© Libro No. 365. Introducción a la
Metalografía Práctica. Anon. Colección Emancipación
Obrera. Enero 5 de 2013.
Título original: © Anon. Introducción a la Metalografía Práctica.
Versión Original: Anon. Introducción a la Metalografía Práctica.
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Portada e Ilustración E.O.
© Edición, reedición y Colección Biblioteca Emancipación:
Guillermo Molina Miranda
Introducción a la Metalografía Práctica
CONTENIDO
PROLOGO......................................................................... 7
INTRODUCCIÓN................................................................ 9
CONCEPTOS
PRELIMINARES...................................... 9
La estructura
de grano poliédrico.............................. 9
Cristales metálicos......................................................... 10
Mezclas de
cristales o fases........................................ 11
Diagramas de
equilibrio................................................. 12
PREPARACIÓN
DE LAS PROBETAS........................ 14
Desbaste.............................................................................. 14
Pulido................................................................................... 15
Ataque.................................................................................. 16
EXAMEN
MICROSCÓPICO.......................................... 18
ESTRUCTURA DE
LAS PROBETAS........................... 20
I.-
ESTRUCTURAS MONOFÁSICAS OBTENIDAS POR MOLDEO................................................................................................ 20
a) METAL PURO:................................................................ 20
b) SOLUCIÓN SÓLIDA....................................................... 22
c) COMPUESTO................................................................... 25
II.
ESTRUCTURAS BIFÁSICAS FORMADAS AL SOLIDIFICAR................................................................................................ 26
a) EUTÉCTICO..................................................................... 26
b) PERITÉCTICO................................................................. 29
III.
TRANSFORMACIONES EN ALEACIONES SÓLIDAS 32
a) PRECIPITACIÓN. ESTRUCTURAS WIDMANSTÁTTEN 32
b) REACCIÓN EUTECTOIDE............................................ 39
IV.- EFECTO
DE LA DEFORMACIÓN. MATERIALES CONFORMADOS................................................................ 53
a) MATERIALES MONOFÁSICOS.................................... 53
b) ALEACIONES BIFÁSICAS............................................. 59
APENDICE I –
Reactivos de ataque............... 63
Las probetas de este curso se han seleccionado de manera que
representen, de forma concisa, los hábitos
microestructurales de los metales. En el presente libro se desarrolla una
clasificación simple de estructuras, basada principalmente en el modo de
formarse. Como base de esta clasificación, se describe la naturaleza de los
procesos de cristalización más adecuados, y se introducen algunos conceptos
preliminares; el curso resulta así, aunque en un nivel elemental, bastante
completo. Lo que se aprecie de breve y simple, es intencionado; se ha creído
que la mejor aproximación a cualquier tema, es la que se hace por medio de una
exposición fácilmente asimilable.
Sin embargo, al preparar esta edición, se pensó que se lograría una perspectiva mas
amplia si es expusieran los principios generales en forma algo más extensa y,
desde luego, más gráfica; lo cual sería, además, útil no solo como lectura
inicial, sino como referencia posterior. Este es el contenido del libro que
hace pareja con el que se está presentando, y que se titula "El
significado de la microestructura en los metales", ilustrado con más de
cien fotografías.
Aunque este último volumen
trata conceptos básicos, se decidió conservar en el presente librito aquellos
aspectos también básicos que ya contenía—aún a riesgo de repetir algo—con
objeto de mantener el esquema esencial de un trabajo que ya está siendo
ampliamente utilizado.
El texto del presente libro permanece, por lo, tanto, substancialmente
inalterado excepto por lo que se refiere a alguna pequeña ampliación de ciertos puntos, y a la inclusión
de varios dibujos (apuntes de estructuras). Se ha resistido la tentación de
incluir fotografías en este manual práctico, por creer que así se frustraría el
propósito del mismo como manual didáctico. Al iniciarse en la metalografía, el
apunte dibujado de las estructuras básicas ayuda a un claro entendimiento de
los rasgos esenciales de éstas. Por eso se han conservado como ilustraciones
del texto para representar las características principales de cada probeta. Sin
embargo, como muchas de las fotografías que ilustran el otro volumen
representan precisamente verdaderas microestructuras de probetas de esta
colección, se hará referencia a ellas para ofrecer el aspecto real de lo que se
representa en los dibujos.
El propósito de estos
ejercicios es ofrecer un curso de metalografía simple pero completo. Está
pensado para aquellos que siguen cursos de introducción a la Metalurgia, o para
ingenieros, u otros profesionales, que necesiten una introducción concisa a la
microestructura de los metales. Suponen, además, una útil recopilación de la
morfología cristalina de los materiales en general, que así se estudian y
comprenden con mayor amplitud.
Las estructuras se ha clasificado, según su formación, en una serie de grupos lógicos,
proporcionándose probetas típicas para cada grupo.
Aunque es verdad que cualquier proceso de cristalización origina estructuras variadas, las
características generales son análogas en todos ellos. Sin embargo, se ha
evitado en el presente curso el empleo de gran número de ejemplos, pues, si se
trabajase con demasiadas ' probetas, no se podría destacar claramente el
esquema general de su comportamiento.
Por análoga razón se
ha limitado, intencionadamente, la información teórica, ya que ésta debe
obtenerse en las clases generales o por estudio. No obstante, tanto en este volumen como en su pareja, se da suficiente información básica para que el curso
resulte completo en sí mismo.
Después de que se
hayan asimilado en el presente curso los principios generales de las
microestructuras, pueden estudiarse sistemas aleados seleccionados, así como
los efectos de varios tratamientos térmicos sobre las microestructuras y las
propiedades mecánicas. Esto puede hacerse, por ejemplo, trabajando con las
otras colecciones de Probetas Metalográficas Comentadas que se relacionan en el
Apéndice II.
CONCEPTOS PRELIMINARES
La estructura de grano poliédrico.
El modelo básico de la
microestructura de los metales es la disposición en celdillas de los granos
poliédricos o cristales. El tamaño de estos granos oscila entre varios
centímetros y la centésima de milímetro, aproximadamente, según el estado del
metal.
En su forma más simple, la
estructura tiene su origen en que, en cada grano, la disposición de los átomos
es esencialmente regular, pero la orientación relativa de esta disposición
varía de un cristal a otro. Este cambio de orientación es brusco; la transición
tiene lugar límites de grano o de cristal.
Debido a esta diferencia en la orientación atómica, cuando una superficie, adecuadamente
preparada por pulido, se ataca, los distintos granos se atacan de forma
diferente y, como consecuencia, se manifiestan individualmente a simple vista o
bajo el microscopio.
La aludida estructura de grano o cristal poliédrico, es una consecuencia de que los cristales se
forman, normalmente—tanto si se originan del estado líquido, como del estado
sólido— a partir de un número de núcleos o centros de cristalización, cada uno
de los cuales tiene diferente orientación atómica, para llegar, finalmente, al
metal policristalino. La forma los llamados cristales alotriomórficos es, por
tanto, una consecuencia de este crecimiento múltiple y en diferentes
direcciones. Según el proceso de su formación, los granos pueden tener, como se
verá en las probetas, una forma alargada o una más regular, es decir,
equiaxial.
Cristales metálicos
En los metales se encuentran tres tipos de fases cristalinas. En primer
lugar, hay cristales de metal puro que se encuentran en los metales
elementales o básicos y que,
prescindiendo de las impurezas, solamente contienen una clase de átomos. Los
otros dos tipos son soluciones sólidas y compuestos intermetálicos, y se
encuentran en las aleaciones.
Las fases que son soluciones sólidas, conservan la disposición atómica del metal
base (o disolvente), pero incorporan átomos de otros metales (solutos) a
aquella disposición. Como la mezcla íntima tiene lugar a escala atómica, los
diferentes metales que están presentes no pueden distinguirse por examen
microscópico. Así, la microestructura de una solución sólida aparece como la de
un metal puro, es decir, formada por granos poliédricos, aunque, en ciertas
condiciones, puede apreciarse en los cristales de solución sólida alguna falta
de homogeneidad en su composición.
En muchos sistemas aleados pueden encontrarse nuevos constituyentes,
para ciertas composiciones fijas o entre ciertos límites de composición. Estos constituyentes,
conocidos como fases intermedias o compuestos intermetálicos, presentan
disposiciones atómicas diferentes de las de los metales base y, por lo tanto,
las propiedades de estos compuestos pueden ser notablemente diferentes de las
de los metales componentes.
Si se limita el estudio a las aleaciones binarias, pueden hacerse tres
grupos desde el punto de vista de su comportamiento al alearse:
(1) Solubilidad completa en estado sólido. Para
cualquier composición, el sistema
está constituido por una solución sólida.
(2) Solubilidad parcial en estado sólido. Cada
metal disuelve una limitada cantidad del otro. En composiciones comprendidas
entre los límites de sus
mutuas solubilidades, se forma una mezcla de dos soluciones sólidas.
(3) Posibilidad de formar uno o más
compuestos. En este caso
también son, por
regla general, parcialmente solubles entre sí en estado sólido los dos
metales base. Por lo tanto, algunas de las aleaciones constarán solamente de una u otra de las soluciones sólidas terminales, mientras que otras estarán
formadas solamente por un compuesto. En
composiciones intermedias habrá
mezclas de solución sólida y compuesto, y, cuando pueda formarse más
de un compuesto, algunas
aleaciones estarán constituidas
por mezclas de dos compuestos.
