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ESTUDIO DE LA MICROESTRUCTURA EN LA ZONA AFECTADA POR EL
CALOR (ZAC) DE UNA UNIÓN DISÍMIL ENTRE UN ACERO INOXIDABLE
AISI/SAE 316L Y UN ACERO DE BAJA ALEACIÓN AISI/SAE 4140 CON
DIFERENTE POST TRATAMIENTO TÉRMICO
JEISON CAMILO BECERRA BONILLA
WILLIAM MARTÍNEZ ROSALES
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO
MECÁNICO
DIRECTOR
ING. LUIS HERNANDO CORREA MURILLO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTA D.C.
2020
1
Nota de aceptación
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
Presidente Jurado
____________________________
Firma del jurado
___________________________
Firma del jurado
2
TABLA DE CONTENIDO
1. RESUMEN…………………………………………………………………………... 9
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………………………………………..….. 10
3. OBJETIVOS ………………………………………………………………………... 11
4. JUSTIFICACIÓN …………………………………………………………………... 12
5. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES ……………………………………….... 13
5.1 ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS……………………………………….... 13
5.1.1 ACERO AISI/SAE 4140……………………………………………..... 14
5.2 ACEROS INOXIDABLES…………………………………………………..…. 16
5.2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES…………..…. 17
5.2.2 ACERO INOXIDABLE AISI/SAE 316L…………………………..…. 19
5.3 SOLDADURA……………………………………………………………..….… 19
5.3.1 PROCESOS DE SOLDADURA POR FUSIÓN…………………….... 20
5.3.2 CARACTERÍSTICAS DE UNA JUNTA SOLDADA POR
FUSIÓN……………………………………………………………..... 21
5.3.3 SOLDADURA DE LOS ACEROS INOXIDABLES
AUSTENÍTICOS……………………………………...………….....… 23
5.4 DIAGRAMA DE SCHAEFFLER ……………………………………………… 24
5.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS………………………………………...…...…. 25
5.5.1 TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS………………………….. 26
5.5.2 INFLUENCIA DEL MEDIO DE TEMPLE, GEOMETRÍA Y
TAMAÑO DE LA PIEZA………………………………………….…. 29
5.6 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN …………………………………….. 29
5.6.1 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA………..… 30
3
5.6.2 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN DE
ENFRIAMIENTO CONTINUO ……………………………….…….. 30
5.7 ANTECEDENTES………………………………………………...……….…… 31
6. PROCEDIMIENTO ………………………………………………………………… 34
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS ……………………………………………………. 45
7.1 SIN TRATAMIENTO TÉRMICO……………………………………………..... 45
7.2 NORMALIZADO …………………………………………………...………...... 55
7.3 RECOCIDO ………………………………………………………………….…. 62
7.4 TEMPLE EN ACEITE……………………………………………………..…..... 67
7.5 TEMPLE EN AGUA …………………………………………………………… 71
8. CONCLUSIONES ……………………………………………………………….…. 75
9. RECOMENDACIONES …………………………………………………….....…… 79
10. BIBLIOGRAFÍA …………………………………………………………………… 81
11. ANEXOS …………………………………………………………………………… 84
4
LISTA DE FIGURAS
Fig.1 Diagrama de fases hierro-carbono ("Diagrama Hierro-Carbono", 2012)…………….. 15
Fig.2:microestructura de un acero inoxidable ferrítico ……………………………………. 17
Fig.3 microestructura de un acero inoxidable martensítico …………………………...…… 18
Fig.4 microestructura de un acero inoxidable austenítico ………………………………….. 18
Fig. 5 Diagrama de fases hierro-cromo-níquel para un acero con 70% de hierro
(Lipold & kotecki, 2005)……………………………………………………….……. 19
Fig.6 Zonas principales en una unión soldada (Groover, 1997)………………………..…. 22
Fig. 7 Diagrama de Schaeffler (Lipold & kotecki, 2005)....................................................... 25
Fig. 8 Región del diagrama de fases hierro-carbono próximo al punto eutectoide,
donde se indica el tramo de temperaturas de tratamiento térmico del acero
al carbono (Callister, 2012)…………………………………………………….….…. 27
Fig.9 Diagrama TTT Para acero eutectoide con una composición de carbono del (0.77%)... 30
Fig.10 Diagrama CCT de un acero AISI/SAE 4140 ……………………………………..…. 31
Fig.11 Dimensiones para cada uno de los materiales base…………………………….…..... 35
Fig.12 Vista superior del material base ………………………………………………………35
Fig.13 Material mecanizado, el material del lado izquierdo es el AISI 4140, y el otro AISI
316L…………………………………………………………….………………….... 36
Fig.14 Diagrama de schaeffler, estimación de las fases presentes en la soldadura……….… 36
Fig.15 Disposición de las probetas para el proceso de soldadura …………………….….…. 38
Fig.16 Disposición de las probetas antes de soldar ………………………………..….…….. 38
Fig.17 Nueva geometría de las probetas………………………………………...…………… 39
Fig.18 Mufla Acequilabs MFR-2006. (Universidad Distrital Francisco
José de caldas, 2019)………………………………………………………….……... 40
Fig.19 diagrama temperatura tiempo para el proceso de calentamiento de la pieza………..... 41
5
Fig.20 Normalizado, temple en agua y temple en aceite …………………..……………….. 41
Fig.21 Lijadora manual…………………………………………………………….….....….. 42
Fig.22 Pulidora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)………..…. 42
Fig.23 Ataque químico al acero 4140 con nital ……………………………………….….…. 43
Fig.24 Microscopio Axio Observer D1m (Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, 2019)………………………………………………….…. 44
Fig.25 SEM (Scanning Electron Microscope) Phenom XL, SENA………………….....…… 44
Fig.26 Probetas redimensionadas para el ensayo en el SEM …………………………...…… 45
Fig.27 Relación entre el diagrama hierro-cromo-níquel y el diagrama de
temperaturas alcanzadas en la región de la ZAC para un acero inoxidable
con 17% de cromo ………………………………………………………………....… 46
Fig.28 Microscopía óptica a 500 aumentos, inicio de la ZAC, acero 316L …………...……. 47
Fig.29 Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L ……………………….. 47
Fig.30 Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L….……. 48
Fig.31 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, acero 316L….……. 49
Fig.32 Influencia de los elementos aleantes en la concentración de carbono para
el punto eutectoide. (W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)……………………..…… 50
Fig.33 Influencia de los elementos aleantes en la temperatura para el punto eutectoide.
Jr., (W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)…………………………………………..… 51
Fig.34 Relación entre el diagrama hierro carbono y el diagrama de temperaturas
alcanzadas en la región de la ZAC para un acero con 0.3% de carbono……………… 51
Fig.35 Microestructura en la ZAC del acero 4140 sin tratar térmicamente ………………..... 53
Fig.36 Acero níquel-cromo-molibdeno templado y revenido que muestra una
microestructura sorbitica………………………………………………………….…. 53
Fig.37 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, ZAC de acero 4140 sin tratamiento
6
térmico………………………………………………………………………….……. 54
Fig.38 Microestructura bainítica rodeada por la formación de martensita en la ZAC.
Las pequeñas partículas de cementita se muestran dentro de las agujas de la
ferrita con una tonalidad clara y la ferrita en una tonalidad oscura………………....... 55
Fig.39 Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 200 aumentos en
la ZAC…………………………………………………………………………..…..... 56
Fig.40 Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 1000 aumentos en
la ZAC……………………………………………………………………………...… 56
Fig.41 Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, normalizado
acero inoxidable 316L…………………………………………………………..….... 57
Fig.42 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, normalizado
acero inoxidable 316L…………………………………………………………..….... 58
Fig.43 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en el aire………..…… 59
Fig.44 ZAC acero 4140 normalizado …………………………………………………..…… 60
Fig.45 Microestructura en la zac acero 4140, normalizado, los granos marcados
con el círculo rojo son granos de ferrita y los granos denotados con el
círculo azul son granos de bainita …………………………………………………..…. 61
Fig.46 Microestructura en la zac microscopio electrónico de barrido 5000x,
normalizado acero 4140 ……………………………………………………………... 61
Fig.47 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, recocido acero inoxidable 316L........ 62
Fig.48 Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, recocido
acero inoxidable 316L …………………………………………………………….…. 63
Fig.49 Microscopía óptica a 500 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140……...... 64
Fig.50 Acero 0,23% de carbono recocido a 890ºC, este acero muestra una
configuración laminar entre la ferrita y la perlita. (WRIGHTON, H, 1996)…….....… 65
7
Fig.51 Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140,
región clara formación de granos ferríticos y región oscura formación de perlita…... 65
Fig.52 Microscopía electrónica a 5000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado
4140, evidencia de región perlítica ………………………………………………...… 66
Fig.53 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero 316L…...…... 67
Fig.54 Microscopía electrónica a 2000 aumentos en la ZAC, temple en aceite
acero inoxidable 316L …………………………………………………………….…. 68
Fig.55 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en aceite……….….....69
Fig.56 Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio óptico, temple en aceite
acero 4140 ………………………………………………………………………..…. 70
Fig.57 Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio electrónico de barrido,
temple en aceite acero 4140…………………………………………………………... 70
Fig.58 Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en agua acero inoxidable
316L…………………………………………………………………………...……... 71
Fig.59 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en agua
(Atkins, n.d.) ……………………………………………………………………...…. 72
Fig.60 Microestructura martensítica en la ZAC, temple en agua del acero 4140………..….. 73
Fig.61 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, microestructura martensítica en la
ZAC, temple en agua del acero 4140 …………………………………………….…... 73
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Especificaciones AISI/SAE de los aceros……………………………….………..… 14
Tabla 2 Porcentajes de dilución para diferentes procesos de soldadura………………...….... 37
Tabla 3: Variables de soldadura para todas las probetas ………………………………....…. 38
9
1. RESUMEN
En la industria es muy común y necesario las uniones disímiles, debido a que en muchas
ocasiones se necesita de las propiedades de ciertos aceros para cumplir con alguna función, un
ejemplo claro es cuando se utiliza un acero de alta resistencia pero se necesita que un pequeño
segmento sea inoxidable, entonces se tiene que hacer una unión disímil para poder cumplir con
ese propósito, sin embargo hay demasiadas uniones disímiles en las cuales no se tiene
información de cómo se comporta su microestructura y de tratamientos térmicos que puedan
mejorarla, de tal manera de que en este proyecto se busca hacer la investigación entre dos
aceros el AISI/SAE 4140 y AISI/SAE 316L, de alta resistencia y acero inoxidable austenítico
respectivamente. En este caso se analizaran la microestructura de la unión disímil que será
sometida a diferentes tratamientos térmicos.
10
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la industria y en la ingeniería a menudo se busca mejorar y optimizar el diseño y
construcción de maquinaria más avanzada, por esta razón al llevar a cabo uniones disímiles
permiten unir metales con diferentes propiedades (mecánicas, físicas, químicas, etc.) para que
la fabricación de equipos sea menos costosa y se obtenga un mayor rendimiento en su vida
útil. Actualmente, los métodos de unión de metales disímiles incluyen soldadura por fusión,
soldadura a presión, soldadura por explosión, soldadura por fricción, soldadura por difusión,
soldadura fuerte y soldadura blanda, pero el método más utilizado en las industrias es la
soldadura por fusión ya que es un método más económico el cual proporciona un buen acabado
superficial, una gran eficiencia y durabilidad. Aunque, al momento de realizar este tipo de
proceso el acero presenta afectaciones en su microestructura debido al incremento de la
temperatura en la zona afectada por el calor, por esta razón se pueden emplear diferentes post
tratamientos térmicos con el fin de garantizar que la resistencia del material o materiales se
conserve después del proceso de soldadura, también permiten reducir tensiones residuales,
controlar la dureza o incluso para mejorar su resistencia.
