Acero

SISTEMAS CRISTALINOS
Los metales al estado sólido presentan estructura
cristalina, esto es, los átomos que lo constituyen
están dispuestos de una manera organizada y
periódica.
Esta disposición típica se llama “celda unidad” o
“celdilla”.
METALURGIA DEL ACERO

SISTEMA CRISTALINO CÚBICO DE
CUERPO CENTRADO.

SISTEMA CRISTALINO DE CARAS
CENTRADAS.

Estructura normal de un metal puro
DEFORMACIÓN

ALEACIONES METÁLICAS.
La estructura cristalina (red) de un metal puro es,
teóricamente, uniforme en todas las direcciones.
En la medida que existan impurezas o átomos de
naturaleza diferente del metal puro, la estructura
cristalina se va distorsionando.

SOLUCIONES SÓLIDAS
Solución Sólida Intersticial Solución Sólida Sustitucional

La distorsión de la red hace más difícil el
deslizamiento de los planos atómicos, esto hace
que el metal sea más resistente.
El adicionarle elementos de aleación a los metales
puros es el principal mecanismo responsable por
el aumento de la resistencia.

NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO DE
GRANO.
Cuando un metal al estado líquido, en un proceso de
enfriamiento lento y continuo, alcanza la
temperatura de solidificación, se comienzan a
formar algunas partículas sólidas llamadas núcleos,.
El crecimiento de cada núcleo individualmente
genera partículas sólidas llamadas granos

Nucleación y crecimiento de granos
El arreglo y tamaño de los granos y las fases presentes en
una aleación constituyen lo que se llama microestructura,
que es la responsable de las propiedades físicas y mecánicas
de la aleación
Nucleación inicial de
solidificación
Grano sólido Grano sólido
Borde de grano
Liquido Liquido

Uno de los efectos de los bordes de grano es influir
en la resistencia de las aleaciones.
A mayor cantidad de bordes de grano (granos
pequeños) mayor es la resistencia al movimiento de
los planos atómicos.
Los granos grandes (menor superficie de bordes de
gano) tienen menor resistencia  más blandos

Defectos frecuentes de la etapa de fusión y
solidificación son:
– Microgrietas
– Segregación de elementos de aleación
– Formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo:
granos muy alargados y granos pequeños)
– Inclusiones no metálicas
– Porosidades
– Rechupe, (hueco debido a la contracción del metal
líquido al solidificarse y que no han sido llenado
por má metal líquido).

ACERO EFERVESCENTE
(RIMMED)
Acero desoxidado parcialmente,
que contiene suficiente oxígeno
para formar monóxido de carbono
durante la solidificación que
compensa el rechupe de la
solidificación.
Son más apropiado para la
producir láminas de acero
Línea de corte

ACERO CALMADO (KILLED)
Proceso de desoxidado ya sea por
agentes desoxidantes fuertes en la
cuchara (Si o Al) o por tratamiento
de vacío, para reducir el contenido
de oxígeno a niveles tales que no
ocurran reacciones entre el
carbono y el oxígeno durante la
solidificación.
Línea de corte

Líquido
Líquido
+
Austenita
Líquido
+
Cementita
Austenita + Cementita
Austenita
Ferrita
Ferrita + Cementita
723 ºC
600
400
200
800
1.000
ºC
1.200
1.400
1.600
0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,7
Austenita
+
Ferrita A1
ACM
A3
6,0
Carbono, porcentaje en peso
Temperatura,ºC
1.141 ºC
DIAGRAMA DE FASES Fe−Fe3C.

CURVAS TEMPERATURA-TIEMPO-
TRANSFORMACIÓN (TTT).
El diagrama de fase Fe−Fe3C, a pesar de ser de gran
utilidad, no ofrece informaciones acerca de la
transformación de la austenita en condiciones
diferentes de las condiciones de equilibrio.
Una manera de obtener estos datos es la utilización
de un diagrama de transformación isotérmica o
diagrama TTT, que se obtiene por el enfriamiento de
la austenita rápidamente a una temperatura dada y allí
se espera la transformación de fase.

