ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA EN LA ZONA …

ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA EN LA ZONA AFECTADA POR EL

CALOR (ZAC) DE UNA UNIÓN DISÍMIL ENTRE UN ACERO INOXIDABLE

AISI/SAE 316L Y UN ACERO DE BAJA ALEACIÓN AISI/SAE 4140 CON

DIFERENTE POST TRATAMIENTO TÉRMICO

JEISON CAMILO BECERRA BONILLA

WILLIAM MARTÍNEZ ROSALES

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO

MECÁNICO

DIRECTOR

ING. LUIS HERNANDO CORREA MURILLO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN MECÁNICA

BOGOTA D.C.

2020

1

Nota de aceptación

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____________________________

Presidente Jurado

____________________________

Firma del jurado

___________________________

Firma del jurado

2

TABLA DE CONTENIDO

1. RESUMEN…………………………………………………………………………... 9

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………..….. 10

3. OBJETIVOS ………………………………………………………………………... 11

4. JUSTIFICACIÓN …………………………………………………………………... 12

5. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES ……………………………………….... 13

5.1 ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS……………………………………….... 13

5.1.1 ACERO AISI/SAE 4140……………………………………………..... 14

5.2 ACEROS INOXIDABLES…………………………………………………..…. 16

5.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES…………..…. 17

5.2.2 ACERO INOXIDABLE AISI/SAE 316L…………………………..…. 19

5.3 SOLDADURA……………………………………………………………..….… 19

5.3.1 PROCESOS DE SOLDADURA POR FUSIÓN…………………….... 20

5.3.2 CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR

FUSIÓN……………………………………………………………..... 21

5.3.3 SOLDADURA DE LOS ACEROS INOXIDABLES

AUSTENÍTICOS……………………………………...………….....… 23

5.4 DIAGRAMA DE SCHAEFFLER ……………………………………………… 24

5.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS………………………………………...…...…. 25

5.5.1 TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS………………………….. 26

5.5.2 INFLUENCIA DEL MEDIO DE TEMPLE, GEOMETRÍA Y

TAMAÑO DE LA PIEZA………………………………………….…. 29

5.6 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN …………………………………….. 29

5.6.1 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA………..… 30

3

5.6.2 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN DE

ENFRIAMIENTO CONTINUO ……………………………….…….. 30

5.7 ANTECEDENTES………………………………………………...……….…… 31

6. PROCEDIMIENTO ………………………………………………………………… 34

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS ……………………………………………………. 45

7.1 SIN TRATAMIENTO TÉRMICO……………………………………………..... 45

7.2 NORMALIZADO …………………………………………………...………...... 55

7.3 RECOCIDO ………………………………………………………………….…. 62

7.4 TEMPLE EN ACEITE……………………………………………………..…..... 67

7.5 TEMPLE EN AGUA …………………………………………………………… 71

8. CONCLUSIONES ……………………………………………………………….…. 75

9. RECOMENDACIONES …………………………………………………….....…… 79

10. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………………… 81

11. ANEXOS …………………………………………………………………………… 84

4

LISTA DE FIGURAS

Fig.1 Diagrama de fases hierro-carbono ("Diagrama Hierro-Carbono", 2012)…………….. 15

Fig.2:microestructura de un acero inoxidable ferrítico ……………………………………. 17

Fig.3 microestructura de un acero inoxidable martensítico …………………………...…… 18

Fig.4 microestructura de un acero inoxidable austenítico ………………………………….. 18

Fig. 5 Diagrama de fases hierro-cromo-níquel para un acero con 70% de hierro

(Lipold & kotecki, 2005)……………………………………………………….……. 19

Fig.6 Zonas principales en una unión soldada (Groover, 1997)………………………..…. 22

Fig. 7 Diagrama de Schaeffler (Lipold & kotecki, 2005)....................................................... 25

Fig. 8 Región del diagrama de fases hierro-carbono próximo al punto eutectoide,

donde se indica el tramo de temperaturas de tratamiento térmico del acero

al carbono (Callister, 2012)…………………………………………………….….…. 27

Fig.9 Diagrama TTT Para acero eutectoide con una composición de carbono del (0.77%)... 30

Fig.10 Diagrama CCT de un acero AISI/SAE 4140 ……………………………………..…. 31

Fig.11 Dimensiones para cada uno de los materiales base…………………………….…..... 35

Fig.12 Vista superior del material base ………………………………………………………35

Fig.13 Material mecanizado, el material del lado izquierdo es el AISI 4140, y el otro AISI

316L…………………………………………………………….………………….... 36

Fig.14 Diagrama de schaeffler, estimación de las fases presentes en la soldadura……….… 36

Fig.15 Disposición de las probetas para el proceso de soldadura …………………….….…. 38

Fig.16 Disposición de las probetas antes de soldar ………………………………..….…….. 38

Fig.17 Nueva geometría de las probetas………………………………………...…………… 39

Fig.18 Mufla Acequilabs MFR-2006. (Universidad Distrital Francisco

José de caldas, 2019)………………………………………………………….……... 40

Fig.19 diagrama temperatura tiempo para el proceso de calentamiento de la pieza………..... 41

5

Fig.20 Normalizado, temple en agua y temple en aceite …………………..……………….. 41

Fig.21 Lijadora manual…………………………………………………………….….....….. 42

Fig.22 Pulidora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)………..…. 42

Fig.23 Ataque químico al acero 4140 con nital ……………………………………….….…. 43

Fig.24 Microscopio Axio Observer D1m (Universidad Distrital

Francisco José de Caldas, 2019)………………………………………………….…. 44

Fig.25 SEM (Scanning Electron Microscope) Phenom XL, SENA………………….....…… 44

Fig.26 Probetas redimensionadas para el ensayo en el SEM …………………………...…… 45

Fig.27 Relación entre el diagrama hierro-cromo-níquel y el diagrama de

temperaturas alcanzadas en la región de la ZAC para un acero inoxidable

con 17% de cromo ………………………………………………………………....… 46

Fig.28 Microscopía óptica a 500 aumentos, inicio de la ZAC, acero 316L …………...……. 47

Fig.29 Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L ……………………….. 47

Fig.30 Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L….……. 48

Fig.31 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, acero 316L….……. 49

Fig.32 Influencia de los elementos aleantes en la concentración de carbono para

el punto eutectoide. (W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)……………………..…… 50

Fig.33 Influencia de los elementos aleantes en la temperatura para el punto eutectoide.

Jr., (W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)…………………………………………..… 51

Fig.34 Relación entre el diagrama hierro carbono y el diagrama de temperaturas

alcanzadas en la región de la ZAC para un acero con 0.3% de carbono……………… 51

Fig.35 Microestructura en la ZAC del acero 4140 sin tratar térmicamente ………………..... 53

Fig.36 Acero níquel-cromo-molibdeno templado y revenido que muestra una

microestructura sorbitica………………………………………………………….…. 53

Fig.37 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, ZAC de acero 4140 sin tratamiento

6

térmico………………………………………………………………………….……. 54

Fig.38 Microestructura bainítica rodeada por la formación de martensita en la ZAC.

Las pequeñas partículas de cementita se muestran dentro de las agujas de la

ferrita con una tonalidad clara y la ferrita en una tonalidad oscura………………....... 55

Fig.39 Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 200 aumentos en

la ZAC…………………………………………………………………………..…..... 56

Fig.40 Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 1000 aumentos en

la ZAC……………………………………………………………………………...… 56

Fig.41 Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, normalizado

acero inoxidable 316L…………………………………………………………..….... 57

Fig.42 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, normalizado

acero inoxidable 316L…………………………………………………………..….... 58

Fig.43 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en el aire………..…… 59

Fig.44 ZAC acero 4140 normalizado …………………………………………………..…… 60

Fig.45 Microestructura en la zac acero 4140, normalizado, los granos marcados

con el círculo rojo son granos de ferrita y los granos denotados con el

círculo azul son granos de bainita …………………………………………………..…. 61

Fig.46 Microestructura en la zac microscopio electrónico de barrido 5000x,

normalizado acero 4140 ……………………………………………………………... 61

Fig.47 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, recocido acero inoxidable 316L........ 62

Fig.48 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, recocido

acero inoxidable 316L …………………………………………………………….…. 63

Fig.49 Microscopía óptica a 500 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140……...... 64

Fig.50 Acero 0,23% de carbono recocido a 890ºC, este acero muestra una

configuración laminar entre la ferrita y la perlita. (WRIGHTON, H, 1996)…….....… 65

7

Fig.51 Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140,

región clara formación de granos ferríticos y región oscura formación de perlita…... 65

Fig.52 Microscopía electrónica a 5000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado

4140, evidencia de región perlítica ………………………………………………...… 66

Fig.53 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero 316L…...…... 67

Fig.54 Microscopía electrónica a 2000 aumentos en la ZAC, temple en aceite

acero inoxidable 316L …………………………………………………………….…. 68

Fig.55 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en aceite……….….....69

Fig.56 Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio óptico, temple en aceite

acero 4140 ………………………………………………………………………..…. 70

Fig.57 Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio electrónico de barrido,

temple en aceite acero 4140…………………………………………………………... 70

Fig.58 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en agua acero inoxidable

316L…………………………………………………………………………...……... 71

Fig.59 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en agua

(Atkins, n.d.) ……………………………………………………………………...…. 72

Fig.60 Microestructura martensítica en la ZAC, temple en agua del acero 4140………..….. 73

Fig.61 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, microestructura martensítica en la

ZAC, temple en agua del acero 4140 …………………………………………….…... 73

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Especificaciones AISI/SAE de los aceros……………………………….………..… 14

Tabla 2 Porcentajes de dilución para diferentes procesos de soldadura………………...….... 37

Tabla 3: Variables de soldadura para todas las probetas ………………………………....…. 38

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1. RESUMEN

En la industria es muy común y necesario las uniones disímiles, debido a que en muchas

ocasiones se necesita de las propiedades de ciertos aceros para cumplir con alguna función, un

ejemplo claro es cuando se utiliza un acero de alta resistencia pero se necesita que un pequeño

segmento sea inoxidable, entonces se tiene que hacer una unión disímil para poder cumplir con

ese propósito, sin embargo hay demasiadas uniones disímiles en las cuales no se tiene

información de cómo se comporta su microestructura y de tratamientos térmicos que puedan

mejorarla, de tal manera de que en este proyecto se busca hacer la investigación entre dos

aceros el AISI/SAE 4140 y AISI/SAE 316L, de alta resistencia y acero inoxidable austenítico

respectivamente. En este caso se analizaran la microestructura de la unión disímil que será

sometida a diferentes tratamientos térmicos.

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la industria y en la ingeniería a menudo se busca mejorar y optimizar el diseño y

construcción de maquinaria más avanzada, por esta razón al llevar a cabo uniones disímiles

permiten unir metales con diferentes propiedades (mecánicas, físicas, químicas, etc.) para que

la fabricación de equipos sea menos costosa y se obtenga un mayor rendimiento en su vida

útil. Actualmente, los métodos de unión de metales disímiles incluyen soldadura por fusión,

soldadura a presión, soldadura por explosión, soldadura por fricción, soldadura por difusión,

soldadura fuerte y soldadura blanda, pero el método más utilizado en las industrias es la

soldadura por fusión ya que es un método más económico el cual proporciona un buen acabado

superficial, una gran eficiencia y durabilidad. Aunque, al momento de realizar este tipo de

proceso el acero presenta afectaciones en su microestructura debido al incremento de la

temperatura en la zona afectada por el calor, por esta razón se pueden emplear diferentes post

tratamientos térmicos con el fin de garantizar que la resistencia del material o materiales se

conserve después del proceso de soldadura, también permiten reducir tensiones residuales,

controlar la dureza o incluso para mejorar su resistencia.

