tema 1.1. metalurgia de la soldadura
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Ingeniería de Materiales
Paul Lean Sifuentes
Diseño de construcciones soldadas
Tema 1.1. Metalurgia de la
soldadura
Clasificación del acero
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Contenido
Clasificación de las aleaciones ferrosas
Aceros al carbono
Designación de los aceros
• Norma AISI (American Iron and Steel Institute -
EEUU)
• Norma DIN (Deutsche Industrie Normen - Alemania)
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Aleaciones ferrosas
Los metales se clasifican en:
• Aleaciones ferrosas: aceros al carbono, aceros inoxidables,
hierros fundidos, etc.
• Aleaciones no ferrosas: aleaciones de aluminio, aleaciones de
cobre, aleaciones de titanio, etc.
• Mas del 90% de los metales son aleaciones ferrosas.
Las aleaciones ferrosas, en la práctica, se dividen en:
• Aceros: hasta 2,0% C.
Aceros de alta aleación hasta 2,5 % C.
• Hierros fundidos o fundiciones: 2,0 a 4,5% C, teóricamente
hasta 6,67 % C.
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Aleaciones ferrosas
Aceros al carbono: es el grupo de aleaciones más importante de ingeniería debido a que: • Su costo es relativamente bajo
♦ El aluminio cuesta unas 5 veces mas
♦ El cobre 12 veces.
• Cuentan con un amplio rango de propiedades mecánicas
♦ Variando el contenido en carbono
♦ Aplicando tratamientos térmicos y/o mecánicos
Las aplicaciones de los aceros al carbono es amplia.
Según el contenido de carbono se suelen dividir en: • Acero de bajo carbono : %C < 0,25
• Acero de medio carbono : 0,25 < %C < 0,55
• Acero de alto carbono : %C > 0,55
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Aleaciones ferrosas
Todos los aceros al carbono contienen Mn entre 0,3 % a 0,95 % que aumenta la resistencia mecánica y se contrapone al S.
Además contienen Si que se le añade generalmente como desoxidante o procede del proceso de fabricación.
Agregándole 0,25 % de Cu se mejora su resistencia a la corrosión en dos veces en relación al mismo acero sin cobre.
Contienen cantidades limitadas de P y S generalmente menor a 0,05 %. • El P fragiliza al acero en frío,
• El S fragiliza al acero en caliente.
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Denominación de los aceros
Norma
AISI/SAE (EE.UU.)
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Aceros al carbono y de baja aleación
Aceros de baja aleación: elementos aleantes < 5 %
AISI ZYXX(X): • Z: Tipo de acero o aleación. Si Z es igual a:
♦ 1 : Aceros al Carbono (ordinario)
♦ 2 : Aceros al Níquel
♦ 3 : Aceros al Níquel-Cromo
♦ 4 : Aceros al: Mo, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo
♦ 5 : Aceros al Cromo
♦ 6 : Aceros al Cromo-Vanadio
♦ etc.
• Y: En aceros de un solo aleante, indica el % aproximado del elemento en la aleación.
• XX(X): Indica el % C x 100
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Aceros de baja aleación
AISI 2515:
• Z = 2 Acero al níquel
• Y = 5 5 %Ni XX = 15 0,15 %C
• S < 0,040 y P < 0,035
AISI % C % Mn % Si % Ni % Cr
2330 0,28 – 0,33 0,40 – 0,60 ----- 3,25 – 3,75 -----
2515 0,12 – 0,17 0,40 – 0,60 ----- 4,75 – 5,25 -----
5120 0,17 – 0,22 0,70 – 0,90 0,15 – 0,35 ----- 0,70 – 0,90
5140 0,38 – 0,43 0,70 – 0,90 0,15 – 0,35 ----- 0,70 – 0,90
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B
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Aceros inoxidables
Son aceros de alta aleación: elementos aleantes > 5%
Se seleccionan por su resistencia a la corrosión en muchos ambientes, por su dureza o resistencia a relativamente altas temperaturas.
Contienen como mínimo 10,5% Cr.
La capa superficial de óxido de cromo lo protege contra posterior corrosión.
