“COMPORTAMIENTO DE LA RESITENCIA A LA TENSION DE...

MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO

ISBN 978-968-9773-03-8 Derechos Reservados © 2008, SOMI

“COMPORTAMIENTO DE LA RESITENCIA A LA TENSION DE LA ZAC DE UN ACERO DE ALTO MANGANESO POR LA PRESENCIA DE DISCONTINUIDADES

INTERCRISTALINAS”.

Enrique Curiel Reyna; José Juan Contreras Espinosa; Ramón Osorio Galicia; Irma Razo Marañon. Facultad de Estudios Superiores-Cuautitlán, Universidad Nacional Autónoma de México.

Dr. Jiménez Cantu S/N, Atlamica, Cuautitlán-Izcalli, Edo. de Méx., CP 54750. Tel. (01-55) 5817-3478 y 79, Fax (01-55) 5817-0590 y 89;

E-mail: [email protected], [email protected], rosoriog@sevidor,unam,mx, [email protected]

Jorge Terán Guillen Instituto Mexicano del Transporte

Carretera Querétaro-Galindo-San Fandila, Km. 12 Municipio Pedro Escobedo Querétaro

E-mail: [email protected]

RESUMEN.

Los aceros de alto Manganeso son usados donde se requiere resistencia al impacto o fricción; para tales

condiciones de servicio tan severas, el material sufre fallas por desgaste o la presencia de fracturas debido a

transformaciones en su estructura metalúrgica, por dichas condiciones; la reparación, reconstrucción o

recuperación de piezas o equipos por medio de la soldadura, es una actividad normal en la industria que usa este

tipo de acero. Sin embargo, los fracasos una vez hecha la soldadura son frecuentes y costosos, por las fallas que

se presentan en la zona afectada por el calor (ZAC), después de realizarse la soldadura en este tipo de aceros. La

muestra original del material que fue sometido al trabajo de desgaste por alto impacto y fricción por el quebrado

de piedra a través de un tiempo de 13 meses, se preparó con un tratamiento térmico de homogenización de

estructura, para su observación con microscopia óptica con lo que se pudo detectar la presencia de huecos en los

limites de grano del material y carburos presentes, además se realizó el ensayo de tensión cuasi estático para la

determinación de resistencia a la tensión y otras propiedades de las muestras antes soldadas y enfriadas con un

sobre calentamiento controlado de 300 ºC.

ABSTRACT.

The steels of high Manganese are used where resistance is required to the impact or friction. The

conditions of service are severe. The material suffers failures for wear or the presence of fractures for to

transformations in metallurgically structure, for these conditions. The repair, reconstruction or recovery of pieces

or teams by means of the welding, it is a normal activity in the industry that uses this steel type. However, the

failures once made the welding are frequent and expensive, for the failures that are presented in the Heat

Affected Zone (HAZ). The welding was made after in this steels type. The original material was subjected to the

wear for work of high impact and friction for the broken of stone through a time of 13 months. The sample got

prepared with a heat treatment of homogenizing structure, for their observation with optic microscopy, for to

detect the presence of holes in the grain boundary of the material. The quasi static tension test characterization, it

was also carried out for the resistance determination to the tension and other estates of the samples before

welding and controlled cooled to 300 ºC.



725

INTRODUCCION.

Los aceros con alto contenido de Manganeso y Carbono es un material que contiene 0.7-1.45% C, 11.0-

14.0% Mn, como elementos principales de su composición química. En su fabricación se obtiene por medio de

un enfriamiento rápido de temple en agua, la cual permite la formación de una estructura de tipo austenítica

