instituto tecnolÓgico y de estudios de monterrey …

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE GRADUADOS E INGENIERÍA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

FENÓMENO DE TERMOFLUENCIA EN ACEROS HP-40

FAHRAMET Y AVESTA SOMETIDOS A ALTAS TEMPERATURAS

TESIS

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER

EL GRADO ACADÉMICO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA

ALEXANDRE AUGUSTO ZEGARRA DOS SANTOS

AGOSTO DE 1994

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE GRADUADOS E INGENIERÍA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

Los miembros del comité de tesis recomendamos que la

presente tesis del Ing. Alexandre Augusto Zegarra dos Santos

sea aceptada como requisito parcial para obtener el grado

académico de Maestro en Ciencias especialidad en .

INGENIERÍA MECÁNICA

Comité de tesis

Sinodal Asesor Sinodal

Agosto de 1994

Federico Viramontes, Ph. D.

Director del programa de Graduados en Ingeniería

APROBADO

AGRADECIMIENTOS

Al Dr. Mario Martínez, al Dr. Jorge Manríquez y al M. C. Eduardo Cárdenas

por fungir como asesor y sinodales en mi trabajo de tesis, y por la valiosa ayuda

para realizar mi trabajo y todos mis estudios de maestría.

Al personal del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura,

especialmente a todos los del área de Materiales.

A todos mis amigos.

Principalmente a mi familia que la amo.

RESUMEN

El presente trabajo tuvo como objetivo investigar y comparar la resistencia a la termofluencia de tres diferentes aceros ( dos comerciales HP-40 de Duraloy, Avesta de Axel Johnson y uno experimental Fahramet de Kubota), a condiciones similares de esfuerzo y temperatura, para obtener, de esta manera, los tiempos que demoran para llegar a su falla, velocidades de deformación y deformación final.

En condiciones de operación, el acero refractario se encuentra expuesto a presión y alta temperatura, así como a condiciones de oxidación y corrosión. Sin tomar en cuenta los efectos de la oxidación y corrosión, los esfuerzos se incrementaron de 4 a 16 veces para poder realizar los ensayos, a nivel laboratorio, en un lapso de tiempo menor, para así seleccionar a uno de los 3 aceros y que cumplan los requisitos de operación más efectivamente.

Se hicieron pruebas de 2000 a 8000 psi a temperaturas desde 1700 a 2000°F para obtener el comportamiento de estos aceros. Se determinó que el HP-40 presentó mayor resistencia a termofluencia que el resto de los aceros; éste tuvo un tiempo de vida hasta casi 30 veces mayor que el Avesta y hasta 1.7 veces mayor que el Fahramet, dependiendo de las condiciones del ensayo. Lo anterior se vio reflejado notablemente al comparar con el 3% de deformación máximo permitido para deshechar la pieza de este material en servicio (según normas de seguridad de la empresa HYLSA).

ÍNDICE

Introducción

Antecedentes

2.1 Especificaciones según el estándar ASTM

2.2 Condiciones reales en planta

2.3 Propiedades mecánicas

2.4 Microestructura del material nuevo

2.5 Termofluencia por dislocación

Procedimiento experimental

3.1 Caracterización del material nuevo

3.2 Propiedades mecánicas

3.3 Composición química

3.4 Propiedades de termofluencia

3.5 Evaluación del daño a la microestructura

3.6 Equipo Utilizado

Resultados

4.1 Composición química

4.2 Microestructura del material nuevo

4.3 Pruebas de termofluencia

4.3.1 HP-40 (Duraloy)

4.3.2 Fahramet (Kubota)

4.3.3 Avesta (Axel Johnson)

4.4 Microestructura del material termofluido 41

4.4.1 HP-40 (Duraloy) 44

4.4.2 Fahramet (Kubota) 47

4.4.3 Avesta (Axel Johnson) 48

4.5 Pruebas mecánicas 50

4.5.1 HP-40 (Duraloy) 50



4.6 Determinación de la curva maestra de Larson-Miller 52

5 Discusión 54

5.1 Composición química 54

5.2 Microestructura del material nuevo 55

5.3 Pruebas de termofluencia 56

5.3.1 HP-40 (Duraloy) 57



5.4 Microestructura del material termofluido 58

5.4.1 HP-40 (Duraloy) 58



5.5 Pruebas mecánicas 60

5.5.1 HP-40 (Duraloy) 60



5.6 Determinación de la curva maestra de Larson-Miller 61

6 Conclusiones 62

7 Bibliografía 64

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Fig. 1 - Propiedades de termofluencia del acero HP-40D pag. 9

Fig. 2.- Macroataque a la sección tranversal del HP-40D. pag. 24

Fig. 3.- Macroataque a la sección tranversal del Fahramet. pag. 25

Fig. 4 - Macroataque a la sección tranversal del Avesta. pag. 26

Fig. 5 - Microestructura del HP-40 por MEB. pag. 27

Fig. 6 - Microestructura de carburos primarios. pag. 27

Fig. 7 - Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 28

Fig. 8 - Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 29

Fig. 9.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella. pag. 30

Fig. 10 - Fotomicrografia de la fase de Titanio. pag. 30

Fig. 11.- Microestructura del Fahramet por MEB. pag. 31

Fig. 12.- Microestructura de la sección transversal de fractura. pag. 42

Fig. 13.- Microfotografía de la fractura del acero. pag. 42

Fig. 14 - Curvas de termofluencia para el calculo de "C". pag. 52

Fig. 15.- Curva maestra de Larson-Miller. pag. 53

Fig. 16.- Mecanismo de deformación en termofluencia. pag. 56

Fig. 17.- HP-40 a 1800°F y 1700°F. pag. 67

Fig. 18.- HP-40 a 1900°F. pag. 68

Fig. 19.- HP-40 a 2000°F. pag. 69

Fig. 20.- Fahramet a 1900°F y 2000°F. pag. 70

Fig. 21.- Avesta a 1900°F y 2000°F. pag. 71

Fig. 22.- HP-40 y Fahramet a 1900°F y 4000PSI. pag. 72



Fig. 25.- HP-40 y Fahramet a 1900°F. pag. 75

Fig. 26.- HP-40, Fahramet y Acesta a 2000°F. pag. 76

ÍNDICE DE TABLAS

Tab. 1 - Propiedades de mecánicas del acero Avesta. pag- 7

Tab. 2.- Propiedades de mecánicas del acero HP-40D. pag- 8

Tab. 3.- Propiedades de termofluencia del acero Avesta. pag- 8

Tab. 4.- Resumen de los resultados experimentales. pag- 21

Tab. 5.- Composición química de los materiales estudiados. pag- 23

Tab. 6.- Fracción volumétrica de las fases presentes. pag 32

Tab. 7.- Matriz para realizar pruebas de termofluencia. pag- 34

Tab. 8.- Tamaño, densida y ubicación de las microcavidades. pag- 43

Tab. 9.- Propiedades mecánicas del acero HP-40. pag- 50

Tab. 10 - Propiedades mecánicas del acero Fahramet. pag- 51

Tab. 11 .- Propiedades mecánicas del acero Avesta. pag- 51

1

1 INTRODUCCIÓN

Los aceros refractarios son aquellos que resisten altas temperaturas (mayores a

650°C), también llamados aleaciones resistentes al calor. Los factores más importantes en

la selección de estos materiales son: termofluencia, resistencia mecánica, oxidación,

carburización, sulfridización y choque térmico. [Ref. 1 ]

Los aceros refractarios son utilizados en la industria petroquímica, cementera y

acerera. En particular, el presente estudio se enfocó dentro de las plantas de producción

de acero, principalmente, porque el acero refractario es el material del que están hechos

los tubos que calientan el gas utilizado para reducir el óxido de fierro en forma directa.