La forma que en cada caso adopte una mezcla de fases dependerá de las reacciones que tengan lugar durante la solidificación o, una vez en el estado sólido, durante el
enfriamiento subsiguiente.
También dependerá del
trabajo y del tratamiento térmico a que se haya sometido posteriormente el metal. No obstante, en tales estructuras aún es posible apreciar, con frecuencia, un trazado de granos poliédricos.
Cuando una aleación
contiene dos o mas fases, hay entre éstas límites bien definidos que se conocen
como limites de fase, para distinguirlos de los limites de grano que
representan, por su parte, las superficies de contacto de los granos de la
misma fase.
En estructuras que contienen mas de una fase, se encuentra que,
normalmente, al atacar, las fases se afectan con distinta intensidad según la naturaleza del reactivo de ataque. Esto
contribuye, con frecuencia de forma notable, a poner de manifiesto la
microestructura.
En los sistemas aleados, la variación de la naturaleza y condición de las fases con la
temperatura y con la composición, se representa gráficamente por los diagramas
de equilibrio, que se conocen también como diagramas de constitución. Se
refieren estos diagramas a las
condiciones de equilibrio químico
que se alcanzan a cualquier temperatura, cuando las fases presentes son
homogéneas y de la composición debida. La regla de las fases establece que, en
el equilibrio, ninguna aleación dada puede contener más fases que metales
entran es su composición; excepto a ciertas temperaturas fijas a las que es
posible una fase más. En este último caso, sin embargo, una de las fases, por
lo menos, debe desaparecer al cambiar la temperatura.
En la práctica, las
aleaciones no suelen alcanzar el estado de equilibrio. No obstante, este estado
de equilibrio es precisamente la base sobre la que deben discutirse las
estructuras, y estimarse lo que pueda faltar para alcanzarle.
En este curso estaría
fuera de lugar considerar con gran detalle el equilibrio entre distintas fases.
Sin embargo, se deben relacionar las estructuras con las formas características
de los diagramas de equilibrio. Así, las reacciones entre fases que tienen
lugar durante la solidificación o, posteriormente, en las aleaciones en estado
sólido, se representan por la porción correspondiente del diagrama de
equilibrio del sistema en estudio, y los aspectos generales del equilibrio
entre fases se discuten con más detalle en el otro volumen.
Debe hacerse notar que, aunque un diagrama de equilibrio señala la temperatura a la cual teóricamente debería
iniciarse determinada reacción o cambio, en la práctica el metal debe
subenfriarse, más o menos, antes de que se produzca una reacción apreciable. Un
retraso análogo ocurre, para el proceso inverso, al calentar.
La superficie de las probetas está, generalmente, en condiciones de pasarla
directamente por los papeles de abrasivo (carborundo, SiC), lubricando con agua
o con par afina. Pero antes de hacer esto conviene quitar con lima fina o con
papel abrasivo de grano grueso, cualquier rebaba que pudiera haber quedado en
el borde de las probetas.
Lo mejor es pasarla, sucesivamente, por toda la serie normal de papeles,
empezando con los números o tipos
240 ó 320, y acabando con el 600.
Los papeles se mantienen planos sobre una superficie adecuada, y la
probeta se frota en ellos apoyándola
por la cara a desbastar, moviéndola hacia adelante y hacia atrás, en la misma
dirección, hasta que solo se observen, en toda su superficie, marcas de
desbaste correspondientes al papel de que se trate. Es recomendable insistir
aún un poco, una vez que hayan desaparecido las marcas del abrasivo anterior,
con objeto de eliminar cualquier deformación más profunda que pudiera haberse
producido durante alguna operación anterior. Esta precaución es especialmente
importante en los metales blandos.
La dirección de desbaste
se cambia al cambiar el papel, para poder observar con mayor facilidad la
desaparición de las marcas a que se ha aludido anteriormente. Además, debe
aumentarse el tiempo en exceso sobre cada papel a medida que se pasa a papeles
más finos.
Si se utilizan unidades de desbaste bien construidas, que disponen de
caudal de agua suficiente, la probeta no necesita limpiarse entre papel y
papel. Sin embargo, si no se emplea ningún dispositivo especial, y los papeles se disponen
sobre una superficie plana lubricados solo con algo de agua o parafina, la
probeta debe limpiarse cuidadosamente al terminar cada fase.
Acabada toda la serie de desbastes, y después de bien lavada y seca, la probeta está lista
para el pulido y, finalmente, el ataque. Aunque se van a especificar para cada
probeta las recomendaciones oportunas para su pulido y ataque, se incluyen aquí
las siguientes ideas generales.
Casi todo el pulido se hace sobre discos susceptibles de girar,
cubiertos con un paño adecuado
(Metrón B, por ejemplo). Ahora está muy extendido el empleo de pastas con
diamante como agente de pulido; se emplea mucho la pasta de 1 µ de tamaño
de partícula, pero el tiempo total de pulido se acorta considerablemente
empezando con la de 7 o con la de 3 µ. Generalmente es mejor utilizar el
lubricante recomendado por los propios fabricantes de las pastas, porque
contiene, además, una sustancia que mantiene sueltas las partículas de diamante
y con su máxima capacidad de corte. El paño debe mantenerse bien lubricado.
No obstante, como se indica mas adelante, los productos líquidos que existen en el comercio para el pulido
de metales (tales como el Bluebell), son también adecuados para una serie de
metales no férreos, siempre que no contengan partículas o fases duras que
puedan dar lugar a cierto relieve en la superficie. En este último caso debe
preferirse el diamante, porque reduce al mínimo el relieve que pueda producirse
durante el pulido. Cuando se empleen estos líquidos comerciales "pule
metales", deben aplicarse al paño en gran cantidad; en ningún caso se
dejará secar la probeta durante la operación.
La probeta debe mantenerse en firme contacto con la rueda o disco de
pulido, evitándose, sin
embargo, una excesiva presión. Durante el pulido debe girarse la probeta, o
moverse alrededor del disco, para obtener un pulido uniforme.
Aunque con las pastas de diamante, o con los líquidos "pule metales" del comercio, se
puede llegar a una superficie satisfactoria para la observación o examen de
rutina, para preparaciones de gran calidad se necesita un pulido más fino. Con
este objeto puede emplearse o una pasta acuosa de magnesia fina, o una
suspensión acuosa de alúmina gamma (alúmina fina). A veces es conveniente
añadir al agua una pequeña cantidad de la solución recomendada para el ataque.
Este pulido puede hacerse a mano, sobre un paño fijo que se guarda en una caja
a propósito. Si no se dispone de discos, el pulido basto puede nacerse con una
especie de muñequilla aunque, naturalmente, exige más tiempo.
Como alternativa al pulido mecánico, puede emplearse el pulido electrolítico, en
cuyo caso deben seguirse las instrucciones del constructor del aparato. Se
recomienda, sin embargo, que las probetas del presente curso de introducción se
preparen por pulido mecánico, dejando el electrolítico para trabajos
posteriores.
Antes de atacar, es esencial comprobar que la superficie de la probeta
está desengrasada y
limpia. Si en el pulido final se hubiese empleado magnesia o alúmina, un
intenso lavado, seguido de secado con acetona o alcohol, dejará una superficie
adecuada sobre la que ya no se debe volver a poner los dedos.
Por otra parte, si la probeta va a ser atacada después de pulida con pasta de diamante o con líquido
"pule metales", la superficie debe limpiarse cuidadosamente con
algodón empapado en alcohol o, mejor aún, en acetona; a pesar de ello, la
superficie puede no quedar perfectamente desengrasada. Si se sospechase que aún
pudiera quedar algo de grasa, deberá desengrasarse, pasándola finalmente,
durante unos momentos sobre un paño húmedo con magnesia o alúmina, seguido de
un intenso lavado y secado.
A menos que se especifique otra cosa, el ataque debe hacerse por inmersión. La probeta debe sumergirse con la cara pulida
hacia arriba en una cápsula pequeña que contiene la solución de ataque, cuya
solución se hace girar suavemente durante el tiempo de inmersión. La probeta no
debe sujetarse con las pinzas durante el ataque.
En las notas que siguen, se indica el tiempo de ataque adecuado. Sin
embargo, conviene siempre observar la superficie durante el ataque, sacando la
probeta tan pronto como se aprecie la aparición de granos. El examen microscópico dirá si la
intensidad del ataque es suficiente.
Posteriormente, se puede seguir atacando para revelar los detalles con la
intensidad requerida.
Después de cada
ataque, la probeta debe lavarse cuidadosamente en agua corriente (a ser posible
caliente), para terminar lanzando un chorro de alcohol o acetona sobre la
superficie, drenando el exceso de éstos apoyando la probeta verticalmente sobre
un paño. Para mejor terminar de secarla, se la coloca en la corriente de aire
caliente de un secador de pelo, u otro aparato análogo.
Antes de poner la probeta bajo el microscopio, conviene asegurarse de
que no está húmeda ni en
la parte inferior ni en los lados; ambos se pueden secar con un paño o papel
absorbente de laboratorio, pero sin tocar la superficie preparada para la
observación.
Se ha hecho referencia a deformaciones profundas—bajo la superficie— producidas durante el corte o
durante el desbaste. Cuando se trata de metales duros, pueden no acusarse estos
efectos, aunque siempre vale la pena volver a pulir y a atacar con objeto de
marcar mejor los detalles de la verdadera estructura. Esto es recomendable
incluso después de un cuidadoso desbaste seguido de pulido con diamante.