(f.c.c.) metaestable en forma homogénea[1]. La adición de una cantidad elevada de manganeso como un elemento

formador de Austenita, provoca la estabilidad de la gama por abajo de la temperatura ambiente. En el grupo de

los elementos que producen el efecto austenitizante en el fierro, se encuentra el Manganeso y como átomos

intersticiales el carbono, sin embargo, su efecto depende del aleante y concentración del mismo en el acero; para

la estabilidad de la Austenita[2]. La presencia de la estructura cristalina de los aceros Hadfield como carburos,

perlita o Martensita dependerán de la velocidad de enfriamiento, masa de la pieza y composición química[3]. Las

características de un acero al alto Manganeso en resistencia y tenacidad después del temple en agua, se debe a la

homogenización de la estructura austenítica, sin embargo, pueden aparecer carburos que dependiendo de su

continuidad y localización, imparten fragilidad en el material[4]. La sensibilidad de la Austenita en este acero, la

hace que sea un material con una respuesta elevada a los efectos térmicos, ya que en el rango de temperatura de

300 a 900 °C, la presencia de carburos en los limites de grano y en el interior del mismo en planos preferenciales

modifican en forma significativa sus propiedades mecánicas[5]. Los rangos de temperatura comunes usados para

austenitización completa es de 990-1100°C; a menor temperatura, no todos los carburos se disuelven en la

solución sólida de la Fe-γ y los carburos remanentes no disueltos pueden formar placas o glóbulos en los límites

de los granos originales, El tiempo de permanencia no es crítico pero se puede establecer entre 30 a 45 minutos

por pulgada de sección[6]. También estos aceros tienen un elevado riesgo de decarburización por el elevado

porcentaje de carbono y su alta temperatura de austenitización[5]. Las aplicaciones del acero Hadfield en la

industrial son: En la Industria minera en molinos, quebradoras y martillos de molienda; en la industria de

ferrocarriles en los cambios de vías y en la industria de movimiento de tierras en los dientes de cargadores

frontales, perforadoras en torres de petróleo, fabricación del cemento, en bombas que manejan grava y rocas;

debido a que este material resiste el desgaste metal-metal, es usado en piñones, engranes, ruedas de ferrocarril,

entre otras. En estas condiciones tan severas de servicio, el material sufre fallas por desgaste o la presencia de

fracturas debido a las transformaciones en su estructura metalúrgica; la reparación, reconstrucción o

recuperación de piezas o equipos por medio de la soldadura, es una actividad normal en las industrias que usan

este tipo de acero. Pero, los fracasos una vez hecha la soldadura son frecuentes y costosos, por las fallas que se

presentan en la zona afectada por el calor (ZAC), después de realizarse la soldadura en este tipo de aceros. Las

investigaciones sobre los mecanismos de falla que se presenta después de la soldadura, han permitido concluir

que los enfriamientos rápidos del tipo temple en agua, son los mas recomendados para hacer soldadura[12].

Cuando se realiza un proceso de soldadura, se considera que existen tres materiales definidos que son: Material

de aporte, Zona Afectada por el Calor del material base (ZAC) y metal base material que no se altera por el

calor, de los cuales el que sufre el mayor sobrecalentamiento en estado sólido es la zona afectada por el calor. En

esta zona es donde el acero Hadfield es más sensible al fenómeno térmico, para producir sus cambios

estructurales, que en principio se consideran los causantes de las fisuras y fracturas que sufre el material[7].

Cuando se calienta un acero de alto Manganeso por arriba de 3180C, su fragilización se verá aumentada por la

presencia de carburos de Manganeso que se precipitan a borde de cristal, la precipitación se ve favorecida entre



726

más alta sea la temperatura del sobre calentamiento y tiempo de permanencia en la masa del material y que

además no sobrepase Acm. Los carburos también precipitan durante un enfriamiento lento qué provocan la

fragilización del acero[12]. La nucleación de huecos en la falla dúctil puede ser dividida en tres etapas:

nucleación, crecimiento y coalescencia de huecos. Existen varios criterios para describir el proceso de

nucleación de huecos; algunos se basan en una tensión crítica, otros en una deformación crítica, ambos criterios

se basan en el hecho de un esfuerzo crítico en la interfaz de una inclusión con la matriz del metal o en el centro

de una inclusión, que causarán la desunión o fractura de la partícula, respectivamente[8]. Para un hueco muy

pequeño en el material entre huecos mucho más grandes, la influencia de los aumentos de tensión locales

inducida por los huecos más grandes será un estudio de interés de si es o no en el resultado del aumento de

tensión local en la inestabilidad de la cavitación del hueco diminuto, aun cuando los niveles medio de la tensión

global están por debajo de aquellos requeridos para el crecimiento de una cavidad inestable[10].

