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SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL FASCÍCULO DE APRENDIZAJE CÓDIGO: 89001475 Profesional Técnico METALURGIA DE LA SOLDADURA METALMECÁNICA

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SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL

FASCÍCULO DE APRENDIZAJE

CÓDIGO: 89001475

Profesional Técnico

METALURGIA DE LA

SOLDADURA

METALMECÁNICA

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TAREA N° 01

MACROGRAFÍA

Operaciones:

1. PREPARAR MATERIAL BASE.

2. PREPARAR ÁCIDO NITAL.

3. APLICAR ÁCIDO NITAL AL MATERIAL BASE.

4. VERIFICAR ZONA ZAC Y CAPAS DE SOLDADURA.

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N° ORDEN DE EJECUCION HERRAMIENTAS/INSTRUMENTOS01020304

Preparar material base.Preparar ácido nital.Aplicar ácido nital al material.Verificar zona ZAC y capas de soldadura.

Ácido Nítrico.Alcohol metílico.

01 01 Ácido nítrico 3cm3. Alcohol metílico 97cm3 Ácido Nital02 01 Probeta de soldadura en filete ST 37PZA. CANT. DENOMINACIÓN-NORMA/DIMENSIONES MATERIAL OBSERVACIONES

MACROGRAFÍA HT. 01 SE. REF.

TIEMPO: 6 h. HOJA: 1 /1

SOLDADOR ESTRUCTURAL ESCALA: S.E. AÑO: 2013

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OPERACIÓN:

PREPARAR MATERIAL BASE.

Es una operación donde se prepara la probeta a ser evaluada, para luegoobservar su microestructura obtenida a través del análisis metalográfico de un9acero de construcción, comentando los siguientes aspectos en función deltratamiento como : El tamaño del grano y sus propiedades.

PROCESO DE EJECUCION:1° Paso: Cortar muestra.

a) Puede realizar utilizando diferentestécnicas como, corte abrasivo, conarco de sierra manual, oxicorte o cortepor plasma.

2° Paso: Eliminar rebabas.

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3° Paso: Realizar acabado superficial.

a) Utilizar abrasivos industriales dedistintas densidades de granos.

b) Aplicar las diferentes técnicas deacabado superficial que se muestran.

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OPERACIÓN:

PREPARAR ÁCIDO NITAL.

Es una operación que consiste en preparar el reactivo denominado NITAL queestá compuesto por 3% de ácido nítrico y 97% de alcohol etílico.

PROCESO DE EJECUCION:

1° Paso: Mezclar sustancias

a) Utilizar esta relación:

Ácido Nítrico: 3 cm3

Alcohol etílico: 97 cm3

Precaución: Al aumentar el ácido nítricoaumenta la velocidad de ataque perodisminuye la selectividad.

+

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OPERACIÓN:

APLICAR ÁCIDO NITAL AL MATERIAL BASE.

Es una operación que consiste en humectar el ácido nital sobre la superficiepreviamente preparada y que debe estar libre de impurezas, luego dejar quereaccione por espacio de 50 segundos de tiempo.

PROCESO DE EJECUCIÓN:

1° Paso: Colocar ácido nital:

a) Humectar sobre la superficie aensayar una pequeña cantidad deeste reactivo.

b) Extender sobre toda la superficie enforma homogénea.

c) Hacer que permanezca el reactivo entre20 y 50 seg.

d) Limpiar la superficie después detranscurrida la reacción, utilizar algodón yde ser necesario con un poco de alcohol.

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OPERACIÓN:

VERIFICAR ZONA ZAC Y CAPAS DE SOLDADURA:

Es una operación que consiste en realizar el análisis mediante la observación dela zona atacada para determinar su granulación así como las propiedades delmetal ensayado.

1° Paso: Observar región soldada.

a) A través de la observación determinar las diferentes capas existentes en unaunión soldada que ha sido macroatacada.

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1.1. GENERALIDADES.

La Metalurgia es la ciencia que trata sobre la estructura interna de los metales ylas relaciones entre las estructuras y las propiedades que exhiben los metales.Cuando se refiere a la metalurgia de la soldadura, concierne a los distintoscambios que ocurren en los metales cuando se unen por soldadura,especialmente aquellos que afectan las propiedades mecánicas.

Es apropiado tener conocimiento sobre las bases de la metalurgia de la soldadura.Una razón para esto es que las propiedades mecánicas de los metales, talescomo resistencia, dureza, ductilidad, tenacidad, resistencia a la fatiga, yresistencia a la abrasión son todas afectadas por las transformacionesmetalúrgicas como resultado de la soldadura.

Estas propiedades son afectadas por distintos factores metalúrgicos, incluyendo elagregado de aleantes, tratamientos térmicos y mecánicos. En Soldadura el quetenga una mejor comprensión de estas propiedades tendrá una mejor percepciónsobre la razón de la necesidad de ciertas operaciones de fabricación.

Algunos requerimientos de fabricación, tales como el precalentamiento, postcalentamiento, control de temperatura entre pasadas, control de aporte de calor,granallado, alivio térmico de tensiones, y otros tratamientos térmicos que puedanproducir algún tipo de cambio metalúrgico el cual, afectará las propiedadesmecánicas del metal.

En esta sección se describirán algunos aspectos de la metalurgia de la soldadurade metales ferrosos (base de hierro) poniendo énfasis en la necesidad demétodos de fabricación para controlar los cambios que puedan ocurrir.

Debido a que el tema de la metalurgia de la soldadura incluye numerosas facetas,sería irracional pensar que esta discusión pueda cubrirlas todas.

Entonces, limitaremos la cobertura a los cambios más importantes que puedanocurrir durante la operación de soldadura. Estos cambios pueden ser resumidos yser divididos en dos categorías:

La primera incluye aquellos cambios que ocurren en un metal cuando se calientadesde la temperatura ambiente hasta una temperatura mayor.

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La categoría es el efecto en las propiedades del metal versus la velocidad a laocurren dichos cambios de temperatura.

Específicamente, nos interesa que tan rápido se enfría un metal caliente hasta latemperatura ambiente; esto es la velocidad de enfriamiento del metal. Para lo cualse toma como referencia específica a los cambios que ocurren en metales en lamedida en que son calentados y enfriados en forma uniforme.

Sin embargo, la soldadura presenta problemas muy diferentes debido a que laoperación de soldadura tiende a calentar áreas muy localizadas del metal.

En consecuencia, estas velocidades de calentamiento/enfriamiento no uniformescrean la necesidad de ciertas consideraciones adicionales.

1.2. ESTRUCTURA BÁSICA DE LOS METALES.

Para entender mejor las propiedades metalúrgicas de los metales, es necesariocomenzar describiendo algunas propiedades de las partículas que comprendentodas las formas de la materia.

Estas partículas básicas que se combinan para formar un material sólido, líquido ogaseoso, se conocen como átomos. Estos átomos son tan pequeños que nopueden ser vistos, incluso con los microscopios más potentes. Sin embargo,comenzando este tema a este nivel y explicando las propiedades de dichosátomos y sus estructuras, podrán entender de mejor forma, algunos de losfenómenos que se observan en forma macroscópica, o a simple vista.

Una de las propiedades importantes de estos átomos, es que, en ciertos rangosde temperatura, tienden a formar sustancias con formas específicas. Esto esdebido a hay fuerzas definidas que actúan entre estos átomos individuales cuandoestán ubicados dentro de cierta distancia uno de otro.

Estas fuerzas tienden tanto a rechazar, o a atraer, los átomos uno hacia el otro,mientras que al mismo tiempo otro átomo es expulsado o rechazado. Por esto, losátomos individuales se mantienen en su ubicación original en relación con todo elresto de los átomos alrededor por estas fuerzas en oposición.Ver Figura 1.2.1.

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Figura 1.2.1

Estos átomos en sus posiciones originales están alineados fila sobre fila, y capasobre capa, en tres dimensiones, simétricas, en una estructura de red cristalina.

Sin embargo, no están estacionarios en esas posiciones. En realidad, tienden avibrar alrededor de una posición de equilibrio para mantener un espaciobalanceado.

A una temperatura dada se mantendrán con una separación equilibrada paradicha temperatura particular.

Cuando hay un balance entre las fuerzas de repulsión y de atracción, decimos quela energía interna del metal está en un mínimo.

Cualquier intento de forzar los átomos más cerca uno de otro tendrá la oposiciónde fuerzas repulsivas que se incrementan en la medida que son llevados máscerca. Este comportamiento se evidencia por el hecho que los metales muestranresistencias a la compresión excesivamente altas.

Igualmente, cualquier intento por separar los átomos, dará como resultado unafuerza opositora de atracción.

Estas fuerzas de atracción, sin embargo, tienden a decrecer en la medida que losátomos son llevados muy lejos. Se puede observar la evidencia de este últimocomportamiento en el ensayo de tracción.

Por debajo del punto de fluencia del metal, la carga alarga la probeta de tracción, yse incrementa la separación entre cada átomo.

Cuando se descarga, la probeta se comportará en forma elástica; esto es, quevolverá a su tamaño original en un nivel macroscópico, lo que significa que losátomos retornan a su equilibrio de espacio original. Si la carga de la probeta detracción se incrementa más allá del punto de fluencia del metal, se comportará enforma plástica.

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Ahora, ya no volverá a su tamaño original, debido a que los átomos fueronforzados suficientemente lejos unos de otros, de manera que las fuerzas deatracción ya no son suficientemente grandes para mantenerlos en su posiciónoriginal. Cuando el espacio interatómico se incrementa más aún, al punto que lasfuerzas de atracción ya no son suficientemente grandes para mantener juntos alos átomos, el material fallará.

Se marcó anteriormente que los átomos de los metales exhiben una separaciónmuy específica a una temperatura dada, o energía interna. Debido a que el calores una forma de energía, la energía interna del metal se incrementa cuandoaumenta la temperatura.

Esta energía adicional tiende a hacer que los átomos vibren más, lo queincrementa la distancia entre los átomos.

Se puede observar el resultado de dicha energía adicional, visualmente, debido aque el tamaño total de la pieza de metal se incrementará en la medida que seseparan los átomos individualmente. Inversamente, cualquier disminución en latemperatura del metal hará que los átomos se juntan; en cambio, se observa comocontracción del metal.

A medida que se agrega calor adicional al metal, la vibración de los átomos secontinúa incrementando causando que se aumente el espacio y, que enconsecuencia se expanda el metal.

Esto sucederá hasta un cierto punto en que la distancia entre los átomos es tangrande que ya no se atraen en forma suficiente para exhibir una estructuraespecífica. El metal sólido se transforma en líquido. Ver Figura 1.2.2.

Figura 1.2.2 – Sólido versus líquido.

La temperatura asociada con este cambio se conoce como punto de fusión.

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Un calentamiento mayor eventualmente transformaría el líquido en gas; estaúltima transformación ocurre a una temperatura conocida como de vaporización.

El metal sólido tiene la energía interna más baja, y la menor distancia interatómica.

El metal líquido tiene mayor energía interna con mayor distancia interatómica, y seconsidera amorfo, lo que significa sin estructura.

El metal gaseoso tiene la mayor energía interna, y la mayor distancia entre losátomos, y también carece de estructura.

Mientras que todo esto es bastante intrigante, es más significativo darse cuentaporque es importante para usted, como Soldador. Es obvio que la soldadura y elcorte introducen calor dentro del metal; este calentamiento provocará unaexpansión del metal.

Si se estuviera considerando un calentamiento uniforme del metal, se podría medirel cambio de longitud, o de tamaño, de una pieza de metal en la medida que estase calienta.

Cada aleación de metal tiene asociada consigo un coeficiente específico dedilatación térmica.

Esto es, hay un cierto valor numérico que describe cuanto se dilatará un metalpara un incremento de temperatura dado.

Con la soldadura, sin embargo, el calor no se aplica en forma uniforme..

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Figura 1.2.3. Contracción en una soldadura causada por Dilatación y Contracción

Esto es, parte del metal se lleva hasta una temperatura muy alta, mientras que elmetal adyacente a la zona de soldadura se mantiene a una temperatura menor.

Esto provoca diferentes cantidades de expansión del metal en distintasubicaciones relativas a la zona de soldadura.

La parte del metal que se calienta en forma directa, tenderá a dilatarse, y estadilatación es resistida por el metal que está a una temperatura menor.La Figura 1.2.3. ilustra los cambios dimensionales que ocurren en una barra recta.

En la Figura 1.2.3a se calienta de un solo lado por una soldadura por arco.

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En la Figura 1.2.3b, se establece un arco y se comienza a calentar la chapa bajola influencia del arco. La parte que se calienta se expande (Figura 1.2.3c) y,debido a que está parcialmente embridado por la parte de la barra que no secalentó, la barra tiende a flexionarse en un arco en cada extremo fuera de lafuente de calor.

Debido a que la parte caliente es más débil (parte de esta en realidad está líquiday es muy débil) no tiene éxito para forzar a la barra a flexionarse demasiado. Laparte caliente está menos restringida en las direcciones laterales, entonces tiendea ensancharse en el lado donde se aplicó el calor. Cuando se extingue el arco(Figura 1.2.3d), la porción caliente y fundida comienza a enfriarse y contraerse.

El calor siempre fluye desde el área caliente hacia el área fría, entonces durante elenfriamiento, el calor fluye dentro del área previamente fría calentándola.

Ahora, en la medida que la parte dilatada comienza a enfriarse, se contrae,revirtiendo la dirección de las fuerzas de deformación que finalmente causan quela longitud de la zona superior de la barra se acorte y los extremos de la barra selevanten dándole a la barra un perfil cóncavo cuando se enfría, como se muestraen la Figura (1.2.3e).

Entonces, cuando se aplica el calor a una pieza en manera no uniforme, como enel caso para la soldadura, el resultado es un cambio dimensional por los esfuerzostérmicos desarrollados causando que la parte se distorsione o encorve cuando seenfría.

