**METALURGIA FISICA Y SU APLICACIN A LA SOLDADURA

OBJETIVOSConocer las diferentes estructuras cristalinas presentes en los metales.Conocer los diferentes constituyentes micro estructurales del acero.Relacionar la microestructura del aceros con sus propiedades mecnicas.Estudio del Diagrama Hierro-Carbono.Identificar las variables mas importantes para la realizacin de tratamientos trmicos del acero.Comparar diferentes tipos de acero con su capacidad para ser tratados trmicamente.Comprender la relacin entre los aspectos micro estructurales y la soldabilidad de los aceros.Zona Afectada por el Calor (ZAC) y su implicancia en la soldadura.

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METALURGIAEs la ciencia que trata sobre el estudio de los metales desde el tratamiento al mineral hasta su concentracin, dndole uso industrial.**

METALURGIAEl estudio de la metalurgia abarca dos campos importantes:

1.- METALURGIA EXTRACTIVA 2.- METALURGIA FISICA**

METALURGIA EXTRACTIVAEl mineral extrado de la naturaleza pasa por una serie de tratamientos (chancadoras, moliendas, celdas de flotacin, etc) hasta concentrar dicho metal explotado. **

METALURGIA FISICAEn forma general transforma el metal concentrado a uso industrial. Primero se funde el metal concentrado, obtenindose los lingotes propios del metal. Luego estos lingotes se aprovechan para darle el uso industrial requerido (Siderrgicas).Tambin estudia las estructuras que presentan los metales dentro de su composicin (Acero). Sus propiedades Mecnicas, Tratamientos Trmicos y su soldabilidad y la interaccin entre ellos.

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PROCESO DEL ACERO**

**METALURGIA FISICA Es la ciencia que trata sobre la estructura interna de los metales y las relaciones entre las estructuras y las propiedades que exhiben los metales. Cuando se refiere a la metalurgia de la soldadura, concierne a los distintos cambios que ocurren en los metales cuando se unen por soldadura, especialmente aquellos que afectan las propiedades mecnicas.Estas propiedades son afectadas por distintos factores metalrgicos, incluyendo el agregado de aleantes, tratamientos trmicos y tratamientos mecnicos.

**METALURGIA FISICAObservacin:Algunos requerimientos de fabricacin, tales como el precalentamiento, post calentamiento, control de temperatura entre pasadas, control de aporte de calor, alivio trmico de tensiones, y otros tratamientos trmicos que puedan producir algn tipo de cambio metalrgico el cual, afectar las propiedades mecnicas del metal.

**Estructuras Bsicas de los MetalesEs necesario comprender algunas propiedades de las partculas que comprenden todas las formas de materia. Estas partculas bsicas que se combinan para formar un material slido, lquido o gaseoso, se conocen como tomos.

**Estructuras CristalinaCuando un metal se solidifica, normalmente lo hace en una estructura cristalina. El nmero ms pequeo de tomos que puede describir un arreglo ordenado se conoce como celda unitaria. Las estructuras cristalinas ms comunes son: A) Cbica de cuerpo centrado (BCC).B) Cbica de caras centradas (FCC).C) Tetragonal centrada en el cuerpo (BCT).D) Hexagonal compacto (HCP).

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES MAS COMUNESLa celda unitaria BCC: Puede describirse como un cubo con un tomo en cada uno de los 8 vrtices y un nico tomo en el centro de la celda. Entre los metales BCC comunes se encuentran el hierro, aceros al carbono, cromo, molibdeno, y tungsteno.**

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES MAS COMUNESLa estructura FCC: Puede imaginarse como un cubo con tomos en cada una de los ocho vrtices y un tomo en el centro de cada una de las seis caras. Entre los metales con FCC comunes se encuentran el aluminio, cobre, nquel, y aceros inoxidables austenticos.**

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES MAS COMUNESLa celda unitaria BCT: Puede describirse tomando una celda unitaria BCC bsica, y alargndola en un eje para lograr una forma rectangular, con un tomo en el centro. La martensita, una fase del acero que se forma por un enfriamiento rpido, es una estructura BCT.**

ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES MAS COMUNESLa celda unitaria HCP: Es un prisma hexagonal puede imaginarse como dos hexgonos (seis lados) que forman la parte superior e inferior del prisma. Se ubica un tomo en el centro y en cada punta del hexgono. Entre los hexgonos, superior e inferior, se ubican tres tomos, uno en cada vrtice de un tringulo.Entre los metales HCP comunes, se encuentran el zinc, cadmio y magnesio.