Clases de aceros inoxidables: • Aceros inoxidables austeníticos: AISI 202, AISI 304
• Aceros inoxidables ferríticos: AISI 405, AISI 430
• Aceros inoxidables martensíticos: AISI 410, AISI 502
• Aceros inoxidables endurecidos por precipitación (PH)
• Aceros inoxidables duplex
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Aceros inoxidables austeniticos
AISI % C % Mn % Si % Cr % Ni % Mo Otros
304 0,08 2,00 1,00 18,00-20,00 8,00-10,50 ----- -----
304L 0,03 2,00 1,00 18,00-20,00 8,00-12,00 ----- -----
304N 0,08 2,00 1,00 18,00-20,00 8,00-10,50 ----- 0,10-0,16N
316 0,08 2,00 1,00 16,00-18,00 10,00-14,00 2,00-3,00 -----
317 0,08 2,00 1,00 18,00-20,00 11,00-15,00 3,00-4,00 -----
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Aceros inoxidables martensiticos
Presentan martensita después de un temple: • alta dureza
• resistencia mecánica
• resistencia al desgaste
% C: 0,15% - 1% C
% Cr: 2,0% - 18,0%.
Acero AISI 410 • 12%Cr- 0,15%C- 1,0%Mn
• pernos, ejes de bombas, válvulas, alabes de turbinas a gas y vapor.
Aceros > 0,2%C: • para cuchillería (AISI 420 y
AISI 440).
me
mb
ers
.trip
od
.co
m/m
qh
d_
ita
.mx/
u3
.htm
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Aceros inoxidables dúplex
En la industria alimentaria son
empleados los aceros tipo
SAF2304 y SAF2205 y pueden
reemplazar ventajosamente a los
aceros AISI 304L y 316L,
reduciendo el riesgo de CBT.
Prácticamente desconocidos en nuestro medio.
Aparecieron hace ya más de 60 años.
Constituidos por: ferrita () y austenita ().
El empleo del N como elemento de aleación revolucionó el desarrollo de estas aleaciones en los 80.
Él más representativo es el acero dúplex 22%Cr-5%Ni.
Estas aleaciones son muy resistentes a la CBT y a la corrosión por picaduras inducida por cloruros.
Mayor resistencia mecánica que los inoxidables austeniticos.
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Propiedades: aceros inoxidables
UNE-EN10088 AISI F
MPa
máx
MPa %mín
Austeníticos
X2CrNi1911 304L 220 520 – 670 45
X2CrNiMo17-12-2 316L 240 530 – 680 40
X1CrNi25-21 310S 200 470 – 670 40
X2CrNiMoN 17-13-3 316N 300 580 – 780 35
X2CrNiMo18-12-4 317L 240 550 – 700 35
X2CrMnNiN 18-9-5 202 340 680 – 880 45
Ferriticos
X6CrAl13 410 240 400 – 600 19
X6Cr17 430 250 450 – 600 20
X2CrMoTi 29-4 430 430 550 - 700 18
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Propiedades: aceros inoxidables
UNE-EN10088 AISI F
MPa
máx
MPa %mín
Martensiticos
X12Cr13 403 450 650 – 850 15
X12CrS13 416 450 650 – 850 15
X20Cr13 420 500 700 – 850 13
X17CrNi16-2 431 600 800 – 950 12
Dúplex
X2CrNiN 23-4 400 600 – 850 20
X2CrNiMoN 22-5-3 480 660 – 950 25
X2CrNiMoCuN 25-6-3 500 690 – 940 17
X2CrNiMoCuWN 25-7-4 530 730 - 930 25
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Aceros para herramientas
Templados en agua: AISI W1, AISI W2, AISI W5
Trabajo en frío:
• O, templable en aceite: AISI O1, AISI O2
• A: mediana aleación y templable en aire: AISI A2, AISI A3
• D: alto carbono y alto cromo: AISI D2, AISI D4
Resistentes al impacto: AISI S1, AISI S7
Aceros rápidos:
• T, base tungsteno (AISI T1, AISI T8)
• M, base molibdeno (AISI M1, AISI M7)
www.pasarlascanutas.com
Brocas para cemento: AISI S1
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Aceros para herramientas
AISI % C % Cr %
Mn % Ni % V % W % Mo
%
Co
O7 1,10
1,30
0,35
