Tesis de Yadira - cuasi final 2
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Pensamiento:
Nunca consideres el estudio como un deber, sino como una oportunidad para penetrar en el maravilloso mundo del saber.
Albert Einstein.
Dedicatoria: Pido perdón a mi madre por haber dedicado este trabajo de diploma a otra persona.
Pero tengo una poderosa excusa:
Aunque esa persona ya no esté, se que estaría muy orgulloso de mí.
Por tanto enmiendo mi dedicatoria a mi abuelo.
Por siempre a Aguileo Castellanos.
Agradecimientos: Antes que todo a mi madre (Gardenia Sandoval), tendría que darle un
agradecimiento especial, porque ha sido mi guía durante toda mi vida de estudiante,
por haberme educado con respeto, por su sacrificio y esfuerzo, y por tantas otras cosas
que no dejan de ser importantes, lo que no me bastaría esta tesis completa para
decirlas.
Por su apoyo y sustento contaste durante todos estos años de universidad a
Rafael Turiño.
Por todo su amor, cariño y comprensión, por la ayuda prestada en los momentos
de mayor premura para la entrega de esta Tesis de grado a Ignacio Adrián Cabrera
Peña.
A mis compañeros de la facultad de ingeniería mecánica y amigos va el
agradecimiento por la preocupación mostrada y las palabras de aliento oportunas
durante todo el proceso de ejecución de este trabajo, por la amistada sincera.
A todos mis profesores por forjarme y educarme con tanta pedagogía y dedicación.
Por confiar en mí y en mí esfuerzo por brindarme sus manos en cada momento
difícil a mi familia en general.
A mí estimado Vitico por facilitarme y simplificarme de manera plena y profunda
todo el análisis metálografico efectuado.
A mi tutor Félix Ramos Morales, quien ha contribuido valiosamente en la
realización, preparación y participación de este trabajo de diploma, quien ha sido mi
fuente constante de consultas e intercambios de criterios para la concepción y
ordenamiento de este material.
Totalmente agradecida.
RESUMEN.
En la presente tesis de investigación se realiza la caracterización metalográfica de la
zona fundida (ZF) y la zona afectada por el calor (ZAC), de tres cordones depositados
sobre una placa de acero de espesor 5 mm, empleando el proceso de soldadura manual
por arco eléctrico y electrodo revestido (SMAW) y con un electrodo E 7018 de 3.2 mm de
diámetro. La caracterización consistió en la observación de la estructura dendrítica del
cordón y la cuantificación de las fases presentes, la medición del tamaño de grano en la
ZAC y la delimitación de los límites de cada subzona, en la obtención de perfiles de dureza
desde la ZF y hasta la ZAC. Se realizó además la determinación de la composición
química del metal base a partir de una estimación mediante métodos metalográficos.La
caracterización realizada permitió establecer la relación entre la estructura metalografica
de la unión soldada y el ciclo térmico a que estuvo sometida la placa de acero.
ABSTRACT
At the present research thesis is develop the metallographic characterization of the
fused zone (FZ) and heat affected zone (HAZ), of three bead deposited on an steel plate
with 5 mm of thickness, using the shielded metal arc welding (SMAW) process, and a
E7018 electrode type eith 3.2 mm of diameter. The characterization consisted in the
observation of the dendritic structure of the bead and the quantification of the phases
presented the measurement of the grain size at the HAZ and the delimitation of the limits of
every subzone, in the obtention of hardnessfron the FZ to the HAZ. Also was made the
determination of the chemical composition of base metal with the estimation using
methalographic .The characterization made permit establish the relationship between the
metalographic structure of the welded joint and the thermanl cycle that was presented at
the steel plate.
ÍNDICE.
INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................ 1
Capítulo 1. La estructura de la unión soldada y los métodos para su caracterización
metalografía. ........................................................................................................................ 3
1.1. Fundamentos del proceso de soldadura manual por arco eléctrico y electrodo
revestido (SMAW). ............................................................................................................ 3
1.2.1. Particularidades de la zona fundida (ZF). ............................................................ 4
1.2.2. Particularidades de la zona afectada por el calor (ZAC). .................................... 6
1.2.3. Crecimiento del grano austenítico. ...................................................................... 9
1.3. Métodos de caracterización metalográfica de las uniones soldadas. ...................... 11
1.3.1. La preparación de probetas para la observación de su estructura metalográfica.
.................................................................................................................................... 11
1.3.2. Determinación del tamaño de grano. ................................................................ 13
1.3.2.1. Determinación del tamaño de grano por comparación con patrón. ................ 14
1.3.3. Dureza Vickers. Generalidades ......................................................................... 15
1.4. Equipamiento necesario para el estudio metalográfico de la estructura de una unión
soldada. .......................................................................................................................... 16
1.4.1. Características generales del microscopio óptico métalográfico Neophot 32. .. 16
1.4.1.1. Principios generales del microscopio óptico métalográfico. ........................... 17
1.4.1.2. Partes y elementos fundamentales del microscopio óptico metalográfico. .... 17
Capítulo 2. Caracterización metalográfica de soldaduras realizadas con proceso SMAW. 22
2.1. Composición química del metal base empleado en los experimentos ..................... 24
2.2. Caracterización metalográfica de la estructura en la zona del metal base, la ZAC y
la ZF. .............................................................................................................................. 25
2.2.1. Estructura de la zona fundida y la zona afectada por el calor. Tamaño de grano.
.................................................................................................................................... 26
Capítulo 3. Análisis de los resultados de la caracterización química y metalográfica de los
cordones depositados. ....................................................................................................... 33
3.1. Estimaciones a partir de la composición química de la plancha. Análisis de los
resultados de dureza ...................................................................................................... 33
3.2. Análisis de los resultados de la caracterización metalográfica. Relación con el ciclo
térmico ............................................................................................................................ 34
3.3. Empleo de los resultados obtenidos para corroborar resultados de un modelo de
elementos finitos. ............................................................................................................ 38
Conclusiones generales. .................................................................................................... 41
Recomendaciones. ............................................................................................................. 42
Bibliografía. ........................................................................................................................ 43
Anexos. ..................................................................................................................................
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INTRODUCCIÓN.
La Ciencia de los Materiales, como ciencia, es la encargada de estudiar la estructura
y propiedades de los materiales y establecer la relación que existe entre composición,
estructura y propiedades.
Para el estudio de la composición química de los materiales puede emplearse el
análisis químico por vía húmeda, la espectroscopia de emisión y la absorción atómica, etc.
Para el estudio de la estructura de los materiales existen diferentes métodos, entre
los que pueden mencionarse: el análisis estructural roentgenográfico, la microscopía
óptica, la microscopía electrónica, etc.
Para la determinación de las propiedades de los materiales se emplean diferentes
ensayos, como por ejemplo: de tracción, dureza, impacto, etc.
Estos métodos son aplicables a la caracterización de las uniones soldadas y al
establecimiento de las relaciones entre la estructura, las propiedades de la unión soldada
y el ciclo térmico que fue impuesto a la pieza durante la ejecución del proceso de
soldadura. A partir de estos antecedentes es que la presente investigación se propone
abordar:
Problema de Investigación: La relación entre la estructura metalográfica que tiene
la unión soldada y el ciclo térmico a que fue sometida la pieza durante la soldadura.
Hipótesis: Se puede establecer una relación entre la estructura metalografica de la
unión soldada y el ciclo térmico a que estuvo sometida la pieza, tal que se puedan hacer
predicciones a partir de estas relaciones.
Objetivo general: Relacionar la estructura metalográfica de uniones soldadas
obtenidas por proceso SMAW, con los diferentes ciclos térmicos que estuvieron presentes
durante la ejecución de la soldadura.
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Objetivos específicos: 1. Definir las partes que forman la unión soldada y sus peculiaridades de estructura
metalográfica y propiedades mecánicas.
2. Definir los métodos empleados y el procedimiento a seguir en la caracterización de
la estructura de uniones soldadas.
3. Estudiar el equipamiento disponible en el CIS y sus potencialidades para la
caracterización de las uniones soldadas.
4. Preparar las probetas que van a ser caracterizadas.
5. Aplicar los procedimientos de determinación de tamaño de grano y medición de
dureza a las probetas preparadas.
Tareas de investigación:
1. Definición de las partes que forman la unión soldada y sus peculiaridades de
estructura metalográfica y propiedades mecánicas.
2. Definición de los métodos empleados y el procedimiento a seguir en la
caracterización de la estructura de uniones soldadas.
3. Estudio del el equipamiento disponible en el CIS y sus potencialidades para la
caracterización de las uniones soldadas.
4. Preparación las probetas que van a ser caracterizadas.
5. Aplicación de los procedimientos de determinación de tamaño de grano y medición
de dureza a las probetas preparadas.
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Capítulo 1. La estructura de la unión soldada y los métodos para su caracterización metalografía.
1.1. Fundamentos del proceso de soldadura manual por arco eléctrico y electrodo revestido (SMAW).
El proceso de soldadura con electrodo recubierto (SMAW), es un proceso de
soldadura por arco en el que la fusión del metal se produce por el calor generado en un
arco eléctrico, que se crea entre el extremo del electrodo recubierto consumible y la
superficie del metal base. El calor generado funde la punta del electrodo y la superficie del
metal base. De esta forma, las pequeñas gotas de metal fundido que se forman sobre la
punta del electrodo viajan a través de la columna del arco y junto con el metal base
fundido forman el baño de soldadura. El electrodo se desplaza a una velocidad adecuada
(velocidad de soldadura) fundiendo constantemente una porción del metal base y
adicionando metal de aporte producto de su propia fusión. En la medida que el proceso se
desarrolla el baño metálico va solidificando y formando el metal de la costura. La
protección del metal, a elevada temperatura, de la acción de los gases atmosféricos
(fundamentalmente hidrógeno, oxígeno y nitrógeno) se realiza a través del revestimiento
que cuando se combustiona genera gases y una escoria que cubre las gotas de metal y el
baño de soldadura, creando una doble barrera protectora.((1) Burgos Sola, J)
Fig. 1.1. Esquema del proceso de soldeo SMAW.
Tanto el electrodo recubierto como el metal base forman parte del circuito eléctrico de
soldadura. Este circuito se inicia con la fuente de energía eléctrica, e incluye los cables
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conductores, el portaelectrodo o tenaza, la conexión a tierra, la pieza a soldar y el
electrodo recubierto. Uno de los cables que provienen de la fuente de energía se conecta
al portaelectrodo y el otro a la conexión a tierra, que se fija a la pieza. Este circuito se
cierra al hacer contacto el electrodo con la pieza.((1) Burgos Sola, J)
1.2. Estructura de la unión soldada. En una unión soldada se distinguen macrográficamente dos partes fundamentales: la
zona fundida (ZF) y la zona afectada por el calor (ZAC).
La Zona Fundida (ZF), formada únicamente por el metal solidificado a partir del
estado líquido sufre, durante la fusión, un cierto número de transformaciones que son de
tipo químico, físico o estructural.
