Estructura Cristalina Metales – II

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ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS – II

Demos un repaso a las estructuras cristalinas básicas:

La introducción sirve para entender cómo hemos llegado a la metalurgia moderna.

El conocimiento de los materiales nos ayuda a comprender sus propiedades. Y, combinando los factores que intervienen, podemos lograr escoger el más adecuado a cada uso, y, como en el caso del acero, controlar y variar esos factores para optimizar la propiedad más adecuada en cada aplicación.

El comportamiento del acero es el estudio fundamental de la metalurgia. No sólo por ser uno de los materiales más usados por nuestra sociedad, sino que, quien logra entender su naturaleza puede comprender el comportamiento de cualquier metal.

Los factores fundamentales que intervienen en las propiedades de un acero (y de un metal) en particular son:

  1. Su composición química
  2. El tratamiento térmico (también combinado con mecánico, como la forja) que se le ha dado

A continuación veremos qué estructuras cristalinas encontramos en el acero según su composición química y la temperatura a la que se encuentre. También distinguiremos las propiedades intrínsecas de cada una de esas estructuras, que son las que nos explican el comportamiento del acero cuando sus átomos están ordenados en esa estructura.

En el siguiente tema veremos cómo los tratamientos térmicos y cómo también afectan a las propiedades finales de los metales.

EL ACERO SEGÚN SU TEMPERATURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES DEL ACERO

Diagrama-Fe-C-Estructuras-Fases

En este diagrama observamos qué fases (estructuras cristalinas) se encuentran según la temperatura (eje de ordenadas) y el % de C en la aleación de acero.

Es un diagrama en “equilibrio” porque sólo podemos observar las fases que se representan si mantenemos la temperatura sin variación para cada punto de % de C. Es decir, es como si representáramos en un diagrama cuánto hielo observamos cuando tenemos el vaso de agua a una temperatura fija para que éste no se derrita ni se produzca más, según la cantidad de sal que vamos añadiendo.

Es un diagrama muy útil pues, además de observar qué nombres recibe cada una de las fases, se representa cómo las veríamos en una imagen del acero que observáramos al microscopio con metalografía.

Este diagrama Fe-C muestra:

  • Las variaciones de Carbono en la estructura del acero produce cambios significativos en su estructura metálica y en las propiedades del material resultante.
  • La temperatura a la que observamos el metal que sufre transformaciones de fase en su estado sólido (es decir, que los átomos cambian su organización cristalina al variar la temperatura, en el metal sólido).

Así como las propiedades del hielo son muy distintas a las del agua, las de cada una de las fases o estructuras cristalinas que observamos en el acero sólido también lo son. Por ello, el que los átomos se encuentren en un tipo u otro de estructura cristalina, variará las propiedades que encontraremos en dicho acero.

Entendamos el diagrama:

En el tema anterior vimos qué estructura tiene el Fe puro (0% de C). Para ello, seguimos únicamente el eje de ordenadas (eje Y) desde que el acero está fundido (en estado Líquido, y por tanto sin ordenación atómica), hasta temperatura ambiente.

0% C (sigamos sólo el eje Y):

  • la temperatura de fusión del material sería de 1.538 ºC, y
  • a esa temperatura y hasta 1.394 ºC el material tendría una estructura ferrítica (delta) de alta temperatura δ,
  • por debajo de los 1394 ºC y hasta los 912 ºC el material tendría una estructura austenítica (gamma) γ, y
  • por debajo de esa temperatura transformaría a una estructura ferrítica (alfa) α que mantendría hasta su total enfriamiento.

En el tema anterior vimos qué estructura tiene el Fe puro (0% de C). Para ello, seguimos únicamente el eje de ordenadas (eje Y) desde que el acero está fundido (en estado Líquido, y por tanto sin ordenación atómica), hasta temperatura ambiente.