El sistema de reducción directa tiene dos etapas de calentamiento de gas. En la

etapa de convección, la entrada de gas proceso entra a 50°C y sale a 550°C.

Subsecuentemente viene la etapa de radiación en donde están instalados actualmente tubos

del acero HP-40, el cual, al entrar, se separa en 2 calentadores que están conformados en

6 arpas cada uno. Cada arpa se subdivide en 4 tubos, de 9 metros. A la salida tenemos una

temperatura de 935°C; y este gas entra posteriormente al reactor de reducción.

Entre las condiciones de operación cabe mencionar que los tubos tienen un

diámetro interno de 6" y 7" el externo, donde la presión absoluta de trabajo es de 5.5

Kg/cm 2 y los esfuerzos máximos en el interior del tubo son de 510.65 psi. [Ref. 12]

2

El criterio de remplazo de los tubos es que estos al llegar a un 3% de deformación

son desechados ( Monterrey - HYLSA ) por un criterio de seguridad; posteriormente los

tubos son vendidos como chatarra.

3

El presente trabajo es una continuación de la tesis para obtener el grado de Doctor

en Ingeniería de Materiales de Juan Osear Molina "Evolución Microestructural del Acero

Refractario HP-40+Nb Sometido a Altas Temperaturas", por lo cual se utilizaron muchos

artículos referenciados en este trabajo. La principal contribución del presente trabajo, es lo

referente al comportamiento a termofluencia de tres aceros refractarios experimentales

para el proceso HYLIII, bajo atmósfera reductora, realizando una extensa búsqueda

bibliográfica sobre termofluencia o propiedades mecánicas a altas temperaturas de los tres

aceros a tratar específicamente o aceros refractarios más generalmente. Otro punto muy

importante a tratar para realizar este trabajo fue el de la selección de la máquina para hacer

la experimentación necesaria por lo cual se priorizó los objetivos que se buscan y se llegó

a la selección de la máquina ATS 2320 la cual trabaja a carga constante tal cual son las

condiciones reales de la planta y nos registra deformaciones hasta de 1/2 pulgada, por lo

cual justificamos la compra de nuestro equipo y además nos da la opción de agregar una

cámara de atmósfera controlada para simular las condiciones exactas de la planta.

>

El frnanciamiento de este trabajo de investigación, así como la adquisición del

equipo fue proporcionado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

Los materiales utilizados en la experimentación fueron donados por HYLSA

debido a la cooperación del Ing. Ricardo Viramontes.

Las instalaciones donde se efectuaron los experimentos son parte del Centro de

Sistemas Integrados de Manufactura, y fue posible utilizarlo debido al apoyo del

Dr. Eugenio García Gardea.

2 ANTECEDENTES

4

La realización de ésta tesis fue posible gracias al Dr. Mario Martínez Hernández al

conseguir todo el apoyo necesario para realizar esta investigación, así como su valiosa

asesoría del tema.

5

2.1 ESPECIFICACIONES SEGÚN EL ESTÁNDAR ASTM Y FABRICANTES

Los aceros refractarios están reglamentados por las normas ASTM A-217, A-297,

A-351, A-567 y A-608. En lo particular las composiciones químicas de estos materiales

son:

HP-40 Duraloy (C-0.4%, Si -1.0%, Mn -0.64%, Cr -25,1%, Ni -34.7%,

Nb-1.2%).

Fahramet Kubota (C-0.44%, Si -1.55%, Mn -0.74%, Cr -28,8%, Ni -34.53%,

Nb -0.89%).

Avesta Axel Johnson (C-0.04%, Si -1.4%, Cr -24,8%, Ni -34.7%, N-0.144%,

Ce -0.072%).

Las propiedades mecánicas de los aceros HP que son los que se quieren mejorar son:

Esfuerzo Máximo 62500 psi

Esfuerzo de Cedencia 34000 psi

Elongación en 50mm 4.5%

6

2.2 CONDICIONES REALES EN PLANTA

Para describir las condiciones reales de operación de los tubos se describirá el

proceso de calentamiento del gas proceso dentro del sistema de reducción directa donde

se encuentran instalados estos tubos. El sistema de reducción directa consta de dos etapas

de calentamiento del gas proceso las cuales son una etapa de convección y la otro de

radiación.

La etapa de convección tiene la entrada del gas proceso a 50°C y sale a 550°C,

luego viene la etapa de radiación en donde están instalados actualmente el acero HP-40, el

cual al entrar se separa en dos calentadores que están conformados en seis arpas, las

cuales a su vez se subdividen en cuatro tubos, de nueve metros cada uno, donde al final

del transcurso el gas proceso alcanza una temperatura de 935°C; y entra al reactor de

reducción. Por su parte para poder calentar el gas a esta temperatura se quema por fuera

de los tubos gas natural que a su vez alcanza una temperatura de 1100°C a la salida de la

cámara de calentamiento.

Entre las condiciones de operación cabe mencionar que los tubos tienen un

diámetro interno de 6 pulgadas y externo de 7 pulgadas, donde la presión absoluta de

trabajo es de 5.5 Kg/cm 2 donde tenemos que los esfuerzos máximos están en el interior del

tubo y son de 510.6538 psi [Ref. 12].

La composición del gas proceso es ( 6 9 - 72 % H2, 5 % CH4, 14 % CO, 3 % C02,

9 % H N 2 , 1 % H2O ) .

El criterio de remplazo, basado en vida segura, es que estos alcancen un 3 % de

deformación, en Monterrey planta HYLIII, y de un 20 % de deformación en Puebla planta

HYLIII para maximizar el uso de los tubos, posteriormente al uso, los tubos son vendidos

como chatarra.

2.3 PROPIEDADES MECÁNICAS

Las propiedades mecánicas de los materiales a tratar en este trabajo, se obtuvieron

de folletos de los proveedores de los materiales, como se muestra a continuación:

Valores típicos a temperatura

ambiente

Rolado en

Caliente

Rolado en

Frío

Esfuerzo de Cedencia al 0.2% psi 43510 51485

Esfuerzo de Cedencia al 1.0% psi 47860 58010

Esfuerzo Ultimo psi 97895 102970

Elongación % 50 50

Dureza HRB 82 89

Tabla 1.- Propiedades mecánicas del acero Avesta de Axel Johnson.

8

Valores típicos a temperatura

ambiente

Vaciado

Centrifugado

Vaciado

Estático

Esfuerzo de Cedencia al 0.2% psi 32630 min. 32630 min.

Esfuerzo Ultimo psi 63815 min. 63815 min.

Elongación % 30 25

Dureza HV 190 190

Tabla 2.- Propiedades mecánicas del acero HP-40 de Duraloy

El Fahramet de Kubota debido a que es una aleación experimental a pedido de

HYLSA no presenta esta información por lo cual la información que obtenemos en este

trabajo no tendrá un valor de comparación con algún estándar excepto que los valores de

sus propiedades mecánicas serán similares a la de los otros aceros.

Las propiedades de termofluencia de los materiales a tratar en este trabajo, se

obtuvieron de folletos de los proveedores de los materiales, como se muestra a

continuación:

psi 600°C 700°C 800°C 900°C 1000°C 1100°C

Creep strain

Ra 1/10,000 9717 4205 2102 1015 507 261

Ra 1/100,000 5511 2465 1160 580 290 145

Creep rupture

Rkm 10,000 15808 7541 3553 1740 913 522

Rkm 100,000 9281 4205 2030 986 507 290

Tabla 3.- Propiedades de termofluencia del acero Avesta de Axel Johnson.

