INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE GRADUADOS E INGENIERÍA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
FENÓMENO DE TERMOFLUENCIA EN ACEROS HP-40
FAHRAMET Y AVESTA SOMETIDOS A ALTAS TEMPERATURAS
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER
EL GRADO ACADÉMICO DE
MAESTRO EN CIENCIAS
ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA
ALEXANDRE AUGUSTO ZEGARRA DOS SANTOS
AGOSTO DE 1994
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE GRADUADOS E INGENIERÍA
PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
Los miembros del comité de tesis recomendamos que la
presente tesis del Ing. Alexandre Augusto Zegarra dos Santos
sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado
académico de Maestro en Ciencias especialidad en .
INGENIERÍA MECÁNICA
Comité de tesis
Sinodal Asesor Sinodal
Agosto de 1994
Federico Viramontes, Ph. D.
Director del programa de Graduados en Ingeniería
APROBADO
AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Mario Martínez, al Dr. Jorge Manríquez y al M. C. Eduardo Cárdenas
por fungir como asesor y sinodales en mi trabajo de tesis, y por la valiosa ayuda
para realizar mi trabajo y todos mis estudios de maestría.
Al personal del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura,
especialmente a todos los del área de Materiales.
A todos mis amigos.
Principalmente a mi familia que la amo.
RESUMEN
El presente trabajo tuvo como objetivo investigar y comparar la resistencia a la termofluencia de tres diferentes aceros ( dos comerciales HP-40 de Duraloy, Avesta de Axel Johnson y uno experimental Fahramet de Kubota), a condiciones similares de esfuerzo y temperatura, para obtener, de esta manera, los tiempos que demoran para llegar a su falla, velocidades de deformación y deformación final.
En condiciones de operación, el acero refractario se encuentra expuesto a presión y alta temperatura, así como a condiciones de oxidación y corrosión. Sin tomar en cuenta los efectos de la oxidación y corrosión, los esfuerzos se incrementaron de 4 a 16 veces para poder realizar los ensayos, a nivel laboratorio, en un lapso de tiempo menor, para así seleccionar a uno de los 3 aceros y que cumplan los requisitos de operación más efectivamente.
Se hicieron pruebas de 2000 a 8000 psi a temperaturas desde 1700 a 2000°F para obtener el comportamiento de estos aceros. Se determinó que el HP-40 presentó mayor resistencia a termofluencia que el resto de los aceros; éste tuvo un tiempo de vida hasta casi 30 veces mayor que el Avesta y hasta 1.7 veces mayor que el Fahramet, dependiendo de las condiciones del ensayo. Lo anterior se vio reflejado notablemente al comparar con el 3% de deformación máximo permitido para deshechar la pieza de este material en servicio (según normas de seguridad de la empresa HYLSA).
ÍNDICE
Introducción
Antecedentes
2.1 Especificaciones según el estándar ASTM
2.2 Condiciones reales en planta
2.3 Propiedades mecánicas
2.4 Microestructura del material nuevo
2.5 Termofluencia por dislocación
Procedimiento experimental
3.1 Caracterización del material nuevo
3.2 Propiedades mecánicas
3.3 Composición química
3.4 Propiedades de termofluencia
3.5 Evaluación del daño a la microestructura
3.6 Equipo Utilizado
Resultados
4.1 Composición química
4.2 Microestructura del material nuevo
4.3 Pruebas de termofluencia
4.3.1 HP-40 (Duraloy)
4.3.2 Fahramet (Kubota)
4.3.3 Avesta (Axel Johnson)
4.4 Microestructura del material termofluido 41
4.4.1 HP-40 (Duraloy) 44
4.4.2 Fahramet (Kubota) 47
4.4.3 Avesta (Axel Johnson) 48
4.5 Pruebas mecánicas 50
4.5.1 HP-40 (Duraloy) 50
4.5.2 Fahramet (Kubota) 51
4.5.3 Avesta (Axel Johnson) 51
4.6 Determinación de la curva maestra de Larson-Miller 52
5 Discusión 54
5.1 Composición química 54
5.2 Microestructura del material nuevo 55
5.3 Pruebas de termofluencia 56
5.3.1 HP-40 (Duraloy) 57
5.3.2 Fahramet (Kubota) 57
5.3.3 Avesta (Axel Johnson) 58
5.4 Microestructura del material termofluido 58
5.4.1 HP-40 (Duraloy) 58
5.4.2 Fahramet (Kubota) 59
5.4.3 Avesta (Axel Johnson) 59
5.5 Pruebas mecánicas 60
5.5.1 HP-40 (Duraloy) 60
5.5.2 Fahramet (Kubota) 60
5.5.3 Avesta (Axel Johnson) 60
5.6 Determinación de la curva maestra de Larson-Miller 61
6 Conclusiones 62
7 Bibliografía 64
ÍNDICE DE GRÁFICAS
Fig. 1 - Propiedades de termofluencia del acero HP-40D pag. 9
Fig. 2.- Macroataque a la sección tranversal del HP-40D. pag. 24
Fig. 3.- Macroataque a la sección tranversal del Fahramet. pag. 25
Fig. 4 - Macroataque a la sección tranversal del Avesta. pag. 26
Fig. 5 - Microestructura del HP-40 por MEB. pag. 27
Fig. 6 - Microestructura de carburos primarios. pag. 27
Fig. 7 - Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 28
Fig. 8 - Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 29
Fig. 9.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 30
Fig. 10 - Fotomicrografia de la fase de Titanio. pag. 30
Fig. 11.- Microestructura del Fahramet por MEB. pag. 31
Fig. 12.- Microestructura de la sección transversal de fractura. pag. 42
Fig. 13.- Microfotografía de la fractura del acero. pag. 42
Fig. 14 - Curvas de termofluencia para el calculo de "C". pag. 52
Fig. 15.- Curva maestra de Larson-Miller. pag. 53
Fig. 16.- Mecanismo de deformación en termofluencia. pag. 56
Fig. 17.- HP-40 a 1800°F y 1700°F. pag. 67
Fig. 18.- HP-40 a 1900°F. pag. 68
Fig. 19.- HP-40 a 2000°F. pag. 69
Fig. 20.- Fahramet a 1900°F y 2000°F. pag. 70
Fig. 21.- Avesta a 1900°F y 2000°F. pag. 71
Fig. 22.- HP-40 y Fahramet a 1900°F y 4000PSI. pag. 72
Fig. 23.- HP-40 y Fahramet a 2000°F y 4000PSI. pag. 73
Fig. 24.- HP-40 y Fahramet a 2000°F y 4000PSI. pag. 74
Fig. 25.- HP-40 y Fahramet a 1900°F. pag. 75
Fig. 26.- HP-40, Fahramet y Acesta a 2000°F. pag. 76
ÍNDICE DE TABLAS
Tab. 1 - Propiedades de mecánicas del acero Avesta. pag- 7
Tab. 2.- Propiedades de mecánicas del acero HP-40D. pag- 8
Tab. 3.- Propiedades de termofluencia del acero Avesta. pag- 8
Tab. 4.- Resumen de los resultados experimentales. pag- 21
Tab. 5.- Composición química de los materiales estudiados. pag- 23
Tab. 6.- Fracción volumétrica de las fases presentes. pag 32
Tab. 7.- Matriz para realizar pruebas de termofluencia. pag- 34
Tab. 8.- Tamaño, densida y ubicación de las microcavidades. pag- 43
Tab. 9.- Propiedades mecánicas del acero HP-40. pag- 50
Tab. 10 - Propiedades mecánicas del acero Fahramet. pag- 51
Tab. 11 .- Propiedades mecánicas del acero Avesta. pag- 51
1
1 INTRODUCCIÓN
Los aceros refractarios son aquellos que resisten altas temperaturas (mayores a
650°C), también llamados aleaciones resistentes al calor. Los factores más importantes en
la selección de estos materiales son: termofluencia, resistencia mecánica, oxidación,
carburización, sulfridización y choque térmico. [Ref. 1 ]
Los aceros refractarios son utilizados en la industria petroquímica, cementera y
acerera. En particular, el presente estudio se enfocó dentro de las plantas de producción
de acero, principalmente, porque el acero refractario es el material del que están hechos
los tubos que calientan el gas utilizado para reducir el óxido de fierro en forma directa.
