El diagrama de aleación hierro-carbono es un tipo de diagrama de equilibrio que nos permite conocer el tipo de acero que se va a conseguir en función de la temperatura y la concentración de carbono que tenga presente.En este diagrama también están indicados aspectos tales como la solubilidad del carbono en cada forma alotrópica del hierro. Como vimos, el hierro fundido, al enfriarse cambia de la fase líquida a la sólida. Los mecanismos de este cambio son dos: la nucleación de partículas pequeñas de la fase nueva y el crecimiento con el aumento del tamaño de los núcleos.

Los cristales de hierro lo hacen primeramente como hierro delta y al proseguir el enfriamiento se transforman en austenita, cuyas transformaciones sucesivas resultan de gran importancia práctica. La austenita puede mantener en solución sólida hasta un 2,06 % de carbono. Existen temperaturas por debajo de las cuales la austenita ya no es estable y tiende a descomponerse en fases que sí lo son. Estas fases son la ferrita (que no puede tener en solución más de 0,02 % de carbono) y la

cementita (compuesto inter metálico con 6,67 % de carbono). Si el enfriamiento es lento, de manera que permita la difusión del carbono a regiones en los que las concentraciones locales sean de 0,02% a 6,67%, la transformación será a ferrita y a cementita y se formará un constituyente mezcla de ambas fases denominado perlita.Si por el contrario el enfriamiento hasta temperaturas cercanas al ambiente es tan rápido que el carbono no puede difundir (como sucede en los tratamientos térmicos de temple) la fase resultante será la martensita, que tiene una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura es meta estable y muy dura y muy frágil.La austenita también puede transformarse en bainita si es enfriada y mantenida durante un lapso a una temperatura constante, de unos 200 a 450°C aproximadamente. Curvas T.T.T.:Transformaciones en estado sólido.Desde que se forma el sólido hasta que es utilizado a temperatura ambiente (o en su entorno), ocurren diversos procesos dentro del material ocasionados por la difusión atómica. La velocidad de este proceso es función de los defectos estructurales. Las curvas TTT (tiempo-temperatura-transformación) son las empleadas para el estudio de los cambios que ocurren el material En la gráfica se explican un poco que ocurre en un diagrama Fe-Carbono.Si se grafica en coordenadas temperatura vs. Logaritmo de tiempo se obtiene el llamado diagrama TTT – tiempo, temperatura, transformación - ó diagrama isotérmico ó curvas C, cuando la temperatura se baja rápidamente.Estos diagramas muestran la temperatura y el tiempo en que inicia (0%) y finaliza el 100 % de la transformación de la austenita del acero en perlita, luego en bainita y finalmente en martensita. Complementan, de alguna manera, el diagrama Fe-C de equilibrio termodinámico, o enfriamiento lento.Como ya señaláramos, estos diagramas se alteran según la composición de los elementos de aleación del acero.

Los aceros no aleados tienen una baja capacidad de templabilidad, El temple solo puede realizarse por un enfriamiento muy enérgico. A medida que agregamos elementos de aleación, el temple puede efectuarse por enfriamiento moderado, lo que permite decir que estos aceros tienen elevado poder de temple.A fin de evitar los problemas de fragilidad se somete a los aceros a un tratamiento de revenido, que va acompañado por la pérdida de dureza. El revenido consiste en someter a la pieza a un calentamiento lento, manutención durante un tiempo a la temperatura con la finalidad de homogeneizar las estructuras interiores y enfriado calmo.Las temperaturas a las cuales se realizan los revenidos son variables, dando lugar a distintos grados de pérdidas de dureza.Las Curvas TTT y su aplicación en la soldadura:Para un dado material base, podemos predecir al estructura resultante en base al calor aportado, el espesor y la temperatura de precalentamiento, determinando la velocidad de enfriamiento de una junta soldada. Si superponemos la curva de enfriamiento continuo al diagrama TTT del acero a utilizar, podemos determinar en primera aproximación cuáles serán las estructuras metalográficas y sus propiedades mecánicas esperadas. En la soldadura de los aceros es importante que las transformaciones resulten en obtener estructuras perlíticas o bainíticas completas, evitando la formación de martensita, que como hemos visto, resulta dura y frágil, propensa a la fisuración.

