análisis microestructural de los aceros inoxidables aisi 316, 420 y 430 utilizando la técnica de ...

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ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS INOXIDABLES AISI 316,
420 Y 430 UTILIZANDO LA TÉCNICA DE METALOGRAFÍA A COLOR

LAURA VIVIANA HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ
DANIEL ALBERTO ROMERO MUÑOZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ
2016
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DE LOS ACEROS INOXIDABLES AISI 316,
420 Y 430 UTILIZANDO LA TÉCNICA DE METALOGRAFÍA A COLOR

LAURA VIVIANA HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ
DANIEL ALBERTO ROMERO MUÑOZ

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL
TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

TUTOR
LUIS HERNANDO CORREA MURILLO
INGENIERO MECÁNICO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ
2016
2
Nota de Aceptación
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Presidente Jurado

______________________
Firma del Jurado

______________________
Firma del Jurado

3
TABLA DE CONTENIDO
1. RESUMEN............................................................................................................................... 12
2. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 13
3. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 14
3.1 OBJETIVOS GENERALES ........................................................................................... 14
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................ 14
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................... 15
5. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 16
6. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................. 17
6.1 ESTUDIOS EXISTENTES ............................................................................................ 17
6.1.1 Técnica De Metalografía A Color Aplicada A Un Acero Inoxidable 316. ....... 17
6.1.2 Análisis de Aceros Inoxidables Austeníticos. ..................................................... 17
6.1.3 Metalografía a color en Aleaciones Al-Si comerciales. Optimización de las
técnicas de caracterización microestructural mediante microscopía de reflexión. ...... 17
6.1.4 Color Metallography. .............................................................................................. 18
6.1.5 Characterization of the Weld Structure in a Duplex Stainless Steel Using
Color Metallography. .............................................................................................................. 18
6.1.6 Metalografía en color de los aceros inoxidables mediante la técnica de
ataque coloreado ( ................................................................................................................. 18
7. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 19
7.1 DEFINICIÓN DE METALOGRAFÍA ............................................................................ 19
7.1.1 Análisis de la técnica metalográfica. ................................................................... 19
7.1.2 Observación microscópica .................................................................................... 20
7.2 TIPOS DE METALOGRAFÍAS ..................................................................................... 21
7.3 METALOGRAFÍA EN COLOR MEDIANTE TÉCNICA DE ATAQUE COLOREADO
21
7.4 ACEROS INOXIDABLES .............................................................................................. 25
7.4.1 Aceros inoxidables Austeníticos .......................................................................... 28
7.4.2 Aceros inoxidables Martensíticos ........................................................................ 29
7.4.3 Aceros inoxidables Ferríticos ............................................................................... 29
7.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS ..................................................................................... 30
7.5.1 Temple ..................................................................................................................... 30
7.5.2 Recocido .................................................................................................................. 31
4
7.6 MICRODUREZA ............................................................................................................. 32
7.7 Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)................................................................. 34
7.8 FRACCIÓN VOLUMÉTRICA ........................................................................................ 36
7.9 NORMAS RELACIONADAS ......................................................................................... 38
8. METODOLOGÍA .................................................................................................................... 39
8.1 Materiales y equipos: ..................................................................................................... 39
8.2 Tratamientos Requeridos .............................................................................................. 40
8.3 Preparación de las Muestras ........................................................................................ 41
8.4 Ataque químico ............................................................................................................... 43
8.5 Observación microscópica ............................................................................................ 43
9. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................................................ 44
9.1 OBSERVACIÓN MICROSCÓPICA ............................................................................. 44
9.1.1 AISI 316 ................................................................................................................... 44
9.1.2 AISI 420 ................................................................................................................... 52
9.1.3 AISI 430 ................................................................................................................... 58
9.2 MICRODUREZA DE FASES ........................................................................................ 61
9.2.1 MICRODUREZA AISI 316 .................................................................................... 62
9.2.2 MICRODUREZA AISI 420 .................................................................................... 63
9.2.3 MICRODUREZA AISI 430 .................................................................................... 65
9.3 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO ....................................................... 66
9.3.1 MEB AISI 316 ......................................................................................................... 66
9.3.2 MEB AISI 420 ......................................................................................................... 69
9.3.3 MEB AISI 430 ......................................................................................................... 76
9.4 FRACCIÓN VOLUMÉTRICA ........................................................................................ 78