El sistema de reducción directa tiene dos etapas de calentamiento de gas. En la
etapa de convección, la entrada de gas proceso entra a 50°C y sale a 550°C.
Subsecuentemente viene la etapa de radiación en donde están instalados actualmente tubos
del acero HP-40, el cual, al entrar, se separa en 2 calentadores que están conformados en
6 arpas cada uno. Cada arpa se subdivide en 4 tubos, de 9 metros. A la salida tenemos una
temperatura de 935°C; y este gas entra posteriormente al reactor de reducción.
Entre las condiciones de operación cabe mencionar que los tubos tienen un
diámetro interno de 6" y 7" el externo, donde la presión absoluta de trabajo es de 5.5
Kg/cm 2 y los esfuerzos máximos en el interior del tubo son de 510.65 psi. [Ref. 12]
2
El criterio de remplazo de los tubos es que estos al llegar a un 3% de deformación
son desechados ( Monterrey - HYLSA ) por un criterio de seguridad; posteriormente los
tubos son vendidos como chatarra.
3
El presente trabajo es una continuación de la tesis para obtener el grado de Doctor
en Ingeniería de Materiales de Juan Osear Molina "Evolución Microestructural del Acero
Refractario HP-40+Nb Sometido a Altas Temperaturas", por lo cual se utilizaron muchos
artículos referenciados en este trabajo. La principal contribución del presente trabajo, es lo
referente al comportamiento a termofluencia de tres aceros refractarios experimentales
para el proceso HYLIII, bajo atmósfera reductora, realizando una extensa búsqueda
bibliográfica sobre termofluencia o propiedades mecánicas a altas temperaturas de los tres
aceros a tratar específicamente o aceros refractarios más generalmente. Otro punto muy
importante a tratar para realizar este trabajo fue el de la selección de la máquina para hacer
la experimentación necesaria por lo cual se priorizó los objetivos que se buscan y se llegó
a la selección de la máquina ATS 2320 la cual trabaja a carga constante tal cual son las
condiciones reales de la planta y nos registra deformaciones hasta de 1/2 pulgada, por lo
cual justificamos la compra de nuestro equipo y además nos da la opción de agregar una
cámara de atmósfera controlada para simular las condiciones exactas de la planta.
>
El frnanciamiento de este trabajo de investigación, así como la adquisición del
equipo fue proporcionado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
Los materiales utilizados en la experimentación fueron donados por HYLSA
debido a la cooperación del Ing. Ricardo Viramontes.
Las instalaciones donde se efectuaron los experimentos son parte del Centro de
Sistemas Integrados de Manufactura, y fue posible utilizarlo debido al apoyo del
Dr. Eugenio García Gardea.
2 ANTECEDENTES
4
La realización de ésta tesis fue posible gracias al Dr. Mario Martínez Hernández al
conseguir todo el apoyo necesario para realizar esta investigación, así como su valiosa
asesoría del tema.
5
2.1 ESPECIFICACIONES SEGÚN EL ESTÁNDAR ASTM Y FABRICANTES
Los aceros refractarios están reglamentados por las normas ASTM A-217, A-297,
A-351, A-567 y A-608. En lo particular las composiciones químicas de estos materiales
son:
HP-40 Duraloy (C-0.4%, Si -1.0%, Mn -0.64%, Cr -25,1%, Ni -34.7%,
Nb-1.2%).
Fahramet Kubota (C-0.44%, Si -1.55%, Mn -0.74%, Cr -28,8%, Ni -34.53%,
Nb -0.89%).
Avesta Axel Johnson (C-0.04%, Si -1.4%, Cr -24,8%, Ni -34.7%, N-0.144%,
Ce -0.072%).
Las propiedades mecánicas de los aceros HP que son los que se quieren mejorar son:
Esfuerzo Máximo 62500 psi
Esfuerzo de Cedencia 34000 psi
Elongación en 50mm 4.5%
6
2.2 CONDICIONES REALES EN PLANTA
Para describir las condiciones reales de operación de los tubos se describirá el
proceso de calentamiento del gas proceso dentro del sistema de reducción directa donde
se encuentran instalados estos tubos. El sistema de reducción directa consta de dos etapas
de calentamiento del gas proceso las cuales son una etapa de convección y la otro de
radiación.
La etapa de convección tiene la entrada del gas proceso a 50°C y sale a 550°C,
luego viene la etapa de radiación en donde están instalados actualmente el acero HP-40, el
cual al entrar se separa en dos calentadores que están conformados en seis arpas, las
cuales a su vez se subdividen en cuatro tubos, de nueve metros cada uno, donde al final
del transcurso el gas proceso alcanza una temperatura de 935°C; y entra al reactor de
reducción. Por su parte para poder calentar el gas a esta temperatura se quema por fuera
de los tubos gas natural que a su vez alcanza una temperatura de 1100°C a la salida de la
cámara de calentamiento.
Entre las condiciones de operación cabe mencionar que los tubos tienen un
diámetro interno de 6 pulgadas y externo de 7 pulgadas, donde la presión absoluta de
trabajo es de 5.5 Kg/cm 2 donde tenemos que los esfuerzos máximos están en el interior del
tubo y son de 510.6538 psi [Ref. 12].
La composición del gas proceso es ( 6 9 - 72 % H2, 5 % CH4, 14 % CO, 3 % C02,
9 % H N 2 , 1 % H2O ) .
El criterio de remplazo, basado en vida segura, es que estos alcancen un 3 % de
deformación, en Monterrey planta HYLIII, y de un 20 % de deformación en Puebla planta
HYLIII para maximizar el uso de los tubos, posteriormente al uso, los tubos son vendidos
como chatarra.
2.3 PROPIEDADES MECÁNICAS
Las propiedades mecánicas de los materiales a tratar en este trabajo, se obtuvieron
de folletos de los proveedores de los materiales, como se muestra a continuación:
Valores típicos a temperatura
ambiente
Rolado en
Caliente
Rolado en
Frío
Esfuerzo de Cedencia al 0.2% psi 43510 51485
Esfuerzo de Cedencia al 1.0% psi 47860 58010
Esfuerzo Ultimo psi 97895 102970
Elongación % 50 50
Dureza HRB 82 89
Tabla 1.- Propiedades mecánicas del acero Avesta de Axel Johnson.
8
Valores típicos a temperatura
ambiente
Vaciado
Centrifugado
Vaciado
Estático
Esfuerzo de Cedencia al 0.2% psi 32630 min. 32630 min.
Esfuerzo Ultimo psi 63815 min. 63815 min.
Elongación % 30 25
Dureza HV 190 190
Tabla 2.- Propiedades mecánicas del acero HP-40 de Duraloy
El Fahramet de Kubota debido a que es una aleación experimental a pedido de
HYLSA no presenta esta información por lo cual la información que obtenemos en este
trabajo no tendrá un valor de comparación con algún estándar excepto que los valores de
sus propiedades mecánicas serán similares a la de los otros aceros.
Las propiedades de termofluencia de los materiales a tratar en este trabajo, se
obtuvieron de folletos de los proveedores de los materiales, como se muestra a
continuación:
psi 600°C 700°C 800°C 900°C 1000°C 1100°C
Creep strain
Ra 1/10,000 9717 4205 2102 1015 507 261
Ra 1/100,000 5511 2465 1160 580 290 145
Creep rupture
Rkm 10,000 15808 7541 3553 1740 913 522
Rkm 100,000 9281 4205 2030 986 507 290
Tabla 3.- Propiedades de termofluencia del acero Avesta de Axel Johnson.