La unión de acero inoxidable austenítico (más resistible a la corrosión) con acero al carbono

(más fácil de procesar y de bajo costo) es una combinación común que puede ser

inmediatamente soldada por fusión, siempre que el procedimiento de soldadura sea

propiamente provisto. En este caso se busca unir un acero inoxidable austenítico 316L con un

acero de medio carbono y baja aleación 4140 para observar como se ve afectada las

microestructuras de dichos aceros cuando se realiza una unión disímil, además de evidenciar

cual puede ser considerado el mejor post tratamiento térmico para reducir cualquier problema

o imperfección en la microestructura que pueda afectar y disminuir sus propiedades.

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3. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

● Identificar la microestructura presente en la zona afectada por el calor (ZAC) producida

por una unión soldada entre el acero inoxidable AISI/SAE 316L y el acero aleado

AISI/SAE 4140 cuando se le realiza determinado post tratamiento térmico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Elaborar muestras de la unión soldada que permitan realizar un correcto análisis micro

estructural en la zona afectada por el calor.

● Evaluar la microestructura de las uniones soldadas a nivel de su tamaño de grano,

naturaleza y distribución de las fases.

● Identificar las fases que se encuentran en la ZAC de las uniones soldadas

● Comparar los diferentes cambios de la microestructura en la ZAC de la unión disímil

del acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140 cuando se utilizan diferentes post

tratamientos térmicos.

● Comparar y analizar los cambios microestructurales en la ZAC de la unión disímil entre

el acero 316L y el acero 4140 antes y después de realizar determinado post tratamiento

térmico.

12

4. JUSTIFICACIÓN

Como en la industria siempre se busca mejorar los equipos y maquinarias, las uniones

disímiles son muy comunes ya que se pueden aprovechar las diferentes propiedades que

presentan los diferentes materiales a unir para así obtener un mejor desempeño, por esta

razón es muy importante conocer como se ve afectada la microestructura afectada en la

ZAC ocasionada por el aumento de la temperatura al momento de aplicar la soldadura,

ya que los materiales, en este caso el acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140,

pueden presentar diferentes afectaciones en su microestructura lo cual puede generar

agrietamientos o tensiones residuales generando fallas en la soldadura, mayor potencial

de fisuración y mayor susceptibilidad a la fractura frágil.

Para evitar estos tipos de fallas en la microestructura en los aceros se realizan diferentes

tratamientos térmicos después de realizar el proceso de soldadura, de esta forma se

busca analizar cuál es el post tratamiento térmico más adecuado cuando se realiza una

unión disímil entre el acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140 para evitar o

minimizar las fallas microestructurales que se presentan en la zona afectada por el calor.

13

5. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES

5.1 ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS

Existen numerosas especificaciones de materiales. Algunas grandes organizaciones de

consumidores y casi todos los productores, tienen sus propias normas. Las organizaciones

militares tienen gran número de ella. Sin embargo, las principales organizaciones cuyas

especificaciones se y usan más, generalmente en E.U., son: la Sociedad Norteamericana de

Ensayo de Materiales (A.S.T.M. American Society For Testing Materials), la Sociedad de

Ingenieros de Automoción (S.A.E.: Society of Automotive Engineers) y el Instituto

Norteamericano del hierro y el Acero (A.I.S.I: American Iron and Steel Institute).

Los números de especificación SAE y AISI, son iguales para el acero, excepto en que la AISI

utiliza los prefijos B, C, D, y E, para indicar el método y horno de obtención del acero; de la

siguiente manera:

B: Obtención de acero por medio del convertidor Bessemer

C: Acero usando el método y Horno Siemens Martin, proceso básico

D: Proceso Martin Siemens ácido

E: Acero de horno Eléctrico, ordinariamente aleado

Las letras B o L en medio del número, significan que se le ha agregado Boro o Plomo. Una H

al final del número, indica que el material puede ser adquirido con una templabilidad

especificada.

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ESPECIFICACIONES AISI Y SAE DE LOS ACEROS

ACERO SAE

Ordinario al Carbono 10XX

Fácil maquinado 11XX

Manganeso 13XX

Boro 14XX

Níquel 2XXX

Níquel-Cromo 3XXX

Resistente al calor y a la corrosión 303XX

Molibdeno 4XXX

Molibdeno-Cromo 41XX

Molibdeno-Níquel 46XX

Molibdeno-Cromo-Níquel 47XX

Cromo, resistente al calor y a la corrosión 5XXX

Cromo-vanadio 6XXX

Níquel-Cromo-Molibdeno-Silicio-

Manganeso

2XXX

Níquel-Cromo-Molibdeno (excepto el

92XXX)

9XXX

Tabla 1. Especificaciones AISI/SAE de los aceros

5.1.1 ACERO AISI/SAE 4140

Es un acero de baja aleación al cromo molibdeno, se suministra con o sin tratamiento de

bonificado (temple y revenido), se utiliza en forma general en la fabricación de piezas de

medianas dimensiones que requieran alta resistencia mecánica y tenacidad. Posee una buena

resistencia a la torsión y fatiga, además de una buena maquinabilidad y baja soldabilidad. Su

composición química es: Carbono entre (0,38 – 0,43) %, Silicio (0,10 – 0,35) %, Manganeso

(0,75-1,00) %, Cromo (0,80-1,10) % y Molibdeno (0,15 – 0.25) % (ggd metals, 2019). Entre

15

sus elementos aleantes los más importantes son el cromo y el molibdeno ya que son los que le

aumentan la dureza y resistencia a altas temperaturas, lo cual le brinda unas buenas

características de endurecimiento, ductilidad y capacidad para soldarse .

Para estudiar las diferentes fases que se pueden presentar en este tipo de acero se hace uso del

diagrama hierro-carbono (fig.5), ya que, aunque los elementos aleantes tiene influencia sobre

las transformaciones presentes en el diagrama hierro-carbono, no generan un cambio drástico

debido a que su contenido en la aleación es muy bajo, esto se podrá ver de una manera más

clara con la ayuda de las figuras 28 y 29, que se encuentran más adelante, donde se muestra

como dependiendo el porcentaje de determinado elemento aleante influye sobre los valores de

porcentaje de carbono y temperatura del punto eutectoide en el diagrama hierro-carbono.

Este acero es usualmente utilizado en piñones pequeños, tijeras, tornillos de alta resistencia,

piezas de alta exigencia para la construcción de vehículos en general, cigüeñales, árboles,

palieres, engranajes de transmisión, etc .

Fig. 1: Diagrama de fases hierro-carbono ("Diagrama Hierro-Carbono", 2012)

16

5.2 ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables son aleaciones a base de hierro, con bajo contenido de carbono y un

mínimo de 11% de cromo. La mayoría de los grados comerciales contienen al menos 11% de

cromo y hasta 0.8% de carbono. Algunos grados contienen níquel como segundo elemento de

aleación. Cuando el contenido total de la aleación excede aproximadamente el 50%, la

designación “resistente al calor” es más aplicable que inoxidable.

Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión. Esta resistencia es debido a la

formación espontánea de una capa de óxido de cromo en la superficie del acero. Aunque es

extremadamente fina, esta película invisible está firmemente adherida al metal y es

extremadamente protectora en una amplia gama de medios corrosivos. Dicha película es

rápidamente restaurada en presencia de oxígeno, y así daños por abrasión, corte o mecanizados

son reparados rápidamente.

Para aumentar la resistencia a la corrosión o para requerimientos de fabricación específicos, el

cromo puede aumentarse y pueden añadirse otros elementos tales como níquel o molibdeno.

Con aproximadamente 11% de cromo, se formará una película protectora suficiente para

soportar un ambiente poco agresivo como puede ser el interior de una vivienda, pero con el

tiempo, si este acero presta servicio a la intemperie, acabara corroyendo. Con alrededor de 18%

de cromo, el acero está en condiciones de soportar las más rigurosas condiciones atmosféricas.

El grado de impenetrabilidad de la capa de óxido en ciertos ambientes depende no solo de la

composición de la aleación, sino también en el medio específico, de la temperatura de este, y

de la concentración del agente corrosivo. (“Manual ACEROS INOXIDABLES”, 2019).

17

5.2.1 Clasificación de los aceros inoxidables

● Ferríticos

Se caracterizan por tener una estructura ferrítica a cualquier temperatura ya que no presentan

transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento ni transformación martensítica

en el enfriamiento, por esta razón no hay posibilidad de cambios de fase. Los aceros ferríticos

son conocidos como los aceros inoxidables de cromo directo, su contenido de cromo que varía

entre 10.5% y 30% pero con bajo contenido de carbono (“Manual ACEROS INOXIDABLES”,

2019). Su estructura es cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) por lo que sus propiedades

mecánicas son buenas, como factores negativos encontramos una baja soldabilidad y no pueden

ser tratados térmicamente (temple) ("Clasificación ACEROS INOXIDABLES", 2019).

Fig.2 Microestructura de un acero inoxidable ferrítico ("Clasificación ACEROS

INOXIDABLES", 2019)

● Martensíticos

En el caso de los martensíticos, el porcentaje en cromo también resulta muy elevado por lo que

nos proporciona gran resistencia a la corrosión. Sin embargo estos no contienen aluminio,

titanio, azufre o niobio, se trata de aleaciones ferrosas con un gran límite elástico y dureza. Esta

martensita se forma a través de la austenita gracias a un tratamiento térmico (temple). Estos

tienen un contenido alto en carbono que puede llegar hasta un 1%. Al igual que los ferríticos

son difíciles de soldar, en la soldadura de los aceros martensíticos se pueden producir tensiones

y por consiguiente grietas, si no se adoptan las precauciones convenientes (Ospina Lopez,

2019). Se venden en una estructura ferrítica, baja en dureza y alta ductilidad, es solo después

18

de un tratamiento térmico de temple cuando se consigue la estructura martensítica, muy duros

y poco dúctiles ("Clasificación ACEROS INOXIDABLES", 2019).

Fig.3 Microestructura de un acero inoxidable martensítico ("Clasificación ACEROS

INOXIDABLES", 2019)

● Austeníticos

La clase austenítica contiene níquel como segundo elemento principal de aleación, él Ni se

utiliza para suprimir la transformación de la austenita y hacerla estable incluso a temperatura

ambiente y más baja, así, cuando el níquel se agrega al acero inoxidable en cantidades

suficientes la estructura cambia a austenita (“Manual ACEROS INOXIDABLES”, 2019). Este

tipo de aceros presenta una composición de: 16 hasta 25% de cromo, 8 a 20 % peso en níquel,

1 a 2% de manganeso, 0.5 hasta 3% de silicio, 0.02 hasta 0.08% de carbono,0 a 2% de

molibdeno, 0 a 0.15% de nitrógeno y 0 a 0.2% de titanio y columbio. Esta composición produce

que el acero presente una estructura austenítica a toda temperatura, esta falta de punto de

transformación hace que los aceros inoxidables austeníticos sean sensibles al crecimiento del

grano a temperaturas elevadas, el cual no se puede regenerar por tratamiento térmico, sin

embargo este crecimiento no produce los mismos fenómenos de fragilidad ("Clasificación

ACEROS INOXIDABLES", 2019).