EJE VERTICAL DEL PUNTO A: 0,25% C (PRE-EUTECTOIDE)

Ahora veamos un acero con sólo un 0,25% de C en su composición química. Para entender qué fases encontraremos a diferentes temperaturas, hemos dibujado el eje verde A:

  • Vemos que la temperatura de fusión es ahora algo inferior a los 1.538 ºC del hierro puro.
  • Vemos que por encima de 1.493ºC el acero no ha solidificado del todo y que es ahora una mezcla de líquido con una parte solidificada, la cual tendrá una estructura austenítica (γ+L).
  • Por debajo de esa temperatura de 1.493ºC ya habrá solidificado completamente y será una estructura totalmente austenítica (γ):
    • En el diagrama se ha representado qué imagen veríamos de “granos” austeníticos al microscopio, a una temperatura de cerca de 900ºC. Granos similares en tamaño, de un solo color, pues sólo tenemos una fase.
  • Y si sigue enfriando (siempre lentamente, pues estamos en el diagrama de equilibrio) a una temperatura de unos
    • 800ºC se producirá una transformación de una parte de los granos austeníticos que se ordenarán desde cúbico centrado en las caras a cúbico centrado en el cuerpo. Es decir, tendremos dos fases en equilibrio:  matriz de austenita (como el agua) con granos de ferrita en su interior (como el hielo), pero ambas fases son sólidas. A esta temperatura, la cantidad de ferrita es muy pequeña, como se ve en la imagen.
    • a menor temperatura, de unos 750ºC, vemos que la cantidad de ferrita que se ha formado en la matriz austenítica es mayor.
  • Si sigue enfriando, la línea roja indica una nueva transformación (se denomina transformación A1), a una temperatura de 727ºC:
    • la ferrita que había transformado en la matriz de austenita no transforma más y se mantiene como tal. Una vez el acero se ha enfriado, la ferrita ya no se transforma en otra fase cuando el enfriamiento continua; la estructura ferrítica sólo transformará a estructura austenítica si vuelve a calentarse a una temperatura superior a la de transformación.
    • la austenita remanente en la estructura anterior volverá a transformar en una estructura de ferrita y cementita. Esta trasnformación se denomina “pre-eutectoide”, pues el contenido de C es inferior al 0.76, que es el “punto eutectoide”. Entenderemos mejor esta transformación cuando veamos qué pasa a un acero con C = 0,76% (acero eutectoide).

El motivo de la transformación austenítica a ferrítica es porque, a medida que el acero está más frío, su volumen se va contrayendo. Es decir, que, los átomos se comienzan a acercar. Mientras que cuando estaban más alejados se pueden ordenar en una estructura en la que cada cubo da cabida a un átomo en cada una de las caras, a medida que los átomos se aproximan ya no caben tantos átomos en un solo cubo, con lo que algunos cubos “expulsan” a los átomos sobrantes y se quedan con un solo átomo en su centro. 

EJE VERTICAL DEL PUNTO B: C = 0.76% (PUNTO EUTECTOIDE)

En temas anteriores hemos visto el fenómeno “Eutéctico

El punto eutéctico se produce cuando una mezcla líquida de dos componentes solidifica a una temperatura inferior a la de cada uno de los componentes que la forman. La transformación eutéctica es pues una transformación de solidificación o licuación (según aumentemos o bajemos la temperatura), es decir, una transformación de líquido a sólido o viceversa.

Un fenómeno similar se produce en metalurgia, pero con transformaciones de la estructura cristalina de las aleaciones, mientras que éstas se encuentran en estado sólido. Para distinguir el fenómeno de la transformación de sólido a líquido o viceversa a una temperatura inferior a la de los componentes puros que la forman (punto eutéctico), las transformaciones de ese tipo en estado sólido se denominan PUNTO EUTECTOIDE.

Encontramos este fenómeno de PUNTO EUTECTOIDE en el diagrama de fases Fe-C a u contenido de C en la aleación de un 0.76% y a una temperatura de 727ºC.

En el detalle del diagrama de la derecha, podemos observar en el eje del Punto B del diagrama de fases Fe-C, que la temperatura de transformación de austenita a ferrita es mayor cuando el contenido de C en la aleación va siendo inferior a a 0.76% (línea roja A3C), mientras que dicha temperatura aumenta cuando el contenido de C va siendo superior a 0,76% (línea roja ACm).

Según algunos autores, este punto se produce a un % de C y temperatura ligeramente diferentes, pero nos quedamos con el que indica la gráfica, pues lo importante es entender qué sucede.

¿Qué sucede en el Punto Eutectoide?

Como vemos en el diagrama de fases, toda la ausenita transforma simultáneamente a la temperatura crítica de 727ºC. Veíamos en el punto anterior que cuando el acero tiene un menor contenido de C, la austenita transforma parte de ella en ferrita y otra se mantiene como tal austenita hasta que la temperatura baja por debajo de esa temperatura crítica, y entonces, por debajo de los 727ºC, toda la austenita aún no transformada transforma completamente a más ferrita, perlita o cementita.