OBJETIVO

� Realizar el estudio experimental, para explicar las condiciones en las cuales los aceros de alto

Manganeso sin aleantes, pierden sus propiedades de resistencia a la tensión en su ZAC, por la presencia

de discontinuidades que se forman por el calor generado del proceso de soldadura de arco eléctrico

manual.

TRABAJO EXPERIMENTAL.

Realizar la condición en la zona afectada por el calor, para obtener la presencia de discontinuidades por

el efecto del sobrecalentamiento a 300 ºC después de la soldadura, para posteriormente estudiar la propiedad de

resistencia a la tensión y estructura metalúrgica.

ELABORACION DE LA SOLDADURA EN LAS MUESTRAS.

Para la investigación se prepararon 6 muestras de 115 X 20 X 5 mm para ser sometidas a un tratamiento

térmico de homogeneización de 1100°C, con un tiempo de permanencia de 45 minutos, las cuales fueron

previamente empacadas con grafito para evitar la decarburización y templadas en agua; para obtener una

estructura homogénea de Austenita, posteriormente se sometieron al proceso de soldadura y se introdujeron a un

horno a una temperatura de 300 ºC por un tiempo de 1 hora.

Se les aplicó un cordón de soldadura con un material del tipo E FeMn – A según la norma A.W.S., de 5/32” de

diámetro, utilizando un amperaje entre 135 y 145 amperes. Figura 1



727

Figura 1

CARACTERIZACION DE LOS EXPERIMENTOS

Las muestras se prepararon metalográficamente para su estudio, en un microscopio metalográfico

Marca Unión modelo Versamet 5.

También se prepararon probetas para la realización de ensayos de tensión cuasi-estáticos de 5 X 20 X 230 mm

con soldadura, para aplicarles una velocidad de carga de 0.350 kg/seg., con un extensómetro de 25.4 mm, en una

máquina universal marca Instron modelo 8503 de 100 Ton.

RESULTADOS OBTENIDOS.

Análisis Metalográfico.

Las muestras que se obtuvieron del material original desgastado por el alto impacto y abrasión y las

muestras de soldadura, mostraron en el microscopio metalográfico, lo siguiente: La muestra homogenizada de la

figuras 2a y b donde se observan huecos de diferentes tamaños en borde de grano, así como la `presencia de

pequeños carburos no continuos intercristalinos.

MATERIAL DE APORTE

ZONA AFECTADA POR EL CALOR

METAL BASE



728

Figura 2a. Tomada a 400X

Figura 2b. Tomada a 600X

La figuras 3a tomada a 50X de la muestra soldada y sobrecalentada a 300 ºC en un horno de mufla por 1

hora, presenta una vista panorámica de la soldadura y zona afectada por el calor (ZAC), donde se pueden

apreciar la presencia de microfisuras intercristalinas así como carburos intercristalinos precipitados. La figura 3b

Carburos

Borde de grano

Carburos

Carburos



729

tomada a 600X, muestra una fisura con carburos precipitados de diferentes tamaños, así como la presencia de

huecos unidos por una microfisura, también la presencia de carburos trascristalinos en planos preferenciales.

Figura 3a. Tomada a 50X

Figura 3b. Tomada a 600X

Línea de Fusión

Fisuras

Carburos



730

Ensayo de tensión cuasi estático.

