METALURGIA FISICA

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METALURGIA FISICA Y SU APLICACIÓN A LA SOLDADURA

OBJETIVOSOBJETIVOS Conocer las diferentes estructuras cristalinas presentes en los metales. Conocer los diferentes constituyentes micro estructurales del acero. Relacionar la microestructura del aceros con sus propiedades

mecánicas. Estudio del Diagrama Hierro-Carbono. Identificar las variables mas importantes para la realización de

tratamientos térmicos del acero. Comparar diferentes tipos de acero con su capacidad para ser tratados

térmicamente. Comprender la relación entre los aspectos micro estructurales y la

soldabilidad de los aceros. Zona Afectada por el Calor (ZAC) y su implicancia en la soldadura.

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METALURGIAMETALURGIA

Es la ciencia que trata sobre el estudio de los metales desde el tratamiento al mineral hasta su concentración, dándole uso industrial.

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METALURGIAMETALURGIA

El estudio de la metalurgia abarca dos campos importantes:

1.- METALURGIA EXTRACTIVA

2.- METALURGIA FISICA

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METALURGIA EXTRACTIVAMETALURGIA EXTRACTIVA

El mineral extraído de la naturaleza pasa por una serie de tratamientos (chancadoras, moliendas, celdas de flotación, etc) hasta concentrar dicho metal explotado. .

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METALURGIA FISICAMETALURGIA FISICA En forma general transforma el metal concentrado

a uso industrial. Primero se funde el metal concentrado, obteniéndose los lingotes propios del metal. Luego estos lingotes se aprovechan para darle el uso industrial requerido (Siderúrgicas).

También estudia las estructuras que presentan los metales dentro de su composición (Acero). Sus propiedades Mecánicas, Tratamientos Térmicos y su soldabilidad y la interacción entre ellos.

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METALURGIA FISICA Es la ciencia que trata sobre la estructura interna

de los metales y las relaciones entre las estructuras y las propiedades que exhiben los metales.

Cuando se refiere a la metalurgia de la soldadura, concierne a los distintos cambios que ocurren en los metales cuando se unen por soldadura, especialmente aquellos que afectan las propiedades mecánicas.

Estas propiedades son afectadas por distintos factores metalúrgicos, incluyendo el agregado de aleantes, tratamientos térmicos y tratamientos mecánicos.

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METALURGIA FISICA

Observación:Algunos requerimientos de fabricación, tales como el precalentamiento, post calentamiento, control de temperatura entre pasadas, control de aporte de calor, alivio térmico de tensiones, y otros tratamientos térmicos que puedan producir algún tipo de cambio metalúrgico el cual, afectará las propiedades mecánicas del metal..

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Estructuras Básicas de los Metales

Es necesario comprender algunas propiedades de las partículas que comprenden todas las formas de materia.

Estas partículas básicas que se combinan para formar un material sólido, líquido o gaseoso, se conocen como átomos.

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Estructuras Cristalina Cuando un metal se solidifica, normalmente lo

hace en una estructura cristalina. El número más pequeño de átomos que puede

describir un arreglo ordenado se conoce como “celda unitaria”.

Las estructuras cristalinas más comunes son: A) Cúbica de cuerpo centrado (BCC). B) Cúbica de caras centradas (FCC). C) Tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). D) Hexagonal compacto (HCP).

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES MAS COMUNESMETALES MAS COMUNES

La celda unitaria BCC: Puede describirse como un cubo con un átomo en cada uno de los 8 vértices y un único átomo en el centro de la celda.

Entre los metales BCC comunes se encuentran el hierro, aceros al carbono, cromo, molibdeno, y tungsteno.

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La estructura FCC: Puede imaginarse como un cubo con átomos en cada una de los ocho vértices y un átomo en el centro de cada una de las seis caras. Entre los metales con FCC comunes se encuentran el aluminio, cobre, níquel, y aceros inoxidables austeníticos.

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La celda unitaria BCT: Puede describirse tomando una celda unitaria BCC básica, y alargándola en un eje para lograr una forma rectangular, con un átomo en el centro. La martensita, una fase del acero que se forma por un enfriamiento rápido, es una estructura BCT.

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La celda unitaria HCP: Es un prisma hexagonal puede imaginarse como dos hexágonos (seis lados) que forman la parte superior e inferior del prisma. Se ubica un átomo en el centro y en cada punta del hexágono. Entre los hexágonos, superior e inferior, se ubican tres átomos, uno en cada vértice de un triángulo.

Entre los metales HCP comunes, se encuentran el zinc, cadmio y magnesio.