En la zona afectada por el calor (ZAC), el metal también sufre un tratamiento térmico
variable, según el punto que se considere y, por ello, es asiento de transformaciones de
tipo físico - químico. La ocurrencia de estas transformaciones es función, por una parte,
del ciclo térmico y por otra, de la misma naturaleza de la aleación: aleaciones templables
(aceros), aleaciones sensibles a los cambios de fase por precipitación (aleaciones de
aluminio, por ejemplo). ((3) Autores, C. d. )
1.2.1. Particularidades de la zona fundida (ZF). En la zona fundida, de la unión soldada, ocurre un proceso metalúrgico donde se
ponen de manifiesto cierto número de fenómenos como: a. Modificaciones químicas.
b. Absorción de gas.
c. Precipitación de compuestos definidos de la solución sólida madre.
d. Transformaciones eutécticas.
e. Modificaciones estructurales.
Las variaciones en la composición química de la zona fundida pueden tener una
influencia favorable o desfavorable sobre las propiedades de la unión.
Las pérdidas por oxidación de los elementos útiles como el carbono en los aceros, el
silicio en las fundiciones, etc., modifican las características mecánicas. Así mismo, la
fijación de un tanto por ciento exagerado de carbono, de fósforo o de azufre, así como la
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absorción de oxígeno y nitrógeno, producen una pérdida en las cualidades de la unión. Por
el contrario, el aporte voluntario por micrometalurgia de ciertos elementos especiales
conduce a una mejora de las características mecánicas o químicas.
La absorción de los gases atmosféricos, oxígeno y nitrógeno, por el metal fundido,
origina nuevas modificaciones químicas en la soldadura y ejerce una influencia
desfavorable sobre las propiedades mecánicas.
El estudio del sistema hierro-oxígeno nos muestra que el hierro puro disuelve poco
oxígeno incluso a elevadas temperaturas: 0,05 % a 700 oC y 0,10 % a 1 400 oC .Pero en
estado líquido, la cantidad de oxígeno absorbida es mucho mayor.
En una unión soldada, el metal de base no absorbe prácticamente oxígeno, este
porcentaje es teóricamente del 0,10 % en las proximidades de la zona fundida a 1 400 oC.
Esta concentración sin embargo no se alcanza nunca debido a la rapidez del
calentamiento y enfriamiento que están lejos de las condiciones de equilibrio.
En la zona fundida, las concentraciones en oxígeno pueden ser mayores. La
cantidad de oxígeno absorbido dependerá de un cierto número de factores:
Procedimiento de soldadura: oxiacetilénica o eléctrica por arco;
Naturaleza del metal de aportación o del alma del electrodo;
Naturaleza del revestimiento y su espesor;
Gases que rodean la zona fundida.
En la soldadura por arco, la cantidad de oxígeno absorbido es bastante más elevada;
puede alcanzar el 0,30 %, presentándose en gran parte bajo el estado de óxido de hierro
(FeO). Se disminuye esta absorción por la calidad de la protección, la que añade
elementos reductores que eliminan los óxidos en la escoria.
La pérdida de elementos por oxidación es un fenómeno bien conocido por los
metalúrgicos; en soldadura, se complican por la presencia de una atmósfera que rodea al
metal fundido y cuya naturaleza depende del tipo de protección del arco y del baño fundido
(tipo de gases de protección, fundentes o de la composición del revestimiento del
electrodo). En el caso de los aceros, sabemos que estas pérdidas son en general
consecuencia de la reducción del óxido de hierro por los elementos componentes del
acero.((3) Autores, C. d. )
Por otra parte, las modificaciones estructurales pueden agruparse en dos grupos:
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a. Las que afectan el grano del metal, en una palabra, a su arquitectura interna. El
estudio de esta estructura determina la forma, el tamaño y la orientación de los granos
en la zona fundida y también en el metal de base hasta una cierta distancia.
b. Las que intervienen en el cambio de estado físico-químico de los constituyentes del
metal. Estas modificaciones, para un acero de composición química dada, son función
directa del ciclo térmico impuesto por la fusión, que determina el poder de templado en
soldadura.
En soldadura eléctrica por arco, se procede en general con depósitos sucesivos de
metal fundido de volumen muy pequeño con solidificación casi instantánea; como
consecuencia, la estructura del metal fundido es más fina, alineada y acicular. Si la
operación lleva varias pasadas, la influencia térmica de las pasadas producirá un
refinamiento de grano en las estructuras. ((3) Autores, C. d. )
1.2.2. Particularidades de la zona afectada por el calor (ZAC). El metal de base sufre un tratamiento térmico variable en cada punto, según el ciclo
térmico impuesto por el procedimiento de soldadura. Este ciclo térmico estará influenciado,
no solamente por el procedimiento de soldadura, sino también por el método de soldadura,
las propiedades físicas del metal (conductividad térmica, calor específico y densidad), el
espesor de las chapas a unir, las condiciones en que ocurre la disipación del calor por
convección, etc.
En el caso de los aceros, el ciclo térmico puede provocar transformaciones de tipo
estructural, provocando un agrandamiento exagerado de los granos, o de tipo físico-
químico, como el temple, hasta una cierta distancia a ambas partes del eje de la
soldadura.
En otros metales o aleaciones, podrán observarse fenómenos de precipitación, como
en los aceros austeníticos (precipitación de carburo de cromo) o en las aleaciones de
aluminio (Mg2Si, CuAl).
Por último podrán encontrarse transformaciones eutécticas en las proximidades de la
zona fundida.
Particularmente el crecimiento de los granos en el metal de base, está ligado
invariablemente a la máxima temperatura alcanzada y a la velocidad de enfriamiento. En
la soldadura por arco, la zona de crecimiento de los granos está más localizada y sus
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dimensiones pasan por un máximo, en una zona muy próxima a los bordes, disminuyendo
bruscamente en las capas próximas al bisel. Este aspecto de la curva se debe al
normalizado que provoca en el metal de base las sucesivas pasadas del depósito por
arco. En la figura 1.2 se muestra la influencia del ciclo térmico de soldadura en el tamaño
del grano del metal base.
A estos cambios de estructura generalmente están ligados a cambios en las
propiedades del metal en esta zona debido al tratamiento térmico a que esta sometido
esta zona. ((1) Burgos Sola, J)
Fig. 1.2. Influencia del ciclo térmico de soldadura en el tamaño
del grano del metal base.
Dentro de la estructura de la ZAC pueden definirse un grupo de subzonas, asociadas
a diferentes niveles de temperatura y con propiedades muy bien definidas. La figura 1.3
muestra las mencionadas subzonas, que son explicadas a continuación:
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Fig. 1.3. Subzonas, de la zona afectada por el calor (ZAC), de una unión soldada.
a. En la zona fusión incompleta, la temperatura alcanzada es la de fusión, con
velocidades de enfriamiento del orden de 350 a 400 oC/min, es la región de máximo
temple; se caracteriza porque en ella ocurren la mayoría de los procesos difusivos de la
soldadura, sin embargo el problema se complica por la superposición de una
transformación química, en particular por la pérdida de elementos útiles: carbono,
manganeso y silicio. Por esta razón, esta zona, a veces, se templa menos que otras zonas
próximas del metal base.((2) Reina Gómez, M)
b. La zona de sobrecalentamiento de la ZAC, que se produce a algunos milímetros del
borde de la soldadura, alcanza una temperatura muy elevada (entre 1100 y 1500 oC) y la
velocidad de enfriamiento también es relativamente grande: 240 a 300 oC/min.
Necesariamente tiene que haber crecimiento de los granos y una transformación
estructural de importancia con un temple cuya naturaleza depende del tipo de acero. En
esta región no existen transformaciones de tipo químico y por tanto, únicamente interviene
el ciclo térmico de soldadura sobre la constitución de la estructura final.((2) Reina Gómez,
M)
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c. La zona de normalizado es calentada ligeramente por debajo de los 900 °C y se
extiende hasta los 1100 °C, el metal tiende hacia una estructura normalizada con
afinamiento del grano, pero esta transformación no puede ser total a causa de la velocidad
de enfriamiento que aún es grande: 170 a 200°C/ min.((2) Reina Gómez, M)
d. La zona de recristalización incompleta se extiende entre los puntos de
transformación Ac1, y Ac3, (720 a 900 °C), las modificaciones pueden adoptar distintos
aspectos; en particular puede haber globulación del agregado laminar con tendencia a la
coalescencia sin modificación sensible del grano de ferrita. Esta última zona de
transformación puede extenderse en dependencia del espesor del metal soldado.
e. En la zona de metal base no afectado (incluye a la zona de recristalización y a la zona
de fragilidad en azul) el ciclo térmico que genera el proceso, no afecta la estructura del
metal originalmente empleada.((2) Reina Gómez, M)
Si el metal de base hubiese sido modificado preliminarmente por algún tratamiento
térmico (temple, revenido) o mecánico (laminado en frío), las transformaciones de la zona
de sobrecalentamiento o de la zona de normalizado, prácticamente quedan como se ha
dicho anteriormente, pero la zona de la primera transformación y una parte del metal de
base no afectado, son asiento de nuevas transformaciones difíciles de prever.
1.2.3. Crecimiento del grano austenítico. El comienzo de la transformación perlito – austenitica va acompañado de la
formación de los primeros granos de austenita, estos se forman en el limite de la ferrita y
la cementita, constituyentes estructurales de la perlita. Como este limite esta muy
ramificado, la transformación comienza formándose muchos granos pequeños por
consiguiente, una vez que termine la transformación de perlita en austenita, se forma una
gran cantidad de de pequeños granos de austenita, el tamaño de estos granos caracteriza
la magnitud llamada, grano inicial de austenita.
El calentamiento ulterior o el mantenimiento de la temperatura dada, una vez
terminada la transformación, provoca el crecimiento de los granos de austenita. El
crecimiento del grano es un proceso que se desarrolla espontáneamente, ya que en este
caso disminuye la superficie total de los granos, es decir, disminuye la energía superficial,
y la alta temperatura no hace nada más que asegurar la velocidad suficiente del mismo. La
figura 1.4 muestra, esquemáticamente el proceso de crecimiento del grano.
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Se distinguen dos tipos aceros: el de grano fino hereditario y el de grano grueso
hereditario; el primero se caracteriza por ser poco propenso al crecimiento del grano; el
segundo por ser muy propenso. ((6) Guliaev, A. P. )
Fig. 1.4. Esquema de crecimiento del grano austenítico.
El paso del punto crítico A1 va acompañado de una brusca disminución del grano. Si
se sigue calentando, el grano de la austenita, en el acero de grano fino no crece hasta los
950 -1000 grados Celsius, después de lo cual se eliminan los factores que impedían el
crecimiento y el grano comienza ha crecer rápidamente. En el caso del grano grueso nada
impide su crecimiento, el cual comienza inmediatamente después de pasar el punto crítico.
Por granulación hereditaria debe entenderse la tendencia del grano austenitico al
crecimiento.
El tamaño del grano obtenido en el acero como resultado de un tratamiento térmico
determinado se llama grano real.