La unión de acero inoxidable austenítico (más resistible a la corrosión) con acero al carbono
(más fácil de procesar y de bajo costo) es una combinación común que puede ser
inmediatamente soldada por fusión, siempre que el procedimiento de soldadura sea
propiamente provisto. En este caso se busca unir un acero inoxidable austenítico 316L con un
acero de medio carbono y baja aleación 4140 para observar como se ve afectada las
microestructuras de dichos aceros cuando se realiza una unión disímil, además de evidenciar
cual puede ser considerado el mejor post tratamiento térmico para reducir cualquier problema
o imperfección en la microestructura que pueda afectar y disminuir sus propiedades.
11
3. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
● Identificar la microestructura presente en la zona afectada por el calor (ZAC) producida
por una unión soldada entre el acero inoxidable AISI/SAE 316L y el acero aleado
AISI/SAE 4140 cuando se le realiza determinado post tratamiento térmico.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
● Elaborar muestras de la unión soldada que permitan realizar un correcto análisis micro
estructural en la zona afectada por el calor.
● Evaluar la microestructura de las uniones soldadas a nivel de su tamaño de grano,
naturaleza y distribución de las fases.
● Identificar las fases que se encuentran en la ZAC de las uniones soldadas
● Comparar los diferentes cambios de la microestructura en la ZAC de la unión disímil
del acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140 cuando se utilizan diferentes post
tratamientos térmicos.
● Comparar y analizar los cambios microestructurales en la ZAC de la unión disímil entre
el acero 316L y el acero 4140 antes y después de realizar determinado post tratamiento
térmico.
12
4. JUSTIFICACIÓN
Como en la industria siempre se busca mejorar los equipos y maquinarias, las uniones
disímiles son muy comunes ya que se pueden aprovechar las diferentes propiedades que
presentan los diferentes materiales a unir para así obtener un mejor desempeño, por esta
razón es muy importante conocer como se ve afectada la microestructura afectada en la
ZAC ocasionada por el aumento de la temperatura al momento de aplicar la soldadura,
ya que los materiales, en este caso el acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140,
pueden presentar diferentes afectaciones en su microestructura lo cual puede generar
agrietamientos o tensiones residuales generando fallas en la soldadura, mayor potencial
de fisuración y mayor susceptibilidad a la fractura frágil.
Para evitar estos tipos de fallas en la microestructura en los aceros se realizan diferentes
tratamientos térmicos después de realizar el proceso de soldadura, de esta forma se
busca analizar cuál es el post tratamiento térmico más adecuado cuando se realiza una
unión disímil entre el acero inoxidable 316L y el acero aleado 4140 para evitar o
minimizar las fallas microestructurales que se presentan en la zona afectada por el calor.
13
5. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES
5.1 ESPECIFICACIÓN DE LOS ACEROS
Existen numerosas especificaciones de materiales. Algunas grandes organizaciones de
consumidores y casi todos los productores, tienen sus propias normas. Las organizaciones
militares tienen gran número de ella. Sin embargo, las principales organizaciones cuyas
especificaciones se y usan más, generalmente en E.U., son: la Sociedad Norteamericana de
Ensayo de Materiales (A.S.T.M. American Society For Testing Materials), la Sociedad de
Ingenieros de Automoción (S.A.E.: Society of Automotive Engineers) y el Instituto
Norteamericano del hierro y el Acero (A.I.S.I: American Iron and Steel Institute).
Los números de especificación SAE y AISI, son iguales para el acero, excepto en que la AISI
utiliza los prefijos B, C, D, y E, para indicar el método y horno de obtención del acero; de la
siguiente manera:
B: Obtención de acero por medio del convertidor Bessemer
C: Acero usando el método y Horno Siemens Martin, proceso básico
D: Proceso Martin Siemens ácido
E: Acero de horno Eléctrico, ordinariamente aleado
Las letras B o L en medio del número, significan que se le ha agregado Boro o Plomo. Una H
al final del número, indica que el material puede ser adquirido con una templabilidad
especificada.
14
ESPECIFICACIONES AISI Y SAE DE LOS ACEROS
ACERO SAE
Ordinario al Carbono 10XX
Fácil maquinado 11XX
Manganeso 13XX
Boro 14XX
Níquel 2XXX
Níquel-Cromo 3XXX
Resistente al calor y a la corrosión 303XX
Molibdeno 4XXX
Molibdeno-Cromo 41XX
Molibdeno-Níquel 46XX
Molibdeno-Cromo-Níquel 47XX
Cromo, resistente al calor y a la corrosión 5XXX
Cromo-vanadio 6XXX
Níquel-Cromo-Molibdeno-Silicio-
Manganeso
2XXX
Níquel-Cromo-Molibdeno (excepto el
92XXX)
9XXX
Tabla 1. Especificaciones AISI/SAE de los aceros
5.1.1 ACERO AISI/SAE 4140
Es un acero de baja aleación al cromo molibdeno, se suministra con o sin tratamiento de
bonificado (temple y revenido), se utiliza en forma general en la fabricación de piezas de
medianas dimensiones que requieran alta resistencia mecánica y tenacidad. Posee una buena
resistencia a la torsión y fatiga, además de una buena maquinabilidad y baja soldabilidad. Su
composición química es: Carbono entre (0,38 – 0,43) %, Silicio (0,10 – 0,35) %, Manganeso
(0,75-1,00) %, Cromo (0,80-1,10) % y Molibdeno (0,15 – 0.25) % (ggd metals, 2019). Entre
15
sus elementos aleantes los más importantes son el cromo y el molibdeno ya que son los que le
aumentan la dureza y resistencia a altas temperaturas, lo cual le brinda unas buenas
características de endurecimiento, ductilidad y capacidad para soldarse .
Para estudiar las diferentes fases que se pueden presentar en este tipo de acero se hace uso del
diagrama hierro-carbono (fig.5), ya que, aunque los elementos aleantes tiene influencia sobre
las transformaciones presentes en el diagrama hierro-carbono, no generan un cambio drástico
debido a que su contenido en la aleación es muy bajo, esto se podrá ver de una manera más
clara con la ayuda de las figuras 28 y 29, que se encuentran más adelante, donde se muestra
como dependiendo el porcentaje de determinado elemento aleante influye sobre los valores de
porcentaje de carbono y temperatura del punto eutectoide en el diagrama hierro-carbono.
Este acero es usualmente utilizado en piñones pequeños, tijeras, tornillos de alta resistencia,
piezas de alta exigencia para la construcción de vehículos en general, cigüeñales, árboles,
palieres, engranajes de transmisión, etc .
Fig. 1: Diagrama de fases hierro-carbono ("Diagrama Hierro-Carbono", 2012)
16
5.2 ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables son aleaciones a base de hierro, con bajo contenido de carbono y un
mínimo de 11% de cromo. La mayoría de los grados comerciales contienen al menos 11% de
cromo y hasta 0.8% de carbono. Algunos grados contienen níquel como segundo elemento de
aleación. Cuando el contenido total de la aleación excede aproximadamente el 50%, la
designación “resistente al calor” es más aplicable que inoxidable.
Su principal característica es su alta resistencia a la corrosión. Esta resistencia es debido a la
formación espontánea de una capa de óxido de cromo en la superficie del acero. Aunque es
extremadamente fina, esta película invisible está firmemente adherida al metal y es
extremadamente protectora en una amplia gama de medios corrosivos. Dicha película es
rápidamente restaurada en presencia de oxígeno, y así daños por abrasión, corte o mecanizados
son reparados rápidamente.
Para aumentar la resistencia a la corrosión o para requerimientos de fabricación específicos, el
cromo puede aumentarse y pueden añadirse otros elementos tales como níquel o molibdeno.
Con aproximadamente 11% de cromo, se formará una película protectora suficiente para
soportar un ambiente poco agresivo como puede ser el interior de una vivienda, pero con el
tiempo, si este acero presta servicio a la intemperie, acabara corroyendo. Con alrededor de 18%
de cromo, el acero está en condiciones de soportar las más rigurosas condiciones atmosféricas.
El grado de impenetrabilidad de la capa de óxido en ciertos ambientes depende no solo de la
composición de la aleación, sino también en el medio específico, de la temperatura de este, y
de la concentración del agente corrosivo. (“Manual ACEROS INOXIDABLES”, 2019).
17
5.2.1 Clasificación de los aceros inoxidables
● Ferríticos
Se caracterizan por tener una estructura ferrítica a cualquier temperatura ya que no presentan
transformación de ferrita en austenita durante el calentamiento ni transformación martensítica
en el enfriamiento, por esta razón no hay posibilidad de cambios de fase. Los aceros ferríticos
son conocidos como los aceros inoxidables de cromo directo, su contenido de cromo que varía
entre 10.5% y 30% pero con bajo contenido de carbono (“Manual ACEROS INOXIDABLES”,
2019). Su estructura es cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) por lo que sus propiedades
mecánicas son buenas, como factores negativos encontramos una baja soldabilidad y no pueden
ser tratados térmicamente (temple) ("Clasificación ACEROS INOXIDABLES", 2019).
Fig.2 Microestructura de un acero inoxidable ferrítico ("Clasificación ACEROS
INOXIDABLES", 2019)
● Martensíticos
En el caso de los martensíticos, el porcentaje en cromo también resulta muy elevado por lo que
nos proporciona gran resistencia a la corrosión. Sin embargo estos no contienen aluminio,
titanio, azufre o niobio, se trata de aleaciones ferrosas con un gran límite elástico y dureza. Esta
martensita se forma a través de la austenita gracias a un tratamiento térmico (temple). Estos
tienen un contenido alto en carbono que puede llegar hasta un 1%. Al igual que los ferríticos
son difíciles de soldar, en la soldadura de los aceros martensíticos se pueden producir tensiones
y por consiguiente grietas, si no se adoptan las precauciones convenientes (Ospina Lopez,
2019). Se venden en una estructura ferrítica, baja en dureza y alta ductilidad, es solo después
18
de un tratamiento térmico de temple cuando se consigue la estructura martensítica, muy duros
y poco dúctiles ("Clasificación ACEROS INOXIDABLES", 2019).
Fig.3 Microestructura de un acero inoxidable martensítico ("Clasificación ACEROS
INOXIDABLES", 2019)
● Austeníticos
La clase austenítica contiene níquel como segundo elemento principal de aleación, él Ni se
utiliza para suprimir la transformación de la austenita y hacerla estable incluso a temperatura
ambiente y más baja, así, cuando el níquel se agrega al acero inoxidable en cantidades
suficientes la estructura cambia a austenita (“Manual ACEROS INOXIDABLES”, 2019). Este
tipo de aceros presenta una composición de: 16 hasta 25% de cromo, 8 a 20 % peso en níquel,
1 a 2% de manganeso, 0.5 hasta 3% de silicio, 0.02 hasta 0.08% de carbono,0 a 2% de
molibdeno, 0 a 0.15% de nitrógeno y 0 a 0.2% de titanio y columbio. Esta composición produce
que el acero presente una estructura austenítica a toda temperatura, esta falta de punto de
transformación hace que los aceros inoxidables austeníticos sean sensibles al crecimiento del
grano a temperaturas elevadas, el cual no se puede regenerar por tratamiento térmico, sin
embargo este crecimiento no produce los mismos fenómenos de fragilidad ("Clasificación
ACEROS INOXIDABLES", 2019).