Fig. 4: microestructura de un acero inoxidable austenítico ("Clasificación ACEROS

INOXIDABLES", 2019)

19

5.2.2 Acero inoxidable AISI/SAE 316L

Este es un acero inoxidable austenítico AISI/SAE de la serie 300, que a diferencia del acero

inoxidable 316, este trae un contenido de carbono mucho menor. Su composición química

consta de Carbono en un 0.035%, Manganeso 2%, Azufre 0.030%, Fósforo 0.045%, Silicio

0.75%, Cromo en un 16%-18%, Níquel 10%-14% y molibdeno de 2%-3%. Este minimiza la

precipitación de carburos perjudiciales en la ZAC durante la soldadura. al igual que el acero

316, tiene una alta resistencia a temperaturas altas, es antimagnético en su estado recocido, y

no es endurecido por tratamiento térmico (Aceros inoxidables 316 y 316L – NKS, 2019).

Fig. 5 Diagrama de fases hierro-cromo-níquel para un acero con 70% de hierro (Lipold &

kotecki, 2005)

5.3 SOLDADURA

Es un proceso de fijación de materiales (metal o termoplástico) en donde la unión de dos o más

piezas ocurre por la intervención de otro, a través de un arco eléctrico que genera niveles de

calor óptimos para la labor de soldaje. El producto resultante es un nuevo material, debido a la

fijación de las piezas. Es una técnica de uso frecuente en el ámbito industrial que puede

realizarse al aire libre, bajo el agua y en condiciones de cero gravedad.

20

La soldadura en un acero inoxidable varía sensiblemente respecto a la soldadura que pueda

practicarse en piezas de acero ordinario, por ello, se hace necesario realizar un estudio detallado

de las características que le son propias a fin de poder obtener resultados óptimos de soldeo.

Por otro lado, el empleo de aleaciones de acero inoxidable suele coincidir con aplicaciones que

resultan ser críticas (industria farmacéutica, alimenticia, nuclear...) por lo que es de vital

importancia obtener soldaduras de la máxima calidad y cuyo resultado no merme la resistencia

a la corrosión o de salubridad inicial del acero inoxidable (Soldadura de los Aceros Inoxidables,

2019).

5.3.1 Procesos de soldadura por fusión

● Soldadura por arco manual con electrodo revestido (SMAW)

En este proceso el electrodo es un alambre revestido, donde el soldador controla el proceso

manualmente sobre la longitud y dirección del arco que se establece entre el extremo del

electrodo y la pieza a soldar (metal base). El calor generado por el arco eléctrico funde el

revestimiento y la varilla metálica del electrodo, a la vez que la combustión del revestimiento

sirve para crear una atmósfera protectora que impide la contaminación del material fundido.

Las gotas de metal fundido procedente de la varilla metálica del electrodo van a depositarse en

el baño de fusión, a la vez, el material procedente de la fusión del revestimiento del electrodo

genera una escoria, que por viscosidad flota sobre el baño de fusión, protegiéndolo contra un

enfriamiento rápido y de la contaminación del aire circundante. Una vez frío el cordón se

procede a eliminar la escoria que queda como una especie de costra sobre la superficie del

cordón (Soldadura de los Aceros Inoxidables, 2019).

● Soldadura TIG

El proceso TIG (Tungsten Inert Gas) resulta un procedimiento muy adecuado para soldar el

acero inoxidable. En este caso, el arco eléctrico se establece entre un electrodo no consumible

21

de Tungsteno y el metal base, bajo una atmósfera protectora generada por un gas inerte. El

procedimiento de soldadura TIG genera cordones de gran calidad, sin escorias (dado que

emplean electrodos no consumibles sin revestimiento), ni proyecciones, por lo que se usa para

soldaduras de responsabilidad en acero inoxidable, donde obtener soldaduras de calidad sea

necesario.

Generalmente el procedimiento TIG se suele emplear para soldar piezas de poco espesor (hasta

6 mm. aproximadamente), dado que para espesores de piezas mayores de 6 - 7 mm este

procedimiento no resulta económico. De esta manera, para espesores mayores a los 6 mm., se

suele emplear procedimientos de soldadura por arco sumergido (Soldadura de los Aceros

Inoxidables, 2019).

● Soldadura MIG

Tanto en el procedimiento MIG (Metal Inert Gas, cuando se utiliza la protección gaseosa de un

gas inerte) como también en el MAG (Metal Active Gas, cuando se utiliza un gas activo), se

establece un arco eléctrico entre un electrodo consumible, que se presenta en forma de un

alambre desnudo, y la pieza a soldar o metal base.

Como se ha comentado, para la soldadura MIG, tanto el arco como la soldadura se protegen

del aire de la atmósfera mediante la acción de una envolvente gaseosa, compuesta por gases

inertes, principalmente argón y/o helio. Con el objeto de obtener una mejor acción del arco y

una mejor mojabilidad en la soldadura, en ocasiones se utilizan pequeñas cantidades de gases

activos, tales como dióxido de carbono, oxígeno e hidrógeno(Soldadura de los Aceros

Inoxidables, 2019).

5.3.2 Características de una junta soldada por fusión

Una junta soldada por fusión común, a la cual se le ha agregado un material de aporte, consta

de varias zonas: 1) zona de fusión, 2) interfase de soldadura, 3) zona afectada por el calor y 4)

zona de metal base no afectada.

22

La zona de fusión consiste en una mezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fundido

por completo. Esta zona caracteriza por su alto grado de homogeneidad entre los metales

componentes que se han fundido durante la soldadura. La segunda zona en la unión soldada es

la interface de soldadura, un estrecho límite que separa la zona de fusión de la zona afectada

por el calor. La interfaz consta de una banda completa y delgada de metal base fundido o

parcialmente fundido durante el proceso de fusión (el fundido se localiza dentro de los granos),

el cual se ha solidificado inmediatamente después, antes de mezclarse con el metal en la zona

de fusión, por lo tanto, su composición química es idéntica a la del metal base.

La tercera zona es la Zona afectada por el calor, el metal ha experimentado temperaturas

menores a su punto de fusión, aunque lo suficientemente altas para producir cambios

microestructurales en el metal sólido. La composición química en la zona afectada por el calor

es igual a la del metal base, per esta zona ha sido tratada con el calor debido a las temperaturas

de soldadura, por lo que se han afectado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño

metalúrgico en la ZAC depende de factores tales como la cantidad de calor que ha ingresado a

la máxima temperatura alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo que

ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento y las propiedades

térmicas del metal. El efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afecta por el calor por

lo general es negativo y en esta región con frecuencia ocurren fallas e la junta soldada

Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, se alcanza por fin la zona de metal base

no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. No obstante, es probable que el

metal base que rodea la ZAC presente un estado de alta tensión residual, producido por la

contracción en la zona de fusión (Groover, 1997).

23

Fig.6 Zonas principales en una unión soldada (Groover, 1997)

5.3.3 Soldadura de los aceros inoxidables austeníticos

Los aceros inoxidables austeníticos, comparados con otras familias de aceros, como los aceros

al carbono sin alear, los de baja aleación o incluso comparados con las otras familias de aceros

inoxidables, son aceros que tienen un punto de fusión más bajo, su estructura interna ofrece

una mayor resistencia eléctrica con menor conductividad térmica y presentan, en general, un

mayor coeficiente de dilatación que los demás aceros. Como resultado de todo lo anterior, para

la ejecución de soldaduras en los aceros inoxidables austeníticos se va a requerir aportar menor

cantidad de calor para crear el baño de fusión en el metal base.

En general, los aceros inoxidables austeníticos se sueldan con más facilidad que los

martensíticos o que los ferríticos, pero existen factores característicos de esta familia que deben

ser tenidos en cuenta para poder ejecutar una buena soldadura y de paso eliminar el riesgo de

defectos en la soldadura (Soldadura INDURA, 2019).

● Precipitación de carburos

Es una de las causas más comunes de corrosión en los aceros inoxidables austeníticos y que

aparece en las zonas del metal base adyacentes del cordón. Es decir, que no es una corrosión

que afecta específicamente al cordón sino en el área alrededor de éste. Ello ocurre porque

cuando a un acero inoxidable austenítico se le somete a un intervalo de temperatura de entre

420 y 900 ºC durante un cierto tiempo, o si durante su enfriamiento se le enfría lentamente en

24

dicho intervalo de temperatura, entonces se podrá dar lugar a un precipitado de compuestos de

carburo de hierro y cromo. Este precipitado empobrece el contenido en cromo en el acero, y

por tanto su función protectora que le confiere su característica de inoxidable. Esta

precipitación es más intensa en el intervalo de temperatura que va de los 600 a los 850 ºC.

Los precipitados de carburo de cromo se suelen formar en los límites de grano, haciendo que

disminuya la cohesión entre ellos, a la vez que origina el empobrecimiento antes dicho del

contenido de cromo de las zonas anexas, por lo que la propiedad protectora que le confiere el

cromo al acero inoxidable disminuye, y el acero queda "sensibilizado", es decir, más vulnerable

a la corrosión. Esta tendencia a la formación de los precipitados del carburo de cromo

dependerá del tiempo de exposición en el intervalo de temperaturas críticas (420-900 ºC) y de

la cantidad de carbono presente en la composición del acero (Soldadura INDURA, 2019).

● Fase sigma

La denominada Fase Sigma es un compuesto intermetálico de hierro y cromo (45%Cr-55%Fe)

que se caracteriza por su alta dureza (superior a 900 Vickers) y gran fragilidad, y que tiene gran

influencia sobre la resistencia a la corrosión y características mecánicas de la soldadura,

aumentando los riesgos de fisuración. Su formación es debida a la presencia de ferrita en los

aceros inoxidables cuando se les mantiene durante un largo periodo de tiempo entre 550 y 900

ºC, de manera que la ferrita se transforma en Fase Sigma. Una vez formada la Fase Sigma, ésta

puede ser removida mediante un tratamiento térmico, tal que calentándola sobre los 1050 ºC,

la Fase Sigma puede ser disuelta en la austenita y para luego ser transformada de nuevo en

ferrita (Soldadura INDURA, 2019).

25

5.4 DIAGRAMA DE SCHAEFFLER

El diagrama de Schaeffler (Fig. 7), se usa principalmente para predecir la estructura del metal

de soldadura obtenido en una unión de aceros inoxidables de diferentes fases. Este diagrama

fue obtenido por Al Schaeffler de manera empírica y permite determinar la microestructura de

un metal conociendo su micro-composición. Este diagrama es válido únicamente cuando los

elementos se encuentran en proporciones no mayores a: C 2% max, Mn 1.0% max, Si 1.0%

max, Mo 3.0% max, Nb 1.5 % max. Adicionalmente se pueden indicar problemas que

presentan determinadas estructuras al soldar, dependiendo de su ubicación en el diagrama, que

pueden evitarse al seleccionar adecuadamente el material de aporte y el procedimiento de

soldadura (Lipold & kotecki, 2005).