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SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES

Un metal solidifica en una estructura cristalina. Cada núcleo crece a lo largo de una dirección

preferencial, con los átomos que se alinean en la forma descrita mediante la celda unitaria apropiada para formar un grano de forma irregular, o cristal.

Las propiedades mecánicas pueden depender del tamaño de grano del metal.

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SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES

Un metal que muestra tamaño de grano pequeño tendrá mejor resistencia a la tracción a temperatura ambiente. Los metales de grano fino, se prefieren para servicios a temperatura ambiente o baja.

Los metales de grano fino generalmente dan una mejor ductilidad, tenacidad a la entalla, y propiedades de fatiga.

Mientras que los materiales con grano grande son preferibles para el servicio a elevadas temperaturas.

Influencia del tamaño de granoInfluencia del tamaño de grano

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El tamaño de grano tiene una influencia muy importante en las propiedades mecánicas del metal y aleación.

BajasPropiedadesMecánicas

BuenasPropiedadesMecánicas

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Secuencia de solidificación de la soldadura fundida

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Sólido versus Líquido

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METALURGIA FISICA Y LA SOLDADURA

Con la soldadura, el calor no se aplica en forma uniforme. Esto es, parte del metal se lleva hasta una temperatura muy alta, mientras que el metal adyacente a la zona de soldadura se mantiene a una temperatura menor.

Esto provoca diferentes cantidades de expansión del metal en distintas ubicaciones relativas a la zona de soldadura. La parte del metal que se calienta en forma directa, tenderá a dilatarse, y esta dilatación es resistida por el metal que esta a una temperatura menor.

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Contracción en una soldadura causado por Dilatación y Contracción

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PARTES DE UNA UNION SOLDADA

ZONA FUNDIDA

RAIZ

MATERIAL BASE

ZONA DE PENETRACION ZAC

LINEA DE FUSION

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ESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACION

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INFLUENCIA DE LOS ALEANTES Las propiedades de los elementos metálicos

pueden ser alteradas por el agregado de otros elementos, que pueden ser o no metálicos. Tal técnica se conoce como aleación.

El elemento no metálico carbón es uno de los elementos aleantes agregados al hierro para formar la aleación acero.

Los elementos aleantes son incluidos en la red del metal base (la forma general en que se acomoda cada átomo individual) en distintas formas que dependen en los tamaños relativos de los átomos.

INFLUENCIA DE LOS ALEANTESINFLUENCIA DE LOS ALEANTES

Aleación Intersticial: Tienden a ocupar lugares entre los átomos que forman la estructura de la red del metal base.

Por ejemplo pequeñas cantidades de carbón pueden ocupar sitios intersticiales entre los átomos de hierro en el acero.

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INFLUENCIA DE LOS ALEANTESINFLUENCIA DE LOS ALEANTES

Aleación Sustitucional:

Los elementos aleantes con átomos de tamaños cercanos al de aquel del metal base tienden a ocupar lugares sustitucionales. Esto es, reemplazan uno de los átomos del metal base en la estructura de la red.17/04/2317/04/23 2626

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Microestructura de los Aceros al Carbono

o El arreglo general de los granos, bordes de grano, y fases en una aleación metálica, se llama microestructura. La microestructura es la principal responsable de las propiedades de la aleación.

o La micro estructura es afectada por la composición o el contenido de aleantes, y por otros factores tales como conformación y operaciones de tratamiento térmico.

o La microestructura se ve muy afectada por la operación de soldadura.

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DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO

Describe la naturaleza de las fases presentes en las aleaciones hierro - carbono bajo condiciones cercanas al equilibrio, esto es calentamiento y enfriamiento muy lentas.

Por ejemplo, el hierro puro a temperatura ambiente se conoce como hierro alfa o ferrita. El carburo de hierro que está presente a temperatura ambiente se llama cementita. La estructura cúbica de caras centradas que aparece a temperaturas intermedias se conoce como hierro gama o austenita.

DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO

Este diagrama nos sirve para conocer la fase o fases existentes en una aleación con una determinada composición química.

El diagrama Fe-C se observa varias transformaciones en estado solido que producen la formación en diferentes fases.

Al observar un acero al microscopio podemos diferenciar las diferentes fases o microestructuras presentes.

El acero esta constituido por microestructuras: Ferrita, Perlita, Cementita, Austenita.

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Diagrama de Fase Hierro-Carbono

Diagrama Fe - CDiagrama Fe - CEjemplo de aplicación:

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Cuando un acero SAE 1050 es calentado a 900 grados. Vemos que esta en estado solido y su estructura es 100% Austenita.

