UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Metalrgica

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INDICECAPITULO I1. Generalidades51.1. Localizacin del Laboratorio de Metalurgia Fsica.51.2. Sector al que pertenece....51.3. Descripcin de las reas del Laboratorio de Metalurgia Fsica..51.4. Objetivos del Laboratorio Metalrgica Fsica.....61.5. Fines del rea de Metalrgica Fsica...............7

CAPITULO II

2. Descripcin de equipos y procedimientos........82.1. Equipos del laboratorio de Metalurgia Fsica..82.2. Descripcin de operaciones............................................................172.2.1. Seccin de Metalografa..172.2.2. Seccin de tratamientos trmicos....172.2.3. Seccin de ensayos mecnicos....17

CAPITULO III

Trabajos encomendados...................201.1. Difusin de carbono del acero ASTM A36..201.2. Objetivos20 1.3. Fundamento terico....20 1.4. Equipos, materiales y reactivos..27 1.5. Procedimiento....281.6. Clculos..291.7. Discusin de resultados..321.8. Conclusiones...331.9. Recomendaciones...34

2.1. Solidificacin de un lingote de aluminio y aluminio silicio.342.2. Objetivos..342.3. Fundamento terico.342.4. Materiales y equipos....372.5. Procedimiento experimental....382.6. Resultados....392.7. Discusin de resultados............432.8. Conclusiones y recomendaciones.43

3.1. Fabricacin, obtencin y reconocimiento microestructural de aleaciones no ferrosas base cobre 95% Cu 5% Sn, 90% Cu 10% Sn y SAE 40: 85% Cu5%Sn5%Zn- 5%Pb443.2. Objetivos.......44 3.3. Fundamento terico.......443.4. Materiales, herramientas y equipos...483.5. Procedimiento experimental..483.6. Resultados.493.7. Clculos.503.8. Microestructura..513.9. Conclusiones y recomendaciones..524.1. Reconocimiento microestructural de aleaciones no ferrosas comerciales: zamak y babbit...534.2. Objetivos........534.3. Fundamento terico...534.4. Materiales, herramientas y equipos.......554.5. Procedimiento554.6. Resultados y discusin......56

5.1. Reconocimiento microestructural de aceros al carbono AISI 1010 y AISI 1045..575.2. Objetivos.575.3. Fundamento terico....575.4. Materiales, herramientas y equipos....615.5. Procedimientos...615.6. Clculos y resultados......625.7. discusin de resultados...645.7. Recomendaciones...64

6.1. Reconocimiento microestructural de fundiciones ferrosas......646.2. Objetivos................646.3. Fundamento terico.......646.4. Materiales y equipos..676.5. Procedimiento....686.6. Resultados..686.7. Discusin de resultados.716.8. Recomendaciones......71

CAPITULO IV

Conclusiones y recomendaciones72

ANEXO

Diagrama hierro carbono73Tabulacin de la funcin error...74Tabla. Reactivos metalogrficos para hierro y aceros...76Tabla. Escala de dureza.....77Resumen de las microestructuras y fases del hierro..78

BIBLIOGRAFIA

Bibliografa...79

RESUMEN

El presente informe es el resultado de las experiencias adquiridas en el laboratorio de metalurgia fsica de la UNT, provincia de Trujillo, departamento de La Libertad; las prcticas fueron realizadas por un periodo de 03 meses, desde 15 de septiembre hasta el 20 de diciembre del 2014 con la finalidad de reforzar los conocimientos adquiridos en nuestra escuela acadmica.

Se desarrollaron 4 captulos los cuales se detallan a continuacin:

CAPTULO I, se describe la introduccin del informe. CAPTULO II, se describe los aspectos generales del laboratorio de metalurgia fsica. CAPTULO III, trabajos encomendados, donde se recopila las experiencias adquiridas en las tareas asignadas. CAPTULO IV, se dan los resultados, conclusiones y recomendaciones.

CAPTULO I1. GENERALIDADES 1.1. Localizacin del Laboratorio de Metalurgia Fsica Departamento : La Libertad Provincia : Trujillo Distrito : Trujillo Ubicacin : Ciudad Universitaria de la Universidad Nacional de Trujillo, Av. Juan Pablo s/n, Urb. San Andrs; en la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la Facultad de Ingeniera. 1.2. Sector al que pertenece El laboratorio de Metalurgia Fsica pertenece a la Escuela de Ingeniera Metalrgica de la Facultad de Ingeniera de la Universidad Nacional de Trujillo, pertenece al rea de Metalurgia Fsica donde se realiza las prcticas de los cursos: Estructura de los metales, Metalurgia Fsica I, Metalurgia Fsica II (Tratamientos trmicos), Cermicos y refractarios, Fractura y anlisis de falla, adems de un post servicio a las escuelas de Ingeniera de Materiales, Ingeniera Industrial e Ingeniera Mecnica. As mismo presta los siguientes servicios a la industria metal mecnica: Tratamientos trmicos, Anlisis metalogrfico y Ensayos mecnicos. 1.3. Descripcin de las reas del Laboratorio de Metalurgia Fsica El laboratorio cuenta con las siguientes reas: a) Seccin de metalografa: Donde se realiza: Corte. Desbaste. Encapsulado. Pulido. Ataque qumico. Anlisis metalogrfico Fotografa. b) Seccin de tratamientos trmicos y termoqumicos: Donde se realiza: Tratamientos trmicos: Recocido. Normalizado. Temple. Revenido. Bainitizado. Martempering. Evaluacin de la templabilidad de acero: Ensayo Jominy. Tratamientos termoqumicos: Carburizacin. Nitruracin. Alitacin Carbonitruracin. c) Seccin de ensayos mecnicos: Donde se realiza: Ensayo de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell) Ensayo de traccin. Ensayo de resistencia al impacto Charpy, Izod Corrosin bajo tensin (SCC). Termofluencia.