En metales más blandos, la
estructura puede aparecer confusa por la visible evidencia de esta deformación.
Además, con metales muy blandos y de bajo punto de fusión, se puede producir
recristalización en la capa superficial deformada, cuya capa es prácticamente
imposible de evitar en tales metales. Como consecuencia, la verdadera
estructura está enmascarada por una capa superficial de nuevos cristales. En
tales casos, para obtener la verdadera estructura, es necesario repetir varias
veces las operaciones de pulido y ataque. Estas precauciones no son muy
necesarias en la serie de probetas que se va a comentar, pero en las
correspondientes notas se advierte cuándo es conveniente tenerlas en cuenta.
Es siempre una buena práctica
examinar las probetas primero en el estado pulido, ya que ciertos hechos, tales
como la presencia de inclusiones, grietas, porosidad, etc.., se revelan así
mejor, y su examen, en este estado, ayuda a la interpretación final. Sin
embargo, en las notas que siguen, en las que importa principalmente el aspecto
estructural básico, solamente se hace referencia al examen de la probeta en el
estado pulido cuando éste tiene relación directa con el tipo de estructura que
se está estudiando. Así, aunque con frecuencia hay porosidad presente en los
materiales moldeados, este hecho generalmente no se menciona en las notas
particulares de cada probeta; sin embargo, en el hierro pudelado, por ejemplo,
donde las fibras de escoria son una parte integrante de la estructura, se llama
la atención de su aspecto en el estado pulido.
Si la probeta se hubiese montado en un material plástico (bakelita o PVC), puede colocarse
directamente sobre la platina del microscopio. Las probetas sin montar, aunque
estén casi niveladas, es mejor fijarlas a un portaobjetos de vidrio o metal por
medio de plastelina o plasticina. La superficie preparada para ser observada,
se nivela con un dispositivo adecuado.
Las anteriores observaciones son aplicables a los microscopios de
sobremesa normales. Si se emplease un microscopio invertido, se colocaría simplemente la probeta sobre la platina, con la
cara a observar hacia abajo, habiendo previamente seleccionado el disco de
apoyo con el orificio adecuado. Normalmente no es necesario sujetar la probeta
con el resorte de la platina, si no se van a tomar fotografías.
El procedimiento correcto para realizar un examen, es empezar a pocos
aumentos, con objeto de obtener una perspectiva general, y después seguir observando, sucesivamente, a cada vez
mayores aumentos para poder resolver los detalles más finos. Al enfocar, la platina y el objetivo se acercan lentamente y, cuando aparece la imagen,
se termina de enfocar con el ajuste fino.
No se debe pensar que es suficiente examinar unos o dos campos se la
superficie; por el contrario, debe recorrerse ésta con cuidado, y examinar con particular
atención las estructuras que aparezcan junto a cualquiera de las superficies
externas (bordes) de la probeta.
Debe siempre tenerse presente que la estructura de una probeta
determinada tiene tres dimensiones, y que la superficie preparada es la imagen
bidimensional en el plano de la sección pulida. Este hecho no debe olvidarse al
interpretar la disposición de cualquier configuración particular.
Notas:
(I) Los apuntes (dibujos) indican claramente los principales rasgos
estructurales que se van a encontrar en las probetas. Pero, por ser dibujos de
línea, no siempre
dan una idea correcta de las distintas tonalidades y, en algunos casos, la
representación ha tenido que ser necesariamente esquemática. No obstante, en el
otro volumen se incluyen fotomicrografías correspondientes a algunas de las
probetas de esta serie, lo cual se indica por la letra (F) al final del título
de la probeta.
(II) En el Apéndice I se dan
detalles completos de las soluciones de ataque recomendadas.
I.- ESTRUCTURAS MONOFÁSICAS OBTENIDAS POR MOLDEO
Probeta X1—Cinc puro, moldeado en arena
Pulir con líquido de pulir
metales (Bluebell, por ejemplo), sobre paño Metrón B.
Atacar frotando con algodón
empapado en ácido clorhídrico al 50%, hasta que aparezca la estructura a simple
vista.
Estructura: Cristales
(granos) radiales, columnares, relativamente largos. Los granos presentan
brillo variable según su
orientación. No se necesita examen microscópico en esta probeta.
Esta estructura es típica
de todos los metales puros en estado moldeado; el tamaño de los cristales
aumenta con el del molde y con la temperatura del metal fundido en el momento
de la colada.
Probeta X1A—Cinc
impuro, moldeado en arena
Pulir y atacar como la X1.
Estructura: La mayor parte
de la estructura está compuesta por cristales de
forma más regular—llamados
equiaxiales—que se han
formado a expensas de los granos
columnares. En esos cristales pueden apreciarse ciertas formas que se discutirán más adelante.
La presencia de impurezas solubles o de elementos de aleación da lugar, con frecuencia, a la formación de
granos equiaxiales en el centro de la pieza moldeada, o incluso en toda su
sección como se representa en el dibujo. Como son muchos los factores que
deciden hasta donde se puede extender el crecimiento equiaxial, es difícil
predecir o asegurar la reproducibilidad
a este respecto. Así, en las
probetas que siguen, obtenidas por moldeo, la disposición general de los granos
puede ser completamente columnar, completamente equiaxial, o mostrar una
combinación de ambas formas.
Nota: Si la estructura en cualquiera de las probetas X1 y X1A, no
estuviera clara después del primer
ataque, debe de volverse a pulir y atacar hasta conseguir una preparación
satisfactoria.
Probeta X2—Aleación
cobre-estaño (4% Sn), moldeada en arena.
Pulir primero con Bluebell, o con pasta de diamante sobre paño Metrón B, y acabar con alúmina fina suspendida
en agua amoniacal (agua con unas gotas de solución de amoníaco al 5%), sobre
paño Metrón B.
Atacar durante un minuto en solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructura: Se aprecian a
simple vista granos columnares de brillo variable. El examen microscópico también pone de manifiesto diferencia de
tonalidad entre los distintos granos. En el presente ejemplo los límites de
grano aparecen como finas líneas negras que siguen trayectorias irregulares.
Además, dentro de los granos puede observarse como un esqueleto en contornos
oscuros. Esto representa el fenómeno de "coring", o falta de
homogeneidad en la composición; es decir, en este caso una desigual
distribución del estaño en el cobre.
Esta falta de homogeneidad, o "coring", que representa un
estado de no equilibrio, se observa con frecuencia en las soluciones sólidas obtenidas por moldeo, y es una consecuencia
de la especial y selectiva cristalización que experimentan. Si la probeta X1A
se pule con cuidado (terminándola en alúmina fina), y se ataca después durante
un minuto aproximadamente en nital al 2% (solución de ácido nítrico en alcohol,
al 2%), el examen microscópico revelará falta de homogeneidad (coring) debido a las impurezas. Es esto
precisamente lo que produce los contornos oscuros en los granos después de un
ataque intenso con ácido clorhídrico, según se ha dicho ya anteriormente.
Cualquier línea o banda que se pueda ver en los granos durante el examen
microscopio de la probeta XI A, representa una banda de deformación que
solo puede hacerse desaparecer por repetidos pulidos y ataques.
Nota: La falta de homogeneidad en las soluciones sólidas (coring),
se puede poner bien de manifiesto en las aleaciones de cobre atacándolas con
una solución acuosa amoniacal de peróxido de hidrógeno (véase Apéndice I).
Probeta X3—Aleación
cobre-estaño (4% Sn), moldeada en arena. Recocida a 700 ºC durante dos horas.
Pulir y atacar como la X2.
Estructura: Similar a la de
la X2, pero los granos aparecen homogéneos (no presentan "coring"). El
recocido ha permitido que los granos se homogenicen con respecto a su
composición, siendo ahora la microestructura similar a la de un metal puro.
Nota: Las probetas X2 y X3 pueden mostrar, al atacar, bandas o marcas,
como consecuencia de una deformación
profunda durante el corte o el desbaste. Si se observasen en los granos líneas
aproximadamente paralelas, vuélvase a pulir y a atacar hasta que desaparezcan.
Probeta X4—Aleación
52% de Cobre/48% de cinc, moldeada en arena (F).
Pulir y atacar como la X2. Son muy difíciles de evitar las rayas que aparecen en la
preparación final, aunque puedan reducirse por un buen pulido con diamante o
hacerlas desaparecer por completo por pulido electrolítico.
Estructura: Cristales
columnares, relativamente grandes, del compuesto que representa la fase (ü. Los cristales están bien diferenciados y los
límites de grano son lineales. Cada grano es uniforme en su aspecto. Aunque es
posible la falta de homogeneidad en algunos cristales de este tipo, no se
presenta en los de esta probeta. Esta estructura básica es poco probable que se
encuentre en los materiales que se emplean en la práctica.
II. ESTRUCTURAS BIFÁSICAS FORMADAS AL SOLIDIFICAR
a) EUTÉCTICO
La reacción eutéctica
representa la forma sencilla por la que dos o más constituyentes se disponen
juntos durante la solidificación. Durante esta reacción en una aleación
binaria, crecen, a una temperatura constante, dos tipos de cristales o dos
fases distintas—simultáneamente, e interpuestos—para dar una gran variedad de
formas características.
Las aleaciones a la izquierda o a la derecha de la composición eutéctica, separan cristales primarios de la
fase en exceso antes de que tenga lugar la reacción eutéctica.
Probeta X5—Aleación
eutéctica, cobre/8,4% fósforo, moldeada en arena.
