CAPÍTULO I1. INTRODUCCIÓNEn las aleaciones ferrosas, que están basadas en aleaciones Fe-C, se encuentran los aceros de bajo C, los aceros de baja y media aleación, los aceros de herramienta, los aceros inoxidables y las fundiciones que son aleaciones ricas en C. Por lo general, los aceros se producen básicamente a partir de dos procesos principales: 1.-Por refinación a partir del mineral de hierro (alto horno-arrabio).2.-Por reducción directa del mineral de hierro (hornos de lecho fluidizado-hierro esponja).El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. Los científicos creen también que la creación de la tierra es una enorme masa de hierro fundido polarizado. La separación de los metales de sus minerales es conocida como la metalurgia extractiva. En esta sección se describen cómo se extrae la forma de hierro mineral de hierro en el alto horno y la forma en que el producto de los altos hornos, arrabio, hierro fundido se transforma mediante diversos métodos en el acero y el uso que conocemos hoy. Arrabio, hierro fundido y acero se conocen como metales ferrosos, y todos los demás metales se conocen como metales no ferrosos, como con otras tecnologías de hoy, la fabricación de hierro en acero está experimentando rápidos cambios, para competir en los mercados mundiales. De hecho, muchos de los antiguos procesos todavía están en uso hoy en día, las nuevas plantas de hierro y acero se encuentran en constante construcción y modificación, para incorporar nuevos procesos, como lo es la colada continua de palanquilla, con ajustes casi finales en dimensiones, que evitan procesos posteriores de fabricación. [1]

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CAPÍTULO II2. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1. FABRICACIÓN DE HIERROLa fabricación de hierro es la primera etapa en la manufactura de acero. El hierro está hecho por reducción mineral de hierro por el proceso de convirtiendo óxidos de hierro en hierro. Esta reducción es realizada por la reducción del alto horno o la reducción directa.

2.1.1. LA REDUCCIÓN DEL ALTO HORNOLa reducción del alto horno es la reducción de mineral de arrabio en un alto horno. El arrabio es una forma impura de hierro. La reducción es la remoción del oxígeno químicamente combinado en el mineral de hierro. La reducción es realizada en un alto horno, lo cual es una estructura vertical refractaria de más de 45 m a gran altura (ver figura 1).

Figura 1. El alto horno es utilizado para convertir mineral de hierro en arrabio.

El mineral de hierro, el coque de grado metalúrgico, y la caliza son introducidos en lo alto del alto horno que es la chimenea donde el metal derretido es contenido. Un suministro continuo de aire, algunas veces enriquecido con oxígeno, es inyectado adentro a través de toberas al pie del horno. El oxígeno en el aire se combina con el carbón formando monóxido de carbono, como se muestra en la siguiente ecuación química:O2 +2C 2COEl monóxido de carbono reduce el mineral de hierro a arrabio, como se muestra en la siguiente ecuación química:3CO + Fe2O3 2Fe + 3CO2

El calor producido por las reacciones químicas funde el arrabio, lo cual es removido cada 3 a 4 horas. El propósito de la caliza es dar fluidez y/o remover una cierta cantidad de las impurezas del

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arrabio fundido. Las impurezas o escoria, flotan por la parte superior del metal fundido y son removidas a través de una conexión de salida que se encuentra separada. El arrabio es un material muy impuro e inapropiado para cualquier propósito práctico. Contiene cantidades excesivas de C, P, y S. Estos últimos elementos, acompañados de Mn y Si deben estar refinados parcialmente para que el hierro pueda ser usado en producción de acero (ver tabla 1).

COMPOSICIÓN DE UN ARRABIOElemento CantidadesC 3.5 % a 4.5 %P 0.05 % a 2.00 %S 0.01 % a 0.10 %Mn 0.5% a 2.0 %Si 0.3 % a 2.0 %

Tabla 1. Los elementos presentes en el arrabio deben ser refinados en cantidades admisibles para las especificaciones para la producción de acero.

2.1.2. REDUCCIÓN DIRECTALa reducción directa (DRI por sus siglas en inglés). Consiste de varios procesos de reducción que producen hierro metálico, conocido como hierro de reducción directa (DRI por sus siglas en inglés), a partir de minerales que consiste en remover la mayor parte del O 2 a temperaturas por debajo de los puntos de fusión de los materiales durante el proceso. El proceso DRI genera un producto de hierro, distinto al producido mediante una reducción en el alto horno. El proceso DRI [2] es realizado en una variedad de hornos, los cuales incluyen entre otros los de tipo de lecho fluidizado, a través de un movimiento de un eje, o mediante una retorta fija, o con hornos tipo cuba y rotatorios. El proceso DRI no es ampliamente utilizado porque la reducción del alto horno tiene más energía eficiente en el proceso, o porque competitivamente el precio de la chatarra de acero es accesible. Sin embargo el proceso DRI se produce variando el contenido de C. El rango es a partir de niveles muy bajos presentes en hierro puro, hasta niveles altos como en el arrabio. Usualmente se produce en esponja o “pellets” comprimidos y esta materia prima es enviada a los hornos de producción de acero. 2.1.3. PRODUCTOS DE HIERROLos productos comerciales principales de hierro son: hierro procesado, lingote de hierro, y hierro esmaltado. Excepto por los nombres, no hay designaciones o especificaciones en la industria para estos productos. Los productos comerciales de hierro contienen niveles sumamente bajos de C, lo cual es el componente principal de fortalecimiento en el acero. Como consecuencia, los productos comerciales de hierro son suaves, dúctiles, y maleables. A merced del contenido de C y el nivel de las impurezas, los productos de hierro también pueden exhibir propiedades magnéticas y otras propiedades deseables.2.1.3.1. El hierro procesado. El hierro procesado es un hierro puro, conteniendo escoria a base de Si alargada en la dirección del procesado en caliente. El hierro procesado se manufactura por varios procesos, el más significativo es el proceso Aston o Byers [3]. El primer paso en este proceso es hacer acero, el cual se vierte en el horno de producción de acero dentro de una cuchara que contiene escoria fundida a base de Si. La temperatura de la escoria es mantenida en varios centenares de grados debajo del punto de solidificación del acero. Esto lo hace que solidifique rápidamente.La solidificación rápida libera gases disueltos con suficiente fuerza para hacer pedazos el metal fundido en pequeños fragmentos que se reacomodan al fondo de la cuchara. Por la alta temperatura, la acción de la escoria y los fragmentos soldados, producen un pellet (hierro esponja).

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Inmediatamente después de vaciar el acero dentro de la cuchara, se transfiere a otra área a fin de que la escoria excedente pueda ser removida. El hierro esponja es descargada al cucharon y se conforma en un billet o planchón, listo para laminarse en diversas formas o acabados. El hierro procesado contiene poco carbón (< 0.1 %C) y manganeso (Mn < 0.07 %), y una cantidad relativamente alta de escoria de base de Si (aproximadamente 2%). La microestructura consiste de silicatos ligeramente elongados en una matriz rica en hierro. Los silicatos tiene una configuración elongada y alineados a la dirección de trabajado. La principal cualidad de hierro procesado, que es fácil de soldar y resistente a la corrosión, dependen de la forma y distribución de estos silicatos (ver figura 2).

Figura 2. La microestructura del hierro forjado consiste de granos de ferrita reunidas en gran cantidad de escoria de silicatos elongados en la dirección de laminado.

El hierro forjado está disponible como billets, palanquilla y barra forjada. Este tipo de hierro es usado principalmente en aplicaciones arquitectónicas, como portillas y cercas. 2.1.3.2. Lingote de hierro. El lingote de hierro es sumamente puro y es suave, fácilmente magnetizado y desmagnetizado. Se utiliza en imanes suaves y en empaques. Los elementos como C, S, N, y el O2 se reducen a muy bajos niveles mediante operaciones de refinación secundaria. Por ejemplo, el carbón contento en lingotes de hierro es de < 0.003 %.C El lingote de hierro se conoce también por los nombres comerciales, como hierro Armco. 2.1.3.3. Hierro esmaltado. El hierro esmaltado es una lámina producida mediante la descarburación de hoja de acero. La descarburación es un proceso de recocido en el cual el carbono es removido del acero mediante la difusión. La suma de todos los elementos de hierro es < 0.03 %. El hierro esmaltado se selecciona en vez de los grados típicos de acero para esmaltado para productos esmaltados porcelanizados. Por ejemplo se utiliza en refrigeradores, en lavadoras, por lo general por sus propiedades superiores de esmaltado y conformado.2.1.4. PRODUCCIÓN DE ACEROLa producción de acero consiste en refinar el arrabio, directamente por reducción de hierro, chatarra de acero al carbono, y varias aleaciones de acero, dependiendo del tipo de producto a fabricar y del tipo de materia prima que se procese. El horno de producción de acero es la parte más importante del el proceso de fabricación de acero. La producción de acero se lleva a cabo en dos etapas que consisten de oxidación y desoxidación. La oxidación es una reacción a alta temperatura en la cual el metal forma un óxido. La desoxidación es la remoción de oxígeno a partir de metal fundido. Para alcanzar un acero con mayor limpieza, se llevan a cabo procesos de refinación en la cuchara seguido de un estado de desoxidación. La

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producción de formas semiterminadas, se lleva a cabo utilizando dos procesos, por colada en lingotes y por colada continua. La producción de formas acabadas se logra laminando, forjando, o estampando formas semi acabadas dentro de una variedad amplia de artículos adecuados tales como perfiles estructurales, alambrón, tubería, y láminas. Los acero al carbono y aleados están disponibles en una extremada cantidad de formas y composiciones. Los productos de acero se especifican por su composición, método de manufactura y por la forma del producto. 2.1.5. PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE ACERO. Los dos tipos básicos de plantas de producción de acero son las integradas y las plantas no integradas. Las plantas integradas consisten de grandes y complejas operaciones, que poseen las unidades de producción necesarias para manufactura de un amplio rango de semiacabados de aceros al carbono y aleados. Por lo general utilizan mineral de hierro y chatarra como material de inicio, las acerías integradas ofrecen en una escala económica a escala una diversidad de productos de acero acabados.Las plantas no integradas, son por lo general plantas de menor tamaño, que producen un cierto rango de aceros semi-acabados y acabados tanto de aceros al carbono como aleados. Por ejemplo, producción de varilla para construcción, productos estructurales, o alambrón, etc. Estas plantas usan chatarra de acero, sin embargo se utiliza hierro esponja combinado con chatarra para la producción de acero. Estas plantas no requieren de altos hornos y todo lo relacionado con la fabricación de arrabio. El acero producido en este tipo de plantas, es por lo general fundido en hornos eléctricos, y por lo general utilizan colada continua, y alternativamente utilizan proceso de lingoteo. Estos productos semi acabados posteriormente son trabajados en procesos posteriores como laminación, forja, etc. 2.1.6. HORNOS DE PRODUCCIÓN DE ACEROEl horno de fabricación de acero es el corazón de la producción del acero, y es donde las materias primas se convierten en acero fundido. Hay tres tipos de horno de para fabricación de acero, los cuáles es el horno básico de oxígeno, el horno de corazón abierto y el horno eléctrico. 2.1.6.1. El horno básico de oxígeno. Es un horno en forma de pera, con un revestimiento en su interior de material refractario (ver figura 3). Este tipo de hornos se pude inclinar para cargar el arrabio fundido y chatarra de acero. Dependiendo del tamaño del horno las cargas pueden pesar entre 80 y 300 toneladas. Una lanza de oxígeno se baja dentro del horno más o menos a una distancia de 2 m por encima de la carga, y se inyecta O2 a altas velocidades; apareciendo una reacción muy exotérmica. Se le añaden fundentes y combinados con constituyentes no deseados forman la escoria. Cuando la reacción es completada el horno se inclina nuevamente y el acero refinado se traslada a una cuchara. La cuchara es un recipiente revestido de refractario, la cuales se usa para transferir, ajustar y vaciar el acero fundido. Esta operación dura aproximadamente una hora. 2.1.6.2. Horno de corazón abierto. Es un horno grande, revestido de material refractario. Se carga con una mezcla de arrabio, chatarra, hierro esponja y fundentes. Las cargas en estos hornos son de 600 toneladas en una sola colada. Se utilizan combustibles líquidos o gaseosos con quemadores de aire u oxigeno para fundir la chatarra y hierro esponja. Los gases utilizados en este proceso son colectados a través de una cámara que contiene ladrillos absorbentes de calor, el propósito de esta cámara es precalentar el aire y mejorar la eficiencia del horno. Cada 15 o 20 minutos la dirección de la flama que entra al horno se puede intercambiar de dirección. Cuando la fabricación del acero está terminada, el horno se vacía la carga hacia una cuchara. Los tiempos de operación oscila entre 10 horas, este tipo de hornos casi está en desuso.

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Figura 3. En el horno básico de oxígeno, el oxígeno es insuflado dentro del horno de arrabio y chatarra.

2.1.6.3. Horno Eléctrico. Este horno difiere del de oxígeno y de corazón abierto pues utiliza electricidad como fuente de calor. Existen varios tipos y el más común es el horno de arco eléctrico (ver figura 4). Es un horno de acero revestido con refractaros en su interior. El horno se pude bascular de tal manera que se puedan realizar las cargas y descargas. Posee tres electrodos retractables colocados en la tapa del horno, los electrodos se bajan y se suben a voluntad, se utiliza una corriente alterna de tres fases entre los electrodos. La corriente funde la carga (chatarra, fundentes), el tamaño de estos hornos oscila entre las 300 y 600 toneladas, el tiempo oscila entre 7 horas, se bascula para pasar la carga del acero a una cuchara y por otro lado también se puede escorificar fácilmente. Son hornos muy versátiles y se pueden operar en aire o vacío y por esta versatilidad estos hornos no están restringidos para la manufactura de acero, pudiéndose fabricar cualquier tipo de aceros, incluyendo aceros inoxidables y aceros de herramienta.

Figura 4. El horno eléctrico es el más común utilizado para mucha aleaciones de acero.

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2.1.7. LAS ETAPAS DE LA PRODUCCIÓN DE ACEROHay tres etapas para la producción de acero. La primera etapa es oxidación, la segunda etapa es desoxidación, y la etapa final es refinamiento del acero en la cuchara.2.1.7.1. Oxidación. Cada proceso en la producción de acero es diseñado a fin de controlar las cantidades de oxigeno que pueden ser provistas a la carga fundida para combinar con elementos no deseados en el metal impuro. Como prosigue la oxidación, el C y otros elementos que puedan ser oxidados preferentemente al Fe combinado con O2. Estos forman compuestos que son desarrollados como gases o separados como fases sólidas en la fundición y pueden ser removidas por el fundente, como se muestra en las siguientes reacciones químicas:2C + O2 CO (gas)Si + O2 SiO2 (sólido)Mn + 2FeO MnO2 (sólido) + 2Fe (sólido)2.1.7.2. Desoxidación. Durante la desoxidación, una cantidad controlada de oxígeno es removida del acero fundido. La práctica de desoxidación determina la cantidad de desoxidación realizada y el tipo de acero que se produce. Las prácticas de desoxidación por lo general utilizan O2, que es insuflado al interior de las lingoteras una vez que el acero líquido es vertido en la lingotera. Esta práctica se utiliza frecuentemente para reducir el C durante la solidificación. Otras prácticas comunes es añadir desoxidantes directamente a los moldes una vez vaciado el acero en estos; los desoxidantes comunes son Al y/o Si, estos actúan de tal manera que la reacción del O2 y C sea menos exotérmica. Lo que se trata es evitar la formación de estructuras típicas de solidificación como lo es la estructura dendrítica y sin embargo se trata de formar granos más finos.2.1.7.3. Refinamiento de la cuchara. Este proceso se le conoce como la refinación secundaria del acero en estado liquido con el objetivo de remover impurezas (gases disueltos, S, inclusiones no metálicas, etc.,) y ajustar su composición química. Esta etapa no se realiza en el horno sino es realizado en una cuchara en la cual el acero líquido es vertido. Una vez refinado en esta cuchara el acero es vertido en un molde (tundish), en este molde se realizan todos los ajustes finales requeridos antes de vaciar en los respectivos moldes estáticos de colada o en subsecuentes operaciones como la colada continua. Los ajustes que se realizan en esta etapa son: a) forma y distribución de las inclusiones no metálicas (FeS, MnS, etc.,); b) burbujeo de gases como N o Ar para promover la flotación y remoción de materiales no metálicos, homogenizar temperatura y composición; c) degasado al vacío que se utiliza para remover H2 y controlar la cantidad de O2; por ejemplo el H2

puede provocar la fragilización, y otros defectos, y controlando el contenido de O 2 permite una mejor oxidación (tales como óxidos de Al, Si, etc.). 2.1.7.4. Colada de acero y su procesamiento posterior. Después de que todos los pasos de fabricación y refinación del acero son completados, el acero fundido puede ser procesado por dos caminos principales. Uno es vía la colada del acero a través de lingotes y el otro es utilizando el proceso de colada continua. La vía de colada del acero a través de lingotes se efectúa de la siguiente manera. La cuchara que contiene el acero fundido se mueve mediante una grúa aérea a una plataforma de vaciado. El acero fundido es vertido en una serie de lingoteras, en donde el acero solidifica. Los lingotes tienen la forma de una caja, fabricados de hierro fundido. Hay dos formas básicas de moldes pueden ser abiertos hacia arriba o hacia abajo (ver figura 5). Después de la solidificación vía lingoteras se desmolda, y el lingote es introducido en un horno de piso para precalentar. Una vez precalentados se trasladan a las primeras etapas de laminación para reducir los lingotes y producir formas semi-acabadas, (ver figura 6). El objetivo de esta primera reducción es romper y homogenizar la estructura producida durante la colada; esta primera laminación puede llevarse varios pasos de laminación hasta lograr la forma.

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Figura 5. La lingotera es afilada para facilitar la remoción del lingote de acero después de la solidificación.

Figura 6. Los cuatro tipos de formas semiterminadas son definidas por sus formas y dimensiones.