1.4. Objetivos del Laboratorio Metalrgica Fsica Relacionar los conocimientos tericos adquiridos con la prctica y as poder interpretar y analizar los fenmenos de la Metalurgia Fsica y solucionar muchos problemas relacionados especficamente con los tratamientos trmicos. Solidificacin y ensayos de fractura. Del mismo modo llegar a entender mejor las propiedades qumicas, metalrgicas y mecnicas de los materiales. Poder seleccionar y disear los materiales empleados en ingeniera cuya caracterizacin es importante, realizando un sin nmero de pruebas ya sea qumicos, metalrgicos y mecnicos. Mediante los tratamientos trmicos y termoqumicos mejorar las propiedades mecnicas y el tiempo de vida de los materiales especialmente metales y aleaciones. Estudiar las fallas o fracturas presentes en los materiales que nos permitirn determinar las causas de dichas fallas y seleccionar el uso correcto al material, para alargar su vida de uso. 1.5. Fines del rea de Metalrgica Fsica: Impartir los conocimientos tericos - prcticos a los alumnos de Ingeniera Metalrgica mediante clases tericas y prcticas de laboratorio logrando de esta manera relacionar los conocimientos y poder as interpretar y analizar los fenmenos de la Metalurgia Fsica que en ella ocurre. Establecer los parmetros y supervisar la ejecucin de la clasificacin e identificacin de los reactivos, soluciones y dems elementos necesarios en el laboratorio. Detectar y reportar necesidades de mantenimiento y reparacin de equipos de laboratorio. Reconocer la causa de las fallas de las herramientas de ingeniera mediante el anlisis macroestructural y microestructural, para dar las recomendaciones necesarias del caso y as prevenir dichos fallos. Mejorar las propiedades mecnicas y fsicas de los aceros, fundiciones y materiales no ferrosos mediante tratamientos trmicos (recocido, normalizado, temple, revenido, bainitizado y otros)

CAPTULO II2. DESCRIPCIN DE EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS 2.1. Equipos del laboratorio de Metalurgia Fsica Pertenece al rea de Metalrgica Fsica y Materiales. 2.1.1. Seccin de Metalografa a) Seccionamiento y pulido de probetas 02 Esmeriles Marca Black &Decker, voltaje 220 V, Frecuencia 50 Hz, Potencia HP, Amperaje 1,7 A.

Figura 1. Esmeril Marca Black & Decker 01 Esmeril Marca Asever, voltaje 220 V, Velocidad 3600 RPM, Potencia HP, Amperaje 2,6 A.

Figura 2. Esmeril Marca Asever 03 Tornillos de Banco (prensas mecnicas).

Figura 3. Tornillo de banco Arco de sierras.

Figura 4. Sierra Papeles abrasivos de SiC o Al2O3 (Lijas al agua) para desbaste grueso y fino (Mallas: N 60 a N 2000).

Figura 5. Papeles Abrasivos. Moldes de distintos tamaos para el montaje en fro de las probetas.

Figura 6. Moldes para el montaje en fro de las probetas. Resina polister para el encapsulado en fro. Catalizador (perxido). Figura 7. Catalizador Almina (Al2O3) de los tamaos de (5; 3; 1; 0,3 y 0,05) m. b) Seccin de ataque qumico. Est constituido por: Buretas, matraz, termmetro. Pinzas, hisopos, algodn, franela, pana. Reactivos de ataque qumico: cido ntrico, cido pcrico, etc.

c) Seccin de fotomicrografa Est constituido por dos microscopios metalogrficos para fotomicrografa. Caractersticas de los microscopios metalogrficos Marca: Leica (Figura 11) Voltaje: 220 V Frecuencia: 50 60 Hz Aumento: 50X -1000X Cmara Digital Canon

Figura 10. Microscopio metalogrfico Leica.2.1.2. Seccin de tratamientos trmicosAqu se realizan tratamientos trmicos y termoqumicos a los aceros y fundiciones: recocido, normalizado, temple, revenido, bainitizado, carburacin y nitruracin. Esta rea tiene los siguientes equiposa) Hornos Elctricos Tipo Mufla CARACTERISTICAS

Horno de 7,5 kW Horno de 5 kW Horno de 5,5 kW

Temperatura de trabajo, (0 - 1200) C. Mecanismo de control, automtico y manual (opcional). Soporte para cajas de cementacin. Calentamiento por resistencia Kanthal ( = 2 mm). Temperatura de trabajo de 0 1200 C. Mecanismo de control, automtico Cmara de 15 x 15 x 45 cm. Calentamiento por resistencia elctrica Ocral ( = 1,2 mm). Temperatura mxima de trabajo, 750 C. Mecanismo de control: automtico y manual. Calentamiento por resistencia elctrica Kanthal ( = 1,2 mm).

Figura 11.Hornos elctricos tipo mufla

b) Horno elctrico de revenido Caractersticas del equipo Temperatura mxima: 750 C. Mecanismo de control: Automtico y manual (opcional). Potencia: 5.5 Kw Calentamiento: Resistencia elctrica Kanthal ( 1.2 mm.).

Figura 12. Horno elctrico de revenido. c) Horno elctrico para nitruracin y bainitizado Condiciones de operacin: Medio bainitizado: Sales (40% NaNO3, 60% NaNO2). Crisol de acero inoxidable capacidad 5 Kg. Temperatura de operacin 0 600 C. Mecanismo de temperatura: Termocupla de inmersin. Digital. Medio nitrurante: sales de cianuros.

