Introducción a la Metalurgia de la Soldadura
Ing. Audun Olsen
Objetivos
Distinguir los diferentes constituyentes micro estructurales del acero Relacionar la micro estructura del acero con sus propiedades mecánicas Identificar las variables mas importantes para la realización de tratamientos térmicos en el acero Comparar diferentes tipos de aceros con su capacidad para ser tratados térmicamente comprender la relación entre los aspectos micro estructurales y la soldabilidad de los aceros
LAS ALEACIONES HIERRO-CARBONO
Hablar de acero es hablar del material metálico mas conocido y empleado en todo el mundo. Este material tiene cualidades extraordinarias que lo han convertido en el material metálico mas empleado en nuestro planeta. Posee cualidades como su buena resistencia mecánica y su gran conformabilidad. Lo mas sorprendente es su capacidad para cambiar sus propiedades mecánicas tan solo calentandolo a determinadas temperaturas y enfriandolo adecuadamente. El acero, ¿es acaso hierro puro?, ¿qué lo diferencia del hierro?, ¿cuántos tipos de acero existe? ¿cómo se logra modificar las propiedades?, ¿cómo se selecciona?
EL HIERRO Y SUS ALEACIONES
El hierro es el metal mas abundante de la naturaleza, aprox. 5,06% No se encuentra en estado nativo, en cantidades de interés industrial El hierro se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos o carbonatos. El hierro siempre esta unido a cantidades variables de otros elementos, tales como C, Mn, Si, P, S, Cu, etc El hierro mas puro obtenido por métodos industriales es el llamado hierro Armco, producido en hornos Martin-Siemens.
EL HIERRO Y SUS ALEACIONES
Su densidad es de 7,868 gr./cm3 Composición quí mica: mica:
%Fe > 99,8 %P 0,005
%C 0,012 %Mn 0,017 %S 0,025% %Si Trazas
El Fe puede encontrarse en estado liquido, sólido o gaseoso. Pero el Fe no solo sufre los cambios de estado en función de la temperatura, sino que también sufre transformaciones en estado sólido.
ESTRUCTURA CRISTALINA
Viaje al interior de los metales Los materiales tienen estructuras cristalinas simples que se pueden representar a través de tres ordenamientos atómicos: Estructura cubica centrada en el cuerpo (BCC) Estructura cubica centrada en las caras (FCC) Estructura hexagonal compacta (HC) La mayorí a de los metales se cristalizan en estos tres sistemas.
(BCC) (FCC) (HC)
Au, Al, Cu, Pb, Feα, Ni, Ag Cr, Mo, Feγ, W, V Cd, Zn, Mg, Co, Ti, Zr
Metales con (BCC) son mas dúctiles.
TRANSFORMACION ALOTROPICA DEL Fe
Cualidad del material de cambiar de ordenamiento atómico (estructura cristalina) con la temperatura. De1539°C a 1392°C
De 1392°C a 911°C
Fe tiene (BCC) Feδ (hierro delta) Fe tiene (FCC) Feγ (hierro gamma)
Debajo de 911°C
Fe tiene (BCC) Feα (hierro alfa)
PROPIEDADES DEL HIERRO
Esfuerzo de rotura Esfuerzo de fluencia Alargamiento (en 2” ) Dureza Brinell
28-32 Kg/mm2 12,5-17,5 Kg/mm2 45% 70-90 HB
MIRANDO EL INTERIOR DE LOS METALES
Al observar al microscopio una superficie pulida de un metal nos es imposible observar los átomos pues ellos son de tamaño sub-microscópico. Lo que observamos es una superficie que representa a la agrupación de millones de millones de estos átomos ordenados cristalinamente.