9
MANAURITE 36 X
v v v ¥ v v y y y ? v y y y
Figura 1.- Propiedades de termofluencia del acero HP-40 de Duraloy.
El Fahramet de Kubota debido a que es una aleación experimental a pedido de
HYLSA no presenta esta información por lo cual la información que obtenemos en este
trabajo será inédita y no tendrá un valor de comparación con algún estándar.
10
2.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO
La mayor parte de los aceros refractarios son fundiciones vaciadas, en el caso de
nuestros aceros, los tubos se vacían por centrifugado y las conexiones por vaciado
estático.
Durante el enfriamiento en el molde, la primera fase en solidificar es la austenita sin
formarse carburos. La austenita solidifica en forma dendrítica. La última parte en
solidificar lo hace en forma eutéctica austenita-carburo, en regiones interdendríticas. Por
esta forma de enfriamiento, la microestructura es de carburos primarios en una matriz
austenítica [Ref. 1-9] en ocasiones se encuentran inclusiones de sulfuro de manganeso
[Ref. 10].
La forma de los carburos primarios se presenta de forma laminar y de esqueleto
[Ref. 3]. Donde encontramos carburos eutécticos del tipo M7C3 [Ref. 11].
Debido a la gran rapidez de enfriamiento, la composición química de la austenita
queda fuera de equilibrio como una solución sólida sobresaturada de carbono [Ref. 4 y 5].
Los aceros HP son austeníticos a todas las temperaturas [Ref. 6 y 7] . El HP no es
susceptible a la fragilización por precipitación de fase sigma [Ref. 5 - 7 ] .
La macroestructura está formada por una parte de granos columnares, de un 20%
a 50% [Ref. 3] y el resto equiaxiales. La zona columnar es la que solidifica primero. En el
caso de los tubos centrifugados, la parte columnar se encuentra en el diámetro exterior,
1 1
que es la parte que esta en contacto con el molde. En el vaciado estático, los granos
columnares crecen desde las paredes del molde Hacia el centro del espesor de la pieza,
quedando los granos equiaxiales en la región central.
El Avesta es una aleación austenítica para altas temperaturas con 25% de cromo y
35% de níquel. Esta aleación esta especialmente diseñada para aplicaciones donde existe
un alto riesgo de una carburización o una nitruración, cuando se usa aceros para altas
temperaturas con bajos contenidos de níquel o aleaciones de níquel con bajo cromo y alto
níquel.
El Avesta es un acero que cubre la mayor parte de los requerimientos y en un
amplio rango de temperaturas, donde una de sus principales características es que viene
aliado con tierras raras.
La alta aleación de cromo y níquel con un agregado de silicio y tierras raras
proveen una excelente resistencia a la carburización y nitruración, además que las tierras
raras promueven la gran resistencia a la oxidación y también la ductilidad en caliente de
este material.
En los tres aceros se ven varios tipos de precipitados los cuales van a tener una
fuerte influencia sobre los resultados finales de termofluencia, por eso se tuvo la
precaución de cuantifícar los carburos presentes, estos dividiéndolos en precipitados en
frontera de grano y precipitados en la matriz austenítica, los resultados se muestran en el
capítulo 4.
12
2.5 TERMOFLUENCIA POR DISLOCACIÓN.
La termofluencia por dislocación es el proceso que suele ocurrir cuando 10"4<CT
/G< 10"2 mediante deslizamiento de dislocaciones ayudado por difusión de vacancias
(cuando un obstáculo es vencido). La teoría fundamental de la termofluencia por
dislocación es la de Weertman. Esta teoría, para la etapa donde la velocidad de
deformación es mínima, está basada en el ascenso o trepado de las dislocaciones como
control de la velocidad. En su primera teoría, Weertman, utiliza las cerraduras de
Cottrell-Lomer como barreras de deformación plástica; en su segunda, aplicado a
metales HP, no existen este tipo de barreras pero se asumen otras. Las cerraduras de
Cottrell-Lomer son formadas por dislocaciones que se intersecan y reaccionan, y son
los obstáculos para el libre deslizamiento de las dislocaciones. Las dislocaciones,
entonces, tienden a trepar estas cerraduras para vencerlas. Sin embargo, las
dislocaciones son generadas continuamente por las fuentes de Franck-Read en el plano
horizontal y cuando son vencidas las antiguas cerraduras son remplazadas por otras.
La velocidad de termofluencia esta dada por:
e = C a n exp ( - Q D / K T )
K T
donde C es una constante; QD es la energía de activación por difusión; a es el esfuerzo
aplicado a una dislocación y n es el número de dislocaciones montadas; K y T sus
valores usuales. Esta es " La termofluencia de la ley de potencia". [Ref. 12].
13
3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Con el objetivo de evaluar las propiedades de termofluencia de los aceros HP-40
(Duraloy), Fahramet (Kubota) y Avesta (Axel Johnson); se realizaron varias pruebas y
ensayos, así como caracterización metalográfíca de los aceros en estado nuevo y del daño
del material después de termofluido.
Como primera parte se hizo una caracterización del material nuevo, para
posteriormente hacer una evaluación de sus propiedades mecánicas, composición química
y propiedades a termofluencia así como el daño y caracterización de éste.
El material para realizar estos ensayos fue de un tramo de tubo de HP-40 y
Fahramet de 6 pulgadas de diámetro, 13 pulgadas de longitud y 0.75 de espesor de la
pared; una placa de 12 X 12 X 0.75 pulgadas donde se obtuvieron las muestras para
metalografías y probetas de termofluencia, donde todo este material fue cedido por
HYLSA para realización de este trabajo de tesis.
14
3.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL NUEVO
Con el objetivo de poder saber las características metalográficas de los materiales
en estado nuevo se hace una evaluación microestructural para así cuantifícar e identificar
las fases presentes de los materiales, así como la morfología de la estructura granular y
fases primarias.
Para obtener las características microestructurales se realizaron diversas
metalografías del material nuevo por microscopía óptica y electrónica de barrido, también
se disolvieron los aceros para poder observar la morfología de los carburos extraídos de la
matriz austenítica. Estos resultados se reportan en el siguiente capítulo de esta tesis.
Además se realizó una conteo de los precipitados en matriz y en frontera de grano, para
poder saber la influencia de estos sobre las propiedades de termofluencia finales, donde
llegamos a los resultados por medio de un analizador de imágenes.
15
3.2 PROPIEDADES MECÁNICAS
Para obtener las propiedades mecánicas de los tres materiales se siguió el
procedimiento sugerido por la norma ASTM E-8 donde se maquinaron subespecimenes de
la probeta estándar debido al espesor máximo del material que se disponía para tal efecto,
pero se observaron todos los detalles para que estas pruebas sean validas para cualquier
comparación posterior.
Las probetas se maquinaron redondas de 0.30 pulgadas de diámetro, 1 pulgada de
longitud calibrada para prueba y una longitud total de 4 pulgadas; donde se ensayaron a
tensión en la máquina universal MTS que se describe en el punto 3.6 y la dureza se midió
en la escala Rocwell B en el Durometro que se describe en el punto 3.6, ambos equipos
del Laboratorio de Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de
Manufactura del ITESM
3.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA
Para obtener la composición química de los materiales se recurrió al Laboratorio
de Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura de ITESM y
al Laboratorio Químico de HYLSA, donde mediante técnicas de ICP y el analizador de
carbono y azufre, se obtuvo la composición exacta de los materiales con los que
trabajaron que se muestran en el siguiente capítulo.
16
3.4 PROPIEDADES DE TERMOFLUENCIA
Para obtener las propiedades de termofluencia de los tres materiales se siguió el
procedimiento sugerido por la norma ASTM E-139, donde se maquinaron subespecimenes
de la probeta estándar debido al espesor máximo del material que se disponía para tal
efecto, pero se observaron todos los detalles para que estas pruebas sean validas para
cualquier comparación posterior.