2.1.7.5. Colada continua. La colada continua es una sola operación, que reemplaza las operaciones clásicas de colada en lingotes, de homogenización y laminado primario para la producción de formas semi-acabadas. Esta operación utiliza un equipo de colada continua; que consiste en un flujo constante de acero líquido, el cual se vierte a la máquina de colada continua vaciando el acero

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líquido en la cuchara y de ahí a un recipiente (tundish). En el tundish se descarga en uno o más moldes de cobre verticales, enfriados con agua; provocando que la superficie del acero se solidifique. El acero pasa desde los moldes a través de una serie de aspersores de agua, unos rodillos de agarre y rodillos para dar curvatura. El acero una vez que ha solidificado, emerge de los rodillos curvados como planchones, billets, palanquilla o redondos. Esto depende de la forma y tamaño de los moldes de cobre enfriados con agua. El producto solidificado pasa a través de un enderezador, y así posteriormente es cortado a diferentes longitudes para procesos posteriores. Las tres variaciones de colada continua reportadas son: colada vertical, molde curvado, y hebra doblada (ver figura 7). Comparado con el proceso de colada de lingotes, en colada continua se obtiene un mejor rendimiento de producto por colada de acero. Otras ventajas son ahorro de energía, menos polución y reducción de costos de operación, además mayor libertad en las características especificas de las discontinuidades de los productos de colada por lingotes, que también son característicos en colada continua.

Figura 7. La colada continua es un método directo y continuo de producción de planchones, palanquillas, cuadrados y redondos.

2.1.7.6. Discontinuidades. Los lingotes pueden contener varios tipos de discontinuidades, los cuales son: porosidades, segregación, ampollas y escamas. En aceros de colada continua también son susceptibles a presentar discontinuidades específicas como: segregación, rechupes, porosidades grietas, escamas, etc.

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Son interrupciones en la microestructura de un componente, estas se distinguen por las formas de acabado y por lo general se categorizan como discontinuidades superficiales o internas. Las discontinuidades superficiales son de gran interés sobre todo cuando se trata de acabados superficiales. Por ejemplo, la superficie debe limpiarse de discontinuidades en componentes que van a ser estampados, o se recubrirán o cuando el componente va a ser modificado en su sección transversal debido a una presión aplicada por el proceso de fabricación. Las discontinuidades internas también son importantes cuando el uso del producto implica severas restricciones en la limpieza interna. Un ejemplo de tales restricciones sería el mallado de las llantas o en componentes aeroespaciales. Operaciones de refinamiento en la hoya son utilizadas para reducir las discontinuidades internas a niveles aceptables. Las discontinuidades más comunes se conocen como inclusiones que se conocen como óxidos metálicos, sulfuros y silicatos los cuales se mantienen mecánicamente en el acero. Estas se formas mediante la solidificación o entran en el metal líquido como contaminación con los refractarios de los hornos. Las inclusiones de tipo óxido-metálico son: las de alúmina y las de calcio-alúmina. Y son por lo general el resultado de la adición de desoxidantes. Las inclusiones tipo sulfuros la más común es la de MnS. Las inclusiones a bases de sulfuros se forman por una combinación química entre el Mn y el S del acero. Las inclusiones a base de Si son por la general silicatos de vidrio que contienen Ca, Mn, Fe y Al.En los aceros de colada, las inclusiones se localizan en los límites de grano o entre las dendritas. Mediante procesos de trabajado en caliente y trabajo en frío, las inclusiones se elongan en la dirección de trabajado sólo si tienen un comportamiento plástico a la temperatura de trabajado; y esto produce una anisotropía.2.1.7.7. Control de las formas de las inclusiones. Uno de los más significativos en los aceros microaleados HSLA es el uso de controles de forma de las inclusiones. Pequeñas adiciones de tierras raras, Zr o Ti, y junto con las prácticas de laminación controlada y de enfriamiento controlado después del tratamiento termomecánico, provocan el cambio de forma de inclusiones del tipo de sulfuros, que poseen formas de hileras elongadas, a formas más dispersas, casi como glóbulos esféricos. Este cambio en la forma, aumenta substancialmente la energía transversal por impacto, la cual es una medida de la resistencia a la fractura dúctil, y mejora su formabilidad. El control de las inclusiones fue introducido con el advenimiento de la laminación en caliente de lámina y placa, con tensiones de fluencia del orden de 550 MPa. Esta tecnología también se ha extendido a otros aceros con menores tensiones de fluencia entre 310 y 550 MPa. Las mejoras en formabilidad de grados de estos aceros esta reportada en las normas ASTM A715-90 [4]. 2.1.8. PROCESOS DE PRODUCTOS DE ACERO SEMI-TERMINADOSLos productos de acero semi-terminados son producidos a partir de procesos ya sea a partir de lingotes colados y un laminado primario o mediante procesos de colada continua. Existen dos procesos principales para fabricar productos semi-terminados o terminados, los cuales son laminados en caliente y laminados en frío. Ambos tipos de proceso pueden conducir en la obtención de discontinuidades específicas en las formas semi-terminadas del acero. Los productos semiterminados caen en varias subdivisiones de productos como: formas estructurales, alambrón, alambre, tuberías, placa, lámina, etc. [5] 2.1.8.1. Trabajo en caliente. El trabajo caliente es una deformación plástica controlada por operaciones mecánicas realizadas por encima de la temperatura de recristalización con el propósito de conformar un producto, estos con el propósito de que el endurecimiento por trabajado en caliente no ocurra. Cuando un material es plásticamente deformado, tendrán lugar dos efectos que se oponen

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y su magnitud depende de la temperatura de trabajo. El primero es el efecto de endurecimiento, que es causada por deformación plástica. El segundo es el efecto de ablandamiento, el cual es causado por recristalización. El trabajo en frío toma lugar por debajo de la temperatura recristalización de un material, así que no hay efecto de ablandamiento. El trabajo en caliente tiene lugar por encima de la temperatura de recristalización, para que, el efecto de endurecimiento por deformación plástica no se produzca a través de una relajación de esfuerzos por efecto de la recristalización. Si la temperatura de trabajo en caliente es lo suficientemente alta, los granos recristalizados crecerán (ver la figura 8).

Figura 8. El trabajo en caliente es una deformación plástica controlada por operaciones del desarrollo de la temperatura de recristalización de un material.

El trabajo en caliente se realiza justo por encima de la temperatura de recristalización, pero en muchos casos el trabajo en caliente se lleva a cabo a temperaturas significativamente mayor a este valor. La temperatura superior se utiliza para disminuir los esfuerzos mecánicos requeridos para llevar a cabo la deformación plástica necesaria, que a su vez reduce el costo del equipo utilizado.Una alta temperatura de laminado en caliente, promueve el crecimiento de grano, el cual por lo general es indeseable en productos acabados. Las etapas finales de reducción en operaciones laminación en caliente deben ser cercanas a la temperatura de recristalización para promover la formación de granos finos.Comparado con el laminado en frío, el laminado en caliente tiene una serie de ventajas. Estas ventajas incluyen la reducción de la potencia requerida para deformación plástica, quiere decir romper y eliminar las estructuras de colada que traen los lingotes o planchones, y redistribuir los microconstituyentes. Otra ventaja es que el laminado en caliente sella los poros, mejora las propiedades mecánicas especialmente la resistencia.Una desventaja del trabajo en caliente es el desarrollo de propiedades direccionales de inclusiones, que es causada por deformación plástica. Otra desventaja que el metal trabajado en caliente también puede contener laminaciones internas provocadas por la alineación de inclusiones y escoria. El proceso de laminación en caliente es la reducción del tamaño del lingote de acero con rodillos que rotan en direcciones opuestas y espaciadas a distancias menores a las distancias en donde el acero se introduce o entra. Se utiliza ampliamente y también es similar al laminado primario, las varias formas de productos semi-terminados son reducidas en secciones transversales a formas terminadas como barras, redondos, placas, láminas, etc. La temperatura que se lleva a cabo en un rango de 800°C y 950°C.

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Prensas de forja. Son deformaciones plásticas para metales, utilizando dados en estas prensas a temperaturas lo suficientemente altas para evitar endurecimiento por trabajado. Se utiliza para reducir la sección transversal del lingote, las prensas de forja son realizadas a través de prensas hidráulicas y se utilizan en gran cantidad para reducir tamaños de lingote de gran tamaño que deben ser reducidos para producir las formas deseadas. Otros métodos de trabajado en caliente es la extrusión en caliente que se trata de convertir lingotes en formas lo más uniformes posibles a través de generar orificios en el lingote utilizando dados. [6] 2.1.8.2. Trabajo en frío. El trabajo en frío es un proceso de deformación plástica que es llevado a cabo por debajo de la temperatura de recristalización, la cual permite un endurecimiento por trabajado, esto con el objeto de que no exista el efecto de ablandamiento.Se utiliza para mejorar las propiedades mecánicas, la maquinabilidad, precisión dimensional y la superficie de acabado. El trabajo en frío, permite la producción de espesores delgados en hojas o placas donde la tolerancia dimensional es muy estrecha. Antes de la operación de trabajo en frío, el material debe ser limpiado, removiendo las escamas de óxido mediante un decapado o mediante una limpieza por granallado para prevenir defectos superficiales y puedan ser trabajados durante el proceso. Las formas de trabajado incluyen formas, tales como: barras, tubos, láminas; el principal método de trabajo en frío es el laminado en frío, estampado y trefilado en frío, y extrusión en frío.El laminado en frío consiste en deformar barras laminadas en caliente previamente o placas a través de rodillos a una distancia entre cada uno de ellos menor al tamaño del acero que entra. Este proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente, sin embargo por efectos de fricción provoca que la temperatura del producto se incremente entre 120°C y 230°C. Trefilado. Consiste en introducir alambrón de acero en una serie de dados de tal manera de reducir su sección transversal al tamaño requerido, sus formas acabadas son alambre, algunas barras, tubos, etc.Extrusión en frio. Se utiliza para convertir el lingote en longitudes y formas uniformes mediante la deformación plástica del acero forzándolo a través de dados con orificios. Este proceso es similar al realizado en caliente excepto que el proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente.2.1.8.3. Diversas formas. Las diversas formas que son producidas de aceros pueden incluir formas estructurales, barras, alambrón, alambre, formas tubulares y formas planas. Cada una de estas formas se distingue por su precisión dimensional y procesos involucrados para su producción. Formas estructurales. Estas son laminadas en caliente, y por lo general tienen al menos una dimensión de sección transversal que es de 3 in o mayor. Estas formas son usadas para puentes, edificios, barcos y una gran cantidad de formas para la construcción. Son producidos mediante la laminación de billet o planchones, haciéndolas pasar a través de una serie de rodillos para laminación de no-planos. El laminado de estas formas se lleva por lo general a cabo en tres etapas, que consisten en: una laminación gruesa (formas ásperas), laminado intermedio y acabado.Las barras. Son trabajadas en caliente o en frío; la mayoría de las barras tienen por lo general secciones transversales uniformes que pueden ser son rectangulares, cuadrados, redondos, ovalados o hexagonales. Las barras se producen en molinos de laminación donde se introducen palanquillas a partir de ahí hasta obtener las dimensiones requeridas, por eso se les conoce como barras laminadas en caliente o terminadas en frío. Las barras terminadas en frío son producidas a partir de barras laminadas en caliente utilizando procesos de acabado en frío, de tal manera de mejorar la superficie de acabado, precisar dimensiones, alineación o maquinabilidad. Entre los procesos para las barras terminadas en frío

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incluyen los siguientes: trefilado en frío, laminado en frío, torneado, pulido o enderezado. Estos procesos se pueden usar de manera aislada o en combinaciones con otros. Cuando se requieren propiedades especiales se efectúan los tratamientos térmicos tal como temple, normalizado, recocido y revenido, etc.El alambrón es un producto de acero laminado a partir de palanquillas en un molino para no-planos, y es utilizado de manera inicial para la manufactura de alambre, también se utiliza como alambrón para reforzar concreto. El alambre de acero el cual es delgado, flexible, continuo y usualmente presenta redondos. El alambre tiene una enorme cantidad de usos, los cuales incluyen alfileres, agujas, resortes, tornillos y alambre para soldar, construcción, etc.El alambre se produce en varias etapas, inicialmente se parte de alambrón y antes de iniciar la fabricación de alambre se remueve el oxido superficial, y luego se trefila a través de una serie de dados de diferentes tamaños. Después de ser trefilado, el alambre a menudo se le da un revestimiento metálico para decoración y protección. El revestimiento incluye Zn (galvanizado), estañado y aluminado. Se llegan a utilizar tratamientos térmicos para mejorar el trefilado para mejorar sus propiedades mecánicas entre estos tratamientos están: temple, revenido. El propósito del proceso de temple y “patenting” es suavizar el alambre el cual se vuelve sucesivamente más duro y más frágil con cada pasada. Si un tratamiento térmico de suavizado no está desarrollado, un punto podría ser rechazado cuando el alambre rompa el dado. Las formas tubulares que son huecos. Sus dos usos más comunes son: el transporte de fluidos y componentes estructurales. Los productos tubulares son divididos en dos grupos, los cuales son conductos y tuberías. Los productos tubulares pueden ser sin costura o sin costura (ver figura 9). Los productos de tubos sin costura son producidos mediante el forjado de palanquillas cilíndricas, las cuales son agujeradas a través del centro para hacer el orificio y luego laminados o extruidos hasta obtener el tamaño.Los productos tubulares con costura se realizan a partir de lámina de acero plana, que se encuentra enrollada inicialmente. Esta se desenrolla y luego se curva alrededor de sus ejes longitudinales hasta obtener una sección circular, los ejes longitudinales de la lámina son soldados para formar la tubería.Varios procesos de soldadura se utilizan y entre ellos está la soldadura de arco eléctrico, W y gas inerte (TIG). [7]

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Figura 9. Los productos tubulares pueden ser producidos con costura y sin costura.

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2.2. ACEROS AL CARBONOLos aceros al carbono son aleaciones de Fe, C y Mn. Pero pequeñas cantidades de C que llegan a contener afectan significativamente la estructura cristalina y los cambios de fases que se llevan a cabo. Los aceros al carbono se dividen de acuerdo a su contenido de C, sus propiedades mecánicas son afectadas adicionalmente por la presencia de elementos químicos y por las microestructuras que se llegan a encontrar.2.2.1. ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y FASES. Las estructuras del Fe y el acero cambian su estructura cristalina cuando son calentados y enfriados. Los aceros al carbono y sus correspondientes cambios de fase se encuentran graficados en el diagrama Fe-C. La reacción eutectoide es el cambio de fase más importante en el diagrama Fe-C porque muestra la transformación de austenita (solución sólida de carbono) a ferrita (una solución sólida de carbono), cementita (carburo de hierro de Fe3C) y perlita (un agregado de ferrita y cementita). 2.2.1.1. Estructura cristalina del Fe. El Fe es un metal alotrópico, los metales alotrópicos muestran más de un tipo de estructura cristalina dependiendo de su temperatura. El Fe pasa por tres cambios de fase cuando es enfriado a partir del punto de fusión hasta la temperatura ambiente (ver figura 10).El Fe solidifica a 1538°C en una estructura cristalina BCC (Cúbica Centrada en el Cuerpo) que corresponde al hierro delta (δ). A medida que se va enfriando a 1401°C, el segundo cambio se muestra en el cual los átomos se reorganizan en una red cristalina FCC (Cúbica Centrada en las Caras) que corresponde al hierro gamma (γ). Cuando la temperatura alcanza los 908°C, ocurre un tercer cambio, y los átomos se revierten a una estructura cristalina BCC que corresponde a un hierro alfa (α). Estos tres cambios se llevan a cabo cuando el hierro es calentado.Si bien no hay un cambio de estructura cristalina, el hierro alfa (α) pasa a ser magnético cuando se enfría por debajo de la temperatura de Curie. Dicha temperatura es la temperatura de transformación magnética, por arriba de la cual el metal es no magnético y por debajo sí lo es. La temperatura de Curie para el hierro alfa (α) es: 768°C.

Figura 10. Curva de enfriamiento del Fe puro, presenta tres cambios de estructuras cristalinas que ocurren cuando se enfría del punto de fusión hasta temperatura ambiente.

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2.2.1.2. Estructura cristalina de aleaciones Fe-C. La base para los aceros al carbono es el C intersticialmente disuelto en el Fe. Los átomos de C ocupan espacios entre los átomos de Fe en su estructura cristalina; y como resultado se obtienen ferrita y austenita respectivamente, la austenita es capaz de disolver significativamente más C que la ferrita. Aunque la red de la estructura BCC tiene más espacios que la red de la estructura FCC, los espacios no son lo suficientemente grandes para acomodar un gran número de átomos de C.Los cambios de fases similares ocurren en las aleaciones de Fe-C. La temperatura en las cuales ocurren estos cambios, varían en relación a la cantidad de C disuelto en el Fe. Las formas alotrópicas del Fe-C tienen diferentes nombres que sus contrapartes de Fe puro. Hierro delta (δ) (BCC) es referenciando como ferrita delta, hierro gamma (γ) (FCC) es referenciado como austenita, y el hierro alfa (α) (BCC) es referenciado como ferrita alfa. Puesto que la ferrita delta es poco común encontrarle aplicaciones ingenieriles, a la ferrita alfa se le refiere así como ferrita. La ferrita y la austenita en los aceros son de gran relevancia comercial. 2.2.1.3. Diagrama Fe-C. El diagrama Fe-C es un diagrama de equilibrio de fases, que indica las fases presentes en las aleaciones de Fe y C. Se utiliza para predecir la microestructura de los aceros, especialmente aceros al carbono. En este diagrama una sección del diagrama de fases entre el Fe puro y el compuesto intersticial de cementita, el cual contiene 6.675% de C máximo.El diagrama Fe-C se utiliza para predecir las fases presentes en los aceros al carbono bajo condiciones de equilibrio o en situaciones en donde imperan calentamientos o enfriamientos muy lentos (como ocurre en los tratamientos térmicos de normalizado o recocido). Este diagrama muestra tres reacciones de transformación de fase, las cuales se conocen como: peritéctica, eutéctica y eutectoide; de estas, la reacción eutectoide es la más importante (ver la figura 11).

Figura 11.El diagrama Fe-C contiene reacciones de transformación de fase peritectica, eutéctica y eutectoide. Ferrita, austenita, cementita, ferrita delta y perlita en fases sólidas.