Fig. 4: microestructura de un acero inoxidable austenítico ("Clasificación ACEROS
INOXIDABLES", 2019)
19
5.2.2 Acero inoxidable AISI/SAE 316L
Este es un acero inoxidable austenítico AISI/SAE de la serie 300, que a diferencia del acero
inoxidable 316, este trae un contenido de carbono mucho menor. Su composición química
consta de Carbono en un 0.035%, Manganeso 2%, Azufre 0.030%, Fósforo 0.045%, Silicio
0.75%, Cromo en un 16%-18%, Níquel 10%-14% y molibdeno de 2%-3%. Este minimiza la
precipitación de carburos perjudiciales en la ZAC durante la soldadura. al igual que el acero
316, tiene una alta resistencia a temperaturas altas, es antimagnético en su estado recocido, y
no es endurecido por tratamiento térmico (Aceros inoxidables 316 y 316L – NKS, 2019).
Fig. 5 Diagrama de fases hierro-cromo-níquel para un acero con 70% de hierro (Lipold &
kotecki, 2005)
5.3 SOLDADURA
Es un proceso de fijación de materiales (metal o termoplástico) en donde la unión de dos o más
piezas ocurre por la intervención de otro, a través de un arco eléctrico que genera niveles de
calor óptimos para la labor de soldaje. El producto resultante es un nuevo material, debido a la
fijación de las piezas. Es una técnica de uso frecuente en el ámbito industrial que puede
realizarse al aire libre, bajo el agua y en condiciones de cero gravedad.
20
La soldadura en un acero inoxidable varía sensiblemente respecto a la soldadura que pueda
practicarse en piezas de acero ordinario, por ello, se hace necesario realizar un estudio detallado
de las características que le son propias a fin de poder obtener resultados óptimos de soldeo.
Por otro lado, el empleo de aleaciones de acero inoxidable suele coincidir con aplicaciones que
resultan ser críticas (industria farmacéutica, alimenticia, nuclear...) por lo que es de vital
importancia obtener soldaduras de la máxima calidad y cuyo resultado no merme la resistencia
a la corrosión o de salubridad inicial del acero inoxidable (Soldadura de los Aceros Inoxidables,
2019).
5.3.1 Procesos de soldadura por fusión
● Soldadura por arco manual con electrodo revestido (SMAW)
En este proceso el electrodo es un alambre revestido, donde el soldador controla el proceso
manualmente sobre la longitud y dirección del arco que se establece entre el extremo del
electrodo y la pieza a soldar (metal base). El calor generado por el arco eléctrico funde el
revestimiento y la varilla metálica del electrodo, a la vez que la combustión del revestimiento
sirve para crear una atmósfera protectora que impide la contaminación del material fundido.
Las gotas de metal fundido procedente de la varilla metálica del electrodo van a depositarse en
el baño de fusión, a la vez, el material procedente de la fusión del revestimiento del electrodo
genera una escoria, que por viscosidad flota sobre el baño de fusión, protegiéndolo contra un
enfriamiento rápido y de la contaminación del aire circundante. Una vez frío el cordón se
procede a eliminar la escoria que queda como una especie de costra sobre la superficie del
cordón (Soldadura de los Aceros Inoxidables, 2019).
● Soldadura TIG
El proceso TIG (Tungsten Inert Gas) resulta un procedimiento muy adecuado para soldar el
acero inoxidable. En este caso, el arco eléctrico se establece entre un electrodo no consumible
21
de Tungsteno y el metal base, bajo una atmósfera protectora generada por un gas inerte. El
procedimiento de soldadura TIG genera cordones de gran calidad, sin escorias (dado que
emplean electrodos no consumibles sin revestimiento), ni proyecciones, por lo que se usa para
soldaduras de responsabilidad en acero inoxidable, donde obtener soldaduras de calidad sea
necesario.
Generalmente el procedimiento TIG se suele emplear para soldar piezas de poco espesor (hasta
6 mm. aproximadamente), dado que para espesores de piezas mayores de 6 - 7 mm este
procedimiento no resulta económico. De esta manera, para espesores mayores a los 6 mm., se
suele emplear procedimientos de soldadura por arco sumergido (Soldadura de los Aceros
Inoxidables, 2019).
● Soldadura MIG
Tanto en el procedimiento MIG (Metal Inert Gas, cuando se utiliza la protección gaseosa de un
gas inerte) como también en el MAG (Metal Active Gas, cuando se utiliza un gas activo), se
establece un arco eléctrico entre un electrodo consumible, que se presenta en forma de un
alambre desnudo, y la pieza a soldar o metal base.
Como se ha comentado, para la soldadura MIG, tanto el arco como la soldadura se protegen
del aire de la atmósfera mediante la acción de una envolvente gaseosa, compuesta por gases
inertes, principalmente argón y/o helio. Con el objeto de obtener una mejor acción del arco y
una mejor mojabilidad en la soldadura, en ocasiones se utilizan pequeñas cantidades de gases
activos, tales como dióxido de carbono, oxígeno e hidrógeno(Soldadura de los Aceros
Inoxidables, 2019).
5.3.2 Características de una junta soldada por fusión
Una junta soldada por fusión común, a la cual se le ha agregado un material de aporte, consta
de varias zonas: 1) zona de fusión, 2) interfase de soldadura, 3) zona afectada por el calor y 4)
zona de metal base no afectada.
22
La zona de fusión consiste en una mezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fundido
por completo. Esta zona caracteriza por su alto grado de homogeneidad entre los metales
componentes que se han fundido durante la soldadura. La segunda zona en la unión soldada es
la interface de soldadura, un estrecho límite que separa la zona de fusión de la zona afectada
por el calor. La interfaz consta de una banda completa y delgada de metal base fundido o
parcialmente fundido durante el proceso de fusión (el fundido se localiza dentro de los granos),
el cual se ha solidificado inmediatamente después, antes de mezclarse con el metal en la zona
de fusión, por lo tanto, su composición química es idéntica a la del metal base.
La tercera zona es la Zona afectada por el calor, el metal ha experimentado temperaturas
menores a su punto de fusión, aunque lo suficientemente altas para producir cambios
microestructurales en el metal sólido. La composición química en la zona afectada por el calor
es igual a la del metal base, per esta zona ha sido tratada con el calor debido a las temperaturas
de soldadura, por lo que se han afectado sus propiedades y estructura. La cantidad de daño
metalúrgico en la ZAC depende de factores tales como la cantidad de calor que ha ingresado a
la máxima temperatura alcanzada, la distancia de la zona de fusión, el intervalo de tiempo que
ha estado sujeto el metal a altas temperaturas, la velocidad de enfriamiento y las propiedades
térmicas del metal. El efecto sobre las propiedades mecánicas en la zona afecta por el calor por
lo general es negativo y en esta región con frecuencia ocurren fallas e la junta soldada
Conforme aumenta la distancia de la zona de fusión, se alcanza por fin la zona de metal base
no afectada, en la cual no ha ocurrido un cambio metalúrgico. No obstante, es probable que el
metal base que rodea la ZAC presente un estado de alta tensión residual, producido por la
contracción en la zona de fusión (Groover, 1997).
23
Fig.6 Zonas principales en una unión soldada (Groover, 1997)
5.3.3 Soldadura de los aceros inoxidables austeníticos
Los aceros inoxidables austeníticos, comparados con otras familias de aceros, como los aceros
al carbono sin alear, los de baja aleación o incluso comparados con las otras familias de aceros
inoxidables, son aceros que tienen un punto de fusión más bajo, su estructura interna ofrece
una mayor resistencia eléctrica con menor conductividad térmica y presentan, en general, un
mayor coeficiente de dilatación que los demás aceros. Como resultado de todo lo anterior, para
la ejecución de soldaduras en los aceros inoxidables austeníticos se va a requerir aportar menor
cantidad de calor para crear el baño de fusión en el metal base.
En general, los aceros inoxidables austeníticos se sueldan con más facilidad que los
martensíticos o que los ferríticos, pero existen factores característicos de esta familia que deben
ser tenidos en cuenta para poder ejecutar una buena soldadura y de paso eliminar el riesgo de
defectos en la soldadura (Soldadura INDURA, 2019).
● Precipitación de carburos
Es una de las causas más comunes de corrosión en los aceros inoxidables austeníticos y que
aparece en las zonas del metal base adyacentes del cordón. Es decir, que no es una corrosión
que afecta específicamente al cordón sino en el área alrededor de éste. Ello ocurre porque
cuando a un acero inoxidable austenítico se le somete a un intervalo de temperatura de entre
420 y 900 ºC durante un cierto tiempo, o si durante su enfriamiento se le enfría lentamente en
24
dicho intervalo de temperatura, entonces se podrá dar lugar a un precipitado de compuestos de
carburo de hierro y cromo. Este precipitado empobrece el contenido en cromo en el acero, y
por tanto su función protectora que le confiere su característica de inoxidable. Esta
precipitación es más intensa en el intervalo de temperatura que va de los 600 a los 850 ºC.
Los precipitados de carburo de cromo se suelen formar en los límites de grano, haciendo que
disminuya la cohesión entre ellos, a la vez que origina el empobrecimiento antes dicho del
contenido de cromo de las zonas anexas, por lo que la propiedad protectora que le confiere el
cromo al acero inoxidable disminuye, y el acero queda "sensibilizado", es decir, más vulnerable
a la corrosión. Esta tendencia a la formación de los precipitados del carburo de cromo
dependerá del tiempo de exposición en el intervalo de temperaturas críticas (420-900 ºC) y de
la cantidad de carbono presente en la composición del acero (Soldadura INDURA, 2019).
● Fase sigma
La denominada Fase Sigma es un compuesto intermetálico de hierro y cromo (45%Cr-55%Fe)
que se caracteriza por su alta dureza (superior a 900 Vickers) y gran fragilidad, y que tiene gran
influencia sobre la resistencia a la corrosión y características mecánicas de la soldadura,
aumentando los riesgos de fisuración. Su formación es debida a la presencia de ferrita en los
aceros inoxidables cuando se les mantiene durante un largo periodo de tiempo entre 550 y 900
ºC, de manera que la ferrita se transforma en Fase Sigma. Una vez formada la Fase Sigma, ésta
puede ser removida mediante un tratamiento térmico, tal que calentándola sobre los 1050 ºC,
la Fase Sigma puede ser disuelta en la austenita y para luego ser transformada de nuevo en
ferrita (Soldadura INDURA, 2019).
25
5.4 DIAGRAMA DE SCHAEFFLER
El diagrama de Schaeffler (Fig. 7), se usa principalmente para predecir la estructura del metal
de soldadura obtenido en una unión de aceros inoxidables de diferentes fases. Este diagrama
fue obtenido por Al Schaeffler de manera empírica y permite determinar la microestructura de
un metal conociendo su micro-composición. Este diagrama es válido únicamente cuando los
elementos se encuentran en proporciones no mayores a: C 2% max, Mn 1.0% max, Si 1.0%
max, Mo 3.0% max, Nb 1.5 % max. Adicionalmente se pueden indicar problemas que
presentan determinadas estructuras al soldar, dependiendo de su ubicación en el diagrama, que
pueden evitarse al seleccionar adecuadamente el material de aporte y el procedimiento de
soldadura (Lipold & kotecki, 2005).