Influencia de los elementos de aleación:Los elementos de aleación en los aceros influyen en sus propiedades y en su comportamiento en procesos tales como la soldadura y los tratamientos térmicos.

En la gráfica superior se explica un poco que ocurre en un diagrama Fe-Carbono.Partiendo de la Austenita estable, bajamos a una temperatura de casi 700 ºC y la mantenemos, pasaremos de una austenita inestable a Perlita. De esta primera gráfica, es importante observar la línea verde que nos indica la velocidad de enfriamiento. Según sea, tendremos como resultado Perlita o Bainita.

Metalurgia: La metalurgia es la técnica de la obtención y tratamiento de los metales a partir de minerales metálicos. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos.

La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos o más piezas de un material, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo, se puede agregar un material de aporte (metal

o plástico), que, al fundirse, forma un charco de material fundido entre las piezas a soldar (el baño de soldadura) y, al enfriarse, se convierte en una unión fija a la que se le denomina cordón.

Principios basicos de la soldadura:Los metales en estado sólido, están formados por un conjunto de cristales denominados granos, que tienen diferentes formas y tamaños según los elementos químicos que lo componen, la forma de fabricación del material: Fundido, laminado, forjado, y los tratamientos térmicos de templado, revenidos, etc. a que fue sometido.Las propiedades de los metales dependen justamente de esos tres factores, composición, método de fabricación y tratamientos térmicos.Se denomina acero a una aleación de hierro y carbono hasta 1.7% en peso, que puede o no tener agregados de otros elementos de aleación, tal como el manganeso, silicio e impurezas como el azufre y fósforo.

Características fundamentales de los aceros provocan que existan un amplio rango de propiedades y comportamientos posibles:

a) El hierro y la mayoría de sus aleaciones, al ser calentados o enfriados a determinadas temperaturas sufren transformaciones alotrópicas (cambios en la estructura cristalina). Esta transformación es la razón por la que un acero puede ser tratado térmicamente y obtener en el una gran variedad de propiedades físicas;

b) Cambios en los contenidos de los elementos de aleación presentes en los aceros, causan grandes cambios en las propiedades, físicas, químicas y mecánicas.

c) Fases presentes en los aceros y sus transformaciones: Las transformaciones alotrópicas que presenta el hierro dependen de las temperaturas a las que se encuentre, estas transformaciones están representadas en una curva de enfriamiento. Hasta la temperatura de 768C, el hierro presenta una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo llamada hierro alfa o ferrita y es magnético. De 910 a 1400C, la estructura del hierro es cúbica centrada en las caras. Esta estructura recibe el nombre de austenita o hierro gamma, y es no magnética. Arriba de los 1400C, y hasta 1536C, temperatura de fusión, la estructura es nuevamente cúbica centrada en el cuerpo y se llama hierro delta.

Ferrita: Nombre que recibe el hierro alfa en metalurgia. Cristaliza en el sistema cúbico y se emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario; en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, cinc o manganeso.

Austenita: Forma alotrópica del acero en la que los átomos de hierro forman un sistema cúbico centrado en las caras. Es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 a 1400 ºC. Está formada por una disolución sólida del carbono de hierro con un porcentaje máximo de C del 2%. Es ductil, blanda y tenaz.

Cementita: También llamada carburo de hierro, la cementita se produce en el acero por efecto del exceso de carbono sobre el límite de solubilidad. Su composición química es Fe3C y su estructura cristalina es de tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.La cementita es muy dura y frágil y, por lo tanto, no se puede utilizar para operaciones de laminado o forja.

Azufre: generalmente presente como impureza, debido a que forma compuestos de bajo punto de fusión, sulfuro de hierro. Es indeseable para los procesos de soldadura. En contenidos mayores a

0,05% causa fragilización en caliente y reduce la soldabilidad. Se presenta como elementos de aleación principal en aceros de maquinado rápido, resulfurados.

Fósforo: Generalmente presente como impureza. Es indeseable para los procesos de soldadura. En contenidos mayores a 0,04% causa fragilización en frío. Se presenta como elemento de aleación principal en los aceros de maquinado rápido, re fosforados.