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La mayoría de los aceros al carbono están representados por la región del diagrama Fe-C que se extiende de 0%C a 1.2%C.Las cinco fases sólidas del diagrama Fe-C son: ferrita (alfa, α), austenita (gamma, γ), cementita, ferrita delta (delta, δ), y perlita (ferrita y cementita). Con excepción de la ferrita delta, la cual está presente a temperaturas más altas que las que se utiliza en tratamientos térmicos y en trabajado de metales, estas fases juegan un papel importante en la estructura y propiedades de los aceros al carbono. 2.2.1.4. Descripción de las fases. Las cuatro fases más importantes de los aceros al carbono y las que están involucradas en la reacción eutectoide son: austenita, ferrita, cementita, y perlita. La austenita es una solución sólida de hierro gamma (FCC). Cuando este es aplicado a los aceros al carbono, es definido como una solución sólida intersticial de C en hierro gamma. Esta fase puede disolverse hasta 2%C a 1129°C; la austenita no es estable por debajo de 723°C.La ferrita es una solución sólida de hierro alfa de uno o más elementos en una estructura cristalina de hierro BCC. Cuando es aplicado a aceros al carbono, se define como una solución sólida intersticial de C en el hierro alfa. La ferrita disuelve considerablemente menor C que la austenita, con una máxima cantidad de 0.025%C a los 723°C (1333°F).La cementita es una composición de Fe y C referido como carburo de hierro (Fe3C). La cementita es un compuesto intermetálico que posee una composición química que está ligeramente alterada por la presencia de otros elementos aleantes formadores de carburos. Sin embargo, se le sigue considerando un carburo de hierro; esta contiene 6.67%C y lo que queda es Fe.La perlita es un agregado laminar de ferrita y cementita formada de una descomposición eutectoide de austenita durante un enfriamiento lento. Esto conduce a una transformación de fase controlada por difusión. Cuando es aplicada a aceros al carbono, la perlita consiste de un agregado laminar de ferrita y cementita y posee una apariencia microestructural como de huellas dactilares (ver la figura 12).La perlita está presente en la microestructura a temperatura ambiente de aceros al carbono enfriados lentamente. La fase es actualmente metaestable, lo cual significa que no es termodinámicamente estable. Bajo ciertas condiciones adecuadas la perlita se descompone en hierro y grafito. Esta descomposición no ocurre a temperatura ambiente puesto que la fuerza de activación termodinámica es muy baja. La descomposición se lleva a cabo a temperaturas elevadas en función de tiempos muy prolongados. Los aceros al carbono se utilizan para aplicaciones que están sujetas a prolongadas temperaturas por arriba de 425°C porque esto puede producir grafitización; siendo un resultado que hace que el acero se fragilice.

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Figura 12. La región de la reacción eutectoide es la más importante en el diagrama Fe-C.

2.2.2. CLASIFICACIONES.Los aceros al carbono se clasifican como hipoeutectoides si se forman ferrita-perlita cuando se enfría, eutectoide si la perlita es formada, o hipereutectoide si lo que se forma es perlita-cementita. Las temperaturas críticas se utilizan para definir las temperaturas en donde se llevan a cabo los cambios de fase bajo condiciones de equilibrio o bajo específicas velocidades de enfriamiento o calentamiento. 2.2.2.1. Aceros hipoeutectoides. Los aceros hipoeutectoides son aceros al carbono con un contenido de C que está en la parte izquierda del punto eutectoide en el diagrama Fe-C y contiene menos de 0.8%C aproximadamente. Estos aceros comprenden un grupo muy grande de composiciones de aceros al carbono y provee un producto a los diseñadores con un rango de resistencia y características de fabricación para ser utilizadas (ver figura 13).2.2.2.2. Aceros eutectoides. Los aceros eutectoides son aceros al carbono que tienen un contenido de carbono de aproximadamente 0.8%C, típicamente usados para rieles de ferrocarril. Su composición es seleccionada por la combinación de esfuerzo y resistencia al desgaste que presentan.Después de solidificar, la microestructura de un acero eutectoide consiste enteramente de solución sólida de austenita (ver figura 14). Cuando la temperatura alcanza los 723°C, la austenita se transforma isotérmicamente en perlita. La microestructura de los aceros eutectoides a temperatura ambiente consiste en 100% de perlita.La transformación de austenita a perlita, se lleva a cabo por un proceso de difusión atómica. La primera etapa es la precipitación de cementita en regiones localizadas en los límites de grano de la austenita. Para facilitar la precipitación de esta fase de alto C, la austenita inmediatamente adyacente a la cementita reduce su contenido de C. Los átomos se re arreglan localmente en una estructura cristalina BCC para formar ferrita; estos resultan en una cubierta de ferrita que se forma a ambos lados de la cementita. El proceso entonces se revierte en la austenita que está inmediatamente adyacente a las películas de ferrita, la cual se enriquece de C.

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Este proceso forma una capa de cementita en ambos lados de la ferrita, y las capas alteradas de ferrita y cementita crecen dentro de los granos de austenita hasta que toda la austenita está completamente transformada en perlita (ver figura 15).2.2.2.3. Aceros hipereutectoides. Los aceros hipereutectoides son aceros al carbono con un contenido de C que se encuentra a la derecha del punto eutectoide en el diagrama Fe-C y que contiene más de 0.8%C. Estos aceros poseen una resistencia y dureza altas y son utilizados en componentes tales como ejes, cinceles, etc. Después de solidificar, la microestructura de un acero hipereutectoide contiene 1%C consistente completamente de austenita (ver la figura 16).

Figura 13. Acero hipoeutectoide <0.8%C, presenta una microestructura de enfriamiento lento, que consiste en ferrita y perlita. Un acero hipoeutectoide con 0.2%C, consiste de aprox. 76% ferrita y

24% perlita.

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Figura 14. Acero eutectoide, contiene aproximadamente 0.8%C, presenta un enfriamiento lento, 100% de su microestructura es perlita que consiste en ferrita y cementita.

Figura. 15. La formación de perlita a partir de la austenita, es una difusión controlada y principalmente arreglada en una microestructura de ferrita y cementita.

Figura. 16. Acero hipereutectoide, contiene >0.8%C y presenta una microestructura de enfriamiento lento que consiste de cementita y perlita. Un acero hipereutectoide con 1%C consiste de

aproximadamente 96% de perlita con aproximadamente 4% de cementita en los límites de grano.

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2.2.2.4. Temperaturas críticas. Las temperaturas críticas son temperaturas de alguna composición de acero específico al cual la fase de austenita se inicia o se completa (para una velocidad específica de calentamiento o enfriamiento). Las temperaturas críticas son obtenidas a apartar de curvas del tipo temperatura-tiempo en el calentamiento o curvas de enfriamiento que son graficadas para composiciones de acero específicas. Las temperaturas críticas son indicadas mediante arrestos en estas curvas, las cuales representan puntos en las líneas de solvus o eutectoides en el diagrama Fe-C.Las temperaturas críticas son designadas con la letra mayúscula A (arrestar) seguida de un subíndice, A1, es el límite entre el campo de la fase perlítica y el campo de la fase austenítica, el cual es una línea de transformación eutectoide. A3, es el límite entre el campo de la fase austenita-ferrita y el campo de la fase austenítica. Acm, es la frontera entre el campo de la fase cementita-austenita y el campo de la fase austenítica (ver figura 17).

Figura 17. Temperaturas críticas.

Bajo condiciones de equilibrio, las temperaturas críticas son designadas con letras minúsculas (por ejemplo, Ae1, Ae3, Aecm). Con un calentamiento más rápido o enfriamiento, hay menos tiempo para que los átomos difundan, así que las temperaturas críticas son desplazadas de los valores de equilibrio. Las temperaturas críticas son desplazadas hacia abajo con el enfriamiento o hacia arriba con el calentamiento. Para diferenciar las nuevas temperaturas críticas de los valores de equilibrio, una letra “r” es usada para designar el enfriamiento y una letra “c” es usada para designar el calentamiento. El desplazamiento de las temperaturas críticas a partir de los valores de equilibrio aumenta con la velocidad de calentamiento o enfriamiento.Para una transformación completa de austenita, un acero debe ser calentado por arriba de sus temperaturas Ac3 o Acm (dependiendo del contenido de C). Por ejemplo, la transformación de austenita a ferrita, perlita o cementita, un acero debe ser enfriado por debajo de la temperatura Ar 1. Por ejemplo, un acero hipoeutectoide que es austenizado antes de templar y revenir es calentado por arriba de la temperatura Ac3 para asegurar que toda la microestructura sea transformada en austenita. La transformación completa no se lleva a cabo si no es calentada por arriba de Ac1.

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2.2.3. PROPIEDADES MECÁNICAS.Las propiedades mecánicas de un acero al carbono son determinadas principalmente por su contenido de C y Mn, el espaciamiento interlaminar entre la perlita y su tamaño de grano. El tamaño de grano se refina a través de la práctica de desoxidación o mediante el ciclado del acero mediante el rango de temperaturas. El crecimiento de grano es un fenómeno no deseable que es causado por el calentamiento del acero por encima de la temperatura donde el grano se embastece.2.2.3.1. Efectos del C y del Mn. El C y el Mn son los principales elementos aleantes en los aceros al carbono y contribuyen al incremento de las propiedades mecánicas. Los aceros al carbono usualmente contienen de 0.05%C a 1.2%C y 0.25%Mn a 1.7%Mn; incrementando el contenido de C incrementa el porcentaje de perlita o cementita. Esto origina un efecto mayor de endurecimiento que se refleja en un incremento en la resistencia como en la dureza y una disminución de su tenacidad y ductilidad (ver figura 18).

Figura 18. Incrementando el contenido de C en aceros al carbono, incrementa su esfuerzo y su dureza pero disminuye la tenacidad y ductilidad del acero.

El Mn ayuda al incremento en la resistencia de los aceros al carbono, pero a diferencia del C su efecto ocurre por endurecimiento por solución sólida, esto quiere decir que los átomos de Mn desplazan a los átomos de Fe en la red cristalina durante el endurecimiento por solución solida. Los efectos del C y del Mn en las propiedades mecánicas del acero son aditivos; el C provoca una gran contribución por el efecto que tiene sobre la formación de perlita (ver figura 19). El C y el Mn incrementan la templabilidad, la cual es una propiedad en los aceros que determina la profundidad en la cual se endurece cuando es templado.

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Figura 19. Los aceros al carbono son reforzados por la adición de C y Mn.

2.2.3.2. Espaciamiento interlaminar de perlita. Es la distancia entre una lámina de ferrita y una lámina delgada de cementita. Al disminuir el espaciamiento interlaminar de la perlita aumenta la dureza y la tenacidad. El normalizado es un tratamiento térmico que disminuye el espaciamiento interlaminar de la perlita y refina el tamaño de grano. El acero normalizado es calentado en un horno dentro de la región austenítica (por arriba de Ac3), se mantiene un periodo de tiempo, se remueve del horno permitiendo un enfriamiento al aire. Por lo general los aceros estructurales son alimentados en una condición de normalizado para optimizar sus las propiedades mecánicas. 2.2.3.3. Efecto de crecimiento de grano. Es una propiedad importante en todos los aceros; los aceros pueden ser grano grueso (tamaño de grano grande) o grano fino (tamaño de grano pequeño).. Para medir el tamaño de grano, existen técnicas estandarizadas para preparar las muestras y examinarlas. [8] La práctica de la desoxidación en los aceros es un factor significativo en el control del tamaño de grano. El tamaño de grano austenítico determina el tamaño de grano de la ferrita y perlita, la cual se forma a partir de la transformación de la austenita. Entre más grande sea el tamaño de grano austenítico, mayor será el tamaño de ferrita-perlita. El tamaño de grano grueso en los aceros se desoxida con Si, y una estructura de granos finos en el acero, es desoxidada con Al. El tamaño de grano fino es generalmente benéfico para los aceros al carbono porque incrementa la ductilidad y la tenacidad. El refinamiento de grano es utilizado para producir un tamaño de grano más fino que el normal. Este se logra ciclando térmicamente el acero a través del rango de temperaturas críticas (ver figura 20). El punto G, el cual corresponde a la línea crítica Ac1 (aproximadamente 723°C), la perlita recristaliza para formar una estructura grano fino de austenita. La ferrita no se transforma a esta temperatura, pero a medida que la temperatura aumenta, las cantidades de ferrita recristalizada aumentan para formar una estructura de grano fino de austenita. Cuando la temperatura alcanza el punto H, la cual corresponde a la línea crítica Ac3 (aproximadamente 843°C), la microestructura

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completa consiste de un tamaño de grano fino de austenita. Si el acero fuera enfriado a este punto, el tamaño de grano fino de austenita se transformaría en granos más finos compuestos de perlita y ferrita. El ciclado térmico a través de oscilar en las temperaturas críticas, es un método que se puede utilizar para refinar el tamaño de grano grueso del acero.El refinamiento de grano mediante ciclado térmico también ocurre y esto sucede durante los procesos de soldadura en los aceros. El proceso de soldadura de múltiples pasos, el primer depósito de soldadura tiene grano grueso, pero cada vez que se deposita este primer depósito es sujeto a un refinamiento de grano ocasionado por el siguiente paso de soldadura debido al ciclaje de temperatura a través de las temperaturas críticas. Consecuentemente en procesos de soldadura de pasos múltiples en aceros al carbono es más tenaz que cuando el proceso de soldadura consiste en un solo paso. El crecimiento de grano es un incremento no deseable del tamaño de grano; esto ocurre como resultado del calentamiento del acero a elevadas temperaturas por encima de la temperatura crítica. Los aceros con grano grueso son más susceptibles al crecimiento de grano; y este crecimiento en los aceros de grano grueso ocurre a más bajas temperaturas que un acero de grano fino (completamente calmados).En un acero de grano grueso, el tamaño de grano se incrementa gradualmente y consistentemente a medida que la temperatura es incrementada sobre la temperatura crítica A 1. Un acero de grano fino incrementa ligeramente, si del todo, la temperatura es incrementada hasta que una específica temperatura es alcanzada.Esta inhibición del crecimiento de grano es causada por partículas de AlN en los aceros; estas partículas precipitadas de AlN son formadas durante el proceso de desoxidación del acero. Lo que hacen estas partículas es restringir el movimiento de los límites de grano de austenita y prevenir que se alarguen o que crezcan, a cierta temperatura específica (temperatura de crecimiento de grano) se inicia un abrupto incremento en el tamaño de grano (ver figura 21).La temperatura de un grano grueso es de 925 a 980°C y depende de varios factores, por ejemplo, y es dependiente de la cantidad de acero que ha sido trabajado en frío. Una ventaja completamente de los aceros calmados es una resistencia a que el grano crezca durante operaciones de tratamientos térmicos a altas temperaturas (carburizado), por lo general estas operaciones se llevan a cabo a temperaturas tan altas como a 925 a 955°C. [9]

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Figura 20. El tamaño de grano de un acero al carbono puede estar refinado por ciclos a través de las temperaturas críticas.

Figura 21. El tamaño de grano grueso en los aceros se incrementa gradualmente con el aumento de la temperatura, mientras que el grano fino en los aceros (completamente calmado) se mantiene con

un tamaño de grano fino hasta que la temperatura de grano grueso es excedida.

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2.3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACEROUna de las características más importantes de los aceros es la habilidad de alterar su microestructura, a través de tratamientos térmicos pueden ser constituidas diferentes microestructuras. Cada constituyente imparte una serie de propiedades al producto final. Por ejemplo, un acero templado en agua, llega a ser muy duro pero frágil por la transformación de martensita. En un acero revenido, la ductilidad puede ser restaurada sacrificando un poco de dureza y esfuerzo. Además, una superior durabilidad de las propiedades puede ser obtenida con una microestructura completamente perlítica, particularmente si es producido un enfriamiento acelerado, desarrollando un fino espacio interlaminar. Pueden ser desarrolladas piezas complejas tomando como ventaja la formabilidad y la ductilidad de láminas de aceros ferríticos, a través del laminado en frío y el recocido. La cantidad de perlita y ferrita pueden ser ajustadas por el contenido de C y la tasa de enfriamiento para producir amplios rangos de dureza y esfuerzo. En los aceros templados y revenidos, una microestructura bainítica tiene una única combinación de alta resistencia y tenacidad. De esta forma, más que otro material, puede ser manipulado por tratamientos térmicos para proveer una multiplicidad de microestructuras y propiedades finales. [10] 2.3.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE TEMPLE Y REVENIDOEs posible obtener una dispersión más fina de Fe3C si primero se templa la austenita para producir martensita y después revenir el metal. Durante el revenido se formará una mezcla íntima de ferrita y cementita procedente de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades finales del acero (ver figura 22). [11]

Figura 22. Efecto de la temperatura de revenido en un acero.