La Figura (1.2.3f) representa la barra re-solidificada con un cierto nivel detensiones residuales que permanecen en ella, denotada por la representación deun resorte.

Siempre que se funde un metal en una zona pequeña, y localizada, como ensoldadura, se generan esfuerzos por la contracción.

Inclusive, si la barra fue restringida externamente durante este ciclo decalentamiento y enfriamiento, la parte enfriada todavía contiene tensionescausadas por este calentamiento y enfriamiento diferencial.

Se conocen estas tensiones como tensiones residuales.

Estas tensiones residuales tienden a mantener la barra en su perfil flexionado.

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Sin embargo, la barra no se flexionará más debido a que se enfrió hasta latemperatura ambiente y ahora es más resistente que las fuerzas ejercidas por lastensiones residuales.

Las tensiones residuales permanecerán en la barra salvo que se realice algo pararelajarla.

Hay diferentes formas de reducir o eliminar las tensiones residuales.

Se puede realizar en forma térmica cuando se calienta en forma uniforme latotalidad de la pieza o la banda larga que contiene la zona de soldadura a algunatemperatura y es mantenida por un período de tiempo prescrito.

El resultado de este método es que el calentamiento uniforme que permite unalivio en las tensiones residuales debido a que se reduce la resistencia del metal.

Un enfriamiento lento y uniforme hasta la temperatura ambiente producirá unapieza con tensiones residuales mucho más bajas.

Hay métodos para proveer este alivio de tensiones mediante la aplicación detratamientos vibratorios, o mecánicos.

Ambos métodos mostraron ser efectivos en varias aplicaciones.

Puede realizarse un tercer método para reducir las tensiones residuales quepuede realizarse junto a la operación de soldadura, y que se conoce comomartillado. Ver Figura 1.2.4.

Figura 1.2.4 – Martillado (peening) de Cordones de Soldadura Intermedios para Alivio deTensiones Residuales.

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Este también es un tratamiento mecánico.

El martillado involucra el uso de pesados martillos neumáticos (no un piquete paraquitar la escoria) que se usa para golpear en la superficie de los cordonesintermediarios de una soldadura multipasada.

Esta acción de martillado tiende a deformar la superficie haciendo disminuir elespesor del cordón.Esta deformación tiende a desparramar la cara de la soldadura para hacerla másancha y larga. Debido a que el metal se distribuye ligeramente, se reducen lastensiones residuales.

Cuando se usa el martillado para el alivio de tensiones, debe tenerse cuidado deevitar las fisuras de la soldadura por un tratamiento mecánico agresivo.

No es recomendable martillar el cordón de raíz que se puede fisurar fácilmente alser golpeado.

Normalmente, el cordón final tampoco se martilla, pero por una razón diferente;superficies muy martilladas pueden ocultar la presencia de discontinuidades,haciendo más difícil su inspección visual cuando esta es requerida.

Cuando se aplica en forma adecuada, el martillado provee una forma efectiva dereducir las tensiones residuales, siendo esta técnica la más utilizada por requerirde poco equipamiento.

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II. SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS.

2.1. INTRODUCCIÓN.

En un sentido amplio y generalizado, la soldadura puede definirse como larealización de una unión entre dos piezas de metal haciendo uso de las fuerzas deCohesión que derivan de un "enlace metálico".

Todo proceso de soldadura debe esencialmente lograr el acercamiento de lassuperficies a unir a distancias del orden interatómico con el propósito de crear lascondiciones propicias para que se desarrollen las fuerzas de cohesión inherentesa los enlaces metálicos.

Para lo que normalmente se emplea alguna fuente de energía estas pueden serde Corrientes alternas o continuas dependiendo de muchos factores para poderelegir la corriente a utilizar.

Si esta energía es el calor, se pueden llegar a fundir los bordes de los metales, loscuales se mezclaran en estado líquido acercándose los átomos lo suficiente paraque durante la solidificación se atraigan formando una nueva red cristalina.

Si en vez de calor se aplica presión se produce, en primer término, la ruptura de lacapa de óxido y luego se nivelan las crestas y valles por deformación plástica,permitiendo el contacto íntimo entre las dos superficies y, por lo tanto la uniónmetalúrgica.

Nuestros análisis abarcaran la soldadura en fase líquida, esto es los materialesinvolucrados en la unión llegan a fundirse a través de una fuente de calorgenerada por un arco eléctrico.

2.2. DEFINICIÓN DE SOLDABILIDAD.

Es la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengansoldaduras sanas y homogéneas, que respondan a las necesidad para las quefueron concebidas incluyendo códigos de fabricación.

Desde el punto de vista metalúrgico durante la soldadura en estado líquido en unaregión muy pequeña el material a ser soldado alcanza el estado líquido y luegosolidifica.

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El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir el metal de aporte (si existe),fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal desoldadura modificando la microestructura inicialmente presentes.

2.3. REGIONES PRESENTES EN LA SOLDADURA.

La figura 2.3.1 representa las regiones que se generan en una soldadura.

Observadas en una macrografía, éstas son:

2.3.1. Región Fundida. Es aquella donde se produce la fusión y posteriorsolidificación del metal de aporte (si existe), el cual se “mezcla” con el metalbase y genera el “metal de soldadura”.

Para la elección del metal de aporte se tiene en cuenta:

La composición química del electrodo. Dilución con el metal base. Sistemas de flux o gases de protección. Solidificación de la pileta soldada, enfriamientos y transformaciones

posteriores.

2.3.2. Línea de Fusión. Es la interfaz entre la región fundida y la región en estadosólido, normalmente es la zona más propicia a inicio de fisuras, ya queexisten áreas con fusión parcial.

2.3.3. Zona Afectada por el Calor (ZAC/ZAT). Es la región del metal base quesufre ciclos de calentamiento y enfriamiento debido al aporte térmico de lasoldadura.

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En términos de selección de materiales las características de servicio de la ZACdeberán ser enfatizadas mucho más que aquellas vinculadas con el metal deaporte.

Esto es debido a que las propiedades metalúrgicas y mecánicas de la ZAC sondirectamente vinculadas con los parámetros de soldadura y los tratamientostérmicos post soldadura (PWHT).

Es también cierto que cualquier problema de soldabilidad asociado con lascaracterísticas de la ZAC es más difícil de manejar que los asociados con el metalde aporte.

Los problemas de soldabilidad asociados con el consumible pueden solucionarsecambiando el mismo o los otros consumibles de soldadura.

Mientras que los problemas asociados con la ZAC algunas veces pueden serresueltos modificando el metal base (lo cual suele resultar costoso) y / o el aportetérmico.

La importancia de la zona afectada por calor la podemos apreciar cuandocomparamos la temperatura máximas que se alcanzan en cada una de lasregiones de la misma con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C (metaestable).

Estas regiones son:

La zona de grano crecido. La zona de grano refinado. Las regiones inter-críticas y sub-críticas. Las regiones parcialmente modificadas.

Sin embargo la ZAC sufre procesos metalúrgicos que involucran calentamientos yenfriamientos muy rápidos, es por ello que resulta más cómodo asociarla condiagramas de enfriamientos continuos.

Por lo que las curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) son másapropiados para predecir las microestructuras en la ZAC.

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III. ESTRUCTURAS CRISTALINAS.

3.1. ESTRUCTURAS DE LOS CRISTALES.

En un metal sólido, los átomos tienden ellos mismos a alinearse en líneasordenadas, filas, y capas para formar estructuras cristalinas tridimensionales.

Por definición, los metales son cristalinos, y cualquier discusión de falla debido a“cristalización” de hecho es incorrecta.

Cuando un metal solidifica, normalmente lo hace en una estructura cristalina.

La apariencia de superficie de fractura conocida erróneamente como “cristalina” esnormalmente típica de una superficie de fractura por fragilización o fatiga.

El número más pequeño de átomos que puede describir un arreglo ordenado seconoce como “celda unitaria”.

Es importante darse cuenta que las celdas unitarias no existen como unidadesindependientes, sino que comparten átomos con las celdas unitarias vecinas enuna matriz tridimensional.

Las estructuras cristalinas más comunes, o fases, son:

Cúbica de cuerpo centrado (BCC). Cúbica de caras centradas (FCC). Tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), y Hexagonal compacta (HCP).

Pueden verse en la figura 3.1.1.

Figura 3.1.1. Estructuras Cristalinas Comunesde metales y aleaciones.

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Algunos metales tales como el hierro, existen como una fase sólida a temperaturaambiente y como otra fase sólida a temperaturas elevadas.

Este cambio con la temperatura de una fase a otra en un metal sólido se conocecomo transformación alotrópica, o transformación en fase sólida.

Un cristal de metal que posee diferentes estructuras pero la misma composiciónquímica se conoce como alotrópico.

Esto se estudiara con mayor detalle más adelante.

La estructura FCC puede imaginarse como un cubo con átomos en cada una delos ocho vértices y un átomo en el centro de cada una de las seis caras. Entre losmetales con FCC comunes se encuentran el aluminio, cobre, níquel, y acerosinoxidables austeníticos.

La celda unitaria BCT puede describirse tomando una celda unitaria BCC básica, yelongándola en un eje para lograr una forma rectangular, con un átomo en elcentro.

La martensita, una fase del acero que se forma por un enfriamiento rápido, es unaestructura BCT.

La celda unitaria HCP es un prisma hexagonal puede imaginarse como doshexágonos (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 loshexágonos, superior e inferior, se ubican tres átomos, uno en cada vértice de untriángulo.

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

La celda unitaria BCC puede describirse como un cubo con un átomo en cada unode 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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3.2. SOLIDIFICACIÓN DE LOS METALES.

Un metal solidifica en una estructura cristalina por un proceso conocido comonucleación y crecimiento.

En el enfriamiento, grupos de átomos se nuclean (solidifican) sobre impurezas oen lugares del límite líquido - sólido, tales como la interface entre el metal desoldadura fundido y una zona más fría, sin fundir, la zona afectada por el calor,tales grupos se llaman núcleos y aparecen en gran número.

En el metal de soldadura, los núcleos tienden a fijarse a sí mismos a granosexistentes de la zona afectada por el calor en la interface de soldadura. Losátomos continúan solidificándose y se fijan a los núcleos.

Cada núcleo crece a lo largo de una dirección preferencial, con los átomos que sealinean en la forma descrita mediante la celda unitaria apropiada para formar ungrano de forma irregular, o cristal.

La Figura 3.2.1.muestra cómo se forman los granos de metal de soldadura amedida que este metal solidifica.

Figura 3.2.1. Nucleación y solidificación de metal de soldadura fundido

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En la Figura 3.2.1a, se comienzan a formar en la interface de soldadura.

La Figura 3.2.1b, muestra los granos sólidos formados cuando crecen dichosnúcleos originales.

Debido a que dichos núcleos tienen distintas orientaciones, cuando los granosadyacentes crecen juntos se forman los bordes de grano.

La Figura 3.2.1c, muestra la solidificación completa del metal de soldadura. Losbordes de grano se consideran como discontinuidades, debido a que representanuna interrupción en el arreglo uniforme de los átomos.

3.3. ALEANTES.

Las propiedades de los elementos metálicos pueden ser alteradas por el agregadode otros elementos, que pueden ser o no metálicos. Tal técnica se conoce comoaleación.

El metal que resulta de esta combinación se conoce como aleación. Por ejemplo,se agrega el elemento metálico zinc al metal cobre para formar la aleación latón.

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

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

Los átomos más pequeños, tales como el carbono, nitrógeno e hidrógeno, tiendena ocupar lugares entre los átomos que forman la estructura de la red del metalbase.

Estas se conocen como aleaciones intersticiales y se muestran en la Figura 3.3.1.

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Figura 3.3.1 – Aleación Instersticial. Figura 3.3.2. - Aleación Sustitucional.

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

Los elementos aleantes con átomos de tamaños cercanos al de aquel del metalbase tienden a ocupar lugares sustitucionales.

Esto es, reemplazan uno de los átomos del metal base en la estructura de la red.Esta se llama aleación sustitucional y se muestra en la Figura 3.3.2.

Los ejemplos de esto son tanto el cobre en el níquel y el níquel en cobre.

Como la presencia de los bordes de grano, el agregado de elementos aleantesproduce irregularidades en la estructura cristalina.

Como se puede observar con la presencia de elementos aleantes ejerce distintosgrados de atracción y repulsión para dar un arreglo de la estructura cristalina quede alguna manera esta distorsionada.

Esto tiende a incrementar la energía interna del metal y puede dar como resultadoun incremento de las propiedades mecánicas.

Casi todos los metales de ingeniería son aleaciones que consisten en un elementoprincipal y cantidades variables de uno o más elementos adicionales. Si existemás de una fase, cada una tendrá su propia estructura cristalina característica.

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3.4. CONSIDERACIONES METALÚRGICAS PARA LA SOLDADURA.

Debido a que la soldadura puede producir cambios significativos tanto en latemperatura del metal como en la velocidad de enfriamiento desde esatemperatura elevada, es importante entender que cambios metalúrgicos puedenresultar de la operación de soldadura.

La Figura 3.4.1 ilustra la relación entre las temperaturas pico, exhibidas en lasdistintas regiones de la zona de soldadura y el diagrama de equilibrio hierro –cementita.

Figura 3.4.1 – Relación entre los Picos de Temperatura de las distintas Regiones de unaSoldadura, y la Correlación con el

Diagrama de Fases Hierro – Carburo de Hierro (Cementita)

Como se puede ver, dependiendo de la ubicación del punto dentro o cercano a lasoldadura, pueden producirse varias estructuras metalúrgicas.

Dentro de la soldadura, la región de temperaturas más altas, el metal puedeenfriarse desde el estado líquido a través de distintas regiones de fase mostradasanteriormente. Adyacente a la soldadura, en la zona afectada por el calor (ZAC[HAZ]), no se llega a la fusión pero se alcanzan temperatura extremadamentealtas.

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La ZAC [HAZ] es simplemente la región del metal base adyacente al metal desoldadura que ha sido elevado a temperaturas justo por debajo de la temperaturade transformación al punto de fusión del acero.