9.4.1 AISI 316 ................................................................................................................... 79
9.4.2 AISI 420 ................................................................................................................... 83
9.4.3 AISI 430 ................................................................................................................... 87
10. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN .................................................... 89
11. CRONOGRAMA ................................................................................................................. 90
12. CONCLUSIONES .............................................................................................................. 91
13. RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 93
14. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 95
5
LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Estructura de grano Octahedrite fino de la Gabaón meteorito .............. 22
Figura 2: Ferrita en 7 Mo PLUS placa de acero inoxidable dúplex revelado usando
el reactivo de Beraha ( 85 ml agua , 15 ml de HCl , 1 g K2S2O5 ) ....................... 22
Figura 3: FCC estructura de grano maclado de la partida de acero inoxidable 302
de calidad de encargo reveló usando el reactivo B1 de Beraha ........................... 23
Figura 4: Listón estructura de grano martensita de sobre-austenizado ............... 23
Figura 5: Diagrama esquemático de la interferencia de aire de película de metal
............................................................................................................................... 24
Figura 6: El acero inoxidable forma una capa de óxido de cromo. b) Cuando es
rayado, esta película protectora es removida. c) La capa protectora es restaurada
............................................................................................................................... 26
Figura 7: Diagrama de equilibrio Fe-Cr. Tomada de: Metalografía, aceros
inoxidables ............................................................................................................ 27
Figura 8: Diagrama Fe-Cr-Ni a temperatura ambiente ......................................... 27
Figura 9: Diagrama simplificado de fases del sistema binario hierro-carbono ..... 28
Figura 10: Perfil de calentamiento y enfriamiento utilizado en los aceros ............. 32
Figura 11: Huella impresa sobre la superficie ....................................................... 33
Figura 12: Microdurómetro Vickers CV400DTS .................................................... 33
Figura 13: Prueba de microdureza Vickers ........................................................... 34
Figura 14: Configuraciones de rejilla para fracción volumétrica ........................... 37
Figura 15: Proceso de enfriamiento en aceite (1040°C) ....................................... 41
Figura 16: Proceso de preparación de la probeta, desbaste manual. ................... 42
Figura 17: Diagrama de equilibrio binario de hierro-cromo. Temple Y Recocido a
1040 ºC en un AISI 316.. ....................................................................................... 44
Figura 18: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 en estado
de entrega (normalizado) a 200 y 500 aumentos respectivamente... .................... 45
Figura 19: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de temple en agua a) 200 aumentos, b) 500 aumentos con el
reactivo de Berahá B1... ........................................................................................ 45
6
Figura 20: Metalografias Obtenidas de unas Barra de Acero Inoxidable Austenítico
316 Bajo tratamiento térmico de sensitizacion a 500 ºC y 600ºC respectivamente
durante 2 horas... ................................................................................................... 46
Figura 21: Diagrama TTT modificado con el proceso de temple en agua para un
AISI 316... .............................................................................................................. 46
Figura 22: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de temple en agua a 900°C, 500 aumentos... ........................ 47
Figura 23: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de temple en aire a) 200 aumentos empleando el ataque
químico B1, b) 500 aumentos con ataque químico I... ........................................... 48
Figura 24: Diagrama TTT modificado con el proceso de temple en aire para un
AISI 316... .............................................................................................................. 48
Figura 25: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de temple en aire a 900°C, 500 aumentos ............................ 49
Figura 26: Microestructura bifásica - Aparición de martensita (agujas sombras) en
una matriz austenítica... ......................................................................................... 49
Figura 27: Deformación de Bain... ........................................................................ 50
Figura 28: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de recocido a) 500 aumentos utilizando reactivo Berahá B1 b)
500 aumentos reactivo I... ...................................................................................... 50
Figura 29: Metalografía obtenida de una barra de acero Inoxidable 316 bajo
tratamiento térmico de recocido a 900°C, 500 aumentos.... .................................. 51
Figura 30: Diagrama TTT modificado con el proceso de Recocido para un AISI
316... ...................................................................................................................... 51
Figura 31: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 en Estado
Entrega a) 100 aumentos utilizando reactivo Berahá I, b) 500 aumentos con
reactivo Berahá II... ................................................................................................ 52
Figura 32: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 bajo tratamiento
térmico de Temple en Aceite a) 100 aumentos utilizando reactivo Berahá I, b) 1000
aumentos con reactivo Berahá B1... ...................................................................... 52
Figura 33: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 bajo tratamiento
térmico de Temple en Aceite a 500 aumentos utilizando reactivo Berahá I... ........ 53
Figura 34: Diagrama de equilibrio binario de hierro-cromo. Modificado. Temple a
1000 ºC en un AISI 420.... ..................................................................................... 54
Figura 35: Estructura Martensitica. Tomado de: Aceros Inoxidables Austeníticos
Endurecidos por Deformación en Frio para Aplicaciones Estructurales.... ............ 54
7
Figura 36: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 bajo tratamiento
térmico de Temple en Aire a) 100 aumentos y, b) 500 aumentos con reactivo
Berahá I.... ............................................................................................................. 55
Figura 37: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 bajo tratamiento
térmico de Temple en Aire a 500 aumentos utilizando el reactivo Berahá II.... ..... 55