9

MANAURITE 36 X

v v v ¥ v v y y y ? v y y y

Figura 1.- Propiedades de termofluencia del acero HP-40 de Duraloy.

El Fahramet de Kubota debido a que es una aleación experimental a pedido de

HYLSA no presenta esta información por lo cual la información que obtenemos en este

trabajo será inédita y no tendrá un valor de comparación con algún estándar.

10

2.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO

La mayor parte de los aceros refractarios son fundiciones vaciadas, en el caso de

nuestros aceros, los tubos se vacían por centrifugado y las conexiones por vaciado

estático.

Durante el enfriamiento en el molde, la primera fase en solidificar es la austenita sin

formarse carburos. La austenita solidifica en forma dendrítica. La última parte en

solidificar lo hace en forma eutéctica austenita-carburo, en regiones interdendríticas. Por

esta forma de enfriamiento, la microestructura es de carburos primarios en una matriz

austenítica [Ref. 1-9] en ocasiones se encuentran inclusiones de sulfuro de manganeso

[Ref. 10].

La forma de los carburos primarios se presenta de forma laminar y de esqueleto

[Ref. 3]. Donde encontramos carburos eutécticos del tipo M7C3 [Ref. 11].

Debido a la gran rapidez de enfriamiento, la composición química de la austenita

queda fuera de equilibrio como una solución sólida sobresaturada de carbono [Ref. 4 y 5].

Los aceros HP son austeníticos a todas las temperaturas [Ref. 6 y 7] . El HP no es

susceptible a la fragilización por precipitación de fase sigma [Ref. 5 - 7 ] .

La macroestructura está formada por una parte de granos columnares, de un 20%

a 50% [Ref. 3] y el resto equiaxiales. La zona columnar es la que solidifica primero. En el

caso de los tubos centrifugados, la parte columnar se encuentra en el diámetro exterior,

1 1

que es la parte que esta en contacto con el molde. En el vaciado estático, los granos

columnares crecen desde las paredes del molde Hacia el centro del espesor de la pieza,

quedando los granos equiaxiales en la región central.

El Avesta es una aleación austenítica para altas temperaturas con 25% de cromo y

35% de níquel. Esta aleación esta especialmente diseñada para aplicaciones donde existe

un alto riesgo de una carburización o una nitruración, cuando se usa aceros para altas

temperaturas con bajos contenidos de níquel o aleaciones de níquel con bajo cromo y alto

níquel.

El Avesta es un acero que cubre la mayor parte de los requerimientos y en un

amplio rango de temperaturas, donde una de sus principales características es que viene

aliado con tierras raras.

La alta aleación de cromo y níquel con un agregado de silicio y tierras raras

proveen una excelente resistencia a la carburización y nitruración, además que las tierras

raras promueven la gran resistencia a la oxidación y también la ductilidad en caliente de

este material.

En los tres aceros se ven varios tipos de precipitados los cuales van a tener una

fuerte influencia sobre los resultados finales de termofluencia, por eso se tuvo la

precaución de cuantifícar los carburos presentes, estos dividiéndolos en precipitados en

frontera de grano y precipitados en la matriz austenítica, los resultados se muestran en el

capítulo 4.

12

2.5 TERMOFLUENCIA POR DISLOCACIÓN.

La termofluencia por dislocación es el proceso que suele ocurrir cuando 10"4<CT

/G< 10"2 mediante deslizamiento de dislocaciones ayudado por difusión de vacancias

(cuando un obstáculo es vencido). La teoría fundamental de la termofluencia por

dislocación es la de Weertman. Esta teoría, para la etapa donde la velocidad de

deformación es mínima, está basada en el ascenso o trepado de las dislocaciones como

control de la velocidad. En su primera teoría, Weertman, utiliza las cerraduras de

Cottrell-Lomer como barreras de deformación plástica; en su segunda, aplicado a

metales HP, no existen este tipo de barreras pero se asumen otras. Las cerraduras de

Cottrell-Lomer son formadas por dislocaciones que se intersecan y reaccionan, y son

los obstáculos para el libre deslizamiento de las dislocaciones. Las dislocaciones,

entonces, tienden a trepar estas cerraduras para vencerlas. Sin embargo, las

dislocaciones son generadas continuamente por las fuentes de Franck-Read en el plano

horizontal y cuando son vencidas las antiguas cerraduras son remplazadas por otras.

La velocidad de termofluencia esta dada por:

e = C a n exp ( - Q D / K T )

K T

donde C es una constante; QD es la energía de activación por difusión; a es el esfuerzo

aplicado a una dislocación y n es el número de dislocaciones montadas; K y T sus

valores usuales. Esta es " La termofluencia de la ley de potencia". [Ref. 12].

13

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Con el objetivo de evaluar las propiedades de termofluencia de los aceros HP-40

(Duraloy), Fahramet (Kubota) y Avesta (Axel Johnson); se realizaron varias pruebas y

ensayos, así como caracterización metalográfíca de los aceros en estado nuevo y del daño

del material después de termofluido.

Como primera parte se hizo una caracterización del material nuevo, para

posteriormente hacer una evaluación de sus propiedades mecánicas, composición química

y propiedades a termofluencia así como el daño y caracterización de éste.

El material para realizar estos ensayos fue de un tramo de tubo de HP-40 y

Fahramet de 6 pulgadas de diámetro, 13 pulgadas de longitud y 0.75 de espesor de la

pared; una placa de 12 X 12 X 0.75 pulgadas donde se obtuvieron las muestras para

metalografías y probetas de termofluencia, donde todo este material fue cedido por

HYLSA para realización de este trabajo de tesis.

14

3.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL NUEVO

Con el objetivo de poder saber las características metalográficas de los materiales

en estado nuevo se hace una evaluación microestructural para así cuantifícar e identificar

las fases presentes de los materiales, así como la morfología de la estructura granular y

fases primarias.

Para obtener las características microestructurales se realizaron diversas

metalografías del material nuevo por microscopía óptica y electrónica de barrido, también

se disolvieron los aceros para poder observar la morfología de los carburos extraídos de la

matriz austenítica. Estos resultados se reportan en el siguiente capítulo de esta tesis.

Además se realizó una conteo de los precipitados en matriz y en frontera de grano, para

poder saber la influencia de estos sobre las propiedades de termofluencia finales, donde

llegamos a los resultados por medio de un analizador de imágenes.

15

3.2 PROPIEDADES MECÁNICAS

Para obtener las propiedades mecánicas de los tres materiales se siguió el

procedimiento sugerido por la norma ASTM E-8 donde se maquinaron subespecimenes de

la probeta estándar debido al espesor máximo del material que se disponía para tal efecto,

pero se observaron todos los detalles para que estas pruebas sean validas para cualquier

comparación posterior.

Las probetas se maquinaron redondas de 0.30 pulgadas de diámetro, 1 pulgada de

longitud calibrada para prueba y una longitud total de 4 pulgadas; donde se ensayaron a

tensión en la máquina universal MTS que se describe en el punto 3.6 y la dureza se midió

en la escala Rocwell B en el Durometro que se describe en el punto 3.6, ambos equipos

del Laboratorio de Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de

Manufactura del ITESM

3.3 COMPOSICIÓN QUÍMICA

Para obtener la composición química de los materiales se recurrió al Laboratorio

de Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura de ITESM y

al Laboratorio Químico de HYLSA, donde mediante técnicas de ICP y el analizador de

carbono y azufre, se obtuvo la composición exacta de los materiales con los que

trabajaron que se muestran en el siguiente capítulo.

