Metalurgia Soldabilidad Aceros [Modo de Compatibilidad]

7/18/2019 Metalurgia Soldabilidad Aceros [Modo de Compatibilidad]

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SOLDABILIDADDEL ACERO

SOLDADURA II

INTRODUCCIN A LA

METALURGIA DE LA

SOLDADURA


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ELABORACIN DE METALES


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Vistazo de los tomosen el lmite de grano.


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Las tres estructuras cristalinas mas comunes en metales y sus

aleaciones.Izquierda: Cbica centrada en las caras (FCC)

Centro: Cbica centrada en el cuerpo (BCC)

Derecha: Tetragonal compacta (HC)


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Ensamble soldado mostrando una pileta lquida de una soldadura

en ejecucin. La seccin A-A' es la zona de la que ser

observada la distribucin de temperaturas.


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A- FORMACION INICIAL DE CRISTALES

B- CONTINUACION DE LA SOLIDIFICACION

C- SOLIDIFICACION COMPLETA

Etapas de la solidificacin de un metal en la soldadura.


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Crecimiento de los granos columnares en un cordn de soldadura

con pileta de geometra elptica.

Obsrvese el curvado de los granos para mantener una direccinde crecimiento lo mas alineada posible con el gradiente de

temperatura cuya orientacin va cambiando a medida que la pileta

avanza, lo que da origen a un crecimiento competitivo.


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Crecimiento de los granos columnares en un cordn de

soldadura con pileta con geometra de gota.

Obsrvese la ausencia de curvado de los granos lo que

origina un crecimiento no competitivo ya que la forma de la

pileta no produce un cambio en la direccin del gradiente de

temperatura en la parte posterior de aquella cuando la misma

avanza.


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Perfiles de temperatura en

una chapa de acero dulce,

W: metal fundido

(pileta lquida). Zona sombreada es el

metal que est en estado

pastoso entre los lmites

que se registran las

temperaturas del

lquidus y del solidus a

1520C y 1490Crespectivamente.

C = 5/9 x (F-32)


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Ciclos trmicos experimentados por las cinco ubicaciones que se

muestran en la figura anterior, descriptos sobre una escala

arbitraria para mostrar solamente los efectos relativos

(Tpf: punto de fusin del metal que se est soldando).


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Transformaciones alotrpicas del hierro puro


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Soldadura en una plancha de

acero, mostrando

El metal de soldadura (W)

La zona afectada por el

calor (ZAC). El metal base


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MACROGRAFIA DE UNA SOLDADURA


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ZONA AFECTADATERMICAMENTE

ZONA DE FUSION COMPLETA

ZONA SOBRECALENTADA (ZAT)

ZONA DE TEMPLADO (ZAT)

ZONA DE RELEVO DE TENSIONES (ZAT)

ZONA DE METAL SIN CAMBIO


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COMO SE PUEDE VER, EN UNA SOLDADURAEXISTEN ZONAS DE ENFRIAMIENTOSIMILARES A LA DE LA PRUEBA DE

JOMINNY.

ESTA ZONA SE CONOCE COMO

ZONA AFECTADA TERMICAMENTE (H.A.Z.)

EN ESTA ZONA LA SOLDADURA PUEDE

PRESENTAR PERDIDA DE PROPIEDADESMECANICAS Y FISICAS.


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Efecto de los parmetros de soldadura sobre el tamao de

los cordones de soldadura; ancho de la ZAC y

comportamiento trmico.


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AB

1 2

3

4 5

EFECTO DELPRECALENTAMIENTO

A Sin precalentamientoB Con precalentamiento

Medicin de dureza.

1. Metal de aporte

2. Interfase

3. Zona templada

4. Zona relevada

5. Metal de base


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Metalurgia bsica de los aceros

Los metales se clasifican en ferrosos (cuyo metal base es el

fierro) y no ferrosos.

La familia ms importante de los metales ferrosos son los

aceros.

Un acero es la aleacin de hierro con carbono y otros elementos

de aleacin e impurezas.