Las probetas se maquinaron redondas de 0.30 pulgadas de diámetro, 1 pulgada de
longitud calibrada para prueba y una longitud total de 4 pulgadas; donde se ensayaron a
termofluencia en la máquina ATS que se describe en el punto 3.6 del Laboratorio de
Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura de ITESM
3.5 EVALUACIÓN DEL DAÑO
El daño se cuantificó mediante la cantidad y tamaño de las microcavidades que se
observen en la microestructura de los aceros evaluados, donde se evaluó la forma de éstas
así como también la ubicación en donde se encuentran con respecto a los demás aceros,
con estos puntos se podrá tener bien identificados todos los puntos que nos indiquen el
daño que sufrió la microestructura de cada acero.
EQUIPO UTILIZADO
Microscopio óptico
Marca: Olimpus
Modelo: PMG3
Microscopio de platina invertida, con campo claro, campo obscuro, luz polarizada,
contraste Numarski y filtros integrados.
Microscopio electrónico de barrido (MEB)
Marca: Zeiss
Modelo: DSM 960
Imagen de electrones secundarios (resolución de 4nm) y electrones
retrodispersados.
Equipado con espectómetro de dispersión de energía de rayos X
Marca: Kevex
Modelo: Deltaclass Analyzer
Resolución de 109 a 677 eV, detecta cualitativamente a partir del Boro y
cuantitativamente a partir del Sodio
Hornos eléctricos de resistencia
Marca: Thermolyne
Modelo: S46110TM
Temperatura máxima de operación 1700 °C
18
4. Analizador de carbono y azufre
Marca: Lcco
Modelo: CS-244-784-000
Rango: carbono de 0 a 3.5%
azufre de 0 a 3.5%
Sensibilidad: carbono 3 cifras significativas
azufre 3 cifras significativas
Precisión: carbono 0.5%
azufre 0.2%
5. Espectómetro de emisión atómica inducido por plasma (ICP)
Marca: Thermo Jarrel Ash
Modelo: Atom Sean 25
Determina 72 elementos secuencialmente, limite de detección 1 PPB, controlado
por computadora
6. Máquina Universal
Marca: Material Test System (MTS)
Modelo: 810
Máquina hidráulica con control digital servo hidráulica de lazo cerrado asistido por
computadora.
Celda de carga y extensometro con error menor al 0.2%
Durometro
Marca: Officine Galileo
Modelo: Ergotest Digi 25 Rs
Para escalas Rockwell A, B, C, D, E, F, G, H, K
Máquina de termofluencia
Marca: Applied Test Systems (ATS)
Modelo: 2320
Mecánica de operación semiautomática, temperatura máxima de operación 1200°C
y extensometro calibrado hasta 0.5 pulgadas, con horno de tres zonas con control
de temperatura de ± 0.5 °C y con una capacidad de carga de 100 a 3000 libras.
20
4 RESULTADOS
Este capítulo se ordenó de tal manera que se tenga una perspectiva general del
trabajo desarrollado durante 12 meses, se separan los resultados obtenidos por
microscopía de los resultados que vienen de las pruebas de termofluencia, donde en la
última parte se exponen los resultados de las pruebas mecánicas y se muestran los
resultados más relevantes de esta tesis tabla 4.
21
l
ARA DEFORMACIÓN HRS |
p lo
0.45
CO
[ 9.98 ]
0.15
127.76 [ 4.82 i I 0.67 |
I 27.75
•u
co
| 0.105
0.325
0.06
0.32
| 0.50%
ARA DEFORMACIÓN HRS |
I 1.73 |
0.84
28.89
I 17.7 |
0.77
189.25 I 14.3 |
| 1.04 |
| 122.5 | 15.8 | 0.28
1.67
0.17
0.95
| 1.00%
ARA DEFORMACIÓN HRS |
| 10.41 |
7.14
67.14
I 39.26 I
5.47 |
391.55 |
00 I 7.06 I
I 385.8 I I 96.9 I I 2.96 I
25.88
2.23
17.37
| 10.00% |
ARA DEFORMACIÓN HRS |
Tabla
4.-
Res
umen
de
los
resu
ltad
os e
xper
imen
tale
s.
co
-VI
ro
co
co ro
en
VJ
en oo
| PRUEBA | fNUMERO DE|
1 3000
2000
4000
I 3000
4000 I
2000 i
| 3000 | | 4000 j
I 3000 |
| 4000 | i 6000 ]
6000
8000
8000
PSI l ESFUERZO!
| 14.5
21.75
81.15
| 43.3
6.93 \
co
55.58
398.5 | 135.6 \ 5.55 |
42.89 bo
32.65
RUPTURA HRS| TIEMPO DE |
| 49.26
55.31
36.62
| 22.98
31.72
18.54 ¡ I 26.5 . |
| 52.88 !
| 16.59 |
| 48.67 |
50.84
48.96
35.02
FINAL % | DEFORMACIÓN]
\ 52.45
45.53
58.13
I 54.7
74.31
39.22
| 39.56 | | 60.94 ¡
| 27.86 | | 53.33 | f 66.42 |
49.38
59.02
•n.
en
DE ÁREA % | REDUCCIÓN!
en
AVESTA AXEL JOHNSON A 1900°F O 1038°C
en
AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C
ro
io
FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C en
en
| FAHRAMET KUBOTA A 2000°F 01093°C |
-ro
en
en
| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C
ro
co
00
HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |
00
ro
HP-40 DURALOY A 1800°l
10.5
HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |
V?
«V
DEFORMACIÓN,
COMIENZO TERCERA ETAPA CREEP
AVESTA AXEL JOHNSON A 1900°F O 1038°C
o AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C
39.5
FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C ro
ro
CO
| FAHRAMET KUBOTA A 2000°F 01093°C |
o ro
00
co
| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C
lo
co
o
| 49.5
ro
en
HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |
ro
ro
ro
'en
HP-40 DURALOY A 1800°l
00
HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |
[ HRS | [ TIEMPO
COMIENZO TERCERA ETAPA CREEP
I • 0.547345
AVESTA AXEL JOHNSON A 1900°F O 1038°C
1.106194
AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C
0.001169
FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C
| . 0.026348 |
0.763941
| FAHRAMET KUBOTA A 2000°F 01093°C |
0.001811 | 0.05208 ] | 0.87412 |
| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C
| 0.004179 | | 0.04545 | 2.21239
HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |
0.27289 !
F 0 982°C
0.476303
HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |
DE CREEP %/HRS¡
| MENOR RAZÓN |
COMIENZO TERCERA ETAPA CREEP
I 0.37
AVESTA AXEL JOHNSON A 1900°F O 1038°C
0.18
AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C
4.13
I 1-15- 0.03
0.47 | 0.28 || 0.22 |
I 0.24
o ro
| 0.025
0.011
0.007
0.04
| 0.20%
|TIEMPO P|TIEMPO P|TIEMPO P|TIEMPO P
22
4.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA
Para poder establecer la composición química de los tres materiales se utilizaron
dos métodos básicamente para poder establecer los porcentajes de los materiales lo más
preciso posible, donde el carbono y el azufre se encontraron con el analizador de carbono
y azufre y el níquel, cromo, manganeso, silicio, niobio, titanio, cobre, molibdeno y vanadio
se adquirieron con el ICP. Donde los resultados de estos análisis se muestran en la tabla 5.
Cabe mencionar que los elementos de nitrógeno y cerio quedaron pendientes debido a que
ninguno de los laboratorios contaba con los estándares para tomar las mediciones de
ambos.