16

3.4 PROPIEDADES DE TERMOFLUENCIA

Para obtener las propiedades de termofluencia de los tres materiales se siguió el

procedimiento sugerido por la norma ASTM E-139, donde se maquinaron subespecimenes

de la probeta estándar debido al espesor máximo del material que se disponía para tal

efecto, pero se observaron todos los detalles para que estas pruebas sean validas para

cualquier comparación posterior.

Las probetas se maquinaron redondas de 0.30 pulgadas de diámetro, 1 pulgada de

longitud calibrada para prueba y una longitud total de 4 pulgadas; donde se ensayaron a

termofluencia en la máquina ATS que se describe en el punto 3.6 del Laboratorio de

Materiales Industriales del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura de ITESM

3.5 EVALUACIÓN DEL DAÑO

El daño se cuantificó mediante la cantidad y tamaño de las microcavidades que se

observen en la microestructura de los aceros evaluados, donde se evaluó la forma de éstas

así como también la ubicación en donde se encuentran con respecto a los demás aceros,

con estos puntos se podrá tener bien identificados todos los puntos que nos indiquen el

daño que sufrió la microestructura de cada acero.

EQUIPO UTILIZADO

Microscopio óptico

Marca: Olimpus

Modelo: PMG3

Microscopio de platina invertida, con campo claro, campo obscuro, luz polarizada,

contraste Numarski y filtros integrados.

Microscopio electrónico de barrido (MEB)

Marca: Zeiss

Modelo: DSM 960

Imagen de electrones secundarios (resolución de 4nm) y electrones

retrodispersados.

Equipado con espectómetro de dispersión de energía de rayos X

Marca: Kevex

Modelo: Deltaclass Analyzer

Resolución de 109 a 677 eV, detecta cualitativamente a partir del Boro y

cuantitativamente a partir del Sodio

Hornos eléctricos de resistencia

Marca: Thermolyne

Modelo: S46110TM

Temperatura máxima de operación 1700 °C

18

4. Analizador de carbono y azufre

Marca: Lcco

Modelo: CS-244-784-000

Rango: carbono de 0 a 3.5%

azufre de 0 a 3.5%

Sensibilidad: carbono 3 cifras significativas

azufre 3 cifras significativas

Precisión: carbono 0.5%

azufre 0.2%

5. Espectómetro de emisión atómica inducido por plasma (ICP)

Marca: Thermo Jarrel Ash

Modelo: Atom Sean 25

Determina 72 elementos secuencialmente, limite de detección 1 PPB, controlado

por computadora

6. Máquina Universal

Marca: Material Test System (MTS)

Modelo: 810

Máquina hidráulica con control digital servo hidráulica de lazo cerrado asistido por

computadora.

Celda de carga y extensometro con error menor al 0.2%

Durometro

Marca: Officine Galileo

Modelo: Ergotest Digi 25 Rs

Para escalas Rockwell A, B, C, D, E, F, G, H, K

Máquina de termofluencia

Marca: Applied Test Systems (ATS)

Modelo: 2320

Mecánica de operación semiautomática, temperatura máxima de operación 1200°C

y extensometro calibrado hasta 0.5 pulgadas, con horno de tres zonas con control

de temperatura de ± 0.5 °C y con una capacidad de carga de 100 a 3000 libras.

20

4 RESULTADOS

Este capítulo se ordenó de tal manera que se tenga una perspectiva general del

trabajo desarrollado durante 12 meses, se separan los resultados obtenidos por

microscopía de los resultados que vienen de las pruebas de termofluencia, donde en la

última parte se exponen los resultados de las pruebas mecánicas y se muestran los

resultados más relevantes de esta tesis tabla 4.

21

l

ARA DEFORMACIÓN HRS |

p lo

0.45

CO

[ 9.98 ]

0.15

127.76 [ 4.82 i I 0.67 |

I 27.75

•u

co

| 0.105

0.325

0.06

0.32

| 0.50%


I 1.73 |

0.84

28.89

I 17.7 |

0.77

189.25 I 14.3 |

| 1.04 |

| 122.5 | 15.8 | 0.28

1.67

0.17

0.95

| 1.00%


| 10.41 |

7.14

67.14

I 39.26 I

5.47 |

391.55 |

00 I 7.06 I

I 385.8 I I 96.9 I I 2.96 I

25.88

2.23

17.37

| 10.00% |

T
abla

4.-

Res

umen

de

los

resu

ltad

os e

xper

imen

tale

s.

co

-VI

ro

co

co ro

en

VJ

en oo

| PRUEBA | fNUMERO DE|

1 3000

2000

4000

I 3000

4000 I

2000 i

| 3000 | | 4000 j

I 3000 |

| 4000 | i 6000 ]

6000

8000

8000

PSI l ESFUERZO!

| 14.5

21.75

81.15

| 43.3

6.93 \

co

55.58

398.5 | 135.6 \ 5.55 |

42.89 bo

32.65

RUPTURA HRS| TIEMPO DE |

| 49.26

55.31

36.62

| 22.98

31.72

18.54 ¡ I 26.5 . |

| 52.88 !

| 16.59 |

| 48.67 |

50.84

48.96

35.02

FINAL % | DEFORMACIÓN]

\ 52.45

45.53

58.13

I 54.7

74.31

39.22

| 39.56 | | 60.94 ¡

| 27.86 | | 53.33 | f 66.42 |

49.38

59.02

•n.

en

DE ÁREA % | REDUCCIÓN!

en

AVESTA AXEL JOHNSON A 1900°F O 1038°C

en

AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C

ro

io

FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C en

en

| FAHRAMET KUBOTA A 2000°F 01093°C |

-ro

en

en

| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C

ro

co

00

HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |

00

ro

HP-40 DURALOY A 1800°l

10.5

HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |

V?

«V

DEFORMACIÓN,

COMIENZO TERCERA ETAPA CREEP


o AVESTA AXEL JOHNSON A 2000°F 0 1093°C

39.5

FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C ro

ro

CO


o ro

00

co

| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C

lo

co

o

| 49.5

ro

en

HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |

ro

ro

ro

'en

HP-40 DURALOY A 1800°l

00

HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |

[ HRS | [ TIEMPO


I • 0.547345


1.106194


0.001169

FAHRAMET KUBOTA A 1900°FO 1038°C

| . 0.026348 |

0.763941


0.001811 | 0.05208 ] | 0.87412 |

| HP-40 DURALOY A 2000°F 01093°C

| 0.004179 | | 0.04545 | 2.21239

HP-40 DURALOY A 1900°F 0 1038°C |

0.27289 !

F 0 982°C

0.476303

HP-40 DURALOY A 1700°F 0 927°C |

DE CREEP %/HRS¡

| MENOR RAZÓN |


I 0.37


0.18


4.13

I 1-15- 0.03

0.47 | 0.28 || 0.22 |

I 0.24

o ro

| 0.025

0.011

0.007

0.04

| 0.20%

|TIEMPO P|TIEMPO P|TIEMPO P|TIEMPO P

22


Para poder establecer la composición química de los tres materiales se utilizaron

dos métodos básicamente para poder establecer los porcentajes de los materiales lo más

preciso posible, donde el carbono y el azufre se encontraron con el analizador de carbono

y azufre y el níquel, cromo, manganeso, silicio, niobio, titanio, cobre, molibdeno y vanadio

se adquirieron con el ICP. Donde los resultados de estos análisis se muestran en la tabla 5.

