Escuela de Ciencia e Ingeniería de los Materiales

Las aleaciones metálicas sufren transformaciones microestructurales y por consiguiente en sus propiedades (mecánicas, físicas, etc.) al ser sometidas al calor. El tratamiento térmico es un proceso de manufactura que busca aprovechar dichos cambios para regenerar la miscroestructura o variarla según los requerimientos que se desean.

a. Recocido total: regenera la microestructura de la aleación llevando a su estado de mayor equilibro. Con este tratamiento se obtiene el material en su estado más blando posible, siendo esto ideal para mecanizados fuertes, eliminación del temple y eliminación de fases en inequilibrio.

b. Recocido de recristalización: se aplica a materiales que han sido fuertemente deformados en frío. Con este tratamiento se refina el grano, disminuye la dureza y aumenta la trabajabilidad de la aleación.

c. Normalizado: tratamiento que se utiliza para regenerar la microestructura de la aleación. Se puede utilizar como tratamiento térmico final y genera un material de mejor resistencia que el recocido total, mayor dureza pero blando para mecanizar.

d. Temple y revenido: tratamiento utilizado para endurecer aleaciones de hierro (aceros y fundiciones). Genera la máxima dureza en el material (55-68 HRc)

Los tratamientos termoquímicos son utilizados para cambiar la composición química de la aleación metálica en su superficie mediante la introducción de un elemento químico por difusión haciendo uso de un tratamiento térmico.

a. Nitruración: se usa en aleaciones ferrosas (aceros y hierros fundidos) para producir una capa de nitruros en la superficie del material que aumenta la resistencia a la fatiga, corrosión y dureza superficial del material. Utilizamos el proceso patentado Tenifer.

b. QPQ (quench-polish-quench): es un endurecimiento superficial por nitrocarburos que aumenta la resistencia a la corrosión y vida a la fatiga. A veces se conoce con el nombre de Tufftride, Tenifer o Melonite. Tres pasos están involucrados: nitrocarburación ("enfriamiento"), pulido y post-oxidación ("enfriamiento"). Este proceso se usa a menudo cuando se requieren dos o más de las siguientes propiedades en una pieza de trabajo: resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, lubricidad y resistencia a la fatiga. Las aplicaciones comunes del proceso son para varillas de pistón de amortiguadores, cilindros y varillas para sistemas hidráulicos, bombas, ejes, husillos y válvulas.

c. Cementado: se usa en aceros al bajo carbono (contenido máx de carbono 0,3 wt.%). Se introduce carbono en la superficie para obtener una capa más dura (60 HRc) de alta resistencia mecánica y un núcleo tenaz.

La metalografía es el estudio de la microestructura de los materiales. El análisis de una microestructura de materiales nos ayuda a determinar si el material se ha procesado correctamente y, por lo tanto, es un paso crítico para determinar la confiabilidad del producto y determinar por qué falló un material. Los pasos básicos para la preparación adecuada de muestras metalográficas incluyen: selección y corte de la muestra, montaje, lijado, pulido y ataque. Norma: ASTM E3, ASTM A247, ASTM E1558, ASTM E381, ASTM E407, ASTM E340, ASTM E112, ASTM E45, etc.

• Dureza Rockwell: La escala de Rockwell es una escala de dureza basada en la dureza de indentación de un material (generalmente una aleación metálica). La prueba de Rockwell determina la dureza midiendo la profundidad de penetración de un penetrador bajo una gran carga en comparación con la penetración hecha por una precarga. Contamos con mediciones en la escala: A, B y C. Norma: ASTM E18.
• Dureza Rockwell superficial: escala utilizada para materiales más delgados o recubrimientos gruesos.
• Dureza Vickers: es una escala de gran exactitud con la que se pueden evaluar todo tipo de materiales, recubrimientos, capas delgadas, entre otros. Norma: ASTM E92, ASTM E384.
• Dureza Shore A: utilizada para la medición de dureza en polímeros. Norma: ASTM D2240.

El análisis de fallas es un proceso crítico para determinar las causas físicas de un problema. El proceso es complejo, recurre a muchas diferentes técnicas y usa una variedad de observaciones, inspecciones y técnicas de laboratorio. Uno de los factores clave para realizar correctamente un análisis de fallas es mantener la mente abierta al examinar y analizar la evidencia para fomentar una perspectiva clara e imparcial de la falla. En ciertas circunstancias, se requiere la colaboración de expertos en otras disciplinas para integrar el análisis de la evidencia con una comprensión cuantitativa de los factores estresantes y la información básica sobre el diseño, la fabricación y el historial de servicio del producto o sistema fallido.