MIRANDO EL INTERIOR DE LOS METALES
OBSERVACION METALOGRAFICA
Para observar un metal al microscopio la superficie debe estar debidamente pulida y atacada quí micamente. micamente. Las lí neas neas oscuras que se observan en la imagen metalografica de un metal puro son los limites de grano, y nos permite conocer el tamaño de los granos que conforman este metal
TAMAÑO DE GRANO
El tamaño de grano influye de manera importante sobre las propiedades mecánicas del metal. Cuando el metal esta constituido por una micro estructura de grano fino, las propiedades son mejores que las del mismo metal con grano grueso. Este crecimiento se debe a la temperatura y el tiempo.
EL ACERO
Al mezclar hierro con pequeñas cantidades de carbono estamos creando un nuevo material conocidos por todos como acero. El acero no es un metal puro sino es una aleación, que es una combinación de un metal con otros elementos quí micos. micos. El contenido de C sirve de base para establecer una primera clasificación de los productos siderúrgicos:
Aceros Fundiciones
si el C < 2% si el C > 2%
EL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DEL SISTEMA Fe-C
Este diagrama nos sirve para conocer la fase o fases existentes en una aleación con una determinada composición quí mica. mica. Al igual que ocurre con los metales alotrópicos, ciertas aleaciones pueden modificar sus fases con la temperatura. El diagrama Fe-C se observa varias transformaciones es estado sólido que producen la formación de diferentes fases. Cuando observamos un acero al microscopio podemos diferenciar claramente cada fase presente en el. El acero esta constituido por constituyentes, como la ferrita, austenita, ferrita delta, cementita.
QUE INFORMACION PODEMOS EXTRAER DEL DIAGRAMA Fe-C
RESUMEN
Los metales poseen, en estado sólido, una estructura atómica ordenada que recibe el nombre de estructura cristalina. Los metales poseen básicamente tres tipos de ordenamientos atómicos: BCC, FCC y HC Los metales con estructura BCC son mas dúctiles y tenaces que los metales con estructura HC y FCC La estructura cristalina tiene una influencia importante en las propiedades mecánicas de los metales. Algunos metales pueden cambiar su estructura cristalina con la temperatura (alotropí a) a) El hierro es un metal alotrópico que tiene una estructura BCC a temperatura ambiente y FCC por encima de los 911°C
RESUMEN
El acero es una aleación de hierro con carbono El carbono le confiere al acero un incremento notable en su resistencia mecánica. El acero al igual que el hierro sufre transformaciones micro estructurales en estado sólido que depende de su %C El diagrama de equilibrio es un mapa que permite conocer que fases y a que temperatura están presentes en una aleación en condiciones de equilibrio Las condiciones de equilibrio se alcanzan a través de calentamiento y/o enfriamiento muy lento La austenita, la cementita y la ferrita son fases del acero en estado de equilibrio.
EL ACERO EN ESTADO DE EQUILIBRIO
Los Micro constituyentes
Ferrita delta ( ) Aparece a temperaturas superiores a los 1495°C Es una solución sólida intersticial de C en hierro BCC Su extensión reducida, existe a elevadas temp. Y la imposibilidad de retenerlo a temp. ambiente, hace que sea dif í ícilmente cilmente observable, no ejerce influencia sobre las propiedades mecánicas Austenita ( ) Es una solución sólida intersticial de C en hierro FCC Se encuentra en equilibrio en los aceros a temp. Superiores a A3 Se le puede retener a temperatura ambiente mediante enfriamientos suficientemente enérgicos, aceros aleados. R.T. 88-105 kg/mm2, 300HB La austenita es no magnética Los granos de austenita son de forma poliédrica, limitados por caras relativamente planas
Los Micro constituyentes