Fig. 7: Diagrama de Schaeffler (Lipold & kotecki, 2005)
Para emplear este diagrama se parte de la cantidad de cromo y el níquel equivalente del material
base y del material de aporte, estos valores se determinan por medio de las fórmulas expuestas
en la gráfica:
- Níquel equivalente: Ni+30C+0.5Mn
- Como equivalente: Cr+Mo+1.5+Si+0.5Cb
26
5.5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El Tratamiento Térmico es un proceso donde se ve efectuado el calentamiento y enfriamiento
del material para generar cambios microestructurales, los cuales por consecuencia generan
cambios en las propiedades mecánicas. El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar
a los materiales propiedades específicas para que puedan desempeñar adecuadamente su
función. Se pueden realizar Tratamientos Térmicos sobre una parte ó la totalidad de la pieza
en uno ó varios pasos de la secuencia de fabricación. En algunos casos, el tratamiento se aplica
antes del proceso de formado (recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más
fácilmente mientras se encuentra caliente). En otros casos, se usa para aliviar los efectos del
endurecimiento por deformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de
manufactura para lograr resistencia y dureza (Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito,
2008).
5.5.1 Tipos de tratamientos térmicos
- Recocido
El término recocido se refiere al tratamiento térmico de un material que es expuesto a una
elevada temperatura durante un periodo de tiempo y, luego, enfriado lentamente. Usualmente
el recocido se lleva a cabo para eliminar tensiones; incrementar la plasticidad, ductilidad y la
tenacidad y/o producir una microestructura específica. Existen varios tratamientos térmicos de
recocido caracterizados por los cambios producidos, muchas veces se trata de cambios
microestructurales, responsables de la modificación de las propiedades mecánicas.
Todo proceso de recocido consta de tres etapas: (1) calentamiento a la temperatura prevista,
(2) mantenimiento o “impregnación térmica” a esta temperatura y (3) enfriamiento,
generalmente hasta la temperatura ambiente. El tiempo es un parámetro importante en estos
procedimientos, además, durante el calentamiento y el enfriamiento existen gradientes de
temperatura entre el interior y la superficie de la pieza; si la velocidad de cambio de temperatura
27
es grande, se genera un gradiente de temperatura que induce tensiones internas que pueden
conducir a deformaciones e incluso el agrietamiento. El tiempo de recocido debe ser
suficientemente largo para permitir la necesaria reacción de transformación, la temperatura de
recocido también es importante; el recocido se acelera al aumentar la temperatura, ya que
representa un proceso de difusión.
El tratamiento térmico denominado recocido total se suele aplicar a los aceros bajos y medios
en carbono. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40ºC por encima de las líneas A3 (línea
crítica superior) o A1 (línea crítica inferior) indicadas en la figura 8 , hasta conseguir el
equilibrio. Después la aleación se deja enfriar dentro del horno; se apaga el horno y horno y
acero llegan a la temperatura ambiente a la misma velocidad donde se suelen necesitar varias
horas. La microestructura resultante de este recocido es perlita gruesa (además de alguna fase
proeutectoide) que es relativamente blanda y dúctil. El procedimiento de recocido total necesita
mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes. (Callister,
2012)
- Normalizado
Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por laminación, consta de granos
de perlita y como máximo una fase proeutectoide; estos granos son relativamente grandes y de
forma irregular, pero de tamaño muy variables, por ello, se les aplica un tratamiento térmico
denominado normalizado para afinarlos (disminuir su tamaño) y producir una distribución de
tamaños más uniforme. El normalizado se realiza calentando 55 a 85ºC por encima de la
temperatura critica superior denominada A3 (Fig. 8), que , naturalmente, depende de la
composición. Después del tiempo suficiente para conseguir la completa transformación a
austenita (proceso denominado austenización) el tratamiento termina enfriando al aire.
(Callister, 2012)
28
Fig. 8 Región del diagrama de fases hierro-carbono próximo al punto eutectoide, donde se indica el
tramo de temperaturas de tratamiento térmico del acero al carbono (Callister, 2012)
- Temple
El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia
mecánica del material, transformando la microestructura en austenita con el calentamiento y
después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en
martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.
Para realizar el tratamiento térmico de temple primero se debe calentar la pieza hasta su
temperatura de austenización (dependiendo de la composición del material), después se
mantiene dicha temperatura durante cierto tiempo para que toda la pieza obtenga una
microestructura totalmente austenítica, por último se enfría rápidamente (con un medio de
enfriamiento ya sea agua, aceite o salmuera) y así obtener la estructura totalmente martensítica
(Interempresas, 2019).
- Revenido
Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle realizado un Temple
o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico (o temperatura de
recristalización), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se
29
pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al máximo las
tensiones térmicas que pueden generar deformaciones (Interempresas, 2019).
- Cementación
La difusión de carbono sobre la superficie se denomina cimentación. Este procedimiento
consiste en el calentamiento de las piezas a una temperatura de aproximadamente 900 ºC en un
medio en el que el carbono penetre en la superficie del acero en función del tiempo. Se puede
efectuar este procedimiento con medios sólidos (carbón de madera con aditivos, baño de sales
con cianuros), o con medios gaseosos CO, H2, N2, CmHn. La utilización de medios gaseosos
es la más utilizada ya que permite un control de la profundidad del tratamiento.
Después de la cementación se efectúa un enfriamiento rápido para alcanzar la dureza superficial
necesaria de forma que los aceros con bajo contenido en carbono, alcancen una superficie dura
con un núcleo dúctil que proporcione a las piezas su máxima resistencia (Interempresas, 2019).
5.5.2 Influencia del medio de temple, tamaño y geometría de la muestra
La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la velocidad de eliminación de la
energía térmica, que es en función de las características del medio de temple en contacto con
la superficie de la muestra, el tamaño y la geometría de la muestra.
La “severidad de temple” es un término a menudo utilizado para indicar la velocidad de
enfriamiento; el temple más rápido equivale a un temple más severo. De los tres medios de
temple más utilizados (agua, aceite y aire) el agua es el que produce un temple más severo
seguido por el aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de cada medio
también influye en la velocidad de eliminación del calor. Incrementando la velocidad de
enfriamiento a través de la superficie de la probeta aumenta la efectividad del temple. Los
aceites de temple son adecuados para el tratamiento térmico de la mayoría de los aceros
aleados. En efecto, para los aceros altos en carbono el temple en agua puede resultar demasiado
30
severo porque produce deformaciones y grietas, por otro lado, el enfriamiento al aire del acero
al carbono produce una microestructura casi totalmente perlítica. (Callister, 2012)
5.6 DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIÓN
Estos diagramas son una herramienta fundamental para el diseño de materiales con propiedades
mecánicas muy específicas por medio de un tratamiento térmico completamente premeditado.
Los diagramas a tener en cuenta son los de transformación isotérmico (TTT), y el de
transformación por enfriamiento continuo (CCT).
5.6.1 Diagrama de transformación isotérmica
Este diagrama muestra lo que pasa cuando un acero es mantenido a una temperatura constante
por un tiempo prolongado. En este tipo de diagramas se mide en el eje vertical la temperatura
y en el horizontal el tiempo en escala logarítmica. Por lo general el diagrama presenta curvas
en forma de S, las cuales limitan las posibles fases que puede tener cierto acero, y estas cambian
debido al contenido de carbono que tenga este. Este tipo de diagramas solo funcionan cuando
se mantiene la temperatura de enfriamiento constante, de esta forma se pueden alcanzar las
propiedades mecánicas deseadas por el diseñador.
Fig.9: Diagrama TTT Para acero eutectoide con una composición de carbono del (0.77%).
(W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)
31
5.6.2 Diagramas de transformación de enfriamiento continuo
Este tipo de diagramas son los utilizados industrialmente debido a que los tratamientos térmicos
más comunes son los de enfriamiento continuo. Estos diagramas al igual que los de
transformación isotérmica muestran curvas que delimitan las zonas por las cuales se denotan
las diferentes microestructuras con sus debidos porcentajes de composición. Se pueden
encontrar diferentes curvas de enfriamiento con distintas velocidades de enfriamiento.
Fig.10: Diagrama CCT de un acero AISI/SAE 4140. (Gray, A. G. 1977, página 390)
5.7 ANTECEDENTES
SOLDABILIDAD EN ACEROS INOXIDABLES Y ACEROS DISÍMILES
Este es un artículo de la Universidad Tecnológica de Pereira Colombia sus autores son, Ospina
López Ricaurte, Aguirre Corrales Héctor y Parra L. Hernando. Este fue publicado en mayo del
2017. En este artículo se habla sobre la unión entre aceros de la misma clase y la unión disímil
32
entre aceros, además de la forma correcta de escoger el electrodo adecuado dependiendo de la
composición química del material por medio del diagrama de Schaeffler. El diagrama de
Schaeffler, se usa principalmente para predecir la estructura del metal de soldadura obtenido
en la unión de aceros inoxidables disímiles, o de aceros inoxidables con aceros al carbono, con
o sin aleación (Soldabilidad en aceros inoxidables y aceros disímiles. 2007). Este comienza
con con el contenido general que es la explicación de cómo se clasifican los aceros, los cuales
varía su grupo dependiendo de su nivel de aleación (bajo, medio, alto), su contenido de carbono
y si son de la familia de los aceros inoxidables. Luego explican cómo encontrar la composición
química en dos casos particulares, el primero en la unión de acero AISI/SAE 410 con un
electrodo ER 319L y el segundo la unión disímil entre AISI/SAE 1045 y AISI/SAE 316 con
un material de aporte ER-312.
INVESTIGATION ON THE MICROSTRUCTURE—MECHANICAL PROPERTY
CORRELATION IN DISSIMILAR STEEL WELDS OF STAINLESS STEEL SS 304
AND MEDIUM CARBON STEEL EN 8
Sus autores son: Dilip Kumar Singha, Gadadhar Sahoob, Ritwik Basua, Vikram Sharmac, M.A.
Mohtadi-Bonabd. Este es un artículo que trata de la unión entre dos aceros; AISI/SAE 304 y
AISI/SAE 1040, usando el proceso de soldadura (TIG) con material de aporte 309L. Durante
el desarrollo se vio reflejado diferentes microestructuras en la interfase y en la soldadura, las
cuales fueron alcanzadas bajo el cambio de diferentes variables a la hora de soldar, como lo
son el amperaje, voltaje y velocidad de soldadura. Muestran como la microestructura de la
región de soldadura varió desde largos granos de austenita a granos finos de ferrita y austenita.
La zona de fusión en la interfase del acero de medio carbono y el metal de aporte, fueron
caracterizados por la presencia de granos finos de ferrita. La diferencia en la microestructura
fue debido al calor de entrada de cada una de las pruebas. Cinco probetas fueron preparadas
33
bajo condiciones distintas, Una relación fue encontrada entre los esfuerzos residuales
encontrados en la soldadura y el ángulo de límite de grano.
INFLUENCIA DE LA TÉCNICA DE SOLDADURA MULTIPASADA Y DE LOS
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE PRECALENTAMIENTO Y POST-SOLDADURA
EN EL COMPORTAMIENTO DE UNIONES GMAW DE UN ACERO
MICROALEADO HARDOX 400(•)
Los autores de este proyecto son: A. Martínez*, V. Miguel**, J. Coello*, A. Navarro**, A.
