Metalurgia de la Soldadura
Introducción a la metalurgia de la soldadura.
• Los metales como sólidos policristalinos. • Escalas de observación. • El rol de los defectos cristalinos en la deformación
plástica. Mecanismos de endurecimiento. • El diagrama de equilibrio Fe – C. • Microestructura de la Ferrita, Austenita, Cementita,
Perlita. • Conceptos de transformaciones de fases en
equilibrio y durante el enfriamiento continuo de una soldadura. Microestructura de la Bainita y Martensita.
Estructura de los metales• Los metales que empleamos en la construcción
industrial, cuando están en estado sólido son policristalinos.
• Los granos o cristales pueden ser observados metalograficamente por medio del microscopio óptico (Escala microscopica hasta 1000x) y tienen un tamaño medido en milimetros / micrones / (10-3
-10-6 m )• Cada grano tiene una estructura atómica
ordenada en forma periódica. La separación entre los átomos se mide en 10-10 m (°A) angstrom.
Estructura de los metales• Los átomos están ordenados espacialmente
formando diversos tipos de redes cristalinas, según que elemento químico representen y en algunos casos según sea la temperatura.
• Granos vecinos están separados por bordes de grano. Cada grano puede tener una orientación cristalográfica diferente.
• Cada grano puede tener una estructura cristalina imperfecta (vacancias, dislocaciones).
• Los defectos cristalinos denominados dislocaciones participan activamente durante la deformación plástica de un metal.
Fe , Cristales Cúbicos centrados en el cuerpo (bcc) FERRITA
Fe, Cristales Cúbicos centrados en las caras (fcc) AUSTENITA
FCC (Cúbico centrado en las caras)
Al, Cu, Au, Fe (austenita), Ni, Pt, Ag
BCC (Cúbico centrado en el cuerpo)
Cr, Nb, Fe (ferrita), Mo, Ta, W, V
HCP (Hexagonal compacto)
Cd, Co, Mg, Sn, Ti, Zn,
Zr
Microestructura de un acero estructural
• Un acero de uso estructural (A-36, A-285, A-106, A-53, St 37, St 52, St 35.8, F 24, F 30) tiene una microestructura formada por:
• Granos de Ferrita (hierro alfa (α)), con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo, BCC).
• Perlita (estructura laminar de Ferrita y Cementita (Carburo de Hierro, Fe3C))
• Una dispersión de inclusiones no metálicas (óxidos, sulfuros, nitruros, etc.)
Solución sólida intersticial del C en Ferrita
Fe - Atomo
C - Atomo
Solución sólida intersticial del C en Austenita
Fe - Atomo
C - Atomo
Metalurgia de la soldadura
Transformaciones de FaseTransformaciones de Fase
Microestructura de un acero de muy bajo carbono : Ferrita Fe
Microestructura de un acero inoxidable Austenítico (Fe (), Cristales Cúbicos centrados
en las caras (fcc)
Perlita Laminar (Agregado de Ferrita + Cementita Fe3C)
Acero F+P
Se observa una matriz ferrítica con perlitas orientada según la deformación producida durante el laminado en caliente
Perlita Globulizada
Cuando la perlita es calentada a temperaturas del orden de los 680°C, el carbono de hierro se globuliza
Acero 0,25% C
Laminado en Caliente Normalizado
Tratamiento Térmico Normalizado
Tiempo
Tem
pera
tura
NormalizadoTemperatura: 900 C
Enfriamiento al aire calmo
Tamb
900
Metalurgia de la soldadura
Metalurgia de la SoldaduraMetalurgia de la Soldadura
Microestructuras de las soldaduras
• Caracterización de las microestructuras de una soldadura por fusión.
• Solidificación de los aceros y microestructura del metal de soldadura.
• La Zona Afectada Térmicamente (ZAC).
Efecto de la soldadura sobre la microestructura
• Una soldadura por fusión produce un ciclo térmico heterogeneo sobre el metal base.
• Como resultados el metal base resulta afectado por el calor en una zona próxima a la soldadura (ZAC).
• Se producen transformaciones de fase y crecimiento de grano según sea la composición química del metal base, su homogeneidad química, y el ciclo térmico al que sea sometido localmente.