Fig. 7: Diagrama de Schaeffler (Lipold & kotecki, 2005)

Para emplear este diagrama se parte de la cantidad de cromo y el níquel equivalente del material

base y del material de aporte, estos valores se determinan por medio de las fórmulas expuestas

en la gráfica:

- Níquel equivalente: Ni+30C+0.5Mn

- Como equivalente: Cr+Mo+1.5+Si+0.5Cb

26

5.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS

El Tratamiento Térmico es un proceso donde se ve efectuado el calentamiento y enfriamiento

del material para generar cambios microestructurales, los cuales por consecuencia generan

cambios en las propiedades mecánicas. El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar

a los materiales propiedades específicas para que puedan desempeñar adecuadamente su

función. Se pueden realizar Tratamientos Térmicos sobre una parte ó la totalidad de la pieza

en uno ó varios pasos de la secuencia de fabricación. En algunos casos, el tratamiento se aplica

antes del proceso de formado (recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más

fácilmente mientras se encuentra caliente). En otros casos, se usa para aliviar los efectos del

endurecimiento por deformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de

manufactura para lograr resistencia y dureza (Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito,

2008).

5.5.1 Tipos de tratamientos térmicos

- Recocido

El término recocido se refiere al tratamiento térmico de un material que es expuesto a una

elevada temperatura durante un periodo de tiempo y, luego, enfriado lentamente. Usualmente

el recocido se lleva a cabo para eliminar tensiones; incrementar la plasticidad, ductilidad y la

tenacidad y/o producir una microestructura específica. Existen varios tratamientos térmicos de

recocido caracterizados por los cambios producidos, muchas veces se trata de cambios

microestructurales, responsables de la modificación de las propiedades mecánicas.

Todo proceso de recocido consta de tres etapas: (1) calentamiento a la temperatura prevista,

(2) mantenimiento o “impregnación térmica” a esta temperatura y (3) enfriamiento,

generalmente hasta la temperatura ambiente. El tiempo es un parámetro importante en estos

procedimientos, además, durante el calentamiento y el enfriamiento existen gradientes de

temperatura entre el interior y la superficie de la pieza; si la velocidad de cambio de temperatura

27

es grande, se genera un gradiente de temperatura que induce tensiones internas que pueden

conducir a deformaciones e incluso el agrietamiento. El tiempo de recocido debe ser

suficientemente largo para permitir la necesaria reacción de transformación, la temperatura de

recocido también es importante; el recocido se acelera al aumentar la temperatura, ya que

representa un proceso de difusión.

El tratamiento térmico denominado recocido total se suele aplicar a los aceros bajos y medios

en carbono. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40ºC por encima de las líneas A3 (línea

crítica superior) o A1 (línea crítica inferior) indicadas en la figura 8 , hasta conseguir el

equilibrio. Después la aleación se deja enfriar dentro del horno; se apaga el horno y horno y

acero llegan a la temperatura ambiente a la misma velocidad donde se suelen necesitar varias

horas. La microestructura resultante de este recocido es perlita gruesa (además de alguna fase

proeutectoide) que es relativamente blanda y dúctil. El procedimiento de recocido total necesita

mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes. (Callister,

2012)

- Normalizado

Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por laminación, consta de granos

de perlita y como máximo una fase proeutectoide; estos granos son relativamente grandes y de

forma irregular, pero de tamaño muy variables, por ello, se les aplica un tratamiento térmico

denominado normalizado para afinarlos (disminuir su tamaño) y producir una distribución de

tamaños más uniforme. El normalizado se realiza calentando 55 a 85ºC por encima de la

temperatura critica superior denominada A3 (Fig. 8), que , naturalmente, depende de la

composición. Después del tiempo suficiente para conseguir la completa transformación a

austenita (proceso denominado austenización) el tratamiento termina enfriando al aire.

(Callister, 2012)

28

Fig. 8 Región del diagrama de fases hierro-carbono próximo al punto eutectoide, donde se indica el

tramo de temperaturas de tratamiento térmico del acero al carbono (Callister, 2012)

- Temple

El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia

mecánica del material, transformando la microestructura en austenita con el calentamiento y

después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en

martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.

Para realizar el tratamiento térmico de temple primero se debe calentar la pieza hasta su

temperatura de austenización (dependiendo de la composición del material), después se

mantiene dicha temperatura durante cierto tiempo para que toda la pieza obtenga una

microestructura totalmente austenítica, por último se enfría rápidamente (con un medio de

enfriamiento ya sea agua, aceite o salmuera) y así obtener la estructura totalmente martensítica

(Interempresas, 2019).

- Revenido

Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle realizado un Temple

o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico (o temperatura de

recristalización), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se

29

pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al máximo las

tensiones térmicas que pueden generar deformaciones (Interempresas, 2019).

- Cementación

La difusión de carbono sobre la superficie se denomina cimentación. Este procedimiento

consiste en el calentamiento de las piezas a una temperatura de aproximadamente 900 ºC en un

medio en el que el carbono penetre en la superficie del acero en función del tiempo. Se puede

efectuar este procedimiento con medios sólidos (carbón de madera con aditivos, baño de sales

con cianuros), o con medios gaseosos CO, H2, N2, CmHn. La utilización de medios gaseosos

es la más utilizada ya que permite un control de la profundidad del tratamiento.

Después de la cementación se efectúa un enfriamiento rápido para alcanzar la dureza superficial

necesaria de forma que los aceros con bajo contenido en carbono, alcancen una superficie dura

con un núcleo dúctil que proporcione a las piezas su máxima resistencia (Interempresas, 2019).

5.5.2 Influencia del medio de temple, tamaño y geometría de la muestra

La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la velocidad de eliminación de la

energía térmica, que es en función de las características del medio de temple en contacto con

la superficie de la muestra, el tamaño y la geometría de la muestra.

La “severidad de temple” es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de

enfriamiento; el temple más rápido equivale a un temple más severo. De los tres medios de

temple más utilizados (agua, aceite y aire) el agua es el que produce un temple más severo

seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de cada medio

también influye en la velocidad de eliminación del calor. Incrementando la velocidad de

enfriamiento a través de la superficie de la probeta aumenta la efectividad del temple. Los

aceites de temple son adecuados para el tratamiento térmico de la mayoría de los aceros

aleados. En efecto, para los aceros altos en carbono el temple en agua puede resultar demasiado

30

severo porque produce deformaciones y grietas, por otro lado, el enfriamiento al aire del acero

al carbono produce una microestructura casi totalmente perlítica. (Callister, 2012)

5.6 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN

Estos diagramas son una herramienta fundamental para el diseño de materiales con propiedades

mecánicas muy específicas por medio de un tratamiento térmico completamente premeditado.

Los diagramas a tener en cuenta son los de transformación isotérmico (TTT), y el de

transformación por enfriamiento continuo (CCT).

5.6.1 Diagrama de transformación isotérmica

Este diagrama muestra lo que pasa cuando un acero es mantenido a una temperatura constante

por un tiempo prolongado. En este tipo de diagramas se mide en el eje vertical la temperatura

y en el horizontal el tiempo en escala logarítmica. Por lo general el diagrama presenta curvas

en forma de S, las cuales limitan las posibles fases que puede tener cierto acero, y estas cambian

debido al contenido de carbono que tenga este. Este tipo de diagramas solo funcionan cuando

se mantiene la temperatura de enfriamiento constante, de esta forma se pueden alcanzar las

propiedades mecánicas deseadas por el diseñador.

Fig.9: Diagrama TTT Para acero eutectoide con una composición de carbono del (0.77%).

(W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)

31

5.6.2 Diagramas de transformación de enfriamiento continuo

Este tipo de diagramas son los utilizados industrialmente debido a que los tratamientos térmicos

más comunes son los de enfriamiento continuo. Estos diagramas al igual que los de

transformación isotérmica muestran curvas que delimitan las zonas por las cuales se denotan

las diferentes microestructuras con sus debidos porcentajes de composición. Se pueden

encontrar diferentes curvas de enfriamiento con distintas velocidades de enfriamiento.

Fig.10: Diagrama CCT de un acero AISI/SAE 4140. (Gray, A. G. 1977, página 390)

5.7 ANTECEDENTES

SOLDABILIDAD EN ACEROS INOXIDABLES Y ACEROS DISÍMILES

Este es un artículo de la Universidad Tecnológica de Pereira Colombia sus autores son, Ospina

López Ricaurte, Aguirre Corrales Héctor y Parra L. Hernando. Este fue publicado en mayo del

2017. En este artículo se habla sobre la unión entre aceros de la misma clase y la unión disímil

32

entre aceros, además de la forma correcta de escoger el electrodo adecuado dependiendo de la

composición química del material por medio del diagrama de Schaeffler. El diagrama de

Schaeffler, se usa principalmente para predecir la estructura del metal de soldadura obtenido

en la unión de aceros inoxidables disímiles, o de aceros inoxidables con aceros al carbono, con

o sin aleación (Soldabilidad en aceros inoxidables y aceros disímiles. 2007). Este comienza

con con el contenido general que es la explicación de cómo se clasifican los aceros, los cuales

varía su grupo dependiendo de su nivel de aleación (bajo, medio, alto), su contenido de carbono

y si son de la familia de los aceros inoxidables. Luego explican cómo encontrar la composición

química en dos casos particulares, el primero en la unión de acero AISI/SAE 410 con un

electrodo ER 319L y el segundo la unión disímil entre AISI/SAE 1045 y AISI/SAE 316 con

un material de aporte ER-312.

INVESTIGATION ON THE MICROSTRUCTURE—MECHANICAL PROPERTY

CORRELATION IN DISSIMILAR STEEL WELDS OF STAINLESS STEEL SS 304

AND MEDIUM CARBON STEEL EN 8

Sus autores son: Dilip Kumar Singha, Gadadhar Sahoob, Ritwik Basua, Vikram Sharmac, M.A.

Mohtadi-Bonabd. Este es un artículo que trata de la unión entre dos aceros; AISI/SAE 304 y

AISI/SAE 1040, usando el proceso de soldadura (TIG) con material de aporte 309L. Durante

el desarrollo se vio reflejado diferentes microestructuras en la interfase y en la soldadura, las

cuales fueron alcanzadas bajo el cambio de diferentes variables a la hora de soldar, como lo

son el amperaje, voltaje y velocidad de soldadura. Muestran como la microestructura de la

región de soldadura varió desde largos granos de austenita a granos finos de ferrita y austenita.

La zona de fusión en la interfase del acero de medio carbono y el metal de aporte, fueron

caracterizados por la presencia de granos finos de ferrita. La diferencia en la microestructura

fue debido al calor de entrada de cada una de las pruebas. Cinco probetas fueron preparadas

33

bajo condiciones distintas, Una relación fue encontrada entre los esfuerzos residuales

encontrados en la soldadura y el ángulo de límite de grano.