Así, pues, se distinguen: a) el grano inicial o tamaño del grano de la austenita en el
instante en que termina la transformación perlito-austenitica; b) el grano hereditario
(natural) o tendencia de los granos de la austenita al crecimiento; c) el grano real o tamaño
del grano de la austenita en unas condiciones concretas dadas.
Las dimensiones de los granos de perlita dependen del tamaño de los granos de la
austenita de los cuales se forman. Cuando más gruesos son los granos de la austenita,
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tanto mayor es, por regla general, el tamaño de los granos de perlita que de aquellos se
forman.
Los granos de austenita solo crecen durante el calentamiento (durante el
enfriamiento siguiente no disminuye su tamaño), por esto la temperatura máxima de
calentamiento del acero en estado austenitico y su granulación hereditaria determinan el
tamaño definitivo del grano.((6) Guliaev, A. P. )
1.3. Métodos de caracterización metalográfica de las uniones soldadas.
1.3.1. La preparación de probetas para la observación de su estructura metalográfica.
Para realizar los ensayos metalográficos de un metal es necesario la preparación de
las probetas que se escogen, de los lugares que se estimen necesarios.
La preparación de la zona consiste, en general, en obtener primero una superficie
plana y semipulida, mediante el empleo de papeles de esmeril desbastadores de finuras
de granos crecientes, terminando con un pulido fino mediante un paño o fieltro provisto
con un abrasivo determinado, o utilizando el pulido electrolítico.
Los ensayos de la microestructura se pueden realizar, mediante dos formas, una
directamente en la zona preparada (superficie especular que es la requerida para después
efectuar el ataque usando el reactivo necesario para cada metal), o levantando réplicas
metalográficas y observando adecuadamente la estructura a diferentes aumentos, para
escoger el aumento adecuado al trabajo que se pretende realizar.
Para los ensayos de la macroestructura, es necesario la obtención de una superficie
desbastada preferiblemente hasta papel desbastador No. 800 que es la requerida en
algunos casos; también en ocasiones es necesario llegar a una superficie especular y
luego usar el reactivo adecuado para estos fines y hacer una observación a simple vista o
a bajos aumentos de hasta 30X.
Uno de los factores más importantes que influye sobre la técnica de preparación de
superficies, es el cuidado con que se realicen todas las fases de la operación. Debe
trabajarse con limpieza para evitar el transporte a la superficie de las partículas que se
desprenden en el proceso, tanto del metal como del propio esmeril por lo que se hace
necesario lavar con agua corriente las manos y la probeta cada vez que se cambie de
papel.
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Para realizar el ataque de la probeta es necesario que previamente esté bien pulida.
Con el ataque se revelan las características estructurales verdaderas de la probeta, ya que
sin atacar se observan solamente los defectos superficiales, las inclusiones no metálicas y
algunos otros. El ataque se logra sometiendo la probeta a la acción química de un reactivo
apropiado en condiciones cuidadosas y controladas. En las aleaciones compuestas de
varias fases, los constituyentes se hacen visibles por el ataque diferencial o el manchado
de uno o varios constituyentes, debido a la diferencia de composición química, que trae
consigo diferencias en las velocidades de disolución. En los metales puros y aleaciones
monofásicas el contraste estructural y los límites de granos se ponen de manifiesto
fundamentalmente, porque los granos que presentan diferente orientación cristalográfica
respecto a la superficie pulida son atacados con diferente velocidad.((5) George.L.kell ) En los anexos 1 y 2 se muestran los procedimientos del CIS para la realización del
pulido y ataque de probetas metalográficas.
Las figuras 1.5 y 1.6 muestran, respectivamente, a la tronzadora disponible en el CIS
para el corte de las probetas y la pulidora.
Fig. 1.5. Tronzadora para la preparación de probetas.
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Fig. 1.6. Pulidora para la preparación de probetas.
1.3.2. Determinación del tamaño de grano. Los metales son cuerpos sólidos cristalinos. De acuerdo a las condiciones de
enfriamiento en que hayan solidificado, los sólidos cristalinos pueden ser monocristales
(que constan de átomos que se ubican en el espacio con determinado orden regular) o
policristales (formado por muchos monocristales con diferentes orientaciones). La estructura y la composición de un policristal son heterogéneas. Dicha
heterogeneidad tiene siempre carácter microscópico. A tal estructura se le denomina
microestructura, por ser la estructura interna y microscópica del metal. La microestructura se caracteriza por el tamaño, forma y orientación de los granos.
La composición determina la cantidad relativa de granos de cada fase y a menudo influye
también en el tamaño de grano.
La microestructura y las propiedades de los policristales dependen también de los
distintos factores externos, como son los esfuerzos mecánicos y las acciones térmicas y
químicas. Por tanto, la microestructura de los policristales depende del régimen de
tratamiento térmico y de las condiciones de explotación.
La superficie de separación entre dos granos vecinos se denomina límite de grano y
es una zona de transición de 5 a 10 distancias interatómicas de espesor donde cambia la
orientación de un grano con relación a otro; por eso, los átomos en el límite de grano no
tienen una posición regular como dentro del grano, dando origen a una zona tipo amorfa.
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El tamaño, forma y orientación de los granos influyen fuertemente en las propiedades
de los metales. Por esto es muy importante conocer, como regular y como medir el
tamaño del grano.
Usualmente los granos tienen diámetros de 10 a 250 μm aunque, a veces, como en el
caso del latón son visibles a simple vista.
Para determinar el tamaño de grano se trabaja sobre una probeta metalográfica en la
cual se ha revelado la microestructura y se observa empleando el microscopio óptico
metalográfico. El tamaño de grano se determina por los siguientes métodos:
a. Comparación visual de la microestructura con un patrón a escala.
b. Cálculo de la cantidad de granos por unidad de superficie sobre la probeta dada.
c. Medición del diámetro medio condicional del grano, cantidad de granos en un
mm3. ((8) Prácticas, m. d.)
1.3.2.1. Determinación del tamaño de grano por comparación con patrón. Utilizando aumento 100X se compara directamente la microestructura vista en el
microscópico con los patrones a escala. Si con un aumento de 100 X la microestructura
tiene tamaño de grano que se encuentre fuera de los números límites de la escala de los
patrones se usa un aumento distinto a 100 X. Se busca con el aumento dado el número
adecuado y se lleva, usando la tabla 1.1, al valor equivalente a 100 X. ((8) Prácticas, m. d.)
Tabla. 1.1. Conversión a tamaño de grano con un aumento de 100X.
Aumento Tamaño de grano 100 X - 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 25 X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 50 X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 200 X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 400 X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 800 X 1 2 3 4 5 6 7
Un acero que a 200 X tiene por la escala, tamaño de grano 6, tiene en realidad y
sobre la base de 100 X, un tamaño de grano de 8 (según tabla 1.1).
Si para evaluar el tamaño de grano se usan aumentos diferentes a los señalados en
la tabla 1.1, entonces se usará la expresión 1.
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D = Dr + K………………………………………………… (1)
Donde: D: Tamaño de grano a 100 X.
Dr: Tamaño de grano en la escala patrón a un aumento diferente a 100X
K: Coeficiente de corrección [6,64 log (Aumento/ 100)]
El tamaño de grano se evalúa en números enteros. Si al realizar el cálculo el
resultado es un número fraccionario se redondea al entero anterior si la fracción es menor
que 0.5. Si a 500 X un acero tiene tamaño de grano 3, para determinar el valor a 100X
tenemos:
Dr = 3
K = 6,64 log 500 / 100
Según la fórmula 1: D = 3 + 4,6 = 7,6 ≈ 8; entonces, el tamaño de grano será 8.
En todos los casos se examinan 10 campos en las zonas más características de la
probeta, si el acero bajo el microscopio presenta dos o más números se describen en
orden decreciente de tamaño de grano.
Los resultados se representarán en forma de tabla, según la tabla 1.2, para cada
muestra:
Tabla 1.2. Tabla para la representación de los resultados de tamaño de grano.
No. Muestra
Aumento Tamaño de grano observado por campo Tamaño de grano definitivo
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.3.3. Dureza Vickers. Generalidades Se entiende por dureza de un material la resistencia que este opone a ser penetrado
por un cuerpo extraño. En la rama mecánica es una propiedad muy importante ha tener en
cuenta al diseñar, reparar o sustituir un elemento o pieza de una instalación o al
caracterizar el material. La misma se puede determinar por diferentes métodos como son:
Dureza Brinell, Rockwell A, B y C y Vickers, entre otras, siendo esta última a la que se
refiere este documento, la dureza obtenida por estos métodos pueden compararse entre si
16
por medio de las tablas correspondientes. De forma que conociendo el valor de la dureza
por un método puede determinarse a que valor de dureza de otro método corresponde.
Dependiendo del método utilizado la dureza se obtiene como resultado de medir la
diagonal o diámetro de la huella dejada sobre la superficie del material ensayado, por un
indentor que varia en forma y tamaño de acuerdo al método empleado, después de ser
aplicado sobre dicha superficie durante un tiempo dado y con una presión, que depende
de la carga convenientemente seleccionada, como es en los casos de la dureza Brinell y
Vickers, o es una magnitud inversa a la profundidad de penetración como en el caso de la
dureza Rockwell. Específicamente para la dureza Vickers el indentor es una pirámide de
diamante con un ángulo entre sus aristas de 36 grados y la carga aplicada puede estar en
el orden de 5 a 10 kg. ((7) "Guía para la elaboración de procedimientos.")
1.4. Equipamiento necesario para el estudio metalográfico de la estructura de una unión soldada.
1.4.1. Características generales del microscopio óptico métalográfico Neophot 32. En el CIS se dispone de un microscopio óptico metalográfico marca Neophot 32, de
procedencia alemana. Este posee un aumento de 10x a 200x y trabaja con una potencia
de 150 W. La figura 1.7 muestra al Neophot 32.
Fig. 1.7. Microscopio óptico metalográfico Neophot 32.
17
1.4.1.1. Principios generales del microscopio óptico métalográfico. El objetivo se compone de varias lentes que, agrupadas, forman un sistema óptico
positivo y convergente. Si la imagen primaria producida por el objetivo se forma a una
distancia apropiada, es posible que el segundo sistema óptico (el ocular) amplifique aún
esa imagen en una cantidad proporcional a su aumento propio. La distancia entre ocular y
objetivo es fija y corresponde a la longitud mecánica del tubo del microscopio. Para lograr
que la imagen primaria se forme en la posición debida con respecto al ocular, se debe
enfocar el microscopio.
El aumento total del microscopio no esta determinado solamente por el aumento
sistemas objetivo y ocular, sino también por la distancia que separa ambos sistemas, esta
distancia ha sido normalizada convencionalmente, igual a 250 mm para el microscopio
metalográfico. Los objetivos y oculares tienen grabados los aumentos.((4) Docente, P. )
1.4.1.2. Partes y elementos fundamentales del microscopio óptico metalográfico. Las dos partes fundamentales del microscopio óptico metalográfico son:
a. Sistema mecánico: Asegura la rigidez, seguridad, precisión del sistema óptico, posibilita
el contraste de luz, el enfoque (mediante los tornillos de enfoque grueso y enfoque fino) y
la exploración de la muestra (mediante el movimiento de la platina).
b. Sistema óptico: Es el encargado de producir la imagen real a la ampliada de una parte
del objeto, sometida a examen. Las partes del microscopio se señalan en la tabla 1.3.