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

Los cambios en las condiciones de soldadura pueden tener un efecto muysignificativo en la formación de las distintas fases, porque las condiciones desoldadura tienen un efecto muy importante en la velocidad de enfriamientoresultante para la soldadura.

Algunas de las condiciones de soldadura que pueden producir cambios incluyen lacantidad de aporte de calor, el uso de precalentamiento, el carbono equivalentedel metal base, y el espesor de metal base.

A medida que se incrementa el aporte de calor, decrece la velocidad deenfriamiento.

El uso de electrodos de soldadura de menor diámetro, menores corrientes desoldadura, y velocidades de avance mayores tenderá a disminuir el aporte decalor, y entonces incrementar la velocidad de enfriamiento.

Para cualquier proceso de soldadura, puede calcularse fácilmente el aporte decalor. Sólo depende de la corriente de soldadura aparente, voltaje del arco yvelocidad de avance, según se mide a lo largo del eje longitudinal de la junta desoldadura. La fórmula para el aporte de calor se muestra abajo.

Para esta fórmula, el aporte de calor se expresa en términos de joules porpulgada, y la velocidad de avance en pulgadas por minuto. Los Joules también sepueden expresar como watt/segundo.

Entonces el 60 que aparece en el numerador de la fórmula simplemente conviertelos minutos de la velocidad de avance en segundos. Se le puede pedir al Instructorde soldadura que registre el aporte de calor de la soldadura para controlar laspropiedades micro-estructurales resultantes que aparecen en la zona afectada porel calor.

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Otro ítem que tiene un efecto significativo en la microestructura resultante es eluso de precalentamiento. En general, el uso de precalentamiento tenderá a reducirla velocidad de enfriamiento en la soldadura y en la ZAC [HAZ] dando una mejoraen la ductilidad. Cuando no se usa el precalentamiento, la zona afectada por elcalor es relativamente angosta y muestra su mayor dureza.

En algunos casos, dependiendo del contenido de aleantes, puede formarsemartensita.

Sin embargo, cuando se incluye el precalentamiento, la zona afectada por el calores más ancha y la dureza resultante es significativamente menor debido a unavelocidad de enfriamiento menor que permite la formación de perlita, ferrita yposiblemente bainita, en lugar de martensita.

Por esto, debemos monitorear el precalentamiento requerido para una operaciónparticular de soldadura.

Este requerimiento está relacionado principalmente con la disminución de lavelocidad de enfriamiento en la zona afectada por el calor, para producirmicroestructuras que tengan propiedades deseables.

Otro factor importante para la soldadura de acero es el carbono equivalente.

Debido a que el carbono tiene el efecto más pronunciado en la templabilidad (lafacilidad con que el metal se endurece por el enfriamiento desde una temperaturaaustenítica, o su capacidad de formar martensita) del acero, nos interesa cuántode este se encuentra presente en una aleación particular.

Cuanto mayor contenido de carbono, mayor templabilidad del acero. Otroselementos de aleación también promoverán la templabilidad, en distinto grado.

Un contenido de carbono equivalente es entonces una expresión empírica que seusa para determinar cómo los efectos combinados de los distintos aleantes seencuentran presentes en la templabilidad del acero.

Una vez que se determinó un contenido de carbono, podemos predecir el rangoaproximado de precalentamiento que será necesario para los mejores resultados.

En la siguiente tabla se resume algunas de las temperaturas de precalentamientosugeridas para distintos rangos de carbono equivalente.

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CARBONO EQUIVALENTE%C

TEMPERATURA DEPRECALENTAMIENTO SUGERIDA

Hasta 0.45 OpcionalDesde 0.45 hasta 0.60 200 a 400°F (93.33 a 204.4°C)

Más que 0.60 400 a 700°F (204.4 a 371.11°C)

Utilizando esta tabla el soldador tomara una decisión preliminar de quetemperatura de precalentamiento será satisfactoria para una aplicación dada.

Esta decisión será afectada por otros factores, pero esto sirve al menos como unpunto de partida.

El espesor del metal base también tiene un efecto en la velocidad de enfriamiento;generalmente las soldaduras en metal base de mayor espesor se enfrían másrápidamente que las soldaduras en secciones delgadas.

La mayor capacidad calorífica, o disipación del calor, asociada con las seccionesde mayor espesor producen un enfriamiento más veloz en el cordón de soldadura.

Entonces cuando se sueldan secciones de mayor espesor, pueden especificarsedistintos requerimientos de soldadura, tales como precalentamiento, para reducirla velocidad de enfriamiento con el objeto de mejorar las propiedades mecánicasresultantes de la zona afectada por el calor.

Entonces, cuando se sueldan secciones de mayor espesor, normalmente seincrementan los requerimientos de precalentamiento y entre pasadas para ayudara disminuir la velocidad de enfriamiento resultante.

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IV. ENSAYOS ESTRUCTURALES: METALOGRAFÍA Y MACROGRAFIA.

4.1. INTRODUCCIÓN.

Puede definirse la Metalografía como la técnica que revela la organizaciónespacial de fases y compuestos que conforman un material metálico.

Igualmente, puede definirse la Materialografía cuando se aplica a cualquiermaterial.

A partir de su propia definición, la Metalografía puede resolver:

a) Los diversos compuestos y fases.b) Las diferentes formas y tamaños que adoptan en la estructura.c) Las diversas configuraciones entre las fases y compuestos.

El campo de aplicación de la Metalografía y materialografía es amplísimo.

No sólo es herramienta básica requerida para la caracterización de los metales yaleaciones sino también lo es para materiales compuestos de matriz metálica o defibras metálicas; así como en los materiales cerámicos, compuestos o no.

4.2. FUNDAMENTO TEÓRICO.

Dentro de los sólidos se pueden distinguir sólidos cristalinos y sólidos amorfos.Los sólidos cristalinos están constituidos por átomos ordenados a larga distancia,o sea que están dispuestos de tal forma que su ordenamiento se repite en las tresdimensiones, formando un sólido con una estructura interna ordenada.

Si esta estructura es regular en todo el material se denomina MONOCRISTAL.

Sin embargo, lo más habitual es que la estructura sea regular por zonas delmaterial, cambiando la orientación cristalina de una zona a otra, pero no laestructura.

Se dice entonces que el material es POLICRISTALINO, integrado por numerososgranos que poseen la misma estructura cristalina, pero que cambian deorientación de unos a otros.

La región donde se unen los granos se denomina límite de grano.

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La organización de esos granos da lugar a la microestructura del material, quecontempla:

La forma y tamaño de los granos. Si hay varias fases presentes: granos de diferentes fases. La configuración de dichas fases.

Aquí se tienen ejemplos de microestructuras en la Figura 4.2.1.

(a) (b)

Figura 4.2.1: Ejemplos de microestructuras: (a) Latón y (b) Ferrita.

El instrumento que permite determinar la microestructura de los materiales es elmicroscopio, que puede ser óptico o electrónico. Este caso se centrará en elóptico.

En aquellos materiales que son opacos a la luz visible sólo la superficie essusceptible de ser observada, y la luz del microscopio se debe usar en reflexión(microscopio metalográfico).

Para lograr el objetivo de visualizar la microestructura de un material es necesariauna cuidadosa preparación de la superficie.

Ésta debe desbastarse y pulirse hasta que quede como un espejo. Esta condiciónse consigue utilizando papeles abrasivos y polvos cada vez más finos.

Se releva la microestructura tratando la superficie con un reactivo químico (ataquequímico).

El tipo de reactivo y el tiempo de tratamiento dependerán de la naturaleza delmaterial.

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4.3. ANÁLISIS DE LA TÉCNICA METALOGRÁFICA.

Los ensayos metalográficos requieren la ejecución de las etapas siguientes:

1. Selección de la muestra.2. Preparación de las probetas.3. Ataque químico.4. Preparación de la réplica.5. Información de la práctica.

4.3.1. REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA.

4.3.1.1. SELECCIÓN DE LA MUESTRA. La muestra escogida debe satisfacer lascondiciones de amplitud y representatividad estadística, más cuando la dimensiónde la probeta unitaria se reduce a unos pocos milímetros.

Si corresponde a un control rutinario, la selección es por métodos aleatorios.

Si, por el contrario, se investiga la causa de un fallo, la probeta debe ser tanpróxima como se pueda a su hipotético origen.

La probeta puede tener cualquier forma y dimensiones equivalentes a unparalelepípedo de 5 a 15 mm de lado.

La extracción de la probeta desde la pieza, o producto a ensayar, se realizamediante corte con una sierra de disco con refrigeración evitando cualquier posiblecalentamiento pues podría modificar el estado del material a ensayar.

4.3.1.2. PREPARACIÓN DE LA PROBETA. El primer objetivo es obtener unasuperficie lisa y exenta de irregularidades mediante un proceso de desbaste.

Para ello se utiliza una serie de papeles de esmeril, ordenados de mayor a menortamaño de grano, con los que se actúa secuencialmente sobre la superficie.

El tamaño de grano del papel se relaciona con la numeración de éste, que dacuenta del Nº de partículas por pulgada cuadrada, de manera que la secuenciaserá: 320, 800, 1000, 1200. Las partículas abrasivas del papel suelen ser decarburo de silicio (SiC). La técnica a utilizar consiste en actuar sobre dosdirecciones perpendiculares consecutivamente, durante un cierto tiempo.

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El procedimiento deberá decidir cuando el proceso es suficiente, en función delacabado de la superficie, en la medida que el rayado generado con el desbasteelimine rayados anteriores.

Cada vez que se cambie el papel de esmeril se debe conseguir eliminar las líneasde rayado del papel anterior, así como cada vez que se gire la muestra 90º.

En esta etapa es fundamental conseguir la planaridad de la muestra.

Durante el desbaste es importante tener en cuenta que cada vez que se cambie elpapel de esmeril se debe lavar la muestra, para no introducir partículas de tamañomayor al papel que se va a usar. Y también se ha de tener precaución con elcalentamiento de la muestra.

Una vez desbastada la muestra con el papel esmeril más fino (de mayornumeración), se pasa al pulido de la muestra.

Este se hace sobre una superficie relativamente blanda (caucho, corcho, fieltro) yno abrasiva, sobre la que se impregna una suspensión de polvos abrasivos.

En nuestro caso utilizaremos suspensión de alúmina (Al2O3) de tamaño departícula conocido: 5 y 1 μm.

Para el pulido es altamente recomendable el uso de la pulidora.

Mediante el pulido se debe conseguir llevar la superficie de la muestra hastaobtener un brillo espectacular.

Se observa entonces al microscopio con el fin de evaluar la calidad del pulido(quedarán arañazos residuales del último tamaño de alúmina empleado, noperceptibles fácilmente a simple vista) y para comparar con la imagen que seobtenga tras el ataque químico.

4.3.1.3. ATAQUE QUÍMICO. El ataque químico se realiza utilizando los siguientesreactivos y tiempos de ataque, dependiendo de los materiales a ensayar, asímostramos en la figura 4.3.1.3.1 un cuadro de los diferentes materiales.

Tras el ataque químico, se procede a la observación al microscopio metalográficode la superficie obtenida, observando la forma y el tamaño de los granos de lamuestra. Tener en cuenta para ello los aumentos del microscopio.

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Se toma una imagen representativa de la muestra con la cámara disponible enuno de los microscopios.

4.3.1.4. PREPARACIÓN DE LA RÉPLICA. Una vez preparada la muestradespués del pulido y el ataque, y observada su microestructura, se procederá a lapreparación de la réplica.

Para ello se aplican 1-2 gotas de líquido de revelado (Transcopy) en la cara verdede la lámina de réplica.

Inclinar la lámina para que el líquido fluya por toda la superficie. Debe evitarseque el líquido ablande el adhesivo de la parte de atrás de la lámina.

Al cabo de 10-30 seg, el líquido ha ablandado la lámina plástica y cuando casitodo el disolvente se ha evaporado, la superficie a revelar de la muestra debe serpresionada fuertemente contra la parte verde de la lámina, sobre una superficieplana y evitando que la muestra se desplace sobre la lámina, durante 30 seg.

MATERIAL REACTIVO TIEMPO OBSERVACIONES

COBRE Cloruro férrico alcohólico (FeCl35g/HCl cc 2ml /etanol 95 ml)

1 minuto Empleo general

LATON Cloruro férrico acuoso (FeCl310g/HClcc 20ml /H2O 80 ml)

BRONCE Agua oxigenada amoniacal (NH3

(0.880) /H2O2(20vol)/H2O (1/ ½))Empleo general Cu yaleaciones (fresco)

ALUMINIO Mezcla de ácidos:H2O(95ml)/HCl(1.5ml)/HNO3 (2.5ml)/HF (48%) (0.5ml)

Tiempocorto sindefinir

HIERRO Picral (ac. Pícrico 4g / etanol 100ml)

Resalta la perlita delos aceros y las juntasde los granos

ACEROCONSTR.

Nital (NHO3 cc 2ml/etanol 98ml) 20s – 45s Ataque general deaceros y fundiciones

ACERO INOX. Agua regia (HNO3 cc 10ml /HClcc25 ml/Glicerina 25ml)

30 s – 2minutos

Ataque de aceros Cr,Ni.Cr y austeniticos

Figura 4.3.1.3.1 Cuadro de materiales para pruebas de macroataque

Dejar por lo menos de 3 a 5 min. para que la lámina plástica endurezca y sepueda separar cuidadosamente.

Separar el papel posterior, la réplica puede pegarse sobre un porta-cristal paramejor manipulación.

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A continuación se realiza la inspección al microscopio de la réplica, tomando comoreferencia y comparando con la superficie revelada previamente.

4.3.1.5. INFORME DE LA PRÁCTICA. Para realizar el informe de este tipo deensayos, es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

1) Realizar un esquema del microscopio metalográfico, y una descripcióndetallada de la misma.

2) Explicar la importancia del desbaste y el pulido en el proceso de preparación dela muestra.