Calatayud** y M.C. Manjabacas. En este proyecto lo que se busco fue analizar las propiedades
mecánicas y la microestructura de la unión soldada del acero HARDOX 400, extrayéndolo de
una chapa, con pretratamiento térmico y post tratamiento térmico en la unión soldada. Se
realizaron análisis macro y microestructurales de las zonas características de la unión y del
comportamiento mecánico de la misma en función de las variables indicadas. Los resultados
que obtuvieron indican el efecto beneficioso del precalentamiento debido al alejamiento de la
zona de menor dureza en la ZAT respecto al borde del cordón. El material de aporte que
utilizaron fue el AWS A5.18, tomando como criterio la limitación de presencia de hidrógeno
en la unión. Al momento de soldar se hizo variaciones en las operaciones de soldadura. Se
realizó la unión a cordón único por una cara con y sin precalentamiento de la chapa. También
se realizó la operación mediante varios cordones o multipasada sin precalentamiento previo de
la chapa. Las uniones fueron realizadas mediante punteo previo en una de las caras. El
precalentamiento se realizó mediante el empleo de un soplete butano-aire inmediatamente antes
de soldar. La temperatura de la chapa precalentada mediante este método resultó estar alrededor
de 200° C. Para el final ellos concluyen lo siguiente: “El beneficio de los tratamientos térmicos
experimentados se justifica en base a los indicadores establecidos. Así los tratamientos
34
térmicos postsoldeo mejoran la dureza de la zona afectada térmicamente. La resistencia de esta
zona mejora en torno al 14 % respecto al mismo proceso sin tratamiento como consecuencia
de la eliminación de tensiones que tiene lugar. El precalentamiento amplía la zona afectada
térmicamente consiguiendo que la zona adyacente al cordón pueda distribuir mejor la absorción
de deformaciones. La combinación de ambos tratamientos consigue la unión de los dos efectos,
por lo que resulta recomendable su ejecución siempre que sea posible”.
6. PROCEDIMIENTO
- Elaboración de probetas
Para poder realizar el estudio de la unión disímil entre el acero inoxidable AISI 316L y el acero
de baja aleación AISI 4140, se llevó a cabo la extracción del material en una distribuidora de
acero, CIA General de Aceros de Bogotá, en donde se compraron 4 piezas de retal de los
aceros mencionados, dos para cada uno. Las medidas que se decidió utilizar fueron: para el
acero 316L, se cortó 200 milímetros de largo por 50 de largo de una lámina de ⅜ de pulgada
de espesor (Anexo 9). Para el acero 4140 la única medida que cambia es la del espesor, debido
a que este se cortó de una lámina de 10 milímetros de espesor
En el caso de acero inoxidable el tipo de corte utilizado fue el de oxicorte y para el otro acero
fue por medio de corte aserrado. Este es muy importante tenerlo claro, ya que el tipo de corte
puede calentar la pieza de manera que pueda cambiar la microestructura del material, en el caso
del acero inoxidable, se tiene en cuenta esto, debido a que este tipo de corte calienta el material
de forma que el área paralela al vector de corte, puede afectarse micro estructuralmente, sin
embargo más adelante se toman consideraciones en el mecanizado de las probetas.
Para la fabricación de las probetas, inicialmente, se cortó cada uno de los 4 retales en cuatro
partes iguales, 50 milímetros cada una, quedando así pedazos del material de (50x50x espesor
35
de cada material), todas las unidades en milímetros. Se diseñó la geometría de cada una de las
probetas, en la figura 11 se muestra la geometría de cada uno de los materiales base.
Fig. 11: Dimensiones para cada uno de los materiales base.
Teniendo en cuenta que la unión soldada es una unión a tope y sin hacer uso de alguna norma
en particular se escogió a criterio propio las dimensiones, tal como el ángulo de bisel, ancho
de raíz y separación de raíz.
Para el mecanizado de las probetas se tuvo en cuenta el criterio de precisión y refrigeración del
material, así que estas se mecanizaron en una fresadora CNC. Durante el mecanizado, se
decidió desbastar un milímetro del ancho de cada probeta, para así compensar el calor
producido en el corte del material (Fig.12).El resultado final del mecanizado se refleja en la
Figura 13.
36
Fig.12: Vista superior del material base.
Fig.13: Material mecanizado, el material del lado izquierdo es el AISI 4140, y el otro AISI
316L.
- SOLDADURA
Para el proceso de soldadura se escogió el TIG (Tungsten Inert Gas), y el material de aporte
ER-309L, muy utilizado para uniones disímiles. el calibre para este electrodo fue de 3/32”, de
acuerdo a esto la disposición para soldar las probetas fue la mostrada en la figura 16.Además,
para tener en cuenta las fases que se puedan presentar en la soldadura se utilizó el diagrama de
schaeffler (Fig.14) y de esta manera saber cómo puede afectar el material de aporte a los
materiales base.
37
Fig.14 Diagrama de schaeffler, estimación de las fases presentes en la soldadura
Tabla 2: Porcentajes de dilución para diferentes procesos de soldadura
38
Se determina la cantidad de cromo equivalente y níquel equivalente por medio de las fórmulas
mostradas en la figura 11, para el material de aporte ER-309L se obtiene un 25.7% de cromo
equivalente y 13.7% de níquel equivalente, para el acero inoxidable 316L se obtiene un 20.7%
de cromo equivalente y un 11.3% de níquel equivalente, y para el acero 4140 se determina un
2.7% de cromo equivalente y un 12.5% de níquel equivalente. Luego, se ubican los puntos en
el diagrama de schaeffler (fig.14) y se une el punto que le corresponde al acero 4140 y al acero
316L por medio de una línea verde, se ubica el punto medio de dicha línea y se identifica con
la letra A, este punto indica la igualdad de fusión de ambos materiales base, enseguida se une
por medio de otra línea el punto A con el punto del material de aporte ER-309L , y se ubica el
punto B dependiendo el porcentaje de dilución dependiendo el proceso de soldadura utilizado,
en este caso un 43.6% de dilución para un proceso TIG (Tabla 2). Finalmente, se obtiene que
en la soldadura se tendrá aproximadamente un 5% de ferrita y un 95% de austenita en su
microestructura.
Fig.15: Disposición de las probetas para el proceso de soldadura.
39
Fig.16: Disposición de las probetas antes de soldar
Para poder soldar los dos materiales y que no hubiera un exceso de penetración de soldadura,
se colocó ambos materiales base sobre una lámina de aluminio de 3 milímetros de espesor. Las
variables de soldadura como amperaje, voltaje, caudal del argón y velocidad de soldadura
fueron las mismas para todas las probetas (Tabla 3). En el total de número de pasadas para
completar el espesor de las probetas fue de cuatro pasadas, esto es indispensable para el futuro
análisis porque cada pasada afecta térmicamente el material base.
Tabla 3: Variables de soldadura para todas las probetas
Una segunda modificación se le tuvo que hacer a la probeta para poder analizar bien la ZAC,
ya que la falta de una buena sujeción del material base y por el efecto de las tensiones residuales
producidas por la soldadura, hubo unas leves torceduras que obstaculizan la correcta
preparación de la ZAC. De este modo se modificó la geometría de la probeta para poder
efectuar correctamente el proceso de lijado y pulido de la ZAC. En la figura 17, se puede
observar la geometría de las probetas después de ser modificadas. Para alcanzar estas
modificaciones los cortes se efectuaron por medio de una máquina que hace cortes por medio
40
de hilo erosivo, este corte se efectúa debajo del agua, para que así el material no alcance altas
temperaturas que puedan cambiar su microestructura.
Fig.17: Nueva geometría de las probetas.
- Tratamiento térmico
Los tratamientos térmicos a los que se sometieron las probetas fueron: temple en agua, temple
en aceite, normalizado y un recocido. Para estos tratamientos térmicos se utilizó la Mufla
Acequilabs MFR-2006, (Fig.18), del laboratorio de tratamientos térmicos de la Universidad
Distrital-Facultad Tecnológica, las especificaciones técnicas y características del equipo se
pueden encontrar en los anexos 5,6 y 7. Para hacer estos tratamientos térmicos, se estableció la
temperatura de trabajo, en este caso la temperatura de austenización del acero AISI 4140,
850°C.
41
Fig.18: Mufla Acequilabs MFR-2006. (Universidad Distrital Francisco José de caldas, 2019)
En este proceso se introdujo las 4 muestras en la mufla, hasta alcanzar la temperatura de 850°C,
esto tomó alrededor de 1 hora con 30 minutos el lograr esta temperatura. Una vez alcanzada
dicha temperatura, se extendió el tiempo a 30 minutos, para que las probetas alcanzaron una
total homogeneización respecto a la microestructura (Fig.19). El tiempo de homogeneización
varía dependiendo del tamaño que tenga la pieza, en este caso se manejó el tiempo con la pieza
de mayor espesor, ósea la de 10 milímetros, y por cada milímetro de espesor se esperaba 3
minutos, para un total de 30 minutos.
Fig. 19: diagrama temperatura tiempo para el proceso de calentamiento de la pieza.
42
Al culminar el tiempo de homogenización inmediatamente se abrió la mufla y se sacó la probeta
del normalizado (enfriamiento en aire), rápidamente se extrajo otra probeta para el templado
en agua, cerrando la puerta del horno para no perder el calor del mismo, los medios de
enfriamiento para los temples se encontraban a temperatura ambiente. Se hizo el mismo
procedimiento con la siguiente probeta siendo templada en aceite de motor. La última probeta
quedó dentro del horno para poder hacer el recocido (Fig.20).
Fig.20: Normalizado, temple en agua y temple en aceite.
- Preparación metalográfica
Ya teniendo todas las probetas con sus respectivos tratamientos térmicos, se procedió a
preparar la superficie a analizar. La primera parte consiste en el lijado de las probetas desde el
papel lija de mayor tamaño de grano hasta el de menor tamaño de grano. Los papeles de lijas
utilizados fueron 100, 220, 400, 600, 800, 1000, 1500 y 2000 en esa misma secuencia. Cada
una de las probetas fueron lijadas en la lijadora manual (Fig.21).
43
Fig.21: Lijadora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)
Después del proceso de lijado se someten las probetas al la etapa de pulido para poder
desvanecer cualquier raya producto del lijado. Para este proceso se utilizó alúmina de 5μm,
cada probeta se pulió alrededor de 15 minutos cada una para que se alcanzará una superficie y
reflejo de espejo. Esto fue efectuado en la pulidora manual (Fig.22).
Fig.22: Pulidora manual. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)
- Microscopía óptica
Finalizado el proceso de preparación se llevó a cabo la parte microscópica para la
caracterización micro estructural, debido a que se está trabajando sobre una unión disímil entre
un acero inoxidable y uno al carbono, cada uno tiene un ataque químico distinto según la ASTM
E304. Como en el caso del acero inoxidable, el ataque químico es el denominado “reactivo de
vilella” o ácido nítrico más ácido clorhídrico y glicerina cada uno en un 33% de volumen, este
puede quemar el acero al carbono debido a su agresiva reacción al contacto con este, de manera
44
que el primero en atacar químicamente fue el acero AISI 4140 por medio del nital al 2%
(alcohol y ácido nítrico al dos por ciento de volumen). Primero las probetas fueron limpiadas
en alcohol y luego sumergidas en el nital, no por mucho tiempo para que no hubiera un sobre
ataque en el material, de manera que siempre se revisaba el color del material para estar seguros
de esto (Fig.23).