2.3.2. TEMPLE. Se refiere al proceso de enfriamiento rápido de un metal partiendo de la temperatura de austenitización. Típicamente se encuentra en el rango de 815 a 879°C, para el acero. Los aceros inoxidables y de alta aleación, pueden ser templados para minimizar la presencia de carburos en los límites de grano y/o mejorar la distribución de ferrita; pero muchos aceros,

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incluyendo aceros al carbono, de baja aleación, y de herramienta, son templados para producir cantidades controladas de martensita en su microestructura. Un endurecimiento satisfactorio usualmente significa conseguir la microestructura requerida, dureza, esfuerzo o tenacidad mientras el esfuerzo residual, distorsión y la posibilidad de fracturas son minimizados.Para conseguir una alta resistencia como en los constituyentes de bainita y martensita, el acero debe ser recalentado en la fase austenítica y enfriado repentinamente en aceite o agua para temple. Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) son producidos por medio de este proceso. Se debe resaltar el uso de elementos microaleantes como son: Nb, V, Ti. Estos aceros microaleados obtienen su esfuerzo mediante tratamientos termomecánicos y tratamientos térmicos. La selección de un medio de enfriamiento adecuado, depende de la templabilidad de la aleación, espesor, forma involucrada y el rango de enfriamiento necesario para mejorar la microestructura deseada. Los medios más comunes de enfriamiento son líquidos o gases. Los medios de enfriamiento líquidos comúnmente utilizados para temple son: aceite, que puede contener una variedad de aditivos; agua, solución acuosa de polímeros, agua que puede contener sal o aditivos cáusticos.Los gases más comunes para temple, son los inertes incluidos el He y el Ar, también es utilizado el N. Estos son usados después de la austenitización al vacio. La habilidad del medio de enfriamiento para endurecer el acero, depende de sus propias características. Un temple efectivo depende de la composición del acero, tipo del medio de enfriamiento y de las condiciones del temple. El diseño de un sistema de temple y la minuciosidad con la cual el sistema es mantenido contribuye a realización de un buen proceso. 2.3.2.1. Fundamentos del temple y evaluación de los medios de enfriamiento. Fundamentalmente el objetivo del proceso de temple es enfriar el acero desde la temperatura de austenitización lo suficientemente rápido para formar la fase microestructural que se desea, algunas veces fases de bainita pero más frecuente la martensita.2.3.2.2. Proceso de temple. El índice de extracción de calor del medio de enfriamiento y la manera en que es usado afecta el desempeño del temple. Algunas variaciones en la práctica del temple han resultado en asignaciones de nombres específicos para algunas técnicas, los cuales son:

Temple directo Tiempo de templado Temple selectivo Temple por rocío Temple interrumpido

Temple directo. Se refiere al templado directamente a partir de la temperatura de austenitización y es por mucho la práctica comúnmente más utilizada. El término “temple directo” es usado para diferenciar este tipo de ciclo de las prácticas indirectas, en las cuales podemos involucrar carburizado, enfriamiento lento, recalentamiento que son seguidos por temple.Tiempo de templado. Es usado cuando el índice de enfriamiento en una pieza a ser templada necesita ser abruptamente alternada durante el ciclo de enfriamiento. Este cambio en el índice de enfriamiento puede consistir ya sea de un incremento o un descenso en el rango de las temperaturas dependiendo de las cuales sean necesitadas para obtener los resultados deseados. Esta práctica es usual en piezas templadas a bajas temperaturas en un medio de enfriamiento con características de alta remoción de calor (por ejemplo, agua), hasta que se obtiene un enfriamiento por debajo de la curva tiempo-temperatura-transformación (TTT); cuando se es transferido a un segundo medio (por

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ejemplo, aceite), así el enfriamiento es más lento a través del rango de temperaturas de transformación de martensita. En algunas aplicaciones el segundo medio de enfriamiento puede ser aire o un gas inerte. El tiempo de templado es el más usado para minimizar la distorsión, fracturas, y los cambios dimensionales.Temple selectivo. Es usado cuando se desea que ciertas áreas de una pieza no sean afectadas por el medio de enfriamiento. Esto puede ser realizado aislando una cierta área para que se enfríe más lentamente, así el medio de enfriamiento sólo hará contacto las áreas de la pieza que no fueron aisladas para que sean enfriadas rápidamente. Temple por rocío. Involucra directamente fluidos a alta presión del medio de enfriamiento en áreas de la pieza de trabajo donde se desea la pieza sea templada. La tasa de enfriamiento es más rápida porque las gotas del medio de enfriamiento se forman por la alta intensidad del rocío e impactan la superficie y remueven el calor efectivamente. Sin embargo, es preferible un rocío a baja presión cuando se utilizan ciertos polímeros como medio de enfriamiento.Temple interrumpido. Se refiere a un rápido enfriamiento del metal de la temperatura de austenitización en un punto sobre Ms (temperatura de inicio de transformación de la martensita), donde esta temperatura es mantenida por un periodo de tiempo específico, seguido por un enfriamiento al aire (temperatura ambiente). Hay tres tipos de temples interrumpidos, que son: austempering, marquenching y temple isotérmico. La temperatura a la cual el temple es interrumpido, la duración del tiempo en que el acero es mantenido a una cierta temperatura y el índice de enfriamiento, pueden variar dependiendo del tipo de acero y del espesor de la pieza de trabajo. Austempering. Consiste en el enfriamiento rápido de una pieza de metal desde la temperatura de austenitización alrededor de 230 a 400°C (dependiendo de las características de transformación del acero involucrado) manteniéndose a una temperatura constante para conseguir una transformación isotérmica, seguida de un enfriamiento a temperatura ambiente.El proceso de austempering es aplicable principalmente a los aceros de medio carbono y aceros aleados. Los aceros de baja aleación usualmente son restringidos a secciones de 9.5 mm o más delgadas, mientras que otros aceros más endurecidos para este proceso se emplean espesores de hasta 50 mm.Baños de sales fundidas son usualmente las aplicaciones más prácticas para el enfriamiento en el proceso de austempering. Los aceites han sido desarrollados para satisfacer ciertas necesidades, pero las sales fundidas poseen mejores propiedades de transferencia de calor y eliminan el riesgo de incendio. Marquenching. El proceso de marquenching (martempering) es similar al proceso de austempering en el que la pieza de trabajo es templada rápidamente desde el rango de temperaturas de austenitización en un baño agitado que es mantenido cerca de la temperatura Ms (temperatura de inicio de transformación de la martensita). Difiere del proceso de austempering en el que la pieza de trabajo permanece a una temperatura sólo lo suficiente para ser equilibrada a lo largo de toda la pieza. Cuando la temperatura ha logrado equilibrarse, pero antes de que la transformación comience, la pieza es removida del baño de sales y enfriada en aire a temperatura ambiente. Los aceites son utilizados satisfactoriamente para el marquenching, pero la sal fundida es preferida por sus mejores propiedades de transferencia de calor. Aceros altamente endurecidos son susceptibles a fracturas cuando la martensita es formada si el enfriamiento es demasiado rápido. Aceros carburizados que usualmente tienen un núcleo blando,

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son insensibles a las fracturas durante la formación de martensita, y el índice de enfriamiento de la temperatura Ms no es crítica. El proceso de marquenching no remueve la necesidad de un revenido posterior. La estructura del metal es esencialmente la misma que fue formada durante el temple directo. Temple isotérmico. Es muy similar al austempering en donde el acero es templado rápidamente a través del rango de la formación de ferrita y perlita a una temperatura superior a M s (temperatura de inicio de transformación de la martensita). Sin embargo, el temple isotérmico difiere del proceso de austempering en que son utilizados dos baños de temple. Después del primer temple, y antes de que la transformación comienza, la pieza de trabajo es transferida a un segundo baño con una temperatura un poco mayor isotérmicamente transferido, seguido de un enfriamiento en aire a temperatura ambiente. [12]2.3.3. REVENIDO.El revenido de los aceros es un proceso en el cual, estos, previamente endurecidos o normalizados son usualmente calentados por debajo de la temperatura crítica más baja, y enfriados en un rango adecuado, principalmente para incrementar la ductilidad y la tenacidad, y también incrementa el tamaño de grano de la matriz. Los aceros son revenidos mediante un recalentamiento después de endurecerlos para obtener valores específicos en las propiedades mecánicas y también para relevar los esfuerzos provocados por el temple, y asegurar su estabilidad dimensional. El revenido usualmente es seguido del temple, por encima de la temperatura crítica superior; sin embargo, el revenido también es usado para relevar esfuerzos y reducir la dureza que se desarrolla durante la soldadura, y para relevar esfuerzos inducidos por procesos de deformación y maquinado. 2.3.3.1. Principales variables. Las variables asociadas con el revenido que afectan la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero revenido son:

Temperatura de revenido Tiempo de la temperatura Velocidad de enfriamiento a partir de la temperatura de revenido Composición del acero, incluido el contenido de C, elementos aleantes y elementos

residuales. En un acero templado la microestructura consiste esencialmente de martensita, la matriz de hierro es tensada por los átomos de C, produciendo una alta dureza en los aceros templados. En el calentamiento, los átomos de C se difunden y reaccionan en una serie de distintos pasos que eventualmente forman Fe3C y/o carburos aleados en una matriz de ferrita que gradualmente disminuye el nivel de esfuerzos. Las propiedades de los aceros revenidos son determinadas principalmente por su tamaño, forma, composición y distribución de los carburos que se forman, una relativamente menor contribución del endurecimiento por solución sólida de la ferrita. Estos cambios en las microestructuras disminuyen la dureza, esfuerzo de tensión y tensión de fluencia pero incrementan la ductilidad y la tenacidad. Bajo ciertas condiciones, la dureza puede permanecer sin afectarse por el revenido o incluso puede ser incrementada como resultado de esto. Por ejemplo, el revenido de un acero endurecido a una temperatura muy baja, no provoca ningún cambio en la dureza, pero logra un incremento deseado en la tensión de fluencia. También, los aceros aleados que contienen uno o más elementos formadores de carburos (Cr, Mo, V, W) son capaces de endurecerse de manera secundaria; esto es que pueden ser algo duros, como resultado del revenido. Los factores de temperatura y tiempo, son variables interdependientes en el proceso de revenido.

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Dentro de ciertos límites, la disminución de temperatura y el incrementando el tiempo, usualmente puede producir los mismos resultados al aumentar la temperatura y disminuir el tiempo. Sin embargo, cambios menores de temperatura, poseen un mayor efecto que los cambios menores en tiempo en operaciones típicas de revenido. Salvo raras excepciones, el revenido es efectuado a temperaturas entre 175°C y 700°C, y por tiempos de 30 min hasta 4 horas.2.3.3.2. Cambios estructurales. Basado en estudios de rayos-x, de dilatometría, y estudios microestructurales, existen tres etapas distintas de revenido: [13], [14], [15], [16]

Etapa I: La formación de carburos de transición y la disminución en el contenido de C de la martensita a 0.25% (100 a 250°C).

Etapa II: La transformación de austenita retenida a ferrita y cementita (200 a 300°C) Etapa III: El reemplazo de carburos de transición a baja temperatura de la martensita por

cementita y ferrita. Se ha reportado que existe una etapa adicional de revenido que se conoce como etapa IV. Consiste de la precipitación distribuida de finos carburos aleados, presentes en aceros de alta aleación. Esto ha sido encontrado en la etapa I del revenido, es a menudo precedido por la redistribución de los átomos de C, llamado autorevenido o temple-revenido, durante el temple y/o manteniendo a temperatura ambiente. [17] Otros cambios estructurales toman lugar porque los átomos de C se reacomodan precediendo la clásica etapa I. [18], [19] 2.3.3.3. Cambios dimensionales. La transformación de martensita está asociada con un incremento en el volumen. Durante el revenido, la martensita se descompone en una mezcla de ferrita y cementita, como resultado una disminución en el volumen a medida que la temperatura de revenido aumenta. Debido a que un 100% de la estructura martensítica después del temple no siempre puede ser asumida, el volumen puede que no esté continuamente en disminución con el incremento de la temperatura de revenido. La austenita retenida, en aceros al carbono y aceros de baja aleación, se transforma en bainita con un incremento en el volumen, en la etapa II del revenido. Cuando ciertos aceros aleados, son revenidos, ocurre una precipitación distribuida de finos carburos aleados, con un incremento en la dureza, llamada endurecimiento secundario, y un aumento en el volumen. Con la precipitación de los carburos aleados, la temperatura Ms (temperatura de inicio de transformación de la martensita) de la austenita retenida se incrementará y se transformará en martensita durante el enfriamiento desde la temperatura del revenido. 2.3.3.4. Temperatura de revenido. Muchas relaciones empíricas han sido establecidas entre la resistencia a la tensión y la dureza de aceros revenidos tales que, las mediciones de la dureza son comúnmente usadas para evaluar la respuesta al revenido de un acero. La figura 23 muestra el efecto de la temperatura de revenido en la dureza, resistencia y tensión de fluencia, elongación y reducción del área de un acero al carbono (AISI 1050), mantenido a la temperatura durante una hora. Se puede observar, que tanto a la temperatura ambiente, la dureza y la resistencia disminuyen a medida que la temperatura de revenido aumenta. La ductilidad a temperatura ambiente, determinada por su elongación o su reducción de área, aumentan con la temperatura de revenido. La mayoría de los aceros de media aleación, muestran una respuesta al revenido similar a la de los aceros al carbono; el cambio en propiedades mecánicas en la temperatura de revenido para una acero 4340 se muestra en la figura 24.

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Figura 23. Efecto de la temperatura de revenido de las propiedades mecánicas de un acero 1050 a temperatura ambiente.

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Figura 24. Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas de un acero templado 4340.

No hay una disminución en la ductilidad en el rango de temperaturas de la fragilidad de la martensita revenida o TME (conocida también como la fragilidad a 260°C o fragilidad en el revenido en un paso), esto debido a que los ensayos de tensión se llevan a cabo en muestras redondas a relativos rangos de deformación. Sin embargo, en las cargas de impacto puede ocurrir una falla catastrófica cuando un acero aleado es revenido en el rango de donde ocurre la fragilidad que corresponde a la martensita revenida (260-370°C). Mientras que la elongación y la reducción del área aumentan con el aumento de la temperatura de revenido, la tenacidad determinada mediante un ensayo de impacto, varía con el aumento de la temperatura de revenido, tal como se muestra en la figura 25. Las temperaturas de revenido de 260 a 320°C disminuye la energía de impacto a valores menores que los obtenidos a una temperatura de 150°C. Por encima de 320°C, la energía de impacto nuevamente aumenta al incrementarse la temperatura de revenido. Tanto los aceros al carbono como los aceros aleados responden al revenido de esta manera. El fenómeno de la

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energía de impacto mínima se encuentra alrededor de los 300°C y es la que se conoce como fragilidad de martensita revenida o fragilización a los 260°C.

Figura 25. Tenacidad en función de la temperatura de revenido para un acero ultra resistente 4140 revenido durante una hora.

2.3.3.5. Tiempo de revenido. Tanto la difusión del C y elementos aleantes son necesarios para la formación de carburos, dependen de la temperatura y del tiempo. El efecto del tiempo de revenido en la dureza de un acero de 0.82%C a varias temperaturas se muestra en la figura 26. Los cambios en la dureza son aproximadamente lineales sobre una gran porción en el rango de tiempo, cuando el tiempo es presentado en una escala logarítmica. Cambios rápidos en la dureza a temperatura ambiente ocurren cuando el inicio del tiempo de revenido son menores de los 10s. Menos rápido aún pero todavía considerablemente grande, los cambios de dureza ocurren en tiempos que oscilan de 1 a 10 min, y cambios más pequeños ocurren en tiempos que van de 1 a 2 horas. Para consecuencia y menos dependencia en las variaciones de tiempo, los componentes por lo general son revenidos durante 1 a 2 horas. Los niveles de dureza producidos por ciclos de revenido muy cortos, tales como revenido por inducción, serán algo sensibles tanto la temperatura alcanzada como el tiempo a esa temperatura. Mediante el uso de un revenido empírico, parámetros desarrollados por Holloman y Jaffe. [20] Las durezas aproximadas de aceros de bajo y media aleación templados y revenidos pueden ser predichas. El parámetro es T(c + log t), donde T es la temperatura en grados Kelvin, t es el tiempo en segundos y c es una constante que depende del contenido de C del acero. Se han obtenido buenas correlaciones son obtenidas excepto cuando significativamente cuando las cifras de elementos formadores de carburos o grandes cantidades de austenita retenida están presentes.

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Figura 26. Efecto del tiempo a cuatro temperaturas de revenido en dureza a temperatura ambiente de un acero templado con 0.82%C.

2.3.3.6. Velocidad de enfriamiento. Otro factor que puede afectar las propiedades de un acero es la velocidad de enfriamiento desde una temperatura de revenido. Aunque las propiedades tensiles no son afectadas mediante la velocidad de enfriamiento, la tenacidad (medida a partir de ensayos de impacto), puede disminuir si el acero es enfriado lentamente a través del rango de temperaturas de 375 a 575°C, especialmente en aceros que contienen elementos formadores de carburos. La elongación y la reducción del área también pueden ser afectadas; este fenómeno es llamado fragilidad de revenido.2.3.3.7. Efecto del contenido de carbono. El principal efecto del contenido de C, es en la dureza del material del acero templado tal y como se muestran en la figura 27. El C ha mostrado tener una diferencia relativa en la dureza comparada con la dureza obtenida directamente el temple en función con la temperatura de revenido, esto quiere decir que muestra un efecto combinado de tiempo, temperatura, esto ha sido demostrado en diversos aceros con diferentes contenidos de C. En la figura 28 se muestra el contenido de tres distintos aceros aleados después de revenir una hora como función del tiempo de revenido; el efecto del contenido de C es evidente.

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Figura 27. Influencia de la temperatura de revenido en aceros algunos aceros al carbono templados a temperatura ambiente. [21]

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Figura 28. Efecto del contenido de C, y temperatura de revenido en la dureza de tres aceros. Tiempo de revenido, 1 h.

2.3.3.8. Contenido de aleación. El principal propósito de añadir elementos aleantes al acero es incrementar la templabilidad, esto es la capacidad del acero para formar martensita después del temple. Los efectos generales de los elementos aleantes en el revenido es retardar la velocidad de ablandamiento, especialmente a temperaturas altas de revenido. Por lo que, para obtener una dureza dada en un periodo de tiempo dado, los aceros aleados requieren temperaturas más altas de revenido que los aceros al carbono. Los elementos aleantes pueden estar caracterizados como formadores de carburos o los no formadores de carburos. Elementos tales como Ni, Si, Al, y Mn; tienen poca tendencia o nula para que se presenten como fase de un carburo, permaneciendo esencialmente en solución en ferrita y tienen un efecto pequeño en la dureza de revenido. El endurecimiento debido a la presencia de estos elementos aleantes ocurre a través del endurecimiento por solución sólida de la ferrita o a través del control del tamaño de grano de la matriz. Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, T, V, Ta, Ni, Ti), retardan el proceso de ablandamiento mediante la formación de aleaciones de carburos. El efecto de los elementos formadores de carburos es mínimo y a bajas temperaturas de revenido en donde se forma Fe3C; sin embargo, a temperaturas más altas, los carburos aleados se forman y la dureza disminuye lentamente con la temperatura de revenido. Elementos tales como Cr, Mo, V que son fuertes formadores de carburos, son los más efectivos para aumentar la dureza a altas temperaturas, arriba de los 205°C, el incremento en la dureza que provoca el P, Ni y Si, se atribuye a un endurecimiento por solución sólida. El Mn es el más efectivo para aumentar la dureza a altas temperaturas de revenido. Los elementos formadores de carburos, retrasan la coalescencia de la cementita durante el revenido, y forman numerosas partículas de carburos muy pequeñas, bajo ciertas condiciones, tales como aceros altamente aleados, la dureza puede incrementarse; a este efecto se le conoce como endurecimiento secundario. La magnitud del endurecimiento secundario aumenta a medida que el contenido de aleantes aumenta. Pueden ocurrir efectos sinergísticos entre varias combinaciones de elementos aleantes: el

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Cr tiende a producir endurecimiento secundario a bajas temperaturas en comparación con el Mo, y una combinación de estos produce una curva de revenido, relativamente plana, con un pico de endurecimiento que se observa a una cierta baja temperatura que cuando solo está presente el Mo. En la figura 29 se muestra la dureza a temperatura ambiente para un acero H11 en función de la temperatura de revenido (composición: 0.35%C, 5%Cr, 1.5%Mo, 0.4%V); como se ve poseen tres elementos formadores de carburos, por lo que la curva de revenido es muy plana como resultado de la combinación especifica de estos tres elementos.