Cabe mencionar que los elementos de nitrógeno y cerio quedaron pendientes debido a que

ninguno de los laboratorios contaba con los estándares para tomar las mediciones de

ambos.

23

ELEMENTO % HP-40 FAHRAMET AVESTA

CARBONO 0.42 0.41 0.06

AZUFRE 0.008 0.005 0.012

NÍQUEL 34.69 34.16 35.44

CROMO 26.30 28.31 25.92

MANGANESO 0.87 0.69 1.23

SILICIO 0.015 — 0.85

NIOBIO 1.10 0.70 —

TITANIO — — 0.02

COBRE 0.015 0.02 0.23

MOLIBDENO — — 0.20

VANADIO 0.031 0.033 0.051

Nota: los resultados de los análisis químicos se obtuvieron del laboratorio de materiales

industriales del ITESM y del laboratorio químico de HYLSA.

Tabla 5.- Composición química de los materiales estudiados.

Los aceros refractarios a estudiar presentan el siguiente análisis químico:

24

4.2 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO.

Se realizó un macro ataque, en su condición de nuevo, a cada uno de los aceros

refractarios para revelar los granos. La macroestructura se reveló utilizando como reactivo

de ataque el denominado "Beraha's".

En la figura 2 se presenta la macroestructura del acero refractario HP-40 Duraloy.

Se puede observar la presencia de granos alargados o basálticos en la parte externa del

tubo, mientras que en la parte central e interna se aprecian granos equiaxiales. También es

posible observar la estructura dendrítica presente en los granos.

Figura 2.- Macroataque a la sección transversal del HP-40 con reactivo Beraha's 7.5X

25

En la figura 3 se presenta la macroestructura del acero refractario Fahramet. Este

acero se observa la presencia de granos basálticos en la parte externa y central del tubo.

Los granos equiaxiales, los cuales son escasos, se concentran en la parte central e interna

del tubo.

Figura 3.- Macroataque de la sección transversal del Fahramet con reactivo Beraha's 7.5X

Ambos aceros fueron vaciados en su proceso de fabricación, las diferencias en sus

macroestructuras se deben al procedimiento de enfriamiento utilizado y la presencia de

agentes nucleantes. La especificación del proceso de manufactura no fue proporcionada

por HYLSA.

26

En la figura 4 se presenta la macroestructura del acero refractario Avesta. Es

notoria la presencia de bandas en la parte central de la placa, debido a una recristalización

incompleta, este material fue rolado en caliente durante su proceso de manufactura.

Figura 4.- Macroataque de la sección transversal del Avesta con reactivo Beraha's 7.5X

En la figura 5 se muestra la microestructura del acero HP-40 por microscopia

electrónica. Este material presenta una estructura dendrítica con precipitados

interdendriticos gruesos y finos (carburos primarios). El precipitado de estructura gruesa

se presenta con coloración oscura. El precipitado fino laminar se presenta con coloración

clara. Un análisis por EDS indica que la fase oscura es un carburo del tipo M7C3 rico en

Cromo y la fase clara es del tipo MC rica en Niobio.

—11 — # 2me HP40-D NUEUO ITESM

Figura 5.- Microestructura del HP-40 por microscopía electrónica de barrido 500X

Figura 6.- Microestructura de carburos primarios M~C3 y MC por disolución 1000X

28

En la figura 6 se presenta la imagen obtenida por microscopia electrónica de

barrido de los carburos obtenidos por disolución anodica del HP-40 nuevo

presumiblemente de Cromo y Niobio basado en los resultados de investigación previa del

acero HP-40 (Kubota).

En la figura 7 se presenta la fotografía obtenida por microscopia electrónica de

barrido del material refractario Avesta. Este material presenta una distribución equiaxial de

granos con precipitados finos, en su mayoría, distribuidos en los limites de grano y en

bandas de recristalización incompletas; en menor grado también presenta precipitados

dentro de los granos con un tamaño de grano ASTM 5, donde también se observa la

presencias de maclas.

Figura 7.- Microesructura del Avesta con reactivo Vilella (CEM) 1000X

29

En la figura 8 se aprecian las bandas de recristalización incompleta y la presencia

de maclas, se observan precipitados en las bandas y en los limites de grano. En la figura 9

y 10 se observa la fase rica en titanio (presumiblemente carbunitruros de Titanio), la cual

presenta caras planas. También se observa la presencia de fases ricas en Silicio, Cromo y

Níquel.

Figura 8.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella 200X

Figura 9.- Microestructura del Avesta con reactivo Vilella 1800X

Figura 10.- Fotomicrografía de la fase de titanio aislada por disolución anodica 5000X

Figura 11.- Microestructura del Fahramet por MEB 500X

La figura 11 muestran el aspecto, en su condición de nuevo, del acero Fahramet.

Se muestra el material en su condición de vaciado. Este material presenta carburos de

Niobio más alargados y menos finos que el HP-40, Donde también encontramos una

estructura dendrítica.

Por medio de un analizador de imágenes se obtuvieron las fracciones volumétricas

que ocupan los precipitados en la matriz así como los precipitados en frontera de grano,

como se muestra en la tabla 6, lo cual nos podrá dar una referencia de las propiedades de

termofluencia [Ref. 13], previa a las pruebas a realizar.

32

FRACCIÓN VOLUMÉTRICA EN FAHRAMET HP-40 AVESTA

MATRIZ AUSTENÍTICA 0.974219 0.947587 0.988467

PRECIPITADOS EN FRONTERA 0.024781 0.052382 0.01118

PRECIPITADOS EN MATRIZ 0.001 0.000031 0.000353

Tabla 6.- Fracción volumétrica de cada una de las fases presentes en los tres materiales

nuevos.

Los aceros Avesta y Fahramet en estado nuevo se encuentran con la matriz

saturada de carburos, lo cual es lo contrario que sucede en el acero HP-40 que con la

temperatura comienza la precipitación de carburos [Ref. 1].

Posiblemente los aceros Avesta y Fahramet recibieron un tratamiento de

acondicionamiento (precipitación controlada a 600-700°C, 90-120 min., de finos carburos

secundarios ) antes de ser enviados a la planta de HYLSA.

33

4.3 PRUEBAS DE TERMOFLUENCIA.

Con tal de poder apreciar de una manera más objetiva los resultados de las pruebas

de termofluencia se separaron los tres materiales, de tal forma que se pueda observar de

forma clara las diferencias entre ambos.

Se hicieron 22 pruebas de termofluencia de los tres materiales para poder realizar

una comparación entre ambos, de las cuales 14 fueron realizadas hasta la ruptura del

material y las demás o fueron abortadas o sirvieron para corroborar resultados de otras

pruebas, con este motivo en la siguiente sección se identifica las pruebas concluidas con el

numero de prueba, la temperatura y el esfuerzo de estas.

Finalmente se muestra en la tabla 4 el resumen de los resultados obtenidos por las

pruebas que llegaron a concluirse siguiendo todos los parámetro según norma ASTM.

En la tabla 7 se comparan los resultados experimentales obtenidos de las pruebas del

HP-40 con los obtenidos por las curvas de Larson-Miller.

34

Esf. en KSI T a 1600°F Ta 1700°F Ta 1800°F Ta 1900°F T a 2000°F P. L. M. 10 74 8 1 XX XX 44.25 8 369 34 4 0.5 XX 45.75

6 9726 766 79 42.89

10 5.55

2 48

4 XX 11902 1083 116 135.6

16 11.1

50.5

3 XX XX 1575 464 398.5

58 55.58

52

2 XX XX XX 779 496 413

54

1 XX XX XX XX 7264 56.5

P. L. M. = T ( 2 0 + l o g t ) x 1E-3

T en °K y t en Horas

Tabla 7.- Matriz para realizar pruebas de termofluencia del HP-40 y resultados reales.

