Introducción a la metalografía: Conceptos básicos de la preparación de muestras, técnicas de observación y análisis de microestructuras

La metalografía es la ciencia que estudia las propiedades de los metales y las aleaciones mediante la observación y análisis de su microestructura. Esta disciplina es esencial en la fabricación y producción de materiales, y es una herramienta clave en la resolución de problemas de calidad y rendimiento. En este artículo, se proporcionará una introducción completa a la metalografía, cubriendo los conceptos básicos de la preparación de muestras, técnicas de observación y análisis de microestructuras.

1. ¿Qué es la metalografía?

La metalografía es la rama de la metalurgia que estudia la estructura interna de los metales y aleaciones, así como las propiedades mecánicas y físicas asociadas a esta estructura. La metalografía es fundamental para entender la relación entre la microestructura de los materiales y sus propiedades, y para determinar cómo se comportarán en diferentes condiciones.

1.1. ¿Por qué es importante la metalografía?

La metalografía es una herramienta indispensable para la fabricación y producción de materiales. Al entender la microestructura de un material, es posible optimizar su rendimiento y calidad, y prevenir fallos y defectos en su uso. La metalografía también es útil para la investigación y el desarrollo de nuevos materiales, así como para la resolución de problemas de calidad y rendimiento en la producción.

1.2. ¿Cómo se estudia la microestructura de los metales?

La microestructura de los metales y aleaciones se estudia mediante técnicas de observación y análisis en el microscopio óptico y electrónico. Estas técnicas permiten visualizar y analizar la estructura interna de los materiales a diferentes escalas, desde micrométricas hasta nanométricas.

2. Preparación de muestras metalográficas

La preparación adecuada de muestras es esencial para la observación y análisis de la microestructura de los metales y aleaciones. El proceso de preparación de muestras involucra varias etapas, incluyendo corte, desbaste, pulido, ataque químico y limpieza.

2.1. Corte de muestras metalográficas

El corte es la primera etapa en la preparación de muestras metalográficas y consiste en la separación de una muestra de metal o aleación de su entorno. El corte se realiza con una sierra de corte diamantada o con una cortadora de disco.

Cortadora metalográfica
Cortadora metalográfica

2.2. Desbaste de muestras metalográficas

El desbaste es la segunda etapa en la preparación de muestras metalográficas y consiste en reducir el tamaño de la muestra mediante la eliminación de material. El desbaste se realiza con una lijadora o esmeriladora.

Pulidora metalográfica
Pulidora metalográfica

2.3. Pulido de muestras metalográficas

El pulido es la tercera etapa en la preparación de muestras metalográficas y consiste en el alisado de la superficie de la muestra. El pulido se realiza con una máquina de pulido y papel de lija de diferentes tamaños de grano.

2.4. Ataque químico de muestras metalográficas

El ataque químico es la cuarta etapa en la preparación de muestras metalográficas y consiste en el uso de ácidos u otros reactivos para revelar la microestructura de la muestra. Los ácidos más comunes utilizados en la metalografía son el ácido nítrico, el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico.

2.5. Limpieza de muestras metalográficas

La limpieza es la última etapa en la preparación de muestras metalográficas y consiste en eliminar cualquier residuo de los procesos anteriores. La limpieza se realiza con alcohol, acetona u otros disolventes.

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Alcohol Isopropílico o acetona para limpiar las muestras metalográficas

3. Técnicas de observación de la microestructura

Una vez preparadas las muestras, se pueden observar y analizar mediante diferentes técnicas.

3.1. Microscopía óptica

La microscopía óptica es la técnica más comúnmente utilizada en la metalografía y consiste en la observación de la muestra a través de un microscopio de luz. Esta técnica permite la observación de la microestructura a una escala macroscópica.

Microsopio metalografico invertido DS para metalografia
Microsopio metalografico invertido DS para metalografia

3.2. Microscopía electrónica

La microscopía electrónica es una técnica más avanzada que permite la observación de la microestructura a una escala microscópica. Existen dos tipos de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de barrido (SEM) y el microscopio electrónico de transmisión (TEM).