Tabla 1.3. Partes del microscopio óptico metalográfico
Base Lentes objetivas y oculares
Cuerpo Mecanismo de Centrado de la luz
Dispositivo de observación (mono o
binocular)
Platina con giro y desplazamiento
longitudinal y transversal
Ajuste grueso y fino del enfoque Portamuestras
Filtros y Portafiltros Dispositivo fotográfico.
Al sistema óptico se integran dos lentes, el objetivo y el ocular. El objetivo produce
una imagen real amplificada de una parte del objeto sometida a examen. Para examen
18
visual, el ocular se ajusta de modo que de una imagen virtual con un aumento adicional
de la imagen obtenida por el objetivo. Para la fotografía el ocular se ajusta para que
proyecte sobre la pantalla o la placa fotográfica una imagen real con un aumento adicional.
El examen a gran aumento de los objetos microscópicos exige gran estabilidad
mecánica. La platina elemento constructivo que soporta la muestra, debe poder
desplazarse con fineza y precisión a su vez, debe permitir un movimiento fino y seguro de
la muestra con respecto al objetivo que garantice un buen enfoque.
El cuerpo del microscopio debe tomar los elementos que garanticen un centrado
rigurosamente exacto sobre el eje óptico de los distintos sistemas ópticos. La mayor parte
de los microscopios de polarización traen centrado por construcción el objeto y el ocular,
solo el condensador puede a veces centrarse con respecto al eje óptico del sistema
objetivo- ocular -.
Se denomina aberraciones a todas aquellas discrepancias entre la imagen real y la
imagen ideal. Las lentes en realidad no producen una imagen nítida como pudiera
producirse para una lente ideal.
Su tamaño finito y las propiedades del material que las constituye, hacen que la
imagen de un punto geométrico, dada por una lente o sistema de lentes no siempre sea un
punto.
En microscopía de luz, puede señalarse las siguientes aberraciones.
• Aberración cromática.
• Aberración esférica.
• Astigmatismo.
c. Sistemas de iluminación del objetivo: Los sistemas de iluminación a emplear en
microscopía óptica requieren de fuentes de radiaciones lo suficientemente potentes y
homogéneas y el empleo de un conjunto de lentes y diafragmas que permitan concentrar
un cono de luz sobre el objeto que coincida en el ángulo de abertura del objeto.
Entre los tipos de sistema de iluminación tenemos: Iluminación vertical, Iluminación
oblicua, polarización, Iluminación crítica, Iluminación Kohler, Iluminación para objetivos de
bajo poder de amplificación.
La mayoría de los microscopios metalográficos se iluminan verticalmente, ya que
sobre la superficie de la muestra se hace incidir perpendicularmente un cono de luz que es
19
devuelto al microscopio por la parte pulida de la muestra pero que resulta desviada por las
irregularidades. Para producir este tipo de Iluminación el cono de luz que se dirige al
objeto para iluminarlo, debe recorrer el mismo camino que el cono reflejado, es decir a lo
largo del eje óptico del microscopio. Hay dos tipos de Iluminación vertical de uso general el
prisma y el reflector de vidrio plano.
La forma usual de iluminación de las probetas metalográficas es la iluminación en
campo claro, que produce una imagen en que los detalles aparecen contrastados sobre un
fondo brillante. En la iluminación en campo claro, el objetivo funciona primero como un
sistema condensador de luz iliminante y después como elemento formador de imágenes a
partir de la luz reflejada por la superficie de la probeta. Este primer funcionamiento del
objetivo como condensador, es característico de la iluminación en campo claro y
constituye una diferencia típica con la iluminación de campo oscuro.
En la iluminación de campo claro el objetivo cumple la doble misión de servir como
condensador para la iluminación y como elemento formador de imágenes, a partir de los
rayos reflejados por la probeta. En el doble paso de los rayos a través del objetivo se
producen muchas pérdidas de radiación en las distintas interfaces vidrio- aire que pueden
la reducir la brillantez y claridad de la imagen, especialmente cuando la probeta o partes
de su superficie son rugosas y reflejan poco. Estos efectos se reducen cuando se emplea
la iluminación en campo oscuro, ya que el objetivo no tiene que funcionar como
condensador y por tanto solo una vez es atravesado por los rayos de luz.
La iluminación en campo oscuro se obtienen mediante el empleo adicional de un
diafragma anular o condensador tipo cardivide (seco NA = 0,80 y de inmersión NA =
1,25), el haz de luz que llega al iluminador vertical tiene la forma de un cilindro hueco o un
cono luminoso como no pasan los rayos centrales de luz, no pasa ninguna luz � través del
objetivo, esta forma de iluminación produce luz incidente no oblicua y mayor apertura
numérica que la lograda en la iluminación de campo claro.
El sistema de iluminación en campo oscuro, brinda una iluminación inclinada de la
probeta de tal forma que los rayos directos, no entran al objetivo, solo los rayos reflejados
o difractados por partículas o detalles de la estructura de la muestra pueden entrar dentro
del ángulo de abertura del objetivo y participar en la formación de imagen, por lo que la
imagen formada en campo oscuro es contraria a la observada en campo claro.
20
Las imágenes en campo oscuro, se distinguen por contrastes excelentes un color
más natural y una mejor resolución que en campo claro (cuando no varían otros factores)
debido a la mayor abertura numérica de la luz empleada en la iluminación. A pesar de
estas ventajas, la iluminación en campo oscuro se usa poco, esto se debe a que muchos
equipos metalográficos, no están dotados de este tipo de iluminación y a que los
metalógrafos están adaptados a la iluminación en campo claro.
En la iluminación oblicua se hace incidir la luz sobre la superficie de la muestra desde
una o varias direcciones en un ángulo inferior a 90°. Los rayos al reflejarse con la misma
inclinación con relación a la perpendicular, no entran al objetivo y por tanto la superficie
aparece oscura, las irregularidades de la superficie reflejan la luz en el objetivo dando
zonas o líneas brillantes sobre un fondo oscuro,
La iluminación oblicua se emplea ventajosamente en casos que la iluminación vertical
produce poco contraste y en los que se desea acentuar la diferenciación entre diferentes
constituyentes que se presentan a relieve, sin embargo los defectos superficiales como
rayas, picaduras, etc se hacen mucho más notable y pueden modificar la apariencia real
de la microestructura.
En el sistema óptico de todos los microscopios metalográficos se encuentran
adecuadamente situados dos diafragmas iris uno en la abertura y el otro en el campo,
siendo la finalidad de ambos mejorar la calidad de la imagen final.
El diafragma de abertura se proyecta siempre en el plano focal posterior del objetivo.
Debido a esta localización de su imagen, basta cerrarlo o abrirlo par regular el haz
luminoso que se emplea en la iluminación, siendo la regulación de la intensidad de
iluminación su finalidad principal, ya que la resolución depende de la cantidad de luz que
llega al objetivo. Cada objetivo exige una abertura óptima de diafragma que se observa
bien visualmente y que corresponde aquella con la que se obtiene una imagen con buena
resolución y un mínimo de perdidas de contraste, al lograr este ajuste, si la imagen es
excesivamente brillante debe disminuirse el exceso de luz intercalando pantallas de vidrio
esmerilado.
El diafragma de campo tiene como misión disminuir las reflexiones y difusiones
internas de la luz, mejorando el contraste de la imagen. Está colocado de manera que la
imagen se proyecta sobre el plano de superficie de la probeta y por ella su borde es visible
21
en el campo imagen, si el microscopio esta bien enfocado. Su abertura o cierre no tiene
ningún efecto real sobre la resolución, al cerrarlo se disminuye el campo visible pero se
mejora notablemente el contraste.
Las fuentes de iluminación que se puede utilizar en la microscopía de luz son
diversas. Para esta función se pueden utilizar: bombillos incandescentes de diferentes
voltajes, lámparas de gases, lámparas de mercurio y otras. Todas estas lámparas tienen
un poder de iluminado y una brillantez diferentes y deben ser utilizadas según el trabajo
que se requiera. Por ejemplo, para simple chequeo de superficies que se están puliendo,
en general basta la utilización de una lámpara incandescente de 6 V, sin embargo para
trabajar en campo oscuro, polarización o micrografía deben ser utilizadas lámparas mucho
más potentes como las de Xenón o mercurio.
El objetivo de los filtros de color es observar toda la luz visible menos una banda
estrecha de longitudes de onda que se prefiere por diversas razones. Una elección
adecuada del filtro contribuye a lograr imágenes de mayor contraste y más detalles.((4)
Docente, P. )
Conclusiones parciales. 1. Durante la soldadura de dos placas metálicas o la deposición de cordones sobre
una placa, empleando el proceso SMAW, aparecen dos zonas bien diferenciadas
(la ZF y la ZAC) sujetas a transformaciones de tipo físico – químico y estructural. El
resultado final de estas transformaciones va a decidir el comportamiento o
desempeño en servicio de la pieza o elemento.
2. Para la caracterización de las uniones soldadas se hace necesario la medición de
tamaño y forma de los granos, la determinación del tipo de estructura metalográfica
presente, la variación la dureza (e indirectamente la resistencia) a través de la
estructura final obtenida, etc. Las técnicas necesarias para la realización de estos
estudios están disponibles en los laboratorios del CIS.
22
Capítulo 2. Caracterización metalográfica de soldaduras realizadas con proceso SMAW.
Introducción. Los cordones que fueron caracterizados se soldaron sobre una placa de acero de
baja aleación (metal base), de dimensiones 240 x 150 x 5 mm; un dispositivo para
soldadura por gravedad; dos termopares de cromel – alumel, de 0,25 mm de diámetro de
los alambres; dos multimetros digitales para cuantificar la f. e. m. generada y una video
cámara que hace una filmación continua de la pantalla del multímetro (ante la ausencia de
una tarjeta de adquisición de datos). La siguiente figura 2.1 muestra una foto del montaje
antes de la realización del experimento.
Fig. 2.1. Foto de la instalación previa al experimento
La plancha de acero de baja aleación, de 5 mm de espesor, fue taladrada para crear
unas cavidades (agujeros) en las cuales se alojan los termopares colocados dentro de
una porcelana de 3.2 mm de diámetro. Esta porcelana evita el cortocircuito entre los
alambres. Estos detalles se presentan en la figura 2.2
23
Fig. 2.2. Esquema de la posición del termopar con el recubrimiento aislante en la plancha
de acero
Una vez completado el montaje, se procedió a efectuar el proceso de soldadura
SMAW con un electrodo E7018. Con la video cámara se filmó las pantallas de los
multímetros, los cuales registraron el valor de la f.e.m para cada termopar
correspondiente a la temperatura del proceso de soldadura, la filmación comenzó
segundos antes de la rotura del arco, el proceso fue filmado hasta el final. La figura 2.3
muestra detalles de las mediciones realizadas y el aspecto del cordón tras la ejecución de
la soldadura.