35

4.3.1 HP-40 (DURALOY)

El acero HP-40 es el que presentó el mayor tiempo para llegar a fracturarse en las

pruebas de termofluencia que se realizaron, donde fue superior a los otros dos aceros y

presenta la segunda fase estable de termofluencia por un periodo mayor que los demás

materiales a los cuales les realizamos las pruebas.

Prueba #1, 1900°F, 4000 psi Fig. 18, 22 y 25

Tiempo de ruptura: 135.6 Horas

Deformación final: 44 %

Reducción de área: 53.33 %

Mínima velocidad de deformación: 0.04545 %/Horas

3ra Etapa Deformación: 3 .4% Tiempo: 49.5 Horas

Prueba #2, 2000°F, 4000 psi Fig. 19, 24 y 26


Deformación final: 52.88 %



3ra Etapa Deformación: 5.5% Tiempo: 4.8 Horas

Prueba #3, 2000°F, 3000 psi Fig. 19, 23 y

Tiempo de ruptura:

Deformación final:

Reducción de área:

Mínima velocidad de deformación:

3ra Etapa Deformación:

Prueba #4, 2000°F, 2000 psi Fig. 19 y 26

Tiempo de ruptura:

Deformación final:




Prueba #5,1900°F, 3000 psi Fig. 18 y 25

Tiempo de ruptura:

Deformación final:




26

55.58 Horas

26.5%

39.56 %

0.05208%/Horas

2.4 % Tiempo: 28 Horas

413 Horas

18.54 %

39.22 %

0.001811 %/Horas

1% Tiempo: 170 Horas

398.5 Horas

16.59 %

27.86 %

0.004179 %/Horas

2 % Tiempo: 230 Horas

Prueba #6, 1800°F, 6000 psi Fig. 17

Tiempo de ruptura:

Deformación final:




Prueba #7,1900°F, 6000 psi Fig. 18 y 25

Tiempo de ruptura:

Deformación final:




Prueba #8, 1800°F, 8000 psi Fig. 17

Tiempo de ruptura:

Deformación final:




42.89 Horas

50.84 %

49.38 %

0.27289 %/Horas

8 % Tiempo: 22 Horas

5.55 Horas

48.67 %

66.42 %

2.21239 %/Horas

8.0 % Tiempo: 2.5 Horas

4.8 Horas

48.96 %

59.02 %

4.0 %/Horas

12% Tiempo: 2.5 Horas

38

Prueba #9, 1700°F, 8000 psi Fig. 17



Reducción de área: 4 6 %


3ra Etapa Deformación: 10.5 % Tiempo: 18 Horas

4.3.2 FAHRAMET (KUBOTA)

El acero Fahramet es el que presenta las menores razones de termofluencia para

posteriormente acelerar esta razón y llegar a fractura antes que el HP-40 en general las

pruebas de este material cumplieron con las perspectivas realizadas.

Prueba #12, 1900°F, 4000 psi Fig. 20,22 y 25


Deformación final: 36.62%

Reducción de área: 58.13%


3ra Etapa Deformación: 2.2 % Tiempo: 39.5 Horas

39

Prueba #13, 2000°F, 4000 psi Fig. 20,24 y 26





3ra Etapa Deformación: 4.5 % Tiempo: 3.7 Horas

Prueba #14, 2000°F, 3000 psi Fig. 20, 23 y 26




Mínima velocidad de deformación: 0.026348%/Horas

3ra Etapa Deformación: 1.5% Tiempo: 22 Horas

40

4.3.3 AVESTA (AXEL JOHNSON)

De los tres materiales los del Avesta fue muy inferiores en las pruebas de

termofluencia, pero esto se debe a que el material estaba fuera de especificaciones y los

resultados hacen que sea muy dificil analizar el comportamiento de termofluencia de este

material en condiciones normales.

Prueba #17,2000°F, 2000 psi Fig. 21 y 26





3ra Etapa Deformación: 15% Tiempo: 10 Horas

Prueba #18,1900°F, 3000 psi Fig. 21 y 25





3ra Etapa Deformación: 6 % Tiempo: 7.4 Horas

41

4.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL TERMOFLUIDO.

Para poder analizar el daño efectuado a la microestructura se hizo dos tipos de

análisis, primero se hizo una inspección por microscopio óptica para poder cuantifícar la

cantidad de microcavidades en los aceros, donde posteriormente se observaron en

microscopia electrónica de barrido para poder ver el efecto en las diferentes fases y la

diferencia con respecto a la microestructura inicial, Tabla 8.

Las fotografías por microscopia electrónica de barrido con electrones secundarios

se ven en forma muy similar para todas las pruebas, ya que las catorce pruebas se realizan

a intervalos semejantes de temperatura y esfuerzo.

El resultado se muestra en las Fig. 12 y 13 donde se observa, una fractura

intergranular por crecimiento de las microcavidades provocado por termofluencia de ley

de potencia (" power law creep "), donde, la fractura, fue totalmente dúctil, viéndose muy

claramente que hubo un desprendimiento de los granos debido al acumulamiento de

microcavidades en las fronteras de grano, además se observa que los granos se encuentran

alargados en el sentido de los esfuerzos de las prueba de termofluencia. Este tipo de

fractura se observó en todas las pruebas realizadas.

Los precipitados en frontera de grano son continuos con un espesor promedio de 10

mieras y alrededor de todos los granos, los precipitados en la matriz son esféricos con

tamaños de 2 a 5 mieras y generalmente se encuentran más cerca de las fronteras de los

granos que en el centro de estos.

Figura 12.- Microestructura de la sección transversal de la fractura 200X.

Figura 13.- Microfototrafía de la fractura del aceto HP-40

43

Tamaño

promedio de

cavidades

Densidad de

cavidades

cm/mm !

Ubicación

de las

cavidades

Temperatura

de la prueba

°F

Tiempo

para llegar

a fractura

Esfuerzo

de la

prueba

mieras Horas psi

Prueba # 1 10 2250 General 1900 135 4000

Prueba # 2 7 375 Frontera 2000 11 4000

Prueba # 3 6 425 Frontera 2000 55 3000

Prueba # 4 6 350 Frontera 2000 413 2000

Prueba # 5 7 600 Frontera 1900 398 3000

Prueba # 6 7 775 Frontera 1800 42 6000

Prueba # 7 12 1850 General 1900 5 6000

Prueba # 8 6 725 Frontera 1800 4 8000

Prueba # 9 8 475 Frontera 1700 32 8000

Prueba#12 4 325 Frontera 1900 81 4000

Prueba* 13 3 600 Frontera 2000 6 4000

Prueba # 1 4 3 400 Frontera 2000 43 3000

Prueba # 1 7 13 1050 General 2000 21 2000

Prueba* 18 10 750 General 1900 14 3000

Prueba # 20 8 2000 General 1900 71 4000

Prueba # 2 1 4 750 General 1900 7 4000

Prueba # 22 6 1550 General 1900 30 4000

Tabla 8.- Tamaño, densidad y ubicación de las microcavidades en las diferentes pruebas

efectuadas.

44


En el acero HP-40 es el que presenta una mayor diversidad de densidad y tamaño

de microcavidades que los otros acero, donde únicamente presenta estas en matriz cuando

la densidad es muy alta así como también presenta un tamaño de microcavidades mayor

que de las demás pruebas. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia

realizadas en este trabajo.