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**SOLIDIFICACIN DE LOS METALESUn metal solidifica en una estructura cristalina.Cada ncleo crece a lo largo de una direccin preferencial, con los tomos que se alinean en la forma descrita mediante la celda unitaria apropiada para formar un grano de forma irregular, o cristal.Las propiedades mecnicas pueden depender del tamao de grano del metal.

**SOLIDIFICACIN DE LOS METALESUn metal que muestra tamao de grano pequeo tendr mejor resistencia a la traccin a temperatura ambiente. Los metales de grano fino, se prefieren para servicios a temperatura ambiente o baja.Los metales de grano fino generalmente dan una mejor ductilidad, tenacidad a la entalla, y propiedades de fatiga.

Mientras que los materiales con grano grande son preferibles para el servicio a elevadas temperaturas.

Influencia del tamao de grano**El tamao de grano tiene una influencia muy importante en las propiedades mecnicas del metal y aleacin.BajasPropiedadesMecnicasBuenasPropiedadesMecnicas

** Secuencia de solidificacin de la soldadura fundida

**Slido versus Lquido

**METALURGIA FISICA Y LA SOLDADURACon la soldadura, el calor no se aplica en forma uniforme. Esto es, parte del metal se lleva hasta una temperatura muy alta, mientras que el metal adyacente a la zona de soldadura se mantiene a una temperatura menor.Esto provoca diferentes cantidades de expansin del metal en distintas ubicaciones relativas a la zona de soldadura. La parte del metal que se calienta en forma directa, tender a dilatarse, y esta dilatacin es resistida por el metal que esta a una temperatura menor.

**Contraccin en una soldadura causado por Dilatacin y Contraccin

**PARTES DE UNA UNION SOLDADAZONA FUNDIDARAIZMATERIAL BASEZONA DE PENETRACIONZACLINEA DE FUSION

**ESTRUCTURAS DE SOLIDIFICACION

**INFLUENCIA DE LOS ALEANTESLas propiedades de los elementos metlicos pueden ser alteradas por el agregado de otros elementos, que pueden ser o no metlicos. Tal tcnica se conoce como aleacin. El elemento no metlico carbn es uno de los elementos aleantes agregados al hierro para formar la aleacin acero.Los elementos aleantes son incluidos en la red del metal base (la forma general en que se acomoda cada tomo individual) en distintas formas que dependen en los tamaos relativos de los tomos.

INFLUENCIA DE LOS ALEANTESAleacin Intersticial: Tienden a ocupar lugares entre los tomos que forman la estructura de la red del metal base. Por ejemplo pequeas cantidades de carbn pueden ocupar sitios intersticiales entre los tomos de hierro en el acero.

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INFLUENCIA DE LOS ALEANTESAleacin Sustitucional:Los elementos aleantes con tomos de tamaos cercanos al de aquel del metal base tienden a ocupar lugares sustitucionales. Esto es, reemplazan uno de los tomos del metal base en la estructura de la red.**

**Microestructura de los Aceros al CarbonoEl arreglo general de los granos, bordes de grano, y fases en una aleacin metlica, se llama microestructura. La microestructura es la principal responsable de las propiedades de la aleacin.

La micro estructura es afectada por la composicin o el contenido de aleantes, y por otros factores tales como conformacin y operaciones de tratamiento trmico.

La microestructura se ve muy afectada por la operacin de soldadura.

**DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONODescribe la naturaleza de las fases presentes en las aleaciones hierro - carbono bajo condiciones cercanas al equilibrio, esto es calentamiento y enfriamiento muy lentas.Por ejemplo, el hierro puro a temperatura ambiente se conoce como hierro alfa o ferrita. El carburo de hierro que est presente a temperatura ambiente se llama cementita. La estructura cbica de caras centradas que aparece a temperaturas intermedias se conoce como hierro gama o austenita.

DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONOEste diagrama nos sirve para conocer la fase o fases existentes en una aleacin con una determinada composicin qumica.El diagrama Fe-C se observa varias transformaciones en estado solido que producen la formacin en diferentes fases.Al observar un acero al microscopio podemos diferenciar las diferentes fases o microestructuras presentes.El acero esta constituido por microestructuras: Ferrita, Perlita, Cementita, Austenita.