INFLUENCIA DE LA TÉCNICA DE SOLDADURA MULTIPASADA Y DE LOS

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE PRECALENTAMIENTO Y POST-SOLDADURA

EN EL COMPORTAMIENTO DE UNIONES GMAW DE UN ACERO

MICROALEADO HARDOX 400(•)

Los autores de este proyecto son: A. Martínez*, V. Miguel**, J. Coello*, A. Navarro**, A.

Calatayud** y M.C. Manjabacas. En este proyecto lo que se busco fue analizar las propiedades

mecánicas y la microestructura de la unión soldada del acero HARDOX 400, extrayéndolo de

una chapa, con pretratamiento térmico y post tratamiento térmico en la unión soldada. Se

realizaron análisis macro y microestructurales de las zonas características de la unión y del

comportamiento mecánico de la misma en función de las variables indicadas. Los resultados

que obtuvieron indican el efecto beneficioso del precalentamiento debido al alejamiento de la

zona de menor dureza en la ZAT respecto al borde del cordón. El material de aporte que

utilizaron fue el AWS A5.18, tomando como criterio la limitación de presencia de hidrógeno

en la unión. Al momento de soldar se hizo variaciones en las operaciones de soldadura. Se

realizó la unión a cordón único por una cara con y sin precalentamiento de la chapa. También

se realizó la operación mediante varios cordones o multipasada sin precalentamiento previo de

la chapa. Las uniones fueron realizadas mediante punteo previo en una de las caras. El

precalentamiento se realizó mediante el empleo de un soplete butano-aire inmediatamente antes

de soldar. La temperatura de la chapa precalentada mediante este método resultó estar alrededor

de 200° C. Para el final ellos concluyen lo siguiente: “El beneficio de los tratamientos térmicos

experimentados se justifica en base a los indicadores establecidos. Así los tratamientos

34

térmicos postsoldeo mejoran la dureza de la zona afectada térmicamente. La resistencia de esta

zona mejora en torno al 14 % respecto al mismo proceso sin tratamiento como consecuencia

de la eliminación de tensiones que tiene lugar. El precalentamiento amplía la zona afectada

térmicamente consiguiendo que la zona adyacente al cordón pueda distribuir mejor la absorción

de deformaciones. La combinación de ambos tratamientos consigue la unión de los dos efectos,

por lo que resulta recomendable su ejecución siempre que sea posible”.

6. PROCEDIMIENTO

- Elaboración de probetas

Para poder realizar el estudio de la unión disímil entre el acero inoxidable AISI 316L y el acero

de baja aleación AISI 4140, se llevó a cabo la extracción del material en una distribuidora de

acero, CIA General de Aceros de Bogotá, en donde se compraron 4 piezas de retal de los

aceros mencionados, dos para cada uno. Las medidas que se decidió utilizar fueron: para el

acero 316L, se cortó 200 milímetros de largo por 50 de largo de una lámina de ⅜ de pulgada

de espesor (Anexo 9). Para el acero 4140 la única medida que cambia es la del espesor, debido

a que este se cortó de una lámina de 10 milímetros de espesor

En el caso de acero inoxidable el tipo de corte utilizado fue el de oxicorte y para el otro acero

fue por medio de corte aserrado. Este es muy importante tenerlo claro, ya que el tipo de corte

puede calentar la pieza de manera que pueda cambiar la microestructura del material, en el caso

del acero inoxidable, se tiene en cuenta esto, debido a que este tipo de corte calienta el material

de forma que el área paralela al vector de corte, puede afectarse micro estructuralmente, sin

embargo más adelante se toman consideraciones en el mecanizado de las probetas.

Para la fabricación de las probetas, inicialmente, se cortó cada uno de los 4 retales en cuatro

partes iguales, 50 milímetros cada una, quedando así pedazos del material de (50x50x espesor

35

de cada material), todas las unidades en milímetros. Se diseñó la geometría de cada una de las

probetas, en la figura 11 se muestra la geometría de cada uno de los materiales base.

Fig. 11: Dimensiones para cada uno de los materiales base.

Teniendo en cuenta que la unión soldada es una unión a tope y sin hacer uso de alguna norma

en particular se escogió a criterio propio las dimensiones, tal como el ángulo de bisel, ancho

de raíz y separación de raíz.

Para el mecanizado de las probetas se tuvo en cuenta el criterio de precisión y refrigeración del

material, así que estas se mecanizaron en una fresadora CNC. Durante el mecanizado, se

decidió desbastar un milímetro del ancho de cada probeta, para así compensar el calor

producido en el corte del material (Fig.12).El resultado final del mecanizado se refleja en la

Figura 13.

36

Fig.12: Vista superior del material base.

Fig.13: Material mecanizado, el material del lado izquierdo es el AISI 4140, y el otro AISI

316L.

- SOLDADURA

Para el proceso de soldadura se escogió el TIG (Tungsten Inert Gas), y el material de aporte

ER-309L, muy utilizado para uniones disímiles. el calibre para este electrodo fue de 3/32”, de

acuerdo a esto la disposición para soldar las probetas fue la mostrada en la figura 16.Además,

para tener en cuenta las fases que se puedan presentar en la soldadura se utilizó el diagrama de

schaeffler (Fig.14) y de esta manera saber cómo puede afectar el material de aporte a los

materiales base.

37

Fig.14 Diagrama de schaeffler, estimación de las fases presentes en la soldadura

Tabla 2: Porcentajes de dilución para diferentes procesos de soldadura

38

Se determina la cantidad de cromo equivalente y níquel equivalente por medio de las fórmulas

mostradas en la figura 11, para el material de aporte ER-309L se obtiene un 25.7% de cromo

equivalente y 13.7% de níquel equivalente, para el acero inoxidable 316L se obtiene un 20.7%

de cromo equivalente y un 11.3% de níquel equivalente, y para el acero 4140 se determina un

2.7% de cromo equivalente y un 12.5% de níquel equivalente. Luego, se ubican los puntos en

el diagrama de schaeffler (fig.14) y se une el punto que le corresponde al acero 4140 y al acero

316L por medio de una línea verde, se ubica el punto medio de dicha línea y se identifica con

la letra A, este punto indica la igualdad de fusión de ambos materiales base, enseguida se une

por medio de otra línea el punto A con el punto del material de aporte ER-309L , y se ubica el

punto B dependiendo el porcentaje de dilución dependiendo el proceso de soldadura utilizado,

en este caso un 43.6% de dilución para un proceso TIG (Tabla 2). Finalmente, se obtiene que

en la soldadura se tendrá aproximadamente un 5% de ferrita y un 95% de austenita en su

microestructura.

Fig.15: Disposición de las probetas para el proceso de soldadura.

39

Fig.16: Disposición de las probetas antes de soldar

Para poder soldar los dos materiales y que no hubiera un exceso de penetración de soldadura,

se colocó ambos materiales base sobre una lámina de aluminio de 3 milímetros de espesor. Las

variables de soldadura como amperaje, voltaje, caudal del argón y velocidad de soldadura

fueron las mismas para todas las probetas (Tabla 3). En el total de número de pasadas para

completar el espesor de las probetas fue de cuatro pasadas, esto es indispensable para el futuro

análisis porque cada pasada afecta térmicamente el material base.

Tabla 3: Variables de soldadura para todas las probetas

Una segunda modificación se le tuvo que hacer a la probeta para poder analizar bien la ZAC,

ya que la falta de una buena sujeción del material base y por el efecto de las tensiones residuales

producidas por la soldadura, hubo unas leves torceduras que obstaculizan la correcta

preparación de la ZAC. De este modo se modificó la geometría de la probeta para poder

efectuar correctamente el proceso de lijado y pulido de la ZAC. En la figura 17, se puede

observar la geometría de las probetas después de ser modificadas. Para alcanzar estas

modificaciones los cortes se efectuaron por medio de una máquina que hace cortes por medio

40

de hilo erosivo, este corte se efectúa debajo del agua, para que así el material no alcance altas

temperaturas que puedan cambiar su microestructura.

Fig.17: Nueva geometría de las probetas.

- Tratamiento térmico

Los tratamientos térmicos a los que se sometieron las probetas fueron: temple en agua, temple

en aceite, normalizado y un recocido. Para estos tratamientos térmicos se utilizó la Mufla

Acequilabs MFR-2006, (Fig.18), del laboratorio de tratamientos térmicos de la Universidad

Distrital-Facultad Tecnológica, las especificaciones técnicas y características del equipo se

pueden encontrar en los anexos 5,6 y 7. Para hacer estos tratamientos térmicos, se estableció la

temperatura de trabajo, en este caso la temperatura de austenización del acero AISI 4140,

850°C.

41

Fig.18: Mufla Acequilabs MFR-2006. (Universidad Distrital Francisco José de caldas, 2019)

En este proceso se introdujo las 4 muestras en la mufla, hasta alcanzar la temperatura de 850°C,

esto tomó alrededor de 1 hora con 30 minutos el lograr esta temperatura. Una vez alcanzada

dicha temperatura, se extendió el tiempo a 30 minutos, para que las probetas alcanzaron una

total homogeneización respecto a la microestructura (Fig.19). El tiempo de homogeneización

varía dependiendo del tamaño que tenga la pieza, en este caso se manejó el tiempo con la pieza

de mayor espesor, ósea la de 10 milímetros, y por cada milímetro de espesor se esperaba 3

minutos, para un total de 30 minutos.

Fig. 19: diagrama temperatura tiempo para el proceso de calentamiento de la pieza.

42

Al culminar el tiempo de homogenización inmediatamente se abrió la mufla y se sacó la probeta

del normalizado (enfriamiento en aire), rápidamente se extrajo otra probeta para el templado

en agua, cerrando la puerta del horno para no perder el calor del mismo, los medios de

enfriamiento para los temples se encontraban a temperatura ambiente. Se hizo el mismo

procedimiento con la siguiente probeta siendo templada en aceite de motor. La última probeta

quedó dentro del horno para poder hacer el recocido (Fig.20).

Fig.20: Normalizado, temple en agua y temple en aceite.

- Preparación metalográfica

Ya teniendo todas las probetas con sus respectivos tratamientos térmicos, se procedió a

preparar la superficie a analizar. La primera parte consiste en el lijado de las probetas desde el

papel lija de mayor tamaño de grano hasta el de menor tamaño de grano. Los papeles de lijas

utilizados fueron 100, 220, 400, 600, 800, 1000, 1500 y 2000 en esa misma secuencia. Cada

una de las probetas fueron lijadas en la lijadora manual (Fig.21).

43

Fig.21: Lijadora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)

Después del proceso de lijado se someten las probetas al la etapa de pulido para poder

desvanecer cualquier raya producto del lijado. Para este proceso se utilizó alúmina de 5μm,

cada probeta se pulió alrededor de 15 minutos cada una para que se alcanzará una superficie y

reflejo de espejo. Esto fue efectuado en la pulidora manual (Fig.22).