Fig. 2.3. Cordón obtenido y mediciones de los multímetros, tras la ejecución del proceso
de soldadura.
24
La tabla 2.1 muestra el régimen de soldadura empleado en la deposición de cada uno
de los cordones. Para el cálculo de la energía lineal de soldadura se consideró una
eficiencia del proceso de 0,75.
Tabla 2.1. Régimen de soldadura empleado en la deposición de los cordones.
Cordón 1 Cordón 2 Cordón 3 Corriente de
soldadura (A) 130 140 120
Voltaje de arco (V) 27 29 25
Velocidad de soldadura
(mm/s) 3.04 3.14 2.90
Energía lineal de soldadura
(J/mm) 870 970 775
2.1. Composición química del metal base empleado en los experimentos.
Para la determinación de la composición química del acero se empleó la
espectroscopia de emisión atómica (espectrocast), donde las muestras son sometidas a
una diferencia de potencial mediante un régimen de chispa, los átomos que forman parte
de la muestra se excitan y pasan a un estado energético superior, cuando regresan al
estado base, emiten energía que es característica de cada elemento, por la frecuencia de
la radiación, cada elemento emite a determinada frecuencia y por eso aparecen líneas en
el espectro visible correspondiente a cada elemento, la intensidad de esas líneas es
directamente proporcional a la concentración del elemento analizado. La figura 2.4
muestra una foto del equipo en cuestión.((5) George.L.kell )
La tabla 2.2 muestra la composición química obtenida del acero. Analizando estos
valores se observa que el Mn y Si presentes se presentan en cantidades insuficientes para
ser considerados como elementos de aleación (% Mn < 0.8 y % Si < 0.5). El resto de los
elementos presentes, de igual modo, se encuentran en cantidades pequeñas (Guliaev,
1983).
El % de P reportado por el análisis químico (0.140 %) es extremadamente alto, pues
normalmente el acero obtenido por el procedimiento Martín – Siemens básico varía entre
25
0.02 – 0.04 % y en hornos eléctricos no pasa de 0.02 %. El aumento del contenido de
fósforo provoca una elevación de la temperatura de transición dúctil – frágil, lo que
acrecienta el riesgo de agrietamiento en frío.((6) Guliaev, A. P. )
Fig. 2.4. Espectrocast empleado para determinar composición química.
Para un acero como el analizado, con % de C menor que 0.2 % (acero
hipoeutectoide), el acero es considerado de bajo contenido de carbono (ASM, 1993).
Como el % de carbono es superior a 0.08 %, entonces es de esperar una estructura ferrito
perlítica (con predominio de la ferrita).((6) Guliaev, A. P. )
Tabla 2.2. Composición química del metal base.
%C %Si %Mn %P %S %Cr %Mo %Ni %Al
0.127 0.0162 0.346 0.140 <0.00100 0.0140 <0.0100 0.0467 <0.0100
%Cu %Nb %Ti %V %Pb %Sn %Mg %Fe
0.103 <0.0100 0.0248 0.0394 0.0137 <0.0100 <0.00500 99.13
2.2. Caracterización metalográfica de la estructura en la zona del metal base, la ZAC y la ZF.
Al ser observada una muestra del metal base al microscopio óptico metalográfico, se
corrobora la existencia de la estructura ferrito perlítica, con predominio de la ferrita. Esto
es mostrado en la figura 2.5.
Acorde a la composición química y la estructura metalográfica, el acero estudiado
puede ser homólogo del CT2 por la norma GOST, clasificación rusa. También se
26
corresponde con un acero designado por AISI como 1010 (ASM, 1993), al que le
corresponden en sus rangos de composición química los siguientes valores: % C entre
0.08 – 0.13, % Mn entre 0.30 – 0.60, % P de 0.040 máx, % S de 0.050 máx.((6) Guliaev,
A. P. )
Fig. 2.5. Estructura metalográfica del metal base (200X).
2.2.1. Estructura de la zona fundida y la zona afectada por el calor. Tamaño de grano.
Las figuras de la 2.6 a la 2.8 muestran la estructura metalográfica de la ZF y la ZAC
muestras tomadas de los cordones 1, 2 y 3.
Fig. 2.6. Estructura de unión soldada, muestra 1 (200X).
27
Fig. 2.7. Estructura de unión soldada, muestra 2 (200X).
Fig. 2.8. Estructura de unión soldada, muestra 3 (200X).
La determinación del tamaño de grano se realizó por comparación visual bajo un
microscopio óptico, marca Neophot 32; estos valores son mostrados en la tabla 2.3. A
partir del tamaño de grano puede estimarse el diámetro medio de los granos y la densidad
de granos por unidad de área, lo que es mostrado en la tabla 2.4.
28
Tabla 2.3. Tamaños de grano en las muestras objeto de estudio.
Muestra 1 (Cordón 1)
Muestra 2 (Cordón 2)
Muestra 3 (Cordón 3)
Zona de grano grueso 4 5 5
Zona de grano fino 8 7 8
Metal base 8 8 8
Fue determinado el ancho de la ZAC, para cada una de las muestras analizadas.
Para esta determinación se midió el ancho desde la frontera del depósito. Esto es
mostrado en la tabla 2.5.
Tabla 2.4. Diámetro medio de los granos y densidad de granos, en las muestras objeto de
estudio.
Muestra 1 (Cordón 1)
Muestra 2 (Cordón 2)
Muestra 3 (Cordón 3)
Diámetro medio de los granos
(μm)
Densidad de
granos (u/mm2)
Diámetro medio de
los granos
(μm)
Densidad de
granos (u/mm2)
Diámetro medio de los granos
(μm)
Densidad de
granos (u/mm2)
Zona de grano grueso 90 125 63 250 63 250
Zona de grano fino 22.4 2000 31,5 1000 22,4 2000
Metal base 22,4 2000 22,4 2000 22,4 2000
La tabla 2.6 muestra la profundidad de la ZF, medido desde la superficie superior de
la placa.
La figura 2.9 muestra la estructura metalográfica alrededor de los sitios donde fueron
colocados los termopares, con vistas a la adquisición de los registros de temperatura.
Las tablas 2.7 a la 2.9 muestran los resultados del ensayo de dureza realizado a las
muestras objeto de estudio. La carga utilizada en el durómetro Herkert para la medición de
29
la dureza Vickers en las probetas, fue entre 49 N a 98 N. La observación de las huellas se
realizó con un aumento de 10X.
Tabla 2.5. Ancho de la ZAC, para las muestras objeto de estudio.
Muestra Ancho de la ZAC
(mm)
1 2.8
2 2.9
3 2.6
Tabla 2.6. Profundidad de la ZF, en las muestras objeto de estudio.
Muestra Profundidad de
la ZF (mm)
1 3.1
2 3.3
3 2.9
Fig. 2.9. Estructura metalográfica alrededor del agujero de colocación del termopar, para
las muestras objeto de estudio.
30
Las mediciones de dureza se realizaron partiendo desde el centro del cordón hacia el
metal base, perpendicular a la dirección del espesor de la chapa, tal y como muestra la
figura 2.10. Se realizaron 2 mediciones de dureza por zona.
Fig. 2.10. Dirección de las mediciones de dureza.
Tabla 2.7. Valores de dureza medido en la muestra 1 (cordón 1).
Zona (medición #) Dureza Distancia desde el centro del cordón
ZF (1) 141 HV 0.8 mm ZF (2) 140 HV 2.1 mm ZGG y GF (1) 126 HV 3.1 mm ZGG y GF (2) 127 HV 4.3 mm Zona de Recr. (1) 128 HV 5.2 mm Zona de Recr. (2) 131 HV 6.7 mm Metal Base (1) 117 HV 7.8 mm Metal Base (2) 118 HV 8.8 mm
Tabla 2.8. Valores de dureza medido en la muestra 2 (cordón 2).
Zona (medición #) Dureza Distancia desde el
centro del cordón ZF (1) 153 HV 0 mm ZF (2) 149 HV 1.2 mm ZGG y GF (1) 124 HV 2.8 mm ZGG y GF (2) 127 HV 3.8 mm Zona de Recr. (1) 129 HV 5.1 mm Zona de Recr. (2) 132 HV 6.2 mm Metal Base (1) 120 HV 7.0 mm Metal Base (2) 117 HV 8.1 mm
31
Tabla 2.9. Valores de dureza medido en la muestra 3 (cordón 3).
Zona (medición #) Dureza Distancia desde el
centro del cordón ZF (1) 159 HV 1 mm ZF (2) 156 HV 2.3 mm ZGG y GF (1) 126 HV 4.0 mm ZGG y GF (2) 140 HV 4.6 mm Zona de Recr. (1) 119 HV 5.6 mm Zona de Recr. (2) 131 HV 6.9 mm Metal Base (1) 121 HV 8.5 mm Metal Base (2) 133 HV 9.9 mm
La figura 2.11 muestra la representación gráfica de los perfiles de dureza obtenidos.
Fig. 2.11. Perfiles de dureza de las muestras analizadas.
32
Conclusiones parciales.
1. Las probetas obtenidas como parte de otra investigación, fueron preparadas acorde
a los procedimientos establecidos en el CIS a estos efectos. La preparación de las
probetas fue efectiva, pudiendo ser sometidas a los diferentes ensayos.
2. Los procedimientos o ensayos con vistas al estudio metalográfico de los cordones y
su ZAC, fueron aplicados exitosamente pudiendo extraerse valiosa información de
su aplicación.
33
Capítulo 3. Análisis de los resultados de la caracterización química y metalográfica de los cordones depositados.
3.1. Estimaciones a partir de la composición química de la plancha. Análisis de los resultados de dureza.
A partir de la composición química mostrada en la tabla 2.1, pueden determinarse un
grupo de parámetros importantes para predecir y explicar el comportamiento de las
soldaduras. Uno de los parámetros más importantes es el llamado Carbono equivalente
(Ceq), que permite hacer predicciones de la soldabilidad del material base.
Según el Instituto Internacional de Soldadura, el Ceq se calcula acorde a la expresión
3.1.
1556CuNiVMoCrMnCCeq +
+++
++= …………………………….. (3.1)
Para el acero en cuestión, el Ceq = 0,21. Este valor indica que la soldabilidad del
material es buena (Ceq<0.4), que no ha de esperarse la aparición de agrietamiento en frío
y que a la hora de ejecutar la soldadura no es necesario emplear precalentamiento.
