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Asociacin Colombiana de
Soldadura ACS
METALURGIA DE LA SOLDADURA
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MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y
LAS ALEACIONES
Cada metal tiene una estructura cristalina definida. El hierro a
T ambiente, por ejemplo,
est formado por celdillas de estructura cbica
centrada en el cuerpo (BCC).
Las propiedades de los metales dependen de la forma de los
cristales, del nmero de tomos
que comprende cada estructura espacial de
cristales, de la distancia entre los tomos de la
estructura espacial, y de la interrelacin de las
estructuras espaciales.
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MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y
LAS ALEACIONES (CONT.)
Otros factores importantes de los que dependen las propiedades
son las caractersticas del proceso de solidificacin, o los fenmenos
asociados con la transformacin de los metales del estado lquido al
estado slido.
Este proceso se ilustra en forma esquemtica en un diagrama de
equilibrio, diagrama de
constitucin o diagrama de fase.
Un diagrama de fase es en esencia una representacin grfica de la
temperatura sobre
la cual son estables las fases de un metal.
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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MICROESTRUCTURA DE LOS METALES Y LAS
ALEACIONES (CONT.)
Cuando se usa la palabra equilibrio, implica que cualquier
cambio que ocurra
en un metal puro o en una aleacin habr
de ser un cambio reversible.
Es decir, cualquier cambio que resulte como consecuencia de una
elevacin de
temperatura, por ejemplo, se producir a
la inversa, al haber un descenso
correspondiente en la temperatura.
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ESTADOS ALOTRPICOS DEL HIERRO PURO
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Estructuras Cristalinas
Los metales y aleaciones en un 90% cristalizan en los
sistemas:
Cbico de cuerpo centrado (BCC) Cbico de cara centrada (FCC)
Hexagonal compacto (HCP)
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Estructura cristalina BCC
En este sistema cristalizan:
Cr, V, Mo, Nb, W, Pt, Cs, Ba, Acero.
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Estructura cristalina FCC
En este sistema cristalizan:
Au, Ag, Ir, Th, Ce, Acero Inoxidable.
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Estructura cristalina HCP
En este sistema cristalizan:
Zr, Hf, La, Os, Co, Cd, B.
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Aleaciones
Una aleacin es un metal compuesto de dos o ms elementos, de los
cuales por lo menos
uno es metlico.
Las principales categoras de aleacin son: soluciones slidas y
fases intermedias.
Una solucin slida es una aleacin en la cual un elemento est
disuelto en otro para
formar una estructura de fase nica.
El trmino fase describe cualquier masa homognea de material.
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Soluciones Slidas
(a) (b)
Las soluciones slidas vienen en dos formas: la
substitucional (a) y la intersticial (b).
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Soluciones Slidas (Cont.)
En la solucin o aleacin slida subsititucional los tomos del
elemento
solvente son remplazados en su celda unitaria
por tomos del elemento disuelto.
En la solucin o aleacin slida intersticial los tomos del
elemento disuelto se introducen
en los espacios vacantes interatmicos de la
estructura reticular del metal base.
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ALEACIONES HIERRO - CARBONO
Corresponden a los aceros (0.05% - 2% C).
Fundiciones (2% - 4.3% C).
El C se encuentra generalmente combinado con el hierro como
Fe3C (Cementita).
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ALEACIONES HIERRO CARBONO (Cont.)
A temperatura ambiente los constituyentes fundamentales de
los aceros son la Ferrita, la
cementita y la perlita.
La Ferrita es el hierro alfa o hierro casi puro. Es muy dctil,
maleable y
magntico. Cristaliza en el sistema
BCC.
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Microestructura del Hierro Puro
Fte: APRAIZ. Metalurgia de los Aceros
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La cementita es un carburo de hierro (Fe3C) es el
constituyente
ms duro de los aceros. Es
magntica por debajo de los 210C
y no magntica a temperaturas
superiores.
Contiene 6.67%C y 93.33%Fe.
ALEACIONES HIERRO CARBONO (Cont.)