Silicio: Se emplea como desoxidante en aceros de bajo carbono por la formación de dióxido de silicio. Se disuelve en el hierro y aumenta la resistencia mecánica y la tenacidad.

Manganeso: Elemento soluble en hierro, mejora las propiedades mecánicas disminuye los efectos del azufre debido a la formación preferencial de sus compuestos (sulfuro de manganeso) en contenidos mayores a 1 % reduce la soldabilidad,

Cromo: Parcialmente soluble en hierro, tiende a retener la fase ferrita. En aceros de media aleación, hasta un 9%, aumenta la resistencia a la oxidación, la templabilidad y la resistencia mecánica a altas temperaturas, reduce la soldabilidad. En contenidos mayores a 12% aumenta la resistencia a la oxidación y corrosión en tal grado que forma la familia de los aceros inoxidables.

Molibdeno: Generalmente presente en contenidos no mayores al 1%. Aumenta la templabilidad y la resistencia a la corrosión, afina el grano e incrementa la soldabilidad.

Níquel: En los aceros de baja aleación aumenta la tenacidad y disminuye la templabilidad. En los aceros inoxidables (contenidos mayores al 12% de Cr) se adiciona de un 8 a 35 % y retiene la fase austenita. Mejora la soldabilidad.

Aluminio: Es utilizado como desoxidante, afina el grano mejorando la tenacidad, mejora la soldabilidad.

Gases disueltos: El hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno se disuelven en el hierro fundido y si no son eliminados generalmente lo fragilizan.

Fenomenos que ocurren durante la soldadura: En las operaciones de soldadura por fusión con o sin metal de aporte suceden los siguientes fenómenos:

a) Calentamiento local rápido de los metales base y de aporte.

b) Formación de una zona de metal fundido donde por lo menos en una parte proviene del metal base.

c) Enfriamiento rápido del conjunto metal base y soldadura.

d) Gradiente de la temperatura de enfriamiento de la zona fundida y adyacente.

Las características del ciclo térmico y la cantidad de metal que se funden dependen de numerosos factores geométricos y tecnológicos e influyen en la estructura metalúrgica, en las propiedades mecánicas y en la sanidad de la unión soldada.

La temperatura máxima alcanzada, la extensión de la zona del metal calentada (zona afectada térmicamente – ZAT), la velocidad de solidificación del metal fundido y la velocidad de

enfriamiento dependen principalmente del calor aportado durante la soldadura, de la temperatura de precalentamiento inicial del metal base, del espesor y la geometría de la junta.

Zonas importantes en la soldadura:

a) La zona de metal fundido de granos columnares, esta zona presenta una estructura de grano fino, generalmente columnar, y similar a la estructuras típicas de fundición, que resulta menos dúctil y más dura y resistente que el metal base.

b) La zona de metal transformado, o zona térmicamente afectada, adyacente a la soldadura, de re cristalización del metal, con granos equiaxiales, esta zona afectada térmicamente, presenta distintas sub zonas, fundamentalmente una zona de granos crecidos en el límite de la línea de fusión y una zona de granos transformados, equiaxiales a medida que nos alejamos de la línea de fusión.

c) La zona de metal base que no fue calentada suficientemente para producir cambios estructurales en ella, que mantiene la estructura producto de la deformación en frío, de granos alargados.

Las características de éstas zonas varía dependiendo de la composición química del metal base, y las propiedades se ajustan en función de dicha composición química y la velocidad de enfriamiento ó curva de temple, dando lugar a la formación de fases que tienden a ser martensíticas.

Ciclo térmicos:En términos generales, al aumentar el calor aportado y la temperatura de precalentamiento se incrementan la extensión de la ZAT, la temperatura alcanzada y se disminuye la velocidad de solidificación y el enfriamiento. Asimismo, al aumentar el espesor del metal base, la velocidad de enfriamiento se incrementa.

Las características del ciclo térmico, principalmente la velocidad de solidificación del metal de aporte y la velocidad de enfriamiento del conjunto, influyen en la estructura metalúrgica del conjunto, el cual altera las propiedades mecánicas.