Luego, si lo enfriamos muy lentamente yNos detenemos a una temperatura de 750 grados la microestructura estará formada por granos de Ferrita y granos de Austenita.

Finalmente si lo temperatura baja a 500 grados, toda la austenita será transformada en Ferrita y Cementita, que son las fases que se encuentran en esta zona.

MICROESTRUCTURASMICROESTRUCTURAS

1.- FERRITA:Es una solución solida intersticial de carbono en hierro, formando una estructura cristalina BCC.Es el constituyente mas blando del acero.R.T. 28 Kg/mm2, %E=35%, 90 HB.Esta como fase libre hasta 0,8%C, para mayores contenidos de carbono, la ferrita conforma la Perlita.

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MICROESTRUCTURA DE FERRITAMICROESTRUCTURA DE FERRITA

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2.- CEMENTITA:Es un compuesto químico constituido por Fierro y Carbono, de formula Fe3C y que contiene hasta 6,67% de Carbono.Es la microestructura mas dura de los aceros 750 HB o 68 HRC. Siempre esta acompañada de la Ferrita o Austenita, dependiendo % carbono.

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MICROESTRUCTURA DE CEMENTITAMICROESTRUCTURA DE CEMENTITA

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3.- PERLITA:No es una fase como la ferrita, la austenita o la cementita, sino un agregado de dos fases (ferrita y cementita), cuyas proporciones son 88% y 12% respectivamente.Esta constituida por laminas de ferrita y de cementita, adquiriendo un aspecto laminar.La microestructura de un acero con 0,8% C es 100% perlita.

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MICROESTRUCTURA DE PERLITAMICROESTRUCTURA DE PERLITA

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4.- AUSTENITA:Es una microestructura que obtiene esta transformación dependiendo del porcentaje de carbono y temperatura.La encontramos sobre la línea A3 y Acm del diagrama hierro-carbono.Es una microestructura blanda..

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MICROESTRUCTURA DE AUSTENITAMICROESTRUCTURA DE AUSTENITA

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MICROESTRUCTURAS4.- AUSTENITA:Se transforma a temperatura A1(723 grados) en ferrita + cementita. Esta reacción es conocida como Reacción Eutectoide.A 723 grados con 0,8% C recibe el nombre de Punto eutectoide.El acero que tiene 0,8% C se le conoce como Acero Eutectoide.El acero que tiene menos a 0,8%C se les llama Acero Hipo-eutectoide y los aceros %C>0,8% reciben el nombre de Aceros Hiper-eutectoides.

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Transformación de la Austenita en Transformación de la Austenita en Acero SAE 1030Acero SAE 1030

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Microestructuras vs % CarbonoMicroestructuras vs % Carbono

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0,15 %C 0,50%C

Microestructuras vs % CarbonoMicroestructuras vs % Carbono

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0,70 % C 0,80 % C

OBSERVACION METALOGRAFICAOBSERVACION METALOGRAFICA

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OBSERVACION METALOGRAFICAOBSERVACION METALOGRAFICA

Para observar un metal al microscopio la superficie debe estar totalmente pulida y atacada químicamente.

Las líneas oscuras que se observan son los limites de grano y nos permite conocer el tamaño de los granos que conforman el metal.

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Influencia de las Microestructuras en las Influencia de las Microestructuras en las Propiedades MecánicasPropiedades Mecánicas

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Las propiedades mecánicas de los aceros en estado de equilibrio dependen de las fases presentes.

La ferrita es blanda, deformable, y poco resistente. La cementita es dura, resistente y muy frágil. La perlita combina ambas propiedades y tiene buena

resistencia y dureza, así como una deformabilidad aceptable.

Los aceros hipo-eutectoides son bastantes dúctiles y resistentes. Reduciendo su ductilidad y aumentando la resistencia mecánica y la dureza conforme aumenta la perlita a medida que aumenta el contenido de carbono.

LOS ACEROS FUERA DEL ESTADO LOS ACEROS FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIODE EQUILIBRIO

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¿Qué es un Tratamiento Térmico?Es una secuencia de calentamiento, permanencia a la temperatura de tratamiento y enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Elegidos adecuadamente para conseguir determinadas propiedades en el material.El secreto del notable del incremento de las propiedades del acero, radica en los cambios micro estructurales que este puede alcanzar en condición fuera de equilibrio.

ESQUEMA DEL TRATAMIENTO TERMICOESQUEMA DEL TRATAMIENTO TERMICO

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TRATAMIENTO TERMICOTRATAMIENTO TERMICO

Los tratamientos térmicos básicos, incluyen recocido, normalizado, temple, revenido.