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MICROGRAFA QUE MUESTRA LAS HOJUELAS
DE GRAFITO EN UNA FUNDICIN GRIS
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La perlita es una mezcla mecnica de 88.5% de ferrita y 11.5% de
cementita.
Tiene forma laminar (lminas finas) dispuestas
alternadamente.
La proporcin en un acero crece desde 0% hasta 100% para un acero
eutectoide
(0,77-0,8% C).
Las propiedades mecnicas son intermedias entre la ferrita y la
cementita.
ALEACIONES HIERRO CARBONO (Cont.)
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Microestructura de la Perlita
Fte: APRAIZ. Metalurgia de los Aceros
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ESTRUCTURA PERLTICA
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ESTRUCTURA PERLTICA
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Por encima de 726C aparece otro microconstituyente que
corresponde
a la austenita.
La Austenita es una solucin slida de carbono en hierro gamma,
es
blanda, dctil, tenaz y no
magntica.
Cristaliza en el sistema FCC.
ALEACIONES HIERRO CARBONO (Cont.)
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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ESTRUCTURA AUSTENTICA (BAINITA)
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La Martensita puede considerarse como una solucin slida de
carbono en ferrita sobresaturada y distorsionada.
Este es el constituyente de los aceros templados.
Su aspecto es de forma acicular.
Tiene una elevada dureza pero es muy frgil.
ALEACIONES HIERRO CARBONO (Cont.)
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MICROESTRUCTURA MARTENSTICA
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Tratamiento Trmico, es el conjunto de operaciones de
calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de T, t,
atmsfera y velocidad, cuyos principales objetivos son:
Remocin de tensiones internas. Aumento o disminucin de la
dureza. Aumento de la resistencia mecnica. Mejora de la ductilidad,
maquinabilidad,
resistencia al desgaste, resistencia a la corrosin, resistencia
al calor, propiedades de corte.
Modificacin de las propiedades elctricas y magnticas.
Tratamientos Trmicos de los
Aceros
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Los Tratamientos Trmicos de uso comn son: recocido, alivio de
tensiones, temple, revenido, normalizado, tratamientos isotrmicos.
Recocido. Consiste en el calentamiento del acero
por encima de la T crtica, durante el tiempo necesario, para
tener solucin de carbono o de los elementos aleantes en el Fe
gamma, seguido de un enfriamiento muy lento, realizado controlando
la velocidad de enfriamiento en el horno o apagando el mismo y
dejando que el acero enfre al mismo tiempo que l.
Tratamientos Trmicos de los Aceros
(Cont.)
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Alivio de Tensiones. Consiste en el calentamiento del acero por
debajo
de la T crtica. El objetivo es aliviar
las tensiones producidas durante los
procesos de fabricacin, operaciones
de conformado, soldadura o
maquinado.
Tratamientos Trmicos de los
Aceros (Cont.)
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Temple. Consiste en el calentamiento del acero por encima de la
T de
austenizacin, seguido de un enfriamiento
rpido en un medio como agua, aceite,
sales o aire inducido. Su objetivo es la
obtencin de la estructura martenstica,
reducindose la ductilidad, la tenacidad y
apareciendo en el material apreciables
tensiones internas.
Tratamientos Trmicos de los
Aceros (Cont.)
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Revenido. Es el T.T. que normalmente acompaa al temple, ya que
adems de aliviar las tensiones internas, corrige la excesiva dureza
y fragilidad del material, aumentando su ductilidad y resistencia
al choque, como tambin la prdida de piezas por rotura.
Generalmente se calienta el acero a una T inferior a la crtica,
seguido de un enfriamiento lento.
Tratamientos Trmicos de los
Aceros (Cont.)
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Normalizado. Consiste en el calentamiento del acero por
encima
de la T de austenizacin, seguido de
un enfriamiento al aire. Este T.T. es
aplicable a piezas que han sido
laminadas o forjadas.
Tratamientos Trmicos de los
Aceros (Cont.)
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Enfriamiento de un Acero
Recocido
0.35%C , 900 C Enfriamiento lento :Cristales blancos =
Ferrita
Puntos negros = Perlita
1.1%C , 900 C Aparicin de cristales negros contorneados
por una retcula blanca.