Por las razones mencionadas anteriormente se le solicita inicialmente al cliente que entregue la muestra con la información necesaria para poder realizar una cotización y así evaluar las técnicas que serán utilizadas en el análisis de falla.

Es un método instrumental de la química analítica que permite medir las concentraciones específicas de un material en una mezcla y determinar una gran variedad de elementos. Esta técnica se utiliza para determinar la concentración de un elemento particular en una muestra, en nuestro caso se analizan muestras metálicas sólidas, donde el equipo tiene ocho bases de datos para analizar diferentes aleaciones que se enlistan a continuación:

• Fundiciones de hierro.
• Aceros al carbono
• Aceros Inoxidables
• Aceros Herramienta
• Cobres
• Aluminios
• Níquel
• Monel

Para el análisis calorimétrico de barrido se cuenta con un equipo de DSC con capacidad de -90 hasta 550 °C, alta sensibilidad y calibración con estándar de zafiro para capacidad calorífica e Indio para temperatura y entalpía de reacción. Permite identificar reacciones en materiales tales como cambio de fase, estructura y capacidad calórica con la temperatura, tanto en calentamiento como enfriamiento, análisis cíclicos y modulados.

Análisis térmicos de sustancias sólidas y líquidas sometidas a temperaturas de hasta 1100 °C en presencia de atmósfera inerte (nitrógeno) o atmósfera oxidante (aire) en termogravimetría y calorimetría simultánea. Sistema de medición cuenta Análisis Termogravimétrico simultáneo con Calorimetría de Barrido Diferencial, en colaboración con el Centro de Investigación y de Servicios Químicos y Microbiológicos (CEQIATEC) del TEC.

Análisis de muestras sólidas y líquidas para determinación cualitativa de componentes químicos. Se encuentran disponibles las técnicas de transmisión y de reflexión total atenuada en espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier en colaboración con el Centro de Investigación y de Servicios Químicos y Microbiológicos (CEQIATEC) del TEC.

Por medio de un Zeta-Sizer se puede determinar el tamaño de partículas (<20 µm) es suspención, así como el potencial zeta (carga) de la partícula en diversos medios (agua, solventes, etc). Norma: ASTM E2865.

Este laboratorio cuenta con un difractometro PANalytical Empyrean el cual es un equipo único en Costa Rica que posee características sobresalientes en el análisis de fases o compuestos cristalográficos de una sustancia o material.

Los análisis que se realizan deben de contar diariamente con un control usando un estándar de Silicio. Además, el laboratorio cuenta con estándares de calibración de posición lineal y forma NIST SRM 660c, Lanthanum hexaboride en polvo, NIST 640e polvo de Silicio, NIST 1976b disco de alúmina y NIST 676a polvo de alúmina.

Adicionalmente, este equipo tiene un colimador de platos paralelos y una mesa que permiten la medición de películas delgadas con la técnica de difracción de rayos-X.

 Se brinda asesorías de análisis de fases y composición química de sustancias cristalinas

En colaboración con el Laboratorio Institucional de Microscopía del Tecnológico se realizan los siguientes análisis por microscopía:

De barrido (SEM)

1.   Análisis topográfico de muestras.

2.   Metalografía, caracterización de tamaño de grano y la estructura de fases de materiales metálicos y aleaciones, presencia de precipitados, fases y dispersoides en la micro-escala.

3.   Determinación del tamaño de grano, orientación preferencial y texturas de deformación plástica.

4.   Determinación de la composición química mediante microanálisis.

De Transmisión (TEM)

1.   Análisis cualitativo y cuantitativo de microestructuras cristalinas, capas delgadas, material micro- y nano- particulado, materiales compuestos y semiconductores.
2.         Cristalografía y determinación de la estructura cristalina de materiales metálicos, cerámicos y compuestos.
3.         Determinación del tamaño de grano, densidad de dislocaciones y otros defectos en la estructura, determinación de la composición química mediante microanálisis.
4.         Determinación de la morfología de precipitados, impurezas y otras partículas micro y nanométricas, dispersas en la matriz de un material.