Pulir como la X2. La superficie, una vez pulida, aparecerá iridiscente.
Atacar durante 30 segundos en solución acuosa de
cloruro férrico.
Estructura: A simple vista
se aprecian granos, con frecuencia columnares. El examen microscópico revela que estos granos están compuestos de
colonias de estructura eutéctica fina, siendo necesario examinarla a grandes
aumentos para poder resolverla adecuadamente. Cristales ricos en cobre
(solución sólida a) y cristales de
fosfuro de cobre, han crecido entrelazados, en forma aparentemente laminar, con
tendencia a desarrollarse radialmente en cada colonia, haciéndose, con
frecuencia, más grosera, esta estructura en las proximidades de los límites de
la colonia. Los cristales ricos en cobre aparecen oscuros o pardos por atacarse
preferentemente por el reactivo, mientras que el fosfuro de cobre aparece
blanco. A veces se observan cristales aislados bien de fosfuro de cobre, o bien
de solución sólida a.
Probeta X6—Aleación
hipoeutéctica, cobre/4,5% de fósforo, moldeada en arena (F)
Pulir como la X2.
Atacar durante 40 segundos, aproximadamente, en solución acuosa de cloruro férrico. La probeta se
oscurece mucho durante el ataque.
Estructura: A simple vista
no se aprecia una disposición
general de los granos. Como esta aleación contiene un exceso de cobre con
relación a la composición eutéctica (es decir, es de composición
hipoeutéctica), se han separado cristales ricos en cobre (fase a), además del eutéctico que aparece en forma
claramente más grosera que en la probeta X5. Las zonas del eutéctico están
rodeadas por una franja de fosfuro de cobre.
Los cristales ricos en cobre (fase a) contienen una cantidad relativamente pequeña de fósforo en solución sólida. No son homogéneos
(presentan "coring") y su tonalidad varía del marrón claro al marrón
oscuro. Estos cristales fueron los primeros en formarse y crecer en la masa
fundida y se desarrollaron con la forma o esqueleto dendrítico característico.
De hecho, la forma dendrítica no está bien desarrollada, y los cristales son
mas bien de formas redondeadas. Algunos, que aparecen aislados y con contornos circulares,
representan zonas donde el plano de la superficie que se está observando cortó
brazos de dendritas.
Probeta X7—Aleación
hipereutéctica, cobre/10,5% de fósforo moldeada en arena.
Pulir como la X2.
Atacar durante varios segundos son una solución, recién preparada, que contenga 2 partes agua/1
parte de amoníaco, densidad = 0’880/1 parte de peróxido de hidrógeno de 20
volúmenes.
Estructura: Se obtiene la
imagen inversa de la X6, en el sentido de que aparecen dendritas de brazos
redondeados de fosfuro de cobre en un campo eutéctico. Las dendritas—que aparecen blancas—parecen
estar más desarrolladas que las de la probeta X6. Sin embargo en esta caso, las
dendritas son homogéneas en cuanto a su composición (no presentan
"coring") porque el fosfuro de cobre no tiene más que una determinada
composición posible. La finura del eutéctico es, aproximadamente, similar a la
del de la probeta X5.
b) PERITÉCTICO
El hecho esencial en este fenómeno
de solidificación llamado reacción peritéctica, es que una fase sólida (por
ejemplo la a) reacciona, a
temperatura constante, con el líquido del que está cristalizando para dar otra
fase (por ejemplo la b). Según la
proporción relativa de sólido y de líquido que existe al iniciarse la reacción
en una aleación dada, la fase a puede consumirse por completo o puede quedar en
cantidad variable. En el primer caso, el resto del líquido solidificará, en
general, directamente como b; en el segundo caso, que es el que ahora interesa,
los cristales primarios de a estarán rodeados por la fase b o situados dentro de ella.
Probeta X8—Aleación
cobre/37% de cinc, moldeada en arena.
Pulir como la X2.
Atacar durante 30 segundos, aproximadamente, en solución alcohólica de cloruro férrico y, después de
observar la estructura, atacar durante varios segundos en solución amoniacal de
peróxido de hidrógeno.
Estructura: La solución sólida a, desarrolló un armazón o esqueleto de
cristales, que después fueron parcialmente envueltos por el compuesto p formado
por reacción peritéctica.
A simple vista se aprecia ya la disposición general de la estructura, que está constituida
principalmente de fase a (color claro).
El examen microscópico revela, sin embargo, cristales relativamente pequeños,
de fase b (más oscuros),
de formas angulosas y dispuestos, con frecuencia, en un entramado que enmarca
el esqueleto de la fase a. Así, pues, la fase b se encuentra tanto en los límites de grano como
dentro de ellos. Existe cierto contraste entre los diferentes granos y, donde
la fase b no está
presente, los límites de grano se muestran como líneas negras.
Al atacar en la solución
amoniacal de peróxido de hidrógeno, se pone en evidencia la falta de
homogeneidad de la fase a ("coring"), oscureciéndose mucho la fase b.
Probeta X9—Aleación
estaño/10% de antimonio, moldeada en arena,
Pulir como la X2, pero con una presión muy suave. Para el desbaste se recomienda
lubricar con parafina.
Atacar durante 10 segundos con solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructura: En esta aleación, el orden de los fenómenos en el proceso de
cristalización es el inverso al de la probeta X8 en el sentido de que,
inicialmente, se forman los cristales primarios del compuesto b (SnSb), y después se llena la matriz con la
solución sólida a, que se forma
por reacción peritéctica.
A pocos aumentos se definen bien los cristales de la fase b, apareciendo en blanco sobre un fondo oscuro. Como estos cristales son
cuboides, aparecen, según el plano por
el que se seccionen, como cuadrados, rectángulos, triángulos, u otras formas
intermedias. Sobre el fondo oscuro de la fase a pueden distinguirse los límites de los granos y
también apreciarse cierta falta de homogeneidad ("coring"). Además,
aparecen manchas claras en muchas partes del fondo oscuro.
El examen a mayores aumentos revela que el último hecho a que se ha aludido, está originado
por una estructura muy fina de pequeños cristales blancos entrelazados, algunos
de los cuales están situados en los límites de grano de la fase a. De hecho, éstos son de fase b y precipitaron de la fase a después de la solidificación. La solubilidad del
antimonio en el estaño en estado sólido disminuye al disminuir la temperatura y
el exceso de antimonio se separa como pequeños cristales de fase b.
Este precipitado fino, pudiera ser que no apareciera. En su lugar
aparece, en este caso, un precipitado discontinuo, especialmente concentrado en
los límites de grano,
en forma de pequeñas zonas de morfología eutectoide (véase más adelante la
estructura eutectoide).
Nota: Si no se tuviese el necesario cuidado durante el pulido, podrían aparecer poco evidentes los detalles finos de
la estructura después del primer ataque. Se recomienda, por lo tanto, pulir y
atacar sucesivamente una o dos veces.
III. TRANSFORMACIONES EN ALEACIONES SÓLIDAS
Como se trata de cambios en el estado sólido, pueden tener lugar, en las aleaciones que
corresponda, tanto si se encuentran en el estado moldeado como en el conformado
.
a) PRECIPITACIÓN. ESTRUCTURAS WIDMANSTÄTTEN
Esta transformación
supone la aparición—durante el enfriamiento, y entre ciertas temperaturas—de
una segunda fase en los cristales de otra ya existente. El fenómeno tiene lugar
porque, con la temperatura, se modifican las condiciones de la posible
existencia de la solución sólida o de las otras fases.
Este tipo de transformación
da lugar, con frecuencia, a una estructura Widmanstätten. El hecho característico
de una verdadera estructura Widmanstätten es que agujas o láminas finas de la
segunda fase, precipitan o se introducen en un sistema de planos de los
cristales de la fase matriz, de tal
manera que las secciones al azar de estos cristales—que son las superficies que se observan—revelan
una disposición geométrica de la fase precipitada en conjuntos de formas
esencialmente paralelas, pero con variada inclinación de esos conjuntos entre
sí. Por otra parte, los precipitados adoptan algunas veces la forma de rosetas
o pequeños esqueletos que se disponen entre sí con cierta simetría.
La precipitación tiene lugar,
generalmente, en los límites de grano de la fase original, ya que son los
puntos en que con mayor facilidad puede iniciarse. En determinadas
circunstancias, la precipitación solo puede tener lugar en estos límites. En
éstos los precipitados pueden adoptar la misma forma que los del interior de
los granos; pero, en otros casos, pueden presentarse como un entramado parcial
o total. Si la precipitación es reducida, el precipitado en los límites de
grano puede estar formado simplemente por pequeñas partículas de forma
lenticular.
Las probetas X10, a X13, muestran
las peculiaridades de esta precipitación en un latón con 58% de cobre/42% de cinc.
Se pulen como la X2.
Atacar durante 30 segundos, aproximadamente, en solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructuras:
Probeta X10—moldeada
en arena.
Muestra esta probeta una estructura Widmanstätten bien definida, en la
cual han precipitado cristales de solución sólida a en los límites de los granos primarios de fase b y como agujas dentro de ellos. Después de atacar
con cloruro férrico, la fase a aparece normalmente con una tonalidad clara al
lado del color más oscuro de la fase b; en esta última aparecen bien contrastados los
diferentes granos. Algunas veces, si el ataque ha sido suave, la fase a presenta un color débilmente rosado, mientras que
la fase b toma color
amarillo.
Nótese cómo la
forma de la fase a precipitada
varía, según que el plano de la superficie de observación corte longitudinal o
transversalmente a sus agujas.
