06 metalurgia del acero

8/6/2019 06 Metalurgia Del Acero

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METALURGIA DELACERO



SISTEMAS CRISTALINOS

Los metales al estado sólido presentan estructura

cristalina, esto es, los átomos que lo constituyen

están dispuestos de una manera organizada y periódica.

Esta disposición típica se llama ³celda unidad´ o

³celdilla´.

METALURGIA DEL ACERO



SISTEMA CRISTALINO CÚBICO DECUERPO CENTRADO.




SISTEMA CRISTALINO DE CARAS CENTRADAS.





Estructura normal de un metal puro

DEFORMACIÓN



ALEACIONES METÁLICAS.La estructura cristalina (red) de un metal puro es,

teóricamente, uniforme en todas las direcciones.

En la medida que existan impurezas o átomos de

naturaleza diferente del metal puro, la estructura

cristalina se va distorsionando.




SOLUCIONES SÓLIDAS


So u ón Sólida In icial Solución Sólida Sustitucional



La distorsión de la red hace más difícil el

deslizamiento de los planos atómicos, esto hace

que el metal sea más resistente.

El adicionarle elementos de aleación a los metales

puros es el principal mecanismo responsable por el

aumento de la resistencia.




NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DEGRANO.

Cuando un metal al estado líquido, en un proceso de

enfriamiento lento y continuo, alcanza latemperatura de solidificación, se comienzan a

formar algunas partículas sólidas llamadas núcleos,.

El crecimiento de cada núcleo individualmentegenera partículas sólidas llamadas granos




Nucleación y crecimiento de granos

El arreglo y tamaño de los granos y las fases presentes enuna aleación constituyen lo que se llama microestructura,que es la responsable de las propiedades físicas y mecánicas

de la aleación


ucleación inicial desolidificación

Grano sólido Grano sólido

Borde de grano

iquido iquido



Uno de los efectos de los bordes de grano es influir en la resistencia de las aleaciones.

A mayor cantidad de bordes de grano (granos pequeños) mayor es la resistencia al movimiento delos planos atómicos.

Los granos grandes (menor superficie de bordes degano) tienen menor resistencia más blandos




Defectos frecuentes de la etapa de fusión ysolidificación son:

± Microgrietas

± Segregación de elementos de aleación

± Formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo:granos muy alargados y granos pequeños)

± Inclusiones no metálicas

± Porosidades ± Rechupe, (hueco debido a la contracción del metal

líquido al solidificarse y que no han sido llenado por má metal líquido).




ACERO EFERVESCENTE(RIMMED)

Acero desoxidado parcialmente,

que contiene suficiente oxígeno para formar monóxido de carbono

durante la solidificación que

compensa el rechupe de la

solidificación.

Son más apropiado para la

producir láminas de acero


ínea de corte



ACERO CALMADO (KILLED)Proceso de desoxidado ya sea por

agentes desoxidantes fuertes en la

cuchara (Si o Al) o por tratamientode vacío, para reducir el contenido

de oxígeno a niveles tales que no

ocurran reacciones entre el

carbono y el oxígeno durante la

solidificación.

ínea de corte




Líquido

Líquido

+

Austenita

Líquido

+

Cementita

Austenita + Cementita

Austenita

Ferrita

Ferrita + Cementita

723 ºC

600

400

200

800

1.000

1.200

1.400

1.600

0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,7

Austenita+

Ferrita A1

ACM

A3

6,0Carbono, porcentaje en peso

T e m p e r a t u r a ,

º C

1.141 ºC

DIAGR AMA DE FASES Fe Fe3C.




CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-TRANSFORMACIÓN (TTT).

El diagrama de fase Fe Fe3C, a pesar de ser de granutilidad, no ofrece informaciones acerca de la

transformación de la austenita en condicionesdiferentes de las condiciones de equilibrio.

Una manera de obtener estos datos es la utilizaciónde un diagrama de transformación isotérmica odiagrama TTT, que se obtiene por el enfriamiento dela austenita rápidamente a una temperatura dada y allíse espera la transformación de fase.