Fig.23: Ataque químico al acero 4140 con nital.
Una vez terminado cada uno de los ataques, se procedió a limpiar las muestras y a tomar cada
una de las micrografías en el microscopio Axio Observer D1m (Fig.24), este microscopio
óptico se encuentra ubicado en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas con el cual se pueden alcanzar imágenes desde 50x hasta 1000x aumentos, la
características y especificaciones del equipo se encuentra en los anexos 6 y 7.
45
Fig.24: Microscopio Axio Observer D1m (Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2019)
Con este microscopio se alcanzó una imagen máxima de mil aumentos, en el orden de las 50μm.
- Microscopía electrónica de barrido
Este ensayo fue ejecutado para poder alcanzar una visualización más amplia de las muestras a
estudiar, debido a que con la microscopía óptica solo se llegaba a 1000 aumentos, llegando
hasta 5000 aumentos (Fig.25).
Fig.25: SEM (Scanning Electron Microscope) Phenom XL, SENA.
La preparación de las muestras es similar a la ya ejecutada, lijado, pulido y ataque. La única
diferencia del anterior proceso es que había que adecuar las muestras para poder introducirlas
en el SEM, como la geometría de las probetas era demasiado grande, tuvo que reducirse a
muestras de dos centímetros de ancho, dos de largo y el espesor mayor de un centímetro
(Fig.26).
46
Fig.26: Probetas redimensionadas para el ensayo en el SEM.
Con respecto al ataque químico del acero inoxidable se utilizó el ya mencionado reactivo de
vilella, (HNO3 + HCl + C3H8O3), en una proporción de 30 ml cada uno. Cada una de las
muestras se sumergió en el reactivo con una duración de dos minutos, después del tiempo se
lavaron y se secaron con aire a presión, todo esto para prevenir impurezas y suciedad en las
zonas a analizar.
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
7.1 SIN TRATAMIENTO TÉRMICO
● Acero inoxidable 316L
Al observar la figura 27 se puede determinar las posibles microestructuras presentes en la ZAC
del acero inoxidable 316L luego de haber realizado el proceso de soldado. Siguiendo la línea
azul de la (Fig.27), y a una temperatura de aproximadamente 1300ºC, se tiene una estructura
austenítica con una fase ferrítica en la región más cercana al cordón de soldadura, luego entre
las temperaturas de 950ºC y 750ºC, aproximadamente, se mantendrá una matriz austenítica con
un fase ferrítica a medida que nos vamos alejando de la zona afectada por el calor.
47
Fig. 27 Relación entre el diagrama hierro-cromo-níquel y el diagrama de temperaturas alcanzadas
en la región de la ZAC para un acero inoxidable con 17% de cromo
Inicialmente, se realiza la toma metalográfica, tanto óptica como electrónica, al acero
inoxidable antes de haber realizado cualquier tratamiento térmico para evidenciar su
microestructura en la ZAC después de haberle realizado el proceso de soldado, y también para
tener un punto de comparación después de haber realizado los determinados tratamientos
térmicos.
48
Fig. 28: Microscopía óptica a 500 aumentos, inicio de la ZAC, acero 316L
Fig. 29: Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L
Teniendo en cuenta el diagrama hierro-cromo-níquel (Fig. 27) y las tomas ópticas realizadas
se puede evidenciar como en el inicio de la ZAC (Fig.28), el acero inoxidable presenta una
estructura austenítica con presencia de ferrita en sus límites de grano producto de sus elementos
49
aleantes como el molibdeno que promueve la formación de ferrita y el manganeso que a
temperatura ambiente estabiliza la austenita pero a temperaturas elevadas ayuda a la formación
de ferrita, además de la posible presencia de precipitación de carburos en dichos límites de
grano debido al aumento de la temperatura al momento de realizar el proceso de soldado. En
la figura 29 se puede ver más clara la posible formación de carburos de cromo y presencia de
ferrita en los límites de grano, si se presenta la formación de carburos de cromo puede generar
una sensibilización del acero inoxidable disminuyendo su propiedad protectora y aumentando
su vulnerabilidad a la corrosión.
Fig. 30: Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, acero 316L
50
Fig. 31: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, acero 316L
En las Figuras 30 y 31 se ve de una manera más detallada los diferentes tamaños de grano de
la estructura austenítica del acero inoxidable 316L debido a las diferentes temperaturas que se
alcanzan en la ZAC producto de la aplicación de la soldadura
● Acero aleado 4140
En este acero se utilizará el diagrama de hierro-carbono para analizar las posibles fases que se
pueden encontrar a lo largo de la probeta al momento de efectuar la soldadura. Se escoge este
diagrama debido a que los elementos aleantes en este acero no afectan drásticamente los límites
del diagrama hierro carbono. Con una composición de 0.99%Cr, 0.21%Mo y 0.92% de Mn,
ubicamos dichos porcentajes en dos gráficas que nos establecen el contenido de carbono en el
punto eutéctico dependiendo del porcentaje del elemento aleante y también la temperatura del
51
punto eutéctico con respecto a la concentración de los elementos aleantes, ver figuras 32 Y 33,
allí se puede determinar que el porcentaje de carbono en el punto eutéctico estará entre 0.7 y
0.8% de carbono y su temperatura varía entre 700 y 750ºC, aproximadamente, los cuales son
valores muy cercanos a los establecidos en el diagrama hierro-carbono.
Teniendo en cuanta la figura 34, se puede determinar las posibles fases presentes en la ZAC
luego de haber realizado el proceso de soldado, en el diagrama se toma un acero con 0.3% de
carbono, el cual es muy aproximado al acero 4140, donde se puede ver que en la región más
cercana al cordón de soldadura (1) se tendrá una microestructura austenítica, en la región 2 se
mantendrá la austenita, pero ya en la región 3 parte de la austenita se transformara en ferrita y
la otra parte quedará austenita sin transformar, para que finalmente en la región 4 se encuentre
ferrita proeutectoide proveniente de la región 3 y la austenita se transformara en ferrita más
cementita la cual forma perlita. Hay que aclarar que esas son las microestructuras que se
alcanzarán al momento de pasar el cordón de soldadura y no serán las microestructuras finales.
Fig. 32 influencia de los elementos aleantes en la concentración de carbono para el punto eutectoide.
(W. C. D., & Rethwisch, D. G. 2013)
52
Fig. 33 influencia de los elementos aleantes en la temperatura para el punto eutectoide.Jr., (W. C. D.,
& Rethwisch, D. G. 2013)
Fig. 34: Relación entre el diagrama hierro carbono y el diagrama de temperaturas alcanzadas en la
región de la ZAC para un acero con 0.3% de carbono
53
El acero 4140 consta de un tratamiento térmico ya realizado previamente, bonificado. El acero
fue laminado en caliente, normalizado, templado y revenido. Por medio de ese proceso la
microestructura resultante consiste netamente en martensita revenida, más específicamente
bainita, la cual se caracteriza por no tener una forma acicular como la martensita.
Analizando las micrografías ópticas y electrónicas de la unión soldada, y tomando como guía
en diagrama de la figura 34, se puede explicar las microestructuras presentadas en dichas
imágenes. Empezando por los inicios de la ZAC podemos ver una especie de estructura
granular que se desarrolla en diferentes direcciones y que parece estar dispersa, pero cada vez
que alejamos la imagen de la soldadura parece que la estructura formará agujas en distintas
direcciones, agujas que si se observan detalladamente no están del todo unidas entre sí, de
manera que aún se puede distinguir las pequeñas partículas. Estas partículas son carburos
disueltos en una matriz de hierro, y toman el nombre de sorbita (Fig.36), que es el componente
principal de la formación de bainita y martensita, en la figura 36 se puede observar una
micrografía a 1000X de un acero níquel-cromo-molibdeno que fue templado y revenido,
muestra un tamaño de grano bastante grande, debido a la temperatura a la que fue austenizado.
Esta estructura se forma debido a la baja velocidad de enfriamiento que experimenta el material
(Wrighton, 1996). el cual permite que la martensita se descomponga. Con respecto al diagrama
de la figura 34 se puede ver que el material alcanza alrededor de 1450 C en donde se encontrara
una estructura totalmente austenítica la cual a esa temperatura posee un tamaño de grano
considerablemente grande y medida que se va enfriando la pieza, este disminuye.
54
Fig.35 Microestructura en la ZAC del acero 4140 sin tratar térmicamente.
Fig.36 Acero níquel-cromo-molibdeno templado y revenido que muestra una microestructura
sorbitica. (WRIGHTON, H. 1996, lámina 35)
55
La teoría dice que el crecimiento de grano cuando un material es sometido a calentamiento se
ve afectado desde la temperatura Ac3, que es la que limita la zona de solución sólida hierro
gamma, y a medida que se aumenta la temperatura aumenta el tamaño de grano. Sabiendo que
a lo largo de la probeta se obtienen distintas temperaturas, solo las zonas que estén dentro del
intervalo de temperaturas de la zona austenítica serán afectadas con un crecimiento de grano,
por esta razón es que se puede evidenciar que el tamaño de grano en la ZAC es mucho más
grande que el del material base. Este tamaño de grano se mantendrá en sus proporciones o muy
próximo a estas dependiendo de la velocidad de enfriamiento a la que se someta.
Fig.37 Microscopia electrónica a 2000 aumentos, ZAC de acero 4140 sin tratamiento térmico
En la figura 37 se muestra la estructura bainítica desarrollada en la ZAC pero que a su vez está
más alejada del cordón de soldadura. Aun se puede observar como la sorbita forma las agujas
de bainita que no tienen ningún sentido de orientación y que en su gran mayoría no son
paralelas, no como la martensita que parra aceros de medio carbono se forma una estructura de
agujas paralelas que se intersectan y que por lo general señalan los planos de clavija o
56
despliegue de la solución sólida original. En esta imagen se puede observar una zona bastante
oscura que forma al parecer agujas en diferentes direcciones, estas agujas son lo bastante
grandes y gruesas, lo cual coincide con la descripción de la bainita superior, ya que “es una
estructura que en la muestra atacada aparece oscura, en la que el carburo, aunque todavía
irresoluble, no muestra tan gran dispersión como en la martensita” (WRIGHTON, H. 1996,
página 114). En la figura 38 podemos observar una estructura puramente bainítica a 5000
aumentos, se evidencia aún la formación de una estructura acicular entre agujas demasiado
grandes y otras más pequeñas, donde se podría decir que hay una combinación entre martensita
y bainita, ya que este fue un acero con un tratamiento térmico de bonificado, el cual genera una
combinación entre ambas estructuras, es decir, ablanda la martensita y esta se transforma en
bainita.
Fig. 38: Microestructura bainítica rodeada por la formación de martensita en la ZAC
57
7.2 NORMALIZADO
● Acero inoxidable 316L
En las figuras 39 y 40 se puede ver la microestructura presente en la ZAC del acero inoxidable
316L después de haber sometido la probeta al tratamiento térmico de normalizado, elevando la
temperatura a 850ºC y manteniéndola durante 30 minutos para luego ser enfriada al aire libre.
Se evidencia un aumento en la formación de ferrita y posibles carburos de cromo en los límites
de grano debido a la temperatura alcanzada (850ºC) y al enfriamiento lento. También se
evidencia, tanto en la ZAC como en el material base, la presencia de una fase totalmente
austenítica con una distribución y tamaño de grano más uniforme en comparación con la
microestructura obtenida en el acero antes de haber realizado algún tratamiento térmico (Fig.