Ferrita ( ) Es una solución sólida intersticial de C en hierro BCC Es el constituyente mas blando del acero R.T. 28 kg/mm2, %E 35%, 90HB Es estable hasta una temp. aprox. 911°C, por encima se transforma en austenita. Esta como una fase libre en aceros de hasta 0,8%, para mayores contenidos de C, la Ferrita conforma la Perlita Cementita Es un compuesto quí mico mico constituido por Fe y C, de formula Fe3C y que contiene 6,67%C Es el constituyente mas duro de los aceros, 750HB o 68HRc Siempre esta acompañada de ferrita o austenita
Los Micro constituyentes
Perlita No es una fase como la ferrita, la austenita o la cementita, sino un agregado de dos fases (ferrita y cementita), cuyas proporciones en peso son 88% y 12% respectivamente. Esta constituida por laminas de ferita y de cementita, adquiriendo un aspecto laminar El contenido medio en C de la perlita es de 0,8% C La micro estructura de un acero de 0,8%C es 100% perlita
ESTRUTURA DE LOS ACEROS EN ESTADO DE EQUILIBRIO
Ahora veremos como se presenta estos constituyentes en la micro estructura de un acero en función de su %C. Se analizara solamente lo que ocurre con el acero cuando es calentado y enfriado muy lentamente, en estado sólido. Desde temperatura ambiente hasta los 1250°C. La transformación alotrópica no ocurrirá a una temperatura fija (911°C), sino dentro de un rango de temperaturas, de manera que obtendrá dos fases (austenita + ferrita). En fig. 18 analizaremos que ocurre con estas transformaciones en tres aceros distintos, 0,3%C, otro con 0,8% y el ultimo con 1,0%C.
ESTRUTURA DE LOS ACEROS EN ESTADO DE EQUILIBRIO
1° caso.- 0,3%C, punto (A) solo austenita, luego un
rango de temp. que coexiste en su micro estructura austenita y ferrita (BC), menor a 723°C la austenita desaparece totalmente, apareciendo ferrita y cementita (CD). 2° caso.- 1,0%C, punto (E) solo austenita, luego se enfrí a, a, alcanza la zona de dominio bif ásico ( + Fe3C), donde parte de la austenita comienza a transformarse en cementita (FG), finalmente cuando llega a los 723°C, toda la austenita restante se transforma a ferrita + cementita. 3° caso.- 0,8%C, a elevadas temp. Es 100% austenita, a 723°C la austenita se transforma en ferrita y cementita.
ESTRUTURA DE LOS ACEROS EN ESTADO DE EQUILIBRIO
La austenitan se transforma a temperatura A1(723°C).en ferrita + cementita,esta transformación en estado sólido es completamente reversible, esta reacción de fases se conoce como reacci ón eutectoide Austenita
Ferrita + Cementita
La reacción eutectoide se produce en el diagrama FeC a una temperatura fija y con una composición quí mica mica única. Este punto corresponde a la temperatura de 723°C y a un %C de 0,8 y recibe el nombre de punto eutectoide. El acero que tiene justamente 0,8%C se le llama acero eutectoide. Los aceros con un contenido menor a 0,8%C se les llama aceros hipo-eutectoides, y los de %C>0,8 reciben el nombre aceros hiper-eutectoides
ACEROS HIPOEUTECTOIDES (<0,8%C)
Supongamos que calentamos un acero de 0,3%C, hasta la temperatura de austenizado (100% austenita) 930°C Enfriamos lentamente hasta alcanzar 750°C, si observamos al microscopio, verí amos amos que parte de la austenita ha sido transformada en ferrita. Esta ferrita que se forma inicialmente se le lama ferrita primaria o proeutectoide
Si continuamos enfriando lentamente hasta alcanzar 723°C, la austenita restante se transforma de acuerdo a la reacción eutectoide en ferrita y cementita laminar dando lugar a la perlita La ferrita primaria ya no sufre ninguna transformación, y resultado final seria ferrita proeutectoide + perlita
ACEROS HIPOEUTECTOIDES (<0,8%C)
Los aceros hipoeutectoides con 0,3 < %C < 0,45 suelen emplearse para la fabricación de elementos mecánicos (tratables térmicamente) Los aceros con %C < 0,2 suelen tener aplicación estructural y también algunos de ellos (aleados) se emplean en la fabricación de elementos de maquinas sometidos a tratamientos termoquí micos micos de carburización (cementación) Los aceros de %C >0,5 pueden emplearse en la fabricación de muelles y resortes tratados térmicamente.