23
ELEMENTO % HP-40 FAHRAMET AVESTA
CARBONO 0.42 0.41 0.06
AZUFRE 0.008 0.005 0.012
NÍQUEL 34.69 34.16 35.44
CROMO 26.30 28.31 25.92
MANGANESO 0.87 0.69 1.23
SILICIO 0.015 — 0.85
NIOBIO 1.10 0.70 —
TITANIO — — 0.02
COBRE 0.015 0.02 0.23
MOLIBDENO — — 0.20
VANADIO 0.031 0.033 0.051
Nota: los resultados de los análisis químicos se obtuvieron del laboratorio de materiales
industriales del ITESM y del laboratorio químico de HYLSA.
Tabla 5.- Composición química de los materiales estudiados.
Los aceros refractarios a estudiar presentan el siguiente análisis químico:
24
4.2 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO.
Se realizó un macro ataque, en su condición de nuevo, a cada uno de los aceros
refractarios para revelar los granos. La macroestructura se reveló utilizando como reactivo
de ataque el denominado "Beraha's".
En la figura 2 se presenta la macroestructura del acero refractario HP-40 Duraloy.
Se puede observar la presencia de granos alargados o basálticos en la parte externa del
tubo, mientras que en la parte central e interna se aprecian granos equiaxiales. También es
posible observar la estructura dendrítica presente en los granos.
Figura 2.- Macroataque a la sección transversal del HP-40 con reactivo Beraha's 7.5X
25
En la figura 3 se presenta la macroestructura del acero refractario Fahramet. Este
acero se observa la presencia de granos basálticos en la parte externa y central del tubo.
Los granos equiaxiales, los cuales son escasos, se concentran en la parte central e interna
del tubo.
Figura 3.- Macroataque de la sección transversal del Fahramet con reactivo Beraha's 7.5X
Ambos aceros fueron vaciados en su proceso de fabricación, las diferencias en sus
macroestructuras se deben al procedimiento de enfriamiento utilizado y la presencia de
agentes nucleantes. La especificación del proceso de manufactura no fue proporcionada
por HYLSA.
26
En la figura 4 se presenta la macroestructura del acero refractario Avesta. Es
notoria la presencia de bandas en la parte central de la placa, debido a una recristalización
incompleta, este material fue rolado en caliente durante su proceso de manufactura.
Figura 4.- Macroataque de la sección transversal del Avesta con reactivo Beraha's 7.5X
En la figura 5 se muestra la microestructura del acero HP-40 por microscopia
electrónica. Este material presenta una estructura dendrítica con precipitados
interdendriticos gruesos y finos (carburos primarios). El precipitado de estructura gruesa
se presenta con coloración oscura. El precipitado fino laminar se presenta con coloración
clara. Un análisis por EDS indica que la fase oscura es un carburo del tipo M7C3 rico en
Cromo y la fase clara es del tipo MC rica en Niobio.
—11 — # 2me HP40-D NUEUO ITESM
Figura 5.- Microestructura del HP-40 por microscopía electrónica de barrido 500X
Figura 6.- Microestructura de carburos primarios M~C3 y MC por disolución 1000X
28
En la figura 6 se presenta la imagen obtenida por microscopia electrónica de
barrido de los carburos obtenidos por disolución anodica del HP-40 nuevo
presumiblemente de Cromo y Niobio basado en los resultados de investigación previa del
acero HP-40 (Kubota).
En la figura 7 se presenta la fotografía obtenida por microscopia electrónica de
barrido del material refractario Avesta. Este material presenta una distribución equiaxial de
granos con precipitados finos, en su mayoría, distribuidos en los limites de grano y en
bandas de recristalización incompletas; en menor grado también presenta precipitados
dentro de los granos con un tamaño de grano ASTM 5, donde también se observa la
presencias de maclas.
Figura 7.- Microesructura del Avesta con reactivo Vilella (CEM) 1000X
29
En la figura 8 se aprecian las bandas de recristalización incompleta y la presencia
de maclas, se observan precipitados en las bandas y en los limites de grano. En la figura 9
y 10 se observa la fase rica en titanio (presumiblemente carbunitruros de Titanio), la cual
presenta caras planas. También se observa la presencia de fases ricas en Silicio, Cromo y
Níquel.
Figura 8.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella 200X
Figura 9.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella 1800X
Figura 10.- Fotomicrografía de la fase de titanio aislada por disolución anodica 5000X
Figura 11.- Microestructura del Fahramet por MEB 500X
La figura 11 muestran el aspecto, en su condición de nuevo, del acero Fahramet.
Se muestra el material en su condición de vaciado. Este material presenta carburos de
Niobio más alargados y menos finos que el HP-40, Donde también encontramos una
estructura dendrítica.
Por medio de un analizador de imágenes se obtuvieron las fracciones volumétricas
que ocupan los precipitados en la matriz así como los precipitados en frontera de grano,
como se muestra en la tabla 6, lo cual nos podrá dar una referencia de las propiedades de
termofluencia [Ref. 13], previa a las pruebas a realizar.
32
FRACCIÓN VOLUMÉTRICA EN FAHRAMET HP-40 AVESTA
MATRIZ AUSTENÍTICA 0.974219 0.947587 0.988467
PRECIPITADOS EN FRONTERA 0.024781 0.052382 0.01118
PRECIPITADOS EN MATRIZ 0.001 0.000031 0.000353
Tabla 6.- Fracción volumétrica de cada una de las fases presentes en los tres materiales
nuevos.
Los aceros Avesta y Fahramet en estado nuevo se encuentran con la matriz
saturada de carburos, lo cual es lo contrario que sucede en el acero HP-40 que con la
temperatura comienza la precipitación de carburos [Ref. 1].
Posiblemente los aceros Avesta y Fahramet recibieron un tratamiento de
acondicionamiento (precipitación controlada a 600-700°C, 90-120 min., de finos carburos
secundarios ) antes de ser enviados a la planta de HYLSA.
33
4.3 PRUEBAS DE TERMOFLUENCIA.
Con tal de poder apreciar de una manera más objetiva los resultados de las pruebas
de termofluencia se separaron los tres materiales, de tal forma que se pueda observar de
forma clara las diferencias entre ambos.
Se hicieron 22 pruebas de termofluencia de los tres materiales para poder realizar
una comparación entre ambos, de las cuales 14 fueron realizadas hasta la ruptura del
material y las demás o fueron abortadas o sirvieron para corroborar resultados de otras
pruebas, con este motivo en la siguiente sección se identifica las pruebas concluidas con el
numero de prueba, la temperatura y el esfuerzo de estas.
Finalmente se muestra en la tabla 4 el resumen de los resultados obtenidos por las
pruebas que llegaron a concluirse siguiendo todos los parámetro según norma ASTM.
En la tabla 7 se comparan los resultados experimentales obtenidos de las pruebas del
HP-40 con los obtenidos por las curvas de Larson-Miller.
34
Esf. en KSI T a 1600°F Ta 1700°F Ta 1800°F Ta 1900°F T a 2000°F P. L. M. 10 74 8 1 XX XX 44.25 8 369 34 4 0.5 XX 45.75
6 9726 766 79 42.89
10 5.55
2 48
4 XX 11902 1083 116 135.6
16 11.1
50.5
3 XX XX 1575 464 398.5
58 55.58
52
2 XX XX XX 779 496 413
54
1 XX XX XX XX 7264 56.5
P. L. M. = T ( 2 0 + l o g t ) x 1E-3
T en °K y t en Horas
Tabla 7.- Matriz para realizar pruebas de termofluencia del HP-40 y resultados reales.
35
4.3.1 HP-40 (DURALOY)
El acero HP-40 es el que presentó el mayor tiempo para llegar a fracturarse en las
pruebas de termofluencia que se realizaron, donde fue superior a los otros dos aceros y
presenta la segunda fase estable de termofluencia por un periodo mayor que los demás
materiales a los cuales les realizamos las pruebas.