Los aceros se clasifican en aceros al carbono y aceros de baja,

media y alta aleacin.


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Tabla Aceros simples (al carbono)


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Continuacin


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Aceros aleadosSon aquellos en los que el lmite especificado de

elementos de aleacin excede de 1.65% Mn, 0.60% Si

o 0.60% Cu, o tienen un intervalo o una cantidadmnima definido de algn o algunos elementos de

aleacin.

-Aceros de baja aleacin

-Aceros de media aleacin

-Aceros de alta aleacin


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Figura 4.19 - Diagrama de equilibrio Fe-C


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L + Fe3C

2.14 4.30

6.70

M

N

C

PE

O

GF

H

Cementite Fe3C

x

x

0.022

0.76


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Evolucin microestructural

Concentracin eutectoide

S.

PaciornikCMMP

UC-Rio

Perlita

( + Fe3C)

+ Fe3C

0.77 wt% C

727C


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+ Fe3C

727C

Fe3C

proeutetoide

perlita

C0


Concentracin hipoeutectoide


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+ Fe3C

727C

Fe3C

Fe3Cpro-eutetide

perlita

C1

Fe3C


Concentracin hipereutectoide


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Solucin slida de carbono en hierro alfa. Su solubilidad a la temperatura ambiente

es del orden de 0.008% de carbono, se considera como hierro puro. La mxima

solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 C.

La Ferrita es la fase ms blanda y dctil de los aceros, es magntica, cristaliza enuna red cbica centrada en el cuerpo (BCC), tiene una dureza aproximada de 90

Brinell, una resistencia a la traccin de unos 28 (kg/mm2) y un alargamiento del

orden de 35%. El contorno de los granos es ligeramente curvilneo. Se encuentra

libre en los aceros de menos de 0.89% de carbono. En conjunto con la Cementita

forma Perlita

FERRITA


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Es el carburo de hierro de frmula Fe3C. Contiene 6.67%C y93.33% de Fe. Es el microconstituyente ms duro y frgil de los

aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68

HRC). En los aceros con ms de 0.9%C forma una red queenvuelve los granos de Perlita. Forma parte de la Perlita como

lminas paralelas separadas por otras lminas de Ferrita.

Tambin aparece en los aceros hipoeutectoides que no han sido

bien templados.

CEMENTITA


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Es el microconstituyente eutectoide que contiene el 0.8 %C, formado por capas

alternadas de Ferrita y Cementita, esta posee un 88 % de Ferrita y 12 % deCementita. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la traccin de 80 kg/mm2

y un alargamiento del 15%. Su nombre se debe al aspecto que adquiere al

iluminarla. La Perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la Austenita y

especificamente por la transformacin isotrmica de la Austenita en el rango de

650 a 723C.

PERLITA


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Ejemplos de microestruturas

Acero hipoeutetoide con 0.38 wt% C,

compuesto por ferrita proeutetide (fase clara) e

perlita [fase con lamelas claras (ferrita) yoscuras (cementita)]. 635x.

Acero hipereutetoide con 1.40 wt% C,

compuesto por cementita pro-utetide (fase

clara) y perlita. 1000x.


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CURVAS T T T

(Transformacin-Tiempo-Temperatura)

inciofinal

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TTT Diagram for a Eutectoid Fe-C Alloy

CURVAS TTT


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CURVAS TTT

ESFRIAMIENTO CONTINUOMICROESTRUCTURAS /EUTETIDE

A (HORNO)= Perlita grossa

B (AIRE)= Perlita + fina (+ duraque a anterior)

C(AIRE SOPLADO)= Perlita +fina que a anterior

D (ACEITE)= Perlita +martensita

E (AGUA)= Martensita

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CURVAS TTT

Temperatura de

austenitizao

+Fe3CPerlita

-Como en la martensita no hay difusin, sua formacin ocurre instantaneamente

(independiente del tiempo, por eso en la curva TTT se corresponde a una recta).

Martensita

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ENFRIAMIENTO A LATEMPERATURA CONSTANTE

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Martensita templada que muestra una estructura acicular.