Líquido

Líquido

+

Austenita

Líquido

+

Cementita

Austenita + Cementita

Austenita

Ferrita

Ferrita + Cementita

723 ºC

600

400

200

800

1.000

1.200

1.400

1.600

0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,7

Austenita+

Ferrita A1

ACM

A3

6,0Carbono, porcentaje en peso

T e m p e r a t u r a ,

º C

1.141 ºC





723 ºC

Austenita

Tiempo

500

600

400

300

200

100

700

T e m p e r a t u r a

º C

A3

A1

CURVA TTT DE U N ACERO

MS

MF

Per lita f ina

Per lita gruesa

Bainita

Martensita

Austenita




723 º

Auste¡ ¢ ta

Pe£

l ¢ ta f ¢ ¡

a

Pe£ l ¢ ta gruesa

Tiem¤

¥

500

600

400

300200

100

700

T e m

¦ e r a t u r a

º§

Auste ¡ ita

A3

A1

Acero con ba jo

contenido de C y elementos de

aleación

723 ºC

MS

MF

Martensita

Tiem¤

o

500

600

400

300200

100

700

T e m

¦ e r a t

u r a

º C

A3

A1

Acero con

mediano

contenido de C

723 ºC

MS

MF

Tiem¤ o

500

600

400

300

200

100

700

T e m

¦ e r a t u r a

º C

A3

A1

Acero con alto

contenido de C



RECOCIDO.El Recocido consiste en calentar el acero por sobre Ac3 ydejarlo enfriar dentro del horno o aislado con mantastérmicas.

Se obtiene una estructura más gruesa, lo que implicadisminución de la resistencia del material.

Se utiliza antes de procesos de maquinados, para facilitar la

operación.


Enfriamiento en el

horno



NORMALIZADO.El Normalizado consiste en calentar el acero por sobre Ac3

y dejarlo enfriar al aire calmo.

La estructura y propiedades mecánicas obtenidas con estetratamiento térmico se consideran, por convención, comonormales


Enfriamiento al

aire calmo



Cuando ocurre un enfriamiento a una velocidad tal queevita la transformación de la austenita en las estructuras de

equilibrio, se obtiene una fase sobresaturada en carbono

llamada martensita.

Se llama temple al enfriamiento que permite la formación

de la martensita.


72 ̈ ºC

© S

©

© artensita

iempo

500

600

400

̈ 00

200

100

700

e m p e r a t u r a

º C

1



FACTORESQUE INFLUYEN EN LA POSICIÓN DELAS CURVAS TTT.� Contenido de carbono í Cuanto mayor es el contenido

de carbono, hasta un porcentaje de ,8%, la curva TTTquedará ubicada más a la derecha.

� Contenido de elementos de aleación í Cuanto mayor sean los contenidos de elementos de aleación, con laexcepción del B, más a la derecha quedará ubicada lacurva TTT.

� Tamaño de grano y homogeneización de la austenitaí cuanto mayor sea el tamaño de grano de la austenita ycuanto más homogénea sea su forma, más a la derechaquedará ubicada la curva TTT.




CARBONO EQUIVALENTE (CE).La adición de elementos de aleación en el acerogeneralmente se utiliza para mejorar las propiedadesmecánicas y las propiedades de resistencia a la corrosión.

Sin embargo, esto está acompañado por el desplazamientode las curvas TTT de los aceros hacia la derecha, estosignifica que con menores velocidades de enfriamiento se puede alcanzar la estructura martensítica.

El efecto de los elementos de aleación es consecuentementemuy importante en la tendencia de la formación de laestructura martensítica en la ZAT y, por lo tanto, en latendencia a la fisuración por el hidrógeno.




Esa tendencia es conocida como carbono equivalente y se puede expresar de la siguiente forma:

Es importante mencionar que existen innumerablesexpresiones para el CE, la citada (desarrollada por el IIW),es una de las más comunes.

El CE es utilizado para la evaluación de la soldabilidadrelativa de los aceros templables, en lo referido a lafisuración por el hidrógeno.

Por ejemplo aceros con CE > , necesitan de cuidadosespeciales para evitar la fisuración por el hidrógeno.

CuioCr nCCE

!




PRECALENTAMIENTO.Tiene como principal efecto reducir la velocidad de

enfriamiento de la unión soldada, permitiendo de esta

forma: ± Evitar el temple, esto es, la formación de martensita.

± Aumentar la velocidad de difusión del hidrógeno en

la unión.

El precalentamiento hace que la unión soldada alcance

temperaturas ligeramente más elevadas y que

permanezca a esas temperaturas por más tiempo.

METALURGIA DE LA SOLDADURA



En materiales de alta templabilidad como, por ejemplolos aceros aleados, es bastante usual la utilización de

precalentamiento.