Prueba #1, 1900°F, 4000 psi Fig. 18, 22 y 25
Tiempo de ruptura: 135.6 Horas
Deformación final: 44 %
Reducción de área: 53.33 %
Mínima velocidad de deformación: 0.04545 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 3 .4% Tiempo: 49.5 Horas
Prueba #2, 2000°F, 4000 psi Fig. 19, 24 y 26
Tiempo de ruptura: 11.1 Horas
Deformación final: 52.88 %
Reducción de área: 60.94 %
Mínima velocidad de deformación: 0.87412 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 5.5% Tiempo: 4.8 Horas
Prueba #3, 2000°F, 3000 psi Fig. 19, 23 y
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
Prueba #4, 2000°F, 2000 psi Fig. 19 y 26
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
Prueba #5,1900°F, 3000 psi Fig. 18 y 25
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
26
55.58 Horas
26.5%
39.56 %
0.05208%/Horas
2.4 % Tiempo: 28 Horas
413 Horas
18.54 %
39.22 %
0.001811 %/Horas
1% Tiempo: 170 Horas
398.5 Horas
16.59 %
27.86 %
0.004179 %/Horas
2 % Tiempo: 230 Horas
Prueba #6, 1800°F, 6000 psi Fig. 17
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
Prueba #7,1900°F, 6000 psi Fig. 18 y 25
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
Prueba #8, 1800°F, 8000 psi Fig. 17
Tiempo de ruptura:
Deformación final:
Reducción de área:
Mínima velocidad de deformación:
3ra Etapa Deformación:
42.89 Horas
50.84 %
49.38 %
0.27289 %/Horas
8 % Tiempo: 22 Horas
5.55 Horas
48.67 %
66.42 %
2.21239 %/Horas
8.0 % Tiempo: 2.5 Horas
4.8 Horas
48.96 %
59.02 %
4.0 %/Horas
12% Tiempo: 2.5 Horas
38
Prueba #9, 1700°F, 8000 psi Fig. 17
Tiempo de ruptura: 32.65 Horas
Deformación final: 35.02 %
Reducción de área: 4 6 %
Mínima velocidad de deformación: 0.476303 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 10.5 % Tiempo: 18 Horas
4.3.2 FAHRAMET (KUBOTA)
El acero Fahramet es el que presenta las menores razones de termofluencia para
posteriormente acelerar esta razón y llegar a fractura antes que el HP-40 en general las
pruebas de este material cumplieron con las perspectivas realizadas.
Prueba #12, 1900°F, 4000 psi Fig. 20,22 y 25
Tiempo de ruptura: 81.15 Horas
Deformación final: 36.62%
Reducción de área: 58.13%
Mínima velocidad de deformación: 0.001169 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 2.2 % Tiempo: 39.5 Horas
39
Prueba #13, 2000°F, 4000 psi Fig. 20,24 y 26
Tiempo de ruptura: 6.93 Horas
Deformación final: 31.72 %
Reducción de área: 74.31 %
Mínima velocidad de deformación: 0.763941 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 4.5 % Tiempo: 3.7 Horas
Prueba #14, 2000°F, 3000 psi Fig. 20, 23 y 26
Tiempo de ruptura: 43.3 Horas
Deformación final: 22.98 %
Reducción de área: 54.7 %
Mínima velocidad de deformación: 0.026348%/Horas
3ra Etapa Deformación: 1.5% Tiempo: 22 Horas
40
4.3.3 AVESTA (AXEL JOHNSON)
De los tres materiales los del Avesta fue muy inferiores en las pruebas de
termofluencia, pero esto se debe a que el material estaba fuera de especificaciones y los
resultados hacen que sea muy dificil analizar el comportamiento de termofluencia de este
material en condiciones normales.
Prueba #17,2000°F, 2000 psi Fig. 21 y 26
Tiempo de ruptura: 21.75 Horas
Deformación final: 55.31 %
Reducción de área: 45.53 %
Mínima velocidad de deformación: 1.106194 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 15% Tiempo: 10 Horas
Prueba #18,1900°F, 3000 psi Fig. 21 y 25
Tiempo de ruptura: 14.5 Horas
Deformación final: 49.26 %
Reducción de área: 52.45 %
Mínima velocidad de deformación: 0.547345 %/Horas
3ra Etapa Deformación: 6 % Tiempo: 7.4 Horas
41
4.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL TERMOFLUIDO.
Para poder analizar el daño efectuado a la microestructura se hizo dos tipos de
análisis, primero se hizo una inspección por microscopio óptica para poder cuantifícar la
cantidad de microcavidades en los aceros, donde posteriormente se observaron en
microscopia electrónica de barrido para poder ver el efecto en las diferentes fases y la
diferencia con respecto a la microestructura inicial, Tabla 8.
Las fotografías por microscopia electrónica de barrido con electrones secundarios
se ven en forma muy similar para todas las pruebas, ya que las catorce pruebas se realizan
a intervalos semejantes de temperatura y esfuerzo.
El resultado se muestra en las Fig. 12 y 13 donde se observa, una fractura
intergranular por crecimiento de las microcavidades provocado por termofluencia de ley
de potencia (" power law creep "), donde, la fractura, fue totalmente dúctil, viéndose muy
claramente que hubo un desprendimiento de los granos debido al acumulamiento de
microcavidades en las fronteras de grano, además se observa que los granos se encuentran
alargados en el sentido de los esfuerzos de las prueba de termofluencia. Este tipo de
fractura se observó en todas las pruebas realizadas.
Los precipitados en frontera de grano son continuos con un espesor promedio de 10
mieras y alrededor de todos los granos, los precipitados en la matriz son esféricos con
tamaños de 2 a 5 mieras y generalmente se encuentran más cerca de las fronteras de los
granos que en el centro de estos.
Figura 12.- Microestructura de la sección transversal de la fractura 200X.
Figura 13.- Microfototrafía de la fractura del aceto HP-40
43
Tamaño
promedio de
cavidades
Densidad de
cavidades
cm/mm !
Ubicación
de las
cavidades
Temperatura
de la prueba
°F
Tiempo
para llegar
a fractura
Esfuerzo
de la
prueba
mieras Horas psi
Prueba # 1 10 2250 General 1900 135 4000
Prueba # 2 7 375 Frontera 2000 11 4000
Prueba # 3 6 425 Frontera 2000 55 3000
Prueba # 4 6 350 Frontera 2000 413 2000
Prueba # 5 7 600 Frontera 1900 398 3000
Prueba # 6 7 775 Frontera 1800 42 6000
Prueba # 7 12 1850 General 1900 5 6000
Prueba # 8 6 725 Frontera 1800 4 8000
Prueba # 9 8 475 Frontera 1700 32 8000
Prueba#12 4 325 Frontera 1900 81 4000
Prueba* 13 3 600 Frontera 2000 6 4000
Prueba # 1 4 3 400 Frontera 2000 43 3000
Prueba # 1 7 13 1050 General 2000 21 2000
Prueba* 18 10 750 General 1900 14 3000
Prueba # 20 8 2000 General 1900 71 4000
Prueba # 2 1 4 750 General 1900 7 4000
Prueba # 22 6 1550 General 1900 30 4000
Tabla 8.- Tamaño, densidad y ubicación de las microcavidades en las diferentes pruebas
efectuadas.
44
4.4.1 HP-40 (DURALOY)
En el acero HP-40 es el que presenta una mayor diversidad de densidad y tamaño
de microcavidades que los otros acero, donde únicamente presenta estas en matriz cuando
la densidad es muy alta así como también presenta un tamaño de microcavidades mayor
que de las demás pruebas. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia
realizadas en este trabajo.