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MARTENSITA (DUREZA: 63-67 HRC)

Martensita en acero

Martensita en el titanio

La transf.

martenstica ocurre c/

aumento de volumen 37


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CARBN:

El carbn es el ms importante elemento aleante en el acero y puede estarpresente hasta en un 2% (aunque ia mayora de los aceros soldados tienen

menos de 0.5%). El carbn puede estar disuelto en el Hierro en una forma

combinada como Carburo de Hierro (Fe3C).

Un contenido alto de carbn implica alta dureza y alta resistencia a la tensin,

as como una mayor respuesta al tratamiento trmico (Endurecibilidad). Por

otro lado, un mayor contenido de carbn reduce la soldabilidad.

AZUFRE:Es una impureza indeseable en el acero, ms que un elemento aleante.

Durante la fabricacin del acero se hace un especial esfuerzo para eliminarlo.

Cuando existe en cantidades mayores de 0.05% tiende a causar fragilidad y

reduce la soldabilidad.

Porcentajes del azufre entre 0.10 y 0.30% ayudan a mejorar la maquinabilidad

del acero. Estos aceros se conocen como "sulfurizados" "de "fcil

maquinado".


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FOSFORO:

El fsforo tambin se considera una impureza indeseable en el acero. Seencuentra normalmente en cantidades de hasta 0.04% en la mayora de los

aceros al carbn. En aceros endurecidos, tiende a causar fragilidad. En aceros

de baja aleacin de alta resistencia, se puede agregar fsforo en cantidades

de hasta 0.10% para mejorar resistencia y aguante a la corrosin.

SILICIO:Usualmente se encuentra slo en pequeas cantidades (0.20%) en aceros

rolados donde se utiliza como un desoxidante. Sin embargo, en las

fundiciones de acero es comn encontrarlo de 0.34 a 1.00%. El silicio se

disuelve en el acero y tiende a aumentar su resistencia. El metal de soldadura

usualmente contiene aproximadamente 0.50% de silicio como desoxidante.

Algunos metales de aporte pueden contener hasta 1% para ayudar a una

mejor limpieza y desoxidacin de la soldadura en superficies contaminadas.Cuando estos metales de aporte son utilizados para soldar sobre superficies

limpias, la resistencia del metal de soldadura resultante ser marcadamente

ms alta. La disminucin que resulta en la ductilidad podra presentar

problemas de agrietamientos en algunos casos.


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NQUEL:Se agrega para aumentar la endurecibilidad de los aceros. Hace muy bien estafuncin porque con frecuencia aumenta tenacidad y ductilidad, an con los

aumentos de resistencia y dureza. El nquel se usa frecuentemente para

mejorar la tenacidad del acero a bajas temperaturas.

ALUMINIO:Este elemento se agrega a! acero en cantidades muy pequeas como

desoxidante. Es adems un refinador del grano que ayuda a una mayor

tenacidad.

VANADIO:La adicin de vanadio proporciona un aumento en la endurecibilidad del

acero, es muy efectivo, por lo que se usa en pequeas cantidades. Enporcentajes mayores del 0.05% puede haber una tendencia a fragilidad en el

acero durante los tratamientos trmicos para relevado de esfuerzos.


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COLOMBIO:El colombio, como el vanadio, se utiliza generalmente para

aumentar la endurecibilidad del acero. Sin embargo, debido a su

alta afinidad por el carbn, se puede combinar con ste para

causar una disminucin general en endurecibilidad.

GASES DISUELTOS:

El hidrgeno (H2), oxgeno (02) y el nitrgeno (N2), se disuelvenen el metal fundido y tienden a fragilizarlo si no son removidos.

Los procesos para refinacin del acero estn diseados para

eliminar todo lo que se pueda de estos gases. Se utilizan

fundentes y gases aislantes especiales para impedir su inclusinen el metal fundido.


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Tratamientos Trmicos

Recocido

Total ou PlenoRecocido

IsotrmicoNormalizacin

Tmpera y

Revenido

EnfriamientoLento

(dentro del horno)Enfriamiento

al aire

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FIGURA 5: Velocidades de enfriamiento de un material tal comoel acero, enfriado en diversos medios.