Prueba #1, 1900°F, 4000 psi

Tamaño de grano ASTM: 5

Tamaño promedio de microcavidades: 10 mieras

Densidad de microcavidades: 2250/mm2

Precipitados en matriz: Si

Precipitados en frontera de grano: Si

Prueba #2, 2000°F, 4000 psi




Precipitados en matriz: No


45

Prueba #3, 2000°F, 3000 psi






Prueba #4, 2000°F, 2000 psi






Prueba #5,1900°F, 3000 psi






46

Prueba #6, 1800° F, 6000 psi






Prueba #7, 1900°F, 6000 psi






Prueba #8, 1800°F, 8000 psi






47

Prueba #9, 1700°F, 8000 psi







El acero Fahramet presenta únicamente microcavidades en las cercanías de las

fronteras de grano, además el tamaño de estas es el menor de los tres materiales y debido a

que están localizadas las microcavidades la densidad de estas es muy baja con respecto a

los otros materiales. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia

realizadas en este trabajo.

Prueba #12, 1900°F, 4000 psi






48

Prueba #13, 2000°F, 4000 psi

3 mieras

600/mm2

No

Si

Prueba #14, 2000°F, 3000 psi

Tamaño de grano ASTM:

Tamaño promedio de microcavidades:

Densidad de microcavidades:

Precipitados en matriz:

Precipitados en frontera de grano:

5

3 mieras

400/mm2

No

Si


De los tres materiales el Avesta es que presenta el mayor tamaño de precipitados,

además de un microestructura saturada de microcavidades, donde en general podemos

decir que es el material que presenta un mayor daño en su microestructura que los otros

aceros. El tamaño de grano no se altera en las pruebas de termofluencia realizadas en este

trabajo.

Tamaño de grano ASTM:

Tamaño promedio de microcavidades:

Densidad de microcavidades:

Precipitados en matriz:

Precipitados en frontera de grano:

4 9

Prueba #17, 2000°F, 2000 psi





Prueba #18, 1900°F, 3000 psi







50

4.5 PROPIEDADES MECÁNICAS.

Las propiedades mecánicas se muestran a continuación en tablas para cada acero

cabe mencionar que las propiedades mecánicas se obtuvieron de los aceros tal cual se nos

entregaron de HYLSA. El acero que mayor resistencia mecánica, como mayor

deformación en los ensayos de tensión fue el Avesta superando por amplio margen a los

otros dos aceros probados, estas pruebas fueron a temperatura ambiente.


Modulo de Young ksi 30,000

Esfuerzo de Cedencia ksi 34.7

Esfuerzo Ultimo ksi 67.65

Esfuerzo de Ruptura ksi 67.65

Elongación % 11.18

Reducción de Área % 7.82

Tabla 9.- Propiedades mecánicas del acero HP-40.

51





Elongación % 8.69


Tabla 10.- Propiedades mecánicas del acero Fahramet.






Elongación % 39.27


Tabla 11.- Propiedades mecánicas del acero Avesta.


52

4.6 DETERMINACIÓN DE LA CURVA MAESTRA DE LARSON-MILLER

Para obtener el parámetro C de la curva maestra de Larson-Miller se gráfico todas

las pruebas del acero HP-40 de Duraloy como se muestra en la figura 14 de donde se

obtiene un valor promedio de 20 en la gráfica.

C U R V A S D E T E R M O F L U E N C I A P A R A E L C A L C U L O D E " C "

0 3000ps¡ (20 .679Mpa)

• 4000psi (27 .572Mpa) •

a 6000ps¡ (41 .358Mpa)

* 8000 psi (55 ,144Mpa)

18 ,647 + 2 , 7 8 5 6 e + 4 ( 1 / T )

2 4 , 8 6 3 + 3 , 5 3 9 1 e + 4 ( 1 / T )

19 ,158 + 2 , 6 0 9 2 e + 4 ( 1 / T )

17 ,485 + 2 , 2 7 9 9 e + 4 ( 1 / T )

0 , 0 0 0 0 e + 0 2 , 0 0 0 0 e - 4 ~i ' 1 f

4 , 0 0 0 0 e - 4 6 , 0 0 0 0 e - 4 r

8 , 0 0 0 0 e - 4

1 / T ( 1 / * K )

Figura 14.- Curvas de termofluencia para el calculo de "C"

53

B R e s u l t a d o s e x p e r i m e n t a l e s

i H 1 1 • 1 • 1 « 1 • 1 1 1 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 3 1

P L M = T ( L o g t r + 2 0 ) * 1 e - 0 3 ... t r ( h r s ) , T ( e K )

Figura 15.- Curva maestra de Larson-Miller para acero HP-40 de Duraloy

Con el valor promedio de " C se procedió obtenerla curva maestra de Larson

Millcr,cn la figura 15.

R E S I S T E N C I A A L A R U P T U R A E N T E R M O F L U E N C I A D E L H P - 4 0 D

54

En el presente capítulo se discutirá cada punto de los resultados haciendo

referencia a los antecedentes.


El acero HP-40 se encuentra dentro de especificaciones, únicamente presenta una

pequeña diferencia en las cantidades de cromo uno porciento fuera de especificación y

manganeso 0.2 % fuera de lo habitual, donde no se detectó el silicio que traerá cierta

variación con respecto a la norma de este acero. Aparte de estos elementos todos los

demás se encuentran dentro de la composición química deseada para esta aleación.

El acero Fahramet se encuentra totalmente dentro de especificación, exceptuando

por que no se encontró silicio, lo cual repercutirá en las propiedades finales de esta

aleación, pero es el que mejor va a reflejar los resultados en lo que se refiere a la

composición química del material.

En el acero Avesta es donde encontramos las mayores discrepancias en cuanto a su

composición nominal pues se encuentra ligeramente fuera de especificación en los

elementos de cromo y níquel; y los elementos de manganeso, silicio, molibdeno y cobre se

encuentran bastante lejanos a lo que establece la norma del fabricante. Además es muy

probable que los defectos de recristalización que presenta la microestructura se deban al

5 DISCUSIÓN

55

enfriamiento que sufre el acero así como al excedente de cobre que provocara una

excesiva nucleación en el acero.

5.2 MICROESTRUCTURA MATERIAL NUEVO.

La microestructura del HP-40, figura 2, podemos considerarla dentro de lo normal

con referencia al trabajo previo [Ref. 1], donde encontramos la misma distribución de

fases y la misma morfología , esto sin embargo de ser un diferente fabricante de acero

(Duraloy).

El acero Fahramet es una aleación experimental y debido a este factor no tenemos

un punto exacto de comparación pero debido a la similar composición química e igual

proceso de fabricación se pudiera esperar una microestructura similar, que es justamente

lo que se observa en las microfotografias, figura 3.

En el caso del Avesta se observa una escasa formación de carburos en frontera de

grano, figura 4 lo cual nos indica que tendrá deficientes propiedades a termofluencia [Ref.

13], además de bandas de recristalización incompleta, figura 8, lo cual nos indica que este

material esta fuera de especificaciones y probablemente es una punta o cola de laminación,

por lo cual los resultados de este material son muy difíciles de evaluar ya que no

conocemos la exacta influencia de estas bandas de recristalización afecten a sus

propiedades mecánicas.

56

5.3 PRUEBAS DE TERMOFLUENCIA.

El mecanismo que ocasiona la fractura en los tres aceros es termofluencia por

movimiento de dislocaciones [Ref. 14], ya que la razón de el Esfuerzo entre Modulo de

Corte es mayor o igual a 1X10-4 en los rangos de Esfuerzos de las pruebas, también

tenemos que nos encontramos con una temperatura de trabajo mayor al 70% a la

temperatura de fusión, como se observa en la Figura 16.