3) Explicar la importancia del ataque químico de la muestra pulida.4) Explicar para qué y cómo se obtiene la réplica.5) Explicar qué muestra se preparó, durante la práctica y qué aspecto observa al

microscopio.

Así mismo describir detalladamente: Tipo, forma de los granos y cuántas fasesestán presentes. Adjuntar su microfotografía. Adjuntar la Bibliografía Consultada.

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V. ZONA AFECTADA POR EL CALOR – ZAC.

La Tabla 5.1. muestra los anchos de las ZAC, ZAC-GG y ZAC-GF. Según estosresultados se evidencia el efecto de la mayor potencia del proceso GMAW-DP,dado que el ancho de la ZAC-GF y de toda la ZAC es mayor.

Además, se nota una gran diferencia del proceso PAW con respecto a los otros,dado que en este proceso el electrodo es no consumible, y por lo tanto no hayefecto de la energía de la transferencia metálica (momento de la gota y tipo degas).

El proceso PAW es un proceso de alta concentración de energía, lo que permitealcanzar mayores temperaturas en la pileta líquida, de este modo el grano crece yse enfría más rápido, por lo tanto es de esperar una región de grano grueso mayory una región de grano fino menor. No se observa influencia de los distintostratamientos de recocido en los metales base.

PROBETAZAC GG ZAC GF ZAC

ANCHO(mm) PROMEDIO

ANCHO(mm) PROMEDIO

ANCHO(mm) PROMEDIO

5C 0.40.43

1.01.00

1.41.436C 0.4 1.0 1.4

8C 0.5 1.0 1.55D 0.4

0.331.6

1.532.0

1.866D 0.3 1.6 1.98D 0.3 1.4 1.75S 0.5

0.471.2

1.201.7

1.676S 0.5 1.2 1.78S 0.4 1.2 1.65P 0.9

0.70

0.6

0.60

1.5

1.306P 0.5 0.6 1.18P 0.7 0.6 1.3

Tabla 5.1. - Ancho de las ZAC, ZAC-GG y ZAC-GF

La pequeña diferencia entre los valores obtenidos (menor que 0,5 mm en la ZAC)es un indicativo del procedimiento adoptado, o sea, la misma corriente y la mismavelocidad de soldadura, lo que tiende a producir una ZAC similar.

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Esta pequeña diferencia mostraría el efecto de la eficiencia térmica del proceso,siendo el proceso PAW el que presenta menor eficiencia y, por lo tanto, menorZAC.

5.1. ZONA AFECTADA POR EL CALOR DE GRANO FINO (ZAC-GF).

Según los resultados de la cuantificación del tamaño de grano, en la Figura 5.1.1se observa que, para todos los casos hay un refinamiento de grano en la ZAC-GF,especialmente para el proceso GMAW-STT, siendo este tipo de proceso el quepresenta un valor mínimo de potencia media.

Comparando los procesos GMAW, se observa que para GMAW-DP hubo unmenor refinamiento, siendo el tamaño de grano similar al del metal base; esto sedebe a la mayor potencia entregada por este proceso (figura 5.1.1), lo que generatemperaturas mayores y crecimiento del grano recristalizado.

Se puede decir, además, que el efecto del tiempo de tratamiento sobre el tamañode grano se mantiene constante independientemente del proceso.

Figura 5.1.1. - Comparativa de tamaño de grano de ZAC-GF para los distintos procesos.

Las micrografías de ZAC-GF (Figura 5.1.2.) muestran los distintos tamaños degrano para cada condición.

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Figura 5.1.2.- Micrografías de la ZAC- GF.

Para el acero tratado durante 180 min a 800 ºC, no se observa diferencia para losdistintos procesos, pero como tendencia general para 5 y 60 min de tratamientolos tamaños de grano de la ZAC-GF siguen la tendencia de la potencia media delproceso.

Los resultados de las mediciones de los contenidos de constituyentes MA, para elmetal base y para la ZAC-GF de las distintas probetas soldadas se presentan enla Figura 5.1.3.

Figura 5.1.3. - Comparativa de los porcentajes de constituyentes MA para los distintosprocesos.

Para el metal base se observa el efecto del tiempo de recocido: entre 5 y 60minutos de tratamiento, a la temperatura de recocido, la estructura se austeniza enmayor medida y en el enfriamiento esta austenita genera un mayor porcentaje deMA.

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Entre 60 y 180 minutos, la austenita transformada comienza a homogeneizar sucomposición química y la generación de MA es menos probable [8]; por tal razónpara 180 min el porcentaje de MA vuelve a ser del orden del correspondiente a 5min.

Para las probetas soldadas por todos los procesos se observaron mayorescontenidos de MA que en el metal base.

El proceso GMAW-DP presentó el mayor porcentaje de constituyentes MA, lo queestá en conformidad con los mayores valores de potencia, que produce un t8/5mayor y consecuentemente un mayor porcentaje de MA [14].

Los procesos con transferencia corto-circuito (GMAW-SC y STT) presentaronvalores similares, lo que también demuestra el efecto de la potencia del mismoorden.

Con respecto a la influencia del tiempo de tratamiento se observa que paratiempos más largos el porcentaje de MA es menor, para todos los procesos.

Finalmente, se observa que el tamaño de grano está correlacionado con lapotencia media (Figura 5.1.4.a), mientras que el porcentaje de MA estácorrelacionado con la potencia efectiva (Figura 5.1.4.b).

Esto debe ser explicado en un trabajo futuro dada las complejidades del estudio,que envuelve transferencia del calor, técnicas inversas, etc.

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Figura 5.1.4. – Correlación del tamaño de grano y la potencia media (a) y correlación delporcentaje de MA con la potencia efectiva (b).

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VI. SOLDADURA Y TEMPLABILIDAD.

6.1. DEFINICION DE SOLDADURA.

Previo al estudio de los distintos procesos de soldadura, es apropiado definir quese quiere significar con el término “soldadura”.

De acuerdo con AWS, una soldadura es, “una coalescencia localizada de metaleso no metales producida tanto por calentamiento de los metales a la temperatura desoldadura, con o sin la aplicación de presión, o por la aplicación de presiónsolamente y con o sin el uso de material de aporte.”

Coalescencia significa “unidos uno a otro entre si”.

Por esa razón la soldadura se refiere a las operaciones usadas para llevar a caboesta operación de unión. Esta sección presentará importantes características dealgunos de los procesos de soldadura más comunes, todos los cuales emplean eluso del calor sin presión.

A medida que cada uno de estos procesos es presentado, es importante notar quetodos tienen ciertas características en común. Esto es que hay ciertos elementoslos cuales deben ser provistos por el proceso de soldadura en orden a que estossean capaces de producir soldaduras satisfactorias.

Estas características incluyen una fuente de energía para proveer calentamiento,los medios de protección del metal fundido de la atmósfera, y el metal de aporte(opcional con algunos procesos y configuraciones de junta).

Los procesos pueden ser divididos en tres grupos básicos:

SOLDADURABRAZINGCORTE

Soldadura y brazing describen métodos para unir metales, mientras que el cortetiene como resultado quitar o separar material.

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En la medida que cada uno de los procesos de unión y corte son discutidos, seintentará describir sus características importantes, incluyendo ventajas,limitaciones del proceso, requerimientos de equipo, electrodos/ metales de aporte,aplicaciones, y posibles problemas del proceso.

Hay numerosos procesos de unión y corte disponibles para el uso en la fabricaciónde productos metálicos.

Son mostrados por la "Esquema principal de procesos de Soldadura y Afines" dela American Welding Society, que se muestra en la Figura 6.1.1.

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Figura 6.1.1. Esquema de los Procesos de soldadura y otros.

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TAREA N° 02

ENSAYO DE DUREZZA ROCKWELL C YBRINELL

Operaciones:

1. PREPARAR EQUIPO.

2. EJECUTAR ENSAYO.

3. VERIFICAR DUREZA.

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N° ORDEN DE EJECUCION HERRAMIENTAS/INSTRUMENTOS010203

Preparar equipoEjecutar ensayoVerificar dureza

Durómetro para ensayos RockwellPenetrador; cono de diamante

01 01 Barra cuadrada 3/8” x 3/8” x 4” Acero HSSPZA. CANT. DENOMINACION-NORMA/DIMENSIONES MATERIAL OBSERVACIONES

ENSAYO DE DUREZAROCKWELL C

HT. 02 SE. REF.

TIEMPO: 4 h. HOJA: 1 / 2

SOLDADOR ESTRUCTURAL ESCALA: SE. AÑO: 2013

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N° ORDEN DE EJECUCION HERRAMIENTAS/INSTRUMENTOS010203

Preparar equipoEjecutar ensayoVerificar dureza

Durómetro para ensayo brinellPenetrador; bolillas de acero de 2.5, 5, 10 mm.

01 01 Barra cuadrada 1” x 1” x 4” Acero ST 37PZA. CANT. DENOMINACION-NORMA/DIMENSIONES MATERIAL OBSERVACIONES

ENSAYO DE DUREZA BRINELL HT. 03 SE. REF.

TIEMPO: 4 h. HOJA: 2/2

SOLDADOR ESTRUCTURAL ESCALA: SE. AÑO: 2013

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OPERACIÓN:

PREPARAR EQUIPO:

Es una operación previa al ensayo, consiste en preparar el equipo (Durómetros)para realizar los ensayos de dureza, luego observar en forma directa ocomparando con tablas la dureza de las probetas ensayadas.

PROCESO DE EJECUCION:

1° Paso: Preparar el durómetro.

a) Limpiar el durómetro utilice un trapoindustrial.

b) Verificar el buen funcionamiento desus partes.

2° Paso: Montar penetradores.

a) Colocar los penetradores adecuadosde acuerdo al ensayo, a realizar.

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OPERACIÓN:

EJECUTAR ENSAYO BRINELL:

Es una operación donde se mide la dureza de una superficie aplicando el Ensayode Dureza Brinell una vez aplicada la carga y mantenida por el tiempo establecidopara cada material, se procede a verificar la dureza utilizando una tabla.

PROCESO DE EJECUCION:1° Paso: Utilizar durómetro para

ensayo Brinell.

a) Identificar durómetro Brinell.

2° Paso: Medir la dureza Brinell:

a) La superficie a ensayar debe estarcompletamente plana.

b) Elegir el indentador apropiado.

c) Aplicar la carga y mantener en eltiempo pre-establecido.

d) Medir el diámetro de la impronta.

e) Determinar el BHN con una tabla.

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OPERACIÓN:

EJECUTAR ENSAYO ROCKWELL:

Es una operación donde se mide la dureza de una superficie metálica utilizando elensayo de dureza Rockwell, una vez concluida la operación paso a paso, tomar lalectura directa en el dial del durómetro para obtener la dureza del metal ensayado.

PROCESO DE EJECUCIÓN:

1° Paso: Utilizar durómetro para ensayoRockwell.

a) Identificar durómetro Rockwell.

2° Paso: Medir dureza Rockwell.

a) Preparar la superficie a ensayar.

b) Colocar objeto a ensayar en la máquina.

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c) Aplicar la pre-carga, usar el tornillode presión.

d) Aplicar la carga mayor.

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e) Liberar la carga mayor.

f) Leer el dial.

g) Liberar la carga menor y retirar la pieza.

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ESCUELA METAL MECÁNICA 52

VII. COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEROS.

Las propiedades mecánicas de un metal pueden ser alteradas por la aplicación devarios tratamientos térmicos y mecánicos. De todos modos, van a ocurrir cambiosdrásticos si es cambiada la composición química. Desde el punto de vista de lasoldadura, el interés principal son las aleaciones o mezclas de diferenteselementos, ambos metálicos y no metálicos.

El ejemplo más común es el acero, que es una mezcla de hierro y carbono, másotros elementos en diferentes cantidades. Además de las propiedades mecánicas,la composición química del metal también va a tener un efecto sobre la resistenciaa la corrosión y la soldabilidad (la facilidad con que cada metal puede serexitosamente soldado).

Por esto, parte de las tareas de un soldador pueden incluir el conocimiento de lacomposición química de un metal comparando su composición actual contra laespecificación.

7.1. GRUPOS DE ALEACIONES.

Un Soldador, puede ser expuesto a un número diferente de aleaciones metálicas.Los metales pueden ser agrupados en varias categorías de aleaciones; algunascategorías comunes son acero, aluminio, níquel y cobre.

De acuerdo al tonelaje usado, los aceros comunes al carbono son los más usados.Contienen principalmente hierro, pero además pequeñas proporciones decarbono, manganeso, fósforo, azufre y silicio.

La cantidad de carbono presente tiene el mayor efecto sobre las propiedades delmetal, el siguiente cuadro nos muestra esta relación con respecto a susoldabilidad.

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NOMBRECOMUN

CONTENIDO DECARBONO USO TIPICO SOLDABILIDAD

Lingote deacero Maximo 0.03% Pintar,galvanizar,laminado en

plancha y tiras Excelente

Acero bajocarbono Maximo 0.15% Electrodos para soldar,

placas y chapas Excelente

Acero dulce 0.15% - 0.3% Chapas, placas y barrasestructurales Buena

Acero mediocarbono 0.3% - 0.5% Partes de maquinaria

Regular (frecuentemente serequiere precalentamiento ypostcalentamiento)

Acero altocarbono 0.5% - 1% Resortes, matrices, rieles de

ferrocarrilMala (dificil de soldar sin pre ypost calentamiento adecuado)

El estudio está principalmente orientada a aleaciones de acero, que luegodivididas en tres subcategorías: aceros comunes al carbono, aceros de bajaaleación y aceros de alta aleación.

Los aceros de baja aleación contienen menor cantidad de otros elementos comoníquel, cromo, manganeso, silicio, vanadio, columbio, aluminio, molibdeno y boro.

La presencia de estos elementos en distintas cantidades puede resultar endiferencias notables en las propiedades mecánicas.