A partir de la composición química puede estimarse también la dureza máxima en la
ZAC. Una de las expresiones más simples (pero un poco imprecisa) para realizar este
cálculo es la presentada por Hrivñak y mostrada como ecuación 3.2:
CrNiMnSiCHV 31307547105090max +++×+×+= …………….. (3.2)
El valor predicho de dureza máxima en la ZAC, a partir de la composición química es
de 252 HV. Es comúnmente aceptado que cuando la dureza es inferior a 350 HV, no hay
riesgo de agrietamiento en frío.((6) Guliaev, A. P. )
Si se compara este valor predicho por la expresión de Hrivñak con el valor medido a
través del ensayo de dureza (el máximo valor medido en la ZAC, para cualquier probeta,
fue de 140 HV), se comprueba que la expresión de Hrivñak sobrestima el valor de dureza
en un 80 % respecto al valor medido. Por lo que se puede considerar que esta expresión
es muy conservadora a la hora de ser empleada en la predicción de dureza en la ZAC.
Los valores máximos de dureza se obtienen en el cordón, tal y como muestran las
tablas 2.7 a la 2.9 y la figura 2.11. Se hace una prueba estadística, empleando el software
Statgraphics Plus 4.1, con vista a comprobar si existe diferencia estadísticamente
significativa entre las medias de los valores de dureza de la ZF y de las ZGG y GF.
34
Como hipótesis nula se tomó: media 1 = media 2
Como hipótesis alternativa se tomó: media 1 ≠ media 2.
Al realizar el análisis, considerando un 95 % de confianza e igualdad de varianzas, se
obtuvo que: se cumple la hipótesis alternativa, por tanto los resultados de dureza (entre la
ZF y la ZGG y GF) son significativamente diferentes desde el punto de vista estadístico.
Estos resultados son mostrados en los anexos (incluido un histograma de frecuencias en
la figura 2).
Esta diferencia significativa de dureza puede deberse al hecho de que el depósito se
realizó con electrodo E 7018, que sin ser un electrodo duro o de recargue, aporta un nivel
de dureza y resistencia relativamente alto.
3.2. Análisis de los resultados de la caracterización metalográfica. Relación con el ciclo térmico.
El gráfico de la figura 3.1 muestra la relación obtenida entre el tamaño de grano
observado en la ZGG, perteneciente a la ZAC de cada uno de los cordones depositados, y
la energía lineal de soldadura aportada durante la deposición de cada uno de los
cordones. .
Fig. 3.1. Relación entre el diámetro medio de los granos obtenidos en la ZGG y la
energía lineal de soldadura aportada.
35
Lo esperado en la relación energía lineal de soldadura empleada y tamaño de grano
observado es, para igual espesor de placa, iguales condiciones ambientales para el
enfriamiento por convección, igual temperatura de partida (temperatura inicial), que a
medida que sea mayor la energía lineal de soldadura, se obtengan granos más grandes
(mayor diámetro medio de los granos), ya que la temperatura alcanzada por el metal y el
tiempo de permanencia a esas temperaturas ha de ser mayor. Sin embargo ese
comportamiento esperado no es el que se manifiesta en las probetas estudiadas.
Cuando se trata de explicar la aparente contradicción en el resultado se observa,
según la figura 1 de los anexos, que tanto el cordón depositado empleando 775 J/mm de
energía lineal de soldadura (cordón 3), como el depositado con 870 J/mm (cordón 1) se
encuentran cercanos a bordes opuestos de la placa base empleada. En ambos, como se
puede apreciar en la figura 3.2, la disipación del calor ocurre preferiblemente desde el
cordón hacia el centro de la placa, pues se encuentran cercanos a un borde y hacia el lado
de este, la posibilidad de disipar calor se encuentra limitada (esto puede apreciarse mejor
en la figura 3.3, obtenida de la simulación empleando elementos finitos).
Fig. 3.2. Disipación del calor a partir de los cordones.
36
Fig. 3.3. Efecto de concentración del calor por la presencia de un borde de la placa
cercano al cordón.
Entonces es en el caso de estos dos cordones, en el que se puede hablar de una
similitud en las condiciones de enfriamiento, por tanto estos dos cordones son
comparables. Al observar entre ellos dos la relación de diámetro medio de los granos y
energía lineal de soldadura, se aprecia que en el caso que se aportó mayor energía lineal,
los granos crecieron más, por lo que el resultado es coherente con la teoría.
Al compararse los resultados de la relación diámetro medio de los granos y energía
lineal de soldadura, entre los cordones 3 (cordón cercano al borde) y 2 (cordón central) se
aprecia que a pesar de que la energía lineal empleada es mayor en el cordón 2, este tiene
igual tamaño medio de los granos en la ZGG que el cordón 3. Esta aparente incoherencia
puede ser explicada, igual que en el caso anterior, por las condiciones de disipación a
través del mecanismo de conducción del calor, es decir: El cordón 2 recibe mayor energía
lineal, pero su transferencia del calor es más efectiva pues puede transferir hacia ambos
lados, mientras que el cordón 3, como ya se analizó, transfiere preferiblemente hacia el
centro. Por tanto el exceso en energía lineal aportada del cordón 2 respecto al 3, es
compensado por una disipación más intensa, lo que permite que el metal aledaño a este
cordón esté expuesto a temperaturas y tiempo de permanencia a estas temperaturas,
similares a los del cordón 3. Este análisis hace coherente el resultado obtenido.
37
La figuras 3.4 y 3.5 muestran las relaciones entre la energía lineal de soldadura
aportada y el ancho de la ZAC y la profundidad de la ZF respectivamente.
Fig. 3.4. Relación entre el ancho de la ZAC y la energía lineal de soldadura aportada.
Fig.3.5. Relación entre la profundidad de la ZF y la energía lineal de soldadura aportada.
38
En ambos gráficos se comprueba al comparar los cordones 1 y 3, que disipan el calor en
igualdad de condiciones (ambos son cordones cercanos al borde), que al aportar mayor
energía lineal se obtiene mayor ancho de la ZAC y profundidad de la ZF. Este es un
resultado coherente con lo esperado en teoría.
3.3. Empleo de los resultados obtenidos para corroborar resultados de un modelo de elementos finitos.
Como parte de la investigación (desarrollo de dos tesis de grado) se emplearon los
resultados de la metalografía para corroborar resultados de modelos de elementos finitos
obtenidos por otro investigador.
Las figuras 3.6 y 3.7 muestran las historias térmicas de dos puntos, en cada cordón,
correspondientes a la posición en que quedaron colocados dos termopares sobre la placa.
Como se puede apreciar la estructura metalográfica obtenida en la zona en que fueron
colocados los termopares (termopar más cercano al lugar de inicio del cordón), coincide
con el pico de temperatura obtenido por el MEF.
Fig. 3.6. Estructura metalográfica observada en el entorno del termopar 1, cordón 3 e
historia térmica del punto coincidente con la punta del termopar (curva roja), obtenida por
MEF.
39
Fig. 3.7. Estructura metalográfica observada en el entorno del termopar 1, cordón 2 e
historia térmica del punto coincidente con la punta del termopar (curva roja), obtenida por
MEF.
La figura 3.8 muestra para el cordón 3 (en la zona donde estaría colocado el termopar 1)
el campo de temperaturas obtenido de un modelo de elementos finitos.
Fig. 3.8. Profundidad de la ZF, en la probeta 3 (al nivel del termopar 1), obtenido por MEF.
40
Como se puede apreciar en la anterior figura, la profundidad de la zona fundida (más de
1480 °C a 1500 °C) es de aproximadamente 3 mm. La profundidad medida, empleando el
microscopio óptico metalográfico, es de (según la tabla 2.6 y la figura 3.5) 3.1 mm. Esta
coincidencia en los resultados permite, a partir de los resultados metalográficos demostrar
la validez del modelo de elementos finitos creado y solucionado.
Conclusiones parciales.
1. Los resultados de los ensayos metalográficos fueron empleados para la
corroboración de modelos de elementos finitos, observándose una adecuada
correspondencia entre ambos.
41
Conclusiones generales. 1. El metal base empleado posee una composición química tal, que no ha posibilidad
de que se endurezca por encima de 350 HV (al menos en condiciones normales de
enfriamiento al aire), por lo que no muestra tendencia al agrietamiento en frío y
posee buena soldabilidad. Se comprobó a partir de la evaluación estadística de los
perfiles de dureza obtenidos para cada ciclo térmico, que existe una diferencia
significativa entre la dureza de la ZF (definida por el electrodo, un E 7018) y la ZAC.
2. Se comprobó la existencia de una relación entre la energía lineal de soldadura
aportada en los experimentos y el diámetro medio de grano en la ZGG, tal que a
mayor energía lineal de soldadura, para iguales condiciones de enfriamiento, se
obtiene mayor tamaño de grano. Se comprobó que diferentes condiciones de
enfriamiento de los cordones, pueden modificar esta relación.
3. Se comprobó la existencia de una relación entre la profundidad de la ZF y el ancho
de la ZAC, con la energía lineal de soldadura aportada, tal que para iguales
condiciones de disipación de calo, en la medida que aumenta la energía lineal, se
obtiene mayor ancho de la ZAC y mayor profundidad (penetración) de la ZF.
42
Recomendaciones.
1. Comprobada a lo largo del trabajo la relación entre la estructura metalográfica y los
ciclos térmicos, se debe trabajar en la realización de experimentos lo
suficientemente amplios y variados, tal que se pueda cuantificar esta relación, a
través de la obtención de ecuaciones de regresión u otra herramienta estadística.
2. La estructura metalográfica de uniones y depósitos de soldadura puede ser
empleada para la corroboración o validación de modelos de elementos finitos.
3. Realizar experimentos que consideren diferentes espesores de placa, tal que se
pueda analizar y cuantificar la influencia de esta variable en la estructura
metalográfica final obtenida.
43
Bibliografía. (1) (Burgos Sola, J). "Tecnología de Soldadura." Editorial pueblo y Educación (1987). (2) (Reina Gómez, M). "(Madrid, España. 1986.)." Soldadura de los aceros y sus aplicaciones”. (3) (Autores, C. d.). "Apuntes sobre la asignatura Soldadura."(2000.). (4) (Docente, P.). "laboratorio de microscopia óptica." (5) (George.L.kell). "fundamentos de la práctica metalográfica." (Madrid 1963). . (6) (Guliaev, A. P). "metalografía." " tomo1 y 2. (7) ("Guía para la elaboración de procedimientos."). "PG-01”. (8) (Prácticas, m. d.). "ciencia de los materiales."
Anexos.
Anexo 1. Procedimiento para la preparación de probetas metalográficas. OBJETIVO. Establecer los requerimientos técnicos necesarios en la preparación de probetas para los
ensayos metalográficos y la observación al microscopio.
ALCANCE. Se aplica a las uniones soldadas y metal base de aceros y aleaciones que serán
sometidas a ensayos metalográficos en el laboratorio.
TÉRMINOS Y DEFINICIONES. Metales: Se entiende por metal toda sustancia que posee brillo metálico propio en mayor o
menor medida y plasticidad; cuerpo con brillo metálico que se puede forjar (M.
Lomonosov, definición técnica.)
Probetas: Sección metálica rectificada y pulida para la realización del ensayo.
Ensayo metalográfico: Investigación de la macro y la microestructura de los metales (NC
05-10).
