[Soldadura y Estructuras]
Ingeniero. Andres Mauricio Marin Herrera



METALURGIA II

Debido a que raramente en la industria se utilizan metales puros por sus propiedades mecánicas pobres, se ha optado por desarrollar una gran gama de opciones que incluyen diferentes tipos de aleaciones, en donde al material base se le añaden elementos que llamamos de aleación y que en cantidades controladas modifican exponencialmente las propiedades de los elementos. Estos elementos pueden ser o no ser metálicos.


ALEACIONES.

El metal base que en estos casos funciona como matriz o solvente, puede desarrollar aleaciones con mezcla (donde se diferencian varias fases) o aleaciones homogéneas (donde solo existen una fase).
 
Las soluciones solidas pueden ser de dos tipos dependiendo de si los átomos se ubican intersticialmente o sustitucionalmente.
 
Como nuestro enfoque se dirige a los aceros iniciaremos indicando que los aceros no son más que una matriz o elemento base de hierro aleado con carbono, en cantidades que van desde el 0,008% hasta el 2,11% de carbono en peso, mas allá de estos valores se encuentran las fundiciones (2,11% a 6,67% de carbono) y los grafitos (más de 6,67% de carbono), pero como no son de importancia en el tema que estamos tratando no profundizaremos en ellos a un futuro y dejaremos su estudio a voluntad de los lectores.
 

GRANOS.
 
La solidificación del acero en el proceso de producción sucede en el momento en que el metal pasa de estar en estado líquido a estar en estado sólido, esta solidificación se puede definir como el fenómeno en el cual un sólido cristalino se genera en el seno de un líquido y crece a expensas del mismo.
 

Gráfico 9. Representación donde se muestra el sentido de crecimiento de granos.
 
Comienza cuando aparecen en el seno del líquido unos núcleos sólidos con una separación clara de la estructura, estos inician la aparición en los lugares más fríos los cuales regularmente son los bordes del crisol, la junta o las impurezas del metal, el proceso continua cuando los átomos del líquido se van uniendo a la estructura sólida recién formada, este crecimiento se da como ramales de forma dendrítica simultáneamente en muchos puntos por lo que en algún momento varias columnas chocan entre si dando lugar a una zona de estructuras cristalinas con orientación espacial diferente, lo que produce lo que comúnmente llamamos granos, las fronteras de ellos se conocen como borde de grano.
 

Gráfico 10. Estructuras dendríticas en muestras de zinc.
 
El número de núcleos individuales que se formen originalmente determinaran el tamaño de los granos del material, lo cual es deseable controlar ya que como se dijo hace un rato, el tamaño de los granos influye directamente en las propiedades mecánicas de los metales, dependiendo de si tenemos elementos de grano fino o de grano grueso.

 
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO.
 
El acero como ya se dijo es un aleación de carbono en hierro, donde el carbono se ubica en los intersticios y se encuentra en un porcentaje que va desde el 0,008% hasta un 2,11% en peso, las fundiciones van desde el 2,11% hasta 6,67%. En el diagrama de equilibrio se relaciona el porcentaje en peso de carbono (eje x) y la temperatura (eje y) de la solución, brindándonos una guía en condiciones ideales de las fases en las que se encontraría la solución.
 
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento o enfriamiento de la mezcla se realiza muy lentamente (en periodos de semanas) de modo que los procesos de difusión (La homogeneización o la difusión es el efecto de como los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen.) tienen tiempo para completarse.


Gráfico 11. Diagrama Fe-Fe3C.
 
La porción de diagrama que vamos a estudiar va hasta un 6,67% de carbono. En ella se encuentran tres puntos críticos que son de gran importancia en el proceso de la soldadura, su representación se muestra a continuación:
 

Tabla 2. Reacciones críticas.
 

FASES Y ESTRUCTURAS EN EL DIAGRAMA FE-C.
 
Los aceros pueden tratarse térmicamente para producir una gran variedad de microestructuras y propiedades, los resultados deseados se obtienen a través del calentamiento o enfriamiento del acero en el rango de temperaturas donde una fase o una combinación de fases son estables en este punto se producen cambios en la microestructura o en la distribución de fases
 
En estas temperaturas donde varias fases de los aceros y los límites de equilibrio entre campos de fases son estables pueden encontrarse hasta once constituyentes diferentes, que se denominan: Ferrita, Cementita, Perlita, Austenita, Martensita, Troostita, Sorbita, Bainita, Ledeburita, Steadita y Grafito.
 
Estos nombres tienen razones descriptivas para denominar las distintas estructuras que aparecen el diagrama Fe-C. Pero por nuestro enfoque solo le daremos la importancia debida a los primeros 5.
 