Fig.22: Pulidora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)

- Microscopía óptica

Finalizado el proceso de preparación se llevó a cabo la parte microscópica para la

caracterización micro estructural, debido a que se está trabajando sobre una unión disímil entre

un acero inoxidable y uno al carbono, cada uno tiene un ataque químico distinto según la ASTM

E304. Como en el caso del acero inoxidable, el ataque químico es el denominado “reactivo de

vilella” o ácido nítrico más ácido clorhídrico y glicerina cada uno en un 33% de volumen, este

puede quemar el acero al carbono debido a su agresiva reacción al contacto con este, de manera

44

que el primero en atacar químicamente fue el acero AISI 4140 por medio del nital al 2%

(alcohol y ácido nítrico al dos por ciento de volumen). Primero las probetas fueron limpiadas

en alcohol y luego sumergidas en el nital, no por mucho tiempo para que no hubiera un sobre

ataque en el material, de manera que siempre se revisaba el color del material para estar seguros

de esto (Fig.23).

Fig.23: Ataque químico al acero 4140 con nital.

Una vez terminado cada uno de los ataques, se procedió a limpiar las muestras y a tomar cada

una de las micrografías en el microscopio Axio Observer D1m (Fig.24), este microscopio

óptico se encuentra ubicado en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas con el cual se pueden alcanzar imágenes desde 50x hasta 1000x aumentos, la

características y especificaciones del equipo se encuentra en los anexos 6 y 7.

45

Fig.24: Microscopio Axio Observer D1m (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)

Con este microscopio se alcanzó una imagen máxima de mil aumentos, en el orden de las 50μm.

- Microscopía electrónica de barrido

Este ensayo fue ejecutado para poder alcanzar una visualización más amplia de las muestras a

estudiar, debido a que con la microscopía óptica solo se llegaba a 1000 aumentos, llegando

hasta 5000 aumentos (Fig.25).

Fig.25: SEM (Scanning Electron Microscope) Phenom XL, SENA.

La preparación de las muestras es similar a la ya ejecutada, lijado, pulido y ataque. La única

diferencia del anterior proceso es que había que adecuar las muestras para poder introducirlas

en el SEM, como la geometría de las probetas era demasiado grande, tuvo que reducirse a

muestras de dos centímetros de ancho, dos de largo y el espesor mayor de un centímetro

(Fig.26).

46

Fig.26: Probetas redimensionadas para el ensayo en el SEM.

Con respecto al ataque químico del acero inoxidable se utilizó el ya mencionado reactivo de

vilella, (HNO3 + HCl + C3H8O3), en una proporción de 30 ml cada uno. Cada una de las

muestras se sumergió en el reactivo con una duración de dos minutos, después del tiempo se

lavaron y se secaron con aire a presión, todo esto para prevenir impurezas y suciedad en las

zonas a analizar.

7. ANÁLISIS DE RESULTADOS

7.1 SIN TRATAMIENTO TÉRMICO

● Acero inoxidable 316L

Al observar la figura 27 se puede determinar las posibles microestructuras presentes en la ZAC

del acero inoxidable 316L luego de haber realizado el proceso de soldado. Siguiendo la línea

azul de la (Fig.27), y a una temperatura de aproximadamente 1300ºC, se tiene una estructura

austenítica con una fase ferrítica en la región más cercana al cordón de soldadura, luego entre

las temperaturas de 950ºC y 750ºC, aproximadamente, se mantendrá una matriz austenítica con

un fase ferrítica a medida que nos vamos alejando de la zona afectada por el calor.

47

Fig. 27 Relación entre el diagrama hierro-cromo-níquel y el diagrama de temperaturas alcanzadas

en la región de la ZAC para un acero inoxidable con 17% de cromo

Inicialmente, se realiza la toma metalográfica, tanto óptica como electrónica, al acero

inoxidable antes de haber realizado cualquier tratamiento térmico para evidenciar su

microestructura en la ZAC después de haberle realizado el proceso de soldado, y también para

tener un punto de comparación después de haber realizado los determinados tratamientos

térmicos.

48

Fig. 28: Microscopía óptica a 500 aumentos, inicio de la ZAC, acero 316L

Fig. 29: Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L

Teniendo en cuenta el diagrama hierro-cromo-níquel (Fig. 27) y las tomas ópticas realizadas

se puede evidenciar como en el inicio de la ZAC (Fig.28), el acero inoxidable presenta una

estructura austenítica con presencia de ferrita en sus límites de grano producto de sus elementos

49

aleantes como el molibdeno que promueve la formación de ferrita y el manganeso que a

temperatura ambiente estabiliza la austenita pero a temperaturas elevadas ayuda a la formación

de ferrita, además de la posible presencia de precipitación de carburos en dichos límites de

grano debido al aumento de la temperatura al momento de realizar el proceso de soldado. En

la figura 29 se puede ver más clara la posible formación de carburos de cromo y presencia de

ferrita en los límites de grano, si se presenta la formación de carburos de cromo puede generar

una sensibilización del acero inoxidable disminuyendo su propiedad protectora y aumentando

su vulnerabilidad a la corrosión.

Fig. 30: Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L

50

Fig. 31: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, acero 316L

En las Figuras 30 y 31 se ve de una manera más detallada los diferentes tamaños de grano de

la estructura austenítica del acero inoxidable 316L debido a las diferentes temperaturas que se

alcanzan en la ZAC producto de la aplicación de la soldadura

● Acero aleado 4140

En este acero se utilizará el diagrama de hierro-carbono para analizar las posibles fases que se

pueden encontrar a lo largo de la probeta al momento de efectuar la soldadura. Se escoge este

diagrama debido a que los elementos aleantes en este acero no afectan drásticamente los límites

del diagrama hierro carbono. Con una composición de 0.99%Cr, 0.21%Mo y 0.92% de Mn,

ubicamos dichos porcentajes en dos gráficas que nos establecen el contenido de carbono en el

punto eutéctico dependiendo del porcentaje del elemento aleante y también la temperatura del

51

punto eutéctico con respecto a la concentración de los elementos aleantes, ver figuras 32 Y 33,

allí se puede determinar que el porcentaje de carbono en el punto eutéctico estará entre 0.7 y

0.8% de carbono y su temperatura varía entre 700 y 750ºC, aproximadamente, los cuales son

valores muy cercanos a los establecidos en el diagrama hierro-carbono.

Teniendo en cuanta la figura 34, se puede determinar las posibles fases presentes en la ZAC

luego de haber realizado el proceso de soldado, en el diagrama se toma un acero con 0.3% de

carbono, el cual es muy aproximado al acero 4140, donde se puede ver que en la región más

cercana al cordón de soldadura (1) se tendrá una microestructura austenítica, en la región 2 se

mantendrá la austenita, pero ya en la región 3 parte de la austenita se transformara en ferrita y

la otra parte quedará austenita sin transformar, para que finalmente en la región 4 se encuentre

ferrita proeutectoide proveniente de la región 3 y la austenita se transformara en ferrita más

cementita la cual forma perlita. Hay que aclarar que esas son las microestructuras que se

alcanzarán al momento de pasar el cordón de soldadura y no serán las microestructuras finales.

Fig. 32 influencia de los elementos aleantes en la concentración de carbono para el punto eutectoide.

(W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)

52

Fig. 33 influencia de los elementos aleantes en la temperatura para el punto eutectoide.Jr., (W. C. D.,

& Rethwisch, D. G. 2013)

Fig. 34: Relación entre el diagrama hierro carbono y el diagrama de temperaturas alcanzadas en la

región de la ZAC para un acero con 0.3% de carbono

53

El acero 4140 consta de un tratamiento térmico ya realizado previamente, bonificado. El acero

fue laminado en caliente, normalizado, templado y revenido. Por medio de ese proceso la

microestructura resultante consiste netamente en martensita revenida, más específicamente

bainita, la cual se caracteriza por no tener una forma acicular como la martensita.

Analizando las micrografías ópticas y electrónicas de la unión soldada, y tomando como guía

en diagrama de la figura 34, se puede explicar las microestructuras presentadas en dichas

imágenes. Empezando por los inicios de la ZAC podemos ver una especie de estructura

granular que se desarrolla en diferentes direcciones y que parece estar dispersa, pero cada vez

que alejamos la imagen de la soldadura parece que la estructura formará agujas en distintas

direcciones, agujas que si se observan detalladamente no están del todo unidas entre sí, de

manera que aún se puede distinguir las pequeñas partículas. Estas partículas son carburos

disueltos en una matriz de hierro, y toman el nombre de sorbita (Fig.36), que es el componente

principal de la formación de bainita y martensita, en la figura 36 se puede observar una

micrografía a 1000X de un acero níquel-cromo-molibdeno que fue templado y revenido,

muestra un tamaño de grano bastante grande, debido a la temperatura a la que fue austenizado.

Esta estructura se forma debido a la baja velocidad de enfriamiento que experimenta el material

(Wrighton, 1996). el cual permite que la martensita se descomponga. Con respecto al diagrama

de la figura 34 se puede ver que el material alcanza alrededor de 1450 C en donde se encontrara

una estructura totalmente austenítica la cual a esa temperatura posee un tamaño de grano

considerablemente grande y medida que se va enfriando la pieza, este disminuye.

54

Fig.35 Microestructura en la ZAC del acero 4140 sin tratar térmicamente.

Fig.36 Acero níquel-cromo-molibdeno templado y revenido que muestra una microestructura

sorbitica. (WRIGHTON, H. 1996, lámina 35)

55

La teoría dice que el crecimiento de grano cuando un material es sometido a calentamiento se

ve afectado desde la temperatura Ac3, que es la que limita la zona de solución sólida hierro

gamma, y a medida que se aumenta la temperatura aumenta el tamaño de grano. Sabiendo que

a lo largo de la probeta se obtienen distintas temperaturas, solo las zonas que estén dentro del

intervalo de temperaturas de la zona austenítica serán afectadas con un crecimiento de grano,

por esta razón es que se puede evidenciar que el tamaño de grano en la ZAC es mucho más

grande que el del material base. Este tamaño de grano se mantendrá en sus proporciones o muy

próximo a estas dependiendo de la velocidad de enfriamiento a la que se someta.

Fig.37 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, ZAC de acero 4140 sin tratamiento térmico

En la figura 37 se muestra la estructura bainítica desarrollada en la ZAC pero que a su vez está

más alejada del cordón de soldadura. Aun se puede observar como la sorbita forma las agujas

de bainita que no tienen ningún sentido de orientación y que en su gran mayoría no son

paralelas, no como la martensita que parra aceros de medio carbono se forma una estructura de

agujas paralelas que se intersectan y que por lo general señalan los planos de clavija o

56

despliegue de la solución sólida original. En esta imagen se puede observar una zona bastante

oscura que forma al parecer agujas en diferentes direcciones, estas agujas son lo bastante

grandes y gruesas, lo cual coincide con la descripción de la bainita superior, ya que “es una

estructura que en la muestra atacada aparece oscura, en la que el carburo, aunque todavía

irresoluble, no muestra tan gran dispersión como en la martensita” (WRIGHTON, H. 1996,

página 114). En la figura 38 podemos observar una estructura puramente bainítica a 5000

aumentos, se evidencia aún la formación de una estructura acicular entre agujas demasiado

grandes y otras más pequeñas, donde se podría decir que hay una combinación entre martensita

y bainita, ya que este fue un acero con un tratamiento térmico de bonificado, el cual genera una

combinación entre ambas estructuras, es decir, ablanda la martensita y esta se transforma en

bainita.