Cristales negros = Perlita
Retcula blanca = Cementita.
Ataque HNO3 (3%) , t = 10 s.
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Aceros Recocidos (Cont.)
Los constituyentes caractersticos de los aceros recocidos
son:
La ferrita
La perlita
La cementita
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DIAGRAMA HIERRO CARBONO
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Enfriamiento en los Aceros
Cuando un acero se enfra lentamente se obtiene como resultado
una microestructura dctil, la cual tiene una apariencia laminar y
corresponde a la perlita.
Cuando un acero se enfra rpidamente se obtiene como resultado un
endurecimiento con tendencia a la fragilidad y corresponde a una
estructura martenstica.
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ASPECTOS METALRGICOS
DE LA SOLDADURA
Como resultado del enfriamiento rpido del depsito de soldadura,
las reacciones qumicas que se inician en el metal fundido y en la
escoria no tienen tiempo para completarse.
Al avanzar la formacin del cordn, la temperatura del depsito de
soldadura desciende, debido a la salida del calor hacia el metal
base y a la radiacin hacia la atmsfera del ambiente, y luego el
metal, solidifica.
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ASPECTOS METALRGICOS DE LA SOLDADURA (CONT.)
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RELACIN ENTRE LA TEMPERATURA EXPERIMENTADA EN LAS REGIONES DE
LA
SOLDADURA CON EL DIAGRAMA FE - C
CARACTERSTICAS:
La zona afectada por el calor no
se funde pero como est
adyacente a la soldadura
alcanzan temperaturas
demasiado altas.
Las ratas de enfriamiento en
esta zona son las ms rpidas
debido al fenmeno del temple
por contacto.
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VARIABLES A CONSIDERAR EN LA SOLDADURA Y QUE PRODUCEN CAMBIOS EN
LAS PROPIEDADES
Entrada de calor
Precalentamiento
Carbono equivalente del metal base
Espesor
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Entrada de Calor
A medida que la entrada de calor se incrementa, la rata de
enfriamiento
disminuye.
El uso de electrodos de dimetro pequeo corrientes bajas y
Vavance ms rpidas,
tendern a disminuir la entrada de calor y
por lo tanto incrementan la rata de
enfriamiento.
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Entrada de Calor (Cont.)
Q: Entrada de Calor (J/in).
I: Corriente (A).
V: Voltaje (Voltios).
(in/min).
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Precalentamiento
El uso del precalentamiento tiene un efecto significativo en la
microestructura resultante
de la ZAC.
Un precalentamiento tiende a reducir la rata de enfriamiento de
la soldadura y de la ZAC,
produciendo una mayor ductilidad.
Cuando no se usa precalentamiento la ZAC es angosta y presenta
una dureza ms alta
(martensita).
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INFLUENCIA DEL PRECALENTAMIENTO EN EL VALOR DE
DUREZA EN LA ZAC EN ACEROS AL CARBONO
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Carbono Equivalente
Tiene el efecto ms pronunciado en el endurecimiento del acero,
por tanto se debe
conocer, cuanto est presente en la aleacin.
A mayor %C se presenta mayor endurecimiento en el acero.
De acuerdo al %C se puede predecir la T de precalentamiento,
para obtener los mejores
resultados.
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Carbono Equivalente (Cont.):
Se utiliza un frmula emprica para determinar cual es el efecto
que los elementos de aleacin tienen en el endurecimiento del
acero.
C.E= %C + %Mn/6 + %Ni/15 + %Cr/5 +%Cu/13 + %Mo/4
C.E T Precalentamiento
0.45 Opcional
0.45 a 0.60 200 a 400 F
> 0.60 400 a 700 F
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CARBONO EQUIVALENTE
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Espesor del Material Base
La soldadura en metales bastantes gruesos se enfra ms rpidamente
que en las
secciones delgadas.
Se deben utilizar precalentamientos en secciones gruesas para
mejorar las
propiedades mecnicas resultantes en la
ZAC.