Ferrita. Existen dos tipos dependiendo de la temperatura a la que se encuentre, ferrita alfa que va desde la temperatura ambiente hasta los 727°C y ferrita delta que inicia a los 1400 °C hasta la temperatura de fusión.
 

Gráfico 12. Microestructura de la ferrita.
 
Ferrita alfa. Su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que llega a disolver solo un 0.008% de carbono y su máxima solubilidad se da a los 727 °C con un porcentaje de 0,022% de carbono. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro, la ferrita alfa es el más blando y dúctil constituyente de los aceros, cristaliza en una estructura BCC y presenta propiedades magnéticas, en los aceros aleados, suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en solución sólida sustitucional, al microscopio aparece como granos monofásicos. La Ferrita delta. A los 1400ºC presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. Es muy blanda, de estructura cristalina BCC, magnética y tiene muy poca posibilidad de disolución del carbono.
 
Cementita. Conocida también como carburo de hierro es un material con una composición de 6.67% de carbono en peso, que se forma cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita alfa por debajo de los 727 °C,
 
Es un compuesto intersticial, el constituyente más duro y frágil de los aceros. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades, se presenta de forma oscura al ser observada al microscopio, estrictamente hablando, la cementita es sólo metaestable; lo que significa que permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente.
 

Gráfico 13. Microestructura de la cementita.
 
Perlita. Es un constituyente compuesto 6,4 partes de ferrita por 1 parte de cementita, cada grano está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos, el color oscuro o negro lo producen el gran número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita. 
 

Gráfico 14. Microestructura de la perlita.
 
Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento, si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
 
Austenita. La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC.
 
Es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por solución sólida por inserción, de carbono en hierro gama, la proporción de carbono disuelto varía desde 0% a 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130ºC.
 
También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita, o bien cementita y perlita.
 
Existen elementos de aleación conocidos como gamágenos que funcionan como estabilizadores de la austenita logrando así, que se encuentren a temperatura ambiente como es el caso de los aceros inoxidables austeníticos.
 

Gráfico 15. Microestructura de la austenita.
 
Martensita. Es la estructura resultante cuando se  constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono en forma de carburo de hierro en ferrita. Se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.
 

Gráfico 16. Microestructura de la martensita.
 
Es muy frágil y presenta un aspecto acicular (Se conoce como aspecto acicular a los elementos que tiene forma larga y fina) formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.

 
TIPOS DE ACEROS.
 
Podemos clasificar los aceros según el porcentaje de carbono que contengan y basándonos en un punto conocido como el punto eutectoide que indica un porcentaje de 0,77% C, por debajo de este punto se encuentran los aceros hipoeutectoides y por encima del mismo se encuentran los hipereutectoides.
 
Acero hipoeutectoide. Se denomina acero hipoeutectoide a las aleaciones entre 0,008% y 0,77% de carbono  según el diagrama hierro carbono, está formado por una mezcla de ferrita más perlita, presentan una fase austenítica sólida a una composición inferior a 0.89% C con granos orientados al azar, al enfriar comienza a desarrollarse la ferrita y se entra en la región bifásica alfa + gama  donde la ferrita sufre una segregación formándose en los límites de grano de la fase gama, al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita se transforma en perlita y se forma el acero.
 
Los aceros hipoeutectoides pueden ser usados en elementos de máquinas, tienen características como que son plásticos y poseen buena resistencia mecánica.
 
Se subdividen en bajo (hasta 0.2 % C), medio (0.2% a 0.5% C) y alto carbono (0.5% a 0.77% C).
 
Acero bajo en carbono. Se llaman aceros ferríticos, deformables y de baja resistencia,  constituye la mayor parte de todo el acero fabricado, no responde al tratamiento térmico para dar martensita ni se pueden endurecer por acritud, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad
 
Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas para tuberías edificios y puentes.
 
Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de alta resistencia y baja aleación que contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando aproximadamente 10 % en peso. Poseen mucha más resistencia mecánica, que puede aumentar por tratamiento térmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Se emplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de soportes de edificios altos, bastidores de camiones y vagones de tren.
 
Acero medio carbono. Sus propiedades dependen de la cantidad de ferrita y perlita que tienen y varían sus prestaciones en un rango muy amplio, Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es martensita revenida.
 
Las adiciones de Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útil solo para secciones de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.
 
Acero alto carbono. Se denominan aceros perlíticos, su resistencia y dureza son elevadas pero su ductilidad y tenacidad son bajas, Generalmente contienen Cr, V, W y Mo, los cuales dan carburos muy duros como Cr23C6, V4C3 y WC.
 
