06 Metalurgia Del Acero
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METALURGIA DELACERO
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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´.
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SISTEMA CRISTALINO CÚBICO DECUERPO CENTRADO.
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SISTEMA CRISTALINO DE CARAS CENTRADAS.
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METALURGIA DEL ACERO
Estructura normal de un metal puro
DEFORMACIÓN
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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.
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SOLUCIONES SÓLIDAS
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So u ón Sólida In icial Solución Sólida Sustitucional
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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.
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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
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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
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ucleación inicial desolidificación
Grano sólido Grano sólido
Borde de grano
iquido iquido
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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
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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).
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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
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ínea de corte
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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
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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.
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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.
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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
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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
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METALURGIA DEL ACERO
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
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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.
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Enfriamiento en el
horno
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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
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Enfriamiento al
aire calmo
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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.
METALURGIA DEL ACERO
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
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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.
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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.
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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
!
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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CLASIFICACIÓNDELOS ACEROS AL CARBONO.Aceros de Bajo Carbono.
METALURGIA DEL ACERO
± 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
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Aceros de Medio Carbono.
METALURGIA DEL ACERO
± 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.
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Aceros de Alta Resistencia.
METALURGIA DEL ACERO
± 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.
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CLASIFICACIÓNDELOS ACEROS DE ALEACIÓN.Conforme al porcentaje total de elementos de aleación
presentes, se distinguen tres clases de aceros de aleación:
METALURGIA DEL ACERO
� 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
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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.
METALURGIA DEL ACERO
Composición Nominal
½ %3 ½ %
9 %
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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:
METALURGIA DEL ACERO
Composición Nominal
½ Mo
¼ Cr ½ Mo
¼ Cr MoCr ½ Mo
Cr ½ Mo
9 Cr Mo
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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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