Probeta X11, como la X10, pero calentada a 800°C durante una hora y templada en agua
(F)
El recalentamiento produjo de nuevo una estructura formada en su
totalidad por fase b, y el temple en agua evitó
la precipitación de la fase a, excepto una pequeña cantidad en el borde de la probeta, donde se perdió cinc durante el calentamiento. A veces pueden
encontrarse trazas de fase a en algunos límites de grano del interior de la
probeta.
La estructura está
constituida, por lo tanto, por grandes granos de fase b con límites lineales, similares a los que se
encontraron en la X4 que, como se recordará, está constituida en su totalidad
por fase b incluso a la
temperatura ambiente. Durante su recalentamiento pudo producirse un crecimiento de los granos de la fase a y, en algunas probetas, los granos pueden ser muy grandes; son,
esencialmente, equiaxiales, mientras que los granos de la X4 pueden ser
columnares.
Probeta X12, como la X10 pero calentada a 800°C durante 1 hora; enfriada en el horno hasta los
600°C, y templada en agua desde esta temperatura (F).
Este tratamiento ha permitido precipitar, en forma grosera,
aproximadamente la mitad de la fase a. La distinta orientación
de los granos b de la matriz,
se manifiesta claramente por el contraste de sus diferentes tonalidades.
Probeta X13, como la X12, pero enfriada en el horno hasta la temperatura
ambiente (F).
Este tratamiento ha permitido la separación completa de la fase a, en forma de cristales muy grandes como
consecuencia del lento enfriamiento.
Tratamiento térmico
Este tipo de sistema aleado, permite variar la estructura y propiedades
mecánicas por
tratamiento térmico en el estado sólido. El procedimiento corriente consiste en
templar la aleación desde la región monofásica, y después producir la
separación de la segunda fase como un precipitado extremadamente fino, bien por
envejecimiento a temperatura ambiente, o bien por recalentamiento a una
temperatura moderada. La temperatura requerida varía con el sistema aleado.
Este precipitado fino proporciona mayor dureza y resistencia que las que se
obtienen con precipitados groseros. Sin embargo, el efecto sobre las
propiedades no es muy marcado en el latón anterior.
Se ha elegido la aleación
96% aluminio / 4% cobre, para ilustrar aún mejor el efecto de la estructura, ya
que la constitución de esta aleación representa el tipo utilizado en las
aleaciones de aluminio tratables térmicamente, si bien, en la práctica, la
composición de tales aleaciones es más compleja.
Probeta X14—Aleación
aluminio/4% de cobre, moldeada en arena. Calentada a 525°C durante 16 horas, y
templada en agua (F).
Pulir primero con Bluebell, o con un producto análogo, sobre un paño Metrón B. Acabar con pasta de
diamante de 1 m. El pulido final puede hacerse a mano con una pasta
de magnesia fina, relativamente diluida, sobre paño Metrón B ó C. El paño debe
humedecerse en abundancia al final del pulido, para poder eliminar toda traza
de magnesia de la superficie de la probeta al lanzar después sobre ella un
chorro de agua. Si durante el pulido con magnesia la probeta tendiese a
mancharse o a teñirse, utilícese agua destilada en lugar de agua corriente.
Atacar durante 15-20 segundos en el reactivo mezcla de ácidos. (Véase Apéndice I).
Estructura: Está constituida por granos, a menudo equiaxiales, de
solución sólida de cobre en aluminio (fase k); los granos presentan límites
lineales. El recocido o tratamiento de disolución, ha homogeneizado los granos
con respecto a su composición, y el temple en agua ha evitado cualquier
precipitación.
Nota: Puede encontrarse alguna porosidad en forma de contornos angulosos
en los límites de grano,
y en los ángulos o puntos de convergencia de varios límites.
Probeta X15: como la X14, pero vuelta a calentar a 260°C—después de templada—durante 70 horas (F).
Pulir como la X14.
Atacar durante 10-15 segundos en la mezcla de ácidos.
Estructura: El
recalentamiento a una temperatura relativamente baja, permite la formación de un precipitado fino. Para poder distinguir la
estructura de Widmanstätten, formada por un precipitado oscuro en el interior
de los granos, hay que examinar la probeta a grandes aumentos, a ser posible
con objetivo de inmersión.
Por el contrario, los límites
de grano se ponen de manifiesto como zonas claras. El examen cuidadoso de estas
zonas demuestra la presencia de un precipitado ligeramente coloreado, formado
por partículas resueltas del compuesto q (CuAI2). Este precipitado está aquí en
un grado más avanzado de desarrollo que el del interior de los granos, porque
es de formación anterior. Al reducirse la concentración de
soluto en las zonas adyacentes, se evita la precipitación Widmanstätten en
estas regiones.
Desde un punto de vista práctico,
el tratamiento que ha experimentado esta probeta ha dado origen a un
precipitado demasiado grosero. El mayor aumento de la resistencia lo
experimenta este material después de un tratamiento a temperaturas más bajas y,
generalmente, durante tiempos más cortos; en este caso, o no se encuentra
evidencia de precipitado o es muy tenue. Como regla general, en las aleaciones
correctamente endurecidas por precipitación, el precipitado es tan fino que no
puede resolverse con el microscopio de luz visible. En algunos sistemas, puede
apreciarse en el interior de los granos un ligero sombreado, encontrándose
algunas veces zonas muy localizadas con exceso de precipitado; por ejemplo, en
los límites de grano. En estas zonas la precipitación empezaría pronto,
llegando a ser ya muy grande cuando la mayor parte del material había alcanzado
las propiedades óptimas.
Probeta XI6—Aleación
aluminio/4% de cobre, moldeada en arena.
Pulir y atacar como la X14.
Estructuras: La
probeta ilustra un efecto posterior a la solidificación. Según el diagrama de equilibrio, cabría esperar
que la aleación solidificase en forma de granos de solución sólida k, y que,
posteriormente, precipitase la fase q (CuAI2) para dar una estructura de tipo
Widmanstätten.
Sin embargo, durante la solidificación se ha producido una microsegregación, o
"coring", en la solución sólida. Es decir, el contenido en cobre de
la solución sólida varía, y es, generalmente, inferior al valor teórico. Esto
significa que el líquido remanente se va enriqueciendo en cobre y llega a
alcanzar la composición eutéctica. Así, la última porción de líquido habrá
solidificado como un eutéctico formado por k+q, que no es lo que hubiera correspondido de haberse
cumplido las condiciones de equilibrio. El enfriamiento posterior ha sido,
además, demasiado rápido para permitir la formación de un precipitado visible
en la solución sólida diluida.
El compuesto CuAI2 puede verse en la superficie pulida como
un tenue trazado de color rosa pálido.
El ataque revela granos de solución sólida no homogénea, y unas zonas de
eutéctico en las regiones que contienen la fase q; este último constituyente no se ataca por el
reactivo. Parte del eutéctico aparece en los límites de los granos de solución
sólida (y algo también dentro de los granos), rodeando el armazón de la
solución sólida.
Nótese que al
calentar a 525°C (Probeta X14) se ha hecho desaparecer tanto la heterogeneidad
("coring") como el compuesto CuAl2, obteniéndose, como
consecuencia, granos homogéneos de solución sólida. Él temple en agua ha
retenido este estado (microscópicamente indistinguible) a la temperatura
ambiente.
En esta reacción, una solución
sólida, o un compuesto, se descomponen en el estado sólido (teóricamente a
temperatura constante), para formar una mezcla de otras dos fases. La
estructura eutectoide se presenta con frecuencia como un agregado laminar de
dos constituyentes, aunque lo puede hacer en formas mas irregulares.
Si la aleación es de
composición eutectoide toda ella toma parte en la reacción, pero en otras
aleaciones más o menos alejadas de esa composición, la reacción eutectoide
viene precedida por la separación de uno de los constituyentes en forma de
masas bien diferenciadas.
La formación de la
estructura eutectoide se inicia en una serie de puntos de los límites de grano
de la fase original, y se extiende gradualmente hacia el interior de ellos en
forma de nódulos o colonias.
El eutectoide del acero es el ejemplo mas importante; la discusión que sigue se refiere al acero al carbono
ordinario. A elevadas temperaturas, el carbono se disuelve en el hierro dando
origen a la solución sólida g ó austenita. A temperaturas más bajas, el hierro cambia su
disposición atómica pudiendo, en la nueva disposición, mantener en solución
poco carbono. Al enfriarse, los aceros se transforman en una mezcla de hierro a
(hierro casi puro) ó ferrita, y carburo de hierro, Fe3C,
conocido como cementita. La verdadera composición eutectoide se presenta
para un 0,8% de carbono; al enfriar austenita de esta composición, se
transforma completamente en la mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Su
estructura es laminar y se conoce como perlita.
En aceros con menos de 0,8% de carbono (aleación hipoeutectoide) precipita primero ferrita, hasta
que la matriz austenítica alcanza un contenido en carbono de 0,8%,
transformándose entonces en perlita. De forma análoga en los aceros
hipereutectoides—que contienen más de 0,8% de carbono— tiene antes lugar la
precipitación de carburo de hierro.
La formación de perlita,
lo mismo que la de otras estructuras eutectoides, viene determinada por la
temperatura de transformación a que tiene lugar. Así, por ejemplo, a una
temperatura inmediatamente inferior a la teórica de transformación, la perlita
se forma muy lentamente y la estructura resultante es relativamente grosera. A
temperaturas más bajas, la transformación es más rápida y las estructuras a que
se llega más finas.