Líquido
Líquido
+
Austenita
Líquido
+
Cementita
Austenita + Cementita
Austenita
Ferrita
Ferrita + Cementita
723 ºC
600
400
200
800
1.000
ºC
1.200
1.400
1.600
0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,7
Austenita
+
Ferrita A1
ACM
A3
6,0
Carbono, porcentaje en peso
Temperatura,ºC
1.141 ºC

723 ºC
Austenita
Tiempo
500
600
400
300
200
100
700
Temperatura
ºC
A3
A1
CURVA TTT DE UN ACERO
MS
MF
Perlita fina
Perlita gruesa
Bainita
Martensita
Austenita

723 ºC
Austenita
Perlita fina
Perlita gruesa
Tiempo
500
600
400
300
200
100
700
Temperatura
ºC
Austenita
A3
A1
Acero con bajo
contenido de C y
elementos de
aleación
723 ºC
MS
MF
Martensita
Tiempo
500
600
400
300
200
100
700
Temperatura
ºC
A3
A1
Acero con
mediano
contenido de C
723 ºC
MS
MF
Tiempo
500
600
400
300
200
100
700
Temperatura
ºC
A3
A1
Acero con alto
contenido de C

RECOCIDO.
El Recocido consiste en calentar el acero por sobre Ac3 y
dejarlo enfriar dentro del horno o aislado con mantas
térmicas.
Se obtiene una estructura más gruesa, lo que implica
disminución de la resistencia del material.
Se utiliza antes de procesos de maquinados, para facilitar la
operación.
Enfriamiento en el
horno

NORMALIZADO.
El Normalizado consiste en calentar el acero por sobre Ac3
y dejarlo enfriar al aire calmo.
La estructura y propiedades mecánicas obtenidas con este
tratamiento térmico se consideran, por convención, como
normales
Enfriamiento al
aire calmo

Cuando ocurre un enfriamiento a una velocidad tal que
evita la transformación de la austenita en las estructuras de
equilibrio, se obtiene una fase sobresaturada en carbono
llamada martensita.
Se llama temple al enfriamiento que permite la formación
de la martensita.
723 ºC
MS
MF
Martensita
Tiempo
500
600
400
300
200
100
700
Temperatura
ºC
A3
A1

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA POSICIÓN DE
LAS CURVAS TTT.
• Contenido de carbono − Cuanto mayor es el contenido
de carbono, hasta un porcentaje de 0,8%, la curva TTT
quedará ubicada más a la derecha.
• Contenido de elementos de aleación − Cuanto mayor
sean los contenidos de elementos de aleación, con la
excepción del B, más a la derecha quedará ubicada la
curva TTT.
• Tamaño de grano y homogeneización de la austenita
− cuanto mayor sea el tamaño de grano de la austenita y
cuanto más homogénea sea su forma, más a la derecha
quedará ubicada la curva TTT.

CARBONO EQUIVALENTE (CE).
La adición de elementos de aleación en el acero
generalmente se utiliza para mejorar las propiedades
mecánicas y las propiedades de resistencia a la corrosión.
Sin embargo, esto está acompañado por el desplazamiento
de las curvas TTT de los aceros hacia la derecha, esto
significa que con menores velocidades de enfriamiento se
puede alcanzar la estructura martensítica.
El efecto de los elementos de aleación es consecuentemente
muy importante en la tendencia de la formación de la
estructura martensítica en la ZAT y, por lo tanto, en la
tendencia a la fisuración por el hidrógeno.

Esa tendencia es conocida como carbono equivalente y se
puede expresar de la siguiente forma:
Es importante mencionar que existen innumerables
expresiones para el CE, la citada (desarrollada por el IIW),
es una de las más comunes.
El CE es utilizado para la evaluación de la soldabilidad
relativa de los aceros templables, en lo referido a la
fisuración por el hidrógeno.
Por ejemplo aceros con CE > 0,40 necesitan de cuidados
especiales para evitar la fisuración por el hidrógeno.
15
CuNi
5
MoCrV
6
Mn
CCE
+
+
++
++=

PRECALENTAMIENTO.
Tiene como principal efecto reducir la velocidad de
enfriamiento de la unión soldada, permitiendo de esta
forma:
– Evitar el temple, esto es, la formación de martensita.
– Aumentar la velocidad de difusión del hidrógeno en
la unión.
El precalentamiento hace que la unión soldada alcance
temperaturas ligeramente más elevadas y que
permanezca a esas temperaturas por más tiempo.
METALURGIA DE LA SOLDADURA