Lo mismo sucece cuando el contenido de C es superior a 0,76%.

Pero en el punto “eutectoide” observamos que el 100% de austenita transforma a la vez, es decir, cuando el acero tiene una composición de 0.76% de C, a más de 727ºC, toda la estructura cristalina es austenita, mientras que a una temperatura inferior a 727ºC ha transformado en su totalidad.

Lo curioso es que si observamos con metalografía el resultado de esta transformación en este punto, la totalidad de la estructura que resulta es PERLITA: mezcla en su totalidad de láminas de ferrita (bandas claras) con láminas de cementita o grafito (C). 

Y lo más curioso, es que si observamos a más aumentos una de las láminas grises que parece ser en su totalidad de cementita o grafito, lo que volvemos a observar es que esa lámina es de nuevo PERLITA más fina.

Vista al microscopio de perlita de un acero eutectoide (aleación de hierro con un 0.76% de carbono).

Las láminas de cementita se combinan como el dibujo del lomo de una cebra, con láminas claras de ferrita.

A más aumentos en el microscopio se puede observar la uniforme distribución de las láminas de cementita y ferrita.

Esta estructura combinada de láminas recibe el nombre de PERLITA.

Ha aparecido pues una nueva estructura: la CEMENTITA:

La Cementita es una molécula de Fe3C con la estructura cristalina que se representa en la figura. Se trata de un carburo de gran dureza, y como vemos, cada átomo de C concentra a su alrededor 3 átomos de Fe. Dada la diferencia en densidad de ambos, esto supone que una muy pequeña concentración de C aglomera a su alrededor un altísimo contenido de Fe.

Este Carburo de Hierro (cementita) se produce cuando los contenidos de carbono son más elevados. Porque cuando el enfriamiento del acero es muy lento, la austenita comienza a transformar de su estructura cúbica centrada en las caras a la estructura ferrítica, cúbica centrada en el cuerpo, mucho más compacta y con muy poco espacio entre átomos, lo cual limita el contenido de carbono que puede albergar dentro de cada celda. Durante el enfriamiento se va produciendo una expulsión de los átomos de carbono fuera de la estructura ferrítica, de forma que en el exterior de varios granos ferríticos se acumula carbono prácticamente puro (con algunas partículas de cementita). Cuando observamos en el microscopio la estructura resultante, lo que se observan son láminas claras de ferrita combinadas con láminas oscuras de carbono y cementita.

Los aceros que normalmente se encuentran en aplicaciones en las que han sido soldados para formar componentes (edificios, estructuras, puentes, tuberías, depósitos, automóvil o transporte,…) son aceros con un contenido de carbono inferior al 0,76%. Estos aceros son denominados, desde el punto de vista metalúrgico, como aceros “Hipo-Eutectoides“.

Otros aceros que normalmente se encuentran en componentes que han sido fundidos o no conforman elementos soldados y se usan en herramientas duras (de corte, cizalla, estampación,…) sí tienen un elevado contenido de carbono, superior al 0,76% y se denominan aceros “Hiper-Eutectoides” o bien Fundiciones de Acero cuando los contenidos de carbono son más elevados (por encima de 2%).

Cuando observamos al microscopio una superficie pulida de un acero pre-eutectoide con ataque químico, podemos determinar si el contenido de carbono es elevado o más bajo según la presencia de perlita en la ferrita que observamos, tal como se aprecia a continuación:

Vista al microscopio de un “hierro dulce”, con un contenido de carbono inferior al 0.05%.

Prácticamente toda la estructura clara que se observa son granos de ferrita.

Microestructura hipoeutectoide (C < 0.76%), con islas de perlita en matriz ferrítica.

Microestructura hipereutectoide (C > 0.76%), con islas de perlita en matriz de cementita.