Cuando la probeta experimenta un enfriamiento continuo, el espaciado
interlaminar en la perlita es variable al tener lugar la transformación en un margen de temperaturas. A medida que la
velocidad de enfriamiento aumenta, el margen efectivo para la transformación se hace cada vez más
estrecho, pudiendo llegar un momento en que, si la velocidad de enfriamiento es
suficientemente grande, puede no llegar a formarse perlita.
Debe hacerse notar que el espaciado de las láminas en la perlita aparece siempre variable en
cualquier sección que se observe, debido a que las distintas colonias de
perlita presentes, están orientadas al azar.
Probeta X17—Acero
con 0,8% de carbono. Redondo laminado, calentado durante una hora a 800°C y
enfriado en el horno (recocido) (F)
Pulir con pasta de diamante, acabando con la de 1 m, en paño Metrón B.
Atacar durante 10-15 segundos en solución de ácido nítrico en alcohol (nital).
Estructura: A pocos aumentos
pueden verse pequeños granos de
varias tonalidades grises o pardas. El examen
a grandes aumentos (por ejemplo con un objetivo de 4 mm) resuelve toda la
estructura como perlita relativamente grosera. La superficie exterior de la
probeta de ha decarburado, es decir, ha perdido carbono durante el tratamiento
de recocido, y la parte más
externa puede ser ferrita casi pura.
Nota: Algunas veces, como
consecuencia de tan lento enfriamiento, la perlita tiende a adoptar la forma
esferoidal, y la estructura resultante no es verdaderamente laminar (véase el PROBETA X17 segundo dibujo relativo a la probeta X17).
Probeta X18—Como
la X17, pero enfriada al aire (normalizado) (F).
Pulir y atacar como la X17.
Estructura: Es similar a la
de la X17 pero la perlita es más
fina y solo el 40-50% puede resolverse claramente con un objetivo de 4 mm.
Si la probeta se ataca intensamente, aparecerá a simple vista con iridiscencias de madreperla.
Precisamente por este hecho se denominó perlita a esta estructura.
Probeta X19—Acero
con 0,35% de carbono. Redondo laminado, enfriado en el horno desde 870°C(F).
Pulir como la X17.
Atacar primero con nital al 2% durante 15 segundos.
Estructura: Áreas de perlita
moderadamente grosera, distribuidas en una matriz ferrítica. Si se ataca
durante un minuto o más se pondrán de manifiesto los límites de grano de la
ferrita.
La estructura de los aceros de menor contenido en carbono (<0,35%)
está constituida
por ferrita con pequeñas áreas perlíticas. Cuando el contenido en carbono es
>0’35%, la proporción de
ferrita es menor y aparece como la probeta X19 un entramado rodeando a la
perlita, como el exceso de carburo de hierro (cementita) en la probeta X20.
En estos aceros, la fase en exceso (ferrita) no precipita en la forma
Widmanstätten a menos que el material tenga un tamaño de grano muy grande como resultado de un
sobrecalentamiento o de moldeo, o a menos que sea enfriado con relativa rapidez
a través de la zona de transformación.
Probeta X20—Acero
con 1,3% de carbono. Redondo laminado, enfriado en el horno desde 970°C.
Pulir y atacar como la X17. 
Estructura: El examen a
pocos aumentos revela granos aparentemente equiaxiales, con límites de grano irregulares y gruesos. A mayores
aumentos (por ejemplo con objetivo de 4 mm) los granos se resuelven bien
como perlita, más grosera y mejor definida que la de la probeta X19. Además se
encontrará una trama de límites de grano constituida por el carburo de hierro
en exceso. Este aparece blanco, pero oscurece o ennegrece atacando a ebullición
en solución alcalina de picrato sódico (véase Apéndice I). Por el contrario, la
ferrita no se oscurece por este reactivo.
La superficie externa del redondo está parcialmente decarburada.
Otro eutectoide bien conocido se presenta en el sistema cobre/aluminio. La aleación eutectoide de
este sistema contiene 11,8% de aluminio. La reacción supone la descomposición
de un compuesto (fase b) en la solución
sólida de aluminio en cobre (fase a) y en otro compuesto (fase g).
Probeta X21—Aleación
cobre/11,8% de aluminio, moldeada en coquilla; calentada a900°C durante una
hora, y enfriada lentamente (F).
Pulir como la X2.
Atacar durante 5-10 segundos en solución alcohólica de cloruro férrico. Nótese que la
superficie de esta probeta también tiene un aspecto iridiscente.
Estructura: El material se
ha transformado por completo en el eutectoide, que está constituido por la solución sólida a (color claro) y el compuesto g (color oscuro), en disposición laminar fina
principalmente. Sin embargo, en algunas zonas se presenta un trazado más
irregular y grosero.
En la práctica, es
difícil evitar la presencia de pequeñas cantidades de fases a ó g en exceso en aleaciones del tipo de la X21.
Además, la presencia de alguna de estas fases en exceso, afecta a la estructura
del eutectoide favoreciendo una morfología más irregular.
Probeta X22—Como
la X21, pero templada en agua después de enfriar lentamente hasta 530°C(F).
Pulir y atacar como la X21. 
Estructuro: Esta probeta se ha transformado parcialmente, aunque la
extensión con que ha
tenido lugar la transformación puede variar de una probeta a otra. Se
encuentran nódulos o pequeñas colonias de eutectoide en los límites de grano de
la fase b originaria. La
estructura del eutectoide es laminar, excepto en la proximidad de los límites
de la fase b donde es más
grosera y más irregular.
El resto de la estructura aparece de color claro con tenues marcas
aciculares. Esta se conoce como fase b' y es un producto martensítico
de b (véase más
adelante la probeta X25), que no representa una fase en equilibrio.
Probeta X23—Aleación
cobre/11,3% de aluminio, hipoeutectoide. Moldeada en arena. Recocida a 900°C y
enfriada lentamente (F).
Pulir y atacar como la X21. 
Estructura: Agujas dentadas
de fase a sobre un fondo eutectoide. El eutectoide es mas bien irregular y
relativamente grosero; las partículas
de fase g son
suficientemente grandes como para verse claramente y son de color azul. Algunas
veces se aprecian pequeñas zonas de color marrón en las áreas de eutectoide;
son las zonas de estructura laminar fina.
Las aleaciones que experimentan reacción eutectoide, pueden también ser susceptibles de
tratamiento térmico. El ejemplo más importante es el endurecimiento del acero
por temple, y su revenido. Para ilustrarlo se emplea aquí una acero con 0,35%
de carbono.
En general, el enfriamiento al aire (normalizado) desde el estado austenítico produce una estructura más fina que el
enfriamiento lento (recocido) y, como consecuencia, la dureza y la resistencia
son mayores en el estado normalizado. Sin embargo, se obtienen efectos
considerablemente más marcados templando el acero y modificando después la
estructura por revenido para obtener el resultado final deseado.
Probeta X24—Acero
con 0,35% de carbono, normalizado desde 870°C.
Pulir como la X17.
Atacar durante 20 segundos en nital al 2%.
Estructura: Debe ser
comparada con la de la X19. La diferencia más evidente es la forma de la ferrita, que en esta
probeta se presenta en bloques y acicular aproximándose a la forma
Widmanstätten. La diferencia de la ferrita en las estructuras normalizadas y en
las recocidas está muy marcada en las probetas de esté acero, acaso porque la
temperatura de tratamiento fue relativamente alta. Sin embargo, debe notarse
que el aspecto general de la estructura en un acero hipoeutectoide, viene
determinado por el contenido de carbono y por la velocidad de enfriamiento
sufrida. En algunos casos las diferencias pueden ser considerablemente menos
acusadas, como se ha querido representar en el dibujo de la derecha de los
correspondientes a esta probeta.
Debe esperarse que haya menos ferrita en el acero normalizado, por haber
dispuesto de menos tiempo para su separación debido a su enfriamiento más rápido. Sin
embargo, la comparación es difícil en estas muestras, debido al diferente
mecanismo de formación de su estructura, resultando difícil apreciar
diferencias en la cantidad de ferrita.
Por último, aunque
la perlita es, generalmente, más fina en los aceros normalizados, la
comparación es también difícil con esta probeta porque la forma de crecimiento
ha sido algo diferente y, especialmente, porque hay presentes pequeñas agujas
de ferrita en las zonas perlíticas de la X24 que, superficialmente, dan la
impresión de formas perlíticas groseras.
El examen cuidadoso con un objetivo de inmersión, revela que la perlita en la probeta X24 es,
aunque poco, más fina que la de la X19.
Debe hacerse notar que los dibujos correspondientes a las probetas X19,
y X24, exageran mucho la diferencia, ya que el de la X19, se hizo para ilustrar
una estructura hipoeutectoide en comparación con una estructura eutectoide pura, mientras que
el de la X24 pone su énfasis, principalmente, en el aspecto general de la
formación de ferrita. Un ataque prolongado durante 1-2 minutos, revelará los
límites de grano de la ferrita en la probeta X24, aunque no se han marcado en
el apunte dibujado.