Figura 38: Proyección del diagrama ternario Fe-Cr-C modificado para un acero
inoxidable martensítico.... ...................................................................................... 56
Figura 39: Diagrama TTT para Acero AISI 420, curvas de enfriamiento continuo....
............................................................................................................................... 56
Figura 40: Metalografía obtenida de una barra de acero AISI 420 bajo tratamiento
térmico de Recocido a) 500 aumentos con reactivo Berahá I, b) 1000 aumentos
con reactivo Berahá II..... ....................................................................................... 57
Figura 41: Diagrama de equilibrio binario de hierro-cromo. Recocido a 880 ºC en
un AISI 420..... ....................................................................................................... 57
Figura 42: Recocido de una acero inoxidable 420..... ........................................... 58
Figura 43: Metalografía obtenida de una lámina de acero AISI 430 en estado
entrega a) 200 aumentos con reactivo Berahá B1, b) 500 aumentos con reactivo
Berahá I...... ........................................................................................................... 58
Figura 44: Metalografía obtenida de una lámina de acero AISI 430 bajo
Tratamiento Térmico de Recocido a) 200 aumentos con reactivo Berahá B1, b)
500 aumentos con reactivo Berahá I....... .............................................................. 59
Figura 45: Diagrama TTT para un acero AISI 430....... ......................................... 60
Figura 46: Diagrama de equilibrio binario de hierro-cromo. Recocido a 850 ºC en
un AISI 430....... ..................................................................................................... 60
Figura 47: Acero Inoxidable AISI 430 Recocido a 788ºC....... ............................... 61
Figura 48: Huella impresa sobre la superficie de un acero AISI 316....... ............. 62
Figura 49: Gráfico de microdureza para un acero AISI 430....... ........................... 63
Figura 50: Huella impresa sobre la superficie de un acero AISI 420....... ............. 63
Figura 51: Gráfico de microdureza para un acero AISI 420....... ........................... 64
Figura 52: Gráfico de microdureza para un acero AISI 430....... ........................... 65
Figura 53: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 316 Estado Entrega 1000
Aumentos....... ........................................................................................................ 66
Figura 54: Espectro 316 Estado Entrega....... ....................................................... 67
Figura 55: Espectro 316 Recocido....... ................................................................. 68
Figura 56: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Estado Entrega....... ...... 69
8
Figura 57: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Estado Entrega....... ...... 69
Figura 58: Espectro 420 Estado Entrega....... ....................................................... 70
Figura 59: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Recocido....... ................ 71
Figura 60: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Recocido....... ................ 71
Figura 61: Espectro 420 bajo tratamiento de Recocido....... ................................. 72
Figura 62: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Templado en Aceite.......
............................................................................................................................... 73
Figura 63: Espectro 420 Temple en Aceite....... .................................................... 73
Figura 64: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Temple en Aire....... ...... 74
Figura 65: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 420 Temple en Aire....... ...... 74
Figura 66: Espectro 420 Temple en Aire............................................................... 75
Figura 67: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 430 Estado Entrega....... ...... 76
Figura 68: Espectro 430 Estado Entrega....... ....................................................... 76
Figura 69: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 430 Recocido....... ................ 77
Figura 70: Microscopía Electrónica de Barrido AISI 430 Recocido....... ................ 77
Figura 71: Espectro 430 Estado Recocido....... ..................................................... 78
Figura 72: Red de puntos para estimación volumétrica en un AISI 316 Temple
Agua 200x...... ........................................................................................................ 79
Figura 73: Fracción Volumétrica 316 Temple en Agua 200x....... ......................... 80
Figura 74: Red de puntos para estimación volumétrica en un AISI 316 Temple
Aire 200x....... ......................................................................................................... 81
Figura 75: Fracción Volumétrica 316 Temple Aire 200x....... ................................ 81
Figura 76: Red de puntos para estimación volumétrica en un AISI 316 Recocido
200x....... ................................................................................................................ 82
Figura 77: Fracción Volumétrica 316 Recocido 200x....... ..................................... 82
Figura 78: Análisis de Fracción volumétrica en software Axiovision en un AISI 420
Recocido 1000x....... .............................................................................................. 83
Figura 79: Fracción Volumétrica 420 Recocido a 1000x....... ................................ 84
Figura 80: Análisis de Fracción volumétrica en software Axiovision en un AISI 420
Temple en Aceite 500x....... ................................................................................... 84
Figura 81: Fracción Volumétrica 420 Temple en Aceite 500x....... ........................ 85
Figura 82: Análisis de Fracción volumétrica en software Axiovision en un AISI 420
Temple en Aire 500x....... ....................................................................................... 85
9
Figura 83: Fracción Volumétrica 420 Temple en Aire 500x....... ........................... 86
Figura 84: Análisis de Fracción volumétrica en software Axiovision en un AISI 420
Estado Entrega 500x....... ...................................................................................... 86
Figura 85: Fracción Volumétrica 420 Estado Entrega 500x....... ........................... 87
Figura 86: Red de puntos para estimación volumétrica en un AISI 430 Estado
Entrega 500x....... ................................................................................................... 87
Figura 87: Fracción Volumétrica 430 Estado Entrega 500x....... ........................... 87
Figura 88: Red de puntos para estimación volumétrica en un AISI 430 Recocido
500x ...................................................................................................................... 88
Figura 89: Fracción Volumétrica 430 Recocido 500x....... ..................................... 88

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