ACEROS EUTECTOIDES (0,8%C)
Presenta una micro estructura 100% perlita La perlita esta formada por placas de ferrita y cementita, el fondo mas claro representa la ferrita que es la fase continua y equivale al 88% en peso del total, las laminas oscuras pertenecen a la cementita Los aceros eutectoides son aceros empleados en la fabricación de herramientas de corte, muelles y resortes o calibres para medici ón. Son aceros que pueden adquirir una elevada dureza después de ser sometidos al tratamiento térmico de temple.
ACEROS HIPOEUTECTOIDES (>,8%C)
En la Fig. 23 muestra una acero hipereutectoide con 1,1% de C. Se observa que la cementita proeutectoide o primaria, que precipito en los bordes de los granos originales de austenita, reproduce el contorno de estos. En lo que fue un grano de austenita aparecen varias colonias de perlita Los aceros hiper-eutectoides por su elevado %C son empleados para la fabricación de herramientas, aunque pueden ser empleados para fabricar rodamientos y patrones de calibración e instrumentos de medición.
PROPIEDADES MECANICAS
Las propiedades mecánicas de los aceros en estado de equilibrio dependen de las fases presentes en su micro estructura y de su distribución. La ferrita es blanda, poco resistente y muy deformable. La cementita es dura, resistente y muy frágil. La perlita combina ambas propiedades y tiene buena resistencia y dureza, así como una deformabilidad aceptable. Los aceros hipo-eutectoides están constituidos por una estructura continua de granos de ferrita en la que intercalan colonias de perlita. Son por tanto, bastante dúctiles y resistentes, reduciendo su ductilidad y aumentando la resistencia mecánica y la dureza conforme aumenta la perlita a medida que aumenta el contenido de C
Propiedades Mecánicas de los aceros al C, Recocidos y Normalizados en función del %C (Kg/mm2)
LOS ACEROS FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO
¿Que es un tratamiento térmico? Es una secuencia de calentamiento, permanencia a la temperatura de tratamiento y enfriamiento hasta la temperatura ambiente, elegidos adecuadamente para conseguir determinadas propiedades en el material. Un acero sometido a tratamientos térmicos puede alcanzar una resistencia mecánica de hasta 250% mayor que en su condición de recocido El secreto del notable incremento de las propiedades del acero, radica en los cambios micro estructurales que este puede alcanzar en condiciones fuera de equilibrio.
¿Que significa un acero en condiciones fuera de equilibrio?
Sabemos que un acero esta en condiciones de equilibrio cuando es calentado y enfriado muy lentamente de manera que las fases presentes correspondan al diagrama Fe -C. Si el acero es enfriado rápidamente, entonces la micro estructura que se obtiene varia mucho con respecto a la que se esperarí a de acuerdo al diagrama de equilibrio. En estas condiciones se dice que el acero ha sufrido transformaciones fuera del equilibrio. Los aceros que se calienta y enfrí an an en condiciones de equilibrio sufren transformaciones reversibles. En cambio los aceros que son enfriados r ápidamente desde su temperatura de austenizacion sufren transformaciones fuera de equilibrio que provocan transformaciones irreversibles
¿Que significa un acero en condiciones fuera de equilibrio?
Cuando uno calienta el acero hasta alcanzar una temperatura de austenización y luego lo enfrí a hasta la temp. Ambiente, su resistencia se incrementa conforme aumenta la velocidad de enfriamiento desde la temp. De austenización. En la practica, tenemos la posibilidad de modificar la estructur a de los aceros sometiendolos a ciclos t érmicos, a los que llamamos tratamientos térmicos. De esta forma, un mismo acero puede presentar, a temp. ambiente, diferentes micro estructuras, a las que corresponden propiedades mecánicas igualmente distintas. Las estructuras que se consigue con los tratamientos térmicos, no son estructuras de equilibrio, sino que han de considerarse inestables, es decir, que en presencia de ligeros calentamientos pueden sufrir grandes cambios. Pero estable a temp. amb.