Colas de cometa: Aparecen cuando el pulido final se realiza incorrectamente; o lo que es
lo mismo se mantiene la probeta fija en el paño, esto hace que los INM se desprendan y
se produzcan huecos y picaduras o rasgaduras en el metal adyacente.
Ataque: Acción de aplicar un reactivo químico a superficies pulidas de una probeta para
revelar los detalles de su estructura metalográfica.
DTN: Documentación técnica normalizada.
INM: Inclusiones no metálicas.
RESPONSABILIDADES. 4.1 El Jefe de la Línea de Diagnóstico y Pronóstico de Fallas es responsable de la
implantación del presente documento.
DESARROLLO. 5.1 Disposiciones generales.
5.1.1 Para realizar los ensayos metalográficos de un metal es necesario la preparación de
las probetas que se escogen de los lugares que se estimen necesarios.
5.1.2 La preparación de la zona consiste, en general en obtener primero una superficie
plana y semipulida mediante el empleo de papeles de esmeril desbastadores de finuras de
granos crecientes, terminando con un pulido fino mediante un paño o fieltro provistos con
un abrasivo determinado, o utilizando el pulido electrolítico.
5.1.3 Los ensayos de la microestructura se pueden realizar, mediante dos formas, una
directamente en la zona preparada (superficie especular que es la requerida para después
efectuar el ataque usando el reactivo necesario para cada metal), o levantando réplicas
metalográficas y observando adecuadamente la estructura a diferentes aumentos, para
escoger el aumento adecuado al trabajo que se pretende realizar.
5.1.4 Para los ensayos de la macroestructura, es necesario la obtención de una superficie
desbastada preferiblemente hasta papel desbastador No. 800 que es la requerida en
algunos casos; también en ocasiones es necesario llegar a una superficie especular y
luego usar el reactivo adecuado para estos fines y hacer una observación a simple vista o
a bajos aumentos (hasta 30X).
5.1.5 Uno de los factores más importantes que influye sobre la técnica de preparación de
superficies, es el cuidado con que se realicen todas las fases de la operación. Debe
trabajarse con limpieza para evitar el transporte a la superficie de las partículas que se
desprenden en el proceso, tanto del metal como del propio esmeril por lo que se hace
necesario lavar con agua corriente las manos y la probeta cada vez que se cambie de
papel.
5.2 Selección de las zonas a preparar.
5.2.1 Las zonas a estudiar debe tomarse de la región donde se encuentra el defecto para
obtener una mayor información.
5.2.2 Debemos tener en cuenta durante el proceso de desbaste, que la presión que se
ejerza con el medio abrasivo o lija sobre la superficie no sea excesiva, ya que se
producen rayas muy profundas difíciles de eliminar que pueden distorsionar el metal de la
superficie en ocasiones hasta un milímetro de profundidad en la misma, alterando el
aspecto de la estructura metalográfica. Esta distorsión se elimina aplicando técnicas
adecuadas de desgaste y pulido como por ejemplo atacar y pulir alternativamente varias
veces.
5.3 Preparación de la superficie.
5.3.1 Desbaste grueso: La superficie se hace plana mediante el desbaste grueso, que se
lleva a cabo usando papel de esmeril de 80 - 100 mesh hasta 150 - 180 mesh, fijando el
esmeril al plato o disco de la pulidora con agua para facilitar el agarre, la posición de la
mano debe quedar lo más perpendicular posible a la superficie, logrando que el rayado
quede uniforme y paralelo.
5.3.2 Para realizar el desbaste debemos girar 90 grados con relación al rayado anterior,
para eliminarlo con el papel siguiente, de esta forma se hace sucesivamente hasta concluir
la operación de desbaste y entre cada papel se lava con agua corriente la muestra y las
manos.
5.3.3 Cuando la superficie de la probeta es completamente plana se ha terminado el
desbaste grueso, continuando con el desbaste intermedio.
5.3.4 Desbaste intermedio: Se realiza de la misma forma que el anterior, con la diferencia
que el esmeril es más fino, de 220 a 400 mesh aproximadamente y seguidamente se pasa
al desbaste fino.
5.3.5 Desbaste fino: Se diferencia de los anteriores que el esmeril es mucho más fino, de
600 a 800 mesh y se debe hacer con menos presión, más cuidadosamente y con mucha
limpieza, ya que cualquier partícula puede afectarlo. Cuando concluimos esta operación
hemos finalizado el desbaste. La limpieza de las manos y la superficie tiene que ser
mucho más rigurosa ya que vamos a pasar al pulido final.
5.3.6 Pulido final: El objeto de éste, es hacer desaparecer las rayas finas producidas en la
ultima operación de desbaste, se realiza mediante un paño de billar u otra tela apropiada,
a la que se añade como abrasivo alúmina (oxido de aluminio), oxido de cromo, u otros.
5.3.7 Para realizar el pulido final se gira la probeta en sentido contrario al de la rotación
del disco donde se encuentra fijo el paño. Es necesario ir añadiendo de cuando en cuando
suspensión del abrasivo, si la cantidad de este sobre el disco es suficiente, pero se seca el
paño, se añade agua clara (destilada), en la cantidad necesaria para mantener una
humedad de forma que al separar la probeta del disco quede una película de humedad
que se evapora rápidamente (2-5 seg), este grado de humedad es el óptimo.
Debemos tener en cuenta que si añadimos agua en exceso la acción pulidora se retarda y
si se seca demasiado el paño o la probeta puede mancharse.
5.3.8 Al finalizar este proceso la superficie de la probeta debe estar, totalmente pulida o
sea especular y sin rayas.
5.3.9 Pulido electrolítico: Este es otro tipo de pulido final, evita la formación de capas
distorsionadas.
5.3.10 Consiste en un mecanismo de disolución anódica. Se forma muy próxima a
superficie que se pule una capa viscosa debido a la disolución anódica, esta capa
presenta mayor resistencia eléctrica que el resto del electrolito, en las crestas o salientes
de esta probeta tal capa es más delgada, el gradiente de concentración mayor, y la
resistencia electrolítica más baja que en las porciones de la película o capa que se forma
en los valles entrantes, por tanto, para un mismo potencial, la densidad de corriente es
mayor en los salientes que en los en los entrantes por lo que las crestas se disuelven más
rápido que los valles, esto origina un alisamiento progresivo o sea que la superficie se pule
y a la vez adelgaza.
Lo más importante para lograr un buen pulido electrolito es la relación entre densidad de
corriente y voltaje para cada electrolito.
Realizando una curva entre densidad de corriente y voltaje, logramos un buen pulido
cuando al hacer variaciones en el voltaje no varíe la densidad de corriente, curva de
densidad de corriente contra voltaje en electrolitos que actúan con densidad de corriente
casi constante; donde el tramo C-D es donde ocurre el pulido.
Este tramo conocido como meseta es más o menos amplio en dependencia del metal que
se pule y del electrolito usado.
En la región A-B de la curva existe proporcionalidad en el aumento de ambas magnitudes
h corresponde a la formación de la película en la superficie de la probeta, en este caso la
película es inestable y la velocidad de difusión en el electrolito es mayor que la de
formación; esto se va superando a medida que llegamos al punto B de la curva a medida
que aumenta el voltaje a la vez la película se va haciendo mas estable, aumenta la
resistencia eléctrica y cae el potencial produciéndose una pequeña pero significativa caída
de densidad de corriente que se observa en el tramo B - C.
En el punto C se establece un equilibrio en el que la velocidad de formación de la capa es
igual a la velocidad de difusión del electrolito, en estos momentos la película está saturada
en los iones del metal ya que la velocidad alta de disolución de la probeta y del aumento
del voltaje hasta un punto limite lo que hace es aumentar uniformemente el espesor de la
película; a la vez que aumenta la, resistencia eléctrica, esto justifica que al aumentar el
voltaje no aumente la densidad de corriente hasta llegar al punto D. Por todo esto el tramo
C-D es donde se consigue un pulido satisfactorio. Al sobrepasarse este punto se produce
un abundante desprendimiento gaseoso en la superficie de la probeta que rompe la
continuidad de la capa, por lo que vuelve a aumentar la densidad de corriente en el tramo
D-E. Esto crea un pulido irregular que provoca una superficie muy ondulada por lo que no
es conveniente.
5.3.11 La elección del electrolito depende de la composición y características estructurales
de la probeta; los recomendados de acuerdo con lo expuesto anteriormente pueden
encontrarse en la tabla del anexo DP-04.A1 donde damos además tipo de cátodo, tiempo
de pulido, temperatura, voltaje y densidad de corriente.
5.3.12 Para realizar el pulido electrolito se requieren ensayos preliminares por parte del
técnico con el fin de fijar los parámetros óptimos de la operación. ¿Qué tipos de ensayos?
5.3.13 Este tipo de pulido no crea distorsión en la superficie del metal por lo que es ideal
para la preparación de metales blandos, aleaciones monofásicas y aleaciones que
endurecen por deformación como los aceros inoxidables auténticos, este método puede
ahorrar tiempo en la preparación de probetas en serie de la misma clase o en pulidos de
probetas muy grandes.
5.3.14- El pulido electrolito tiene como desventaja la destrucción total o parcial de las INM
por reacción química con el electrolito por lo que no debemos usarlo en probetas que
deseemos para este fin.
5.3.15 Cuando se ha concluido el proceso de pulido nuevamente lavamos la probeta, se
seca con aire caliente, se limpia la superficie con alcohol etílico o izopropílico para eliminar
cualquier suciedad o resto de grasa para luego proceder a realizar el ataque químico (Ver
procedimiento de Ataque de las probetas para el examen microscópico). Es necesario
tener cuidado de no tocar con los dedos la superficie pulida ya que produce un ataque
desigual y con manchas.
5.3.16 Si no deseamos realizar el ataque químico ya que se va a hacer un estudio con las
INM (ver procedimiento de ataque) inmediatamente de concluido el proceso de pulido.
5.3.17 Si deseamos guardar la superficie ya que no va a ser observada inmediatamente
podemos conservarla con una película de grasa fina sobre la parte preparada, y guardarla
en una desecadora con vacío para protegerla de la oxidación.
5.4 Técnicas de seguridad durante el desbaste y pulido de las probetas
5.4.1 El lugar de preparación de la superficie debe tener buena iluminación, buena
ventilación y agua corriente abundante.
5.4.2 Deben utilizarse guantes para manipular los reactivos con que se prepara el
electrolito.
5.4.3 Utilizar una fuente variable de voltaje y corriente, donde este bien clara la polaridad y
que esté‚ estabilizada.
5.4.4 Al preparar los electrolitos debemos tener precaución al realizar las mezclas de
reactivos sobre todo si son ácidos.
5.4.5 El almacenaje de los reactivos de pulido electrolitos deben estar en un lugar
ventilado y en algunos casos con refrigeración y bien identificados los frascos, teniendo
señalada la fecha de preparación.
5.4.6 Después de realizado el pulido electrolito recoger los reactivos, limpiar los
recipientes usados como celda, limpiar el cátodo y desconectar la fuente.