Ensayos Mecánicos

En este laboratorio se realizan los siguientes análisis:

• Tracción
• Torsión
• Compresión
• Flexión
• Fatiga Axial
• Fatiga Torsional

En este laboratorio se realizan análisis de tracción, compresión, flexión de tres y cuatro puntos, torsión, fatiga axial, fatiga torsional. Se tiene dos equipos:

• Tinnius Olsen universal testing system model H50SK con una celda de carga de ±50KN. Este es un equipo electromecánico empleado para ensayos monotonicos de tracción, compresión y flexión.
• MTS Bionix axial-torsional Tabletop Test Systems. Este sistema servohidraulico es empleado apra análisis monotonicos de tracción, compression, flexion, torsión así como para ensayos cíclicos (fatiga) axiales y torsionales. Este sistema cuenta con:

· Espacio de ensayo vertical : 30 - 714 mm (1.2 - 28.1 in)

· Espacio entre columnas: 460 mm (18.1 in)

· Distancia de movimiento del Stroke: ± 50 mm (1.9685 in)

· Fuerza dinámica: ± 25 kN (5.5 kip)

· Capacidad torsional: ±220 N-m (2000 in-lb)

· Celda de carga adicional: Axial Torsional Load Cell ±2.5 kN /± 25 N-M (550 lbf / 250 in-lbf)

El costo dependerá del tipo de análisis requerido.

Se brinda asesorías de estudios mecánicos de materiales, procesos y estructuras.

Este tipo de ensayos aplicables a diferentes tipos de materiales tienen por objetivo determinar el grado de calidad e integridad física de componentes estructurales tales como tanques de almacenamiento estacionarios o móviles, tuberías, soldaduras en general ubicadas en puentes, calderas, edificios y cualquier otro elemento que amerite ser estudiado sin que sus condiciones de funcionamiento se vean afectadas.

• Radiografía Industrial: empleo de generadores de Rayos X para la obtención de imágenes de alta calidad y definición, por medio de la más avanzada tecnología de la radiografía digital donde los resultados son inmediatos y a la mano del cliente al momento de la inspección
• Ultrasonido Industrial (medición de espesores y detección de fallas): Equipos de última generación empleados para el estudio interno de los materiales utilizando barridos tipo A, tipo B y sectoriales empleando la tecnología de arreglo de fases.
• Pruebas Hidrostáticas: Determinación de la hermeticidad de recipientes que vayan a estar sometidos a diferentes presiones de trabajo.
• Líquidos penetrantes: Empleo de tintas de muy alta capilaridad aplicadas para la detección de discontinuidades abiertas a la superficie, empleando técnicas coloreadas y fluorescentes, con alto nivel de sensibilidad.
• Partículas Magnéticas: Método aplicable a materiales ferromagnéticos empleado para la detección de discontinuidades superficiales y subsuperficiales aplicando la técnica de magnetización con yugo electromagnético y partículas coloreadas o fluorescentes, cuya versatilidad para adecuarse a geometrías complejas es alta.
• Inspección visual: Gran experiencia en la detección de diferentes tipos de discontinuidades originadas por los diferentes procesos de fabricación tales como fundición, laminación, forja, trefilado, soldadura, entre otros.

 Se cuenta con personal altamente calificado y certificado (niveles III en radiografía industrial y ultrasonido industrial) con basta experiencia gracias a la participación en múltiples proyectos de renombre a nivel nacional. Con estricto apego a procedimientos basados en normativa internacional actualizada como ASTM, AWS, API, ASME.

• Ensayo de corrosión acelerada (cámara salina) (ATSM A117): este es un ensayo comparativo que se utiliza para evaluar materiales (aleaciones) y recubrimientos (ejemplo: pinturas, galvanizados, etc) en condiciones extremas.
• Curvas potenciodinámicas de polarización: técnica utilizada para determinar la cinética (velocidad de corrosión) y estabilidad de una muestra metálicas (con o sin modificación superficial, e.j. pintura) en un fluido. Ideal para metales que trabajan a inmersión, valoración de recubrimientos, determinación de potenciales de pasivación, potenciales de protección catódica, etc.Norma: ASTM G59, ASTM G5, ASTM G61, ASTM F2129, ASTM D6208.
• Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS)
• Estudios de sensibilización en aceros inoxidables (ASTM A262, A763): este método se utiliza para determinar una posible sensibilización en los aceros inoxidables y sus efectos en la velocidad de corrosión y propiedades mecánicas. La sensibilización puede ser ocasionada por l proceso de soldadura o ciclos térmicos a los que el material se ha visto expuesto.
• Determinación de espesor de capa metálica
• Determinación de espesor en película seca para recubrimientos poliméricos (pinturas) Según Norma PA-2
• Prueba de adherencia (ASTM D3359 y ASTM D 4541)

El Centro de Investigación y Extensión en Materiales, cuenta con profesionales con más de 20 años de experiencia en la industria nacional y le ofrece asesoría en los campos de: Metales, Polímeros, Cerámicos, Corrosión, Caracterización de Materiales, Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas, Extracción y Refinación de Metales, Recubrimientos, Soldadura, Mecanizado, Conformado de Materiales, Fundición, etc.