Fig. 38: Microestructura bainítica rodeada por la formación de martensita en la ZAC

57

7.2 NORMALIZADO


En las figuras 39 y 40 se puede ver la microestructura presente en la ZAC del acero inoxidable

316L después de haber sometido la probeta al tratamiento térmico de normalizado, elevando la

temperatura a 850ºC y manteniéndola durante 30 minutos para luego ser enfriada al aire libre.

Se evidencia un aumento en la formación de ferrita y posibles carburos de cromo en los límites

de grano debido a la temperatura alcanzada (850ºC) y al enfriamiento lento. También se

evidencia, tanto en la ZAC como en el material base, la presencia de una fase totalmente

austenítica con una distribución y tamaño de grano más uniforme en comparación con la

microestructura obtenida en el acero antes de haber realizado algún tratamiento térmico (Fig.

28), esto es producto del proceso de austenizado y el mantenimiento de la temperatura durante

30 minutos lo que permite que toda la microestructura se homogenice.

Fig. 39: Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC

58

Fig. 40: Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC

En las microscopias electrónicas (Fig.41 y 42) se puede observar de una manera mucho más

detallada los granos austeníticos en la microestructura del acero inoxidable en la ZAC, además,

se puede observar la posible presencia de los carburos de cromo en los límites de grano debido

al aumento de temperatura, ya que dicho aumento de temperatura hace que los átomos de

carbono que se encuentran en el grano austenítico se desplacen hacia los límites de grano y los

átomos de cromo adyacentes a esta zona, debido a su alta afinidad al carbono a altas

temperaturas, genera que se formen estos precipitados de carburo de cromo.

59

Fig. 41: Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, normalizado acero

inoxidable 316L

Fig. 42: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, normalizado acero

inoxidable 316L

60


Para el análisis micro estructural de cada uno de los tratamientos térmicos se hizo uso del

diagrama CCT para el AISI/SAE 4140 (Fig.43), para estos análisis el diagrama que se utiliza

tiene en cuenta tres factores fundamentales, diámetro de la barra, medio de enfriamiento y

temperatura.. Como las probetas a analizar son de sección rectangular se calculó el diámetro

equivalente por medio de diámetros equivalentes ya estandarizados para determinadas

secciones rectangulares los cuales dependen del medio de enfriamiento, así como se muestra

en el anexo 1 y 2

Fig.43: Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en el aire (Atkins, n.d.)

El diámetro equivalente calculado para una sección de espesor de 10 milímetros y un ancho

de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en aire (anexo 2).

61

Trazando una línea vertical sobre el diámetro equivalente para el enfriamiento en aire se puede

observar el tipo de microestructura que se obtiene en ese tratamiento térmico (Fig.43).

Tomando la trayectoria de la línea recta en la gráfica el tratamiento térmico se empieza a leer

desde la temperatura de austenización, 850ºC, en donde la austenita se empieza a transformar

primeramente en ferrita cuando alcanza una temperatura de alrededor 580ºC. Si se sigue

bajando por la misma línea se llegara a la línea donde se divide la ferrita de la perlita, y ambas

comparten un porcentaje de composición, en este caso la ferrita alcanza un porcentaje del 7%

y la perlita un porcentaje del 3% aproximadamente. Al seguir enfriando la muestra esta entra

en la zona de la bainita a partir de 520ºC aproximados, la cual alcanza un porcentaje del 83%

bajando a lo largo de la línea vertical llegando a el inicio de la zona martensítica. Esta zona

tiene inició a partir de los 280ºC aproximadamente y finaliza a los 180ºC, alcanzado un

porcentaje del 7% en su composición. Teniendo en cuenta esta información ahora se entra a

analizar las micrografías obtenidas. La figura 44 muestra la zona afectada por el calor del acero

4140.

Fig.44: ZAC acero 4140 normalizado.

62

En esta imagen (Fig. 44) se evidencia la variación de tamaño de grano, se puede ver como el

grano se va haciendo más pequeño a medida que se aleja de la ZAC, posiblemente el tiempo

de austenización no fue lo suficiente prolongado como para que el tamaño de grano fuera más

homogéneo, y adicionalmente la velocidad de enfriamiento fue lo bastantemente rápida como

para apreciar visualmente el cambio del tamaño de grano en la ZAC. En la figura 45 se quiere

diferenciar dos tipos de microestructura, los granos que están encerrados con los círculos rojos

son los granos de ferrita proeutectoide formada durante el enfriamiento de este acero, y los

granos encerrados por los círculos de color azul presuntamente son granos de bainita inferior

que se caracterizan por ser agujas muy pequeñas que rodean los granos ferríticos. “Cuando el

enfriamiento desde una temperatur más alta ha sido lo suficientemente alto como para obtener

martensita, si el contenido de carbono está muy alejado del que corresponde a el eutectoide,

puede haber todavía una separación de ferrita o de carburo. Toda pequeña partícula de ferrita

o de carburo que se haya separado bajo tales condiciones o que se haya quedado sin disolver a

la temperatura de temple, puede estar rodeada por un cerco de troostita. La troostita puede darse

en forma de agujas muy finas delineando una estructura acicular similar a la martensita

“(WRIGHTON, H. 1996, página 114). De esta forma podríamos decir que ciertas estructuras o

formas en la fig 45 podrían ser bainita inferior o troosto- martensita.

63

Fig.45: Microestructura en la zac acero 4140, normalizado, los granos marcados con el círculo rojo

son granos de ferrita y los granos denotados con el círculo azul son granos aparentemente de bainita

inferior.

64

Fig.46: Microestructura en la zac microscopio electrónico de barrido 5000x, normalizado acero

4140

La Figura 46 se observa una mayor disolución del carburo en el acero y una formación de lo

que hipotéticamente puede ser bainita y ferrita.

7.3 RECOCIDO


Se puede ver en la figura 47 lo que aparentemente puede ser la presencia de carburos de cromo

en la parte más cercana al cordón de soldadura en la ZAC y la formación de ferrita en los límites

de grano, además, se puede ver que aunque se le haya realizado el tratamiento térmico de

recocido, la microestructura del acero inoxidable sigue siendo austenita gracias a sus elementos

aleantes que le brindan una fase austenita estable a diferentes temperaturas (Fig.27).

Fig. 47: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, recocido acero inoxidable 316L

65

Fig. 48: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, recocido acero

inoxidable 316L


En el proceso de recocido, luego de haber llevado la pieza a 850ºC y dejarla allí durante 30

minutos, para que toda la pieza se homogeneizara, y después dejarla enfriar dentro del horno,

se puede observar en la figura 49 la formación de una matriz ferrítica (región clara) y la

presencia de una microestructura perlítica (región oscura) proveniente de la austenita sin

transformar

66

Fig. 49: Microscopía óptica a 500 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140

En la figura 49 se observa un configuración laminar entre los granos ferríticos y los granos

perlíticos, en muchas ocasiones esta distribución es debida a la forma que fueron forjados, en

este caso el acero fue laminado en caliente. Sin embargo, no es un indicativo de que sólo a

través de este proceso es posible conseguir esta microestructura, ya que pasa algo similar con

la segregación de fósforo en el proceso de enfriamiento. Si un acero se enfría con lentitud desde

un punto superior a Ac3 a fin de dar tiempo para que el carbono se difunda fuera de las zonas

de fósforo, se puede obtener a menudo una estructura de bandas en el mismo acero que después

de enfriamiento al aire a partir de la misma temperatura mostraría aparentemente granos

equiaxiales. (WRIGHTON, H. 1996, p107-108)

En la figura 50 podemos apreciar un ejemplo de un acero de 0,23% de carbono y 1,42% de

manganeso, recocido desde 890 ºC, el cual muestra una microestructura muy similar a la

obtenida en el proceso de recocido del acero 4140 (Fig. 49).

67

Fig. 50: Acero 0,23% de carbono recocido a 890ºC, este acero muestra una configuración laminar

entre la ferrita y la perlita. (WRIGHTON, H, 1996)

Fig. 51: Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140, región clara

formación de granos ferríticos y región oscura formación de perlita

En la figura 52 se puede ver de una manera más detallada los granos ferríticos (región clara), y

la formación de perlita gruesa (formada de láminas de ferrita con láminas de cementita) en la

68

ZAC del acero 4140, esta aparición de perlita gruesa se da debido a que su formación se

presenta en temperaturas inferiores o cercanas a la temperatura eutectoide (723ºC) lo cual hace

que la difusión del carbono a través de la ferrita hacia la cementita sea muy rápida y se puedan

formar láminas gruesas. Además de lo ya mencionado, esta microestructura perlítica hace que

el acero 4140 obtenga una buena dureza y resistencia.

Fig. 52: Microscopía electrónica a 5000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140, evidencia

de región perlítica

69

7.4 TEMPLE EN ACEITE


En las figuras 53 y 54 se puede ver como en el acero inoxidable 316L se sigue manteniendo la

microestructura austenítica tanto en la ZAC como en el resto del material base aunque se le

haya realiza el post tratamiento térmico de temple en aceite, esto es gracias a sus elementos

aleantes, como el manganeso y especialmente el níquel, ya que permiten que se aumente la

región de la fase austenítica y que sea más estable a diferentes temperaturas, como se puede

apreciar en el diagrama de fases hierro-cromo-níquel (Fig.27). También se sigue evidenciando

la posible presencia y formación de una fase ferrita y carburos de cromo en los límites de los

granos austeníticos producto del proceso de soldado y las elevadas temperaturas alcanzadas en

dicho proceso.

Fig. 53: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero 316L

70

Fig. 54 Microscopía electrónica a 2000 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero

inoxidable 316L.



de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en aceite (anexo 1).

Trazando una línea vertical sobre el diámetro equivalente para el enfriamiento en aceite se

puede observar el tipo de microestructura que se obtiene en ese tratamiento térmico (Fig.55).

Se puede observar que a partir de la temperatura de austenización que son 850ºC se enfría

rápidamente la probeta en aceite para así adquirir una estructura totalmente martensítica.

71

Fig.55 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en aceite (Atkins, n.d.)

En las figuras 56 y 57 se puede ver la microestructura presente en la ZAC del acero 4140, se

presenta una estructura totalmente martensítica la cual se caracteriza por tener forma de agujas

orientadas en diferentes direcciones, además de la presencia de austenita retenida o austenita

sin transformar (regiones claras) debido a la alta velocidad de enfriamiento, esta

microestructura es producida debido a que no hay difusión de los átomos de carbono y por lo

tanto no se presenta la nucleación de nuevas microestructuras, adicionalmente, los elementos

aleantes como el cromo, níquel y molibdeno, son elementos que dificultan el proceso de

difusión controlada.

72

Fig.56: Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio óptico, temple en aceite acero 4140

Fig.57: Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio electrónico de barrido, temple en aceite

acero 4140

73

7.5 TEMPLE EN AGUA


Del mismo modo que en el temple en aceite, se puede ver como el acero inoxidable sigue

manteniendo su microestructura austenítica a pesar de haberlo sometido a un enfriamiento

rápido (Fig.58), como ya se abordó anteriormente, esto es gracias a sus elementos aleantes que

permiten una gran estabilidad de la fase austenítica en las diferentes temperaturas normales a

las re se realizan los determinados tratamientos térmicos

Fig. 58: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en agua acero inoxidable 316L,



de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en agua, teniendo en

cuenta el obtenido en el temple en aceite (anexo 1). Empezando desde una temperatura de

850ºC se es enfriado rápidamente el acero en agua y este adquiere una estructura totalmente

martensítica debido a que el diagrama muestra que para una barra de 17 milímetros de diámetro

74

enfriada en agua solo obtendrá esa microestructura en un 100% (Fig.59). La transformación

empieza desde 290ºC y finaliza a una temperatura de 110ºC aproximadamente.