RESUMEN DEL DIAGRAMA DE EQUILIBRIO DE FASES FE-C

CLASIFICACIÓN DE LA ALEACIÓN FE-C

  • El Hierro puro, el cual se considera así cuando tiene un máximo de un 0,022% de C: Este acero se encuentra, por debajo de 912 ºC en estructura ferrítica, la cual no puede transformar a ninguna otra estructura. Este contenido de C, un 0,022% (Punto L), es el máximo C que una estructura ferrítica puede contener en su estructura cristalina, en otras palabras, es la máxima solubilidad del C en la Ferrita.
  • Aceros: Su contenido de C puede variar entre 0,022% y hasta un 2,11%.
  • Fundiciones: Su contenido de C puede variar entre 2,11% y hasta el 6,67%.

Clasificación de los aceros según su contenido de C:

Los aceros (contenido de C < 2,11%) suelen clasificarse como:

  • Aceros “Dulces”:

Su contenido de C es < 0,25%. Su microestructura es fundamentalmente ferrítica con algunas islas de perlita si su producción se ha realizado con un enfriamiento lento, o bien con islas de bainita o martensita si ha sido sometido a tratamiento de temple. Son aceros dúctiles, de menor resistencia mecánica y límite elástico, y también menor dureza. Se consideran muy fácilmente soldables.

  • Aceros de “Medio Carbono”:

Su contenido de C está comprendido entre 0,25 a 0,50%. Su microestructura tiene mayor presencia de perlita si el enfriamiento durante su producción ha sido lento (por ejemplo, mediante laminación en caliente), o de martensita si ha sido sometido a enfriamiento más brusco. Incluso aunque la microestructura inicial sea de ferrita con islas de perlita (más abundantes cuanto más elevado sea el contenido de C), son aceros templables, es decir, que si se realiza un tratamiento térmico calentando al acero por encima de su temperatura de transformación austenítica (esta temperatura depende del contenido de C; por ejemplo, en un acero de un 0,5% de C esta temperatura será superior a los 750ºC) y luego se realiza un enfriamiento brusco (Temple), se obtendrá ferrita con islas de martensita. La proporción de martensita será superior a cuanto mayor C tenga el acero, y la dureza y fragilidad de la misma dependerá de la velocidad de enfriamiento. Estos aceros se consideran soldables, pero tendrán requerimientos especiales para asegurar la calidad de las soldaduras, y fundamentalmente, de la zona adyacente a la misma, denominada como ZAT (Zona Afectada Térmicamente).

  • Aceros de “Alto Carbono”: 

Su contenido de C es > 0,5%. Su microestructura tiene presencia de perlita, cementita, e, incluso aunque el enfriamiento durante su producción se haya realizado de forma lenta, presencia de martensita. Son aceros muy duros, usados normalmente para herramientas de corte y resistentes a desgaste, frágiles, y con muy poca ductilidad. Tienen una muy elevada resistencia mecánica y límite elástico. Su soldabilidad se considera muy difícil en aceros hasta un 0,67% de C, y no recomendada para aceros de mayor %C. 

 

FUNDICIONES

Se consideran fundiciones las aleaciones de Fe-C con un contenido de C de entre 2.11% al 6.6%.

Hay varias formas de clasificar las fundiciones, las cuales tienen un comportamiento muy diferente a los aceros.

La diferencia fundamental que distingue a las fundiciones de los aceros, de cara a su aplicación práctica, sería que los aceros suelen usarse por su elevada Resistencia Mecánica, o resistencia a fuerzas de “”tracción””.

En cambio, aunque algunas fundiciones también tengan considerable resistencia mecánica, su principal aplicación es cuando se precisa Resistencia a Compresión (algo similar a la elección entre acero u hormigón). Adicionalmente, amortiguan la energía vibracional mucho mejor que los aceros, por lo que suelen emplearse como maquinaria sometida a vibración o golpes (prensas, estampación, máquinas de embutición, moldes que necesiten vibrar para compactar el material que contienen,…).

También se fabrican componentes fundidos cuando se precisan formas geométricas difíciles de conseguir por medios mecánicos de deformación, forja o utilizando soldadura para unir componentes, y especialmente cuando se precisa garantizar estanqueidad en los depósitos, bloques de motores, tambores de freno, cilindros y pistones, bancadas o componentes que se fabrican con estos materiales y utilizando la fundición.

Como indica su nombre, a diferencia de la producción de un acero, las fundiciones se fabrican utilizando moldes que acogen la forma geométrica del componente que desea fabricarse.

Normalmente la soldadura no suele considerarse en el proceso de fabricación de un componente fundido, salvo para la reparación de defectos de la fundición (relleno de huecos que el líquido fundido no llegó a tapar, porosidades), o reparación de fisuras que pueden producirse durante la fabricación o durante el servicio del componente.