Figura 13. Horno elctrico para nitruracin y bainitizado. 2.1.3. Seccin de ensayos mecnicos Aqu se realizan ensayos de dureza, pruebas de resistencia al impacto: Charpy e IZOD (para evaluar la tenacidad y la temperatura de transicin), ensayos de corrosin bajo tensin y ensayos de termofluencia. Los equipos que constituyen esta seccin son: a) Equipo de ensayo de dureza para medir dureza Brinell y Vickers. Marca: Heckert Mecanismos: Palanca (carga en Kg f N) Identador: Vickers: pirmide de diamante de 136 Brinell: bolilla de CW de 5 y 2.5 mm. Voltaje: 220 V. Frecuencia: 60 Hz. Lmpara de 24 V. Estado: Inoperativo

Figura 14. Durmetro Heckert para medir dureza Vickers y Brinell.

b) Equipo de ensayo de dureza para medir dureza Rockwell C y B. Caractersticas de Equipo Marca: TIME-GROUP Escala: HL/HRC/HRB/HB/HV/HS Funcionamiento: Manual Indicador de dureza: Analgico (100 HRC mx.) Identador: Nivel Normal (IMPACTO) DC/D+15/C/G/E/DL.

Figura 15. Durmetro TIME-GROUP

c) Equipo de ensayo de impacto para pruebas CHARPY e IZOD. Caractersticas de equipo Dispositivo para ensayo CHARPY e IZOD. Indicador de fuerza: Analgico (300 J mx. En CHARPY y 165.6 J mx. en IZOD). Pndulo oscilante: 19 Kg. de masa y 30 Kg-m de energa. Juego de 3 palancas: palanca derecha para soltar el pndulo en cada, palanca izquierda sirve de seguro del pndulo cuando esta elevado, las dos son accionadas simultneamente y palanca inferior para frenar el pndulo una vez fracturada la probeta.

Figura 16. Mquina de ensayo de Charpyd) Equipo para pruebas de corrosin bajo tensin. Este equipo fue diseado y construido por un grupo de Bachilleres de Ing. Metalrgica (tesistas) y asesorado por el jefe coordinador del laboratorio y rea de Metalurgia Fsica. (Ing. Ismael Purizaga Fernndez). Soporte Sistema de pesas. 1 Tubo acerado de alta presin (h = 1.8 m, = 4, e = 10 mm.). 1 base metlica (L = 0.8 m, a = 60 cm, e = 1). 2 planchas metlicas para sujetas polines. Soporte metlico para la cuba. Cuba y mordazas de acero inoxidable AISI 316 para soporte de probeta. Cronmetro. e) Mecanismos de pesas Pesas (W = 10Kg). 1 gato hidrulico (1 TM). 1 cable acerado (e = ) 1 resorte.

Figura 17. Mquina de Ensayo de Corrosin bajo Tensin.2.2. Descripcin de operaciones 2.2.1. Seccin de Metalografa. La metalografa es esencialmente el estudio de las caractersticas estructurales de un metal o una aleacin para relacionar sta con las propiedades fsicas y mecnicas. La parte ms importante de la metalografa es el examen microscpico de una probeta debidamente preparada, empleando aumentos que oscilan entre 100X y 2000X aproximadamente, con lo cual hace posible definir caractersticas estructurales.2.2.2. Preparacin de probetas metalogrficas El proceso de preparacin puede ser dividido en tres principales etapas son: A. Seccionamiento: La muestra se toma haciendo cortes con sierras manuales, se recomienda hacer un corte en cada direccin (transversal y longitudinal).B. Montaje: Esto nos permiten un manejo fcil en las operaciones de desbaste fino y pulido, como ocurre, por ejemplo con virutas, alambres, varillas y tubos pequeos, chapas, secciones delgadas, etc.C. Preparacin mecnica: Mtodo ms usado en la preparacin de probetas metalogrficas para su examinacin microscpica. D. Ataque qumico: Esto se logra sometiendo a la probeta a la accin qumica de un reactivo apropiado en unas condiciones cuidadosamente controladas. E. Fotomicrografa: Consiste en la toma de una fotografa de un campo microscpico, para la toma de una fotomicrografa los pasos previos de la preparacin mecnica de la probeta deben estar correctamente desarrollados. 2.2.3. Seccin de tratamientos trmicos Los tratamientos trmicos que se realizan son: A. Recocido: El recocido es un proceso para llevar a los aceros a sus estructuras de equilibrio, y por lo general se practica en piezas endurecidas que, por alguna razn, deben ser maquinadas. B. Normalizado: El normalizado es un proceso que se emplea para reducir los esfuerzos internos en un metal, originados por el maquinado o el formado. Una vez que esto ha ocurrido, la pieza se retira del horno y se pone a enfriar a la temperatura ambiente a resguardo de corrientes de aire.

C. Temple: El temple es un proceso que tiene como finalidad incrementar la resistencia al esfuerzo, la dureza y la resistencia al desgaste, de un metal. Las soluciones o medios tpicos del temple son el aire, el aceite, el agua y la salmuera.