Precalentamiento, postcalentamiento, son tratamientos aplicados a procesos de soldadura.

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EL RECOCIDO: Es un tratamiento para ablandar, usado para incrementar la ductilidad del metal a expensas de su resistencia. Para realizar el recocido, el metal es llevado hasta el rango austenítico, mantenido una hora por pulgada de espesor o un mínimo de una hora, y luego enfriado muy lentamente. Permitiendo a la pieza enfriarse hasta temperatura ambiente mientras permanece en el horno.

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TRATAMIENTO TERMICOTRATAMIENTO TERMICOEL NORMALIZADO: También ablanda el metal, pero no en una forma tan significativa como el recocido. Se lo considera como un tratamiento térmico de “homogeneización”.El tratamiento de normalizado se inicia elevando la temperatura del metal hasta el rango austenítico, manteniéndolo por un período corto de tiempo, y permitiendo luego el enfriamiento lento en aire calmo. Este enfriamiento es más rápido que el enfriamiento en horno, entonces las propiedades resultantes incluyen una dureza y resistencia ligeramente superior y posiblemente una ductilidad menor comparando con el recocido. Los aceros al carbono y de baja aleación normalizados son normalmente fáciles de soldar.

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TRATAMIENTO TERMICOTRATAMIENTO TERMICOEL TEMPLE: Difiere del recocido y el normalizado en que las propiedades mecánicas resultantes muestran una dureza y resistencia significativamente incrementadas y una baja en la ductilidad. Este tratamiento de endurecimiento se realiza elevando la temperatura del metal hasta el rango austenítico, manteniéndolo por un cierto tiempo, y enfriándolo rápidamente hasta temperatura ambiente mediante la inmersión de la pieza en un medio de temple, tal como agua, aceite o sales disueltas en agua. El temple se realiza para producir principalmente estructura martensítica que tiene característicamente alta dureza y resistencia, y baja ductilidad.

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TRATAMIENTO TERMICOTRATAMIENTO TERMICOEL REVENIDO: Para mejorar la ductilidad sin una degradación significativa de las características de resistencia, normalmente se realiza un tratamiento de revenido. Para revenir, el metal es calentado nuevamente a una temperatura por debajo de la temperatura de transformación más baja, mantenido por un corto tiempo para permitir que la estructura martensítica altamente tensionada se relaje algo, y luego es enfriado lentamente. Obteniendo una estructura martensita revenida.

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PRECALENTAMIENTO: Los tratamientos de precalentamiento se usan, para disminuir algo la velocidad de enfriamiento del metal base adyacente a la soldadura para permitir la formación de constituyentes micro estructurales distintos de la martensita. El precalentamiento se aplica previo a la soldadura.

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POSTCALENTAMIENTO: Los tratamientos de postcalentamiento, se usan para reducir las tensiones residuales y para revenir fases duras, frágiles formadas durante el enfriamiento o temple. El postcalentamiento se aplica luego que se terminó la soldadura. Generalmente, las temperaturas de postcalentamiento son superiores a aquellas usadas para el precalentamiento.17/04/2317/04/23 5555

LA TRANSFORMACION DE LA LA TRANSFORMACION DE LA AUSTENITAAUSTENITA

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La austenita es la fase clave para casi todos los tratamientos térmicos del acero.

El recocido, el normalizado y el temple, se inician con un calentamiento del acero hasta la temperatura la cual la microestructura es austenita, manteniendo el tiempo suficiente para lograr su austenizacion completa.

La austenizacion hace desaparecer cualquier microestructura anterior para luego, mediante enfriamientos adecuados, transformar el acero a una gran variedad de microestructuras y por ende de propiedades mecánicas.

Obtención de Bainita y MartensitaObtención de Bainita y Martensita

Cuando las velocidades de enfriamiento se incrementan, la microestructura del acero empieza a presentar un nuevo constituyente denominado “Bainita”.

La Bainita esta constituido al observarlo en el microscopio por agujas constituidas por ferrita con cementita dispersos.

La Bainita es de mayor dureza que la perlita pero mucho mas tenaz.

Aumentando mas la velocidad de enfriamiento se consigue un nuevo constituyente mas duro que la Bainita, conocido como “Martensita”.

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Microestructura de MartensitaMicroestructura de Martensita

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INTERRELACION ENTRE ZAC Y INTERRELACION ENTRE ZAC Y DIAGRAMA Fe-CDIAGRAMA Fe-C

ZAC = Zona Afectada por el calor, en una pieza soldada.Se encuentra en los lados adyacentes al cordón de soldadura.Esta comprendido entre 3 a 5 milímetros.Esta propenso a transformarse a microestructura martensita.