Figura 29. Variación de la dureza en función de la temperatura de revenido de un acero H11.

2.3.3.9. Otros efectos de los elementos aleantes. Además de elementos que favorecen el endurecimiento y el endurecimiento secundario, algunos elementos aleantes producen otros efectos. Las mayores temperaturas de revenido, utilizados para los aceros aleados, probablemente permiten una mayor relajación de los esfuerzos residuales y mejoran las propiedades. Además, la templabilidad de los aceros aleados requiere el uso de un temple menos drástico, para que así, el agrietamiento por temple se minimice. Sin embargo, aceros con alta templabilidad, son más susceptibles a agrietarse durante el temple, si la velocidad de temple es muy severa. [22] 2.3.4 ASPECTOS MICROESTRUCTURALES EN RELACIÓN AL TEMPLE Y REVENIDO2.3.4.1. Propiedades de la martensita en el acero. La martensita en los aceros es muy dura y frágil. La estructura cristalina TCC, no tiene planos de desplazamientos compactos donde las dislocaciones se puedan mover con facilidad. La martensita está altamente sobresaturada de C, ya que el Fe contiene normalmente menos de 0.0218%C, a la temperatura ambiente; la martensita contiene la cantidad de C presente en el acero. Finalmente la martensita tiene un tamaño de grano fino y una subestructura entre los granos aún más fina.La estructura y las propiedades de las martensitas en el acero dependen del contenido de C en la aleación (ver figura 30). Cuando el contenido de C es bajo, la martensita crece en forma de listones, compuestos por paquetes de placas planas y angostas que crecen unas al lado de las otras (ver figura 31). [23] Esta martensita no es muy dura. Con mayor contenido de C se forma martensita de placa, en la cual crecen placas individuales, planas y angostas, en vez de crecer acicularmente. La dureza

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es alta en la estructura martensítica de placas con más contenido de C; esto se debe, parcialmente, a una mayor distorsión, es decir una relación c/a mayor que la estructura original.

Figura 30. Efecto del contenido de carbono en la dureza de la martensita de los aceros.

Figura 31. (a) Martensita en listones de aceros de bajo carbono (x80). (b) Martensita en placas en acero de alto carbono (x400).

2.3.4.2. Revenido de la martensita en los aceros. La martensita no es una estructura en equilibrio. Cuando la martensita en un acero se calienta por debajo de la temperatura eutectoide, se precipitan las fases alfa (α) y Fe3C estables. Este proceso se conoce como revenido. La descomposición de la martensita en los aceros causa que la resistencia mecánica y la dureza de esta disminuyan mientras que la ductilidad y las propiedades de impacto mejoran (ver figura 32).A bajas temperaturas de revenido, la martensita puede formar dos fases de transición, una martensita de bajo C y un carburo de ε, muy fino fuera de equilibrio, es decir Fe 2.4C, el acero sigue

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siendo resistente, frágil e incluso más duro que antes del revenido. A temperaturas más elevadas, se forma α y Fe3C estables y el acero se hace más suave y más dúctil. Si el acero es revenido justo por debajo de la temperatura eutectoide, el Fe3C se vuelve muy grueso, reduciendo de manera importante el efecto de endurecimiento por dispersión. Mediante la selección de una temperatura de revenido apropiada, se puede obtener una amplia gama de propiedades. El producto del proceso de revenido es un microconstituyente conocido como martensita revenida (ver figura 33).

Figura 32. Efecto de la temperatura de revenido sobre las propiedades de un acero eutectoide.

Figura. 33. Martensita revenida en acero (x500).

2.3.4.3. Austenita retenida. Cuando se forma martensita a partir de la austenita ocurre una gran expansión volumétrica. Durante el templado, conforme se van formando las placas de martensita, éstas rodean y aíslan pequeños depósitos de austenita, que se deforman para acomodar la martensita de menor densidad. Sin embargo, para que se formen los depósitos restantes de austenita, deberá deformarse la martensita circundante. Dado que la martensita es fuerte y se opone a la transformación, la martensita existe o se fractura o bien, la austenita se queda atrapada en la estructura como austenita retenida.

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La austenita retenida puede resultar un problema grave. La martensita se ablanda y se hace más dúctil con el revenido, después del cual, la austenita retenida se enfría por debajo de las temperaturas Ms y Mf transformándose en martensita, ya que la martensita revenida que la rodea sí puede deformarse. Pero ahora el acero contiene más martensita dura y frágil. Pudiera ser necesario un segundo paso de revenido para eliminar la martensita que se ha formado a partir de la austenita retenida. Este es un problema para los aceros de alto carbono. Las temperaturas de inicio y terminación de la martensita se reducen al aumentar el contenido de C (ver figura 34). Para producir una estructura total de martensita, los aceros de alto carbono deben ser refrigerados. [24]

Figura 34. En aceros de bajo carbono, al aumentar el contenido de carbono se reducen las temperaturas Ms y Mf.

2.4. ACEROS ESTRUCTURALES DE ALTA RESISTENCIA Y ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACION (HSLA)

Estos aceros se caracterizan por su mayor resistencia a la fluencia, que los de aceros al carbono estructurales. Existen cuatro categorías. A) aceros con estructuras perlíticas con resistencia de fluencia mínimas entre 275 y 345 MPa, estos son conocidos comercialmente como aceros de alta resistencia o de alta resistencia baja aleación (HSLA). Éstas últimas aleaciones cumplen los requisitos de la Norma ASTM A 242 [25] o ASTM A568 [26]. B) Otra categoría son los aceros microaleados de alta-resistencia y baja aleación, con propiedades que resultan de la combinación de adición de aleantes y una laminación en caliente controlada. C) Estos son grados de aceros al carbono ya sea en estados de normalizado o de temple y revenido, poseen un mínimo de tensión de fluencia que oscila entre 290 y 690 MPa, y se especifica, un mínimo de tenacidad o de resistencia al impacto. D) Son aceros de baja aleación templados y revenidos que tienen un mínimo de resistencia a la fluencia de 552 a 758 MPa, que cumplen los requisitos de la norma ASTM A 514. [27]

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Los aceros de alta resistencia fueron desarrollados principalmente para obtener una mejora en las relaciones resistencia-peso, mediante un incremento nominal en sus esfuerzos, por lo que se permite que el modulo de sección disminuya. La demanda original de esta clase de acero apareció a partir de una necesidad para reducir el peso muerto en equipo de transporte, estas aplicaciones y usos utiliza un mayor tonelaje de aceros de alta resistencia y baja aleación. La necesidad de aceros estructurales sigue siendo una gran demanda, sobre todo cuando se trata de la relación resistencia-peso, pero sin que se sacrifique o reduzca significativamente la soldabilidad o procesamiento de los grados de acero tratados térmicamente. Además de los usos originales, todos estos aceros de alta resistencia son utilizados en una amplia rango de aplicaciones, incluyendo construcción de maquinaria, manejo de materiales, puentes y edificios.2.4.1. DISPONIBILIDAD Los grados de aceros de alta resistencia y HSLA están generalmente disponibles en todos los estándares de productos semiterminados o terminados por distintos procesos: lamina, flejes, chapas, perfiles estructurales, barras, barras de formas, tamaño y secciones especiales, estos aceros son también presentados como barras laminadas en frío o chapas en espesores de hasta 1.6 mm. Para un mayor control del espesor en láminas, mejor acabado, etc.Los grados de acero tratados térmicamente están disponibles en diversas formas: placas, barras, chapa, perfiles estructurales, etc. De este grado de aceros algunos son procesados en una condición sin tratamiento térmico, como en procesos de conformado en caliente. Después de procesos de formado o forjado, estos aceros deben ser tratados, para desarrollar una alta resistencia. Los aceros de alta resistencia son producidos con propiedades mecánicas especificadas, que pueden ser ligeramente diferentes para distintos rangos de espesores. Los límites de la composición química se publican generalmente para información, porque el contenido de C y elementos aleantes, varían según sea necesario para mantener las propiedades mecánicas en productos de distintos espesores. Las propiedades mecánicas de estos aceros alta resistencia y HSLA dependen de las condiciones de laminación en caliente. Estos aceros no son tratados térmicamente, excepto para cualquier recocido, normalizado o relevado de esfuerzos, realizados en relación con las operaciones de conformado en frío. Los grados de acero tratados térmicamente dependen del endurecimiento por precipitación, o a través de procesos de temple y revenido, para desarrollar las propiedades mecánicas específicas.2.4.2. COMPOSICIONES Y ESPECIFICACIONESLa composición química de los aceros de alta resistencia estructural y HSLA son muy variadas, un ejemplo de esto se muestran en el apéndice (ver tabla 2)(tabla 1). Las propiedades mecánicas de aceros laminados con estructuras perlíticas y los aceros microaleados HSLA por lo general se encuentran entre las de los aceros al carbono plano estructural y los de tratamiento térmico de alta intensidad de C, así como los aceros para construcción de baja aleación. Otros aceros de composiciones similares entre C, Mn, Cu, poseen propiedades mecánicas similares a los aceros HSLA (ver acero 1 y 2, tabla 2) (tabla 1). Estos aceros Cu-Mg, comercialmente son designados simplemente como aceros de alta resistencia, son por lo general utilizados de manera alternada con los aceros HSLA. Otras especificaciones dadas para estos aceros es a través de la ASTM y SAE (ver apéndice, tabla 3) (tabla 2). Una descripción resumida y las características de los aceros HSLA descritas por las especificaciones de la ASTM, así como sus propiedades mecánicas y límites composicionales han sido reportadas ampliamente en la literatura (ver apéndice, tablas 4, 5, 6) (tablas 6, 7, 8) [28] Los aceros HSLA por lo general no son considerados como aceros aleados, este es un hecho comercial de importancia metalúrgica, puesto que estos aceros no están sujetos a un

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análisis químico completo y a otras tolerancias que normalmente son impuestas en los aceros aleados. Estos aceros por lo general se comercializan de manera separada por comodidad, como si bien podrían ser considerados como aceros aleados por la presencia de elementos aleantes, esto desde el punto de vista metalúrgico. El separar estos aceros ha sido producto del resultado de la gran cantidad de aplicaciones que estos aceros tienen por razones de ahorro en peso y/o resistencia a la corrosión atmosférica. También, estos aceros por lo general se evalúan a partir del precio base de los aceros al carbono, y no a partir del precio base de los aceros aleados.Otro dato importante de estos aceros es que estos se venden en base a sus propiedades mecánicas mínimas, porque las composiciones químicas de estos aceros son consideradas propietarias, y el contenido de aleantes específico se deja a discreción del fabricante del acero. Un estándar ampliamente utilizado para los aceros de alta resistencia baja aleación (HSLA) es la práctica recomendada en la SAE J410c [29]. Este documento proporciona una serie de estándares mínimos para tensiones de fluencia en rangos de 275 a 550 MPa. Requisitos en composición química son mínimos; el rango de los límites de composición ha sido establecido sólo para el C, Mn, P, S y Si. Sólo el cliente, es el que precisa si quiere aceros semi-calmados o calmados para su entrega.Aceros estructurales perlíticos laminados. Este es un grupo específico de aceros en el que las mejoras de sus propiedades mecánicas (y en algunos casos la resistencia a la corrosión atmosférica) se obtienen mediante la adición de cantidades moderadas de uno o más elementos aleantes además del C. Algunos de estos aceros son aceros C-Mn y difieren de los aceros al carbono ordinario o típico, en que poseen mayor cantidad de Mn. Otros aceros estructurales perlíticos contienen pequeñas cantidades de los otros elementos de aleación, que se añaden para mejorar su soldabilidad, formabilidad, tenacidad y resistencia. Estos aceros se caracterizan por tener tensiones de fluencia después de su laminación en un rango de 290 a 345 MPa. Estos aceros, por lo general no deben ser templados o revenidos; para ciertas aplicaciones, deben ser recocidos, normalizados o a través de un tratamiento de relevado de esfuerzos, los cuales pueden alterar sus propiedades mecánicas.Cuando estos aceros se utilizan en estructuras soldadas, se debe tener cuidado en la selección del grado y la especificación, y de los detalles del proceso de soldadura. Ciertos grados deben ser soldados sin recalentamiento o poscalentamiento.Algunos ejemplos de estos aceros se mencionan a continuación. El ASTM A242 [25] es un acero que contiene un máximo de 0.20%C y 1.35%Mn, además de suficientes elementos de aleación para dar el límite de fluencia especificada para varios espesores. Además, este acero tiene una mejor resistencia a la corrosión atmosférica, cuando menos dos veces más que los aceros estructurales con Cu, lo que equivale a cuatro veces la resistencia de los aceros al carbono estructurales con un contenido de Cu inferior a 0.02%. Los aceros ASTM A606 [30] y ASTM 607 [31] son aceros específicos en placa o lámina específicos para resistir la corrosión atmosférica. [26] ASTM A568.Los aceros HSLA utilizan adiciones de elementos de aleación tales como Nb y el V para aumentar la resistencia de aceros laminados en caliente, sin aumentar los contenidos de C y / o Mn. Si se incrementa en estos aceros el nivel de C y/o Mn su efecto es dañino tanto para su soldabilidad y su tenacidad. Contenidos de C y Mn por arriba de 0.30% y el 1.6% respectivamente, puede producir grietas durante la soldadura y producir microestructuras características de baja tenacidad.Numerosos estudios durante la década de 1960 en relación a los efectos de Nb y V en las propiedades de los materiales grado estructural, dio como resultado el descubrimiento de que una muy poca cantidad de Nb y V endurecían aceros estándares de C-Mn, sin interferir con el

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subsiguiente procesamiento. El contenido de C puede ser reducido para mejorar tanto la soldabilidad y tenacidad, porque los efectos de endurecimiento de Nb y V compensan esa reducción en el contenido de C y por consiguiente su resistencia.A través de la introducción de laminación controlada [32] dio como resultado beneficios adicionales para la resistencia y la tenacidad de aceros que poseían rendimientos del orden de 345 a 5550 MPa. A través del desarrollo de los procesos de laminación controlada, esto ha producido un incremento constante en las tenciones de fluencia acompañadas por una gradual disminución en el contenido de C. La tensión de fluencia en aceros ferríticos-perlíticos no es afectada por el contenido de C, pero es controlado por el tamaño de grano ferrítico y el endurecimiento por precipitación que provoca las adiciones de Nb y V. El principal efecto del C es la disminución de perlita y, en consecuencia, los niveles de C se han reducido de manera constante para mantener tanto una buena tenacidad y como una buena soldabilidad en niveles altos de resistencia a la fluencia.Las adiciones de microaleantes no solo incluyen a Nb y V sino también al Ti, Zr y tierras raras, siendo estas concentraciones por lo general de 0.010 a 0.1%. Tratamientos térmicos posteriores no son necesarios porque las propiedades mecánicas resultantes a partir de la laminación controlada en caliente son las adecuadas.Aceros estructurales al carbono de alta resistencia son básicamente aceros que contienen C-Mn-Si, con algunas pequeñas cantidades que tienen adiciones de otros elementos de aleación. Dichos aceros ya sea normalizados, templados y revenidos producen tensiones de fluencia del orden de 290 a 690 MPa y, algunas ocasiones cuando se especifican valores de tenacidad e impacto mínimos. Algunos de estos grados de aceros en su condición de normalizado están establecidos por la norma ASTM A633 [33], y están disponibles con valores de tensión de fluencia mínimos de 415 MPa, con resistencias al impacto efectuadas con Charpy-V del orden de 27J, a temperaturas tan bajas como -68°C, dependiendo del grado de acero y fabricante. Este tipo de aceros se encuentran normalmente disponibles en placas, barras o formas estructurales en espesores hasta 152 mm.En la condición de temple y revenido (esto es calentando alrededor de 900°C, temple en agua, y revenido a temperaturas entre 480 y 600°C); se establecen microestructuras de tipo de martensita revenida o vainita, como resultado se obtienen los mejores resultados de resistencia y tenacidad. La norma ASTM A678 [34] representa a este tipo de aceros; estos aceros tienen tensiones de fluencia que oscilan entre 345 a 690 MPa y están disponibles en espesores de hasta 102 mm. Su resistencia al impacto mínima en Charpy-V puede ser tan alta como los 27 y 24J a temperaturas tan bajas como -68 ° C; para algunos aceros con 345 MPa de tensión de fluencia. Sin embargo, para aceros con esfuerzos de fluencia 690 MPa están por debajo de los 20J a los -60°C.Los aceros estructurales de baja aleación y tratados térmicamente, poseen mejor templabilidad que los aceros al carbono y, por lo tanto, proveen tanto una alta resistencia, como una buena tenacidad en secciones de mayor tamaño. Sin embargo, estos grados de acero son más difíciles de soldar, y generalmente son más costosos que los grados con C o HSLA. Aceros de baja aleación en la condición de temple y revenido, están representados por las normas ASTM A514 [27] y ASTM A517 [35]. Las propiedades requeridas para estos aceros son producidos calentándolos cuando menos a 900°C, con enfriamientos en agua o aceite, y revenidos a no menos de 600°C, para proporcionar una microestructura de martensita revenida o martensita revenida mas bainita, dependiendo del espesor de la sección. Placas con mayor sección, a veces son templadas y revenidas una segunda vez para mejorar su tenacidad.