D. Revenido: El revenido consiste simplemente en un proceso de calentar una pieza endurecida hasta una temperatura especfica y despus de dejarla a que se distribuya uniformemente el calor durante una cantidad determinada de tiempo. El proceso del revenido, adems de relevar esfuerzos, tambin reducir la dureza del metal. E. Bainitizado: El bainitizado llamado tambin revenido austentico, es una transformacin de las aleaciones ferrosas a una temperatura por debajo de la perlita y por encima de la formacin de la martensita (Ms).Para el bainitizado se procede de la siguiente manera: Se calienta el acero a la temperatura de austenizacin, dependiendo de la aleacin del acero. Se templa de un bao manteniendo a una temperatura constante en la regin de la formacin de la bainita (temperatura entre 260 y 400C). Se deja permanecer en este bao el tiempo necesario para que se complete la transformacin baintica. Se enfra hasta la temperatura ambiente en aire quieto. F. Martempering: Consiste en llevar el acero hasta temperatura de austenizacin y enfriarlo en un medio bien sea sales a temperatura por encima de la temperatura de transformacin martenstica, inmediatamente la pieza ya haya homogenizado su temperatura se enfra en un medio de menor velocidad de enfriamiento que el primero. G. Carburizacin: Es en el que se combinan el carbono y el hierro para producir el acero, y que en la industria siderrgica se realizan en los altos hornos. H. Carbonitruracin: Es un tipo de tratamiento trmico superficial del acero, englobado dentro de los procesos de cementacin gaseosa, en el que se suministra carbono y nitrgeno a la superficie de una pieza de acero para proporcionarle las caractersticas de dureza deseada. I. Nitruracin: Es un tratamiento trmico que se le da al acero. El proceso modifica su composicin aadiendo nitrgeno mientras es calentado. 2.2.4. Seccin de ensayos mecnicos A. Ensayo de dureza: La dureza se puede definir como la resistencia que oponen pequeas porciones de material a las dislocaciones que tienden a desplazarlas localmente. De aqu se deduce que la dureza depende de la elasticidad del material, de su estructura cristalina y de las acciones mutuas existentes entre ellos. B. Ensayo de impacto: La tenacidad, es la propiedad de impacto de un material, es su resistencia a la fractura cuando se aplica una carga repentina y dinmica. Aunque la tenacidad de un material puede obtenerse calculando el rea bajo el diagrama esfuerzo-deformacin, la prueba de impacto indicar la tenacidad relativa. Los ensayos ms utilizados son el Charpy y el Izod. La severidad de la prueba.

Figura 18. El ensayo de impacto: (a) Ensayos de Charpy e Izod y (b) Dimensiones de especmenes normales. Fuente: Askeland D. (2004) C. Ensayo de Corrosin bajo tensin: La corrosin bajo tensin es un fenmeno de deterioro progresivo de los metales y sus aleaciones, producido como consecuencia de la combinacin de dos efectos simultneos tales como un medio ambiente corrosivo, unido a una tensin mecnica tal como la producida por los efectos continuados de traccin, flexin y torsin, etc. Los esfuerzos pueden ser internos, superficiales o de ambos tipos conjuntamente.

Figura N 19. Probeta Estandarizada para Ensayo de corrosin bajo tensin. Segn norma ASTM G-49TRABAJOS RECOMENDADOSINFORME 011.1. TITULO: DIFUSIN DE CARBONO (CARBURIZACIN) DEL ACERO ASTM A36 1.2. OBJETIVOS: Aplicar el fundamento terico del proceso de difusin de carbono (C) en el acero ASTM A36 Demostrar que la SEGUNDA LEY DE FICK gobierna el proceso de difusin de carbono (C) en el hierro (Fe). Calcular el espesor de capa de difusin en funcin de la temperatura y tiempo de proceso. Evaluar las curvas de penetracin de Carbono versus la Distancia de espesor de capa. 1.3. FUNDAMENTO TEORICO: 1.3.1. Acero Acero es la denominacin que comnmente se le da en ingeniera metalrgica a una aleacin de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1 y el 2,06% en peso de su composicin, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%. Si la aleacin posee una concentracin de carbono mayor al 2,06% se producen fundiciones que en oposicin al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas. 1.3.2. Acero ASTM A36 Es un acero estructural al carbono, utilizado en construccin de estructuras metlicas, puentes, torres de energa, torres para comunicacin y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes elctricos y sealizacin. Propiedades: Como la mayora de los aceros, el A36, tiene una densidad de 7850 kg/m (0.28 lb/in). El acero A36 en barras, planchas y perfiles estructurales con espesores menores de 8 plg (203,2 mm) tiene un lmite de fluencia mnimo de 250 MPA (36 ksi), y un lmite de rotura mnimo de 410 MPa (58 ksi). Las planchas con espesores mayores de 8 plg. (203,2 mm) tienen un lmite fluencia mnimo de 220 MPA (32 ksi), y el mismo lmite de rotura. Usos: El acero ASTM A36 se produce en una amplia variedad de formas, que incluyen: Planchas Perfiles estructurales Tubos Barras Lminas Composicin qumica ELEMENTOCMnPSICu

%0.260.30.040.4 max0.2 min

Aplicaciones del acero A36: Las aplicaciones comunes del acero estructural A36 es en la construccin, y es moldeado en perfiles y lminas, usadas en edificios e instalaciones industriales; cables para puentes colgantes, atirantados y concreto reforzado; varillas y mallas electro-soldada para el concreto reforzado; lminas plegadas usadas para techos y pisos. 1.3.3. Mecanismos de difusin Auto difusin Difusin por vacancias Difusin intersticial Difusin intersticial desajustada

Figura N 1. 1La figura (a y b) Difusin por vacancias en cristales FCCLa figura (c) Difusin intersticial en el plano (100) de la red FCC. Fuente: Jos Apraiz Barreira tratamientos trmicos de los aceros sptima edicin, editorial dossat-plaza de santa Ana, 9madrid. Ao 2000.

Figura N 1.2Mecanismos de difusin en los materiales. (A) Difusin por vacancia o por sustitucin de tomos, (B) difusin intersticial, (C) difusin intersticial desajustada, y (D) difusin por intercambio y en crculo. Fuente: Donald r. Askeland ciencia e ingeniera de los materiales , cuarta edicin, Canad, 2005.La difusin de carbono en el acero es de tipo intersticial, aqu el tomo de carbono ocupa los intersticios, estos tomos se mueven de una posicin intersticial a otra debido a saltos producidos por las vibraciones trmicas.

Figura N 1.3Difusin intersticial.Fuente: Jos apraiz Barreira tratamientos trmicos de los aceros sptima edicin, editorial dossat-plaza de santa Ana, 9-madrid. Ao 2000.

El coeficiente de difusin o difusibilidad, D (cm2/s), est dado por la siguiente ecuacin de Arrhenius. ??=??0????????