En materiales de alta templabilidad como, por ejemplo
los aceros aleados, es bastante usual la utilización de
precalentamiento.
El precalentamiento tiene como desventaja aumentar la
extensión de la zona afectada térmicamente y por lo
tanto en algunos materiales el precalentamiento puede
tener un efecto bastante perjudicial.
Un ejemplo es el soldeo de aceros con 16% de cromo
en los cuales un precalentamiento excesivo puede
propiciar la formación de fases de baja tenacidad.
METALURGIA DE LA SOLDADURA

TRATAMIENTO TÉRMICO DE ALIVIO DE
TENSIONES.
El tratamiento térmico de alivio de tensiones consiste, de
un modo simplificado, en calentar uniformemente la
pieza de manera que el límite de fluencia del material
quede reducido a valores inferiores a las tensiones
residuales.
El tratamiento térmico de alivio de tensiones es efectuado
por medio del calentamiento de la pieza a la temperatura
apropiada y por la mantención en esta temperatura por un
determinado tiempo, seguido de un enfriamiento
uniforme de modo de impedir la introducción de nuevas
tensiones.

Para impedir los cambios en la microestructura o
dimensiones de la pieza, la temperatura se mantiene
por debajo de la temperatura crítica inferior.
Para los aceros al carbono los tratamientos son
realizados a temperaturas superiores a 500 ºC.
El tratamiento térmico de alivio de tensiones puede
reducir la tenacidad del metal base, esto se torna
bastante relevante en ocasiones en que se hace
necesaria la ejecución del tratamiento térmico por
más de una vez.

FISURACIÓN POR EL HIDRÓGENO O
FISURACIÓN EN FRÍO.
La fisuración por el hidrógeno es consecuencia de
la acción simultánea de cuatro factores:
• hidrógeno disuelto en el metal fundido;
• tensiones de tracción asociadas a la soldadura;
• una estructura frágil y;
• estar a baja temperatura (por debajo de los 150 ºC).
Ninguno de esos factores, aisladamente, provoca la
fisuración en frío.

La acción simultánea de esos cuatro factores es
responsable por la aparición de grietas que se
manifiestan según la siguiente figura.
1
3
2
1. Grieta bajo cordón 3. Grietas en el borde
2. Grietas en la raíz

DESHIDROGENADO.
El deshidrogenado consiste en la mantención de la
unión soldada a una temperatura por sobre los 150
ºC por un determinado tiempo, por ejemplo 2 Hrs a
250 ºC, con el objetivo principal de aumentar la
difusión del hidrógeno en la soldadura.
El deshidrogenado debe ser ejecutado tan pronto
como se termine el proceso de soldeo, de manera de
no permitir el enfriamiento de la unión soldada.

Los compuestos que contienen hidrógeno se
descomponen en la atmósfera del arco liberando
hidrógeno atómico o iónico (H+).
Las principales fuentes de hidrógeno son:
• Revestimiento orgánico de los electrodos;
• Humedad absorbida o adsorbida por el revestimiento
de los electrodos, particularmente los de bajo
hidrógeno;
• Humedad del fundente, en el proceso de soldadura al
arco sumergido.
• Compuestos hidratados existentes en la pieza, como
por ejemplo la herrumbre.
• Humedad del aire.

La soldadura al estado líquido, disuelve cantidades
apreciables de hidrógeno.
La solubilidad disminuye con la temperatura y de
forma discontinua en la solidificación y en las
transformaciones alotrópicas.
Resultado final ⇒ sobresaturación con hidrógeno
Temperatura
de Fusión
Temperatura
ContenidodeH
disuelto
Ferrita
α
Austenita
γ
Ferrita
δ

Evolución del Hidrógeno en las Soldaduras
Concentración de hidrógeno en ml/100 g
Proceso
Soldadura
Líquida
Liberación
en 24 Hrs
Liberación
en 20 días Residual
Electrodo
revestido
E6010
28 10 3 15
Electrodo
revestido
E6012
15 6 2 7
Electrodo
revestido
E6015
8 2 1 5
TIG
(Argón)
4 1 0 3

Por medio de estos datos, se ve que el riesgo de
fisuración es temporal, existiendo mientras el
hidrógeno se está desprendiendo de la unión
soldada.
Es evidente la ventaja del deshidrogenado de las
uniones soldadas sensibles a la fisuración en frío,
pues en esas condiciones –por ejemplo a 250 ºC
durante 2 horas– el hidrógeno es eliminado mientras
la temperatura de la unión soldada permanezca
sobre la temperatura de peligro.