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**Diagrama de Fase Hierro-Carbono

Diagrama Fe - CEjemplo de aplicacin:

**Cuando un acero SAE 1050 es calentado a 900 grados. Vemos que esta en estado solido y su estructura es 100% Austenita.Luego, si lo enfriamos muy lentamente yNos detenemos a una temperatura de 750 grados la microestructura estar formada por granos de Ferrita y granos de Austenita.Finalmente si lo temperatura baja a 500 grados, toda la austenita ser transformada en Ferrita y Cementita, que son las fases que se encuentran en esta zona.

MICROESTRUCTURAS1.- FERRITA:Es una solucin solida intersticial de carbono en hierro, formando una estructura cristalina BCC.Es el constituyente mas blando del acero.R.T. 28 Kg/mm2, %E=35%, 90 HB.Esta como fase libre hasta 0,8%C, para mayores contenidos de carbono, la ferrita conforma la Perlita. **

MICROESTRUCTURA DE FERRITA**

MICROESTRUCTURAS2.- CEMENTITA:Es un compuesto qumico constituido por Fierro y Carbono, de formula Fe3C y que contiene hasta 6,67% de Carbono.Es la microestructura mas dura de los aceros 750 HB o 68 HRC. Siempre esta acompaada de la Ferrita o Austenita, dependiendo % carbono.**

MICROESTRUCTURA DE CEMENTITA**

MICROESTRUCTURAS3.- PERLITA:No es una fase como la ferrita, la austenita o la cementita, sino un agregado de dos fases (ferrita y cementita), cuyas proporciones son 88% y 12% respectivamente.Esta constituida por laminas de ferrita y de cementita, adquiriendo un aspecto laminar.La microestructura de un acero con 0,8% C es 100% perlita.

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MICROESTRUCTURA DE PERLITA**

MICROESTRUCTURAS4.- AUSTENITA:Es una microestructura que obtiene esta transformacin dependiendo del porcentaje de carbono y temperatura.La encontramos sobre la lnea A3 y Acm del diagrama hierro-carbono.Es una microestructura blanda.

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MICROESTRUCTURA DE AUSTENITA**

MICROESTRUCTURAS4.- AUSTENITA:Se transforma a temperatura A1(723 grados) en ferrita + cementita. Esta reaccin es conocida como Reaccin Eutectoide.A 723 grados con 0,8% C recibe el nombre de Punto eutectoide.El acero que tiene 0,8% C se le conoce como Acero Eutectoide.El acero que tiene menos a 0,8%C se les llama Acero Hipo-eutectoide y los aceros %C>0,8% reciben el nombre de Aceros Hiper-eutectoides.

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Transformacin de la Austenita en Acero SAE 1030**

Microestructuras vs % Carbono**0,15 %C0,50%C

Microestructuras vs % Carbono**0,70 % C0,80 % C

OBSERVACION METALOGRAFICA**

OBSERVACION METALOGRAFICAPara observar un metal al microscopio la superficie debe estar totalmente pulida y atacada qumicamente.Las lneas oscuras que se observan son los limites de grano y nos permite conocer el tamao de los granos que conforman el metal.

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Influencia de las Microestructuras en las Propiedades Mecnicas**Las propiedades mecnicas de los aceros en estado de equilibrio dependen de las fases presentes.La ferrita es blanda, deformable, y poco resistente.La cementita es dura, resistente y muy frgil.La perlita combina ambas propiedades y tiene buena resistencia y dureza, as como una deformabilidad aceptable.Los aceros hipo-eutectoides son bastantes dctiles y resistentes. Reduciendo su ductilidad y aumentando la resistencia mecnica y la dureza conforme aumenta la perlita a medida que aumenta el contenido de carbono.

LOS ACEROS FUERA DEL ESTADO DE EQUILIBRIO**Qu es un Tratamiento Trmico?Es una secuencia de calentamiento, permanencia a la temperatura de tratamiento y enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Elegidos adecuadamente para conseguir determinadas propiedades en el material.El secreto del notable del incremento de las propiedades del acero, radica en los cambios micro estructurales que este puede alcanzar en condicin fuera de equilibrio.

ESQUEMA DEL TRATAMIENTO TERMICO**

TRATAMIENTO TERMICOLos tratamientos trmicos bsicos, incluyen recocido, normalizado, temple, revenido.Precalentamiento, postcalentamiento, son tratamientos aplicados a procesos de soldadura.