Fig.59: Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en agua (Atkins, n.d.)

En la figura 60 se muestra la ZAC en el acero templado en agua, donde se evidencia una

microestructura puramente martensítica. Se evidencia esta microestructura en forma de agujas

orientadas en diferentes direcciones, con austenita retenida debido a la alta velocidad de

enfriamiento (Fig.61), esta microestructura es producida debido a que no hay difusión de los

átomos de carbono y no se presenta la nucleación de nuevas microestructuras, adicionalmente,

los elementos aleantes como el cromo, níquel y molibdeno, son elementos que dificultan el

proceso de difusión controlada, como ya se mencionó anteriormente.

75

Fig.60: Microestructura martensítica en la ZAC, temple en agua del acero 4140

Fig.61: Microscopia electrónica a 2000 aumentos, microestructura martensítica en la ZAC, temple en

agua del acero 4140

76

Por otro lado, teniendo en cuenta la microestructura martensítica obtenida en el temple en

aceite del acero 4140 (Fig.57), se puede notar que la martensita obtenida en el temple realizado

en agua presenta unos granos muchos más finos que los obtenidos en el temple en aceite, esto

es producto del medio de enfriamiento ya que al enfriar la pieza en agua se presenta una mayor

severidad de temple lo cual genera que la austenita se transforme de una manera más súbita en

martensita impidiendo que se presenta la difusión del carbono hacia los límites de grano para

poder producir otro micro constituyente.

77

8. CONCLUSIONES

1. Teniendo en cuenta el proceso para realizar el corte de los materiales, el electrodo

adecuado para llevar a cabo la unión disímil y los diferentes procesos de lijado y pulido,

se lograron elaborar probetas con una buena superficie de análisis para realizar las

diferentes tomas metalográficas y así obtener imágenes claras y detalladas donde se

pudieron evidenciar las diferentes fases presentes en la ZAC del acero inoxidable 316L

y del acero de baja aleación 4140

2. Del estudio se afirma que el tamaño de grano ubicado en la zac tiene un progreso que

evidencia un grano mayor en las zonas más cercanas al material de aporte y este va

disminuyendo a medida que se aleja de la misma, esto debido a las diferentes

temperaturas alcanzadas en la ZAC al momento de realizar el proceso de soldadura.

Hablando del acero 4140 se puede ver como en las muestras que no tienen tratamiento

térmico, el tamaño de grano se comporta de la manera ya descrita, figura 34, donde se

evidenció que debido a las altas y diferentes temperaturas a las que está sometida la

ZAC del material hace que se presenten diferentes aumentos en el tamaño de grano y

la microestructura no se homogenice de igual manera al momento de enfriar el material.

Sin embargo, esta distribución de tamaño puede cambiar de manera que modificará las

propiedades del material, esto por medio de tratamientos térmicos. Por ejemplo, en el

caso del normalizado y recocido se evidencia cómo al disminuir la velocidad de

enfriamiento conlleva que el material pueda distribuir sus fases de manera más calmada,

donde se pueden apreciar claramente sus fases y como el tamaño de grano es uniforme

y no varía en grandes proporciones. En el caso de los temples se concluye que al enfriar

de manera tan rápida las probetas, la velocidad de enfriamiento influye en el tipo de

transformacion, distribucion de las fases y en el tamaño de grano resultante,es decir,

tiende a mantener el tamaño de grano.

78

Con respecto al tamaño de grano del acero inoxidable 316L se pudo ver como cuando

no se le realizo determinado tratamiento térmico sus granos austeníticos presentan

diferentes tamaños en la ZAC producto de las altas temperaturas alcanzadas al

momento de soldar, además, cuando se realizo cualquier tratamiento térmico, el tamaño

de grano del acero inoxidable presentó una mejor distribución y homogeneidad

producto de la austenización a 850ºC y el mantenimiento de esta temperatura durante

30 minutos, permitiendo que todo el material alcanzara esta temperatura y se produjera

una microestructura totalmente homogénea al momento de enfriar.

3. Por medio de los diagramas de enfriamiento continuo, los diagramas de fases Fe-C y

Fe-Cr-Ni, y las diferentes microscopias obtenidas se identificaron las diferentes

microestructuras que un acero de baja aleación y un acero inoxidable austenítico puede

obtener, tales como la ferrita, perlita, bainita y martensita, para el acero 4140, y la

austenita presente a diferentes temperaturas en el acero 316L producto de sus diferentes

elementos aleantes., estas fases se presentan o van cambiando por medio de las distintas

velocidades de enfriamiento y las temperaturas que se alcanzan ya sean al momento de

soldar o al momento de realizar algún tratamiento térmico

Al tener diferentes velocidades de enfriamiento, las microestructuras que se obtienen

en la ZAC de cada una de las muestras varían, no todas van a tener la misma orientación

y fases presentes. Se puede confirmar como en las muestras del acero 4140 que se

sometieron a los tratamientos de normalizado y recocido se evidencia dos estructuras

fundamentales, ferrita y perlita fina, sin embargo también se evidencia como el recocido

genera perlita mucho más gruesa y su distribución de ferrita y perlita es más laminar y

uniforme que la del normalizado, estas microestructuras son blandas y confieren al

acero un alto límite elástico y una considerable dureza, esto dependiendo del grosor de

la perlita. En los temples se evidencia una microestructura puramente martensítica, las

79

cuales garantizan una gran dureza en el material, también es una desventaja debido a

que el material se fragiliza en estas zonas produciendo así posibles grietas y con esto a

que el material pueda fallar en la ZAC. En la probeta que no tiene tratamiento térmico

se evidencia el crecimiento de grano desde el material base hasta la zac, al igual que se

ve una estructura sorbítica que a medida que se aleja de la ZAC forma bainita, la cual

a su vez es una microestructura que da una buena dureza y no presenta tanta fragilidad

como la estructura martensítica.

Para el acero 316L se evidencia en todas las muestras una estructura totalmente

austenítica producto de los diferentes elementos aleantes, estos elementos aleantes

hacen que la zona austenítica en el diagrama Fe-Cr-Ni sea mayor y más estable a

diferentes temperaturas, esta característica se pudo notar en las microscópicas

obtenidas, observando una estructura totalmente austenítica con la única diferencia que

en los diferentes tratamiento térmicos la estructura austenítica era más homogénea en

comparación a la muestra sin tratamiento térmico, esto debido al tiempo y temperatura

de austenización alcanzados al momento de realizar los diferentes tratamientos

térmicos..

4. Teniendo en cuenta el análisis de resultados se pueden evidenciar los pros y contras de

cada una de las muestras. Comenzando por el recocido y normalizado que son

tratamientos térmicos que se caracterizan por tener una velocidad de enfriamiento lenta,

se observa que en el acero 4140 se pueden tener propiedades como: buena tenacidad,

mayor módulo de elasticidad y una dureza considerable. Con respecto al acero

inoxidable existe la posibilidad de que se precipitan carburos de cromo, debido a que

las temperaturas de tratamiento térmico rondaron entre el rango de 800 a 900 grados

centígrados. En los temples los resultados mostraron que el acero al carbono se

endurece totalmente, debido a que adquirió una estructura puramente martensita, la

80

cual puede ser perjudicial para la probeta porque puede volver al material muy frágil,

en el acero 316L no se presenta un cambio significativo debido a que al elevarse a la

temperatura de 850ºC y enfriarse rápidamente ni se eliminan carburos y tampoco se

crean, ya que para eliminarlos hay que alcanzar el rango de (1000-1100)ºC y enfriar

rápidamente, lo cual es muy perjudicial para el acero al carbono, ya que seguramente

crearía grietas en el material por las tensiones residuales. Por último, queda la muestra

sin tratar térmicamente, la cual presenta una buena combinación de propiedades, por

parte del acero al carbono se obtiene una buena dureza pero disminuyen propiedades

como tenacidad y fluencia, en el acero inoxidable las zonas más afectadas tendrán más

lugar en la ZAC, debido a que las altas temperaturas y la velocidad de enfriamiento

podría precipitar carburos si no se tiene cuidado con las variables de soldadura.

81

9. RECOMENDACIONES

Las siguientes recomendaciones son presentadas en base a la realización y desarrollo de este

proyecto, con el fin de ayudar a futuras investigaciones que se interesen en el estudio de estos

tipos de aceros.

Con respecto a la preparación de las muestras para posteriormente ser sometidas a los análisis

metalográficos se recomienda tener en cuenta las dimensiones del equipo metalográfico para

tener el tamaño adecuado de la probeta y así lograr obtener una buena toma metalográfica,

además, se recomienda el uso de varias etapas de pulido con el papel lija de diferente tamaño

de grano con el fin de obtener una superficie totalmente plana y así disminuir el tiempo de

pulido para obtener la superficie de espejo, luego de hacer la adecuada preparación de las

probetas se debe tener mucho cuidado en la realización del ataque químico y no sobrepasar la

concentración y su tiempo de sostenimiento ya que se puede presentar un sobre ataque en la

muestra y la imagen metalográfica se puede afectar y no mostrar una microestructura

totalmente clara.

También hay que tener en cuenta al momento de realizar el ataque químico a una unión disímil

entre una acero de baja aleación y un acero inoxidable austenítico primero se debe atacar el

acero aleado y posteriormente el inoxidable porque si no se realiza de esta forma (según la

norma ASTM E304) el acero aleado puede presentar un sobre ataque ya que la reacción

química que se le aplica al acero inoxidable es más agresiva, por otro lado, hay que tener en

cuenta las diferentes variables de soldadura ya que puede afectar drásticamente las propiedades

en la ZAC.

Finalmente se recomienda hacer ensayos de dureza, micro dureza, realizar análisis más a fondo

con relación al tamaño de grano presente en las diferentes fases de los aceros, llevar a cabo

análisis de corrosión y formas para mitigar la formación de carburos de cromo del acero

82

inoxidable en uniones disímiles para tener una mayor información de las propiedades presentes

en la unión de estos dos tipos de acero y llevar el estudio de estos tipos de aceros más a fondo.

83

10. BIBLIOGRAFÍA

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86

11. ANEXOS

Anexo 1: Diámetros equivalentes para una sección rectangular, enfriamiento en aceite

(Atkins, n.d.)

87

Anexo 2: Diámetros equivalentes para una sección rectangular, enfriamiento al aire (Atkins,

n.d.)

88

Anexo 3 Características y especificaciones de la Mufla Acequilabs MFR-2006

89


90


91

Anexo 6: Características y especificaciones del microscopio axio observer D1m

92

Anexo 7: Características y especificaciones del microscopio axio observer D1m

93

Anexo 8: características y especificaciones del microscopio electrónico de barrido Phenom

XL

94

Anexo 9 Certificado acero inoxidable 316L

95

Anexo 10 Certificación acero AISI/SAE 4140

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