Tratamiento térmico
Esta probeta (X24) ilustra la diferencia en la estructura como
consecuencia del enfriamiento al aire frente al enfriamiento lento. Pero hay aún diferencias más acusadas cuando el acero se
templa en agua desde su estado austenítico. Este tratamiento evita la formación
equilibrada de ferrita y de perlita. Sin embargo, cuando se alcanza una
temperatura relativamente baja, la estructura austenítica es tan inestable que
tiene lugar una transformación martensítica rápida, lo que supone un reajuste
de las posiciones atómicas. La microestructura está entonces formada por muchas
agujas martensíticas entrelazadas, y por muy pequeña cantidad de austenita
residual. No existen límites claros entre las agujas y la matriz, y la
estructura tiene un aspecto acicular difuso.
El carbono no precipita de la solución; la disposición atómica general se hace mas
compleja, está deformada y en tensión. Por estas razones el material se hace
duro y frágil, a menos que el contenido en carbono sea bajo. El
recalentamiento, es decir, el revenido, se emplea en este caso para liberar el
carbono en forma de finas partículas de carburo, hasta el grado requerido para
obtener las propiedades finales deseadas.
Probeta X25—Acero
con 0,35% de carbono, templado en agua desde 870°C (calentado una hora a esta
temperatura antes de templar) (F).
Pulir como la X17.
Atacar durante 10-12 segundos con nital al 2%.
Estructura: Típicamente martensítica; el apunte dibujado exagera
el contraste y es, en realidad, algo artificioso.
En el centro de la sección
puede encontrarse un pequeño precipitado de ferrita; las formas de este
constituyente son allí angulosas ó tienen contorno en diente de sierra. Se han
formado en el centro de la sección donde la velocidad de enfriamiento no fue
tan elevada como en la superficie. Por la misma razón, puede encontrarse allí
una pequeña cantidad de un producto de transformación de color oscuro
(generalmente perlita muy fina) asociado a la ferrita.
La ferrita se revela mejor después de un ligero ataque (10 segundos), mientras que
la estructura martensítica aparece más acusada después de un ataque más
prolongado (15-20 segundos).
Probeta X26—Como
la X25, pero revenida durante 2 horas a 600°C (F).
Pulir como la X17.
Atacar durante 15 segundos con nital al 2%.
Estructura: Han precipitado
pequeñas partículas
de de carburo que enmarcan las formas de ferrita acicular. Las partículas
aparecen negras porque el microscopio no puede resolver, por separado, sus
límites: el límite alrededor de cada partícula se pierde, para dar la impresión
de un punto negro. Este es un hecho general que se aplica a cualquier tipo de
partícula fina; por ejemplo, a las láminas finas de una estructura eutectoide
que aparecen como líneas oscuras, independientemente de su verdadero color.
La estructura de esta probeta corresponde a la de un revenido completo,
ya que los 600°C están cerca
de la temperatura máxima para el revenido de este tipo de acero. El tiempo de
revenido permitió que el precipitado de carburo alcanzase un tamaño detectable.
El crecimiento posterior de estas partículas es muy lento; después de 24 horas a
600°C, solo puede registrarse un engrosamiento muy ligero. Se necesita calentar durante varios días
antes de que pueda encontrarse, al microscopio, una notable diferencia.
Probeta X27—Como
la X26, pero calentada a 600°C durante 4 días (F).
Pulir como la X26. Atacar durante 10-20 segundos en
nital al 2%.
Estructura; Las partículas de carbono son ahora mayores que las de la
X26, aunque son todavía muy finas. Muchas se las partículas son ya
suficientemente grandes como para poderse resolver, utilizando un objetivo de
inmersión, como formas redondeadas y blancas con límites oscuros. El aspecto
general de la estructura es menos acicular que el de la X26.
El tiempo de calentamiento final es, por supuesto, excesivo, si se
compara con el empleado en un tratamiento de revenido normal.
Probeta X27A—Como
la X26, pero calentada a 660°C durante 4 días (F).
Pulir y atacar como la X27.
Estructura: El empleo de una
temperatura más alta ha
permitido a las partículas de carburo crecer hasta alcanzar tamaños todavía
mayores que los encontrados en la X27. Pueden ya resolverse claramente, como
pequeñas partículas blancas, cuando se examina la probeta con un objetivo de 4
mm. Con un objetivo de inmersión aparecen como pequeñas masas de cementita.
Vale la pena repetir que el tiempo de calentamiento después del temple, en esta probeta y en la anterior, no
es representativo de un tratamiento de revenido normal, ya que, generalmente,
se emplea aproximadamente una hora. El tratamiento en el caso presente, se ha
aplicado sólo con objeto de demostrar la naturaleza de las partículas de
carburo.
IV.- EFECTO DE LA DEFORMACIÓN. MATERIALES CONFORMADOS
a) MATERIALES MONOFÁSICOS
Cuando se trabaja en frío—por
debajo de su temperatura de recristalización—un material monofásico, su
estructura queda distorsionada y el metal se endurece, se vuelve agrio. Al
recocerle por encima de la temperatura de recristalización se forman, en el
estado sólido, por un proceso de recristalización, nuevos granos sin tensiones.
También se produce
una estructura recristalizada, cuando este tipo de metal se trabaja en
caliente, es decir, trabajándole o hechurándole por encima de la temperatura de
recristalización.
En ambos casos, el tamaño
de grano final depende de una serie de factores pero, cuando el metal se ha
trabajado correctamente, es, generalmente, mucho más pequeño que el del metal
en estado moldeado.
El conformado es, con frecuencia,
direccional, y, como consecuencia, las inclusiones se disponen en la dirección del mismo. Cuando son relativamente plásticas
aparecen alargadas. Si, por el contrario, son frágiles tienden a romperse en
trozos más pequeños de formas angulosas. En este último caso las inclusiones insolubles
permanecen con formas angulosas; pero si fuesen parcialmente
solubles en el metal, se redondearía su contorno, especialmente si el metal
deformado se sometió a un calentamiento prolongado.
Para examinar al microscopio un metal conformado , debe elegirse la
muestra de tal manera que revele la estructura en la dirección del conformado . Por esta razón las probetas
siguientes son secciones longitudinales de barras hechuradas.
Probeta X28—Hierro
laminado en caliente (F).
Pulir como la X17.
Atacando durante 20 segundos con nital al 2%, se revelan la mayoría de detalles, pero para llegar a definir
completamente el entramado de los granos, es necesario atacar durante 60
segundos aproximadamente.
Estructura: Lo más destacable es su naturaleza recristalizada que
está constituida por pequeños granos equiaxiales de hierro a (ferrita). El hierro contiene, aproximadamente,
0,05% de carbono, y esto determina la presencia de una película de carburo de
hierro en los límites de los granos de ferrita, así como pequeñas áreas de
perlita fina que se oscurecen por el ataque.
Probeta X29—Hierro
pudelado (laminado en caliente) (F).
Pulir como la X17. Examínese,
primero, pulida.
Atacar durante 60-90 segundos con nital al 2%.
Estructura: Es característico del hierro pudelado la presencia de fibras
de escoria (silicatos) que pueden ser de gran tamaño, y que pueden verse en la
probeta pulida sin atacar. Obsérvese el aspecto dúplex de estas inclusiones
como consecuencia de la naturaleza compleja de la escoria.
El ataque revela carburo laminar (no perlita) en los límites de los granos de ferrita. También se
encuentra, con frecuencia, algo de perlita en el hierro pudelado, según el
producto de partida.
Probeta X30—Cobre
oxidado (tough-pitch), con 0,04% de oxígeno, extruído en caliente (F).
Pulir como la X2 y examinar primero la probeta pulida, sin atacar.
Atacar después, durante 60
segundos aproximadamente, en solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructura: Sin atacar, pero
pulida, pueden verse pequeñas
partículas de óxido cuproso (de color gris rojizo), a veces de forma alargada,
y dispuestas en línea, orientadas en la dirección del laminado o conformado .
Al atacar, aparecen los granos de la estructura recristalizada; también se
atacan algo las partículas de óxido. Los granos son relativamente pequeños y de
tamaño variable, con ligera tendencia a la forma alargada, probablemente como
consecuencia de haber sido conformado el
material a temperatura relativamente baja.
Otra característica notable
es la presencia de bandas dentro de los granos. Estas bandas son maclas, y son
características de los metales que presentan determinada ordenación atómica
(red cúbica de caras centradas) cuando recristalizan. Representan regiones en
las que cambia la orientación atómica de dentro del cristal, y se originan
durante la recristalización.
Probeta X31—Latón—80%
Cu/20% Zn—extruído en caliente y después trefilado o estirado en frío (F).
Pulir como la X2.
Atacar durante 60 segundos con solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructura: El
conformado en caliente de esta solución sólida ha producido una recristalización y los
nuevos granos contienen maclas. El trabajado en frío subsiguiente ha alargado
algo los granos y curvado las maclas.
Además, la mayor
parte de los granos presentan un efecto de sombreado por la presencia de unas
líneas finas que cambian de dirección de grano a grano, y en las maclas; en
ciertos granos también aparecen, y se cruzan, haces de estas líneas. Son líneas
de deformación e indican la posición de los planos cristalográficos en que tuvo
lugar el deslizamiento durante el trabajado o la deformación en frío. Lo
efectos de la deformación en frío citados, son más pronunciados en las partes
próximas a la superficie de la barra o redondo, donde la deformación fue mayor.
Los efectos pueden variar de una probeta a otra.
Con frecuencia se revelan líneas
de deformación en las aleaciones de cobre después de trabajadas en frío, pero
en otros muchos metales es difícil—en caso de que se logre—revelar la evidencia
de deformación. Incluso con aleaciones de cobre suele ser preciso que la
deformación llegue a ser relativamente severa, para que se manifiesten las
líneas de deformación por los reactivos de ataque ordinarios. Después de una
pequeña deformación en frío, puede ser que la única evidencia microscópica de
ella sea la curvatura de las maclas, si es que se llega a observar.