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TRATAMIENTO TERMICOEL RECOCIDO: Es un tratamiento para ablandar, usado para incrementar la ductilidad del metal a expensas de su resistencia. Para realizar el recocido, el metal es llevado hasta el rango austentico, mantenido una hora por pulgada de espesor o un mnimo de una hora, y luego enfriado muy lentamente. Permitiendo a la pieza enfriarse hasta temperatura ambiente mientras permanece en el horno.

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TRATAMIENTO TERMICOEL NORMALIZADO: Tambin ablanda el metal, pero no en una forma tan significativa como el recocido. Se lo considera como un tratamiento trmico de homogeneizacin.El tratamiento de normalizado se inicia elevando la temperatura del metal hasta el rango austentico, mantenindolo por un perodo corto de tiempo, y permitiendo luego el enfriamiento lento en aire calmo. Este enfriamiento es ms rpido que el enfriamiento en horno, entonces las propiedades resultantes incluyen una dureza y resistencia ligeramente superior y posiblemente una ductilidad menor comparando con el recocido. Los aceros al carbono y de baja aleacin normalizados son normalmente fciles de soldar.**

TRATAMIENTO TERMICOEL TEMPLE: Difiere del recocido y el normalizado en que las propiedades mecnicas resultantes muestran una dureza y resistencia significativamente incrementadas y una baja en la ductilidad. Este tratamiento de endurecimiento se realiza elevando la temperatura del metal hasta el rango austentico, mantenindolo por un cierto tiempo, y enfrindolo rpidamente hasta temperatura ambiente mediante la inmersin de la pieza en un medio de temple, tal como agua, aceite o sales disueltas en agua. El temple se realiza para producir principalmente estructura martenstica que tiene caractersticamente alta dureza y resistencia, y baja ductilidad.**

TRATAMIENTO TERMICOEL REVENIDO: Para mejorar la ductilidad sin una degradacin significativa de las caractersticas de resistencia, normalmente se realiza un tratamiento de revenido. Para revenir, el metal es calentado nuevamente a una temperatura por debajo de la temperatura de transformacin ms baja, mantenido por un corto tiempo para permitir que la estructura martenstica altamente tensionada se relaje algo, y luego es enfriado lentamente. Obteniendo una estructura martensita revenida.

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TRATAMIENTO TERMICOPRECALENTAMIENTO: Los tratamientos de precalentamiento se usan, para disminuir algo la velocidad de enfriamiento del metal base adyacente a la soldadura para permitir la formacin de constituyentes micro estructurales distintos de la martensita. El precalentamiento se aplica previo a la soldadura.**

TRATAMIENTO TERMICOPOSTCALENTAMIENTO: Los tratamientos de postcalentamiento, se usan para reducir las tensiones residuales y para revenir fases duras, frgiles formadas durante el enfriamiento o temple. El postcalentamiento se aplica luego que se termin la soldadura. Generalmente, las temperaturas de postcalentamiento son superiores a aquellas usadas para el precalentamiento.**

LA TRANSFORMACION DE LA AUSTENITA**La austenita es la fase clave para casi todos los tratamientos trmicos del acero.El recocido, el normalizado y el temple, se inician con un calentamiento del acero hasta la temperatura la cual la microestructura es austenita, manteniendo el tiempo suficiente para lograr su austenizacion completa.La austenizacion hace desaparecer cualquier microestructura anterior para luego, mediante enfriamientos adecuados, transformar el acero a una gran variedad de microestructuras y por ende de propiedades mecnicas.

Obtencin de Bainita y MartensitaCuando las velocidades de enfriamiento se incrementan, la microestructura del acero empieza a presentar un nuevo constituyente denominado Bainita.La Bainita esta constituido al observarlo en el microscopio por agujas constituidas por ferrita con cementita dispersos.La Bainita es de mayor dureza que la perlita pero mucho mas tenaz.Aumentando mas la velocidad de enfriamiento se consigue un nuevo constituyente mas duro que la Bainita, conocido como Martensita.