FISURACIÓN EN CALIENTE.
La fisuración en caliente resulta de la segregación
de fases de punto de fusión más bajo que el metal
de la zona fundida o de la zona afectada
térmicamente.
1
2
1. Grieta longitudinal en la zona fundida
2. Grieta en el cráter

El final de la unión soldada –el cráter– es una
región susceptible a la fisuración debido a la
segregación de impurezas y a los esfuerzos de
contracción resultantes de una solidificación rápida.
Una buena solución es la extinción gradual del arco
eléctrico; el esmerilado del cráter puede eliminar las
grietas.
Otra solución es añadir, siempre que sea posible,
una extensión sacrificable donde se termine el
proceso del soldeo de cada cordón.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS AL CARBONO.
Aceros de Bajo Carbono.
– Composición
Química
C ≤ 0,18%
Mn ≤ 0,90%
Si < 0,1% (en algunos casos)
– Límite de
Resistencia σr
32 ≤ σr ≤38 Kgf/mm2
(45.500 psi ≤ σr ≤
54.000 psi)
– Límite de fluencia
σf
15 ≤ σf ≤ 22 Kgf/mm2
(21.300 psi ≤ σf ≤
31.200 psi)
– Característica de
fabricación
Aceros no calmados o semicalmados
– Aplicación Los aceros de bajo carbono son materiales
fáciles de trabajar en frío y muy fáciles de
soldar

Aceros de Medio Carbono.
– Composición
Química
0,18% < C ≤ 0,28%
Mn ≤ 1,00%
Si < 0,1% (en algunos casos)
– Límite de
Resistencia σr
42 ≤ σr ≤ 49 Kgf/mm2
(59.700 psi ≤ σr ≤ 69.700
psi)
– Límite de fluencia
σf
23 ≤ σr ≤ 27 Kgf/mm2
(32.700 psi ≤ σf ≤ 38.400
psi)
fabricación
Aceros calmados o semicalmados de grano grueso
– Aplicación Los aceros de medio carbono son fáciles de soldar.
Utilizados en la mayoría de los recipientes a
presión y tubos de gran diámetro.

Aceros de Alta Resistencia.
– Composición
Química
Semejante a la de los aceros de bajo carbono, con
cantidades más altas de manganeso.
– Límite de
Resistencia σr
Valores bastante elevados, pudiendo llegar a 65
Kg/mm2
(92.400 psi)
fabricación
Los aceros al carbono de alta resistencia son
sometidos a tratamientos térmicos de temple y
revenido, después de la laminación.
– Aplicación Como el porcentaje de carbono es bajo, se pueden
soldar fácilmente, sin embargo es bastante difícil
mantener las propiedades de alta resistencia en la
ZAT, lo que exige cuidados y tratamientos
especiales.
Se emplean para recipientes de alta presión o de
grandes dimensiones.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS DE ALEACIÓN.
Conforme al porcentaje total de elementos de aleación
presentes, se distinguen tres clases de aceros de aleación:
• Aceros de baja
aleación
Hasta 5% de elementos de aleación
• Aceros de
media aleación
Desde 5% a 10% de elementos de
aleación
• Aceros de alta
aleación
Más de 10% de elementos de aleación

Aceros al Níquel.
Los aceros al níquel más usuales son:
Los aceros con contenidos de níquel como elemento de
aleación son los materiales utilizados para servicios a bajas
temperaturas.
Composición Nominal
2 ½ %
3 ½ %
9 %

Aceros Al Molibdeno y Cromo–Molibdeno.
Los aceros al molibdeno y cromo–molibdeno son aceros con
contenidos de hasta 1% de Mo y hasta 9% de Cr como
elementos de aleación.
Las aleaciones más utilizadas son:
Composición Nominal
½ Mo
1 ¼ Cr ½ Mo
2 ¼ Cr 1 Mo
5 Cr ½ Mo
7 Cr ½ Mo
9 Cr 1 Mo

Aceros con Contenido Hasta 2 ½ % de Cr.
Estos aceros fueron desarrollados específicamente para
servicios a altas temperaturas, donde los esfuerzos
mecánicos fueran elevados y la corrosividad de media a
moderada.
La principal aplicación de estos aceros aleados es para
tuberías de vapor cuya temperatura esté por encima del
límite de temperatura admitida para aceros al carbono.
Aceros con Contenido Mayor a 2 ½ % de Cr,
El principal empleo de estos materiales es tubería de
intercambiadores de calor y equipos de pequeño y
medio tamaño en servicios con hidrocarburos a
temperaturas sobre 250º C.

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