El precalentamiento tiene como desventaja aumentar laextensión de la zona afectada térmicamente y por lo

tanto en algunos materiales el precalentamiento puede

tener un efecto bastante perjudicial.

Un ejemplo es el soldeo de aceros con % de cromoen los cuales un precalentamiento excesivo puede

propiciar la formación de fases de baja tenacidad.




TRATAMIENTO TÉRMICO DE ALIVIO DETENSIONES.El tratamiento térmico de alivio de tensiones consiste, deun modo simplificado, en calentar uniformemente la

pieza de manera que el límite de fluencia del materialquede reducido a valores inferiores a las tensionesresiduales.

El tratamiento térmico de alivio de tensiones es efectuado

por medio del calentamiento de la pieza a la temperaturaapropiada y por la mantención en esta temperatura por undeterminado tiempo, seguido de un enfriamientouniforme de modo de impedir la introducción de nuevas

tensiones.




Para impedir los cambios en la microestructura odimensiones de la pieza, la temperatura se mantiene

por debajo de la temperatura crítica inferior.

Para los aceros al carbono los tratamientos sonrealizados a temperaturas superiores a ºC.

El tratamiento térmico de alivio de tensiones puede

reducir la tenacidad del metal base, esto se torna bastante relevante en ocasiones en que se hace

necesaria la ejecución del tratamiento térmico por

más de una vez.




FISURACIÓN POR EL HIDR ÓGENO OFISURACIÓN EN FRÍO.La fisuración por el hidrógeno es consecuencia de laacción simultánea de cuatro factores:

� hidrógeno disuelto en el metal fundido;

� tensiones de tracción asociadas a la soldadura;

� una estructura frágil y;

� estar a baja temperatura (por debajo de los ºC). Ninguno de esos factores, aisladamente, provoca lafisuración en frío.




La acción simultánea de esos cuatro factores esresponsable por la aparición de grietas que se

manifiestan según la siguiente figura.

3

. rieta ba o cordón 3. rietas en el borde

. rietas en la raíz




DESHIDROGENADO.El deshidrogenado consiste en la mantención de la

unión soldada a una temperatura por sobre los

ºC por un determinado tiempo, por ejemplo Hrs aºC, con el objetivo principal de aumentar la

difusión del hidrógeno en la soldadura.

El deshidrogenado debe ser ejecutado tan prontocomo se termine el proceso de soldeo, de manera de

no permitir el enfriamiento de la unión soldada.




Los compuestos que contienen hidrógeno sedescomponen en la atmósfera del arco liberandohidrógeno atómico o iónico (H+).

Las principales fuentes de hidrógeno son:

� Revestimiento orgánico de los electrodos;� Humedad absorbida o adsorbida por el revestimiento

de los electrodos, particularmente los de bajohidrógeno;

�

Humedad del fundente, en el proceso de soldadura alarco sumergido.

� Compuestos hidratados existentes en la pieza, como por ejemplo la herrumbre.

� Humedad del aire.




La soldadura al estado líquido, disuelve cantidadesapreciables de hidrógeno.

La solubilidad disminuye con la temperatura y deforma discontinua en la solidificación y en lastransformaciones alotrópicas.

Resultado final sobresaturación con hidrógeno

Temperatura

de Fusión

Temperatura

o n t e n i d o d e H

d i s u e l t o

Ferrita

E

Austenita

K Ferrita

H




Ev

ol ci n del Hi r eno en las Sol adurasConcentraci n de hi r eno en ml/100 g

Proceso

Sol adura

L qui a

Liberaci n

en 24 Hrs

Liberaci n

en 20 d as R esi al Elect

r e esti

E

28 10 3 15

Electrodo

r e estido

E 012

15 6 2 7

Electrodo

r e estido

E6015

8 2 1 5

T

(Argón)4 1 0 3

METALUR GIA DELACER O



Por medio de estos datos, se ve que el riesgo defisuración es temporal, existiendo mientras el

hidrógeno se está desprendiendo de la unión

soldada.Es evidente la ventaja del deshidrogenado de las

uniones soldadas sensibles a la fisuración en frío,

pues en esas condiciones ±por ejemplo a ºC

durante horas± el hidrógeno es eliminado mientras

la temperatura de la unión soldada permanezca

sobre la temperatura de peligro.