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El diagrama TTT de descomposicin de la austenita en un acero

eutectoide.


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FIGURA 7: Correlacin delos diagramas de transforma-

cin isotrmica y de los de

enfriamiento continuo con

datos de un ensayo de

templabilidad Jominy, paraun acero del tipo 8630.


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FIGURA 9: Diagramade transformacin isotr-

mica de un acero quecontiene 0,33% de

carbono, 0,45% de

manganeso y 1,97% de

cromo. Tamao del

grano de austenita: 6 a

7. Austenizado a 870C.


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FIGURA 10: Dureza de

martensita en funcin del% de C.


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FIGURA 12: Efecto del revenido en un acero de aleacin con

12% de Cr templado desde 1020C.


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FIGURA 13: Relacin entre las temperaturas picos experimentadas pordiversas regiones en un cordn soldado y como se correlacionan con el

diagrama de fase hierro-carburo de hierro


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Variacin de las condiciones de enfriamiento en una soldadura en funcin del

precalentamiento: el diagrama incluye algunos de los cambios de las propiedades que

producen las condiciones de enfriamiento. Tambin se muestra un diagrama TTT de un

acero, con el objeto de ilustrar por qu las condiciones de enfriamiento provocan los

cambios de propiedades.


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Soldabilidad y carbono equivalente


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Soldabilidad y carbono equivalente

La soldabilidad est definida como la capacidad de un material para

ser soldado, bajo las condiciones de fabricacin impuestas, dentro de

una estructura especfica adecuadamente diseada, y de tener uncomportamiento satisfactorio en el servicio intentado.

La soldabilidad de los aceros al carbono y de baja aleacin depende

de algunos factores, principalmente la composicin qumica (entrminos del contenido de carbono y del carbono equivalente Ceq-),

espesor de las partes a ser soldadas, el grado de restriccin (restraint)

y el nivel de hidrgeno presente durante las operaciones de

soldadura.


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La presencia de hidrgeno durante las operaciones de soldaduraafecta grande y adversamente a la calidad de las juntas soldadas,en particular a las de los aceros con propiedades mecnicas

(dureza y resistencia a la tensin) relativamente elevadas.

La hidrgeno presente durante la soldadura puede proceder de lahumedad del revestimiento de los electrodos o de los fundentes dearco sumergido, y de humedad y otros contaminantes de los

metales base.

Aceros con estructuras (martensita y bainita) susceptibles a

absorber hidrgeno y mantenerlo en solucin en el estado slido

generan agrietamiento en fro, mismo que puede desarrollarse

despus de soldar, al enfriar las partes soldadas, o de unas 24 a 72

horas despus de la soldadura, o an despus, cuando las

estructuras estn en servicio.


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Recursos y variables para el control de laspropiedades de las juntas soldadas de los aceros

-Precalentamiento

-Temperatura entre pasos-Calor aportado por paso

-Uso de procesos y consumibles de bajo hidrgeno


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CARBONO EQUIVALENTE DE ACEROS ALCARBONO

Ceq = %C + Mn/4 + Si/4

Ceq = %C + Mn/4 + Si/6


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13

%

18

%

9

%%%

MoNiMnCrCCeq

Ceq < 0,4 no se requiere tratamiento trmico.

Ceq 0,4 - 0,6 se requiere pre - calentamiento (entre 200 - 400 C)Ceq > 0,6 se requiere pre - calentamiento (entre 400 - 600 C)

y adems post calentamiento (PWHT)

CARBONO EQUIVALENTE ACEROS DE BAJAALEACIN

Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr + % Mo + %V)/5 + (%Ni + % Cu)/15


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DIAGRAMA DE COE


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DIAGRAMA DE COE


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Forma adecuada de

aplicar y controlar el

precalentamiento.

Debe calentarse demanera uniforme

una zona de

aproximadamente75 mm a cada lado

de la soldadura.

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