28), esto es producto del proceso de austenizado y el mantenimiento de la temperatura durante
30 minutos lo que permite que toda la microestructura se homogenice.
Fig. 39: Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC
58
Fig. 40: Normalizado acero inoxidable 316L, microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC
En las microscopias electrónicas (Fig.41 y 42) se puede observar de una manera mucho más
detallada los granos austeníticos en la microestructura del acero inoxidable en la ZAC, además,
se puede observar la posible presencia de los carburos de cromo en los límites de grano debido
al aumento de temperatura, ya que dicho aumento de temperatura hace que los átomos de
carbono que se encuentran en el grano austenítico se desplacen hacia los límites de grano y los
átomos de cromo adyacentes a esta zona, debido a su alta afinidad al carbono a altas
temperaturas, genera que se formen estos precipitados de carburo de cromo.
59
Fig. 41: Microscopía electrónica de barrido a 1000 aumentos en la ZAC, normalizado acero
inoxidable 316L
Fig. 42: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, normalizado acero
inoxidable 316L
60
● Acero aleado 4140
Para el análisis micro estructural de cada uno de los tratamientos térmicos se hizo uso del
diagrama CCT para el AISI/SAE 4140 (Fig.43), para estos análisis el diagrama que se utiliza
tiene en cuenta tres factores fundamentales, diámetro de la barra, medio de enfriamiento y
temperatura.. Como las probetas a analizar son de sección rectangular se calculó el diámetro
equivalente por medio de diámetros equivalentes ya estandarizados para determinadas
secciones rectangulares los cuales dependen del medio de enfriamiento, así como se muestra
en el anexo 1 y 2
Fig.43: Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en el aire (Atkins, n.d.)
El diámetro equivalente calculado para una sección de espesor de 10 milímetros y un ancho
de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en aire (anexo 2).
61
Trazando una línea vertical sobre el diámetro equivalente para el enfriamiento en aire se puede
observar el tipo de microestructura que se obtiene en ese tratamiento térmico (Fig.43).
Tomando la trayectoria de la línea recta en la gráfica el tratamiento térmico se empieza a leer
desde la temperatura de austenización, 850ºC, en donde la austenita se empieza a transformar
primeramente en ferrita cuando alcanza una temperatura de alrededor 580ºC. Si se sigue
bajando por la misma línea se llegara a la línea donde se divide la ferrita de la perlita, y ambas
comparten un porcentaje de composición, en este caso la ferrita alcanza un porcentaje del 7%
y la perlita un porcentaje del 3% aproximadamente. Al seguir enfriando la muestra esta entra
en la zona de la bainita a partir de 520ºC aproximados, la cual alcanza un porcentaje del 83%
bajando a lo largo de la línea vertical llegando a el inicio de la zona martensítica. Esta zona
tiene inició a partir de los 280ºC aproximadamente y finaliza a los 180ºC, alcanzado un
porcentaje del 7% en su composición. Teniendo en cuenta esta información ahora se entra a
analizar las micrografías obtenidas. La figura 44 muestra la zona afectada por el calor del acero
4140.
Fig.44: ZAC acero 4140 normalizado.
62
En esta imagen (Fig. 44) se evidencia la variación de tamaño de grano, se puede ver como el
grano se va haciendo más pequeño a medida que se aleja de la ZAC, posiblemente el tiempo
de austenización no fue lo suficiente prolongado como para que el tamaño de grano fuera más
homogéneo, y adicionalmente la velocidad de enfriamiento fue lo bastantemente rápida como
para apreciar visualmente el cambio del tamaño de grano en la ZAC. En la figura 45 se quiere
diferenciar dos tipos de microestructura, los granos que están encerrados con los círculos rojos
son los granos de ferrita proeutectoide formada durante el enfriamiento de este acero, y los
granos encerrados por los círculos de color azul presuntamente son granos de bainita inferior
que se caracterizan por ser agujas muy pequeñas que rodean los granos ferríticos. “Cuando el
enfriamiento desde una temperatur más alta ha sido lo suficientemente alto como para obtener
martensita, si el contenido de carbono está muy alejado del que corresponde a el eutectoide,
puede haber todavía una separación de ferrita o de carburo. Toda pequeña partícula de ferrita
o de carburo que se haya separado bajo tales condiciones o que se haya quedado sin disolver a
la temperatura de temple, puede estar rodeada por un cerco de troostita. La troostita puede darse
en forma de agujas muy finas delineando una estructura acicular similar a la martensita
“(WRIGHTON, H. 1996, página 114). De esta forma podríamos decir que ciertas estructuras o
formas en la fig 45 podrían ser bainita inferior o troosto- martensita.
63
Fig.45: Microestructura en la zac acero 4140, normalizado, los granos marcados con el círculo rojo
son granos de ferrita y los granos denotados con el círculo azul son granos aparentemente de bainita
inferior.
64
Fig.46: Microestructura en la zac microscopio electrónico de barrido 5000x, normalizado acero
4140
La Figura 46 se observa una mayor disolución del carburo en el acero y una formación de lo
que hipotéticamente puede ser bainita y ferrita.
7.3 RECOCIDO
● Acero inoxidable 316L
Se puede ver en la figura 47 lo que aparentemente puede ser la presencia de carburos de cromo
en la parte más cercana al cordón de soldadura en la ZAC y la formación de ferrita en los límites
de grano, además, se puede ver que aunque se le haya realizado el tratamiento térmico de
recocido, la microestructura del acero inoxidable sigue siendo austenita gracias a sus elementos
aleantes que le brindan una fase austenita estable a diferentes temperaturas (Fig.27).
Fig. 47: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, recocido acero inoxidable 316L
65
Fig. 48: Microscopía electrónica de barrido a 2000 aumentos en la ZAC, recocido acero
inoxidable 316L
● Acero aleado 4140
En el proceso de recocido, luego de haber llevado la pieza a 850ºC y dejarla allí durante 30
minutos, para que toda la pieza se homogeneizara, y después dejarla enfriar dentro del horno,
se puede observar en la figura 49 la formación de una matriz ferrítica (región clara) y la
presencia de una microestructura perlítica (región oscura) proveniente de la austenita sin
transformar
66
Fig. 49: Microscopía óptica a 500 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140
En la figura 49 se observa un configuración laminar entre los granos ferríticos y los granos
perlíticos, en muchas ocasiones esta distribución es debida a la forma que fueron forjados, en
este caso el acero fue laminado en caliente. Sin embargo, no es un indicativo de que sólo a
través de este proceso es posible conseguir esta microestructura, ya que pasa algo similar con
la segregación de fósforo en el proceso de enfriamiento. Si un acero se enfría con lentitud desde
un punto superior a Ac3 a fin de dar tiempo para que el carbono se difunda fuera de las zonas
de fósforo, se puede obtener a menudo una estructura de bandas en el mismo acero que después
de enfriamiento al aire a partir de la misma temperatura mostraría aparentemente granos
equiaxiales. (WRIGHTON, H. 1996, p107-108)
En la figura 50 podemos apreciar un ejemplo de un acero de 0,23% de carbono y 1,42% de
manganeso, recocido desde 890 ºC, el cual muestra una microestructura muy similar a la
obtenida en el proceso de recocido del acero 4140 (Fig. 49).
67
Fig. 50: Acero 0,23% de carbono recocido a 890ºC, este acero muestra una configuración laminar
entre la ferrita y la perlita. (WRIGHTON, H, 1996)
Fig. 51: Microscopía óptica a 1000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140, región clara
formación de granos ferríticos y región oscura formación de perlita
En la figura 52 se puede ver de una manera más detallada los granos ferríticos (región clara), y
la formación de perlita gruesa (formada de láminas de ferrita con láminas de cementita) en la
68
ZAC del acero 4140, esta aparición de perlita gruesa se da debido a que su formación se
presenta en temperaturas inferiores o cercanas a la temperatura eutectoide (723ºC) lo cual hace
que la difusión del carbono a través de la ferrita hacia la cementita sea muy rápida y se puedan
formar láminas gruesas. Además de lo ya mencionado, esta microestructura perlítica hace que
el acero 4140 obtenga una buena dureza y resistencia.
Fig. 52: Microscopía electrónica a 5000 aumentos en la ZAC, recocido acero aleado 4140, evidencia
de región perlítica
69
7.4 TEMPLE EN ACEITE
● Acero inoxidable 316L
En las figuras 53 y 54 se puede ver como en el acero inoxidable 316L se sigue manteniendo la
microestructura austenítica tanto en la ZAC como en el resto del material base aunque se le
haya realiza el post tratamiento térmico de temple en aceite, esto es gracias a sus elementos
aleantes, como el manganeso y especialmente el níquel, ya que permiten que se aumente la
región de la fase austenítica y que sea más estable a diferentes temperaturas, como se puede
apreciar en el diagrama de fases hierro-cromo-níquel (Fig.27). También se sigue evidenciando
la posible presencia y formación de una fase ferrita y carburos de cromo en los límites de los
granos austeníticos producto del proceso de soldado y las elevadas temperaturas alcanzadas en
dicho proceso.
Fig. 53: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero 316L
70
Fig. 54 Microscopía electrónica a 2000 aumentos en la ZAC, temple en aceite acero
inoxidable 316L.
● Acero aleado 4140
El diámetro equivalente calculado para una sección de espesor de 10 milímetros y un ancho
de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en aceite (anexo 1).
Trazando una línea vertical sobre el diámetro equivalente para el enfriamiento en aceite se
puede observar el tipo de microestructura que se obtiene en ese tratamiento térmico (Fig.55).
Se puede observar que a partir de la temperatura de austenización que son 850ºC se enfría
rápidamente la probeta en aceite para así adquirir una estructura totalmente martensítica.
71
Fig.55 Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en aceite (Atkins, n.d.)
En las figuras 56 y 57 se puede ver la microestructura presente en la ZAC del acero 4140, se
presenta una estructura totalmente martensítica la cual se caracteriza por tener forma de agujas
orientadas en diferentes direcciones, además de la presencia de austenita retenida o austenita
sin transformar (regiones claras) debido a la alta velocidad de enfriamiento, esta
microestructura es producida debido a que no hay difusión de los átomos de carbono y por lo
tanto no se presenta la nucleación de nuevas microestructuras, adicionalmente, los elementos
aleantes como el cromo, níquel y molibdeno, son elementos que dificultan el proceso de
difusión controlada.
72
Fig.56: Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio óptico, temple en aceite acero 4140
Fig.57: Microestructura martensítica en la ZAC, microscopio electrónico de barrido, temple en aceite
acero 4140
73
7.5 TEMPLE EN AGUA
● Acero inoxidable 316L
Del mismo modo que en el temple en aceite, se puede ver como el acero inoxidable sigue
manteniendo su microestructura austenítica a pesar de haberlo sometido a un enfriamiento
rápido (Fig.58), como ya se abordó anteriormente, esto es gracias a sus elementos aleantes que
permiten una gran estabilidad de la fase austenítica en las diferentes temperaturas normales a
las re se realizan los determinados tratamientos térmicos
Fig. 58: Microscopía óptica a 200 aumentos en la ZAC, temple en agua acero inoxidable 316L,
● Acero aleado 4140
El diámetro equivalente calculado para una sección de espesor de 10 milímetros y un ancho
de 50 milímetros, fue de 17 milímetros para un método de enfriamiento en agua, teniendo en
cuenta el obtenido en el temple en aceite (anexo 1). Empezando desde una temperatura de
850ºC se es enfriado rápidamente el acero en agua y este adquiere una estructura totalmente
martensítica debido a que el diagrama muestra que para una barra de 17 milímetros de diámetro
74
enfriada en agua solo obtendrá esa microestructura en un 100% (Fig.59). La transformación
empieza desde 290ºC y finaliza a una temperatura de 110ºC aproximadamente.