Estos aceros de baja aleación pueden ser generalmente clasificados en acerosestructurales de baja aleación y alta resistencia, aceros para usos automotrices yde maquinaria, aceros para servicio a baja temperatura o aceros para servicio enalta temperatura.

Muchos de estos aceros de baja aleación han sido clasificados de acuerdo con sucomposición química, como se muestra en el siguiente cuadro.

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DESIGNACIONES DE ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN SEGÚNSAE-AISI

10XX Aceros al carbono sin resulfurar11XX Aceros al carbono resulfurar Manganeso 1.75%13XX Níquel 3.5%23XX Níquel 5%25XX Níquel 1.25%-Cromo 0.65% o 0.8%31XX Níquel 3.5%-Cromo 1.55%33XX Molibdeno 0.25%40XX Cromo0.5%-0.95%-Molibdeno 0.12% o 0.2%41XX Níquel 1.8%-Cromo 0.5% o 0.8%-Molibdeno 0.25%43XX Níquel 1.55% o 1.8%-Molibdeno 0.2% o 0.25%46XX Níquel 1.05%-Cromo 0.45%-Molibdeno 0.25%47XX Níquel 3.5%-Molibdeno 0.25%48XX Cromo 0.28% o 0.4%50XX Cromo 0.8%, 0.9%, 0.95%, 1% o 1.45%51XX Carbono 1%-Cromo 0.5%, 1% o 1.05%

5XXXX Cromo 0.8 o 0.95%-Vanadio 0.1% o 0.15% mínimo61XX Níquel 0.55%-Cromo 0.5% o 0.65%-Molibdeno 0.2%86XX Níquel 0.55%-Cromo 0.5%-%-Molibdeno 0.25%87XX Manganeso 0.85%-Silicio 2%92XX Níquel 3.25%-Cromo 1.2%-Molibdeno 0.12%93XX Manganeso 1%-Níquel 0.45%-Cromo 0.4%-Molibdeno 0.12%94XX Níquel 0.55%-Cromo 0.17%-Molibdeno 0.2%97XX Níquel 1%-Cromo 0.8%-Molibdeno 0.25%98XX Níquel 1%-Cromo 0.8%-Molibdeno 0.25%

Esta clasificación fue desarrollada por el American Iron and Steel Institute (AISI) yla Society of Automotive Engineers (SAE) y son generalmente usados en lafabricación de aceros.

El último grupo de aceros son los de alta aleación.

Los aceros inoxidables y otros tipos de aleaciones resistentes a la corrosión sonejemplos de este grupo de aceros aleados.

Los aceros inoxidables contienen como mínimo un 12% de cromo y algunoscontienen cantidades significativas de níquel.

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El siguiente cuadro muestra las composiciones de algunos de estos tipos deaceros inoxidables, divididos en cinco grupos, austeníticos, martensíticos,ferríticos, endurecidos por precipitación y de grados dúplex.

TIPOAISI

COMPOSICION NOMINAL %

C Mn, max. Si, max. Cr Ni Otros (a)

ACEROS AUSTENITICOS

304304L310316321

0.08 max.0.03 max.0.25 max.0.08 max.0.08 max.

2.002.002.002.002.00

1.001.001.501.001.00

18.00-20.0018.00-20.0024.00-26.0016.00-18.0017.00-19.00

08.00-12.0008.00-12.0019.00-12.0010.00-14.0009.00-12.00

---

2.00-3.00 Mo5 x C min. Ti

ACEROS MARTENSITICOS

403410420

0.15 max.0.15 max.0.15 max.

1.001.001.00

0.501.001.00

11.50-13.0011.50-13.5012.00-14.00

---

---

ACEROS FERRITICOS

430446

0.12 max.0.20 max.

1.001.50

1.001.00

14.00-18.0023.00-27.00

--

-0.25 max. N

ENDURECIDOS POR PRECIPITACION

15-517-417-7

0.07 max.0.07 max.0.09 max.

---

---

15.0017.0017.00

5.004.007.00

3.00 Cu4.00 Cu1.00 Al

DUPLEX

3293R6044LN

0.08 max.0.08 max.0.08 max.

---

---

25.0018.5025.00

4.505.006.00

1.50 Mo2.70 Mo1.70 Mo

7.2. EFECTOS DE LA COMPOSICIÓN QUÍMICA EN LOS ACEROS.

La siguiente lista muestra los efectos de varios elementos aleantes sobre laspropiedades de los aceros, incluida la soldabilidad.

7.2.1. CARBONO. Es generalmente considerado como el elemento aleante másimportante en los aceros y puede estar presente hasta en un 2% (aunque lamayoría de los aceros soldados tienen menos de un 0.5%).

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El carbono puede existir disuelto en el hierro, o en formas combinadas como lacementita (Fe3C). A medida que aumenta la cantidad de carbono, aumenta ladureza y la resistencia a la tracción, así como la respuesta a los tratamientostérmicos (endurecimiento). Por otro lado, el incremento de la cantidad de carbonoreduce la soldabilidad.

7.2.2. AZUFRE. Es generalmente una impureza indeseable en los aceros, másque un elemento aleante. Se realizan esfuerzos especiales para eliminarlo durantela fabricación de aceros. En cantidades superiores al 0.05% tiende a causarfragilidad y a reducir la soldabilidad.

Aleado en cantidades desde el 0.1 al 0.3% tiende a mejorar la maquinabilidad delacero. Estos tipos de aceros son conocidos como “resulfurados” o “corte libre”.

Los aceros corte libre no son recomendados donde se deba soldar.

7.2.3. FÓSFORO. Es generalmente considerado como una impureza no deseadaen los aceros. Generalmente se encuentra en cantidades de hasta un 0.04% en lamayoría de los aceros al carbono.

En aceros endurecidos, puede tender a causar fragilidad.

En aceros de baja aleación y alta resistencia, puede añadirse hasta un 0.1% defósforo para mejorar la resistencia a la corrosión y a la tracción.

7.2.4. SILICIO. Generalmente solo está presente en pequeñas cantidades (0.2%)en aceros laminados cuando es usado como desoxidante.

De todos modos en, fundiciones de acero (steel castings), está presente encantidades que varían de 0.35% al 1%. El silicio se disuelve en el acero y tiende ahacerlo más resistente. El metal de soldadura generalmente contieneaproximadamente 0.5% de silicio como desoxidante.

Algunos metales de aporte pueden contener hasta un 1% para realzar la limpiezay la desoxidación para soldar sobre superficies contaminadas.

Cuando estos metales de aporte son empleados para soldar sobre superficieslimpias, el metal de soldadura resultante va a incrementar ostensiblemente suresistencia.

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La disminución resultante en ductilidad puede presentar problemas de fisuras enalgunas situaciones.

7.2.5. MANGANESO. Los aceros contienen generalmente por lo menos un 0.3%de manganeso porque actúa de la siguiente manera:

1) Asiste en la desoxidación del acero.2) Previene la formación inclusiones de sulfuro de hierro.3) Aumenta la resistencia por incremento de la capacidad de endurecimiento del

acero.

Cantidades de hasta un 1.5% son encontradas en aceros al carbono.

7.2.6. CROMO. Es un poderoso elemento aleante en los aceros. Es agregadoprincipalmente por dos razones; primero aumenta en gran medida la dureza delacero y segundo, mejora notablemente la resistencia a la corrosión de lasaleaciones a la oxidación media.

Su presencia en algunos aceros puede causar una dureza excesiva y fisuras, enlas adyacencias de la soldadura. Los aceros inoxidables contienen cantidades decromo que llegan a superar el 12%.

7.2.7. MOLIBDENO. Este elemento es un fuerte formador de carburos (carbide) ygeneralmente está presente en los aceros aleados en cantidades menores al 1%.Es agregado para aumentar la dureza y la resistencia a las temperaturaselevadas.

Es agregado a los aceros inoxidables austeníticos para mejorar la resistencia alpitting.

7.2.8. NÍQUEL. Es agregado a los aceros para aumentar su dureza. Sedesempeña bien en esta función porque a menudo mejora la tenacidad y laductilidad del acero, aún con el aumento de la resistencia y de la dureza quebrinda.

El níquel es frecuentemente usado para mejorar la tenacidad del acero a bajastemperaturas.

7.2.9. ALUMINIO. Es agregado al acero en muy pequeñas cantidades comodesoxidante.

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ESCUELA METAL MECÁNICA 58

También afina el grano para mejorar la tenacidad; los aceros con adicionesmoderadas de aluminio son conocidos como aceros de grano fino.

7.2.10. VANADIO. La adición de vanadio va a resultar en un aumento de durezadel acero. Es muy efectivo en esta función, de manera que generalmente esagregado en cantidades diminutas.

En cantidades superiores al 0.05% puede haber tendencia a que el acero sefragilice durante los tratamientos térmicos de alivio de tensiones.

7.2.11. NIOBIO (columbio). Como el vanadio, es generalmente considerado comoun endurecedor del acero. De todos modos, debido a su fuerte afinidad con elcarbono, puede combinarse con el carbono en el acero con una marcadadisminución de la dureza.

Es agregado a los aceros inoxidables austeníticos como un estabilizador paramejorar las propiedades de soldabilidad.

El niobio es también conocido como columbio.

7.3. GASES DISUELTOS.

El hidrógeno (H2), el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2) todos disueltos en el metalfundido pueden provocar la fragilidad del acero si no son removidos.

Los procesos de refinamiento del acero son diseñados para eliminar la mayorparte de estos gases.

Gases de protecciones especiales o fundente-fundentes son usados para prevenirsu disolución en el metal de soldadura fundido.

7.4. ALEACIONES DE ALUMINIO.

Son probablemente el grupo más numeroso de aleaciones no ferrosas usadas enla industria metalmecánica actual. Disponibles como materias primas o fundidas,se consideran generalmente soldables.

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ESCUELA METAL MECÁNICA 59

El aluminio es muy deseado para aplicaciones que requieran buena resistencia,bajo peso, buena conductividad térmica y eléctrica y buena resistencia a lacorrosión.

Comercialmente el aluminio puro recocido o fundido tiene una resistencia a latracción de 1/5 de la resistencia del acero estructural.

Hay dos categorías generales en las cuales las aleaciones de aluminio pueden sercolocadas: térmicamente tratables y no tratables térmicamente.

Los tipos de tratamientos térmicos toman su dureza y resistencia de un procesodenominado “endurecimiento por precipitación”.

Los tratamientos no térmicos aumentan la resistencia por endurecimientomediante estiramiento (trabajo en frío) y por adición de elementos aleantes.

El siguiente cuadro nombra las designaciones para los varios tipos de aleacionesde aluminio según la Aluminium Association, de acuerdo a la mayor parte deelementos aleantes.

*mínimo 99%

Para indicar la condición de los distintos grados, puede añadirse un sufijo a ladesignación numérica.

Estas designaciones standard de tratamientos son mostradas en el siguientecuadro.

EL MAYOR ELEMENTO ALEANTE NÚMERO DE LA ASOCIACIÓN DEL ALUMINIO

Aluminio puro* 1XXXCobre 2XXX

Manganeso 3XXXSilicio 4XXX

Magnesio 5XXXMagnesio y silicio 6XXX

Zinc 7XXX

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ESCUELA METAL MECÁNICA 60

DESIGNACIÓN CONDICIÓN

F En brutoO Recocido, recristalizadoH1 Estado de acritud solamenteH2 Estado obtenido por acritud y recocido después parcialmenteH3 Estado obtenido por acritud y estabilizado a continuaciónW Tratamiento térmico de disoluciónT Tratado térmicamente

T2 RecocidoT3 Tratamiento térmico de solubilización y deformado

posteriormente en fríoT4 Tratamiento térmico de solubilización y posterior envejecimiento

natural hasta conseguir una condición estableT5 Envejecimiento artificialT6 Tratamiento térmico de solubilización y envejecimiento artificialT7 Tratamiento térmico de solubilización y posteriormente

estabilizadoT8 Tratamiento térmico de solubilización y deformación en frío y

maduración artificialT9 Tratamiento térmico de solubilización y envejecimiento artificial y

deformación en frío

7.5. ALEACIONES DE NÍQUEL.

El níquel es un metal tenaz, plateado de la misma densidad que el cobre. Tieneuna excelente resistencia a la corrosión y a la oxidación aún a altas temperaturas.

El níquel se puede alear con muchos materiales y es base para un número dealeaciones en combinación con el hierro, el cromo y el cobre.

Muchas de las aleaciones para alta temperatura y resistentes a la corrosión tienenporcentajes de níquel en el orden del 60 al 70%.

Esto puede incluir varias aleaciones como el Monel 400, Inconel 600 y HastelloyC-276.

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ESCUELA METAL MECÁNICA 61

Procedimientos de soldadura similares a aquellos usados en acero son empleadoscon el níquel y sus aleaciones, y todos los métodos comunes de soldadura puedenser usados.

7.6. ALEACIONES DE COBRE.

El cobre es probablemente mejor conocido por su alta conductividad eléctrica,explicando por qué es tan usado para aplicaciones eléctricas. Esaproximadamente tres veces más denso que el aluminio y tiene conductividadestérmicas y eléctricas que son aproximadamente 1.5 veces mayores.

El cobre es resistente a la oxidación a temperaturas inferiores a los 400ºF, al aguasalada, a las soluciones alcalinas sin amoníaco y muchos químicos orgánicos. Detodos modos, el cobre reacciona rápidamente con el azufre y sus compuestosproducen sulfatos de cobre. El cobre y sus aleaciones son extensamente usadospara tuberías de agua, válvulas y equipos, intercambiadores de calor y equiposquímicos.

Las aleaciones de cobre pueden ser divididas en ocho grupos:

ALEACIONES DE COBRE1 Cobre2 Aleaciones con alto porcentaje de cobre3 Latones (Cu-Zn)4 Bronces (Cu-Sn)5 Cobre-Níquel (Cu-Ni)6 Aleaciones cobre níquel zinc (níquel plateado7 Cobre-plomo8 Aleaciones especiales

Aunque la mayoría de las aleaciones del cobre son soldables y/o por brazing enalgún grado, su alta conductividad térmica presenta algunos problemas.