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La condición de temple y revenido los aceros estructurales HSLA proporciona una tensión de fluencia mínima entre los 550 a 760 MPa y el mínimo de energía de impacto Charpy-V entre los 20 a 27 J a -45 ° C. Los productos laminados están disponibles en espesores de hasta 203 mm. 2.4.2.1. Elementos de aleación. En presencia de los elementos de aleación, el contenido de C máximo en la cual los aceros HSLA pueden utilizarse en la condición de laminación es de aproximadamente 0.20%. Mayores niveles de C tienden a formar martensita o bainita en la microestructura de los aceros laminados, aunque algunos de los aceros HSLA, tienen un contenido de C que se aproxima al 0.30%. Muchos de los aceros HSLA microaleados poseen contenidos de C tan bajos como 0.06 a 0.07%, y aún así son capaces de desarrollar esfuerzos de fluencia de 345 MPa, esto para producir a causa de la laminación controlada placas de HSLA. La resistencia requerida está desarrollada por la combinación de efectos como: a) un tamaño de grano fino desarrollado durante laminación controlada en caliente y (b) y el endurecimiento por precipitación debido a la presencia de V, Nb, Ti en su composición.Los elementos de aleación son seleccionados para influir en la transformación de austenita, para que entonces se produzca la transformación de perlita ocurra a bajas temperaturas durante un enfriamiento al aire. Esto produce una perlita fina, la cual es la principal fuente de endurecimiento. El endurecimiento de la matriz de ferrita es un complemento indispensable, pero a estos niveles de bajo contenido de C, elementos tales como Si, Cu, Ni y P son particularmente eficaces en la producción de perlita fina. Elementos aleantes formadores de carburos tales como Mn y Cr, que están presentes, tanto en la cementita como en ferrita, también endurecen la ferrita mediante un endurecimiento por solución sólida, en proporción a la cantidad disuelta en ferrita(ver apéndice, efecto de los elementos aleantes(texto)).

2.4.3. PROPIEDADES MECÁNICAS2.4.3.1. Propiedades de tensión. Todos los aceros de alta resistencia producidos con una resistencia específica mínima; siendo el nivel más común de 354 MPa para tensión de fluencia y 485 MPa de resistencia a la tensión para espesores de hasta de 13 mm.Puesto que estos aceros son usados principalmente en condición de laminado, la resistencia a la tensión y la fluencia está ligeramente por debajo en los espesores de sección, esto debido por las velocidades de enfriamiento más lentas. Tensiones de fluencia y resistencia mínimas se reducen hasta 35 MPa, cuando el acero está en la condición de normalizado o recocido. Las mismas reducciones se aplican cuando los materiales son enrollados.Estos aceros en la condición de laminado presentan una distribución de propiedades mecánicas bastante reproducibles en relación a sus condiciones de proceso termomecánico comparadas con las variables de los ensayos mecánicos. [36], [37] Los aceros tratados térmicamente, incluyen aceros con más de 0.75% de Cu, se obtienen resistencias de fluencia de 485 MPa a través de endurecimiento por precipitación al calentar el acero en un rango de 783°C después de laminarlos. Otros aceros son templados y revenidos para alcanzar resistencias del orden de 620 MPa o más. 2.4.3.2. Tenacidad. La tenacidad en aceros estructurales de alta resistencia, por lo general son superiores a los aceros estructurales al carbono, y esta tenacidad se evalúa típicamente mediante ensayos de impacto tipo Charpy. Las temperaturas de transición de los aceros de alta resistencia son

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menores comparadas a los aceros estructurales al carbono. En presencia de un concentrador de esfuerzos, la falla por fractura frágil es menos posible que suceda a temperaturas subnormales en aceros con menores temperaturas de transición. Las temperaturas de transición de los aceros de alta resistencia en los grados de laminado o normalizados, se controlan principalmente mediante su composición química y el tamaño de grano de la ferrita. La tenacidad en aceros endurecidos por precipitación y los templados y revenidos son función principalmente de su microestructura.Los efectos de la variación en las cantidades de los distintos elementos químicos que conforman la composición de aceros estructurales de alta resistencia, en las temperaturas de transición de ensayos tipo Charpy-V, en las condiciones de laminado o normalizado de estos aceros con una matriz perlítica, son aditivos.La microestructura gobierna la tenacidad del impacto de aceros que han sido templados y revenidos; en general a menor temperatura de transformación de la austenita para un cierto acero, menor es la temperatura de transición después de un tratamiento de revenido adecuado. La martensita revenida de bajo carbono y la bainita inferior, da como resultado valores óptimos, y los elementos aleantes se añaden para endurecer los aceros principalmente para controlar su templabilidad de las secciones que han sido tratadas. Los efectos de los elementos individuales en la tenacidad, son principalmente a través en sus efectos en la microestructura.2.4.3.3. Fractura frágil. La mayoría de los aceros presentan una transición en su comportamiento a la temperatura de dúctil a frágil, cuando la temperatura es disminuida hasta una cierta temperatura crítica, que es conocida como una temperatura de transición donde no hay ductilidad. Esta temperatura se define como la temperatura en la cual el acero pierde su habilidad para fluir plásticamente en la presencia de una discontinuidad (grieta, muesca, etc.). Por debajo de esta temperatura, se iniciará a partir de esta discontinuidad una fractura frágil con clivaje, y esto sucede cuando los esfuerzos se aproximan a su punto de fluencia y alcanzan el volumen del material rodeado de discontinuidades. Una vez iniciada, la fractura frágil se puede propagar fácilmente a través de regiones de la estructura que están sujetas solamente a bajos niveles de esfuerzos aplicados. En cierto tipo de aceros, la temperatura de transición dúctil-frágil, puede ocurrir a temperaturas ordinarias, si están presentes discontinuidades (mecánicas o metalúrgicas). Si no hay ningún tipo de discontinuidad, se requieren temperaturas tan bajas como -75°C para producir la fractura frágil. Algunas estructuras soldadas, se asume de que existen muescas muy agudas, y esto provoca una fractura frágil a temperaturas de operación normales, siendo esto algo muy importante. La mayoría de los componentes estructurales permanecen dentro de las cargas elásticas, excepto para las esquinas, los cambios de sección y otros puntos en donde puede haber una pequeña variación en la resistencia a la fluencia. Los efectos de esfuerzos residuales deben ser también considerados en soldaduras, comúnmente estas contienen esfuerzos residuales que a veces es tan cercano al 80% a la resistencia a la fluencia; en estos casos las tensiones aplicadas de solo el 20% de la tensión de fluencia, será suficiente para iniciar una fractura frágil. Resumiendo, deben de existir tres factores para que se inicie una fractura frágil, siendo estos: altos esfuerzos, baja temperatura y discontinuidades. Sin embargo, si el tamaño de la grieta aumenta por arriba de 25 mm, los esfuerzos requeridos para que inicie la grieta disminuyen. Con tamaños de grieta mayores, los niveles pueden estar muy por debajo de la tensión de fluencia.

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A temperaturas ligeramente arriba o debajo de la temperatura donde la ductilidad es nula, se requiere una deformación plástica localizada para que se inicie una fractura frágil, y aquí los esfuerzos residuales son menos dañinos. A temperaturas muy por debajo de la temperatura de transición dúctil-frágil, el diseño es crítico; los esfuerzos nominales (es la suma de los esfuerzos aplicados más la suma de los esfuerzos residuales) no deben exceder la tensión de fluencia en lugares donde hay grietas. En general entre más baja sea la temperatura de transición dúctil-frágil (temperatura donde la ductilidad es nula), menos severa deberá ser la discontinuidad, para que se inicie una fractura frágil. En secciones delgadas, los esfuerzos actúan en una manera tal que las consideraciones de la fractura frágil sean menos críticas. Cada tipo de acero HSLA poseen un rango de valores de temperaturas de transición, que dependen de su composición química, tamaño de grano y de otras variables; una temperatura de transición común es de 35°C. 2.4.3.4. Direccionalidad de las propiedades. En los aceros microaleados, los cambios en las propiedades mecánicas, son el resultado de usar Nb o V, en combinación con la laminación controlada, siendo las propiedades mecánicas modificadas: la resistencia a la fluencia, soldabilidad y tenacidad. El tamaño de grano de la ferrita se reduce mostrando un incremento en la tensión de fluencia. Debido a este incremento, cualquier reducción en tenacidad debida al endurecimiento por precipitación, puede ser fácilmente tolerada. Las propiedades remanentes, sin embargo, son típicas sólo para muestras ensayadas en la dirección de laminación. En la dirección transversal, la tenacidad se reduce considerablemente, y su formabilidad es inadecuada por las formas características de las inclusiones no metálicas, las cuales durante la laminación se elongan en la dirección de la laminación. El efecto de inclusiones elongadas en ensayos de impacto, son muy notorias, por ejemplo la energía de impacto puede llegar a ser mayor de 55J en dirección longitudinal y solamente de 20J en la dirección transversal. Para aceros calmados con Al, la energía de impacto en la sección transversal es baja, principalmente provocada por la elongación de las inclusiones de sulfuros. Aún reduciendo el contenido de S alrededor de 0.010% no es suficiente para eliminar la direccionalidad. Para prevenir que los sulfuros se elonguen excesivamente durante la laminación en caliente es necesario alterar su composición. Y esto se puede lograr añadiendo elementos tales como Zr, Ti, o tierras raras, las cuales forman sulfuros que tienen altos puntos de fusión. Los sulfuros con altos puntos de fusión son menos plásticos a las temperaturas de laminación en caliente y no pueden ser deformados fácilmente.

2.5. PRUEBAS Y ENSAYOS MECÁNICOSLas propiedades mecánicas son obtenidas mediante ensayos mecánicos. Estos son realizados para investigaciones de resultados, manteniendo la control de calidad, tomando parte en el desarrollo de programas de aleaciónes, y proporcionando datos en el análisis de fallas. Normalmente son destructivos y requieren de la preparación de probetas de ensayo obtenidas del material, son maquinadas o cortadas en una forma específica requerida para su estudio. Las fuerzas involucradas en los ensayos mecánicos son: dinámicas y estáticas; y son aplicadas una sola vez o en repetidas ocasiones. Los ensayos mecánicos son realizados a varias temperaturas y en ambientes corrosivos o no corrosivos. Los ensayos de dureza son una forma particular en que la fuerza aplicada es estática. Muchos tipos de ensayos han sido desarrollados y utilizados para comparar el desempeño de varios materiales.

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Una amplia gama de ensayos han sido desarrollados para medir la respuesta de los metales a las fuerzas mecánicas, con el fin de predecir su desempeño tanto como sea posible. La configuracion de esfuerzos en este campo es más compleja, que el modo simplificado en la cual están basados los ensayos mecánicos. Por ejemplo, un ensayo de tensión, involucra tirar una barra de prueba hasta que falla. Esta prueba simula la elongación de un componente, tal como una viga suspendida. En esta área, el patrón de estrés adicional (doblado, torsión, vibración, etc.) normalmente complica la configuración de esfuerzos en la viga. El razonamiento en ingeniería y la experiencia deben ser utilizados cuando los resultados en estas pruebas son usadas para el diseño mecánico.2.5.1. RAZONES PARA LOS ENSAYOS MECÁNICOSLos ensayos mecánicos son usados para el diseño y mantenimiento del control de calidad. Estos también son útiles para asistir el desarrollo de programas de aleaciones y proveer datos de análisis de fallas.Estos también ayudan a proveer datos para el diseño de componentes de ingeniería. Un factor de seguridad es impuesto por el diseñador en los resultados de las pruebas de acuerdo con los datos de esfuerzo admisible. Estos datos, representan el máximo esfuerzo que se puede admitir en un componente bajo condiciones específicas de operación. Estas pruebas también se utilizan para programas de control de calidad, revisando la calidad de los productos tales como: piezas de fundición, forjados y laminados. Los ensayos se realizan de acuerdo a una serie de normas que indican una serie de procedimientos estándar, y las dimensiones de las probetas que son obtenidas del producto estudiado. Los resultados indican si el producto se encuentra en las tolerancias de acuerdo a los requerimientos de las normas. Estos requerimientos a menudo son parte de un una orden de compra.Los ensayos mecánicos son usados para el análisis de fallas y para revisar la calidad del material. Las probetas de ensayo son obtenidas generalmente de regiones adyacentes y también lejanas del punto de falla, también son tomadas de estas regiones para ver si existe alguna diferencia entre la falla y el resto del material.2.5.2. APLICANDO FUERZAS MECÁNICAS. Las fuerzas mecánicas son aplicadas usando cinco métodos: tensión, compresión, corte, torsión, y flexión (ver figura 35).La tensión es una fuerza que ocurre cuando la carga es aplicada axialmente (paralela al eje) en la probeta de ensayo, en forma de estiramiento. La compresión es una fuerza que ocurre cuando la carga es aplicada axialmente en la probeta en forma compresiva. La fuerza cortante es el esfuerzo causado por dos fuerzas iguales y paralelas, actuando sobre un objeto en direcciones opuestas. El corte ocurre cuando una fuerza causa que el material sea separado a lo largo de un plano paralelo a la carga. Torsión, es un caso especial de corte, es una fuerza de resistencia interna en el cual el esfuerzo cortante ocurre por la torcedura de la probeta. La intensidad de las fuerzas de corte varía desde cero en el centro de la probeta, a un máximo en los bordes exteriores de la probeta.Flexión, es una fuerza que causa una curvatura en la probeta. Esta causa tensión en un área donde existe estiramiento y compresión.

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Figura 35. Una fuerza mecánica o carga pueden ser aplicadas usando cinco métodos diferentes.

El estrés es una resistencia interna de un material a una carga aplicada externamente. Cuando la carga es aplicada al material, los átomos son desplazados y ejercen una fuerza de resistencia que intenta regresarlos a su posición original. El estrés está acompañado de deformación.La deformación es el cambio de dimensiones cuando la carga induce estrés en el material. La deformación puede ser tanto elástica como plástica. La deformación elástica ocurre cuando el material es capaz de regresar a sus dimensiones originales después de que la carga es retirada. Por ejemplo, un resorte con una carga normal regresa a su longitud original cuando la carga es retirada. La deformación plástica ocurre cuando el material es permanentemente deformado por la aplicación de una carga. Por ejemplo, una sobrecarga en el resorte desarrollará una deformación permanente o incrementará su longitud. Cuando una fuerza externa en un componente se incrementa continuamente, se alcanza un punto donde la deformación cambia de elástica a plástica.

2.5.3. CONDICIONES DE LOS ENSAYOSEn los ensayos mecánicos se aplican una variedad de condiciones, estas condiciones incluyen ensayos a temperaturas altas o bajas, en entornos corrosivos o anticorrosivos. Las probetas de ensayo se deben escoger considerando la ubicación y la orientación dentro del componente.2.5.3.1. Temperatura de los ensayos. Los ensayos mecánico son realizados en tres escalas de temperatura básicas: baja temperatura, temperatura ambiente, y alta temperatura. Esta medición es un parámetro importante porque el comportamiento de un material puede alterarse significativamente por la temperatura a la que este se opere.2.5.3.2. Condiciones de ensayo. El desarrollo de materiales bajo cargas mecánicas se puede alterar significativamente al cambiar el entorno. Esto es particularmente importante con cargas de fatiga. Aunque la mayor parte del ensayo es realizado al aire (considerado no corrosivo), puede ser necesario un ambiente corrosivo como puede ser el agua de mar.

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2.5.3.3. Selección de la probeta de ensayo. La selección de la probeta es clave para determinar las propiedades porque a menudo el metal expone anisotropía (efectos direccionales). Esto significa que las propiedades mecánicas varían en diferentes direcciones (orientación). Por ejemplo, una probeta de acero laminado en frío longitudinalmente es más fuerte que una probeta laminada transversalmente (ver figura 36). [38]

Figura 36. Probetas laminadas en sentido longitudinal y transversal, presentan diferentes propiedades mecánicas.

2.5.4. PRUEBAS MECÁNICAS DINÁMICASEn este tipo de pruebas, el índice de aplicación de la carga o su repetida aplicación, se obtienen datos significativos sobre las propiedades del material. Estas pruebas incluyen la capacidad de amortiguación, ensayos de fatiga, tenacidad y fractografía.2.5.4.1. ENSAYO DE TENACIDADLa tenacidad es la habilidad que tiene un metal para absorber energía (altos índices de esfuerzo) y de deformarse plásticamente antes de fracturarse. Un metal tenaz es más dúctil y se deforma antes de fracturarse de una forma frágil, particularmente en la presencia de estrés, tales como rupturas y grietas. Uno de los más importantes requerimientos de los metales estructurales, es su habilidad para deformarse y dar una advertencia para impedir una falla, la tenacidad es una propiedad importante a medir.Las propiedades mecánicas son afectadas considerablemente por el grado de deformación. Un metal examinado a bajos índices de esfuerzo, puede fracturarse presentando una gran cantidad de deformación (elongación), pero un metal con alto índice de esfuerzo puede romperse con poca o ninguna elongación. Un metal es tenaz y dúctil cuando presenta un menor esfuerzo máximo y una mayor deformación y es frágil cuando presenta un alto índice de esfuerzo y poca elongación (ver figura 37).La tenacidad también es afectada por la temperatura y la presencia de esfuerzos en las probetas. La tenacidad de ciertos metales disminuye significativamente por debajo de una temperatura característica.

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El esfuerzo, un cambio de sección de la superficie o inclusiones internas pueden disminuir la tenacidad. El ensayo utilizado para medir la tenacidad incluye muescas maquinadas sobre una probeta de impacto, ensayos de ductilidad en la temperatura de transición dúctil-frágil, y tipología de la fractura.

Figura 37. Los metales ensayados en un índice bajo de deformación son dúctiles comparados con el mismo metal ensayado a un alto índice de deformación.