Probeta X32—Como
la X31, pero recocida durante una hora a 600°C.
Pulir como la X2.
Atacar durante 90 segundos, o más, con solución alcohólica de cloruro férrico.
Estructura: El recocido ha
borrado los efectos del trabajo en frío, para dar una estructura típica de
recristalización, sin deformación residual.
Nota: Este material es relativamente blando, y la deformación que se puede introducir durante el corte y la
preparación posterior, puede determinar la aparición de líneas de deformación.
Normalmente estas líneas desaparecen cuando la probeta se pule y ataca
repetidas veces.
Probeta XD
Siguiendo el procedimiento que se indica a continuación, pueden observarse en esta probeta varios de los
efectos que producen la deformación y el recocido.
La probeta es un pequeño
cilindro de bronce de estaño (cobre con un 4% de estaño). Después de moldeada,
se recoció a 700°C durante una hora para obtener unos granos uniformes de
solución sólida.
En un lateral del cilindro se ha mecanizado una superficie plana, cuya
superficie hay que desbastar y pulir como la X2 para estudiar en ella los
efectos de la deformación y del
recocido. Hay que insistir bastante en el desbaste para eliminar toda
deformación introducida durante el mecanizado de esa superficie.
La probeta, una vez preparada, se comprime en la dirección de su eje longitudinal, hasta que la superficie
pulida aparezca ligeramente arrugada. Debe de tenerse cuidado para no dañar la
superficie pulida, ni marcarla con huellas digitales al cogerla.
Después de la
compresión, y sin más tratamiento, se examina al microscopio la
superficie pulida. Si hubo una compresión adecuada, se podrá apreciar la forma
general de los granos debido a la inclinación que habrán experimentado durante
la deformación. Además, se observarán una serie de líneas finas, oscuras, que
cruzan los granos, paralelas entre sí dentro de cada grano y que cambian de
dirección de uno a otro. Algunas veces podrá observarse cómo se cruzan algunos
haces de estas líneas dentro de ciertos granos.
El proceso normal de la deformación plástica en los metales, es el deslizamiento de
ciertos planos en los cristales; este deslizamiento tiene lugar en gran número
de planos dentro de cada cristal.
Está claro que tal
movimiento originará desplazamientos en las superficies libres. De hecho, se
producen en ellas pequeños escalones que, cuando está pulida, como en este
caso, se sombrean bajo la iluminación del microscopio, pudiéndose ver como
líneas oscuras.
La superficie, una vez examinada, se vuelve a pulir, para lo cual se
necesita quitar primero las marcas de las líneas de deslizamiento con papel abrasivo. Cuando,
una vez pulida, se vuelve a atacar en solución alcohólica de férrico, se marcan
de nuevo las trazas de los planos de deslizamiento, presentándose como aparecen
en el dibujo de la probeta X31, es decir en forma de haces de líneas finas. Por
deformación plástica todos los metales exhibirán bandas de deslizamiento, pero
en muchos de ellos las líneas de deformación no se señalan claramente por el
ataque químico. Según se ha indicado anteriormente, las soluciones sólidas a
base de cobre son sensibles a este efecto, siendo el estaño un soluto
especialmente efectivo para ello.
Finalmente, la probeta puede recocerse durante 20-30 minutos a 700ºC, por ejemplo. Si la superficie vuelve a pulirse
(previo un desbaste a fondo para quitar toda la cascarilla de óxido), y se
ataca en solución alcohólica de cloruro, se podrá observar una estructura
recristalizada de granos equiaxiales y maclados. Al variar el tiempo y, sobre
todo, la temperatura de recocido, se modificará el tamaño de grano final de la
estructura.
b) ALEACIONES BIFÁSICAS
Las aleaciones que contienen dos o más fases pueden presentar, además, una serie de
rasgos característicos en el estado conformado . Por ejemplo, una disposición
fibrosa—en bandas—de las fases en la dirección de la deformación.
Cuando se deforman en una sola dirección aleaciones en las que hay presentes dos fases a
todas la temperaturas, es inevitable una estructura de tipo fibroso. Sin
embargo, en materiales como ciertos latones a+b que se hacen monofásicos (b) a temperaturas elevadas, no se presenta la
estructura fibrosa si la aleación se trabaja en caliente en la forma monofásica
estable a esa temperatura (b). La fase a precipita entonces, en forma Widmanstätten, al
enfriar. Pero si la aleación se trabajase en el estado a+b ambos constituyentes se alargan y aparecerán en
bandas alternas. Ocurre con frecuencia en la práctica, que una partida de material presenta distinta estructura, cambiando de un tipo a otro a lo
largo de la barra porque el material se enfrió durante las operaciones de conformado .
Los aceros hipoeutectoides, por ejemplo, trabajados en caliente cuando
están constituidos
por una mezcla de ferrita y austenita, presentan una distribución fibrosa de la
ferrita y perlita finales. Bien es cierto que el fenómeno es más complejo en el
caso del acero, porque también aparecen bandas después de trabajado en el estado
totalmente austenítico, no pudiendo hacer desaparecer este efecto por recocido
posterior. El fenómeno de la presencia de bandas en el acero parece depender,
considerablemente, de la nucleación de la ferrita durante el enfriamiento, en
zonas alargadas, con inclusiones o segregaciones.
Probeta X33—Latón,
60% de cobre/40% de cinc, extruído en caliente y moderadamente estirado (F).
Pulir como la X2.
Atacar en solución alcohólica de
cloruro férrico.
Estructura: Después de 10 segundos de ataque, puede apreciarse
claramente la estructura fibrosa, que está formada por solución sólida a, de color claro, y por compuesto b, alargado y de formas angulosas, que aparece más
oscuro. Con 10 segundos de ataque se revela poco detalle en la fase a, son necesarios 60 segundos, aproximadamente, para
revelar los granos maclados.
Además, con el
ataque, aparecen numerosas líneas de deformación en las agujas de fase a próximas a la superficie externa de la barra, como
se muestra en el apunte dibujado de a derecha, de los correspondientes a esta
probeta. En ambos tipos de estructura, puede ser muy variable la evidencia de
deformación plástica.
Probeta X34—Acero
con 0,35% de carbono, laminado en caliente (F).
Pulir como la X17.
Atacar con nital al 2%.
Estructura: A los 10 segundos
de ataque revela ya una estructura estriada en la que alternan la ferrita
(color claro) con la perlita (color oscuro), en casi toda la sección. Las partes más externas están parcialmente
decarburadas y, por ello, no se aprecia bien la estructura en bandas en esas
regiones. Un ataque más prolongado pondrá de manifiesto los límites de grano en
la ferrita, oscureciéndose aún más la perlita. Pueden también apreciarse en el
campo ferrítico, algunas inclusiones alargadas.
En algunas probetas, la estructura en bandas puede no ser tan
pronunciada como se representa en el apunte dibujado porque, ciertamente, no es
un fenómeno que esté
sujeto a un control fácil.
APENDICE I – Reactivos de
ataque
(Cuando no se especifique otra cosa, el ataque debe hacerse por inmersión)
1.
Solución acuosa, concentrada, de ácido clorhídrico al
50%; atacar frotando suavemente con algodón impregnado en la solución. (Para
las Probetas X1 y X1A).
2.
Solución ácida, alcohólica, de cloruro férrico: 5 g;
ácido clorhídrico concentrado: 2 ml; Alcohol (96°): 95 ml. (Para la mayoría de
las aleaciones de cobre y probeta X9).
3.
Solución ácida, acuosa, de cloruro férrico. Composición
variable. Ejemplo: cloruro férrico, 10g, ácido clorhídrico concentrado (36%)
20 ml. Agua: hasta 80 ml.
(Se emplea como alternativa de la solución ácida alcohólica de cloruro férrico. Para
probetas X5 y X6).
4.
Solución acuosa de amoníaco y peróxido de hidrógeno.
Amoniaco concentrado, (densidad = 0’880g/ml), 1 parte; agua oxigenada ó peróxido de hidrogeno (20 volúmenes), 1
parte; agua destilada 2 partes. Utilícese recién preparada.
(Para revelar segregaciones en aleaciones de cobre, particularmente en
la probeta X8, y también para ataque
de la X7. Sumergir la probeta durante unos segundos hasta que la superficie
oscurezca; no frotar después de seca).
5.
Mezcla de
ácidos. Agua
destilada 95 ml; ácido clorhídrico concentrado (36%) 1’5 ml; ácido nítrico
concentrado (66-68%) 2’5 ml; ácido fluorhídrico concentrado (48%), 0’5 mi.
(Para aleaciones de aluminio. Probetas XI4, X15 y X16).
6.
Nital al
2%. Alcohol etílico (96°), 98
ml; ácido nítrico concentrado (66-68%) 2ml. Añadir el ácido sobre el alcohol.
(Para hierros y aceros).
7.
Picrato sódico alcalino. Ácido pícrico, 2 g; Hidróxido
sódico, 25 g; agua destilada hasta 100 ml. (Para distinguir entre carburo de
hierro y ferrita en aceros. Se emplea a ebullición durante 10 minutos o más. El
carburo se oscurece, la ferrita no se afecta. El ataque con este reactivo puede
mostrar, con más precisión que el nital, la separación laminar de la perlita).