Los resultados de las curvas tensión-deformación ingenieriles de las muestras homogeneizada y

sobrecalentada a 300 ºC de la máquina Instron con su extensómetro, se encuentran en las gráficas 1 a y b de las

muestras realizadas para posteriormente obtener el límite de cedencia, resistencia máxima y límite de

proporcionalidad (tabla 1) para poder determinar el comportamiento del material en cada uno de los casos

experimentales. El ensayo de tensión proporciono la resistencia máxima de ambas muestras que fue de 385.35

MPa , para la homogeneizada y de 64.64 para la muestra sobrecalentada a 300 ºC.

Gráfica 1a

MUESTRA HOMOGENEIZADA

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018

DEFORMACION INGENIERIL

ES

FU

ER

ZO

ING

EN

IER

IL

Límite de Proporcionalidad 235.0 MPa

Limite de cadencia 385.53 MPa



731

Gráfica 1b

Tabla 1

Homogeneizada

300 ºC

Límite Elástico 385.53 MPa

64.52 MPa

Elongación

0.00361 mm/mm

0.00239 mm/mm

Resistencia Máxima 448.042 MPa

64.642 MPa

Elongación

0.01525 mm/mm

0.00319 mm/mm

Límite de Proporcionalidad

235 MPa

11.8 MPa

MUESTRA SOBRECALENTADA A 300 °C

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

DEFORMACION INGENIERIL

ES

FU

ER

ZO

ING

EN

IER

IL

Límite de Cedencia64.64 Mpa

Límite de Proporcionalidad 18.91 Mpa.



732

Con los datos anteriores se determinaron las gráficas de tensión deformación verdaderas (gráficas 2 a y

b), coeficiente de endurecimiento (gráficas 3 a y b) y el modulo de Young (gráficas 4 a y b). Posteriormente se

calculo la cantidad de energía que se consumió en cada una de las pruebas de tensión deformación por medio del

área bajo la curva de tensión deformación verdadera.

Gráfica 2a


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

DEFORMACION VERDADERA

ES

FU

ER

ZO

VE

RD

AD

ER

O

Límite de Cedencia

418.0 MPa

Límite de Proporcionalidad235.0 MPa



733

Gráfica 2b

MUESTRA POSTENFRIADA A 300 °C

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02


ES

FU

ER

ZO

VE

RD

AD

ER

O

Límite de Proporcionalidad18.91 MPa

Límite de Cedencia64.68MPa



734

Gráfica 3ª Gráfica 3b


y = 1.0885x + 0.004

R2 = 1

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

DEFORMACION LOGARITMICA VERDADERA

ES

FU

ER

ZO

LO

GA

RIT

MIC

O V

ER

DA

DE

RO

Coeficiente de Endurecimiento

POSTENFRIADO A 300 °C

y = 1.0026x + 0.0008

R2 = 1

0.001

0.01

0.1

1

10

100

0.001 0.01 0.1 1 10 100

DEFORMACION LOGARITMICA VERDADERA

ES

FU

ER

ZO

LO

GA

RIT

MIC

O V

ER

DA

DE

RO

Coeficiente de Endurecimiento



735

Gráfica 4a Gráfica 4b

MUESTRA POSTENFRIADA A 300 °C

y = 147137x - 1.5129R2 = 0.8839

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0.00004 0.00005 0.00006 0.00007 0.00008 0.00009 0.0001


ES

FU

ER

ZO

VE

RD

AD

ER

O

Módulo de Young


y = 317324x - 6.3859R2 = 0.9967

0

50

100

150

200

250

0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007 0.0008 0.0009


ES

FU

ER

ZO

VE

RD

AD

ER

O

Módulo de Young



736

Tabla 2

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La observación de la muestra original del martillo quebrador, mostró la presencia de varios microhuecos

intercristalinos, en los cuales se pueden ver etapas como la formación de microhueco a partir de otros más

pequeños, para dar al final una coalescencia de un macrohueco, así como la precipitación de pequeños carburos.