La soldadura de la fundición requiere de un capítulo propio que trataremos más adelante.

Podemos clasificar las diferentes fundiciones como sigue:

  • Fundición eutéctica (con un 4,3% de C). Su estructura metalográfica será en su totalidad Ledeburita
  • Fundición blanca hipoeutéctica (02% < C < 4,3%). Su estructura será  una mezcla de perlita y cementita. Tienen enorme dureza y por tanto fragilidad. Las fundiciones más forjables son las de C entre 2,5 a 3,2%.
  • Fundición blanca hipereutécticas. Su estructura es fundamentalmente cementita. Son enormemente duras y muy, muy frágiles, con mínima forjabilidad o ductilidad.
  • Fundición gris: con C entre 2 al 4,5%. Adicionalmente tienen un 1 a 3% de Silicio (Si). La matriz, dependiendo del %C, es ferrita o perlita, y el carbono restante no forma cementita, sino que queda como tal, en islas de grafito (carbono puro) que, dependiendo de su geometría y proceso de fabricación, y por supuesto, del % de C y Si, tendrá diferentes usos:
    • Fundición gris dúctil o esferoidal. En la imagen podemos ver su microestructura. En la fundición, además del Si, se añade Magnesio (Mg) o Cerio (Ce), y estos elementos agrupan a su alrededor esferoides de grafito, los cuales confieren a la fundición unas características especiales, pues tiene unas propiedades más similares a las de los aceros, no es frágil, tiene elevada resistencia mecánica. Se producen con este tipo de fundición válvulas, engranajes de alta resistencia, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones,…

 

 

    • Fundición maleable: Se obtiene a partir de una fundición blanca, dando a ésta un tratamiento a una  temperatura de 800-900 ºC en atmósfera inerte (necesaria para evitar la oxidación y quemado del carbono) de forma que la cementita se descompone en rosetas de grafito dejando una matriz más limpia de carbono, idealmente, ferrítica, la cual permite la maleabilidad del producto. Se suele emplear en engranajes de transmisión, muelles y partes de válvulas. Su microestructura se puede ver en la imagen.

 

Efecto de los Aleantes en el Acero

Aleante es un elemento químico que se añade en cierta proporción a un metal o aleación metálica con el fin de producir algunos cambios en sus propiedades físicas o mecánicas.

Lógicamente, para que se produzca la mezcla, el aleante se añade en estado sólido a la misma y se mezcla cuando la aleación se funde a la temperatura y en las condiciones necesarias.

El acero es una aleación fundamentalmente de Hierro (Fe) con una pequeña proporción, inferior al 2%, de Carbono (C). Adicionalmente, en el acero encontramos estos diferentes aleantes, que afecta cada uno las propiedades del acero, tal como se indica a continuación. En un acero pueden añadirse pequeñas o mayores proporciones de estos aleantes, y, normalmente, en los aceros encontramos diferentes proporciones de varios de ellos para lograr las propiedades deseadas para cada aplicación del acero.

Veremos en particular cómo afecta cada aleante a cada uno de estos factores:

•Estabilización Estructura Metalúrgica
•Efecto en las Propiedades Mecánicas
•Efecto en la Soldabilidad
La primera diferenciación de cada aleante es según afecte el mismo a la estructura metalográfica del acero, pues hemos visto como cada tipo de estructura tiene unas propiedades y características determinadas:
Elementos Alfágenos Amplían el campo de existencia de la ferrita, elevando las temperaturas críticas Ac1 y Ac3.

Es decir, en un mayor rango de temperatura, gracias a estos elementos, la estructura será ferrítica.

Elementos Gammágenos Tienden a estabilizar la austenita y, en consecuencia, su contribución a las temperaturas críticas es negativa.  

Es decir, en un mayor rango de temperatura, gracias a estos elementos, la estructura será austenítica.