Algunos de los efectos del ciclo térmico durante la soldadura son:

• Las tensiones residuales del calentamiento localizado que pueden resultar en deformaciones y distorsiones,

• Una reducción de la ductilidad o el endurecimiento en la zona afectada térmicamente puede provocar agrietamiento o fragilidad de la unión soldada,

• Se reduce la tenacidad de la junta, principalmente en la ZAT,

• En materiales templados y revenidos, disminuye la resistencia mecánica en la ZAT,

Estos efectos pueden ser de mayor o menor intensidad, dependiendo del material que se suelda, y de las velocidades de solidificación y enfriamiento de la unión.

El tiempo de solidificación afecta directamente la estructura del metal de soldadura. A mayor tiempo, la estructura es más gruesa. Esto es importante, ya que en la mayoría de los metales, la resistencia mecánica, la ductilidad, la tenacidad y la respuesta al tratamiento térmico se ven afectadas desfavorablemente por una estructura dendrítica gruesa.

Fisuración en la soldadura: El proceso de soldadura puede ser una fuente de dificultades a fin de obtener soldaduras libres de fallas, la más común de las cuales es la fisuración, siguiéndole la ocurrencia de porosidad, falta de fusión, fallas de raíz, etc.

La fisuración de la soldadura puede ser debida, además de los problemas de templabilidad, a los siguientes factores:

• Diseño del cordón de soldadura: Una inapropiada relación entre ancho y profundidad puede dar lugar a la rotura.• Un electrodo con contenido de humedad en exceso, hace propensa la fisuración debajo del cordón• Un inadecuado precalentamiento, que no alcanza a evitar el temple.• Una unión con elevada restricción al movimiento.• El uso de aporte con baja ductilidad.• Un acero con alto contenido de inclusiones no metálicas.

Deformación plástica en aceros y fracturas: La fractura es la separación de un cuerpo sólido en dos ó más partes bajo la acción de una tensión y se puede considerar como resultado de la acción de dos procesos, la iniciación uy la propagación de grietas.

Se definen dos tipos de fractura, la fractura dúctil, que se caracteriza por una apreciable deformación plástica antes y durante la propagación de grietas y la fractura frágil que se caracteriza por una rápida propagación sin deformación aparente.

En el caso de los aceros, el comportamiento de los aceros destinados a la construcción soldada depende de numerosos factores, siendo los más importantes su composición química, espesor, micro estructura, tensiones residuales y tipo de carga, la limpieza interior ó pureza.

• Austenita: Fase γ, una solución solida intersticial de carbono en hierro FCC. La máxima solubilidad en estado del carbono en la austenita es del 2%.

•Austenización: Calentamiento de un acero dentro de un rango de temperatura de la austenita para que su composición se convierta en austenita. La temperatura de la Austenización varía dependiendo de la composición del acero.• Ferrita: Fase α, una solución solida intersticial de carbono en hierro BCC. La máxima solubilidad solida de carbono en hierro BCC es del 0,02%. • Cementita: El compuesto intermetálico Fe3C; una sustancia dura y quebradiza. • Perlita: Una mezcla de fases ferrita y cementita en la minas paralelas producida por la descomposición eutectoide de la austenita.• Eutectoide: Acero con un 0,8% C. • Hipoeutectoide: Acero con menos de 0,8% C. • Hipereutectoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C. • Alotropía del Hierro: Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y presión. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o alotropía. Muchos metales industrialmente importantes como el hierro, titanio y cobalto experimentan transformaciones alotrópicas a elevadas temperaturas y a presión atmosférica.• Acero: Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de Carbono. En el diagrama de fase del Fe se observa las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas:

Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono.

Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe amagnético.

Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro.

Según el porcentaje de carbono las aleaciones Hierro-Carbono puede clasificarse en:• Aceros %C ≤1.76%.• Fundiciones %C≥1.76% – 6.667%C El carbono puede presentarse en tres formas distintas en las aleaciones Fe-C: • En solución intersticial. • Como carburo de hierro. • Como carbono libre o grafito. • Alotrópicas a elevadas temperaturas y a presión atmosférica. • Acero: Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de Carbono