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PREPARACION DE MATERIAL BASE PREPARACION DE MATERIAL BASE ANTES DE SOLDARANTES DE SOLDAR

Partes de junta a soldar a tope: :

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AB

C D

E

A= Abertura de Raíz

B= Talón

C= Altura del Bisel

D= Angulo de Bisel

E= Angulo de Canal

Determinación del ZAC en un Determinación del ZAC en un Material SoldadoMaterial Soldado

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CORDON DE SOLDADURA

MATERIAL BASE

LINEA DE FUSIONPENETRACION

ZAC (HAZ)

ABERTURA DE RAIZ

RAIZ(Penetración)

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Relación entre los Picos de Temperatura de las distintas Regiones de una Soldadura, y la Correlación

con el Diagrama de Fases (Fe-C)

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Consideraciones Metalúrgicas para laSoldadura

Debido a que la soldadura puede producir cambios significativos tanto en la temperatura del metal como en la velocidad de enfriamiento desde esa temperatura elevada, es importante entender que cambios metalúrgicos pueden resultar de la operación de soldadura.

Como se puede ver, dependiendo de la ubicación del punto dentro o cercano a la soldadura, pueden producirse varias estructuras metalurgicas (ver diagrama Fe-C/Soldabilidad).

La ZAC es simplemente la región del metal base adyacente al metal de soldadura que ha sido elevado a temperaturas.

Las velocidades de enfriamiento de esta zona afectada por el calor son de las más rápidas debido al fenómeno conocido como temple por contacto.

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ZONA AFECTADA POR EL CALOR (ZAC)

La zona afectada por el calor es aquella zona del metal base que se afecta en sus propiedades mecánicas y micro estructurales debido al calor generado durante el soldeo.

FACTORES QUE INFLUYEN: La mayor conductividad térmica del material

base. Cuanto mayor sea la cantidad de calor aportado. Cuanto menor sea el espesor del material base.

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CARACTERISTICAS - ZAC

La zona A: Es la de crecimiento de grano y de sobrecalentamiento en esta se alcanza una temperatura de 1100 ºC y la velocidad de enfriamiento es grande. A mayor porcentaje de carbono es posible la presencia de martensita.La zona B: Es la zona de afino de grano la temperatura que se alcanza esta entre 850ºC y 1100 ºC, las velocidades de enfriamiento no son muy altas.La zona C o de transición: La velocidad de enfriamiento es lenta. Se presenta un afino parcial de la estructura (perlita fina).

A AB BC C

Z A C

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SOLDABILIDAD Es la medida de la facilidad de realizar una

soldadura resistente y sana y que produzca una unión intima entre las partes del material base y el material de aporte.

¿En que se basa el soldador para asegurar una soldadura de calidad?

SOLDABILIDAD

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PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA.- Documento que establece las variables a tener en cuenta para la adecuada ejecución de una junta soldada en un determinado material y de un espesor dado.Consideraciones:ProcesoTipo de juntaNumero de pases y secuenciaAmperaje y voltajeVelocidad de avanceElectrodo tipo y diámetroTipo de corriente (CC, CA,) polaridadPosicionamiento y sujeciónPrecalentamientoPost calentamientoAlivio de tensiones

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INFLUENCIA DE LOS ALEANTES EN LOS ACEROS

o Carbono.- Este elemento influye en la mejora de la dureza y propiedades mecánicas, y su sensibilidad al tratamiento térmico de temple, también a mas carbono disminuye la ductilidad, haciéndose mas frágil.

o El manganeso.- Elemento que contribuye a mejorar la resistencia de acero, pero con menor incidencia que el C, mejora la calidad superficial del acero

o El fósforo y el azufre elementos no deseados en los aceros por fragilizar, aunque en cantidades muy pequeñas mejora la resistencia y la maquinabilidad de los aceros.

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INFLUENCIA DE LOS ALEANTES EN LOS ACEROS

o El silicio.- Mejora la adherencia del galvanizado en los aceros, también mejora su resistencia, pero malogra la calidad superficial de los aceros.

o El aluminio.- Es utilizado para el afino del grano de los aceros en su fabricación, es un desoxidarte.

o El cobre.- No mejora sus resistencia en cantidades pequeñas, pero si mejora sensiblemente su resistencia a la corrosión.

o El níquel.- Elementos para la fabricación de aceros especiales, da mas tenacidad y plasticidad, y resistencia a fatiga.

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