ALEANTES PRINCIPALES DEL ACERO:

CARBONO (C)

•Es el principal aleante de los aceros. Es un elemento gammágeno.
•El Cálculo del Ceq (según Composición Química y según Espesor) determinará la Temperatura de Precalentamiento, para evitar o reducir la transformación martensítica del acero si éste se somete a un enfriamiento rápido una vez se ha calentado por encima de  la temperatura austenítica (Precalentar por encima del correspondiente Ms del acero particular que tratemos). La temperatura de precalentamiento más exacta se puede determinar si se conoce las temperaturas de transformación Ms y Mf, las cuales puede proporcionar el fabricante del acero. Si no se conocen, se pueden usar fórmulas disponibles en códigos de soldadura o bien más generales para calcular qué precalentamiento debe darse a un acero para evitar o limitar la transformación martensítica del mismo. Una fórmula usada para aceros al carbono laminados en caliente o en frío es la de Darden y O`Neal que también emplea el IIW (International Institute of Welding).

El Carbono es el elemento que más influencia las propiedades mecánicas del acero. Pequeñas variaciones de acero producen un gran cambio en sus propiedades mecánicas, lo cual además depende del tratamiento térmico que reciba el acero.

MANGANESO (Mn)

  • El Mn es un elemento gammágeno: reduce la T de transición γ a α
  • Eleva prácticamente todas las propiedades del acero, siempre que su contenido sea controlado:
    • Resistencia mecánica, Límite elástico, y a la vez,  Tenacidad
    • Aumenta la dureza y el endurecimiento por trabajo.
  • Debe limitarse su contenido para minimizar segregaciones de solidificación

NÍQUEL (Ni)

•El Ni es un elemento gammágeno: reduce la T de transición γ a α
•Eleva Resistencia mecánica, Límite elástico y a la vez Tenacidad, sin que su contenido deba limitarse.
•A mayor contenido de Ni, mejor tenacidad a bajas T:
    • 1% Ni para T ≥ -40ºC ;
    • 2% Ni para T ≥ – 60ºC ;
    • 3% Ni para T ≥ -80ºC
    • 9% Ni para T ≥ -196 ºC (ACERO CRIOGÉNICO)
•Magnetización durante soldadura
•Soldadura Disimilar con Consumibles Base Ni

CROMO (Cr)

  • El Cr es un elemento alfágeno: aumenta la T de transición α a γ.
  • Es un formador de Carburos
  • Aumenta la Dureza, Resistencia Oxidación y Corrosión
  • Puede producir precipitación de Carburos “Intermetálicos”
  • Aumenta la Resistencia a Fluencia “Creep Resistance”:
    • Con ½ Mo, Cr 1% para T≤ 550ºC ;
    • Cr 2% para T≤ 600ºC;
    • Cr 5% para T≤ 550ºC + Oxidación;
    • Cr 5% para T≤ 650ºC + Oxidación
    • Cr ≥ 12% : ACEROS INOXIDABLES

MOLIBDENO (Mo)

  • El Mo es un elemento alfágeno: aumenta la T de transición α a γ.
  • Aumenta Resistencia mecánica, Límite elástico, Tenacidad a Bajas Temperaturas y Resistencia a Fluencia a Altas Temperaturas, y Dureza.

OTROS ALEANTES

  • El Silicio (Si) es un alfágeno desoxidante (forma silicatos)
  • El Vanadio (V) y el Niobio (o Columbio) (Nb o Cb) son alfágenos formadores de Carburos.
    • Son Afinantes del grano
    • Aumentan Resistencia mecánica, Límite elástico y Dureza afectando positivamente la Tenacidad y también la Resistencia a Fluencia.
  • El Titanio (Ti) forma Nitruros y Carburos. Mismo efectos que los anteriores.

 

IMPUREZAS

Son elementos incompatibles o impurezas:

  • Efecto del Cobre (Cu). Formador de Eutéctico con el Fe: Posibilidad de Fisuración en Caliente.
  • Efecto del Aluminio (Al). Elemento no soluble en Fe. En pequeñas proporciones puede usarse como desoxidante (y atrapador de H) con o en lugar del Si.
  • Formación de Puntos Eutécticos:
    • Azufre (S) y Fósforo (P) – Estos elementos deben estar muy limitados en aceros soldables
    • En aceros para aplicaciones a elevada temperatura y presión, también debe limitarse el contenido de los elementos:
      • Boro (B)
      • Antimonio (Sb)
      • Arsénico (As)
      • Estaño (Sn)
  • Estos elementos, considerados como impurezas del acero, deben mantener al mínimo.
  • Su limitado contenido es determinante de la Calidad de Aceros y adquiere importancia vital en soldadura

GASES

  • Nitrógeno (N): gammágeno que afecta la transformación δ a γ en Inoxidables Dúplex
  • Hidrógeno (H): Es el elemento de Menor Tamaño Atómico. Sumamente perjudicial en soldadura por aumentar la susceptibilidad de Fisuración en Frío. Para minimizar su presencia, se recomienda:
    • USAR MATERIALES MUY SECOS, con controlado contenido de Hidrógeno “difusible”
  • Oxígeno (O2): Formador de óxidos con cualquier aleante.
    • Usar materiales SECOS, con controlado nivel de Oxígeno
  • La Longitud de Arco afecta el contenido final de estos elementos en la soldadura.