Fig.59: Diagrama CCT AISI/SAE 4140, trayectoria del enfriamiento en agua (Atkins, n.d.)
En la figura 60 se muestra la ZAC en el acero templado en agua, donde se evidencia una
microestructura puramente martensítica. Se evidencia esta microestructura en forma de agujas
orientadas en diferentes direcciones, con austenita retenida debido a la alta velocidad de
enfriamiento (Fig.61), esta microestructura es producida debido a que no hay difusión de los
átomos de carbono y no se presenta la nucleación de nuevas microestructuras, adicionalmente,
los elementos aleantes como el cromo, níquel y molibdeno, son elementos que dificultan el
proceso de difusión controlada, como ya se mencionó anteriormente.
75
Fig.60: Microestructura martensítica en la ZAC, temple en agua del acero 4140
Fig.61: Microscopia electrónica a 2000 aumentos, microestructura martensítica en la ZAC, temple en
agua del acero 4140
76
Por otro lado, teniendo en cuenta la microestructura martensítica obtenida en el temple en
aceite del acero 4140 (Fig.57), se puede notar que la martensita obtenida en el temple realizado
en agua presenta unos granos muchos más finos que los obtenidos en el temple en aceite, esto
es producto del medio de enfriamiento ya que al enfriar la pieza en agua se presenta una mayor
severidad de temple lo cual genera que la austenita se transforme de una manera más súbita en
martensita impidiendo que se presenta la difusión del carbono hacia los límites de grano para
poder producir otro micro constituyente.
77
8. CONCLUSIONES
1. Teniendo en cuenta el proceso para realizar el corte de los materiales, el electrodo
adecuado para llevar a cabo la unión disímil y los diferentes procesos de lijado y pulido,
se lograron elaborar probetas con una buena superficie de análisis para realizar las
diferentes tomas metalográficas y así obtener imágenes claras y detalladas donde se
pudieron evidenciar las diferentes fases presentes en la ZAC del acero inoxidable 316L
y del acero de baja aleación 4140
2. Del estudio se afirma que el tamaño de grano ubicado en la zac tiene un progreso que
evidencia un grano mayor en las zonas más cercanas al material de aporte y este va
disminuyendo a medida que se aleja de la misma, esto debido a las diferentes
temperaturas alcanzadas en la ZAC al momento de realizar el proceso de soldadura.
Hablando del acero 4140 se puede ver como en las muestras que no tienen tratamiento
térmico, el tamaño de grano se comporta de la manera ya descrita, figura 34, donde se
evidenció que debido a las altas y diferentes temperaturas a las que está sometida la
ZAC del material hace que se presenten diferentes aumentos en el tamaño de grano y
la microestructura no se homogenice de igual manera al momento de enfriar el material.
Sin embargo, esta distribución de tamaño puede cambiar de manera que modificará las
propiedades del material, esto por medio de tratamientos térmicos. Por ejemplo, en el
caso del normalizado y recocido se evidencia cómo al disminuir la velocidad de
enfriamiento conlleva que el material pueda distribuir sus fases de manera más calmada,
donde se pueden apreciar claramente sus fases y como el tamaño de grano es uniforme
y no varía en grandes proporciones. En el caso de los temples se concluye que al enfriar
de manera tan rápida las probetas, la velocidad de enfriamiento influye en el tipo de
transformacion, distribucion de las fases y en el tamaño de grano resultante,es decir,
tiende a mantener el tamaño de grano.
78
Con respecto al tamaño de grano del acero inoxidable 316L se pudo ver como cuando
no se le realizo determinado tratamiento térmico sus granos austeníticos presentan
diferentes tamaños en la ZAC producto de las altas temperaturas alcanzadas al
momento de soldar, además, cuando se realizo cualquier tratamiento térmico, el tamaño
de grano del acero inoxidable presentó una mejor distribución y homogeneidad
producto de la austenización a 850ºC y el mantenimiento de esta temperatura durante
30 minutos, permitiendo que todo el material alcanzara esta temperatura y se produjera
una microestructura totalmente homogénea al momento de enfriar.
3. Por medio de los diagramas de enfriamiento continuo, los diagramas de fases Fe-C y
Fe-Cr-Ni, y las diferentes microscopias obtenidas se identificaron las diferentes
microestructuras que un acero de baja aleación y un acero inoxidable austenítico puede
obtener, tales como la ferrita, perlita, bainita y martensita, para el acero 4140, y la
austenita presente a diferentes temperaturas en el acero 316L producto de sus diferentes
elementos aleantes., estas fases se presentan o van cambiando por medio de las distintas
velocidades de enfriamiento y las temperaturas que se alcanzan ya sean al momento de
soldar o al momento de realizar algún tratamiento térmico
Al tener diferentes velocidades de enfriamiento, las microestructuras que se obtienen
en la ZAC de cada una de las muestras varían, no todas van a tener la misma orientación
y fases presentes. Se puede confirmar como en las muestras del acero 4140 que se
sometieron a los tratamientos de normalizado y recocido se evidencia dos estructuras
fundamentales, ferrita y perlita fina, sin embargo también se evidencia como el recocido
genera perlita mucho más gruesa y su distribución de ferrita y perlita es más laminar y
uniforme que la del normalizado, estas microestructuras son blandas y confieren al
acero un alto límite elástico y una considerable dureza, esto dependiendo del grosor de
la perlita. En los temples se evidencia una microestructura puramente martensítica, las
79
cuales garantizan una gran dureza en el material, también es una desventaja debido a
que el material se fragiliza en estas zonas produciendo así posibles grietas y con esto a
que el material pueda fallar en la ZAC. En la probeta que no tiene tratamiento térmico
se evidencia el crecimiento de grano desde el material base hasta la zac, al igual que se
ve una estructura sorbítica que a medida que se aleja de la ZAC forma bainita, la cual
a su vez es una microestructura que da una buena dureza y no presenta tanta fragilidad
como la estructura martensítica.
Para el acero 316L se evidencia en todas las muestras una estructura totalmente
austenítica producto de los diferentes elementos aleantes, estos elementos aleantes
hacen que la zona austenítica en el diagrama Fe-Cr-Ni sea mayor y más estable a
diferentes temperaturas, esta característica se pudo notar en las microscópicas
obtenidas, observando una estructura totalmente austenítica con la única diferencia que
en los diferentes tratamiento térmicos la estructura austenítica era más homogénea en
comparación a la muestra sin tratamiento térmico, esto debido al tiempo y temperatura
de austenización alcanzados al momento de realizar los diferentes tratamientos
térmicos..
4. Teniendo en cuenta el análisis de resultados se pueden evidenciar los pros y contras de
cada una de las muestras. Comenzando por el recocido y normalizado que son
tratamientos térmicos que se caracterizan por tener una velocidad de enfriamiento lenta,
se observa que en el acero 4140 se pueden tener propiedades como: buena tenacidad,
mayor módulo de elasticidad y una dureza considerable. Con respecto al acero
inoxidable existe la posibilidad de que se precipitan carburos de cromo, debido a que
las temperaturas de tratamiento térmico rondaron entre el rango de 800 a 900 grados
centígrados. En los temples los resultados mostraron que el acero al carbono se
endurece totalmente, debido a que adquirió una estructura puramente martensita, la
80
cual puede ser perjudicial para la probeta porque puede volver al material muy frágil,
en el acero 316L no se presenta un cambio significativo debido a que al elevarse a la
temperatura de 850ºC y enfriarse rápidamente ni se eliminan carburos y tampoco se
crean, ya que para eliminarlos hay que alcanzar el rango de (1000-1100)ºC y enfriar
rápidamente, lo cual es muy perjudicial para el acero al carbono, ya que seguramente
crearía grietas en el material por las tensiones residuales. Por último, queda la muestra
sin tratar térmicamente, la cual presenta una buena combinación de propiedades, por
parte del acero al carbono se obtiene una buena dureza pero disminuyen propiedades
como tenacidad y fluencia, en el acero inoxidable las zonas más afectadas tendrán más
lugar en la ZAC, debido a que las altas temperaturas y la velocidad de enfriamiento
podría precipitar carburos si no se tiene cuidado con las variables de soldadura.
81
9. RECOMENDACIONES
Las siguientes recomendaciones son presentadas en base a la realización y desarrollo de este
proyecto, con el fin de ayudar a futuras investigaciones que se interesen en el estudio de estos
tipos de aceros.
Con respecto a la preparación de las muestras para posteriormente ser sometidas a los análisis
metalográficos se recomienda tener en cuenta las dimensiones del equipo metalográfico para
tener el tamaño adecuado de la probeta y así lograr obtener una buena toma metalográfica,
además, se recomienda el uso de varias etapas de pulido con el papel lija de diferente tamaño
de grano con el fin de obtener una superficie totalmente plana y así disminuir el tiempo de
pulido para obtener la superficie de espejo, luego de hacer la adecuada preparación de las
probetas se debe tener mucho cuidado en la realización del ataque químico y no sobrepasar la
concentración y su tiempo de sostenimiento ya que se puede presentar un sobre ataque en la
muestra y la imagen metalográfica se puede afectar y no mostrar una microestructura
totalmente clara.
También hay que tener en cuenta al momento de realizar el ataque químico a una unión disímil
entre una acero de baja aleación y un acero inoxidable austenítico primero se debe atacar el
acero aleado y posteriormente el inoxidable porque si no se realiza de esta forma (según la
norma ASTM E304) el acero aleado puede presentar un sobre ataque ya que la reacción
química que se le aplica al acero inoxidable es más agresiva, por otro lado, hay que tener en
cuenta las diferentes variables de soldadura ya que puede afectar drásticamente las propiedades
en la ZAC.
Finalmente se recomienda hacer ensayos de dureza, micro dureza, realizar análisis más a fondo
con relación al tamaño de grano presente en las diferentes fases de los aceros, llevar a cabo
análisis de corrosión y formas para mitigar la formación de carburos de cromo del acero
82
inoxidable en uniones disímiles para tener una mayor información de las propiedades presentes
en la unión de estos dos tipos de acero y llevar el estudio de estos tipos de aceros más a fondo.
83
10. BIBLIOGRAFÍA
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86
11. ANEXOS
Anexo 1: Diámetros equivalentes para una sección rectangular, enfriamiento en aceite
(Atkins, n.d.)
87
Anexo 2: Diámetros equivalentes para una sección rectangular, enfriamiento al aire (Atkins,
n.d.)
88
Anexo 3 Características y especificaciones de la Mufla Acequilabs MFR-2006
89
Anexo 4 Características y especificaciones de la Mufla Acequilabs MFR-2006
90
Anexo 5 Características y especificaciones de la Mufla Acequilabs MFR-2006
91
Anexo 6: Características y especificaciones del microscopio axio observer D1m
92
Anexo 7: Características y especificaciones del microscopio axio observer D1m
93
Anexo 8: características y especificaciones del microscopio electrónico de barrido Phenom
XL
94
Anexo 9 Certificado acero inoxidable 316L
95
Anexo 10 Certificación acero AISI/SAE 4140