3.3. Difracción de rayos X

La difracción de rayos X es una técnica que permite la determinación de la estructura cristalina de los materiales. Esta técnica se utiliza para determinar la presencia de fases cristalinas y para analizar la composición química de las mismas.

4. Análisis de la microestructura

El análisis de la microestructura permite determinar las propiedades mecánicas y físicas de los materiales. Este análisis incluye la observación de la morfología de la microestructura, la determinación de la cantidad y distribución de las fases, la medición de las dimensiones de las fases y la determinación de la composición química de las mismas.

Software de análisis de metalografía

4.1. Morfología de la microestructura

La morfología de la microestructura se refiere a la forma y tamaño de las diferentes fases que componen la muestra. La observación de la morfología permite determinar la forma en que las fases interactúan entre sí.

4.2. Cantidad y distribución de las fases

La cantidad y distribución de las fases se refiere a la proporción de cada fase presente en la muestra y cómo están distribuidas en la misma. Esta información es importante para determinar las propiedades mecánicas y físicas del material.

4.3. Medición de las dimensiones de las fases

La medición de las dimensiones de las fases permite determinar el tamaño y la forma de las mismas. Esto es importante para comprender cómo las fases interactúan y afectan las propiedades del material.

4.4. Composición química de las fases

La determinación de la composición química de las fases permite conocer la presencia de elementos y compuestos en la muestra. Esto es importante para entender las propiedades químicas del material.

Conclusiones

La metalografía es una técnica esencial para la investigación y desarrollo de materiales. La preparación de muestras metalográficas es un proceso clave que requiere atención a los detalles y la aplicación de técnicas específicas. La observación y análisis de la microestructura es fundamental para entender las propiedades mecánicas y físicas de los materiales.

Preguntas frecuentes

  1. ¿Qué es la metalografía? La metalografía es una técnica de estudio de los materiales que se enfoca en la observación de la microestructura de los mismos.
  2. ¿Para qué se utiliza la metalografía? La metalografía se utiliza para entender las propiedades mecánicas y físicas de los materiales, lo que es esencial para su investigación y desarrollo.
  3. ¿Cómo se preparan las muestras metalográficas? Las muestras se preparan mediante una serie de procesos que incluyen el corte, pulido, desbaste y ataque químico.
  4. ¿Qué técnicas se utilizan para la observación de la microestructura? Las técnicas más comunes son la microscopía óptica, la microscopía electrónica y la difracción de rayos X.
  5. ¿Qué información se puede obtener del análisis de la microestructura? Se puede obtener información sobre la morfología, cantidad y distribución de las fases, medición de las dimensiones de las fases y composición química de las mismas.

Software para metalografia

TEKNISOFT MET es una solución cuantitativa integral para estudios metalográficos. Los módulos de software disponibles cumplen con todos los estándares nacionales e internacionales equivalentes.

Software para metalografia TEKNISOFT MET

Segmentación: se detecta fase y se estima su área en base a su escala de grises. Se delinean varias fases y se muestran superposiciones de colores en el mismo campo del histograma.

Grafito laminar: El programa cuantitativo automático de un botón proporciona la longitud del grafito y su clase de tamaño designada por números del 1 al 8, sobre la base de la norma A 247 ASTM. El tipo de grafito se designa con letras mayúsculas de la A a la E y se informa sobre la base de su orientación.

Porosidad: De acuerdo con ASTM B 276, la fase oscura de la porosidad se detecta en el plano de bits rojo. El número total de poros se cuenta con mínimo y máximo. Sobre la base del recuento, se informa el tamaño medio de los poros.

Espesor del recubrimiento: Cuatro métodos cubren la medición del espesor local del recubrimiento de metal y óxidos a través de métodos interactivos o automatizados. Estos métodos están disponibles para espesores rectos, curvos y circulares. El software sigue el método industrial ASTM E 1077.

Esferoidización: el asistente evalúa automáticamente el factor de forma de la perlita en las placas de metal.

Grafito esferoidal: el programa separa los nódulos de los no nódulos en función de su esfericidad. El tamaño se designa con los números arábigos del 1 al 8 y se forma con los números del I al VI. Los nódulos por mm2, ferrita, perlita, grafito, carburo se informan en la muestra recuperada.