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TRATAMIENTO TERMICO**

Microestructura de Martensita**

INTERRELACION ENTRE ZAC Y DIAGRAMA Fe-CZAC = Zona Afectada por el calor, en una pieza soldada.Se encuentra en los lados adyacentes al cordn de soldadura.Esta comprendido entre 3 a 5 milmetros.Esta propenso a transformarse a microestructura martensita.**

PREPARACION DE MATERIAL BASE ANTES DE SOLDARPartes de junta a soldar a tope: **ABCDEA= Abertura de RazB= TalnC= Altura del BiselD= Angulo de BiselE= Angulo de Canal

Determinacin del ZAC en un Material Soldado

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CORDON DE SOLDADURAMATERIAL BASELINEA DE FUSIONPENETRACIONZAC (HAZ)ABERTURA DE RAIZRAIZ(Penetracin)

** Relacin entre los Picos de Temperatura de las distintas Regiones de una Soldadura, y la Correlacin con el Diagrama de Fases (Fe-C)

**Consideraciones Metalrgicas para laSoldaduraDebido a que la soldadura puede producir cambios significativos tanto en la temperatura del metal como en la velocidad de enfriamiento desde esa temperatura elevada, es importante entender que cambios metalrgicos pueden resultar de la operacin de soldadura.Como se puede ver, dependiendo de la ubicacin del punto dentro o cercano a la soldadura, pueden producirse varias estructuras metalurgicas (ver diagrama Fe-C/Soldabilidad).La ZAC es simplemente la regin del metal base adyacente al metal de soldadura que ha sido elevado a temperaturas.Las velocidades de enfriamiento de esta zona afectada por el calor son de las ms rpidas debido al fenmeno conocido como temple por contacto.

**ZONA AFECTADA POR EL CALOR (ZAC)La zona afectada por el calor es aquella zona del metal base que se afecta en sus propiedades mecnicas y micro estructurales debido al calor generado durante el soldeo.FACTORES QUE INFLUYEN:La mayor conductividad trmica del material base.Cuanto mayor sea la cantidad de calor aportado.Cuanto menor sea el espesor del material base.

**CARACTERISTICAS - ZAC

La zona A: Es la de crecimiento de grano y de sobrecalentamiento en esta se alcanza una temperatura de 1100 C y la velocidad de enfriamiento es grande. A mayor porcentaje de carbono es posible la presencia de martensita.La zona B: Es la zona de afino de grano la temperatura que se alcanza esta entre 850C y 1100 C, las velocidades de enfriamiento no son muy altas.La zona C o de transicin: La velocidad de enfriamiento es lenta. Se presenta un afino parcial de la estructura (perlita fina).

AAB BCCZ A C

**SOLDABILIDADEs la medida de la facilidad de realizar una soldadura resistente y sana y que produzca una unin intima entre las partes del material base y el material de aporte.

En que se basa el soldador para asegurar una soldadura de calidad?

SOLDABILIDAD**PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA.- Documento que establece las variables a tener en cuenta para la adecuada ejecucin de una junta soldada en un determinado material y de un espesor dado.Consideraciones:ProcesoTipo de juntaNumero de pases y secuenciaAmperaje y voltajeVelocidad de avanceElectrodo tipo y dimetroTipo de corriente (CC, CA,) polaridadPosicionamiento y sujecinPrecalentamientoPost calentamientoAlivio de tensiones

**INFLUENCIA DE LOS ALEANTES EN LOS ACEROSCarbono.- Este elemento influye en la mejora de la dureza y propiedades mecnicas, y su sensibilidad al tratamiento trmico de temple, tambin a mas carbono disminuye la ductilidad, hacindose mas frgil.El manganeso.- Elemento que contribuye a mejorar la resistencia de acero, pero con menor incidencia que el C, mejora la calidad superficial del aceroEl fsforo y el azufre elementos no deseados en los aceros por fragilizar, aunque en cantidades muy pequeas mejora la resistencia y la maquinabilidad de los aceros.

**INFLUENCIA DE LOS ALEANTES EN LOS ACEROSEl silicio.- Mejora la adherencia del galvanizado en los aceros, tambin mejora su resistencia, pero malogra la calidad superficial de los aceros.El aluminio.- Es utilizado para el afino del grano de los aceros en su fabricacin, es un desoxidarte.El cobre.- No mejora sus resistencia en cantidades pequeas, pero si mejora sensiblemente su resistencia a la corrosin.El nquel.- Elementos para la fabricacin de aceros especiales, da mas tenacidad y plasticidad, y resistencia a fatiga.

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