Este factor tiende a conducir el calor de la soldadura o del brazing afuera de lajunta demasiado rápido.

Es crítica la limpieza debido a la presencia de tenaces óxidos superficiales. Detodos modos, estas aleaciones pueden ser unidas efectivamente usando una granvariedad de procesos de soldadura y brazing.

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VIII. DIAGRAMA HIERRO - CARBONO.

8.1. MICROESTRUCTURA DE LOS ACEROS AL CARBONO.

El arreglo general de los granos, bordes de grano, y fases en una aleaciónmetálica, se llama microestructura. La microestructura es la principal responsablede las propiedades de la aleación. La microestructura es afectada por lacomposición o el contenido de aleantes, y por otros factores tales como:

La conformación y operaciones de tratamiento térmicos.

La microestructura se ve muy afectada por la operación de soldadura, que encambio, tiene influencia sobre las propiedades de la aleación.

Mientras que todos los metales exhiben distintas microestructuras, trataremosexclusivamente con los cambios microestructurales que ocurren simplemente conel acero al carbono, que es una aleación que consiste en combinación de hierro ycarbono.

También se pueden agregar otros elementos aleantes, pero sus efectos en lamicroestructura no serán tan significativos como los del carbono.

Para introducir dicho tema, es importante darse cuenta que el hierro y los acerossufren cambios en su arreglo cristalográfico como resultado de los cambios en latemperatura.

Esto es, según se calientan o enfrían las aleaciones hierro-carbono, ocurrencambios alotrópicos. El hecho que ocurran estos cambios permite el cambio depropiedades mecánicas para una aleación específica a través de la aplicación dedistintos tratamientos térmicos.

Para entender los cambios que ocurren, los metalurgistas usan un diagrama, quemuestra los rangos de distintos componentes microestructurales del sistemaHierro - Carbono. Se conoce como “Diagrama de Fase Hierro - Carbono”, y semuestra en la Figura 8.1.1.

Este diagrama describe la naturaleza de las fases presentes en las aleacioneshierro - carbono bajo condiciones cercanas al equilibrio, esto es calentamiento yenfriamiento muy lentas.

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Debe notarse que muchos de estos constituyentes microestructurales tienennombres múltiples y se pueden intercambiar. Por ejemplo, el hierro puro atemperatura ambiente se conoce como hierro alfa o ferrita.

El carburo de hierro que está presente a temperatura ambiente se llama cementitao CFe3. La estructura cúbica de caras centradas que aparece a temperaturasintermedias se conoce como hierro gama o austenita.

DIAGRAMA HIERRO - CARBONO

Figura 8.1.1. - Diagramas de Fase Hierro -Carbono

Mirando el diagrama, se nota que el eje vertical describe los cambios detemperatura, mientras que el eje horizontal indica la cantidad de carbono presente.

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En consecuencia, para un contenido de carbono dado, se puede trazar una líneavertical que atraviesa el eje horizontal.

Moviéndose verticalmente hacia arriba, puede determinarse que microestructurasexistirán a distintas temperaturas. Como se muestra en la notación debajo del ejehorizontal, se considera que los aceros incluyen dichas aleaciones que tienendesde 0.008% hasta 2% de Carbono.

Dentro de este rango, los aceros se dividen en tipo hipoeutectoide, eutectoide ehipereutectoide, con el punto eutectoide (0.8% carbono) siendo la línea divisoria.

Los aceros hipoeutectoides son simplemente dichas aleaciones con menos de0.8% C que existen a temperatura ambiente como combinaciones de perlita yferrita como opuestos a los hipereutectoides que contienen más de 0.8% C yexisten como combinaciones de perlita y cementita.

El equilibrio de la microestructura a temperatura ambiente para un aceroeutectoide (exactamente 0,8% carbono) es perlita pura.

La perlita es simplemente una mezcla en capas de cementita y ferrita.

La técnica de usar ataque con ácido revela las microestructuras que se muestranen las Figuras 8.1.2 -8.1.4.

Figura 8.1.2. - Microestructura de Hierro Comercialmente Puro, Los Granos Blancos sonFerrita. Se Observan los bordes de grano, y los glóbulos más oscuros son inclusiones no

metálicas.

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La Figura 8.1.3. muestra una microestructura típica comercial de hierro puro concasi nada de contenido de carbón.

Figura 8.1.3. - Aspecto Laminar de la Perlita (Aumento 1500X).

La Figura 8.1.3. muestra el aspecto típico de la perlita cuando está pulida, atacadacon ácido y observada mediante un microscopio de alta potencia (1500X). Lasáreas claras son ferrita y las áreas oscuras son cementita.

Una de las transformaciones importantes que ocurren en el acero es latransformación de los distintos constituyentes a temperatura ambiente (ferrita,perlita, cementita, y combinaciones de estos) a austenita, que es una estructuracúbica de caras centradas de hierro y carbono.

Con calentamiento, esta transformación comenzará a ocurrir a 722°C (1333°F); lalínea horizontal que representa esta transformación se conoce como AC1.

Excepto para un contenido de Carbono de 0.8%, el porcentaje del eutectoide, estatransformación ocurrirá en un rango de temperaturas, y la transformación completasólo tiene lugar cuando la temperatura se eleva sobre la curva llamada A3.

En el hierro puro, la transformación se completa a 910°C (1670°F), mientras queun acero eutectoide sufrirá una transformación completa a 722°C (1333°F).

Con un enfriamiento muy lento, ocurrirá el mismo cambio en sentido reverso. Laexistencia de esta transformación permite endurecer o ablandar los acerosmediante el uso de distintos tratamientos térmicos.

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Cuando se calentó un acero hasta el rango austenítico y se permitió unenfriamiento lento en su rango de transformación, la estructura resultantecontendrá perlita.Esta estructura puede aparecer sólo cuando se permite un tiempo suficiente parapermitir la difusión de los átomos hasta llegar a esa forma.

La difusión no es otra cosa que la migración de los átomos dentro de la estructurade metal sólido. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la movilidad de losátomos en la estructura cristalina.

Cuando el enfriamiento desde la austenita ocurre en forma suficientemente lenta,se formará perlita. Los aceros que son tratados térmicamente para producir perlitageneralmente son muy blandos y dúctiles.

Cuando el enfriamiento desde el rango austenítico ocurre más rápidamente, enesta transformación hay cambios significativos para una aleación de un acerodado.

Primero, la transformación ocurrirá a una temperatura menor.

En segundo lugar, la microestructura resultante cambia drásticamente y seincrementan la dureza y la resistencia a la tracción, con la correspondiente caídaen la ductilidad.

A velocidades de enfriamiento más grandes, la principal microestrura incluyeperlita, bainita y martensita. Con un ligero aumento en la velocidad deenfriamiento, la temperatura de transformación desciende, produciendo unaestructura perlítica más fina, con un espacio menor entre las láminas.

Esta estructura es ligeramente más dura que la perlita gruesa y tiene algo menosde ductilidad. A velocidades de enfriamiento aún más rápidas, y temperaturas detransformación menores, ya no se forma perlita.

En cambio, se forma bainita y su estructura tiene una forma de pluma de finasagujas de carburo en una matriz ferrítica..La bainita tiene una resistencia y dureza significativamente superior y menorductilidad, siendo muy difícil de ver bajo el microscopio.

Con un enfriamiento muy rápido, o temple, no hay tiempo suficiente para queocurra la difusión. En consecuencia, algo de carbón queda atrapado en la red.

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Si la velocidad de enfriamiento es suficientemente rápida y la cantidad de carbonopresente es suficientemente alta, se formará la martensita.

La formación de martensita es un proceso de falta de difusión (la velocidad deenfriamiento es tan rápida que los átomos no tienen tiempo de desplazarse). Latransformación de austenita a martensita se da a causa de una acción tipo corte(shear type) o mecánica.

La estructura cristalina resultante se conoce como una estructura tetragonal decuerpo centrado, que simplemente es una distorsión de la estructura cúbica decuerpo centrado en una rectangular.

Debido a la presencia de esta forma de red distorsionada, la estructuramartensítica exhibe una energía interna más elevada o deformación que da comoresultado una resistencia a la tracción y dureza extremadamente altas.

Sin embargo, la martensita tiene como características baja ductilidad y tenacidad.

Figura 8.1.4. – Martensita por temple – Mostrando Estructura Acicular (500X).

La Figura 8.1.4. muestra la aparición de martensita con gran ampliación (500X).

Para mejorar la ductilidad y la tenacidad sin una disminución significativa de ladureza y la resistencia a la tracción de la martensita, se emplea el procesoconocido como ‘revenido’.

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Este tratamiento térmico consiste en recalentar la estructura martensítica deltemple a alguna temperatura por debajo de la temperatura más baja detransformación (722 °C [1333 °F]).

Esto permite al material templado solamente, de estructura martensítica inestablepasar a ser martensita revenida permitiendo al carbono precipitar en forma departículas reducidas de carburo.

Mediante la elección del tiempo de revenido y temperaturas adecuadas, sepueden controlar la resistencia y ductilidad deseada.

Mayores temperaturas de revenido logran propiedades más blandas y dúctiles.

El tratamiento térmico de temple y revenido se usa frecuentemente para mejorarlas propiedades de los aceros con requerimientos mecánicos, debido quedesarrollan altas fluencia y a resistencia la tracción, altas relaciones resistencia defluencia/tracción y tenacidad a la entalla mejorada comparando con laspropiedades del laminado, recocido o normalizados.

En la Figura 8.1.5. se puede observar un ejemplo de los efectos de distintastemperaturas de revenido para una aleación de acero particular.

Figura 8.1.5. - Efecto de la Temperatura de Revenido en las Propiedades Mecánicas de unaAleación 12,2% Cr.

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Para ayudar en la determinación de que constituyentes microestructurales daráncomo resultado velocidades de enfriamiento más rápidas.

El metalurgista usa otro diagrama que se conoce como diagrama TTT, o TiempoTemperatura - Transformación.

También son llamados diagramas de transformación isotérmica (ITT). Como loimplica el nombre, describe los productos microestructurales que ocurren luego detiempos específicos a una temperatura particular para una composición particulardel acero.

Un diagrama similar, el CCT, o diagrama de Transformación a EnfriamientoConstante, muestra los cambios que ocurren durante un enfriamiento continuodesde el rango austenítico.

Estos dos tipos de diagramas se superponen como se muestra en la Figura 8.1.6,que grafica las características del enfriamiento continuo y la transformaciónisotérmica de un acero tipo 8630.

Figura 8.1.6 - Diagrama de Enfriamiento Continuó y Transformación Isotérmica para Acerotipo 8630

Este diagrama muestra a los productos microestructurales como una función tantode la temperatura como el tiempo.

Se muestran distintas velocidades de enfriamiento para ilustrar el uso deldiagrama.

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Los productos de la transformación resultante dependen de las regiones a travésde las cuales pasan las curvas de enfriamiento y la cantidad de tiempo que lestoma a dichas curvas pasar a través de dichas regiones.

Como ejemplo, la curva “A” sólo pasa por la región austenita a martensita,entonces la estructura resultante es 100% martensita.

Una velocidad de enfriamiento menor caracterizada por la curva “D” muestra quelos componentes microestructurales serán principalmente ferrita con sólocantidades menores de bainita y martensita.

Debido a que la martensita sólo puede transformarse desde la austenita, cualquieraustenita que se transforma en ferrita o bainita no puede transformarse enmartensita.

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IX. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

9.1. TRATAMIENTO TÉRMICO.

El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamientopara efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican suspropiedades mecánicas.

El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unaspropiedades específicas adecuadas para su conformación o uso final.

No modifican la composición química de los materiales, pero si otros factores talescomo los constituyentes estructurales y la granulometría, y como consecuencia laspropiedades mecánicas.

Se pueden realizar Tratamientos Térmicos sobre una parte ó la totalidad de lapieza en uno ó varios pasos de la secuencia de manufactura.

En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado(recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más fácilmente mientras seencuentra caliente).

En otros casos, se usa para aliviar los efectos del endurecimiento pordeformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia demanufactura para lograr resistencia y dureza.

9.2. ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO.

Un tratamiento térmico consta de tres etapas que se presentan a continuación:

Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevación de temperatura debeser uniforme en la pieza.

Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformación delconstituyente estructural de partida. Puede considerarse suficiente unapermanencia de unos 2 minutos por milímetro de espesor.

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Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado enfunción del tipo de tratamiento que se realice.

Como Soldador, una de sus acciones a realizar puede ser controlar dichasoperaciones de tratamiento térmico para asegurar que se observan losrequerimientos de tiempo y temperatura.

Los tratamientos térmicos básicos, incluyen recocido, normalizado, temple,revenido, precalentamiento, postcalentamiento, y alivio de tensiones térmico.

9.3 EL RECOCIDO.

Es un tratamiento térmico que normalmente consiste en calentar un materialmetálico a temperatura elevada durante largo tiempo, con objeto de bajar ladensidad de dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad.

El Recocido se realiza principalmente para:

Alterar la estructura del material para obtener las propiedades mecánicasdeseadas, ablandando el metal y mejorando su maquinabilidad.

Recristalizar los metales trabajados en frío. Aliviar los esfuerzos residuales.

Las operaciones de Recocido se ejecutan algunas veces con el único propósito dealiviar los esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causadas por los procesosde formado previo.

Este tratamiento es conocido como Recocido para Alivio de Esfuerzos, el cualayuda a reducir la distorsión y las variaciones dimensiónales que pueden resultarde otra manera en las partes que fueron sometidas a esfuerzos.

Se debe tener en cuenta que el Recocido no proporciona generalmente lascaracterísticas más adecuadas para la utilización del acero. Por lo general, almaterial se le realiza un tratamiento posterior con el objetivo de obtener lascaracterísticas óptimas deseadas.

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9.4. EL NORMALIZADO.