Tamaño de grano: El método tiene la opción de varios tipos de análisis, a saber: Jeffries planimétrico, recuento planimétrico, intercepción lineal de Heyns, tres círculos de Abrams y ALA de acuerdo con los métodos ASTM E 112. El asistente informa el número de grano y la longitud media de la intersección con alta precisión.

Descarburación: el módulo proporciona la medición de la descarburación total / parcial de la superficie del acero. El método sigue ASTM E 1077-91.

Inclusión no metálica: el método de prueba requiere un campo de 0,5 mm. La expresión de los resultados se encuentra en el Grupo A, B, C, D junto con la segmentación de delgado / grueso y su nivel de severidad según ASTM E 45.

UN ALGORITMO DE APRENDIZAJE AUTOMÁTICO PARA EL ANÁLISIS ÓPTICO DE ALTO RENDIMIENTO DE ESTRUCTURAS MARTENSÍTICAS.

Los granos martensíticos son difíciles de analizar 

La martensita, una de las estructuras de acero más duras, se forma cuando la austenita se enfría rápidamente a baja temperatura. Esto evita la difusión de carbono y la formación de perlita o bainita [ 1 ] pero crea placas delgadas o morfologías de listones [ 2 ]. Las características específicas de esta microestructura hacen que el análisis óptico de granos martensíticos sea un desafío. 

Los granos martensíticos se vuelven más finos a medida que aumenta el contenido de carbono, cambiando de la morfología de listones a placas [ 3 ]. Sin embargo, esto reduce las formas estructurales distintivas, lo que obliga a los médicos a medir el tamaño de los granos de austenita anteriores para interpretar la transformación martensítica y optimizar las condiciones del tratamiento térmico [ 3 ]. Además, en los aceros con bajo contenido de carbono, el procedimiento de grabado no puede revelar muy bien los límites previos de austenita, lo que lleva a los laboratorios a depender a menudo del ojo humano para distinguir y clasificar los granos martensíticos.  

Para empeorar las cosas, la técnica de umbralización común utilizada en el software de análisis de imágenes automatizado no es satisfactoria para este tipo de imagen ( Fig. 1 ). En el umbral de nivel de gris, usamos la distribución de valores de píxeles en una imagen en blanco y negro y seleccionamos un valor de píxel, o umbral, para separar de manera óptima dos grupos de píxeles. Por lo tanto, este método funciona mejor con fases claramente definidas que forman picos separables en la distribución de valores de píxeles. Pero en superficies martensíticas, los niveles de gris pueden distribuirse sin picos distintos ( Fig. 1a ), o los granos pueden contener una mezcla de ambos grupos de píxeles. Esto hace que la creación de umbrales sea ineficaz para dividir o segmentar la imagen en regiones de granulado de interés ( Fig. 1b ). 

Diagrama de Fases martensita

Las propiedades especiales de la microestructura martensítica hacen que sus granos se vean diferentes entre sí y en diferentes imágenes. Nuestro algoritmo funciona fuera de la caja, sin requerir una anotación laboriosa de estos granos variables o conocimiento a priori sobre sus tipos y número. Por lo tanto, el método no es específico para un tipo especial de superficie y se puede aplicar con éxito a diferentes estructuras martensíticas ajustando algunos parámetros. Esto también significa que el método puede rastrear cualquier cambio microestructural inesperado en la línea de producción de un día a otro.

La técnica es computacionalmente eficiente, lo que permite una rápida identificación de granos martensíticos y, por lo tanto, es de alto rendimiento y adecuada para análisis en tiempo real. Debido a la facilidad de uso y la ausencia de criterios que dependen del usuario, como un umbral, el método minimiza la variabilidad entre operadores y aumenta la reproducibilidad. Nuestro método también es resistente a la variabilidad en los factores de adquisición de imágenes, como la iluminación.

Referencias 

[1] WD Callister y DG Rethwisch, Ciencia e ingeniería de materiales: introducción, octava edición, Wiley Global Education, Nueva York, 2009 

[2] H. Bhadeshia y R. Honeycombe, Aceros: microestructura y propiedades 4a edición, Elsevier Ltd, 2017 

[3] GF Vander Voort, Manual ASM, Volumen 9: Metalografía y microestructuras, 2004, págs. 670-700.