Se utilizan como herramientas de corte, matrices para hechura de materiales, herramientas de herrería y carpintería como, cuchillos, navajas, hojas de sierra, brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia.
 
Acero eutectoide. Presentan una fase austenítica sólida a un composición de 0.77% de carbono con granos orientados al azar. Al enfriar desde esta fase, se desarrollan las fases ferrita y cementita en láminas, formando una microestructura única llamada perlita, la cual, en relación con las propiedades mecánicas posee características intermedias de las fases que la componen, entre blanda y dúctil y dura y quebradiza.
 
La microestructura del acero eutectoide enfriado lentamente a través de la temperatura eutectoide es análoga a la de una aleación de composición eutéctica; es decir, se forman capas o láminas alternas de las dos fases (alfa y Fe3C) durante la transformación.

Acero hipereutectoide. Tienen un porcentaje de carbono  entre 0,77% y 2,11%. Su constituyente principal es la cementita o carburo de hierro. Es un material duro y de difícil mecanización, presentan una fase austenítica y con granos orientados al azar.
 
Al enfriar comienza a formarse la cementita y se entra en la región bifásica gama + cementita donde la cementita comienza a formarse en los límites de grano de la austenita. Al sobrepasar en enfriamiento a la línea A1 la austenita remanente se transforma en perlita y se forma el acero. Al descender por debajo de la temperatura eutéctica, toda la austenita remanente de composición eutectoide se transforma en perlita; de este modo, la microestructura resultante consiste en perlita y cementita proeutectoide.
 
Son generalmente aleados con muy alta resistencia mecánica, un mayor módulo de Young, lo que los hace muy elásticos y alta resistencia mecánica y muy alta dureza.

 
DIAGRAMAS TTT.
 
Existen varios tratamientos térmicos cuya finalidad es mejorar las propiedades mecánicas de los aceros, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad, estos son un conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, los tratamientos más comunes a los que son sometidos los aceros son: temple, recocido, revenido y normalizado.
 
El temple es un proceso de enfriamiento rápido para dar principalmente martensita, lo que le da mucha dureza y resistencia al acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900-950 °C) y se enfría luego en un medio como agua, aceite, sales y/o combinación de estas.
 
El recocido es un tratamiento térmico del acero a alta temperatura para eliminar tensiones, afinar el grano y conseguir más homogeneidad, se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza.
 
Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Al quedar el metal con una estructura más homogénea se facilita el mecanizado de las piezas.
 
El revenido es un tratamiento térmico como el recocido pero a menor temperatura para que no haya transformación de fases sino una simple liberación de tensiones y homogeneización, se aplica exclusivamente a los aceros que han sido previamente templados.
 
Por ultimo está el normalizado que tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.
 
Con la finalidad de ayudar a controlar estos procesos se crearon de forma experimental unas curvas que se conocen como diagramas TTT (Temperatura, Tiempo, Transformación) son realizadas mediante un determinado número de muestras de acero que, previamente austenizadas, se enfrían en baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos determinados.
 

Gráfico 17. Diagrama TTT para acero.
 
La microestructura obtenida en cada una de las muestras se analiza y representa, generando así un diagrama para ese acero. Los diagramas TTT de los aceros dependen de la composición, es decir del contenido en carbono y de los contenidos en otros elementos metálicos.
 
En el grafico se pueden ver las transformaciones de austenita a perlita (gruesa o fina), a martensita y a bainita según las velocidades de enfriamiento.
 
Comenzando con un acero austenítico (por encima de 850 °C), y si la velocidad de enfriamiento es lento se cruza las líneas de comienzo y fin de la transformación de la perlita como se indica con la línea superior.
 
La línea intermedia nos muestra un enfriamiento rápido hasta la temperatura de austenita inestable y luego manteniendo esta temperatura hasta que toda su estructura
 
En el caso de la línea inferior, comienza la transformación con una velocidad de enfriamiento rápido y así, se transforma a martensita no hay transformación a perlita y todo cambia a martensita aunque puede quedar algo de austenita metaestable retenida.

 
ACEROS INOXIDABLES.
 
Los aceros inoxidables paradójicamente son aceros oxidados, poseen una delgada película de óxido de cromo sobre la superficie que se deriva de la unión entre el oxígeno y el cromo, esta película es autorreparable en presencia del oxígeno. Resiste la corrosión o herrumbre en muchos ambientes, especialmente a la atmósfera.
 
El cromo es el elemento más importante de la aleación con un contenido mínimo del 11 % pero con estudios se ha logrado elevar la resistencia a la corrosión con la adición de Ni y Mo.
 

Grafico 18. Ilustración de la capa cromo en aceros inoxidables.
 