Dnde: D0: Factor de frecuencia de los tomos que se difunden (cte); expresada en cm2/s. Q: Energa de activacin de la reaccin expresada en Cal/mol. R: Constante universal de los gases ideales; 1,987 Cal/mol K. T: Temperatura absoluta; expresada en K. D: El coeficiente de difusin

1.3.4. Mecanismo de difusin intersticial: La difusin intersticial de los tomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los tomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los tomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamao de los tomos que se difunde debe ser relativamente pequeo comparado con el de los tomos de la matriz.

Figura N 1.4 Mecanismos de (a) difusin intersticial y (b) difusin sustitucional. En la sustitucin, el tomo se mueve a una vacante considerada normalmente como una posicin atmica sustitucional y no como una posicin intersticial.Fuente: Donald r. Askeland ciencia e ingeniera de los materiales , cuarta edicin, Canad, 2005. 1.3.5. Difusin en estado estacionario (Primera Ley de Fick) En la difusin en estado estable o estacionario, el gradiente de concentracin es constante en la unidad de tiempo. Este gradiente ser la concentracin de soluto que cambia slo con la distancia entre dos planos de diferente concentracin. La ecuacin que expresa esta difusin, es LA PRIMERA LEY DE FICK:

Donde:

J: Flujo neto de tomos que se difunden en la direccin x, a travs de un plano en la unidad de tiempo; expresado en tomos/cm2/s. D: Coeficiente de difusin o difusividad; expresado en cm2/s. : Gradiente de concentracin; expresado en tomos/cm3.cm. Se emplea un signo negativo debido a que la difusin tiene lugar de una concentracin mayor a una menor, es decir, existe un gradiente de difusin negativo. Esta ecuacin es llamada primera Ley de Fick y afirma que para condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad de flujo neto de tomos es igual a la difusividad D por el gradiente de concentracin dC/dX. Las unidades son las siguientes en el sistema internacional:

1.3.6. Difusin en estado transitorio o no estacionario (Segunda Ley de Fick) Es el estado ms comn en la prctica. En la difusin en estado no uniforme, el perfil de concentracin de las sustancias que se difunden cambia con el tiempo. Esto significa que el flujo y la gradiente de concentracin tambin cambian con el tiempo.

LA SEGUNDA LEY DE FICK se refiere a la difusin en estado transitorio y se expresa como: ????????=????2??????2

Donde: C: Concentracin de la especie que se difunde, a una distancia x de la superficie. t: Tiempo; expresado en segundos.

En los casos de difusin en estado slido, donde la concentracin Cs de la especie que se difunde (soluto) en la superficie de un material (solvente) permanece constante, la solucin de sta ecuacin diferencial puede expresarse como: Donde: Cs: Concentracin en la superficie, producida en forma instantnea por la atmsfera. C0: Concentracin al inicio del proceso, en un tiempo t= 0. Cx: Concentracin a una profundidad x de la superficie, en un tiempo t. t: Tiempo; expresado en segundos. Es una variable que se expresa como fer (y); representa la funcin de error de Gauss.Para predecir la profundidad de penetracin o el espesor de capa tratada (X), en funcin del tiempo de permanencia a la temperatura de operacin; se usa la relacin: 1.3.7. Etapas de la difusin slida. El proceso de cementacin consta de tres etapas: Formacin del Carbono Elemental El carbn vegetal (C), a elevada temperatura y en contacto con el oxgeno del aire que siempre hay en el interior de la caja de cementacin, reacciona para formar oxido de carbono. El monxido de carbono en contacto con la pieza, a elevada temperatura, se transforma en carbono elemental (naciente o atmico) y dixido de carbono Absorcin del Carbn Elemental El carbn elemental es el que produce la cementacin. Al estar en contacto con el hierro a elevada temperatura, este carbono se absorbe desde la superficie de la pieza, por existir un gradiente de concentracin entre el acero y la atmsfera carburante; formando austenita saturada con carbono. Difusin del carbono dentro del acero Finalmente el carbono se difunde en el acero, que se encuentra austenizado segn las leyes que gobiernan la difusin atmica. La reaccin general de la cementacin, a la temperatura de austenizacin, ser:

1.3.8. Reacciones del proceso de difusin del carbono A partir del oxgeno del aire que queda en la caja ocurre lo siguiente.

El CO al ponerse en contacto con la superficie del acero se transforma.

* C: Es el carbn atmico o naciente que se difunde de hacia el interior del acero descarburizado C se absorbe en la superficie de la probeta formando Austenita saturada con carbono.

1.4. EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS: 1.4.1. EQUIPOS Durmetro INDENTEC

Microscopio LEICA (hasta 500 aumentos)

Horno elctrico tipo mufla 7.5 KW (0 1200 C)

1.4.2. MATERIALES Lijas al agua N: 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600, 1000. Reactivo: Nital al 6% (100 ml alcohol 6ml cido ntrico) Abrasivo Almina (Al2O3) de 3m Algodn. Agua Destilada. Arcilla refractaria. Medio difusor: carbn de madera 80% en peso y BaCO3 20% Acero ASTM A36: tres probetas Caja de Cementacin cilndrica de 15 cm. de dimetro por 15 cm. de alto.