Las observaciones de la muestra sobrecalentada a 300 ºC, fue principalmente para observar la presencia

de discontinuidades intercristalinas y transcristalinas que se presentan, así como una gran variedad de huecos de

diferentes tamaños y formas, los cuales se encuentra con mayor frecuencia en el camino de las grietas y fisuras

intercristalinas. Estos microhuecos se pueden considerar que vienen desde el origen de la muestra desgastada.

Los resultados de la resistencia a la tensión tienen varias condiciones que hay que resaltar. El límite de

cedencia y resistencia máxima del material en la ZAC, se puede observar que el efecto del tratamiento térmico

en el material es determinante, ya que el material de la muestra que fue sometida a mayor calor por efecto del

proceso de soldadura y sobrecalentamiento, los valores de su límite de cedencia y resistencia máxima fueron

menores, así como en los resultados mostrados en su curvas verdaderas.

Las curvas tensión-deformación ingenieril de las muestras homogeneizada y sobrecalentada presentan

una disminución en las propiedades del material, ya que se ve disminuida la resistencia máxima, limite elástico y

deformación del material, en comparación a un material de un acero nuevo sin trabajar.[5], ya que están por

debajo de las de un material nuevo, ya que estas son:[13]

Límite elástico 338.6 MPa

Resistencia máxima 828.5 MPa

Homogeneizada

300 ºC

Límite de Proporcionalidad

235.0 MPa

11.8 MPa

Modulo de YOUNG

317324 MPa

147137 MPa

Límite de Elástico 390.0 MPa

64.68 MPa

Coeficiente de endurecimiento

1.0885

1.0026

Energía consumida

3614 Kjoules/m3

206 Kjoules/m3



737

En comparación, el material homogeneizado conserva aproximadamente un 80% su propiedad del

límite elástico, con respecto a un material nuevo sin trabajado mecánico, el material sobrecalentado sus

propiedades de resistencia a la tensión decrecen dramáticamente.

En el coeficiente de endurecimiento, tanto el material homogeneizado como el sobrecalentado da un

valor de 1, lo que indica que ambos materiales son de apariencia frágiles, o sea, que no son deformables, lo cual

eso no puede ser posible ya que ambos están formados principalmente por una matriz de Austenita, sin embargo

hay que hacer notar que la deformación en los dos casos es muy pequeña, con lo cual la fractura que se obtuvo es

del tipo que se considera frágil.

CONCLUSIONES.

La presencia de huecos y microhuecos intergranulares en la muestra homogeneizada, se considera que

su origen puede ser por el proceso de fabricación, o como resultado del fenómeno de fatiga por el trabajo de alto

impacto con abrasión al cual es sometida la pieza, o ambos, lo cuales se presentarán como puntos de

concentración de esfuerzos para el inicio de una microfisura.

El tiempo que permanece el calor en el acero depende de la velocidad de enfriamiento, ya que a

velocidades lentas de enfriamiento la presencia de grietas, fisuras, microfisuras y precipitación de carburos es

más abundante, que cuando la velocidad de enfriamiento es alta, como es el caso de la muestra homogeneizada

La formación de fisuras o microfisuras se presenta casi en forma normal entre los huecos o microhuecos

con una gran involucramiento de la presencia de la precipitación de carburos.

El tratamiento de homogeneización que se recomienda en este acero, es para que no existan fases duras

en la estructura del acero, sin embargo la metalografía de la muestra homogeneizada se identifican la presencia

de pequeños carburos de Manganeso[9].

En conclusión, la presencia de los mecanismos de falla como son huecos, microhuecos carburos, grietas

y microfisuras intercristalinas en la ZAC, provocan que el material se comporte altamente frágil sin una

deformación plástica con lo que pierden dramáticamente sus propiedades mecánicas.

RECONOCIMIENTOS

Agradecemos la colaboración del CDr. Tomás Rangel Ortiz, Ing. Noé Cortes Guerrero e Ing. Yajaira Curiel Razo por su participación en la elaboración de las probetas y funcionamiento del equipo de ensayos de tensión cuasi estáticos.



738

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