0,85 1,00 ----- 0,40
1,00
2,00 0,30 -----
A7 2,00
2,85
5,00
5,75 0,8 -----
3,90
5,15
0,50
1,50
0,90
1,40 -----
A9 0,45
0,55
4,75
5,50 0,50
1,25
1,75
0,80
1,40 -----
1,30
1,80 -----
D5 1,40
1,60
11,00
13,00 0,6 ----- 1,00 -----
0,70
1,20
2,50
3,50
D7 2,15
2,50
11,50
13,50 0,60 -----
3,80
4,40 -----
0,70
1,20 -----
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Aceros para herramientas
www.pasarlascanutas.com
Brocas para cemento: AISI S1 Troqueles: AISI O1
www.grupohergo.com
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Denominación de los aceros
Norma
DIN (ALEMANA)
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Aceros al carbono
Estructurales
Norma Antigua DIN St 37, DIN St 42, DIN St 50
Ejemplo: DIN St 42
- Resistencia a la tracción como
mínimo de 42 kg/mm2
- De tablas entre 42–50 kg/mm2
Actualmente DIN S 185
- Acero estructural, con esfuerzo de
fluencia como mínimo de
185 MPa
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Aceros al carbono
Estructurales
Apropiado para
tratamientos
térmicos
Norma Antigua DIN St 37, DIN St 42, DIN St 50
Ejemplo: DIN St 42
- Resistencia a la tracción como
mínimo de 42 kg/mm2
- De tablas entre 42–50 kg/mm2
Actualmente DIN S 185
- Acero estructural, con esfuerzo de
fluencia como mínimo de
185 MPa
DIN C 35
- Acero al C de
0,35% C
DIN CK 35
- Acero al C de bajo
fósforo y azufre
- %C = 0,35
- P < 0,025%
- S < 0,035%.
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Aceros al carbono
Estructurales
Apropiado para
tratamientos
térmicos
Aceros para
herramientas
Norma Antigua DIN St 37, DIN St 42, DIN St 50
Ejemplo: DIN St 42
- Resistencia a la tracción como
mínimo de 42 kg/mm2
- De tablas entre 42–50 kg/mm2
Actualmente DIN S 185
- Acero estructural, con esfuerzo de
fluencia como mínimo de
185 MPa
DIN C 35
- Acero al C de
0,35% C
DIN CK 35
- Acero al C de bajo
fósforo y azufre
- %C = 0,35
- P < 0,025%
- S < 0,035%.
DIN C 60 W2
Acero al C para
herramienta de
0,6% C, calidad 2.
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Aceros aleados
Baja aleación: Aleantes < 5,0 %
• DIN 41 Cr 4 (AISI 5140)
• DIN 13 Cr Mo 4 5
• Los elementos de aleación se ordenan en forma
decreciente.
• El % aproximado de los elementos aleantes se
obtiene al dividir los últimos números por un factor. ♦ 4 : para Co, Cr, Mn, Ni, Si, W.
♦ 10 : para Al, Be, Cu, Mo, Pb, Nb, Ta, Ti, V, Zr.
♦ 100 : para Ce, N, P, S.
♦ 1000 : para el B
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Aceros aleados
Alta aleación: Aleantes > 5,0 %
• Ejemplos:
♦ DIN X 4 Cr Ni 18 10 (AISI 304)
♦ DIN X 2 Cr Ni 18 10 (AISI 304 L)
♦ DIN X 2 Cr Ni Mo 17 12 2 (AISI 316 L)
♦ DIN X 40 Cr Mo V 5 1 1 (AISI H 13)
♦ DIN X 210 Cr 12 (AISI D3)
• Los elementos de aleación se ordenan en forma
decreciente en función al valor de sus porcentajes.
• Los últimos números indican el porcentaje real de
los elementos aleantes.
Inoxidables
Herramientas
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Tema1.1. Metalurgia de la
soldadura
Diagrama Fe-Fe3C
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Contenido
Diagrama de equilibrio Fe-Fe3C.
Relación entre microestructura y propiedades
mecánicas de los aceros ordinarios de acuerdo
al diagrama Fe-Fe3C.
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Introducción
El Fe es el elemento mayoritario en diversas aleaciones.