También ablanda el metal, pero no en una forma tan significativa como elrecocido. Se lo considera como un tratamiento térmico de “homogeneización”haciendo la estructura del metal muy uniforme a través de la sección transversal.

El tratamiento de normalizado se inicia elevando la temperatura del metal hasta elrango austenítico, manteniéndolo por un período corto de tiempo, y permitiendoluego el enfriamiento lento en aire calmo.

Este enfriamiento es más rápido que el enfriamiento en horno, entonces laspropiedades resultantes incluyen una dureza y resistencia ligeramente superior yposiblemente una ductilidad menor comparando con el recocido.

Los aceros al carbono y de baja aleación normalizados son normalmente fácilesde soldar.

9.5. EL TEMPLE.

Difiere del recocido y el normalizado en que las propiedades mecánicasresultantes muestran una dureza y resistencia, significativamente incrementadas yuna baja en la ductilidad.

Este tratamiento de endurecimiento se realiza elevando la temperatura del metalhasta el rango austenítico, manteniéndolo por un cierto tiempo, y enfriándolorápidamente hasta temperatura ambiente mediante la inmersión de la pieza en unmedio de temple, tal como agua, aceite o sales disueltas en agua.

El temple se realiza para producir principalmente estructura martensítica que tienecaracterísticamente alta dureza y resistencia, y baja ductilidad.

Para mejorar la ductilidad sin una degradación significativa de las característicasde resistencia, normalmente se realiza un tratamiento de revenido.

9.6. REVENIDO.

Para revenir, el metal es calentado nuevamente a una temperatura por debajo dela temperatura de transformación más baja, mantenido por un corto tiempo para

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permitir que la estructura martensítica altamente tensionada se relaje algo, y luegoes enfriado.

Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos térmicos para la fabricación delacero de Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses(Siglo XII d.C.).

Es posible obtener una dispersión excepcionalmente fina de Fe3C (conocida comomartensita revenida) si primero se templa la austerita para producir martensita, ydespués se realiza el revenido.

Durante el revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir dela martensita.

El tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero. (Ver FiguraNo. 1).

Figura 1. Efecto de la temperatura de revenido sobre las propiedades mecánicas de un aceroSAE 1050

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Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberlerealizado un Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico(o temperatura de recristalización).

Esto es seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando sepretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir almáximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.

Es muy importante aclarar que con la realización del proceso de Revenido no seeliminan los efectos del Temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir ladureza y tensiones internas para lograr de ésta manera aumentar la tenacidad.

9.7. LOS TRATAMIENTOS DE PRECALENTAMIENTO.

Se usan, como se discutió previamente, para disminuir algo la velocidad deenfriamiento del metal base adyacente a la soldadura para permitir la formación deconstituyentes microestructurales distintos de la martensita.

El precalentamiento se aplica previo a la soldadura.

9.8. LOS TRATAMIENTOS DE POSTCALENTAMIENTO.

Se usan para reducir las tensiones residuales y para revenir fases duras, frágilesformadas 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 elprecalentamiento.

El tratamiento térmico a ser discutido finalmente, es el alivio térmico de tensiones,que cae dentro de la categoría de tratamiento de postcalentamiento.

Este se discutió antes como un método de reducir la cantidad de tensionesresiduales que están presentes luego de la soldadura.

El alivio térmico de tensiones se realiza a temperaturas por debajo de la menortemperatura de transformación de 722°C (1333°F).

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Aumentando la temperatura de la soldadura y el metal base gradual yuniformemente, se permite una relajación de los esfuerzos térmicos creados por elcalentamiento localizado de la soldadura.

El alivio de tensiones ocurre debido a que la resistencia del metal se reduce en lamedida que se eleva la temperatura, permitiendo a los esfuerzos residualesrelajarse y una recuperación del metal.

Este tratamiento ayudará a la eliminación de los problemas asociados con ladistorsión.

Hay otros dos aspectos de la metalurgia de la soldadura a ser tratados debido aque también ayudarán a entender los principios físicos involucrados en losdistintos cambios metalúrgicos como son la difusión y la solubilidad en el sólido.

9.9. DIAGRAMA TTT (TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN).

Este tipo de diagrama muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta latransformación de Austenita en varias fases posibles, las cuales pueden ser:

(1) Formas alternativas de Ferrita y Cementita,(2) Martensita.

El tiempo se presenta logarítmicamente a lo largo del eje horizontal y latemperatura en el eje vertical.

Esta curva se interpreta partiendo del tiempo t0 (pocos segundos transcurridos) enla región Austenita y continúa hacia abajo y a la derecha a lo largo de latrayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo.

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Figura 9.9.1. Diagrama TTT para un Acero.

Los tiempos de transformación dependen de la aleación del material.

La Figura No. 9.9.1.- presenta un ejemplo del diagrama TTT para un acero:

Abreviaturas y códigos de la gráfica:

Ps Representa el momento en el cual se produce Perlita gruesa

Pf Representa el momento en el cual se produce Perlita fina.

Ms Representa el momento en el cual se produce Martensita gruesa.

Mf Representa el momento en el cual se produce Martensita fina.

Bs Momento de inicio de la transformación a la Bainita.

Bf Momento de la finalización de la transformación Bainita.

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9.10. TRATAMIENTOS TERMICOS ANTES DURANTE Y DESPUES DE LASOLDADURA.

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9.11. SEGURIDAD DURANTE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS.

Los peligros potenciales durante la realización de los Tratamientos Térmicos sonla Tensión Eléctrica y la alta Temperatura que puede producir quemaduras si laaislación no es apropiada, o si la eventual manipulación durante el periodo de altatemperatura se realiza sin precaución o protección (guantes aislantes).

Si se utiliza el método de la Mampara con calefactores Four-Bank, las tensionesson de 380V a diferencia de 85V utilizadas en calefactores flexibles.

Cuando se utilizan máquinas de soldar como fuentes de energía para TTPS ocilindros de acetileno o gas para el precalentamiento puede consultarse ANSI/ASCZ49.1, Safety in Welding and Cutting. A continuación y en función del tipo detrabajo se evalúan los riesgos potenciales y las acciones de seguridad tomadascon el objeto de eliminarlos o minimizarlos.

DESCRIPCION DEL TRABAJO RIESGO PROTECCION

AMOLADO Y COLOCACION DETC

CHISPASPROYECCION DEVIRUTA

ANTEOJOS DE SEGURIDADANTIPARRASGUANTES

CONECCION380/220V DISYUNTOR DIFERENCIAL

FIJACION DE CALEFACTORES

ALTURA ANDAMIOSCINTURON DE SEGURIDAD

OTRO TRATAMIENTOCERCA GUANTES

AISLACION FIBRA CERAMICAEN EL AIRE

MASCARILLA ANTIPOLVOANTEOJOS DE SEGURIDAD

CONEXIÓN DECALEFACTORES (BAJATENSION, 85 V.)

QUEMADO DECABLESCHISPAS

ALEJAR CABLES DE FUENTES DE CALORSUJETAR CABLES A PUNTOS FIJOS

CONEXIONES ELECTRICAS FIRMESPROTECCION MECANICA DE CABLES

CONEXIÓN DE EQUIPOS ALTATENSION (380/220 V) CHOQUE ELECTRICO

CARTEL DE ADVERTENCIA EN CABLES YEQUIPOSSECCION DE CABLES ADECUADOSCONECCION ADECUADAPROTECCION CONTRA HUMEDADFUSIBLES ADECUADOS

DURANTE EJECUCION DET.T.P.S TEMPERATURA VALLADOS

GUANTES

DESARMADO DE T.T.P.S.

FIBRA EN EL AIRE MASCARILLA ANTI-POLVOANTEOJOS DE SEGURIDAD

ALTURA

VALLADOSCINTURON DE SEGURIDAD

ASCENSO Y DESCENSO DE MATERIALESCON SOGA (NO ARROJAR)

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X. ENSAYOS DE DUREZA.

La dureza es la capacidad del metal para resistir la penetración o la impronta. Ladureza de un metal permite realizar una aproximación sobre el valor de laresistencia a la tracción.

Como consecuencia, los ensayos de dureza son realizados usando un tipo depenetrador el cual es forzado contra la superficie objeto del ensayo. Es medida laprofundidad de la impronta o el diámetro de la penetración, dependiendo del tipode ensayo de dureza realizado.

La dureza puede ser medida usando una variedad de dispositivos electrónicos opor ultrasonido, pero la discusión está limitada a los métodos de impronta.

La dureza de un metal es fácilmente determinada, debido a la gran cantidad demétodos que pueden ser usados para determinarla.

Van a ser tratados tres tipos básicos de ensayos de dureza por penetración,Brinnel, Rockwell y microdureza.

En general, los tres tipos difieren uno de otro en el tamaño de la improntaproducida. El ensayo de Brinell es el más usado, y el de microdureza el menosempleado.

10.1. ENSAYOS DE DUREZA POR PENETRACIÓN.

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10.1.1. ENSAYO DE DUREZA BRINELL (BHN).

El método de Brinell es comúnmente usado para la determinación de la dureza demetal. Es conveniente para este propósito porque la impronta cubre un árearelativamente grande, eliminando los problemas asociados con durezaslocalizadas o puntos blandos en el metal.

Las altas cargas características usadas para el ensayo Brinnel ayudan a reducirlos errores producidos por las irregularidades superficiales. Previo al ensayoBrinell, es necesario prepara adecuadamente la superficie; esto incluye el amoladode la superficie para alcanzar una superficie relativamente plana.

La superficie debe ser lo suficientemente plana para poder medir precisamente lapenetración. Para realizar un ensayo Brinell, un penetrador es forzado contra lasuperficie del objeto de prueba mediante alguna carga preestablecida.

Una vez que la carga es removida, el diámetro de la impronta es medido usandoun magnificador graduado.

Basado en el tamaño y en el tipo de penetrador, la carga aplicada y el diámetroresultante de la impronta, puede ser determinado un número de Dureza Brinell.

Dado que esta es una relación matemática, el número BHN puede serdeterminado con una variedad de tipos de penetradores y cargas.

También este BHN puede ser referido a la resistencia la tracción de los aceros alcarbono.

Esto es, el BHN multiplicado por 500 es aproximadamente igual a la resistencia ala tracción del metal.

Esta relación no se aplica a todas las aleaciones, solamente a los aceros alcarbono y a los de baja aleación.

Un ensayo Brinell común usa una bolilla de acero endurecido de 10 mm dediámetro y una carga de 3000 kg.

De todos modos, las condiciones del ensayo, como dureza y espesor de lamuestra, variaciones en el tipo y diámetro de la bolilla y el valor de la cargaaplicada pueden también ser requeridos.

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Otros tipos de bolillas que pueden ser usados pueden incluir las de 5 mm de aceroendurecido y las de 10 mm de carburo de tungsteno.

Para metales blandos, cargas tan bajas como 500 kg pueden ser utilizadas. Otrascargas entre 500 y 3000 kg también pueden ser utilizadas con resultadosequivalentes.

En pruebas de campo con el método Brinell es común usar un martillo (hammerblow) para hacer las improntas tanto en la pieza a ensayar como en un bloque decalibración de dureza conocida. La dureza de la pieza a ensayar es luegodeterminada comparando el diámetro de su penetración con el diámetro del testde calibración.

El BHN es normalmente determinado midiendo el diámetro de la impronta yleyendo el valor de la dureza de una tabla, ver Figura 10.1.1.1.:

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Figura 10.1.1.1. – Dureza Brinell para distintos diámetros y cargas.

Los pasos usuales para un ensayo Brinell son:1. Preparar la superficie a ensayar.2. Aplicar la carga de prueba.3. Mantener la carga aplicada durante un tiempo preestablecido.4. Medir el diámetro de la impronta.5. Determinar el BHN de una tabla.

Un aspecto importante es notar que en el procedimiento arriba expuesto hay untiempo preestablecido para mantener la carga aplicada.

Diámetro dela impronta

en mm.500

DurezaBrinell

Carga kg.1500

3000Diámetro dela impronta

en mm.500

DurezaBrinell

Carga kg.1500

3000

2.45 104 314 627 4.45 30.5 91.5 1832.50 100 301 601 4.50 29.8 89.5 1792.55 96.3 289 578 4.55 29.1 87.0 1742.60 92.6 278 555 4.60 28.4 85.0 1702.65 89.0 267 534 4.65 27.8 83.5 1672.70 85.7 257 514 4.70 27.1 81.5 1632.75 82.6 248 495 4.75 26.5 79.5 1592.80 79.6 239 477 4.80 25.9 78.0 1562.85 76.8 231 461 4.85 25.4 76.0 1522.90 74.1 222 444 4.90 24.8 74.5 1492.95 71.5 215 429 4.95 24.3 73.0 1463.00 69.1 208 415 5.00 23.8 71.5 1433.05 66.8 201 401 5.05 23.3 70.0 1403.10 64.6 194 388 5.10 22.8 68.5 1373.15 62.5 188 375 5.15 22.3 67.0 1343.20 60.5 182 363 5.20 21.8 65.5 1313.25 58.6 176 353 5.25 21.4 64.0 1283.30 56.8 171 341 5.30 20.9 63.0 1263.35 55.1 166 331 5.35 20.5 61.5 1233.40 53.4 161 321 5.40 20.1 60.5 1213.45 51.8 156 311 5.45 19.7 59.0 1183.50 50.3 151 302 5.50 19.3 58.0 1163.55 48.9 147 293 5.55 18.9 57.0 1143.60 47.5 143 285 5.60 18.6 55.5 1113.65 46.1 139 277 5.65 18.2 54.5 1093.70 44.9 135 269 5.70 17.8 53.5 1073.75 43.6 131 262 5.75 17.5 52.5 1053.80 42.4 128 255 5.80 17.2 51.5 1033.85 41.3 124 248 5.85 16.8 50.5 1013.90 40.2 121 241 5.90 16.5 49.6 99.23.95 39.1 118 235 5.95 16.2 48.7 97.34.00 38.1 115 229 6.00 15.9 47.8 95.54.05 37.1 112 223 6.05 15.6 46.9 93.74.10 36.2 109 217 6.10 15.3 46.0 92.04.15 35.3 106 212 6.15 15.1 45.2 90.34.20 34.4 104 207 6.20 14.8 44.4 88.74.25 33.6 101 201 6.25 14.5 43.6 87.14.30 32.8 98.5 197 6.30 14.2 42.8 85.54.35 32.0 96.0 192 6.35 14.0 42.0 84.04.40 31.2 93.5 187 6.40 13.7 41.3 82.5

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Para el hierro y el acero, este será de 10 a 15 segundos. Para metales másblandos se requieren tiempos de 30 segundos.