LAS TRANSFORMACIONES DE LA AUSTENITA
L a austenita es la fase clave para casi todos los tratamientos térmicos del acero. Es punto de partida de aquellos tratamientos que impliquen una transformación micro estructural en estado sólido del acero. El recocido, el normalizado y el temple, se inician con un calentamiento del acero hasta temp. A la cual la micro estructura es austenita, manteniendo el tiempo suficiente para lograr su austenizaci ón completa. La austenización hace desaparecer cualquier micro estructura anterior para luego, mediante enfriamientos adecuados, transformar el acero a una gran variedad de micro estructuras (y de propiedades mecánicas)
BAINITA - MARTENSITA
Cuando las velocidades de enfriamiento se incrementan, la micro estructura del acero empieza a presentar un nuevo constituyente denominado “bainita” . La bainita tiene una morfologí a de tipo acicular donde las agujas están constituidas por ferrita con carburos finamente dispersos. La bainita es de mayor dureza que la perlita pero mucho mas tenaz Aumentando aun mas la velocidad de enfriamiento se consigue un nuevo constituyente mas duro que la bainita y de morfologí a acicular conocido como “martensita” .
LAS CURVAS TTT O DE LA “S”
Estudio realizado en la década de los 20 por Bain y Davenport Estudiaron la transformación isotérmica de la austenita a diversas temperaturas., examinando los nuevos micro constituyentes que se formaban según la temperatura a la que se transforma la austenita. Sus conclusiones condujeron al trazado de las famosas curvas de la S de transformación isotérmica de la austenita, llama también curvas TTT(Temp. Tiempo, Transformación). El acero elegido para el estudio fue un acero al C eutectoide (0,8%)
LAS CURVAS TTT O DE LA “S”
De la curva se puede apreciar que para alcanzar la transformación isotérmica de la austenita, el acero es enfriado desde la temp. De austenización hasta una temp. Inferior a Ac1(723). El enfriamiento se realiza en un baño de sales fundidas y se lo mantiene en El el tiempo necesario para que ocurra la transformación de la austenita. Esta transformación ocurre isotermicamente, es decir, manteniendolo a una temperatura determinada por un tiempo determinado, la austenita se transformo en un nuevo constituyente, el cual se mantendrá estable hasta temp. amb.
ZONA DE FORMACION DE LA PERLITA (A1 A 550°C)
ZONA DE FORMACION DE LA MARTENSITA (debajo de Ms)
CURVA DE DUREZA DE UN ACERO TEMPLADO EN FUNCION DEL %C
INFLUENCIA DEL REVENIDO EN PROPIEDADES MECANICAS
Propiedades Mecánicas
Los metales pueden estar sometidos a cargas de tres tipos:
ESTATICAS, una carga es estática cuando es invariable o su magnitud crece de forma lenta. Camión sobre un puente. DINAMICA, una carga es dinámica cuando actúa de forma instantánea o aumenta su magnitud de forma rápida. Golpes e impactos. CICLICA, una carga es cí clica clica cuando cambia de magnitud o dirección de forma cí clica clica o alternada. Cigüeñal.
Los esfuerzos sobre un material pueden ser de diferentes tipos: tracción, compresión, corte, flexión y torsión.
Se acostumbra a clasificar las propiedades mecánicas de los metales en dos grandes grupos: 1.-RESISTENCIA, que miden la aptitud del material para resistir cargas estáticas.
La resistencia que es aptitud de un material para resistir las fuerzas que tienen a su rotura o a causar deformaciones permanentes La dureza que es la resistencia que oponen los metales a ser penetrados superficialmente
2.- DEFORMABILIDAD, capacidad para soportar cargas dinámicas sin romperse y aceptar sin grietas o fracturas. ELASTICIDAD,TENACIDAD y RESILIENCIA