Macroestructura de la ZAC
Formación de Martensita y Fisuración
MARTENSITAFISURAS
FISURAS
Debido a un enfriamiento rápido en la ZAC se puede originar una estructura dura y frágil denominada MARTENSITA. Esta estructura tiene tendencia a la fisuración.
Bainita (Ferrita + Carburos)
Cuando la austenita se enfría con velocidad intermedias puede originar una estructura de placa de Ferrita mas carburos que es denominada BAINITA
Temperaturas en la ZAC
Soldadura de un material deformado el frío
A- Granos elongados por la deformación en frío
B- Granos equiaxiales recristalizados y zona de grano grueso
C- Metal de soldadura, granos columnares solidificados
ZONAS DE UN CORDON DE SOLDADURA
Región compuesta
Zona parcialmente fundida
Zona afectada térmicamente
Interfaz de la soldadura
Zona fundida no mezclada
Metal base no afectado
ZONA FUNDIDA NO MEZCLADA
Zona del metal base fundido y no mezclado con el aporte durante la soldadura
SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA
Línea de fusión
Metal fundido y solidificado
Metal base
CRECIMIENTO EPITAXIAL
METAL BASE CORDON DE SOLDADURA
LINEA DE FUSION Avance de la solidificación
SOLIDIFICACION DEL METAL DE SOLDADURA
CRECIMIENTO CELULAR DENDRITICO
Solidificación del metal de soldadura
CRECIMIENTO EQUIAXIAL DENDRITICO: Se produce en el crater final de la soldadura al finalizar el cordón de soldadura, tiene tendencia a fisuras
Estructura del metal de soldadura Austenita + Ferrita Delta
Metal de Soldadura:
Acero Inoxidable Austenítico
Subsestructura de Solidificación del Metal de Soldadura
La figura muestra una microsegregación
TRANSFORMACIONES DE FASE EN ESTADO SOLIDO
METAL DE SOLDADURA 300X
FERRITA ACICULAR
FERRITA EN BORDE DE GRANO
F = Ferrita Primaria
GF = Ferrita en Borde de Grano
PF = Ferrita Poligonal Intergranular
AF = Ferrita Acicular
AC = Ferrita con M-A-C alineados
FC = Ferrita con agregados de
Carburos (incluída la Perlita)
M = Martensita
Microestructuras del metal de soldadura
Microestructuras del metal de soldadura
• F = Ferrita Primaria• GF = Ferrita en Borde de Grano
• PF = Ferrita Poligonal Intergranular
• AF = Ferrita Acicular
• AC = Ferrita con M-A-C alineados
• FC = Ferrita con agregados de
Carburos (incluída la Perlita)
• M = Martensita
F = Ferrita Primaria
AF = Ferrita AcicularGF = Ferrita en Borde de Grano
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados
M = Martensita
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados
PF = Ferrita Poligonal Intergranular
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados
Microestructuras del metal de soldadura
AC = Ferrita con M-A-C alineados
F = Ferrita Primaria
FC = Ferrita con agregados de Carburos (incluída la Perlita)
GRILLA PARA CUANTIFICAR LA MICROESTRUCTURA- IIW
SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
Zona Columnar del Metal de Soldadura
ZONA 1
Detalle zona columnar -ZONA 1
Detalle zona transformada REFINADA
ZONA 2
Detalle zona transformada GRANO CRECIDO
ZONA 3
METAL BASE
Probeta M.Aporte Puro AWS 5.1
Probeta M.Aporte Puro ISO 2560
Comparación ISO 2560 y AWS 5.1
• Se diferencian en la manera de construir los depósitos (ISO sin oscilación)
• En AWS se produce oxidación de C, Mn, Si • ISO tiene mayor resistencia a la rotura y fluencia
(diferencia 25 a 50 MPa)• Idéntica tenacidad si la entalla (Charpy) está en el centro • El grado de recristalización es el principal factor que
afecta la tenacidad• En ISO un desplazamiento lateral de la entalla en 3 mm
produce un corrimiento hacia la izquierda de la curva de Charpy -V del orden de 20 °C
CUANTIFICACION DE LA MACROESTRUCTURA
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