Prueba #1, 1900°F, 4000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 10 mieras
Densidad de microcavidades: 2250/mm2
Precipitados en matriz: Si
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #2, 2000°F, 4000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 7 mieras
Densidad de microcavidades: 375/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
45
Prueba #3, 2000°F, 3000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 6 mieras
Densidad de microcavidades: 425/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #4, 2000°F, 2000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 6 mieras
Densidad de microcavidades: 350/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #5,1900°F, 3000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 7 mieras
Densidad de microcavidades: 600/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
46
Prueba #6, 1800° F, 6000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 7 mieras
Densidad de microcavidades: 775/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #7, 1900°F, 6000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 12 mieras
Densidad de microcavidades: 1850/mm2
Precipitados en matriz: Si
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #8, 1800°F, 8000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 6 mieras
Densidad de microcavidades: 725/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
47
Prueba #9, 1700°F, 8000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 8 mieras
Densidad de microcavidades: 475/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
4.4.2 FAHRAMET (KUBOTA)
El acero Fahramet presenta únicamente microcavidades en las cercanías de las
fronteras de grano, además el tamaño de estas es el menor de los tres materiales y debido a
que están localizadas las microcavidades la densidad de estas es muy baja con respecto a
los otros materiales. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia
realizadas en este trabajo.
Prueba #12, 1900°F, 4000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 4 mieras
Densidad de microcavidades: 325/mm2
Precipitados en matriz: No
Precipitados en frontera de grano: Si
48
Prueba #13, 2000°F, 4000 psi
3 mieras
600/mm2
No
Si
Prueba #14, 2000°F, 3000 psi
Tamaño de grano ASTM:
Tamaño promedio de microcavidades:
Densidad de microcavidades:
Precipitados en matriz:
Precipitados en frontera de grano:
5
3 mieras
400/mm2
No
Si
4.4.3 AVESTA (AXEL JOHNSON)
De los tres materiales el Avesta es que presenta el mayor tamaño de precipitados,
además de un microestructura saturada de microcavidades, donde en general podemos
decir que es el material que presenta un mayor daño en su microestructura que los otros
aceros. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia realizadas en este
trabajo.
Tamaño de grano ASTM:
Tamaño promedio de microcavidades:
Densidad de microcavidades:
Precipitados en matriz:
Precipitados en frontera de grano:
4 9
Prueba #17, 2000°F, 2000 psi
Tamaño promedio de microcavidades: 13 mieras
Densidad de microcavidades: 1050/mm2
Precipitados en matriz: Si
Precipitados en frontera de grano: Si
Prueba #18, 1900°F, 3000 psi
Tamaño de grano ASTM: 5
Tamaño promedio de microcavidades: 10 mieras
Densidad de microcavidades: 750/mm2
Precipitados en matriz: Si
Precipitados en frontera de grano: Si
Tamaño de grano ASTM: 5
50
4.5 PROPIEDADES MECÁNICAS.
Las propiedades mecánicas se muestran a continuación en tablas para cada acero
cabe mencionar que las propiedades mecánicas se obtuvieron de los aceros tal cual se nos
entregaron de HYLSA. El acero que mayor resistencia mecánica, como mayor
deformación en los ensayos de tensión fue el Avesta superando por amplio margen a los
otros dos aceros probados, estas pruebas fueron a temperatura ambiente.
4.5.1 HP-40 (DURALOY)
Modulo de Young ksi 30,000
Esfuerzo de Cedencia ksi 34.7
Esfuerzo Ultimo ksi 67.65
Esfuerzo de Ruptura ksi 67.65
Elongación % 11.18
Reducción de Área % 7.82
Tabla 9.- Propiedades mecánicas del acero HP-40.
51
Modulo de Young ksi 25,000
Esfuerzo de Cedencia ksi 37.35
Esfuerzo Ultimo ksi 62.8
Esfuerzo de Ruptura ksi 62.8
Elongación % 8.69
Reducción de Área % 9.52
Tabla 10.- Propiedades mecánicas del acero Fahramet.
4.5.3 AVESTA (AXEL JOHNSON)
Modulo de Young ksi 33,850
Esfuerzo de Cedencia ksi 45.75
Esfuerzo Ultimo ksi 102.25
Esfuerzo de Ruptura ksi 86.55
Elongación % 39.27
Reducción de Área % 31.75
Tabla 11.- Propiedades mecánicas del acero Avesta.
4.5.2 FAHRAMET (KUBOTA)
52
4.6 DETERMINACIÓN DE LA CURVA MAESTRA DE LARSON-MILLER
Para obtener el parámetro C de la curva maestra de Larson-Miller se gráfico todas
las pruebas del acero HP-40 de Duraloy como se muestra en la figura 14 de donde se
obtiene un valor promedio de 20 en la gráfica.
C U R V A S D E T E R M O F L U E N C I A P A R A E L C A L C U L O D E " C "
0 3000ps¡ (20 .679Mpa)
• 4000psi (27 .572Mpa) •
a 6000ps¡ (41 .358Mpa)
* 8000 psi (55 ,144Mpa)
18 ,647 + 2 , 7 8 5 6 e + 4 ( 1 / T )
2 4 , 8 6 3 + 3 , 5 3 9 1 e + 4 ( 1 / T )
19 ,158 + 2 , 6 0 9 2 e + 4 ( 1 / T )
17 ,485 + 2 , 2 7 9 9 e + 4 ( 1 / T )
0 , 0 0 0 0 e + 0 2 , 0 0 0 0 e - 4 ~i ' 1 f
4 , 0 0 0 0 e - 4 6 , 0 0 0 0 e - 4 r
8 , 0 0 0 0 e - 4
1 / T ( 1 / * K )
Figura 14.- Curvas de termofluencia para el calculo de "C"
53
B R e s u l t a d o s e x p e r i m e n t a l e s
i H 1 1 • 1 • 1 « 1 • 1 1 1 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1
P L M = T ( L o g t r + 2 0 ) * 1 e - 0 3 ... t r ( h r s ) , T ( e K )
Figura 15.- Curva maestra de Larson-Miller para acero HP-40 de Duraloy
Con el valor promedio de " C se procedió obtenerla curva maestra de Larson
Millcr,cn la figura 15.
R E S I S T E N C I A A L A R U P T U R A E N T E R M O F L U E N C I A D E L H P - 4 0 D
54
En el presente capítulo se discutirá cada punto de los resultados haciendo
referencia a los antecedentes.
5.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA
El acero HP-40 se encuentra dentro de especificaciones, únicamente presenta una
pequeña diferencia en las cantidades de cromo uno porciento fuera de especificación y
manganeso 0.2 % fuera de lo habitual, donde no se detectó el silicio que traerá cierta
variación con respecto a la norma de este acero. Aparte de estos elementos todos los
demás se encuentran dentro de la composición química deseada para esta aleación.
El acero Fahramet se encuentra totalmente dentro de especificación, exceptuando
por que no se encontró silicio, lo cual repercutirá en las propiedades finales de esta
aleación, pero es el que mejor va a reflejar los resultados en lo que se refiere a la
composición química del material.
En el acero Avesta es donde encontramos las mayores discrepancias en cuanto a su
composición nominal pues se encuentra ligeramente fuera de especificación en los
elementos de cromo y níquel; y los elementos de manganeso, silicio, molibdeno y cobre se
encuentran bastante lejanos a lo que establece la norma del fabricante. Además es muy
probable que los defectos de recristalización que presenta la microestructura se deban al
5 DISCUSIÓN
55
enfriamiento que sufre el acero así como al excedente de cobre que provocara una
excesiva nucleación en el acero.
5.2 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO.
La microestructura del HP-40, figura 2, podemos considerarla dentro de lo normal
con referencia al trabajo previo [Ref. 1], donde encontramos la misma distribución de
fases y la misma morfología , esto sin embargo de ser un diferente fabricante de acero
(Duraloy).
El acero Fahramet es una aleación experimental y debido a este factor no tenemos
un punto exacto de comparación pero debido a la similar composición química e igual
proceso de fabricación se pudiera esperar una microestructura similar, que es justamente
lo que se observa en las microfotografias, figura 3.
En el caso del Avesta se observa una escasa formación de carburos en frontera de
grano, figura 4 lo cual nos indica que tendrá deficientes propiedades a termofluencia [Ref.