FISURACIÓN EN CALIENTE.La fisuración en caliente resulta de la segregación

de fases de punto de fusión más bajo que el metal de

la zona fundida o de la zona afectada térmicamente.

1

2

1. Grieta longit i al e la zona i a

2. Grieta e el cráter




El final de la unión soldada ±el cráter± es una regiónsusceptible a la fisuración debido a la segregación

de impurezas y a los esfuerzos de contracción

resultantes de una solidificación rápida.Una buena solución es la extinción gradual del arco

eléctrico; el esmerilado del cráter puede eliminar las

grietas.

Otra solución es añadir, siempre que sea posible,

una extensión sacrificable donde se termine el

proceso del soldeo de cada cordón.




CLASIFICACIÓNDELOS ACEROS AL CARBONO.Aceros de Bajo Carbono.


± Composición

Química

C e 0, 8%

Mn e 0,90%

Si < 0, % (en algunos casos)

í ite e

esistencia r

32 e r e38 Kgf/ 2 (45.500 psi e r e

54.000 psi)

í ite e fluencia

f

5 e f e 22 Kgf/ 2 (2 .300 psi e f e

3 .200 psi)

aracterística e

fa ricaciónAceros no cal a os o se ical a os

A plicación os aceros e ajo car ono son ateriales

fáciles e tra ajar en frío y uy fáciles e

sol ar



Aceros de Medio Carbono.


± Composición

Química

0, 8% < C e 0, 8%

Mn e ,00%

Si < 0, % (en algunos casos)

± Límite de

Resistencia r

er e 9 gf/mm ( 9. 00 psi e

r e 9. 00

psi)

± Límite de fluencia

f

3 e r e gf/mm (3 . 00 psi e f e 38. 00

psi)

± Característica de

fabricación Aceros calmados o semicalmados de grano grueso

± Aplicación Los aceros de medio carbono son fáciles de soldar.

Utilizados en la mayoría de los recipientes a

presión y tubos de gran diámetro.



Aceros de Alta Resistencia.


± Composición

Química

Semejante a la de los aceros de bajo carbono, con

cantidades más altas de manganeso.

± Límite de

Resistencia r

Valores bastante elevados, pudiendo llegar a

g/mm (9 . 00 psi)

± Característica de

fabricación

Los aceros al carbono de alta resistencia son

sometidos a tratamientos térmicos de temple y

revenido, después de la laminación.

± Aplicación Como el porcentaje de carbono es bajo, se pueden

soldar fácilmente, sin embargo es bastante difícilmantener las propiedades de alta resistencia en la

ZAT, lo que exige cuidados y tratamientos

especiales.

Se emplean para recipientes de alta presión o de

grandes dimensiones.



CLASIFICACIÓNDELOS ACEROS DE ALEACIÓN.Conforme al porcentaje total de elementos de aleación

presentes, se distinguen tres clases de aceros de aleación:


� Aceros de baja

aleación

Hasta % de elementos de aleación

� Aceros de

media aleación

Desde % a 0% de elementos de

aleación� Aceros de alta

aleación

Más de 0% de elementos de aleación



Aceros al Níquel.Los aceros al níquel más usuales son:

Los aceros con contenidos de níquel como elemento dealeación son los materiales utilizados para servicios a bajastemperaturas.


Composición Nominal

½ %3 ½ %

9 %



Aceros Al Molibdeno y Cromo±Molibdeno.Los aceros al molibdeno y cromo±molibdeno son aceros concontenidos de hasta % de Mo y hasta 9% de Cr comoelementos de aleación.

Las aleaciones más utilizadas son:


Composición Nominal

½ Mo

¼ Cr ½ Mo

¼ Cr MoCr ½ Mo

Cr ½ Mo

9 Cr Mo



Aceros con Contenido Hasta 2 ½ % de Cr.Estos aceros fueron desarrollados específicamente paraservicios a altas temperaturas, donde los esfuerzosmecánicos fueran elevados y la corrosividad de media amoderada.

La principal aplicación de estos aceros aleados es paratuberías de vapor cuya temperatura esté por encima dellímite de temperatura admitida para aceros al carbono.

Aceros con Contenido Mayor a 2 ½ % de Cr,El principal empleo de estos materiales es tubería deintercambiadores de calor y equipos de pequeño ymedio tamaño en servicios con hidrocarburos atemperaturas sobre 0º C.


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