1.5. PROCEDIMIENTO:1.5.1. Preparacin de las Muestras 1.5.2. Preparacin de la mezcla Cementante La mezcla se preparar en una proporcin de 4carbn de madera por 1 de carbonato de bario. 1.5.3. Empaquetamiento de las piezas a carburar 1.5.4. Se introdujo dentro del horno la caja de cementacin a temperatura ambiente 25C llegando a 920C, a las 2:20pm. 1.5.5. Luego retiramos la primera caja de cementacin a las 5:20 pm dicha caja contena las probetas de 3 horas y la ltima a las 7:20 pm. 1.5.6. Medida de DurezaUna vez enfriadas las probetas se desbasto finamente con lija N 2000, para hace luego la prueba de dureza en el durmetro. Se mide en diferentes puntos de la superficie con un cono de diamante a 62.5 HRC. 1.5.7. Anlisis Metalogrfico Despus de haber el rebajado proseguimos a encapsular las tres probetas con Resina epxica + perxido, evitando de esta manera desnivelar las probetas. Continuamos el desbaste con papel abrasivo (lija) nmero 80, 100,180, 220, 320, 400, 600 y 1000, se pas a pulir con almina de 3m. Finalmente, se hizo el ataque qumico, usando reactivo Nital (6%) por un tiempo de 10 segundos por probeta Luego se llev al microscopio para analizar la estructura 1.6. CLCULOS Y RESULTADOS: 1.6.1. ClculosCalculo del coeficiente de difusin (D):DATOS:

C0 =0.2 CS = 1.1 D0 = 0.22 cm2/s Q =3400 Cal/mol R = 1.987 cal/mol T= 920C =1193K t1=3h =10800 seg. t2= 5h = 18000 seg. D =Dxe-Q/RT Reemplazando los datos: D= (0.22) (e)-(34000/ (1.987) (1193)) D = 1.298 *10-7 cm2/s Para t = 3h:

=0.749 mm

Para t = 5h: = 0.967mmTiempo (horas)Espesor de capa (mm)

X tericoX experimental

30.749mm0.700mm

50.967mm0.970mm

1.6.2. Medicin de la Dureza Tiempo de Difusin (horas)Dureza HRC

337

530.1

suministro21.47

1.6.3. Anlisis Microestructural:

probeta suministro:

a bFigura 1.5. Fotomicrografa del acero ASTM A36 (suministro), la estructura consta de ferrita (blanco) y perlita (oscuro) caractersticas de un acero Hipoeutectoide. Dureza 21.47 HRC, ataque qumico con Nital al 3%, a) 200x b) 500x 3 horas:

Figura 1.6. Fotomicrografa de la capa de difusin de un acero ASTM A36 se observa la difusin del carbono hacia el interior del acero, dureza 30.1 HRC, ataque qumico con Nital al 6%, 50x

Figura 1.7. Fotomicrografa de la superficie de la capa de difusin de un acero ASTM A36, se observa perlita (oscura) y cementita (blanco) caracterstica de un acero Hipereutectoide, dureza 30.1 HRC, ataque qumico con Nital al 6%, 200x

probeta de 5 horas:

ab

Figura 1.8. Fotomicrografa del ncleo de un acero ASTM A36, dureza de 27 HRC, ataque qumico con Nital al 6%, a) 50x b) 500x

1.7. DISCUSION DE RESULTADOS: Suministro vs probeta t = 3h: Comparando el espesor obtenido en la probeta de 3h con la de suministro se encontr que el espesor de difusin de carbono es de 0.749 mm. El tamao de grano creci respecto a la probeta de suministro.

Suministro vs. Probeta t = 5h: Comparando el espesor obtenido en la probeta de 5h con la de suministro se encontr que el espesor de difusin de carbono es de 0.967 mm. El tamao de grano creci respecto a la probeta de suministro.

Probeta con t=3h vs. Probeta t=5h: Se pudo comprobar que la probeta de 5h aumento el espesor de la capa de difusin respecto a la probeta de 3h, sucediendo lo mismo con el tamao de grano.

Figura 1.9. Espesor de capa en funcin al tiempo de difusin.

Espesor de la Capa de Difusin. Hemos obtenido los siguientes datos terico y experimental de distancia difundida: Tiempo (horas) Espacios ocupados mm

X terico X experimental

3 0.749 0.700

5 0.967 0.970

1.8. CONCLUSIONES:

Se aplic los fundamentos tericos de la difusin de carbono en el acero, verificndose los resultados experimentales con los calculados.

A partir de la Segunda Ley de Fick, demostramos la curva de penetracin de carbono que la probeta de 5 horas consta de mayor difusin de carbono con respecto a la figura 1.6.

1.9. RECOMENDACIONES:

Tener mucho cuidado al momento de moler el carbn de madera para que este sea del tamao necesario (3 - 5 mm.), para que la granulometra sea la ptima y permitir la cantidad de oxigeno suficiente dentro de la caja de difusin sellada con arcilla refractaria.

Al momento de colocar las probetas en sus respectivas cajas de difusin, hay que tener en cuenta que la tapa quede cerrada totalmente con arcilla refractaria.

Para una mejor toma de datos de dureza, es necesario que las probetas estn totalmente niveladas.

INFORME 022.1. TITULO: SOLIDIFICACIN DE UN LINGOTE DE ALUMINIO Y ALEACINALUMINIO-SILICIO2.2. OBJETIVOS: Estudiar el proceso de solidificacin de un lingote y su estructura caracterstica en las zonas de solidificacin. Estudiar y caracterizar los defectos de solidificacin: Segregacin, inclusiones, contraccin (rechupe). 2.3. FUNDAMENTO TEORICO:2.3.1. SOLIDIFICACIN: Es el proceso del paso de un metal o aleacin liquida a slida. 2.3.2. NUCLEACION: Los cambios estructurales en sistemas metlicos y aleaciones se efecta por nucleacin; esto implica un cambio de estado de energa libre, cuando se nuclea la fase nueva se forma generalmente una discontinuidad de la fase matriz, como lmites de grano dislocaciones. Hay 2 tipos de nucleacin:2.3.2.1. Nucleacin homognea: El ncleo tiene la forma de una esfera. Aqu La fase nueva se forma uniformemente en todo el volumen de la fase madre y tiene la forma de una esfera (la nueva fase se forma en todo el volumen de la matriz).

Figura N 2.1Curva de enfriamiento para un tiempo t en un metal puro homogneo. Para que exista solidificacin tiene que existir un sobre enfriamiento.