Cuando se usan modelos portátiles, el tiempo de aplicación de la carga essimulado manteniendo la carga hidráulica una vez que la carga ha sido alcanzada.Otros equipos de prueba pueden requerir un impacto.

Es evidente que por este procedimiento, lo fácil de aplicar que puede ser elmétodo Brinell. Aún con su simplicidad, los resultados de este ensayo puedenresultar precisos, si todos los pasos fueron ejecutados con suficiente cuidado.

Para información adicional concerniente al ensayo Brinell, refiérase a la normaASTM E10, Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. Muy amenudo, hay una necesidad para ensayar objetos demasiados grandes para sercolocados en una máquina de medición Brinell.

En estos casos, una máquina portátil de ensayo puede ser usada. Hay unavariedad de tipos y configuraciones, pero básicamente la forma de realizar elensayo es la misma.

10.1.2.-ENSAYO DE DUREZA ROCWELL (HR).

El próximo tipo de ensayo a discutir es el método Rockwell. Este tipo abarcanumerosas variaciones de la principal pero usa penetradores de distintosdiámetros.

Los penetradores usados son diamante Brale, y bolillas de acero endurecido dediámetros 1/16, 1/8, ¼ y ½. mostrados en la figura 10.1.2.1.

El ensayo Rockwell deja penetraciones más pequeñas que las del Brinell. Estopermite realizar ensayos en área relativamente pequeñas.

Figura 10.1.2.1. Penetrador de diamante Rockwell.

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Usando uno de estos penetradores, varias cargas pueden ser aplicadas paraensayar a la mayoría de los materiales.

Las cargas aplicadas son mucho más bajas que aquellas usadas para el ensayoBrinell, con rangos que van de los 60 a l50 kg.

También hay un grupo de ensayos Rockwell denominados superficiales.

Estos son principalmente usados para determinar la dureza de muestras deespesor delgado y de alambres; por eso las cargas aplicadas sonsignificativamente más bajas que aquellas usadas para otro tipo de ensayosRockwell.

Igual que en el ensayo Brinell, la superficie a ensayar debe estar apropiadamentepreparada previo a la aplicación de un ensayo Rockwell.

La buena técnica es imperativa para realizar un ensayo de dureza preciso.

Una vez que la muestra es preparada, debe ser seleccionada la escala correctabasándose en el rango aproximado de dureza esperada. En este tipo de ensayostenemos tres escalas de dureza.

Las escalas “A”, “B” y “C”, las dos últimas son por mucho, las más comúnmenteusadas para acero:

La escala “B” elegida para las aleaciones más blandas. La escala “C” para las más duras.

Cuando se está en duda sobre qué escala elegir para una aleación desconocida,puede elegirse la escala “A” porque incluye un rango de dureza que cubre a lasescalas “B” y “C”.

Han sido preparadas tablas para la conversión de la información de dureza de unaescala en otra.

Una vez que la escala apropiada haya sido seleccionada, y la unidad de pruebacalibrada, el objeto a ensayar es colocada en el soporte de la máquina de ensayosRockwell.

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El soporte puede ser de varias formas dependiendo de la forma de la pieza aensayar. El objeto debe ser ajustado adecuadamente o los resultados del ensayovan a resultar erróneos.

El método Rockwell se basa en la medición extremadamente precisa de laprofundidad de la penetración.

Por eso si el objeto no está adecuadamente ajustado, la medición puede serimprecisa. Una variación de tan solo 0.00008 in. va a resultar en un cambio delnúmero Rockwell.

El comparador hace la medición de la profundidad automáticamente. Sin tener encuenta la escala a ser usada, los pasos básicos son esencialmente los mismos.

Éstos son enumerados abajo:

1) Preparar la superficie a ensayar.2) Colocar el objeto a ensayar en la máquina Rockwell.3) Aplicar la (precarga) carga menor usando el tornillo de ajuste.4) Aplicar la carga mayor.5) Liberar la carga mayor.6) Leer el dial.7) Liberar la carga menor y sacar la pieza a ensayar.

Así también se tienen los tiempos estimados de penetración en el siguiente cuadrode acuerdo a los metales.

MATERIAL TIEMPO

HIERRO Y ACERO 10 a 30 seg.COBRE, BRONCES Y LATON 30 seg.ALEACIONES LIGERAS 60 a 120 seg.ESTAÑO Y PLOMO 120 seg.MATERIALES MUY BLANDOS 120 seg.

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Figura 10.1.2.2. – Pasos involucrados en la realización del ensayo Rockwell.

La precarga es usada para tomar cualquier pérdida o falta fuera del sistema,mejorando la precisión del ensayo. La figura 10.1.2.2. muestra gráficamente cadauno de estos pasos. La figura 10.1.2.3. muestra cómo se relacionan los valores delos ensayos Brinell, Rockwell y de la resistencia a la tracción.

Para más información respecto al ensayo Rockwell, referiérase a la Norma ASTME18, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell SuperficialHardness of Metallic Materials.

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BRINELLVICKERS O

PRIMERDIAMETRO

ROCKWELL

SHORESCLEROSCOPE

RESISTENCIA ALA TRACCION

X 1000 psi

Diámetro enmm. Carga

200KgBolilla 10mm.

Numero dedureza

CCarga 150 Kg.

Cono deDiamante 120°

BCarga 100Kg.Bolilla 1/16”

2.052.102.152.202.25

898857817780745

---------

11501050

---------7068

---------------

---------

106110

440420401384369

2.302.352.402.452.50

712682653627601

990885820765717

6564606258

---------------

9591878481

352337324311299

2.552.602.652.702.75

578555534514485

675593588567540

5756535250

---120119118117

7875727067

287275265256247

2.802.852.902.953.00

477461444429415

515494472454437

4947464544

117116115115114

6563615957

239229220212204

3.053.103.153.203.25

401388375363352

420404389375363

4241403837

113112112110110

5654525149

196189182175170

3.303.5

3.403.453.50

341331321311302

350339327316305

3635343332

109109108108107

4846454443

165160155150145

3.553.603.653.703.75

293285277269262

296287279270263

3130292826

106105104104103

4240393837

142138134131128

3.803.853.903.954.00

255248241235229

256248241235229

2524232221

1021021009998

3736353433

125122119115113

4.054.104.154.204.25

223217212207202

223217212207202

2018171615

9795959594

3231313030

11010710410199

4.304.354.404.454.50

197192187183179

197192187183179

13121098

9392919089

2928282727

9795939189

4.554.604.654.704.75

174170165163159

174170166163159

75432

8887858584

2626252524

8785838280

4.804.854.904.955.00

156153149146143

158153149145143

1------------

8382818079

2423232222

7878757472

Figura 10.1.2.3. – Tabla de conversión de dureza.

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Como en el ensayo Brinell, también hay equipos portátiles los cuáles pueden serusados para determinar la dureza HR. Su operación puede variar ligeramente deaquellos comparadores, los resultados van a ser equivalentes. El siguiente gráficonos muestra las escalas y las aplicaciones de este ensayo, Figura 10.1.2.4.:

ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL

ESC.DESIG.

TIPO DEPRUEBA

TIPO Y TAMAÑO DELPENETRADOR

CARGAMENORKg.

CARGAMAYORKg.

ESCALA DELCOMPARADOR

APLICACIONESCOLOR

COLOCACION

A Normal Cono dediamante 10 60 Negr

o FueraAceros nitrurados, flejesestirados en frio, hojas deafeitar, carburos metálicos de(90a98)

B Normal Bola de 1/16” 10 100 Rojo Dentro Aceros al carbono recocidosde bajo contenido de carbono

C Normal Cono dediamante 10 150 Negr

o FueraAceros duros dureza superiora 100HRc o 20HRb

D Normal Cono dediamante 10 100

Negro Fuera

Aceros cementados

E Normal Bola de 1/8” 10 100 Rojo Dentro Materiales blandos comoantifricción y piezas fundidas

F Normal Bola de 1/16” 10 60 Rojo Dentro Bronce recocido

G Normal Bola de 1/16” 10 150 Rojo Dentro Bronce fosforoso y otrosmetales

H Normal Bola de 1/8” 10 60 Rojo DentroMetales blandos con pocahomogeneidad, fundición dehierro

K Normal Bola de 1/8” 10 150 Rojo DentroMetales duros con pocahomogeneidad, fundición dehierro

L Normal Bola de 1/4” 10 60 Rojo DentroMetales duros con pocahomogeneidad, fundición dehierro

M Normal Bola de 1/4” 10 100 Rojo DentroMetales duros con pocahomogeneidad, fundición dehierro

P Normal Bola de 1/4” 10 150 Rojo DentroMetales duros con pocahomogeneidad, fundición dehierro

R Normal Bola de 1/2” 10 60 Rojo Dentro Metales muy blandos

S Normal Bola de 1/2” 10 100 Rojo Dentro Metales muy blandos

V Normal Bola de 1/2” 10 150 Rojo Dentro Metales muy blandos

15-N Superficial Cono dediamante 3 15 Rojo Dentro

Aceros nitrurados,cementados y herramientasde gran dureza

30-N Superficial Cono dediamante 3 30 Rojo Dentro

Aceros nitrurados,cementados y herramientasde gran dureza

45-N Superficial Cono dediamante 3 45 Rojo Dentro

Aceros nitrurados,cementados y herramientasde gran dureza

15-T Superficial Bola de 1/16” 3 15 Rojo Dentro Bronce, latón y acero blando

30-T Superficial Bola de 1/16” 3 30 Rojo Dentro Bronce, latón y acero blando

45-T Superficial Bola de 1/16” 3 45 Rojo Dentro Bronce, latón y acero blando

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En este cuadro vemos el esquema de los ensayos HR A y C, Figura 10.1.2.5.:

N° ROCKWELL A ROCKWELL C

1 Angulo de la punta del diamante= 120° Angulo de la punta del diamante =120°

2 Radio de redondeo de la punta delcono = 0.2 mm.

Radio de redondeo de la punta delcono = 0.2 mm.

3 Po Carga previa = 10 Kg. Carga previa = 10 Kg.

4 P1 Carga adicional = 50 Kg. Carga adicional = 140 Kg.

5 P Carga Total = 60 Kg. (P=Po+P1) Carga Total = 150 Kg. (P=Po+P1)

6 Penetración de la carga previa (puntode partida de la medición)

Penetración de la carga previa(punto de partida de la medición)

7 Penetración total actuando la cargaadicional

Penetración total actuando la cargaadicional

8 e Penetración permanente después dequitar la carga adicional

Penetración permanente despuésde quitar la carga adicional

9 HR Dureza rockwell A = 100 – e (HRa) Dureza rockwell C = 100 – e (HRc)

10.1.3. ENSAYO DE MICRODUREZA.

El próximo tipo de ensayo de dureza a ser discutido es conocido comomicrodureza. Lleva este nombre porque su impronta es tan pequeña que esrequerido un gran aumento para facilitar la medición.

Los ensayos de microdureza son muy útiles en la investigación de lasmicroestructuras de los metales, porque ellos pueden ser realizados sobre ungrano del metal para determinar la dureza en esa región microscópica.

Por eso, el metalurgista es el principal interesado en este tipo de ensayo dedureza. Hay dos grandes tipos de ensayos de microdureza, Vickers y Knoop.

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Ambos usan penetradores de diamante, pero sus configuraciones son ligeramentediferentes. En la figura 10.1.3.1, son mostrados los dos tipos de penetraciones.

Figura 10.1.3.1. – Improntas de microdureza.

10.1.3.1. ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS.

Se deriva directamente del método Brinell, fue introducido en 1925 y se empleamucho sobre todo para piezas delgadas y templadas, con espesores mínimoshasta de 0,2 mm. Si P es la carga aplicada, y S la superficie de la huella, la durezaVickers será:

HV = P / SObteniéndose finalmente:

HV = 1,854 P/d2

Es semejante a la de Brinell o sea su valor depende de la carga aplicada y de lasuperficie de la impronta o huella. Las cargas varían de 1 a 120 kgf y el penetradores una punta de diamante con forma piramidal.

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Las más comunes son 30 y 50 kgf. (Hv30 y HV50)

10.1.4. PRINCIPALES APLICACIONES DE DIVERSOS PROCEDIMIENTOS DE

ENSAYOS DE DUREZA.

Ensayo de Dureza BrinellAplicación para la determinaciónde materiales blandos ysemiduros, tales como metalesligeros, metales pesados noférreos, fundición y acero recocidoy bonificado

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Ensayo de Dureza RockwellAplicación al ensayo demateriales duros como elacero templado.

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BIBLIOGRAFÍA

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5. PRACTICAS DE MACRO – por ESC. DE INGENIERIA MECANICA

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8. METALURGIA PARA SOLD. por Ing. William Mendoza.

9. INSPECTOR DE SOLD. por INSTITUTO CHILENO DE SOLD.

10.INSPECCION VISUAL NIVEL

I NIVEL II por NP-123-456-304.

11.PROCESOS FUNDAMENTALES por AMERICAN WELDING SOCIETY

DE LA SOLDADURA AWS

12.METALURGIA por FOSCA PUCP

13.ENSAYOS DESTRUCTIVOS por TECSUP

14.TRATAMIENTO TERMICO DE

SOLDADURA por Ing. Sergio Laufgang

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