13], además de bandas de recristalización incompleta, figura 8, lo cual nos indica que este
material esta fuera de especificaciones y probablemente es una punta o cola de laminación,
por lo cual los resultados de este material son muy difíciles de evaluar ya que no
conocemos la exacta influencia de estas bandas de recristalización afecten a sus
propiedades mecánicas.
56
5.3 PRUEBAS DE TERMOFLUENCIA.
El mecanismo que ocasiona la fractura en los tres aceros es termofluencia por
movimiento de dislocaciones [Ref. 14], ya que la razón de el Esfuerzo entre Modulo de
Corte es mayor o igual a 1X10-4 en los rangos de Esfuerzos de las pruebas, también
tenemos que nos encontramos con una temperatura de trabajo mayor al 70% a la
temperatura de fusión, como se observa en la Figura 16.
Donde se puede observar en la figura 12, una severa deformación de la frontera de
grano después de las pruebas de termofluencia, mecanismo propuesto por Weertman.
También en la figura 13 se observa como en la fractura se notan claramente que esta
ocurrió por la frontera y se ve esta llena de microcavidades. Debido a estos dos factores
observados en todas las probetas que llegaron a fracturarse, se deduce que el mecanismo
de fractura es una combinación de ambos mecanismos donde las vacancias se acumulan en
las fronteras de grano y al mismo estas se deforman en el sentido de los esfuerzos
máximos debido al movimiento de las dislocaciones.
Figura 16.- Mecanismo de deformación a diferentes velocidades de deformación y
esfuerzos.
57
Observando los resultados de las pruebas y con las limitaciones de diseño que se
tienen por parte de la empresa el acero que mejor cumple con las especificaciones es el
HP-40, que es el que se esta utilizando actualmente.
5.3.1 HP-40 (Duraloy)
En el acero HP-40 se puede deducir que al principio presenta una alta razón de
deformación inicial debido a que no cuenta con anclas (precipitados en matriz), pero al
comenzar a precipitar carburos secundarios en matriz se adquiere una mayor resistencia a
termofluir, por este motivo presenta mayores tiempos de ruptura que los demás aceros,
presentando una tercera etapa de termofluencia mucho más larga que los otros aceros
tabla 4.
El comportamiento a termofluencia se considera como normal, ya que los
resultados están muy similares a los proyectados por el parámetro de Larson-Miller tabla
7, además de que las pruebas presentaron una repetibilidad de resultados, con lo cual
podemos decir que los resultados son repetibles y confiables.
5.3.2 Fahramet (Kubota)
En el acero Fahramet se observa una segunda etapa de termofluencia con una
deformación menor que los demás aceros, debido a que su matriz en estado nuevo se
encuentra ya saturada de precipitados lo cual incrementa notoriamente la cantidad de
anclas para evitar el movimiento de las cavidades dentro de la matriz austenítica del acero.
58
Dentro de los parámetros establecidos podemos decir que los resultados
encontrados del Fahramet son confiables y están dentro de los valores que se esperaban
encontrar con anterioridad.
5.3.3 Avesta (Axel Johnson)
El Avesta presentó tiempos de ruptura hasta 35 veces inferiores a los valores
esperados, esto se deben a los defectos que presenta su microestructura que ya fueron
anteriormente citados.
5.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL TERMOFLUIDO.
Para poder analizar los materiales en forma separada se dividen en tres partes que
corresponden a cada material.
5.4.1 HP-40 (Duraloy)
En la microestructura del material se observa la mayor parte de las microcavidades
en las cercanías de las fronteras de grano, con lo cual podemos constatar que estas
provocan la fractura final del acero, además se observa la precipitación de fases
secundarias, las cuales sirven de anclas para retardar la fractura del material.
59
5.4.2 Fahramet (Kubota)
En el Fahramet se observa una menor cantidad de microcavidades en frontera de
grano además de que son de menor tamaño, esto se debe en gran parte a que el material se
encuentra saturados de precipitados en la matriz austenítica desde que el material esta
nuevo, por lo cual se puede deducir que estos precipitados evitan el movimiento de las
cavidades así como impiden el crecimiento de estas.
5.4.3 Avesta (Axel Johnson) •
En el acero Avesta resulta muy complicado el mecanismo pero se puede explicar
debido a que las bandas de recristalización están en sitios idóneos para poder nuclear a las
microcavidades de esta manera se encuentran en grandes cantidades y de gran tamaño.
60
5.5 PROPIEDADES MECÁNICAS.
Los resultados encontrados en este trabajo están dentro de los valores
considerados como normales, debido a que se observaron todos los puntos indicados por
la norma E-8 ASTM, donde se separan los resultados de los diferentes materiales.
5.5.1 HP-40 (Duraloy)
Los resultados del HP-40 se consideran dentro de los valores de la Tabla 9,
exceptuando por el valor de elongación que pueda que se deba a las variaciones que
presenta en su composición química.
5.5.2 Fahramet (Kubota)
Los resultados del Fahramet se consideran dentro de los valores de la Tabla 10,
partiendo de la premisa de sus propiedades mecánicas son similares a las del HP-40. Esto
debido a que al ser una aleación experimental no se tiene disponible esta información.
5.5.3 Avesta (Axel Johnson)
Los resultados del Avesta son muy similares a los reportados por la literatura,
dentro de los valores de la Tabla 11, con pequeñas variaciones en los resultados en
algunos valores que pueden ser consecuencia de la anomalía en recristalización del
material.
61
4.6 DETERMINACIÓN DE LA CURVA MAESTRA DE LARSON-MILLER
Los resultados que se obtuvieron muestran que en las pruebas obtuvimos resultados
que se aproximan a comportamiento real del material tanto de la curva de donde se
obtuvieron los valores teóricos como de la curva que se obtuvo de los experimentos, las
variaciones se pueden explicar con las variación que obtuvimos de la materia prima para
desarrollar la experimentación.
Con la aproximación que obtuvimos de la curva de Larson-Miller, encontramos que
los resultados son confiables y además repetibles.
62
6 CONCLUSIONES
De la presente investigación se llegó a las siguientes conclusiones.
[1 ] El HP-40 es el material que presenta las mejores propiedades de termofluencia, por
lo cual será el que tenga la mayor duración en proceso, según cualquiera de los
criterios de selección.
Del mecanismo de Fractura se concluye.
[2] Se llega a la fractura por la suma de dos mecanismos de termofluencia movimiento
de dislocaciones.
De la segunda etapa de termofluencia.
[3] En el acero Fahramet la razón de termofluencia es menor, debido a que este
material se encuentra con precipitados en la matriz desde nuevo, tabla 6 y 8.
[4] Los precipitados en matriz cumplen con la función de anclas para las
dislocaciones.
[5] El HP-40 tiene un menor crecimiento de la razón de termofluencia debido a que al
precipitarse carburos de cromo en la matriz austenítica adquiere mayor resistencia.
63
De la tercera etapa de termofluencia.
[6] El acero HP-40 Tiene la tercera etapa de termofluencia más prolongada debido a
que tiene una mayor cantidad de precipitados en frontera de grano, tabla 6 y 8.
[7] A una mayor cantidad de precipitados en frontera de grana mayor será la tercera
etapa de termofluencia.
Del acero Avesta de Axel Johnson.
[8] Los resultados son muy difíciles de analizar debido a la presencia de bandas de
recristalización en el material por lo cual se encuentra fuera de especificación.
De las pruebas mecánicas.
[9] La ausencia de silicio así como variaciones en otros elementos provoca pequeñas
variaciones en los resultados de las pruebas mecánicas.
De las extensión que se pueden hacer a este trabajo.
[ 1 ] Hacer una investigación de resistencia de estos materiales en una atmósfera real de
proceso, tal cual la de la planta.
[2] Validar los resultados del acero refractario Avesta de Axel Johnson.
64
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GRÁFICAS ANEXAS
67
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