 

Aceros de alto carbono

Otras estructuras cristalinas

El diagrama Fe-C detallado nos permite predecir, en función del contenido de carbono, y sólo para aceros Fe-C que se someten a un enfriamiento muy lento (de equilibrio), qué porcentaje de cada una de las fases se obtendrá según la temperatura a la que se encuentre el acero.

Para conocer el mecanismo de cálculo de proporción de fases en un acero, en el diagrama adjunto se han señalado algunos puntos:

  • El máximo contenido de C representado en el diagrama es del 6,67%. Por encima de este contenido, la presencia de grafito en el acero haría imposible la producción de un material estable para ningún uso.
  • El Punto Eutéctico, es decir, la mínima temperatura de fusión de un acero Fe-C corresponde a un contenido de C del 4,3%. En este punto se observa que la totalidad del líquido de acero se solidifica completamente a la temperatura de 1.148ºC.
  • Vemos que cuando el contenido de C es inferior o superior a éste, hay dos temperaturas de solidificación, una de más alta temperatura y una de menor temperatura. Esto es porque la mayoría de materiales no tienen una temperatura de fusión determinada, sino un rango de temperaturas de fusión (o solidificación). En medio de ese rango, si la temperatura se mantiene, convivirá una mezcla de sólido y líquido, teniendo mayor cantidad de material sólido en el líquido a medida que la temperatura disminuye, y siendo completamente sólido cuando se reduce la temperatura por debajo de la temperatura mínima de fusión (o solidificación). Pongamos un ejemplo:
    • Un acero con un un 2,11% de C es completamente líquido a temperatura superior a unos 1.400 ºC. Comienza su solidificación cuando alcanza esa temperatura, apareciendo cada vez más sólido en el líquido durante todo el rango de enfriamiento hasta que el acero se enfría a 1.148ºC. Esto significa que si mantenemos el acero por ejemplo a 1.300 ºC, éste será una mezcla de material líquido con producto solidificado.
    • Un acero “Eutéctico”, es decir, que contenga un 4,3% de C tiene una única temperatura de fusión (o solidificación) a la que todo el material solidifica cuando es inferior a 1.148ºC. Además, esta temperatura es la más baja a la que cualquier combinación de C en Fe va a solidificar (o fundir).
  • Las aleaciones Fe-C con contenido de C superior al 4,3% no solidifican con una estructura austenítica, debido al elevado contenido de C presente en la aleación. El sólido primario que se produce es Cementita. A inferior temperatura se produce una transformación del líquido restante en una microestructura conocida como LEDEBURITA.
  • La LEDEBURITA es una mezcla de Cementita y Perlita.
  • En la micrografía se aprecia Ledeburita, en una formación eutéctica (láminas de cementita en matriz perlítica), islas de grafito nodular, no aleado, y en la parte inferior izquierda la ledeburita en dendritas en matriz de cementita.

 

  • Si el acero contiene un 4.3% de Carbono y su enfriamiento en fundición es muy lento, se obtiene una ledeburita eutéctica, también con una morfología muy característica de “plumas” de perlita en la matriz de cementita.

Puntos clave del diagrama Fe-C

  • El punto E indica la solubilidad máxima que la estructura austenítica puede tener de C. Es decir, la austenita puede contener un C máximo de un 2,11% en su estructura cristalina. Si tenemos un acero con un contenido en C superior, cuando enfríe:
    • Si el acero es Hipo-Eutéctico (tiene un C inferior al 4,3%): se producirá una mezcla de Austenita con C máximo de 2,11% y el resto del C formará estructura Cementita.
    • Si el acero es Hiper-Eutéctico (el C es superior al 4,3%: se producirá una mezcla de Austenita con C máximo de 2,11% y Ledeburita (mezcla de Austenita-también con C máx 2,11%, Cementita Pro-Eutéctica o Primaria (formada mientras a temperatura superior a 1.148ºC se comenzó la solidificación), y Cementita Eutéctica (formada al enfriar por debajo de la temperatura eutéctica 1.148ºC).