2.5.4.1.1. Ensayo de impacto. Este ensayo tiene la finalidad de medir la fuerza (producida por una carga dinámica) necesaria para romper una pequeña muesca maquinada en la probeta. Los dos ensayos principales de impacto son: Charpy e Izod, que son realizadas en una maquina de ensayo de péndulo universal. La energía requerida para romper la probeta es medida. La medición resultante es un indicativo de la tenacidad del material (ver figura 38).

Figura 38. Máquina de péndulo universal.Las probetas de ensayo son barras con base cuadrada conteniendo una muesca en V maquinada o una muesca con forma de ojo de llave. Un corte con una sierra para realizar la muesca nunca debe ser usado porque no puede producir la misma superficie (ver figura 39).

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Este tipo de muescas, son la característica de los ensayos Izod y Charpy [23]. La única diferencia es la ubicación de la muesca en la probeta. El propósito de la muesca es facilitar la fractura en una ubicación controlada.Durante el ensayo Charpy, la probeta es situada horizontalmente contra los dos apoyos al fondo del equipo; el péndulo es levantado a una altura estándar, dando una energía potencial de 240 ft/lb – 325J.

Figura 39. Muesca en V, comúnmente utilizada en ensayos de impacto Charpy e Izod.

El péndulo es soltado y puesto en circulación, la probeta es golpeada, el martillo gira al balancearse a través de su arco. La altura alcanzada por el péndulo después de golpeada la probeta indica la energía absorbida en el impacto y es medida en ft/lb o J. Cuando el péndulo golpea la probeta, los materiales dúctiles absorben una cantidad importante de energía y los materiales frágiles absorben relativamente poca energía. Los materiales dúctiles causan que el viaje del péndulo sea más corto al golpear la probeta. Con materiales frágiles, el péndulo viaja una mayor distancia después del impacto (ver figura 40).El ensayo de impacto Izod opera con un principio muy similar al Charpy. Las diferencias principales se encuentran en la posición de la muesca y el método de sujeción de la probeta (ver figura 41). Las muescas en las probetas se utilizan ampliamente debido a que el tamaño de la probeta es pequeña y la habilidad para relacionar el resultado de varias pruebas con la experiencia de servicio. El método más simple en la sujeción de las probetas es la principal ventaja de los ensayos Charpy sobre los ensayos Izod. Este método más simple de apoyo, permite que se realicen ensayos sobre varios rangos de temperaturas. Algunas probetas son calentada en un horno o enfriadas en un refrigerador o diferentes sustancias dependiendo de la temperatura deseada para realizar el ensayo y son ensayadas rápidamente con poco o ningún cambio de la temperatura. El comportamiento de los metales en estos ensayos, es extremadamente dependiente del índice de carga, temperatura de prueba, y el tipo de muesca. Estas variables hacen que sea difícil trasladar estos valores de energía a criterios de diseño. Sin embargo, a lo largo de la historia, los ensayos de impacto, particularmente el Charpy-V, permite límites de aceptación o rechazo para que este ensayo pueda ser utilizado en gran cantidad de materiales. Por ejemplo, ciertas especificaciones requieren una muesca en V mínima para productos de acero, y que presenten 15 ft/lb a la mínima temperatura de servicio establecida, pero esto no significa que una probeta que presente 60ft/lb sea cuatro veces

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más dura. El valor aceptable de estos ensayos es un criterio de aceptación del material cuando un comportamiento confiable de servicio ha sido establecido.

Figura 40. El balanceo del péndulo después de golpear la probeta, indica la energía absorbida en el impacto.

Figura 41. La principal diferencia entre los ensayos de impacto Charpy e Izod, es la posición de la muesca y el método de sujeción de la probeta.

2.5.4.1.2. Temperatura de transición dúctil-frágil. La temperatura de transición dúctil-frágil (temperatura donde la ductilidad es nula) es la temperatura en la cual el comportamiento al impacto de un metal cambia de dúctil a frágil o viceversa. Ciertos metales, principalmente aceros al carbono y de baja aleación, muestran una transición aguda en la ductilidad cuando su temperatura disminuye. Esto puede convertirse en un factor controlado para determinar su utilidad. Por ejemplo, un tanque de acero para almacenamiento, puede fallar catastróficamente con agua fría porque la temperatura de transición de ductilidad era más alta que la temperatura atmosférica en el momento de la falla. El ensayo Charpy-V es usado para determinar la temperatura de transición dúctil-frágil,

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y para determinar el conjunto de probetas sobre un rango de temperatura. El resultado es graficado como fuerza de impacto contra temperatura de prueba (ver figura 42).Existe una transición de una baja a alta fuerza de impacto. Dependiendo del tipo de acero, esta transición puede ser gradual o aguda. El punto de inflexión de la curvatura, es la estimación más cercana a la temperatura de transición de ductilidad. [23]

Figura 42. El punto de inflexión de la curva, es la estimación más útil para determinar la temperatura de transición dúctil-frágil en un material.

2.5.5. PRUEBAS MECÁNICAS ESTÁTICAS.Las pruebas mecánicas estáticas incluyen ensayos de tensión, ensayos especiales para la medición de la ductilidad, ensayos de compresión, torsión, etc. De estas, los ensayos de tensión son los más utilizados. 2.5.5.1. Ensayo de tensión: Uso del diagrama esfuerzo-deformación.El ensayo de tensión mide la resistencia de un material de una fuerza estática o gradualmente aplicada. Una probeta típica de tensión, tiene un diámetro de 0.505 in, y una longitud calibrada de 2 in. La probeta se coloca en una máquina de ensayo universal y se le aplica una fuerza F, que se conoce como carga. Para medir deformación del material causado por la aplicación de la fuerza sobre una longitud calibrada se utiliza un extensómetro (ver figura 43).

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Figura 43. Mediante un cabezal móvil, en el ensayo de tensión se aplica una fuerza unidireccional a la probeta.

2.5.5.1.1. Esfuerzo y deformación ingenieriles. Para un material dado, los resultados de un solo ensayo son aplicables a todo tamaño y forma de las muestras, se convierte la fuerza en esfuerzo y la distancia de las marcas calibradas en deformación. El esfuerzo y la deformación se definen mediante las siguientes ecuaciones:

Donde A0 es el área original de la sección transversal de la probeta antes de iniciarse el ensayo, l 0 es la distancia original entre las marcas calibradas y l es la distancia entre las mismas, después de haberse aplicado la fuerza F. La curva esfuerzo-deformación se utiliza para registrar los resultados del ensayo de tensión (ver figura 44).

Figura 44. Curva esfuerzo-deformación correspondiente a una aleación de Al.

2.5.5.1.2. Propiedades obtenidas del ensayo de tensión. A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material.

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2.5.5.1.3. Esfuerzo de cedencia. El esfuerzo de cedencia es el esfuerzo al cual la deformación plástica se hace importante. En los metales, es por lo general, el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen. El esfuerzo de cedencia es, por tanto, el esfuerzo que divide los comportamientos elástico y plástico del material. Si se desea diseñar un componente que no se deforme plásticamente, se debe seleccionar un material con un límite elástico elevado, o fabricar el componente el tamaño suficiente para que la fuerza aplicada produzca un esfuerzo que quede por debajo del esfuerzo de cedencia. En algunos materiales el esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico no se detecta fácilmente. En este caso, se determina un esfuerzo de cedencia convencional (ver figura 45). Se traza una línea paralela a la porción inicial de la curva esfuerzo-deformación pero desplazada a 0.2%. El esfuerzo de cedencia convencional de 0.2% es el esfuerzo a la cual dicha línea interseca la curva esfuerzo-deformación. La curva esfuerzo-deformación para ciertos aceros de bajo carbono presentan un esfuerzo de cedencia o límite elástico doble. Se espera que el material se deforme plásticamente al esfuerzo σ 1. Sin embargo, los pequeños átomos intersticiales de C agrupados alrededor de las dislocaciones interfieren con el deslizamiento, elevando el punto de fluencia o límite de elasticidad hasta σ 2. Sólo después de haber aplicado un esfuerzo mayor a σ 2, empiezan a deslizarse las dislocaciones. Después de que se inicia el deslizamiento en σ 2, las dislocaciones se alejan de los agrupamientos de átomos de C y continúan moviéndose muy aprisa bajo el esfuerzo σ 1 menor.

Figura 45. (a) Determinación del límite elástico convencional al 0.2% de deformación en el hierro fundido gris y (b) esfuerzo de cedencia superior e inferior que describen el comportamiento

mecánico de un acero de bajo carbono.

2.5.5.1.4. Resistencia a la tensión. El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que representa el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación ingenieril. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. En cierto momento, una región se deforma más que otras y ocurre una reducción local de importancia en la sección recta. Esta región deformada localmente se conoce como zona de estricción (encuellamiento) (ver figura 46). Dado que el área de la sección transversal en este punto se hace

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más pequeña, se requiere una fuerza menor para continuar su deformación, y se reduce el esfuerzo ingenieril, calculado a partir del área original A0. La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia ese encuellamiento o estricción en materiales dúctiles.

Figura 46. Deformación localizada durante el ensayo de tensión de un material dúctil produciendo una región de encuellamiento.

2.5.5.1.5. Propiedades elásticas. El módulo de elasticidad o módulo de Young, E, es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke:

E=σε

Este módulo está íntimamente relacionado con la energía de enlace de los átomos. Una pendiente muy acentuada o abrupta en la gráfica fuerza-distancia en la zona de equilibrio indica que se requieren grandes fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente. Por lo tanto, el material tiene un módulo de elasticidad alto. Las fuerzas de enlace y el módulo de elasticidad, por lo general son mayores en materiales de punto de fusión alto. El módulo de Young es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica (ver figura 47).El módulo de resistencia (Er), es el área que aparece bajo la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación, es la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectivamente. En el caso de un comportamiento elástico lineal:

Er=(12 )( esfuerzode cedencia )(deformacióna la cedencia)

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La relación de Poisson (µ), relaciona la deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo simple de tensión o compresión, con la deformación lateral que ocurre simultáneamente; por lo general la relación de Poisson es de aproximadamente 0.3:

µ= −ε lateralε longitudinal

Figura. 47. Comparación del comportamiento elástico del acero y aluminio.

2.5.5.1.6. Ductilidad. La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El porcentaje de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura:

%Elongación=l f−l 0lo

x100

Donde lf es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del material.Un segundo método para medir la ductilidad es calcular el cambio porcentual en el área de la sección transversal en el punto de fractura, antes y después del ensayo. El porcentaje de reducción en área expresa $el adelgazamiento sufrido por el material durante la prueba:

% dereducciónde área= Ao−AfAo

x100

Donde Af es el área de la sección transversal de la superficie de la fractura.La ductilidad es importante tanto para los diseñadores como para los fabricantes. El diseñador de un componente preferirá un material que tenga por lo menos cierta ductilidad, de manera que si el esfuerzo aplicado resulta demasiado alto, el componente se deforme antes de romperse. Los

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fabricantes también prefieren un material dúctil, a fin de manufacturar formas complicadas sin que se rompa durante el proceso. [39] 2.5.6. ENSAYO DE DUREZA.La dureza de un material es la resistencia a la deformación (particularmente deformación permanente), identación o rayadura. Estos ensayos tienen una aplicación poco práctica. Por ejemplo, pueden ser usadas para predecir la resistencia a ser rayados o penetrados, pero no se usan para este propósito, en la actualidad son las pruebas más usadas porque es una técnica de comprobación sensitiva en el control de calidad. Los ensayos de dureza, son rápidos y no son destructivos. Los tres tipos principales de ensayos de dureza son: rayadura, rebote y ensayos de penetración.2.5.6.1. Ensayo de dureza con identador. En prueba se realiza impresión superficial, producida por un identador de forma y carga estandarizada para determinar la dureza. La profundidad y el tamaño de la impresión son medidas para obtener el valor de dureza de la probeta del material estudiado. Esta prueba de dureza es la más usada. Es aplicada en superficies blandas y duras, en componentes grandes o en microconstituyentes de los metales.Los tipos de maquinas para ensayos de dureza incluyen: Brinell, Rockwell, Vickers, durómetros de microdureza y durómetros portátiles. Todos tienen métodos similares para medir la dureza, aunque cada ensayo tiene una escala particular que es posible relacionar con otras escalas.2.5.6.2. Ensayo de dureza Brinell. Utiliza una máquina de presión sobre la superficie de la probeta, con una bola de acero endurecida de 10 mm diámetro. La máquina aplica una carga por un período de tiempo específico y causa una identación, que es usada para calcular la dureza.La dureza es calculada dividiendo la carga sobre el área de la superficie de identación. El número de dureza Brinell es obtenido mediante la medición del diámetro de identación y posteriormente es relacionando con tablas calibradas.La carga es aplicada a una bola de acero, y esta depende del tipo de material bajo ensayo. Se utilizan 500 Kg para metales blandos y delgados; 1500 Kg para Al, y 3000 Kg para los metales ferrosos. La carga usualmente es aplicada durante 10 a 15 segundos. El diámetro de identación es medida a +-0.5 mm usando un microscopio portátil de bajo aumento. Tanto con metales blandos y duros, se debe tener cuidado de tomar la medida exacta del diámetro exacto de la identación, y no del diámetro aparente causado por los efectos de borde, que resultan en una depresión o un levantamiento en el límite de la verdadera identación (ver figura 48). [40]

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Figura 48. Los metales duros y blandos requieren una medición cuidadosa en las identaciones de los ensayos de dureza Brinell.

El número de dureza Brinell es seguido por el símbolo HB, indicando que el valor de la dureza fue realizada bajo condiciones estándar, usando un identador de bola de acero de 10 mm diámetro; 3000 Kg de carga (para metales ferrosos), y un tiempo de identación de 10 a 15 segundos. Se utiliza un código para estas condiciones. Por ejemplo, 75 HB 10/500/30, indica el número de dureza Brinell de 75 unidades, obtenido a partir de un ensayo utilizando un identador de bola de acero de 10 mm diámetro, una carga de 500 Kg durante 30 segundos. Para metales extremadamente duros, se utiliza una bola de acero con carburo tungsteno, permitiendo lecturas altas de hasta 650 HB.El identador Brinell hace que la huella sea más profunda y ancha en cada prueba, de modo que indica los valores de dureza promedio sobre muchos granos del metal. Consecuentemente, el ensayo de dureza Brinell es la menos afectada por irregularidades o inhomogeneidad en la superficie del metal. Es utilizado en superficies burdas, como la del acero, aluminio, forjadura, láminas pesadas, y billets tratados térmicamente. En ocasiones es necesario pulir un poco la superficie para mejorar la medición del diámetro de la identación. La prueba Brinell no es adecuada para espesores muy delgados o con componentes endurecidos.2.5.6.3. Ensayo de dureza de Rockwell. Este ensayo es el más utilizado y es una prueba de dureza muy versátil. La máquina de ensayo, tiene una variedad de aditamentos que es capaz de medir la dureza de una amplia gama de materiales, de diferentes tamaños y diversas formas. Una bola de acero de 1/16” de diámetro y un identador cónico de diamante de 120°, son los dos tipos de identadores utilizados. Para el ensayo Rockwell se utilizan dos tipos de cargas aplicadas secuencialmente, una carga menor y una carga mayor (ver figura 49).

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Figura 49. El ensayo de dureza Rockwell utiliza dos cargas, una mayor y otra menor que son aplicadas secuencialmente para determinar la dureza.

La carga menor es de 10 Kg, y es aplicada para ayudar a asentar el identador y minimizar el efecto de irregularidades superficiales. La carga principal, varía de 60 Kg a 150 Kg. Esta cantidad de carga principal determina el tipo de identador a utilizar. Por ejemplo, una identador de bola de acero, se utiliza con una carga de 60 Kg, y un identador cónico de diamante con una carga de 150 Kg. La diferencia en la profundidad de identación entre la carga menor y la carga mayor, proporciona el número de dureza Rockwell. Este número es tomado directamente del dial de la máquina. El ensayo de dureza Rockwell es descrita en la norma ASTM 18. [41] Varias escalas de dureza son utilizadas para medir una gran cantidad de materiales (ver tabla 7).El sistema de designación tiene un número de dureza seguido por las letras HR, las cuales son seguidas por otra letra indicando la escala Rockwell. Por ejemplo, una probeta de ensayo tiene una lectura de dureza de 40 HRA, eso significa que tiene una dureza de 40 unidades en la escala A, y el identador utilizado es de diamante cónico.Las escalas más comunes son: Rockwell B (HRB) y Rockwell C (HRC). La escala Rockwell B utiliza una bola de acero de 1/16” de diámetro y una carga de 100 Kg para materiales relativamente blandos. Por ejemplo, puede utilizarse en un acero recocido de bajo carbono, que presenta una dureza de aproximadamente 85 HRB. La escala Rockwell C utiliza un identador de diamante cónico y una carga de 150 kg para materiales relativamente duros. Por ejemplo, un acero de baja aleación usualmente presenta una dureza entre 30 HRC y 45 HRC dependiendo de la temperatura de revenido. La huella de identación Rockwell es mucho menor que la Brinell, la preparación de las probetas es más cuidadosa e importante. Ambos lados de la probeta deben estar limpios, libres de óxido, secos, y con caras paralelas. La máquina de ensayo, posee unas guías mecánicas que ayudan a sujetar la probeta en los lados que la inmovilizan durante la prueba. [42] Los identadores de diamante no están calibrados en valores por debajo de 20, no deben ser utilizados cuando las lecturas caigan por debajo de este nivel. Si son utilizados en materiales blandos, los resultados no pueden ser confiables, los identadores deben ser reemplazados y utilizar otra escala, por ejemplo la escala Rockwell B puede ser usada. No hay un límite superior de dureza a la que un material pueda ser examinado con un identador de diamante. Sin embargo, la escala Rockwell C no debe ser usada en carburos de Tungsteno, porque el material reducirá la vida del diamante considerablemente.Aunque las escalas que usan un identador de bola (por ejemplo la escala Rockwell B) pueden llegar a un rango de 130, las lecturas por encima de 100 no deben ser aceptadas, excepto bajo condiciones especiales. Aproximadamente entre 100 y 130, el identador de bola es utilizado. [43]

Símbolo de la escala

Penetrador Carga mayor (kg)

Aplicaciones

A Diamante 60 Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

60

B Bola de 1/16 pulgada

100 Aceros recocidos y normalizados.

C Diamante 150 Aceros tratados térmicamente.D Diamante 100 Aceros cementados.E Bola de 1/8

pulgada100 Metales blandos y antifricción.