La amplia gama de propiedades mecánicas y la excelente resistencia a la corrosión hace que este tipo de acero sea muy versátil, algunos se utilizan en ambientes rigurosos a elevadas temperaturas debido a su resistencia a la oxidación y a la integridad mecánica en esas condiciones que pueden llegar hasta aproximadamente 1000 °C dependiendo de su finalidad ejemplos de ello son algunos hornos de tratamientos térmicos, partes de aviones, turbinas de gas, generadores de vapor.
 

Grafico 19. Acero inoxidable en diferentes presentaciones.
 
Los aceros inoxidables se clasifican en cinco diferentes familias; cuatro de éstas corresponden a las estructuras cristalinas formadas en la aleación (austenita, ferrita, martensita, y dúplex); y una familia son las aleaciones endurecidas por precipitación, que está basada más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina.
 
Acero inoxidable austenítico. Son los que se ubican en la clasificación AISI 200 (cromo – níquel) y 300 (cromo – manganeso – nitrógeno), tienen una configuración metalográfica austenítica con la estructura cristalina cúbica centrada en la cara (FCC).
 
Son los que tienen más tipos diferentes de aleaciones disponibles, esencialmente no magnéticos en la condición de recocido y no endurecen por tratamiento térmico, son excelentes para soldar, poseen elevada resistencia a la corrosión, tienen excelente factor de higiene y limpieza, tienen la habilidad de ser funcionales en temperaturas extremas, previniendo la fragilización en temperaturas criogénicas, y altas temperaturas (hasta 925°C) impidiendo la aparición de escamas, son muy resistentes al impacto y difíciles de maquinar.
 
Se obtiene adicionando al acero elementos que son conocidos como gamágenos los cuales estabilizan la austenita presente en el acero, algunos de estos elementos son níquel, manganeso y nitrógeno, el contenido total de níquel y cromo es de por lo menos 23%, su contenido de carbono se mantiene siempre muy bajo, en el rango de 0.03 a 0.08%.
 
Acero inoxidable ferrítico: Se ubican en la clasificación AISI serie 400, tienen una configuración metalográfica ferrítica con la estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) que se mantiene estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión.
 
El cromo presente oscila entre el 17% y el 27% he inhibe la formación de austenita y promueve la formación de ferrita.
 
Estos aceros son esencialmente aleaciones con cromo muy propensos al crecimiento del grano, inconveniente para la soldadura. Si las piezas a soldar son de dimensiones considerables, se recomienda pos-calentar las piezas entre 700°C a 850°C, seguido de un enfriamiento rápido.
 
Presentan buena resistencia a la corrosión que se incrementa con el contenido de cromo y en algunas aleaciones de molibdeno, son magnéticos, su soldabilidad es pobre por lo que generalmente se limitan las uniones por soldadura a calibres delgados, no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico, debido a su pobre dureza, el uso se limita generalmente a procesos de formado en frío.
 
Acero inoxidable martensítico. Son aceros simplemente al cromo, contienen entre el 11,5% y el 18% de este, el porcentaje de carbono puede llegar a ser tan alto como 1,2 %, se ubican en la categoría de los AISI 400,  entre sus principales características están la moderada resistencia a la corrosión, que son magnéticos, de pobre soldabilidad. Y ya que son endurecibles por tratamiento térmico se pueden desarrollar altos niveles de resistencia mecánica y dureza.  Después de ser tratados por endurecimiento, generalmente son utilizados en procesos de maquinado y formado en frío.
 
Su resistencia a la corrosión no es tan buena como sus pares austeníticos y ferríticos, debido a su naturaleza en los procesos de soldadura se debe tener especial cuidado para evitar las grietas y las tensiones excesivas.
 
Fueron los primeros aceros inoxidables desarrollados industrialmente.
 
Acero inoxidable dúplex. Debido a su reciente desarrollo este tipo de acero apenas están incursionando en el mercado, son aleaciones de cromo – níquel – molibdeno combinados con la finalidad de que produzcan cantidades aproximadamente iguales de ferrita y austenita.
 
Entre sus propiedades podemos destacar su buena soldabilidad, que son magnéticos, tienen mayor resistencia a las sustancias corrosivas y que no pueden ser endurecidos por tratamientos térmicos.
 
El porcentaje de cromo se ubica entre 18% y el 26% y de níquel entre 4,5% y 6,5%.
 
Acero inoxidable endurecible por precipitación. Fue desarrollado en los años 50´s y 60´s con el fin de dar alternativas que aumenten las características de resistencia mecánica obtenida por un tratamiento térmico de envejecimiento.
 
Se pueden clasificar por grados en función de su estructura en estado de recocido y del comportamiento resultante tras el tratamiento de envejecimiento, como austeníticos, semi - austeníticos o martensíticos.