5.4.7 Mantener el orden y la limpieza en el lugar.((7) "Guía para la elaboración de
procedimientos.")
Anexo 2. Procedimiento para la realización del ataque de probetas metalográficas. OBJETIVO. 1.1 Establecer los métodos de ataque mediante los cuales se hacen visibles las
características estructurales de las probetas.
ALCANCE. 2.1 Se aplica a probetas de uniones soldadas y metal base de aceros y aleaciones que
sean sometidas a ensayos metalográficos ya sea macro o microestructura.
TÉRMINOS Y DEFINICIONES. 3.1 Probeta: Sección metálica rectificada y pulida para la realización del ensayo.
3.2 Ensayo metalográfico: Investigación de la micro y macroestructura de los metales (NC
05-10).
3.3 Ataque: Acción de aplicar un reactivo químico a superficies pulidas de una probeta
para revelar los detalles de su estructura metalográfica.
3.4 Microestructura: Comprende el tamaño forma y distribución entre si de los cristales de
los constituyentes que se hallan en el metal tal como se observa en el microscopio.(NC
05-10).
RESPONSABILIDADES. 4.1 El jefe de la línea de diagnostico y pronóstico de fallas es responsable de la
implantación del presente procedimiento.
4.2 El jefe del laboratorio de mecanografía es el responsable de controlar la ejecución
correcta de lo establecido en este documento, así como de verificar y certificar que los
trabajos se ejecuten de la forma establecida.
4.3 Los técnicos del laboratorio de metalografía son responsables de la ejecución de los
trabajos establecidos por el presente documento referido al ataque químico de las
probetas, así como del llenado de la documentación de registros.
DESARROLLO. 5.1 Generalidades
5.1.1 Para realizar el ataque de la probeta es necesario que previamente este bien pulida.
5.1.2 Con el ataque se revelan las características estructurales verdaderas de la probeta,
ya que sin atacar se observan solamente los defectos superficiales, la INM y algunos
otros.
5.1.3 El ataque se logra sometiendo la probeta a la acción química de un reactivo
apropiado en condiciones cuidadosas y controladas.
5.1.4 En las aleaciones compuestas de varias fases, los constituyentes se hacen visibles
por el ataque diferencial o el manchado de uno o varios constituyentes, debido a la
diferencia de composición química, que trae consigo diferencias en las velocidades de
disolución.
5.1.5 En los metales puros y aleaciones monofásicas el contraste estructural y los límites
de granos se ponen de manifiesto fundamentalmente, porque los granos que presentan
diferente orientación cristalográfica respecto a la superficie pulida son atacados con
diferente velocidad.
5.2 Formación de metal distorsionado
5.2.1 La formación de metal distorsionado ocurre durante la preparación de la probeta,
debido a las técnicas de desbaste y pulido (ver procedimiento DP-04). Durante este
proceso se crea en la superficie de la probeta una capa de metal deformado en frío que es
provocado como consecuencia natural del desbaste y pulido y es inevitable en mayor o
menor grado, por mucho cuidado que se ponga en la operación.
5.2.2 El contacto entre la superficie de la probeta y las partículas finamente divididas del
abrasivo y los esfuerzos mecánicos, más el efecto térmico inducido, son lo suficientemente
grandes como para hacer fluir el metal más superficial, destruyendo el estado cristalino
superficial, como consecuencia de la alteración de la periodicidad atómica de la red.
5.2.3 Esta superficie alterada presenta una profundidad del orden de algunas distancias
interatómicas, posee una energía libre mas elevada que el metal solo plásticamente
deformado que queda bajo ella, por esta razón se elimina fácilmente por disolución
química durante el ataque.
5.2.4 Por tanto la estructura metalográfica que se observa después del ataque no esta
influenciada por esa superficie desorganizada.
5.2.5 Directamente debajo de esa superficie existe una capa de metal deformada en frío,
cuya estructura cristalina esta perturbada, cuando más próxima se halle de la superficie
desorganizada y tanto menos cuanto más se aproxime al metal base no perturbado.
5.2.6 El espesor de la capa de metal deformado en frío depende de la presión que se
ejerce al desbastar y pulir la probeta contra el papel de esmeril y el paño. Esta capa afecta
el aspecto metalográfico de la probeta atacada, por lo que se hace necesario eliminarla
para asegurarnos de que la estructura observada es la correcta.
5.2.7 La cantidad de metal distorsionado producido en el desbaste y el pulido dependen de
varias circunstancias tales como:
Composición química y estructural de la probeta.
Métodos empleados en el desbaste y pulido.
Cuidado puesto en la preparación.
Naturaleza del abrasivo empleado.
5.3 Eliminación del metal distorsionado
5.3.1 Para eliminar el metal distorsionado y obtener una estructura verdadera es necesario
pulir y atacar varias veces, cuando se ataca por primera vez se observa una seudo
estructura, ya que en un solo ataque no es capaz de eliminar todo.
5.3.2 Para los metales blandos se recomiendan más de tres ciclos de pulido y ataque.
5.3.3 Para estar seguros de que hemos logrado eliminar el metal distorsionado se hace
una buena observación al microscopio. ((7) "Guía para la elaboración de
procedimientos.")
Anexo 3. Procedimiento para la realización de ensayos de dureza vickers OBJETIVO
1.1 Establecer la metodología necesaria para la determinación de la dureza Vickers.
ALCANCE 2.1 Este procedimiento se aplica en probetas metálicas preparadas convenientemente.
TERMINOS Y DEFINICIONES 3.1 HV - Unidad de medida de dureza Vickers. 3.2 Durómetro Vickers – Instrumento utilizado para la determinación de la dureza Vickers. 3.3 Dureza – Resistencia que ofrece un material a ser penetrado por un cuerpo extraño.
RESPONSABILIDADES 4.1 El responsable de implantar el procedimiento es el jefe de grupo de investigación de Diagnóstico y Pronóstico de Fallas. 4.2 El jefe de laboratorio de Diagnóstico y Pronóstico de fallas es el responsable por el control de que sus subordinados cumplan con el procedimiento. 4.3 Los técnicos que trabajarán con este procedimiento son los responsables de cumplir con lo establecido en el mismo y de llenar los registros correspondientes.
REQUISITOS DEL PERSONAL 5.1 Debe tener conocimientos y habilidades en la manipulación del Durómetro Vickers.
DESARROLLO Generalidades. Se entiende por dureza de un material la resistencia que este opone a ser penetrado por
un cuerpo extraño, en la rama mecánica es una propiedad muy importante ha tener en
cuenta al diseñar, reparar o sustituir un elemento o pieza de una instalación o al
caracterizar dicho material. La misma se puede determinar por diferentes métodos como
son: Dureza Brinell, Rockwell A, B y C y Vickers siendo esta última a la que se refiere este
documento, la dureza obtenida por estos métodos pueden compararse entre si por medio
de las tablas correspondientes. De forma que conociendo el valor de la dureza por un
método puede determinarse a que valor de dureza de otro método corresponde.
Dependiendo del método utilizado la dureza se obtiene como resultado de medir la
diagonal o diámetro de la huella dejada sobre la superficie del material ensayado, por un
indentor que varia en forma y tamaño de acuerdo al método empleado, después de ser
aplicado sobre dicha superficie durante un tiempo dado y con una presión, que depende
de la carga convenientemente seleccionada, como es en los casos de la dureza Brinell y
Vickers, o es una magnitud inversa a la profundidad de penetración como en el caso de la
dureza Rockwell. Específicamente para la dureza Vickers el indentor es una pirámide de
diamante con un ángulo entre sus aristas de 36 grados y la carga aplicada puede estar en
el orden de 5 a 10 Kp.
6.2Determinación de la dureza Vickers. La probeta debe estar convenientemente preparada, o sea la misma debe tener un
acabado tal de su superficie de manera que las rugosidades presentes no enmascaren la
huella del indentor, para este propósito es suficiente el acabado que proporciona un papel
de esmeril número 320, debe procurarse además que sea de lados paralelos para evitar
que la huella quede deformada por una penetración del indentor en un ángulo diferente de
90 grados con respecto al plano de la superficie a ensayar o en caso de ser una probeta
de forma irregular garantizar con un soporte o aditamento esta condición.
6.2.2 Coloque la probeta a ensayar en la base del Durómetro Vickers y asegúrese de que
la misma quede lo más firme posible y debajo de la lente objetiva del equipo.
6.2.3 Consulte el manual de operaciones del Durómetro Vickers para seleccionar la carga
a aplicar.
6.2.4 Para la manipulación del Durómetro Vickers consultar la instrucción IT-DP-02.
6.2.5 Seleccione la zona de la probeta a ensayar.
6.2.6 Obtenga la huella y mida el valor de su diagonal.
6.2.7 Con el valor de la diagonal y el de la carga aplicada busque en la tabla de dureza
Vickers suministrado por el fabricante del equipo el valor de la dureza expresado en HV.
6.2.8 Repita los epígrafes del 6.2.4 al 6.2.6 para obtener nuevos valores en caso de que el
ensayo así lo requiera, teniendo en cuenta que la próxima huella debe estar separada de
la anterior en al menos dos diagonales o diámetros (de qué), para evitar que una huella
pueda influir en el valor de la otra.((7) "Guía para la elaboración de procedimientos.")
Anexo 4.croquis de la placa de acero con los cordones de soldadura.
Fig. 1. Croquis de la placa de acero con los cordones de soldadura.
Anexo 5.Análisis estadístico de la dureza en la ZAC y la ZGG y GF.
95, 0% confidence interval for mean of ZF: 149,667 +/- 8, 22767 [141,439,157,894]
95, 0% confidence interval for mean of ZAC: 128,333 +/- 6, 10722 [122,226,134,441]
95, 0% confidence interval for the difference between the means
Assuming equal variances: 21, 3333 +/- 8, 88158 [12, 4518, 30, 2149]
t-test to compare means
Null hypothesis: mean1 = mean2
Alt. hypothesis: mean1 NE mean2
Assuming equal variances: t = 5, 35195 P-value = 0,000322707
The StatAdvisor
---------------
This option runs a t-test to compare the means of the two samples. It also constructs
confidence intervals or bounds for each mean and for the difference between the means.
Of particular interest is the confidence interval for the difference between the means, which
extends from 12, 4518 to 30, 2149. Since the interval does not contain the value 0.0, there
is a statistically significant difference between the means of the two samples at the 95,0%
confidence level.
A t-test may also be used to test a specific hypothesis about the difference between
the means of the populations from which the two samples come. In this case, the test has
been constructed to determine whether the difference between the two means equals 0,0
versus the alternative hypothesis that the difference does not equal 0,0. Since the
computed P-value is less than 0,05, we can reject the null hypothesis in favor of the
alternative.
NOTE: these results assume that the variances of the two samples are equal. In this
case, that assumption appears to be reasonable based on the results of an F-test to
compare the standard deviations. You can see the results of that test by selecting
Comparison of Standard Deviations from the Tabular Options menu.
Fig. 2. Histograma de frecuencias de la dureza (HV) medida.