F Bola de 1/16 pulgada

60 Bronce recocido.

G Bola de 1/16 pulgada

150 Bronce fosforoso y otros materiales.

Tabla 7. Diferentes escalas de los ensayos de dureza Rockwell.

2.5.6.4. Ensayo de dureza superficial Rockwell. Este ensayo opera con el mismo principio de una máquina regular de dureza Rockwell. Utiliza una carga menor o precarga reducida de 3 Kg y la carga principal es de 15 Kg a 45 Kg.Se utilizan dos tipos de identadores, una bola de acero de 1/16” de diámetro y un diamante cónico de 120°. La bola de acero de 1/16” de diámetro es designado con la letra T (para metales delgados). El diamante cónico de 120° tiene una designación N (para aceros nitrurados). Por ejemplo, una lectura superficial Rockwell de 30N-42, indica que el valor de dureza es de 42 unidades, con una carga de 30 Kg y un identador de diamante cónico de 120°. [42] 2.5.6.5. Ensayo de dureza de Vickers. El ensayo de dureza Vickers, tiene un principio similar al ensayo de dureza Brinell. En este ensayo, la dureza es determinada por la carga, dividida entre el área de la superficie de identación. La diferencia principal, es que el identador es un cono de diamante de base cuadrada de 136°. La carga varía de 1 Kg a 120 Kg.Durante este ensayo, la probeta es situada en una base y es levantada por un tornillo hasta que se encuentra cerca de la punta del identador. Después, el dispositivo permite que la carga sea aplicada lentamente a través del identador. La carga es liberada, la base es bajada, y por medio de un microscopio se pueden medir las diagonales del rectángulo de identación a ± 0.001 mm. Las mediciones de las diagonales son promediadas y la dureza Vickers es seguida por las letras HV.Una de las ventajas de este ensayo, es que las lecturas son extremadamente exactas, se pueden tomar con un solo identador para varios tipos de metales y superficies. La preparación de las probetas es muy importante debido a que una superficie rugosa ocasiona que la lectura de las diagonales sea extremadamente difícil. Los ensayos de dureza Vickers son descritos en la norma ASTM E 92. [44] 2.5.6.6. Ensayos de microdureza. Los ensayos de microdureza tienen un fin opuesto al ensayo Brinell. Una superficie pulida, acoplada, con cargas ligeras de menos de 200gr, permite que la dureza de los granos individuales del metal u otros microconstituyentes sean medidos. Los tipos de microdurómetro se basan en identadores piramidales de base de cuadrada de 136°; y de diamante piramidal con un radio diagonal de 7:1.Durante el ensayo de microdureza, las probetas se sitúan por debajo el microscopio. El área del interés se enfoca con la intersección de líneas. El identador puede oscilar dentro del área y la carga es aplicada por un período de tiempo preestablecido. La carga es removida y se utiliza el microscopio para medir las longitudes de las diagonales. Con esta medición, la lectura de la microdureza puede expresarse en dureza Vickers o dureza Knoop, obtenida mediante tablas.

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El ensayo de microdureza es una herramienta útil para medir la dureza de láminas, revestimientos, hojalatería, gradientes en las composiciones de los metales, acoplamientos bimetálicos, partes muy pequeñas, materiales quebradizos, alambre de poco diámetro, metales pulverizados, y muchos otros materiales. La microdureza en las probetas siempre es más alta que la dureza superficial obtenida por cualquiera de las otras técnicas de identación. El efecto de endurecimiento en la superficie por el pulido de la probeta y la carga es muy ligero, resultan en una impresión poco profunda y causa una dureza aparente más alta. Las pruebas de microdureza son descritas en la norma ASTM E384. [45] 2.5.6.7. Precauciones generales. Se deben tener ciertas precauciones con las máquinas de ensayo y en especial con los identadores; las condiciones en la superficie de la probeta, superficie plana y paralela en relación a la base del durómetro, espacio entre el número de identaciones, relación de las escalas y aplicaciones de la carga. Los identadores de bola de acero pueden llegar a desgastarse y hacerse planos con materiales muy duros, el abuso mecánico puede astillar los identadores de diamante. La calidad del identador debe ser mantenido, para reproducir lecturas verdaderas. El identador debe ser revisado regularmente y reemplazado si es necesario. Es necesario remover el óxido o capas de óxido de la superficie.El identador debe estar perpendicular a la probeta cuando realice la huella de impresión. Con una probeta redondeada, tal como una barra, usualmente es necesario pulir una pequeña área para realizar la prueba. Las probetas deben ser lo suficientemente gruesas para qué el efecto "yunque" no aparezca en el lado opuesto cuando la identación se lleve a cabo. Para los ensayos Rockwell y Brinell, las probetas deben ser al menos 10 veces más gruesa qué la profundidad de la impresión. Para el ensayo Vickers, la probeta deben ser al menos una y media veces más gruesa. El espacio mínimo entre cada identación depende del tipo de prueba. Sí la identación es muy cercana, creará una interacción entre zonas deformadas. La identación debe estar al menos tres diámetros de la orilla de la probeta Brinell y Rockwell; y dos y media diagonales en la probeta Vickers. La separación mínima entre identaciones debe ser de 4 diámetros (centro a centro) de la Brinell y Rockwell; y dos y medias diagonales (centro a centro) de la Vickers. [42]

2.6. FRACTOGRAFÍA Y ANÁLISIS DE FALLASLa fractografía es un estudio descriptivo de las superficies fracturadas usando fotografías, bosquejos y textos. En la fractografía, las superficies fracturadas de un componente de falla, es examinado por las características que presenta, la cual revela la carga mecánica y las condiciones ambientales que actúan en el metal. La fractografía es desarrollada a niveles macroscópicos y niveles microscópicos de magnificación. Los exámenes macroscópicos son desarrollados a ojo desnudo, con un lente de aumento o un microscopio de luz. El examen macroscópico revela la orientación de fractura en la superficie. El examen microscópico es desarrollado con un microscopio electrónico de barrido y revela la morfología de la fractura (ver tabla 8).

NIVEL DE AUMENTO MÉTODO DE RANGO DE AUMENTO

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EXAMINACIÓNMacroscópico Simple vista 1XMacroscópico Lupas 10X a 20XMacroscópico Microscopio de luz 3X a 50X

Tabla 8. La fractografía es realizada a niveles de aumentos microscópicos y macroscópicos.

2.6.1. ORIENTACIÓN DE LA SUPERFICIE DE FRACTURA.La orientación de la superficie de fractura es una relación angular entre la fractura y la dirección del estrés aplicado. La orientación de la superficie de fractura depende del tipo de estrés y de la ductilidad del metal. La orientación de la superficie de fractura es revelada por un examen macroscópico. Los diferentes tipos de estrés producen características en la orientación de la fractura en un material dúctil o frágil. Un metal sujeto a una fuerza mecánica externa desarrolla un estrés, el cual es una resistencia interna o una fuerza mecánica externa. Un metal se fractura cuando el estrés de ruptura es excedido. La tensión, compresión y la torsión son los tres tipos de fuerzas más comunes. Estas fuerzas producen orientaciones de fracturas características en metales dúctiles o frágiles.2.6.1.1. Tensión. Los metales dúctiles sometidos a tensión tienden a ser estrechados en la dirección en que se aplica la fuerza. Cuando una fuerza mayor es aplicada, un metal dúctil se deforma plásticamente por un cambio permanente en su forma (ver figura 50).Una deformación plástica ocurre principalmente por esfuerzo de corte. El esfuerzo de corte es el movimiento de millones de planos dentro del metal en relación a cada uno. El movimiento de estos planos deslizados ocurre en un ángulo de 45° a la fuerza de tensión.

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Figura 50. Los metales dúctiles sometidos bajo cargas de tensión se fracturan en un ángulo a 45° respecto a la dirección de la fuerza de tensión. Los metales frágiles sometidos bajo cargas de

tensión presentan una fractura perpendicular a la fuerza de tensión.

Cuando el esfuerzo cortante excede la resistencia de corte de un metal, ocurre una fractura a lo largo de los planos por deslizamiento. Por ejemplo, un eje dúctil de acero de bajo carbono sometido a tensión, se deformará plásticamente a lo largo de los planos deslizados. En un punto durante este proceso, la resistencia al corte del metal comienza a ser excedido en pequeñas regiones localizadas. Esta deformación ocurre fácilmente hacia el centro de la probeta. Pequeñas fisuras se forman a lo largo de los planos desplazados y crean pequeñas grietas en el metal. Las grietas se enlazan para crear un corte irregular que se despliega hacia la circunferencia de la probeta en una dirección perpendicular a la fuerza de tensión. Cuando tal crecimiento, sea más cercano a la circunferencia, la sección transversal del metal permanece sin afectarse pero llega a ser incapaz de soportar la carga. La fractura final ocurre rápidamente en un ángulo de 45° a la fuerza de tensión. Los macrodeslizamientos generan una fractura final de 45°. Un borde deslizado comúnmente es observado en fallas de metales dúctiles en las regiones de la separación final.Los metales frágiles sometidos bajo tensión no pueden deformarse plásticamente por deslizamiento (como los metales dúctiles), y ellos experimentan poca o ninguna deformación plástica después de la fractura. Cuando un esfuerzo de tensión excede la fuerza (fuerza de cohesión) que mantiene los átomos unidos, es producida una fractura. Por ejemplo, un eje frágil de hierro gris bajo una carga de tensión será fracturado perpendicularmente a la fuerza de tensión sin presentar grietas o desplazamientos en los planos. En el punto donde la fractura ocurre en un metal dúctil, el inicio de la formación de las grietas coincide con la estricción. La estricción es la reducción del área en la sección transversal de la probeta. Como la elongación de la probeta conduce hacia la falla, la estricción llega a ser más pronunciada. Las grietas y la estricción dan una advertencia de falla en un metal dúctil sometido a tensión. Un metal frágil da poca o ninguna advertencia de falla. La estricción y el desplazamiento de los planos no se presentan en un metal frágil.2.6.1.2. Compresión. Los metales dúctiles cargados bajo compresión llegan a ser más cortos y más anchos como cortes que ocurre a lo largo de sus planos de corte en un ángulo de 45° en la dirección de la tensión de tracción. Por ejemplo, los bloques dúctiles de cobre cargados bajo compresión serán abultados pero usualmente no se fracturan. Los metales trabajados mecánicamente son formados usando fuerzas de compresión porque los metales pueden ser sujetos a deformaciones plásticas mucho más grandes, que bajo fuerzas de tensión. Los metales frágiles cargados bajo compresión presentan un estrés de tensión en una dirección perpendicular a la fuerza de compresión (ver figura 51). Por ejemplo, un bloque de hierro gris frágil, que es cargado bajo compresión y que tiene un estrés de tensión excediendo la fuerza de

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cohesión del metal, será fracturado a lo largo de los planos perpendiculares a la fuerza de tensión (paralela a la fuerza de compresión). Este método explica como los materiales frágiles como las rocas son trituradas.

Figura 51. Los metales dúctiles sometidos a compresión presentan un abultamiento pero usualmente no se fracturan. Los metales frágiles sometidos bajo compresión presentan una fractura a lo largo de

los planos paralelos a la fuerza de compresión, pero no se abultan.

2.6.1.3. Torsión. Los metales dúctiles cargados bajo torsión, presentan un esfuerzo de corte paralelo a la dirección de la fuerza de torsión. Estos deslizamientos ocurren a lo largo de los planos deslizados y ocurre una deformación plástica por torsión. Cuando el esfuerzo de corte excede la resistencia al corte, el metal se fractura en una dirección paralela al estrés de torsión. Por ejemplo, una flecha dúctil hecha de acero de bajo carbono que es cargada bajo torsión será fracturada perpendicularmente al eje de la flecha. Los metales frágiles cargados bajo torsión presentan un esfuerzo de tensión en un ángulo de 45° con respecto al eje de la fuerza de torsión (ver figura 52). Hay poca o ninguna deformación por torsión antes de la fractura. Cuando la tensión de tracción excede la fuerza de cohesión del metal, la fractura ocurrirá en un espiral a un ángulo de 45° al eje del metal. Por ejemplo, una flecha frágil de hierro gris cargada bajo tensión presenta una fractura en espiral en un ángulo de 45°. Un punzón presenta la misma fractura si es torcido cuidadosamente.

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Figura 52. Los metales dúctiles sometidos bajo torsión presentan una fractura perpendicular al eje del metal (paralela a la fuerza de torsión). Los metales frágiles sometidos bajo torsión son

fracturados en espiral en un ángulo de 45° con respecto al eje del metal (paralela a la fuerza de tensión).

2.6.2. MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE DE FRACTURALa morfología de la superficie de fractura, es la textura (topografía) de la superficie de una fractura. La fractura es distinta dependiendo de la superficie, la cual es fácilmente revelada por una inspección macroscópica, la morfología usualmente requiere una inspección microscópica. El microscopio electrónico de barrido es usado comúnmente para interpretación de la morfología en la superficie de fractura. Los tres tipos de fractura más comunes son: dúctil, frágil y de fatiga; presentan diferencias distintivas en su morfología. Suelen presentar cordilleras u otras marcas en su morfología, pueden ser usadas para localizar el origen de la fractura. La rugosidad de la morfología indica la velocidad relativa de la fractura. Si la morfología es más áspera, más grande será la velocidad de la fractura. Una fractura completa en la superficie puede presentar diferentes orientaciones y morfologías debido a que la fuerza conducida para la propagación (crecimiento de la fractura) puede cambiar como el progreso de la fractura. Usualmente hay tres distintas regiones en una superficie completamente fracturada. Las tres regiones son: zona de iniciación, zona de propagación y la zona de la fractura final.

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Los daños hechos a la superficie de fractura oscurecen la morfología y dificulta la interpretación de la fractura. Los daños pueden ocurrir durante el curso de la falla y/o durante la investigación en el análisis de falla. 2.6.2.1. Fractura dúctil. Comienza a una escala microscópica con pequeñas imperfecciones (inclusiones) en un metal, las cuales producen áreas débiles que son propensas al corte. Las microgrietas son pequeños huecos (cavidades) que forman una separación del metal en áreas débiles propensas al corte. La sección transversal de metal que no es afectada y que se encuentra inmediatamente adyacente a las microgrietas, es reducida y sometida a altos esfuerzos de corte, el cual incrementa la susceptibilidad a que estas regiones se fracturen. En estas regiones fracturadas, las microgrietas se combinan (se juntan). Las microgrietas combinadas es el mecanismo de la fractura dúctil que permite una fractura en zigzag a través de la superficie del metal. Las microgrietas combinadas son caracterizadas por pequeñas grietas en cada parte de una superficie fracturada. Las cavidades son una masa de pequeñas grietas que constituyen la morfología de una superficie de fractura dúctil (ver figura 53).

Figura 53. Cavidades dúctiles causadas por la coalescencia de microgrietas, son características de las fracturas dúctiles.

2.6.2.2. Fractura frágil. Ocurren cuando un esfuerzo cortante es el resultando de la fuerza aplicada a un metal que excede la fuerza de cohesión de sus átomos. Las hendiduras transgranulares y una separación intergranular son dos distintas morfologías de una fractura frágil que los metales presentan. Las hendiduras transgranulares presentan una fractura que se propaga dentro de los granos a lo largo de planos cristalográficos específicos. Estos planos cristalográficos son planos a lo largo del cual los átomos del metal son alineados para crear una estructura cristalina. La separación intergranular es una morfología en la cual se presenta una fractura que se propaga a lo largo de los límites de grano de un metal. Los límites de grano son formados por un crecimiento en los cristales dentro del metal durante la solidificación o son modificados por un tratamiento térmico y procesos mecánicos (ver figura 54). La morfología de las fracturas frágiles es dependiente tanto en planos cristalográficos específicos o los límites de grano débiles. Las fracturas frágiles (fracturas catastróficas) usualmente se propagan rápidamente con pocas advertencias. Este tipo de fracturas son esperadas en metales con baja ductilidad o baja dureza pero no son esperadas en un metal dúctil. Las fracturas frágiles son susceptibles normalmente en metales

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dúctiles que pueden resultar de un número de casos tales como tratamientos térmicos inapropiados, exposición a un ambiente químicos, u operaciones bajo una temperatura específica.

Figura 54. Las fracturas frágiles ocurren por separación transgranular o separación intergranular.

2.6.2.3. Fractura de fatiga. Ocurre bajo esfuerzos repetidos o fluctuantes, los cuales tienen un valor máximo menor que el esfuerzo de tensión. Una fractura por fatiga se propaga a lo largo de una grieta estrecha, la cual crece en etapas bajo la acción del estrés.Muchas fracturas por fatiga son progresivas y se despliegan en líneas de arresto cuando son examinadas macroscópicamente. Las fracturas progresivas son fracturas que crecen en etapas y tienen periodos de descanso cuando su crecimiento se detiene (el componente está inactivo o fuera de servicio). Las líneas de arresto son impresiones de posición temporal de una fractura durante el crecimiento progresivo de esta (ver figura 55). Las líneas de arresto son formadas durante periodos de descanso porque las caras expuestas de una fractura son manchadas o corroídas en el ambiente de operación. Sin embargo, un componente inactivo u operado no es un factor porque será corroído en cada etapa (inactivo o en operación).El resultado de los periodos de descanso es una serie de las líneas de arresto. El punto de las líneas de arresto se detiene en una fractura progresiva.La fatiga es la forma más común de una fractura en componentes de ingeniería. Las líneas de arresto son usualmente interpretadas como indicaciones limpias de fatiga, pero son actualmente un signo de muchos tipos de fracturas progresivas. Las líneas de arresto no son confinadas a la fatiga, y la ausencia de las líneas de arresto en la superficie de la fractura no elimina la falla ocasionada por

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fatiga. Por ejemplo, la ausencia de las líneas de arresto en la fatiga indica que el componente se utilizaba continuamente (no tenía periodos de descanso) hasta la falla. [42]

Figura 55. Las líneas de arresto son indicación de una fractura progresiva.

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