Donde se puede observar en la figura 12, una severa deformación de la frontera de

grano después de las pruebas de termofluencia, mecanismo propuesto por Weertman.

También en la figura 13 se observa como en la fractura se notan claramente que esta

ocurrió por la frontera y se ve esta llena de microcavidades. Debido a estos dos factores

observados en todas las probetas que llegaron a fracturarse, se deduce que el mecanismo

de fractura es una combinación de ambos mecanismos donde las vacancias se acumulan en

las fronteras de grano y al mismo estas se deforman en el sentido de los esfuerzos

máximos debido al movimiento de las dislocaciones.

Figura 16.- Mecanismo de deformación a diferentes velocidades de deformación y

esfuerzos.

57

Observando los resultados de las pruebas y con las limitaciones de diseño que se

tienen por parte de la empresa el acero que mejor cumple con las especificaciones es el

HP-40, que es el que se esta utilizando actualmente.


En el acero HP-40 se puede deducir que al principio presenta una alta razón de

deformación inicial debido a que no cuenta con anclas (precipitados en matriz), pero al

comenzar a precipitar carburos secundarios en matriz se adquiere una mayor resistencia a

termofluir, por este motivo presenta mayores tiempos de ruptura que los demás aceros,

presentando una tercera etapa de termofluencia mucho más larga que los otros aceros

tabla 4.

El comportamiento a termofluencia se considera como normal, ya que los

resultados están muy similares a los proyectados por el parámetro de Larson-Miller tabla

7, además de que las pruebas presentaron una repetibilidad de resultados, con lo cual

podemos decir que los resultados son repetibles y confiables.


En el acero Fahramet se observa una segunda etapa de termofluencia con una

deformación menor que los demás aceros, debido a que su matriz en estado nuevo se

encuentra ya saturada de precipitados lo cual incrementa notoriamente la cantidad de

anclas para evitar el movimiento de las cavidades dentro de la matriz austenítica del acero.

58

Dentro de los parámetros establecidos podemos decir que los resultados

encontrados del Fahramet son confiables y están dentro de los valores que se esperaban

encontrar con anterioridad.


El Avesta presentó tiempos de ruptura hasta 35 veces inferiores a los valores

esperados, esto se deben a los defectos que presenta su microestructura que ya fueron

anteriormente citados.

5.4 MICROESTRUCTURA MATERIAL TERMOFLUIDO.

Para poder analizar los materiales en forma separada se dividen en tres partes que

corresponden a cada material.


En la microestructura del material se observa la mayor parte de las microcavidades

en las cercanías de las fronteras de grano, con lo cual podemos constatar que estas

provocan la fractura final del acero, además se observa la precipitación de fases

secundarias, las cuales sirven de anclas para retardar la fractura del material.

59


En el Fahramet se observa una menor cantidad de microcavidades en frontera de

grano además de que son de menor tamaño, esto se debe en gran parte a que el material se

encuentra saturados de precipitados en la matriz austenítica desde que el material esta

nuevo, por lo cual se puede deducir que estos precipitados evitan el movimiento de las

cavidades así como impiden el crecimiento de estas.

5.4.3 Avesta (Axel Johnson) •

En el acero Avesta resulta muy complicado el mecanismo pero se puede explicar

debido a que las bandas de recristalización están en sitios idóneos para poder nuclear a las

microcavidades de esta manera se encuentran en grandes cantidades y de gran tamaño.

60

5.5 PROPIEDADES MECÁNICAS.

Los resultados encontrados en este trabajo están dentro de los valores

considerados como normales, debido a que se observaron todos los puntos indicados por

la norma E-8 ASTM, donde se separan los resultados de los diferentes materiales.


Los resultados del HP-40 se consideran dentro de los valores de la Tabla 9,

exceptuando por el valor de elongación que pueda que se deba a las variaciones que

presenta en su composición química.


Los resultados del Fahramet se consideran dentro de los valores de la Tabla 10,

partiendo de la premisa de sus propiedades mecánicas son similares a las del HP-40. Esto

debido a que al ser una aleación experimental no se tiene disponible esta información.


Los resultados del Avesta son muy similares a los reportados por la literatura,

dentro de los valores de la Tabla 11, con pequeñas variaciones en los resultados en

algunos valores que pueden ser consecuencia de la anomalía en recristalización del

material.

61

4.6 DETERMINACIÓN DE LA CURVA MAESTRA DE LARSON-MILLER

Los resultados que se obtuvieron muestran que en las pruebas obtuvimos resultados

que se aproximan a comportamiento real del material tanto de la curva de donde se

obtuvieron los valores teóricos como de la curva que se obtuvo de los experimentos, las

variaciones se pueden explicar con las variación que obtuvimos de la materia prima para

desarrollar la experimentación.

Con la aproximación que obtuvimos de la curva de Larson-Miller, encontramos que

los resultados son confiables y además repetibles.

62

6 CONCLUSIONES

De la presente investigación se llegó a las siguientes conclusiones.

[1 ] El HP-40 es el material que presenta las mejores propiedades de termofluencia, por

lo cual será el que tenga la mayor duración en proceso, según cualquiera de los

criterios de selección.

Del mecanismo de Fractura se concluye.

[2] Se llega a la fractura por la suma de dos mecanismos de termofluencia movimiento

de dislocaciones.

De la segunda etapa de termofluencia.

[3] En el acero Fahramet la razón de termofluencia es menor, debido a que este

material se encuentra con precipitados en la matriz desde nuevo, tabla 6 y 8.

[4] Los precipitados en matriz cumplen con la función de anclas para las

dislocaciones.

[5] El HP-40 tiene un menor crecimiento de la razón de termofluencia debido a que al

precipitarse carburos de cromo en la matriz austenítica adquiere mayor resistencia.

63

De la tercera etapa de termofluencia.

[6] El acero HP-40 Tiene la tercera etapa de termofluencia más prolongada debido a

que tiene una mayor cantidad de precipitados en frontera de grano, tabla 6 y 8.

[7] A una mayor cantidad de precipitados en frontera de grana mayor será la tercera

etapa de termofluencia.

Del acero Avesta de Axel Johnson.

[8] Los resultados son muy difíciles de analizar debido a la presencia de bandas de

recristalización en el material por lo cual se encuentra fuera de especificación.

De las pruebas mecánicas.

[9] La ausencia de silicio así como variaciones en otros elementos provoca pequeñas

variaciones en los resultados de las pruebas mecánicas.

De las extensión que se pueden hacer a este trabajo.

[ 1 ] Hacer una investigación de resistencia de estos materiales en una atmósfera real de

proceso, tal cual la de la planta.

[2] Validar los resultados del acero refractario Avesta de Axel Johnson.

64

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Sometido a Altas Temperaturas. Tesis de Doctorado. Universidad Autónoma de Nuevo

León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. México, 1992.

[2] - Molina (J.O.).- Recuperación de Materiales de Alta Aleación por Soldadura.

Tesis de Maestría. Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica. México, 1991.

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Proceedings NACE 26Th Conference.: NACE, Houston TX, 1970 pp. 356-365.

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[8] - Roach (D.B.), VanEcho (J.A.), Hill (A.M.).- Short-Time Tensile and Long-Time

Creep-Rupture Properties of the HK-40 Alloy and Type 310 Stainless Steel at Room

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HN Alloys. ASMF.: ASMF. 1968, Paper 68-pup6, pp. 1-9.

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GRÁFICAS ANEXAS

68

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