Las propiedades que presenta el hierro en estado casi puro son: • Es blando y dúctil (90 HB y 40 % deformación)
• Resistencia a la tracción: 270 MPa
• Densidad: 7,87 g/cm3
Los aceros son básicamente aleaciones Fe-C
Las aleaciones Fe-C no contienen mucho % C • Los aceros al carbono hasta 2,0 % C
• Los aceros de alta aleación hasta 2,5 % C
Se estudia las aleaciones Fe-C hasta 6,67 % C • Diagrama Fe-Fe3C (hierro-cementita)
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Alotropía del Fe
Líquido (amorfo)
1535 L Fe-
Fe- Fe-
Fe- Fe-
1410 Fe- (BCC ó CCCu)
910
Fe- (FCC ó CCCa)
Fe- (BCC ó CCCu)
tiempo
T °C
Curva de enfriamiento del hierro puro
Ferrita
Austenita
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910 °C
FCC (CCCa)
Fe-
BCC (CCCu)
Fe-
Cambio alotrópico del Fe a 910 °C
Austenita
Temperatura ambiente
Ferrita
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Diagrama Fe-Fe3C: Fases presentes
Debido a que el diámetro atómico del C es pequeño
(menor que 1 Amstrong) se ubica en los intersticios de la
red cristalina de los átomos más grandes que
corresponden al Fe.
Las aleaciones que pertenecen al diagrama Fe-Fe3C
sólo pueden contener como fases sólidas:
• Soluciones sólidas intersticiales
♦ Fase: “Fe- ”
♦ Austenita: “ Fe-”
♦ Ferrita: “ Fe- ”
• Compuesto intersticial
♦ Cementita “Fe3C”.
Fe- (BCC)
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Diagrama de equilibrio Fe-Fe3C
Ferrita
Austenita
Fe- T °C
0,008 0,8 2,0 % C
E
Eutectoide
Fe- (BCC ó CCCu)
Fe- (FCC ó CCCa)
Austenita
Fe- (BCC ó CCCu)
Ferrita
Líquido (amorfo)
1535
1410
910
T °C
Liquido
+
+ L
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Diagrama de equilibrio Fe-Fe3C
L + Fe3C
+ Fe3C
(austenita + cementita)
+ Fe3C
(ferrita + cementita)
T °C 1 535
1 410
910
723
1 130
723
0,008 0,8 2,0 4,3 6,67 % C
Liquido + L
(austenita)
+
+ L
+
0,025 %C
R. I. Eutéctica: L + Fe3C (Ledeburita)
Fe3C
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T °C 1 535
1 410
910
723
1 130
723
0,008 6,67 % C
Liquido
+ L L + Fe3C
(austenita) + Fe3C
(austenita + cementita) +
+ Fe3C
(ferrita + cementita)
+ L
+
Fe3C
Fe3C % C
% Fe3C %
% de fases a temperatura ambiente
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Clasificación de las aleaciones - Fe-Fe3C
0
25
50
75
100
0.00 1.67 3.34 5.00 6.67
% Fe3C
% C
30
ACEROS HIERROS FUNDIDOS BLANCOS
2,0
Fe3C HB
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Pe
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Región delta
1 410
1 492
1 535
0,18 % C 0,5 % C
0,1 % C + L
Liquido
+
+ Liquido
T °C
+ L
Reacción isotérmica peritéctica
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Pe
rú
0,18 % C
0,1%C 0,5%C
Reacción isotérmica peritéctica
L +
R. Peritéctica
L (0,5%C)
(0,1%C) 100 % (0,18%C)
100 % L (0,18 %C)
+
L +
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Pe
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Reacción isotérmica eutectoide
910
723
(austenita)
+
+ Fe3C
(ferrita + cementita)
+ Fe3C
0,008 0,8 2,0 % C
+ Fe3C
AISI1080 +
Fe3C
T °C
0,8 % C
723 °C
Perlita
0,8 % C
1130
tiempo
T °C
0,025
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Ca
tólic
a d
el
Pe
rú
Perlita: + Fe3C
Fe3C Acero Eutectoide
AISI1080
Diseño de construcciones soldadas
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Un
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Ca
tólic
a d
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Pe
rú
Enfriamiento: Acero hipoeutectoide
0,008 0,8 % C
910
723
(austenita)
T °C
AISI 1020
+
(0,2 % C)
723 ºc
perlita
Ferrita
+
Perlita
(microconstituyentes)
A3
75 % de ferrita
25 % de perlita
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Pe
rú
Fe-Fe3C: Aceros hipoeutectoides
0
25
50
75
100
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80
% Perlita
% C
% Perlita % p
% C
0 0,8 % C
Primaria ( +Fe3C)
100 % Perlita 100 % Ferrita
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0,1 % C. 0,4 % C.