2.3.2.2. Nucleacin heterognea: La nucleacin heterognea consiste en la formacin de ncleos en zonas donde ya existe superficie slida, por ejemplo, en paredes de molde o en el borde de partculas slidas introducidas en el metal fundido.

Figura N 2.2Esquema de nucleacin heterognea a partir de una impureza. El ngulo: Relacin entre el metal y la superficie slida preexistente

2.3.3. CRECIMIENTO: Ocurre luego de que se han agrupado una suficiente cantidad de tomos para formar una partcula estable que crecer de acuerdo con las fluctuaciones trmicas, hasta que el lquido se agote.

Figura N 2.3FIGURA: crecimiento dendrtico: gradiente negativo

2.3.4. ALEACIN AL-SI: Estas aleaciones se utilizan en tratamientos trmicos con precipitacin a alta temperatura. Por esto se utiliza en pistones donde se requieren propiedades de alta resistencia y choque trmico. Tambin podemos encontrar estas composiciones de aluminio en la fabricacin de turbinas de aviacin.

2.3.5. ALUMINIO PURO: El aluminio es un elemento qumico, de smbolo Al y nmero atmico 13. Se trata de un metal no ferromagntico. Con un bajo punto de fusin (660 C) y un punto de ebullicin de 2519C. Su color es blanco y refleja bien la radiacin electromagntica del espectro visible y el trmico. Es el tercer elemento ms comn encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayora de las rocas, de la vegetacin y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas).

2.4. MATERIALES Y EQUIPOS:

2.4.1. MATERIALES:

2 kilogramos de Aluminio pistn (Aleacin Al-Si) 2 kilogramos de Aluminio puro Modelo de Madera (tronco de cono circular) con medidas: 45 milmetros dimetro menor, 50 milmetros dimetro mayor y 50 milmetros de altura Crisol:(tronco de cono circular) con medidas: 20 centmetros dimetro mayor, 15 centmetros dimetro menor, y 20 centmetros de altura Caja de moldeo Molde de arena hmeda Arena sinttica, composicin: 4% de bentonita (aglutinante), 3% de H2O y 93 % de arena (SiO2) Desbaste con papeles abrasivos: 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600, 1000 y 2000), pulido con almina (Al2O3) Reactivo de ataque qumico (4.5% HF, 95.5% de H2O) Equipo de corte (sierra Sandflex)

2.4.2. INSTRUMENTOS:

Balanza digital (precisin 1 gr.) Calibrador (precisin 0.01mm.)

2.4.3. EQUIPOS:

2.4.3.1. Horno electico de Mufla (Temperatura mxima: 1200C y 5.5 KW/h)

2.4.3.2. Microscopio LEICA (hasta 500X) 2.4.3.3. Durmetro INDENTEC

2.4.3.4. Cmara digital LEICA:

2.5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

2.5.1. Obtener los materiales: 2 kilogramos de aluminio puro cortado y 2 kilogramos de Aluminio pistn (Aleacin Al-Si).

2.5.2. Preparar una mezcla de arena sinttica que contenga aproximadamente 93% de arena de slice, 4% de arcilla y 3% de agua.

2.5.3. Vamos a moldear la pieza, con la arena preparada dentro de un molde de madera.

2.5.4. Una vez construido el molde de arena, se coloca el aluminio puro y el aluminio silicio en un crisol uno continuado del otro en el horno de Mufla a una temperatura de 750C.2.5.5. Obtener una muestra representativa de cada lingote2.5.6. Desbastar y pulir con papeles abrasivos: N 80, 100, 180, 220, 320, 400, 600, 800, 1000 y 2000 una tras otra.

2.5.7. Medir dureza de las dos muestras en el durmetro.

2.6. ANLISIS MICROESTRUCTURAL:

aluminio puro

ab

Figura 2.4. Fotomicrografa de aluminio puro fundido a 750 C, su microestructura consta de dendritas y xidos, Dureza 42.74 HB, sin ataque qumico a) 200X b) 500X

aluminio silicio abFigura 2.5. fotomicrografia de Microestructura de la aleacin aluminio Silicio fundido a 750C, Presenta una zona gris en forma de agujas son zonas dendrticas con pequeos cristales de Silicio y una zona clara es eutctica binaria Al Si, Dureza 75.05 HB, ataque qumico de 95.5% de H2O + 4.5% HF, a) 50X b) 200X

2.7. CALCULOS DE LABORATORIO:2.7.1. El % de contraccin slida: 2.7.1.1. Para el Al (puro):

D. menor (modelo) = 4.56cmD. menor (pieza) = 4.465cm

2.7.1.2. Para la aleacin Al Si: D. menor (modelo) = 4.56cm D. menor (pieza) = 4.493cm

2.7.2. El % de contraccin volumtrica:

2.7.2.1. Para el Al (puro):

Masa(Al) = 222gDensidad =2.69g/cm3

% de contraccion volumetrica = 7.79% 2.7.2.2. Para la aleacin Al Si:

Masa (Al Si)= 234g Densidad = 2.69g/cm3

materialcontraccin slidacontraccin volumtrica

aluminio2.13%7.79%

Aluminio - silicio1.49% 5.52%

2.7.3. Medicin de dureza: piezacargadureza

aluminio-silicio60.5 Lb75.07 HB

aluminio60.5 Lb42.74 HB

2.8. CONCLUSIONES

Concluimos que en el aluminio puro existe mayor porcentaje de contraccin (7.79%), que la aleacin aluminio silicio (5.52%). La aleacin aluminio silicio tiene mayor dureza que el aluminio puro lo que lleva a concluir en que el silicio mejora las propiedades mecnicas del aluminio. El aspecto fsico de la aleacin aluminio-silicio tiene ms brillo que el del Aluminio puro. El lingote Al-Si presenta menos rechupes y menor porcentaje de contraccin que el lingote de aluminio debido a que el silicio reduce el porcentaje de formacin de rechupes en el material.