– El Punto P es el Punto Eutectoide. Ya vimos este concepto anteriormente.

– El Punto Y es el Punto Peritéctico: El contenido de C es del 0,18%. La austenita a esta composición, se mantiene estable a la máxima temperatura (1.492 ºC). Se podría considerar como un punto eutéctico pero al revés (la temperatura es la más alta).

– El Punto H es la solubilidad máxima de C en la estructura de Ferrita d (un 0,08%).

Punto A0 (230ºC): Es la temperatura de transformación magnética de la cementita: por debajo de esa temperatura la cementita es magnética y deja de serlo a temperatura superior.

– Punto AC1 (738ºC): Es el límite de la perlita

–  Punto AC2 (768ºC): Es el límite de transformación magnética de la ferrita: por encima de esta temperatura la ferrita deja de ser magnética.

Según el contenido de C del acero, es posible calcular qué proporción de fases encontramos para cada una de las temperaturas.

Para calcularlo, se usa la “Regla de la Palanca”:

  • En un acero “”Hipo-Eutectoide””. Para ello, se debe tener en cuenta la máxima solubilidad de C en la estructura ferrítica (0.08%).
  • En un acero Eutectoide: la totalidad de la estructura será Perlítica
  • En un acero “”Hiper-Eutectoide””. Para ello, se debe tener en cuenta el C que formará Perlita (0,68% del Punto Eutectoide), y el C máximo que puede contener el acero (6,67%).

Solidificación Dendrítica

La solidificación de los metales suele comenzar en las zonas del líquido en las que se produce el enfriamiento más rápido, que son bien en la superficie o en los bordes del molde que lo contiene, hacia el interior del líquido.

Esta solidificación puede producirse mediante nucleación de cristales sólidos, o, en el acero moldeado, con un crecimiento de “dendritas” que se extienden hacia el centro del caldo.

La forma de solidificación también tendrá un efecto en el comportamiento y propiedades del metal.

Es curioso observar estas formas de crecimiento:

  1. Vídeo de solidificación dendrítica de un metal
  2. Vídeo de solidificación por nucleación:

Estructura cristalina tridimensional

Aunque normalmente observamos por micrografía las estructuras cristalinas como imágenes planas, no debemos olvidar que se trata de estructuras tridimensionales.

Hasta hace relativamente poco tiempo, el método para observar microestructuras era el uso de microscopios ópticos. Con ellos podemos conseguir del orden de hasta unos 5.000 aumentos.

Actualmente, los microscopios de barrido de electrones (SEM = Scanning Electron Microscope), permiten observar cualquierpartícula o superficie de ensayo con varias decenas de miles de aumentos.

También nos permite observar las estructuras con una visión tridimensional, más ajustada a la realidad.

Y, durante la observación, se pueden realizar análisis químicos de las partículas, áreas de defectos así como realizar mediciones de propiedades, como dureza, de forma extremadamente precisa y en las zonas microscópicas seleccionadas.

La información que se obtiene es vital para investigación y desarrollo en muchos campos de la metalurgia y otras áreas.

Como ejemplo, se acompañan dos imágenes tridimensionales de dos formas de estructuras cristalinas que hemos visto en este tema:

Una matriz ferrítica con granos de perlita que se encuentran como islas dentro de la matriz. Es decir, una estructura tridimensional típica de un acero hipo-eutectoide (contenido de carbono en torno a un 0.3%).

 

 

 

Una imagen de crecimiento de solidificación dendrítica, en la que se aprecian las plumas características de este tipo de formación.

FIN DEL TEMA

Como ves, todos los temas de los Fundamentos de la Metalurgia aplicados a la Soldadura, están relacionados.

Sólo tendrás un conocimiento completo tras finalizar los temas del curso y, por supuesto, irás ganando con la experiencia y el estudio continuado.

Si has entendido los conceptos de este tema, no olvides dar a COMPLETAR en la parte superior del tema.

Quizá prefieras completarlo cuando hayas visto los tema de Tratamientos Térmicos y Propiedades Mecánicas.

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