Fe-Fe3C: Aceros hipoeutectoides
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0,7 % C. 0,8 % C.
Fe-Fe3C: Aceros hipoeutectoides
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Enfriamiento fuera de equilibrio
Microestructura de equilibrio
Microestructura de equilibrio
Enfriamiento fuera de equilibrio
Enfriamiento fuera de equilibrio
Martensita de medio carbono
Martensita de alto carbono
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Pe
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0,008 0,8 2,0 % C
910
723
(austenita)
+
Ferrita
+
Perlita
+ Fe3C
T °C (1,6 % C)
DIN CK 160
Fe3C
Fe3Cred
Fe3Cred
+
Perlita
Perlita
Fe3Cred
Acm
Enfriamiento: Acero hipereutectoide
A3
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Microestructura: acero hipereutectoide
Aceros hipereutectoides
0,8 < %C < 2,0
Fases
• Ferrita ()
• Cementita (Fe3C)
Microconstituyentes
• Perlita ( + Fe3C)
• Cementita reticular o
cementita primaria.
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+ + Fe3C
0,008 0,8 2,0 % C
910
723
(austenita)
T °C
Fases:
Ferrita y
cementita
% C
% Perlita %
Ferrita + perlita Perlita + cementita reticular
Fe3Cred
6,67
% C
% Fe3Cred % Perlita
Perlita
0,8
0,0
Aceros al C enfriados en equilibrio
Microconstituyentes
Acm
A3
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Propiedades de la ferrita y cementita
Ferrita • Hierro casi puro
• Solución sólida intersticial BCC (CCCu)
• Es blando y dúctil.
• Dureza de 90 HB y alargamiento de rotura de 40 %
• Resistencia a la tracción (máx) de 270 MPa
Cementita • Compuesto intersticial de 6,67 % C
• Su estructura cristalina es ortorrómbica
• Alta temperatura de fusión
• Es extremadamente duro y frágil.
• Dureza de 800 HB y alargamiento de rotura 0 %
• Muy baja resistencia a la tracción (máx) de 35 MPa
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Propiedades de la perlita (gruesa)
Es un microconstituyente y esta formado por dos fases:
• Ferrita:
• Cementita: Fe3C
Posee una resistencia a la tracción de 600 MPa
Dureza de 200 HB
Alargamiento de rotura de 25 %
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Resistencia de los aceros % C < 0,8
enfriados lentamente
Resistencia a la tracción de:
• Ferrita = 270 MPa; perlita = 600 MPa
100
)perlita(%x600)(%x270)MPa(
pmáx
8,0
C%8,0% p
8,0
C%Perlita%
)C(%x5,412270)MPa(máx
Perlita
Ferrita
(p)
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Aceros enfriados en equilibrio
Propiedades mecánicas
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 % C
DUREZA
HB
400
300
200
100
HB
40
30
20
10
%
%
máx (MPa)
600
400
200
máx
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Problema 1
Se muestra la microestructura de un acero
enfriado lentamente.
Determine el contenido de carbono.
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Problema 2
Si se sabe que justamente por encima de la línea de transformación eutectoide un acero al carbono contiene 90 % de austenita como fase.
1. Determine su contenido de carbono.
2. Calcule el porcentaje relativo de las fases y de los constituyentes microestructurales a temperatura ambiente.
3. Esquematice su microestructura a temperatura ambiente.
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Problema 2: desarrollo
0,008 0,8 2,0 % C
910
723
+
Ferrita
+
Perlita
+ Fe3C
T °C
Fe3Cred
+
Perlita
Acm
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Problema 2: desarrollo
72,0C%90100*8,0
C%%
Acero hipoeutectoide: %C < 0,8
4,1C%90100*8,067,6
C%67,6%
Acero hipoeutectoide: 0,8 < %C < 2,0
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