Scanning Electron microscopy and X-Ray Microanalysis”, Plenum Press, New York and London 1981 [2]. Dr. B. HIDALGO. “Curso Microscopia Electrónica de Barrido”, Maestría en Ciencia de los Materiales, Séptima corte Universidad Nacional Experimental de Guayana, UNEG, 2007 [3]. G. E. DIETER, Jr. “Metalurgia Mecánica”, 3rd. Ed., Aguilar, S.A, Madrid (España) 1967, 296-297. [4]. H.W. HAYDEN, W.G. MOFFATT, J. WULFF “Propiedades Mecánica”, Editorial Limusa- Wiley, S.A., México 1968, 296-297[4]. W. F. SMITH. “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, 3rd. Ed., Mc. Graw Hill, Madrid (España) 1998 [5]. C. CRAVINO, G. CARDUS, H. SVOBODA, H.DE ROSA. “Evaluación de la Falla de una Biela de Automotor”. Materia, vol 8, Nº 3 (2003) 204-212 [6]. Dr. M. IPOHORSKY “Fractografia Electrónica: su contribución al análisis de falla”, Revista SAM, Publicación de la Asociación Argentina de Materiales. Sept. 2004, vol. 1, Nº 2. [7]. V. E. FIERRO, A. F. ANSALDI, F. R. AGUERA, H. N. ALVAREZ. . “Análisis de falla de trabas de seguridad del tren de aterrizaje de aviones de uso civil”, Congreso CONAMET/SAM 2004 [8]. M. GRAGEDA ZEGARRA, S. MONTESINO, “Aplicación del Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) y Análisis de Fractura de una Aleación Cu-10Al”, Facultad de Ciencias Física y de Materiales, Universidad de Chile. [9]. M. TOLEDANO, J. TORIBIO, “Criterio de Fractura para Alambres Fisurados de Aceros Perliticos con grado de Trefilado variable”, Anales de mecánica de Fractura, vol. 18 2001
33
[10]. S. Pilippov: “The Theory of Metallurgical Processes”. MIR, Moscú. 1975.
[11]. M.G.Fontana: “Corrosion Engineering”. 3ª ed., Mc Graw Hill, Singapore.
1988, pp. 148, 508.
[12].. D. Hurlbut: “Manual de Mineralogía”. 2ª ed., Reverte, Barcelona. 1960