INFORME 03

3.1. TTULO: FABRICACION, OBTENCIN Y RECONOCIMIENTO MICROESTRUCTURAL DE ALEACIONES NO FERROSAS BASE COBRE: 95%Cu - 5%Sn, 90%Cu - 10%Sn, y SAE 40: 85%Cu - 5%Sn - 5%Zn - 5%Pb

3.2. OBJETIVOS: Conocer los mtodos de fabricacin de las aleaciones no ferrosas (Pb - Sn). Obtener aleaciones no ferrosas binarias de tipo Hipoeutecticas, eutcticas e hipereutctica. Reconocer microestructuralmente las estructuras de las aleaciones fabricadas (Pb - Sn). Aprender un mtodo que permita calcular el porcentaje en peso, de las fases presentes en la aleacin de Pb Sb.

3.3. FUNDAMENTO TEORICO:Si bien pocos metales se utilizan en forma pura o casi pura, es verificable la utilizacin de algunos de ellos en su forma casi pura. Por ejemplo el cobre con una pureza de 99,999% se usa en cables elctricos 3.3.1. ALEACIN: Combinacin de dos o ms elementos que en estado slido mejoran las propiedades mecnicas, fsicas y metalrgicas del elemento base. Constituyentes de las aleaciones.

Figura: N 3.1MATERIALES, 4 edicin, Canad, 2005. Mecanismos de (a) difusin intersticial y (b) difusin sustitucional. En la sustitucin, el tomo se mueve a una vacante considerada normalmente como una posicin atmica sustitucional y no como una posicin intersticial. Fuente: Donald r. Askeland ciencia e ingeniera de los aceros.En las soluciones solidas intersticiales, el solvente es siempre el elemento que conforma la red, mientras que el soluto ocupa las posiciones intersticiales de esta red. El tamao atmico no es el nico factor que determina si se formara una solucin solida intersticial o no, los tomos de soluto intersticial de tamao pequeo se disuelven con mayor facilidad en los metales de transicin que en otros metales. Se ha encontrado que el carbono es tan insoluble en los metales que no son de transicin que con frecuencia se utilizan en crisoles de grafito y arcilla para fundirlos.

3.3.2. SOLUCIONES SOLIDAS SUSTITUCIONALES: Si los elementos que conforman la solucin solida sustitucional pertenecen a distinto tipo de red cristalina, examinando la red de la solucin solida se determina fcilmente quien es el solvente. As pues, en una aleacin formada por 40% en peso de nquel y 60% en peso de cromo, a pesar que el nquel se encuentra en menor proporcin, este elemento es el solvente y el cromo es el soluto, es decir, es una solucin solida de cromo en nquel, esto porque la solucin solida formada es FCC como la del nquel y no como la del cromo que es BCC. Si los dos elementos metlicos tienen el mismo tipo de red cristalina, se considera como solvente el de mayor porcentaje atmico. Figura: N 3.2Mecanismos de una solucin solida limitada que presenta el zinc. Fuente: DONALD R. ASKELAND CIENCIA E INGENIERIA DE LOSMATERIALES , cuarta edicin, CANADA, 2005.

3.3.3. COBRE Y ALEACIONES BASE COBRE: 3.3.3.1. CobreLas propiedades del cobre ms importantes son la alta conductividad elctrica y trmica, buena resistencia a la alta conductividad elctrica y trmica, buena resistencia a la corrosin, maquinabilidad, resistencia y facilidad de fabricacin. Adems, el cobre es no-magntico, tiene un color atractivo, y puede ser soldado, con latn, estao. Algunas de estas propiedades bsicas pueden mejorarse mediante una aleacin adecuada. La mayor parte del cobre que se utiliza para conductores elctricos contiene 99.999% de cobre y se identifica ya sea como cobre electroltico resistente al depsito de grasa (tpico del cobre) (ETP) o como cobre libre de oxigeno de alta conductividad (OFHC). El cobre electroltico tambin se utiliza en materiales para techos albaales, tuberas, radiadores y empaques para automviles, teteras, cubas, recipientes de presin en equipos para destilera y otros procesos. El cobre electroltico contiene de 0.02 a 0.05% de oxgeno, el cual se combina con el cobre en forma de compuesto xido cuproso (Cu2O). El cobre libre de oxigeno se utiliza en tubos electrnicos o aplicaciones similares por que logra un sello perfecto con el vidrio. Figura: N 3.3Cable elctrico de cobre. Bobina de alambre desnudo. Fuente: Duque Jarmillo, Jaime et al (2007). , cuarta edicin, MEXICO, publicado en wikimedia, 2008.

3.3.3.2. BronceLas aleaciones en cuya composicin predominan el cobre y el estao (Sn) se conocen con el nombre de bronce y son conocidas desde la antigedad. Hay muchos tipos de bronces que contienen adems otros elementos como aluminio, berilio, cromo o silicio. El porcentaje de estao en estas aleaciones est comprendido entre el 2 y el 22 %. Son de color amarillento y las piezas fundidas de bronce son de mejor calidad que las de latn, pero son ms difciles de mecanizar y ms caras. 3.3.3.2.1. Propiedades de los bronces: Exceptuando el acero, las aleaciones de bronce son superiores a las de hierro en casi todas las aplicaciones. Por su elevado calor especfico, el mayor de todos los slidos, se emplea en aplicaciones de transferencia del calor.

Densidad: 8,90 g/cm. Punto de fusin: de 830 a 1020 C Punto de ebullicin: de 2230 a 2420 C Coeficiente de temperatura: 0,0006 K-1 Resistividad elctrica: de 14 a 16 /cm Coeficiente de expansin trmica: entre 20 y 100 C, > 17,00 x 10-6 K-1 Conductividad trmica a 23 C: de 42 a 50 Wm-1 Propiedades mecnicas: Elongacin: