anÁlisis de las velocidades de...
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ANÁLISIS DE LAS VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO SOBRE LA
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE UNIONES SOLDADAS DE
ACERO AL CARBÓN AISI SAE 1045
GÓMEZ DÍAZ JULIO CESAR
PAREDES GAVIRIA ANDRÉS ESTEBAN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE TECNOLOGIA, MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA
BOGOTA
SEPTIEMBRE 21 de 2015
ANÁLISIS DE LAS VELOCIDADES DE ENFRIAMIENTO SOBRE LA
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DE UNIONES SOLDADAS DE
ACERO AL CARBÓN AISI SAE 1045
GÓMEZ DÍAZ JULIO CESAR
PAREDES GAVIRIA ANDRÉS ESTEBAN
Tecnología mecánica
Monografía para optar el título de tecnólogos mecánicos
ING. JONNY RICARDO DUEÑAS ROJAS
Tutor
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE TECNOLOGIA, MATERIALES Y PROCESOS DE
MANUFACTURA
BOGOTA
SEPTIEMBRE 21 de 2015
Nota de aceptación
____________________________________________
____________________________________________
____________________________________________
____________________________
Ing. Jonny Ricardo Dueñas Rojas
____________________________
Ing. Luis Hernando Correa
____________________________
Ing. Ricardo Enrique Porras Boada
Bogotá 21 de septiembre de 2015
INDICE DE CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................. 10
ABSTRACT ........................................................................................................... 11
PALABRAS CLAVE .............................................................................................. 12
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................. 13
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................... 13
1.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA ......................................................... 14
2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 15
3. OBJETIVOS ...................................................................................................... 17
3.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................ 17
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................... 17
4. MARCO TEORICO ............................................................................................ 18
4.1. ACEROS AL CARBÓN ............................................................................... 18
4.1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA AISI /SAE. ............................................. 19
4.2. ACERO AISI SAE 1045 .............................................................................. 20
4.3. SOLDADURAS ........................................................................................... 21
4.4. METALURGIA DE LA SOLDADURA POR FUSIÓN .................................. 22
4.5. DESCRIPCIÓN DE LAS REGIONES METALÚRGICAS ............................ 24
4.6. DIAGRAMA TTT PARA EL ACERO AISI SAE 1045 ............................... 25
4.7. MICROSCOPIO Y PRUEBAS METALOGRÁFICAS ............................... 26
4.7.1. PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL ................................................. 27
4.7.2. PRUEBA DE MICRODUREZA .......................................................... 27
4.8. CORROSIÓN ............................................................................................ 28
4.8.1. DEFINICIÓN ...................................................................................... 28
4.8.2. CLASIFICACIÓN ............................................................................... 29
4.8.3. CORROSIÓN DE SOLDADURAS EN ACEROS AL CARBÓN ...... 33
4.8.4. ENSAYOS DE CORROSIÓN ............................................................. 33
4.8.5. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE VELOCIDAD DE CORROSIÓN .. 34
5. MATERIALES Y METODOS ............................................................................. 36
5.1. FABRICACIÓN DE PROBETAS .............................................................. 36
5.2. ANÁLISIS TERMOGRÁFICO ................................................................... 37
5.3. PRUEBAS METALOGRAFICAS ............................................................. 38
5.3.1. CORTE DE LA MUESTRA ................................................................ 38
5.3.2. DESBASTE ........................................................................................ 38
5.3.3. PULIDO .............................................................................................. 39
5.3.4. ATAQUE QUÍMICO O ELECTROLÍTICO .......................................... 39
5.3.5. MICROSCOPIO METALOGRÁFICO ................................................. 40
5.3.6. PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL NORMA ASTM E18 ................ 40
5.3.7. PRUEBA DE MICRODUREZA NORMA ASTM E384 ....................... 41
5.4. PRUEBA DE CÁMARA DE NIEBLA SALINA ......................................... 41
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS ............................................................................. 43
6.1. PRUEBA DE SOLDADURA Y CÁMARA TERMOGRAFÍCA .................. 43
6.2. MICROSCOPIO METALOGRÁFICO ....................................................... 46
6.3. DUREZA ROCKWELL ............................................................................. 48
6.4. PRUEBA DE MICRODUREZA ................................................................. 51
6.5. PRUEBA DE CORROSION ...................................................................... 55
6.5.1. SEGUIMIENTO DEL ENSAYO .......................................................... 55
6.5.2. CÁLCULO DE VELOCIDAD DE CORROSIÓN ................................ 59
7. CONCLUSIONES Y ANALISIS ......................................................................... 62
8. GLOSARIO ........................................................................................................ 64
9. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 67
INDICE DE TABLAS
TABLA 1. PROPIEDADES DEL ACERO AISI SAE 1045 …………………………21
TABLA 2. MÉTODOS PREVIOS AL ENSAYO DE CORROSIÓN………………...42
TABLA 3. DATOS IMPORTANTES DEL ENSAYO DE CORROSION….….….....42
TABLA 4. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA A TOPE….….………....49
TABLA 5. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA A TRASLAPE…………49
TABLA 6. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA T……………………….. 50
TABLA 7. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA A TOPE………....51
TABLA 8. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA A TRASLAPE…. 52
TABLA 9. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA T………………… 52
TABLA 10. MEDICIONES DURANTE EL ENSAYO DE NIEBLA SALINA……....56
TABLA 11. OBSERVACIÓN DEL PROCESO DE CORROSIÓN
DE JUNTA EN T………………………………………………………….. 57
TABLA 12. OBSERVACIÓN DEL PROCESO DE CORROSIÓN DE
JUNTA A TRASLAPE…………………………………………………….57
TABLA 13. OBSEVACION DEL PROCESO DE CORROSIÓN
DE JUNTA A TOPE……………………………………………………….58
TABLA 14. DATOS PARA CALCULAR LA PERDIDA DE PESO………………..59
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. DIAGRAMA HIERRO CARBONO……………………………………... 19
FIGURA 2. TIPOS DE UNIONES SOLDADAS…………………………………….. 22 FIGURA 3. REGIONES METALÚRGICAS DESOLDADURA POR FUSIÓN…....23 FIGURA 4. DIAGRAMA TTT PARA UN ACERO AISI SAE 1045…..…………….26 FIGURA 5. DIFERENTES FORMAS DE CORROSION.……………………………30 FIGURA 6. CÁMARA DE NIEBLA SALINA………………………………………….34 FIGURA 7. CONFORMACION DE MUESTRAS POR MEDIO DEL PROCESO DE SOLDADURA…………………………………………………………………………....36 FIGURA 8. CAMARA TERMOGRAFICA FLIR T620……………………………….37 FIGURA 9. FOTOGRAFÍA TÉRMICA JUNTA T………………………………….....43 FIGURA 10. GRAFICA TEMPERATURA VS TIEMPO JUNTA T...……..………..44 FIGURA 11. FOTOGRAFÍA TÉRMICA JUNTA A TRASLAPE……..……………..44 FIGURA 12. GRAFICA TÉRMICA JUNTA A TRASLAPE…………………………45 FIGURA 13. FOTOGRAFÍA TERMOGRAFICA JUNTA A TOPE………………....45 FIGURA 14. GRAFICA TÉRMICA JUNTA A TOPE……………………………......46 FIGURA 15. FOTOGRAFÍA JUNTA A TOPE X 200 AUMENTOS………………..47 FIGURA 16. FOTOGRAFÍA JUNTA A TRASLAPE X 200 AUMENTOS………...47 FIGURA 17. FOTOGRAFÍA JUNTA T A X 200 AUMENTOS……………….……..48
FIGURA 18. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y
MICRODUREZA PARA JUNTA T…………………………………………………….54
FIGURA 19. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y
MICRODUREZA PARA JUNTA TOPE……………………………………………….54
FIGURA 20. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y
MICRODUREZA PARA JUNTA TRASLAPE………………………………………..55
FIGURA 21. FOTOGRAFÍA JUNTA T ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO DE
CORROSION…………………………………………………………………………….56
FIGURA 22. FOTOGRAFÍA JUNTA TRASLAPE ANTES Y DESPUES DEL
ENSAYO DE CORROSION…………………………………………………………….57
FIGURA 23. FOTOGRAFÍA JUNTA TOPE ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO
DE CORROSION………………………………………………………………………...58
10
RESUMEN
En este proyecto se analizaron tres tipos de probetas en acero AISI SAE 1045
soldadas por arco eléctrico, conformando juntas en T, tope y traslape, las cuales por
medio de fotografías termográficas que se tomaron durante el proceso de soldado
y se analizaron en el software FLIR se identificaron las temperaturas en tres puntos
de cada probeta, uno en la zona de fusión, otro en la zona afectada térmicamente y
el último punto tomado en el material base, esto permitió realizar gráficas de
enfriamiento con respecto al tiempo, estos resultados se compararon con el
diagrama TTT del material de estudio y así mismo con el análisis metalográfico se
observaron y analizaron los componentes micro estructurales encontrando en el
material base perlita mientras que en la zona de fusión y la zona afectada
térmicamente hay presencia de bainita debido a la transformación isotérmica de la
austenita en cada tipo de probeta. Se sometieron a ensayos no destructivos
sacando perfiles de dureza bajo las norma ASTM E18 y de microdureza tomando la
norma ASTM E384 observando que en la zona afectada térmicamente hubo mejora
en la dureza en comparación con las demás zonas del material. Finalmente se
estudió el comportamiento de las muestras frente la corrosión mediante el ensayo
de cámara de niebla salina según la norma ASTM B-117 llevado a cabo por un
periodo de cien horas y así determinando la perdida de material en pulgadas
perdidas por año (mpy) concluyendo que las temperaturas alcanzadas en el proceso
de soldado no tuvieron influencia en la resistencia a la corrosión.
11
ABSTRACT
In this project were analyzed AISI SAE 1045 steel specimens welded for electric arc
to joints T, top and overlap, which through thermographic pictures taken during the
welding process and analyzed in the FLIR software temperatures were identified in
three points each specimen, one in the melting zone, the other on heat affected zone
and the last point in the base material, this allows make cooling graphs respect to
time, these results were compared with the TTT diagram of the study material and
also with the metallographic analysis were observed and analyzed the micro
structural components in the base material was perlite while the fusion zone and the
heat affected zone is bainite due to the isothermal transformation from austenite to
each specimen type. To conclude this analysis the samples were subjected to non-
destructive testing hardness profiles following the norm ASTM E18 and
microhardness following the norm ASTM E384, nothing that in the heat affected zone
toughness was improved compared with other areas of the material. Finally, was
studied the behavior of the samples against corrosion by testing salt spray tested in
accordance with ASTM B-117 carried out for a period of one hundred hours thus
determining the loss of material in inches lost per year (mpy) concluding that the
temperatures reached in the welding process did not influence the corrosion
resistance.
12
PALABRAS CLAVE
ASTM B-117 Norma ASTM Para prueba de cámara salina.
ASTM G1 Norma ASTM para evaluación de muestras de corrosión.
AWS D1.1 Norma americana de soldadura para estructuras en acero.
ASTM E18 Norma ASTM Para prueba de dureza rockwell B.
ASTM E384 Norma ASTM Para prueba de micro dureza vickers.
ZAT Zona afectada térmicamente.
MB Metal base.
ZF Zona de fusión.
Diagrama TTT Temperatura, tiempo, transformación.
gr Gramos.
⁰C Grados Celsius.
Mpy Pulgada o mili-pulgada por año.
mN Micro Newton
grf Gramos fuerza
µS/cm MicroSiemens/cm, medida conductividad eléctrica.
H.V Dureza vickers
HRB Dureza rockwell B
13
1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Cuando una estructura metálica entra en un proceso de corrosión sus propiedades
mecánicas se pierden y, por tanto, la seguridad y confianza en la estructura también.
El metal comenzará a debilitarse en las áreas afectadas; al mismo tiempo, se
desgastarán sus partes móviles o de mayor uso y dependiendo del proceso mismo,
la estructura puede deformarse, romperse o simplemente dejar de funcionar
correctamente. Se volverá frágil e inadecuada para el trabajo, debido a las
deformaciones o rupturas que pueda sufrir y fácilmente podrá convertirse en una
causa de accidentes.
En consecuencia, el problema que aborda este proyecto de grado se centra en
determinar las influencias que pueden tener las velocidades de enfriamiento
después del proceso de soldado en juntas de acero al carbón AISI SAE 1045 el cual
es uno de los materiales estructurales más utilizados y en muchos casos expuestos
a ambientes altamente corrosivos, determinando la vida útil que puede alcanzar el
material.
14
1.2. JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
La industria de la corrosión, si por ello se entiende todos los recursos destinados a
estudiarla y prevenirla, mueve anualmente miles de millones de dólares. Este
fenómeno tiene implicaciones industriales muy importantes; la degradación de los
materiales provoca interrupciones en actividades fabriles, pérdida de productos,
contaminación ambiental, reducción en la eficiencia de los procesos,
mantenimientos y sobre diseños costosos. La reparación de estructuras para
volverlas nuevamente espacios seguros, limpios y funcionales, requiere de
inversiones en tiempo, mano de obra y dinero. Para daños sencillos o superficiales
se debe eliminar el óxido, y aplicar recubrimientos y pintura. Pero en daños
profundos, se requerirá retirar los elementos deteriorados, instalar los nuevos y
pintarlos o acondicionarlos para los requerimientos laborales. Todas estas
reparaciones generan costos adicionales a los originalmente presupuestados
cuando se invirtió en la instalación de la estructura.
Para prevenir los problemas anteriores es necesario realizar mantenimientos
frecuentes a las estructuras metálicas. No hacerlo provocará su pronto deterioro y
como consecuencia toda la problemática asociada. Es por esto que en este proyecto
se analizan juntas soldadas en acero al carbono AISI SAE 1045 ya que es un acero
estructural usado comúnmente en la industria sometiéndolo a una serie de pruebas
en el laboratorio de cámara de niebla salina regido bajo la norma ASTM B117
asemejando la exposición del material a años en ambientes altamente corrosivos, y
así se realizaron los respectivos estudios metalográficos con los recursos de la
universidad y se determinaron los comportamientos de la corrosión frente al tipo de
junta y sus velocidades de enfriamiento.
15
2. INTRODUCCIÓN
Se define la corrosión, en general, como la destrucción lenta y progresiva de un
metal por la acción de un agente exterior. Uno de los factores que limitan la vida de
las piezas metálicas en servicio es el ataque químico o físico-químico que sufren en
el medio que les rodea, como la producida por la acción combinada del oxígeno del
aire y la humedad. Para esto se requiere la presencia de un material que cede
electrones en contacto con otro que los acepta, y de un medio conductor de iones.
El material que pierde electrones se conoce como ánodo y es el que experimenta la
reacción de oxidación, mientras que el material que acepta los electrones se reduce
y se le llama cátodo; el medio en el que se encuentran el ánodo y el cátodo y que
permite el flujo de iones se conoce como electrolito1.
Uno de los principales impactos causados por los fenómenos de corrosión es el
factor económico estudiando el fenómeno de la corrosión podemos llegar a predecir
el comportamiento de los metales basándonos en las pruebas de corrosión que se
consideran la base para la evaluación y el posterior control del fenómeno en la gran
cantidad de aplicaciones de la ingeniería analizando las variables implícitas en el
proceso de corrosión y así poder actuar a tiempo en las áreas que afecta este
fenómeno entre ellas podemos encontrar construcción, transporte, química, marina,
etc.
1http://hipotesis.uniandes.edu.co/hipotesis/images/stories/ed04pdf/Corrosion.pdf
16
El principal producto siderúrgico es el acero, siendo aproximadamente el 90% de la
producción acero al carbono y el 10%, acero aleado. Por lo tanto, el material
metálico más importante para la industria es el acero al carbono. El acero al carbono
es una aleación de composición química compleja. Además de hierro, cuyo
contenido puede oscilar entre 97,0 hasta el 99,5%, hay en él muchos elementos
cuya presencia se debe a los procesos de su producción (manganeso y silicio), a la
dificultad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno e
hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). El aumento
del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, incrementa
el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad2.
2 http://www.utp.edu.co/~publio17/aceroalC.htm
17
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Determinar la influencia de las velocidades de enfriamiento en la zona afectada por
el calor (ZAT) en uniones soldadas para el proceso de arco eléctrico con electrodo
revestido (SMAW) para un acero al carbono AISI SAE 1045 expuesto a un ambiente
altamente corrosivo.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Fabricar juntas soldadas aceptables bajo el código AWS D1.1 por el proceso
SMAW.
- Identificar las zonas de fusión (ZF), zona afectada por el calor (ZAT), y
material base (MB), de las juntas soldadas a través de análisis metalográfico.
- Caracterizar mecánicamente las zonas afectadas por el calor por medio de
ensayos de dureza y microdureza.
- Realizar pruebas de corrosión controlada en la cámara de niebla salina
siguiendo la norma ASTM B117 para tres tipos de uniones soldadas de acero
AISI SAE 1045.
- Determinar velocidades de enfriamiento de las juntas soldadas a partir de
observaciones termografícas.
18
4. MARCO TEORICO
4.1. ACEROS AL CARBÓN
El acero es una aleación de hierro y carbono, en la figura 1 podemos observar e
identificar las fases y componentes de un acero empleado en la industria. De sus
numerosos componentes, el hierro es el elemento que entra en mayor proporción,
y el carbono el que ejerce influencia más decisiva en sus propiedades; al aumentar
el porcentaje de carbono, mejora la resistencia mecánica, la Templabilidad y
disminuye la ductilidad. El contenido de carbono de los aceros varía desde 0.035%
a 1.7%, llegando en algunos casos excepcionales a 2.2%.3
3 BARREIRO, José Apraiz. Tratamientos Térmicos De Los Aceros, 8 edición,
dossat, s.a. 1984.
19
Figura 1. Diagrama Hierro carbono4
4.1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA AISI /SAE.
La norma AISI (American Iron and Steel Institute ) utiliza un esquema general para
realizar la especificación de los aceros mediante 4 números:
AISI ZYXX
Además de los números anteriores, las especificaciones AISI pueden incluir un
prefijo mediante letras para indicar el proceso de manufactura. Decir que las
4 http://carlossaiz.blogspot.com.co/2012/12/diagrama-hierro-carbono.html
20
especificaciones SAE emplean las mismas designaciones numéricas que las AISI,
pero eliminando todos los prefijos literales5.
El significado de los anteriores campos de numeración es la siguiente:
XX indica el tanto por ciento (%) en contenido de carbono (C) multiplicado por 100;
Y indica, para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado del
elemento predominante de aleación;
Z indica el tipo de acero (o aleación).
Para nuestro caso sería AISI 1045:1: acero corriente
0: no aleado;
45: 0.45 % en C.
4.2. ACERO AISI SAE 1045
Acero al carbono que puede utilizarse en estado cementado, templado y revenido o
simplemente en estado calibrado. Por su contenido de carbono este acero se utiliza
para la fabricación de piezas estructurales o de maquinaria de mediana resistencia
con una gran tenacidad y es fácilmente soldable con soplete ó al arco eléctrico6.se
presentan en la tabla 1 las propiedades químicas y físicas del material.
5 http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html
6 http://www.cga.com.co/index2.php?option=com_docman&task=doc_view&gid=14&Itemid=376
21
Propiedades mecánicas Propiedades químicas
- Dureza 163 HB (84 HRb)
- Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI)
- Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI)
- Elongación 16% (en 50 mm)
- Reducción de área (40%)
- Módulo de elasticidad 200 GPa (29000
KSI)
- Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%)
- 0.43 – 0.50 % C
- 0.60 – 0.90 % Mn
- 0.04 % P máx
- 0.05 % S máx
TABLA 1. PROPIEDADES DEL ACERO AISI SAE 10457
4.3. SOLDADURAS
La soldadura SMAW es un proceso de fusión en el cual la unificación de los metales
se obtiene mediante el calor de un arco eléctrico entre un electrodo y la pieza a
soldar. El arco eléctrico es una descarga de corriente eléctrica a través de una
separación en un circuito y se sostiene por la presencia de una columna de gas
ionizado (llamado plasma), a través de la cual fluye la corriente.
El arco eléctrico se inicia al acercar el electrodo a la pieza, después del contacto se
separa rápidamente de la pieza a una distancia corta. El arco eléctrico produce
7 http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201045.pdf
22
temperaturas hasta 5500 °C o más que son suficientes para fundir cualquier metal.
Se forma un pozo de metal fundido que consiste en metal base y el metal de aporte.
Las muestras desarrolladas para el análisis de este proyecto fueron juntas soldadas
de acero AISI SAE 1045 en tres tipos distintos de configuración como se ilustran en
la figura 2.
FIGURA 2. TIPOS DE UNIONES SOLDADAS8
4.4. METALURGIA DE LA SOLDADURA POR FUSIÓN
Los procesos de soldadura por fusión utilizan calor para fundir localmente los
materiales base y el material de aporte de una junta. Esto genera un aumento en la
temperatura de la zona de fusión, así como de las regiones adyacentes a esta.
Durante el rápido enfriamiento posterior (que induce condiciones de no equilibrio),
8 https://hectorariel26.wordpress.com/category/uncategorized/
23
se producen cambios metalúrgicos en todas estas zonas. Los cuales se traducen
en modificaciones en las propiedades mecánicas de la soldadura.
Estos cambios se pueden describir en cuatro diferentes zonas en una soldadura y
se muestran en la figura 3.
FIGURA 3. REGIONES METALÚRGICAS DE LA SOLDADURA POR FUSIÓN9
9 Messler, Robert w. principles of welding: processes, physics, chemistry and metallurgy. New York:
john wiley, 1999.
24
4.5. DESCRIPCIÓN DE LAS REGIONES METALÚRGICAS
Zona de fusión (ZF): es aquella en donde el material se transformó completamente
a su estado líquido, es decir la temperatura supero el punto de fusión (para
materiales puros) o la línea de líquidos (para aleaciones).
Zona parcialmente fundida (ZPF): esta región es observada únicamente en las
aleaciones metálicas. En ella, parte del material paso a estado líquido
(sobrepasando la línea de solido de la aleación).
Zona afectada térmicamente (ZAT): en este lugar el material se mantiene en estado
sólido. Sin embargo, la temperatura alcanzo un nivel en el cual se produjeron
cambios en la microestructura del material. Entre ellos se encuentra: la
trasformación y aparición de nuevas fases (atreves de reacciones en estado sólido),
la precipitación de compuestos (tales como carburos fases intermetalicas), el sobre
envejecimiento de las aleaciones endurecidas por precipitación y algunas
variaciones en el tamaño del grano del metal.
Metal base (MB): Se define como las regiones en donde el aumento de la
temperatura no logro producir ningún cambio microestructural en la aleación.
25
4.6. DIAGRAMA TTT PARA EL ACERO AISI SAE 1045
Existen dos tipos de diagramas, éstos corresponden a las condiciones en la que
se llevarán a cabo los procesos de tratamientos térmicos, de tal manera que
posibiliten la correcta selección de las condiciones, la interpretación correcta y
precisa del curso de las transformaciones y las condiciones en las cuales estas
transformaciones tomarán lugar.
Por tanto se construye un diagrama TTT continuo para el acero AISI SAE 1045
ya que en el proceso de enfriamiento la temperatura varía permanentemente.
Se muestra en la figura 4 el diagrama TTT para el acero AISI SAE 1045.
26
FIGURA 4. DIAGRAMA TTT PARA UN ACERO AISI SAE 104510
4.7. MICROSCOPIO Y PRUEBAS METALOGRÁFICAS
La metalografía estudia la estructura microscópica de los metales y sus aleaciones.
Antes de observar un metal al microscopio, es necesario acondicionar la muestra
de manera que quede plana y pulida. Plana, porque los sistemas ópticos del
microscopio tienen muy poca profundidad de campo y pulida porque así
10 http://www.metalravne.com/steelselector/steels/CK45.html
27
observaremos la estructura del metal y no las marcas originadas durante el corte u
otros procesos previos.
Se caracteriza porque la imagen observada se produce por la reflexión de los haces
luminosos sobre la probeta metalográfica. Todas las operaciones descritas en la
preparación metalográfica tienen por objeto revelar, en la superficie de la probeta
los constituyentes estructurales para ser observadas.
4.7.1. PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL
Es uno de los métodos de ensayo por penetración. Se utiliza tanto en materiales
blandos como duros, siendo los penetradores, bolillas de acero endurecido o conos
de diamante industrial. El ensayo consiste en aplicar dos cargas, una consecutiva a
la otra, la primera llamada carga inicial (po) y la segunda carga adicional (pad.) la
dureza rockwell se basa en el incremento de la penetración debido a la carga
adicional una vez eliminada la misma. La norma que se utiliza para realizar esta
prueba es la ASTM E18.
4.7.2. PRUEBA DE MICRODUREZA
Este ensayo consiste en generar una huella muy pequeña para medir la dureza de
muestras de pequeño tamaño. Esto se hace aplicando cargas muy pequeñas. Los
ensayos de microdureza son ensayos de precisión y para este tipo de ensayos, la
carga aplicada varía entre 1 y 1000 grf. La principal característica es que necesitan
28
una gran preparación superficial del material a probar, llegando al pulido
metalográfico, también denominado acabado espejo y su norma bajo la cual se rige
es la ASTM E384.
4.8. CORROSIÓN
4.8.1. DEFINICIÓN
La naturaleza electro química de la corrosión puede entenderse como el incremento
de la valencia química o producción de electrones de un elemento, conocido como
ánodo, que interactúa con otro elemento llamado cátodo, el cual presenta
simultáneamente una disminución en la valencia o un consumo de electrones. Esto
también es conocido como oxido-reducción. Esto se ilustra por la interacción
química que sucede entre el Zinc y el Ácido Clorhídrico. Aquí un átomo de Zinc se
transforma en un ión de Zinc más dos electrones (El átomo de Zinc libera dos
electrones) y estos electrones, los cuales permanecen en el metal, son
inmediatamente consumidos durante el proceso de reducción de iones del
hidrógeno. Las ecuaciones que describen la reacción electroquímica son:
Zn Zn2 + 2e Oxidación (Reacción anódica)
2H+ 2e + H2 Reducción (Reacción Catódica)
29
4.8.2. CLASIFICACIÓN
La corrosión ocurre en muchas y muy variadas formas, pero su clasificación
generalmente se basa en uno de los tres siguientes factores:
1.- Naturaleza de la substancia corrosiva. La corrosión puede ser clasificada como
húmeda o seca, para la primera se requiere un líquido o humedad mientras que
para la segunda, las reacciones se desarrollan con gases a alta temperatura.
2.- Mecanismo de corrosión. Este comprende las reacciones electroquímicas o bien,
las reacciones químicas.
3.- Apariencia del metal corroído. La corrosión puede ser uniforme y entonces el
metal se corroe a la misma velocidad en toda su superficie, o bien, puede ser
localizada, en cuyo caso solamente resultan afectadas áreas pequeñas.
En el ataque microscópico, la cantidad de metal disuelto es mínimo y puede
conducir a daños muy considerables antes de que el problema sea visible. Los
diferentes tipos de corrosión se esquematizan en la figura 5, a continuación se
enuncia cada una de estas formas11.
30
FIGURA 5. DIFERENTES FORMAS DE CORROSIÓN11
Corrosión galvánica: Se presenta, cuando dos metales diferentes en contacto o
conectados por medio de un conductor eléctrico, son expuestos a una solución
conductora. En este caso, existe una diferencia en potencial eléctrico entre los
metales diferentes y sirve como fuerza directriz para el paso de la corriente eléctrica
a través del agente corrosivo, de tal forma que el flujo de corriente corroe uno de los
metales del par formado.
Corrosión por erosión: Cuando el movimiento del medio corrosivo sobre la superficie
metálica incrementa la velocidad de ataque debido a desgaste mecánico, este
recibe el nombre de corrosión por erosión. La corrosión por erosión, generalmente
tiene la apariencia de picaduras poco profundas de fondo terso y el ataque puede
presentar también una distribución direccional debido al camino seguido por el
agente agresivo cuando se mueve sobre la superficie del metal.
11 http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mgd/hernandez_m_js/capitulo1.pdf
31
Corrosión por agrietamiento: Las condiciones ambientales en una grieta, pueden
con el tiempo volverse muy diferentes de las existentes en una superficie limpia y
abierta, por lo que un medio ambiente muy agresivo puede desarrollar y causar
corrosión en las grietas.
La corrosión por agrietamiento, generalmente se atribuye a los siguientes factores:
- Cambios de acidez en la grieta o hendidura.
- Escasez de oxígeno en la grieta.
- Desarrollo de iones diferentes en la hendidura.
- Agotamiento de Inhibidor en la grieta.
Al igual que todas las formas de corrosión localizada, la corrosión por agrietamiento
no ocurre en todas las combinaciones metal-agente corrosivo, y algunos materiales
son más susceptibles para producirla que otros, como por ejemplo aquéllos que
dependen de las películas protectoras de óxido formadas por el aire para adquirir
su resistencia a la corrosión, tal y como sucede con el acero inoxidable y el titanio.
Estos materiales pueden ser aleados para mejorar su resistencia y el diseño deberá
hacerse de tal manera, que se reduzcan las hendiduras, tratando de mantener las
superficies limpias para combatir este tipo de corrosión.
Corrosión por picadura: Se presenta por la formación de orificios en una superficie
relativamente inatacada. La forma de una picadura es a menudo responsable de su
propio avance, por las mismas razones mencionadas en la corrosión por
agrietamiento, es decir, una picadura puede ser considerada como una grieta o
hendidura formada por sí misma.
32
Corrosión por exfoliación y disolución selectiva: La corrosión por exfoliación es una
corrosión subsuperficial que comienza sobre una superficie limpia, pero se esparce
debajo de ella y difiere de la corrosión por picadura en que el ataque tiene una
apariencia laminar. La corrosión por disolución selectiva se produce al efectuarse la
remoción de uno de los elementos de una aleación siendo el ejemplo más común
la eliminación del zinc en aleaciones de cobre-zinc, conocido con el nombre de
dezincificación. Este fenómeno corrosivo produce un metal poroso que tiene
propiedades mecánicas muy pobres y obviamente el remedio a este caso es el
empleo de aleaciones que no sean susceptibles a este proceso.
Corrosión intergranular o intercristalina: Para entender este tipo de ataque es
necesario considerar que cuando un metal fundido se cuela en un molde, su
solidificación comenzó con la formación de núcleos al azar, cada uno de los cuales
crece en un arreglo atómico regular para formar lo que se conoce con el nombre de
granos o cristales. Los límites de grano son a veces atacados preferencialmente por
un agente corrosivo y el ataque se relaciona con la segregación de elementos
específicos o por la formación de un compuesto en el límite. La corrosión
generalmente ocurre, porque el agente corrosivo ataca preferencialmente el límite
de grano o una zona adyacente a él, que ha perdido un elemento necesario para
tener una resistencia a la corrosión adecuada.
El fenómeno de límite de grano que causa la corrosión Inter cristalina, es sensible
al calor por lo que la corrosión de este tipo, es un subproducto de un tratamiento
térmico como la soldadura o el relevado de esfuerzos y puede ser corregido por otro
tipo de tratamiento térmico o por el uso de una aleación modificada11.
33
4.8.3. CORROSIÓN DE LAS SOLDADURAS EN ACEROS AL
CARBÓN
El aumento del carbono como recurso para aumentar la resistencia del acero trae
problemas de soldabilidad como consecuencia éstos aceros no presentan
soldabilidad sin comprometer su resistencia mecánica. Los aceros 1045 debido a
su alto contenido de carbono no son soldables por medios comunes sin
comprometer su resistencia. El aumento de temperatura en la zona de la soldadura
y su posterior enfriamiento “templa” el acero en las zonas próximas a la soldadura
produciendo fragilidad y falla por el típico caso de rotura en la zona próxima a la
soldadura. Existen aceros de medio carbono soldables, los cuales poseen aleantes
que evitan la fragilización, pero debe estar especificado el método de soldadura a
utilizar y si llevan o no precalentamiento.
4.8.4. ENSAYOS DE CORROSIÓN
Para poder estudiar y predecir los fenómenos de la corrosión en metales se han
desarrollado una gran cantidad de ensayos, tanto de laboratorio como de campo.
Tales pruebas cumplen una gran cantidad de propósitos, dentro de los que se
encuentran: evaluar el comportamiento de diversos componentes en condiciones
similares a las de servicio, comparar la resistencia a la corrosión de distintos
materiales para varios modos de ataque, etc. En este caso de estudio se basa en
ensayos de corrosión mediante exposición de niebla salina en una cámara como se
muestra en la figura 6, regida por la norma ASTM B117.
34
FIGURA 6. CÁMARA DE NIEBLA SALINA12
4.8.5. MÉTODOS DE EVALUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE
CORROSIÓN
El método utilizado tradicionalmente, es el de medida de la pérdida de peso. Este
método consiste en determinar la pérdida de peso que ha experimentado un
determinado metal o aleación en contacto con un medio corrosivo.
Las unidades más frecuentemente utilizadas para expresar esa pérdida de peso
son: miligramos decímetro cuadrado día (mdd), milímetros por año (mm/año),
pulgadas por año o milipulgadas por año (mpy, abreviatura en inglés). Así podemos
evaluar mediante una serie de ensayos previos, la pérdida de peso de dos aceros
en el mismo medio agresivo y obtendremos una idea de qué material se podrá
12 http://www.upc.edu/sct/es/equip/511/camara-niebla-salina.html
35
emplear con mayores garantías o que vida útil tiene el material que se va a emplear
si está sometido a una condición ambiental conocida13.
Para este caso se presenta el método de análisis MPY (pulgadas por año) cuyo
cálculo está dado por la ecuación 1.
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 = 𝐾𝑊
𝐴𝑇𝐷
Ecuación 1.
Donde W es la masa perdida después del tiempo de exposición, D y A representan
la densidad y el área de la muestra, respectivamente y K es una constante cuya
magnitud depende del sistema de unidades utilizado. La velocidad de corrosión se
expresa en milímetros por año (mm/a) o milésimas de pulgada por año (mpa). En el
primer caso, K =87.6 y W, D, A y T se expresan en miligramos, gramos por
centímetro cubico, centímetros cuadrados y horas. En el segundo caso, K=534 y las
unidades de los otros parámetros son los mismos que para milímetros por año,
excepto A que se expresa en pulgadas cuadradas14.
13 http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/09/htm/sec_9.html
14 William D. Callister, Jr. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales 2, editorial
Reverté, Barcelona. España, Julio de 2007.
36
5. MATERIALES Y METODOS
El proceso para el desarrollo del proyecto consistió de los siguientes pasos:
5.1. FABRICACIÓN DE PROBETAS
En esta parte del proyecto se consiguió el material certificado, un acero al carbón
AISI SAE 1045, las probetas fueron fabricadas en el taller de soldadura de la
universidad Distrital Francisco José de Caldas por el encargado del laboratorio
según la norma AWS D1.1 utilizando un electrodo recomendado para aceros al
carbono como lo es el E-7018. Se observan los tres tipos de muestras que se
conformaron en la figura 7.
FIGURA 7. CONFORMACION DE MUESTRAS POR MEDIO DEL PROCESO DE SOLDADURA
37
5.2. ANÁLISIS TERMOGRÁFICO
En este análisis se tomaron fotografías con una cámara termográfica de referencia
FLIR T620 mostrada en la figura 8, haciendo tomas cada 20 segundos durante un
promedio de 20 a 30 minutos por junta soldada. Las condiciones para realizar la
prueba y para que los datos arrojados por la cámara termografica fueran veraces
fueron los siguientes:
- Emisividad del acero 1045 (ε): 0.79
- Humedad relativa : 61 %
- Temperatura atmosférica del laboratorio: 22 ° C
- Temperatura externa del laboratorio: 20 ° C
FIGURA 8. CAMARA TERMOGRAFICA FLIR T620
38
Las imágenes tomadas se analizaron en el software FLIR compatible, midiendo la
temperatura alcanzada en la zona MB, ZAT Y ZF para cada probeta y se sacaron
las curvas de enfriamiento mostradas en las figuras 10,12 y 14.
5.3. PRUEBAS METALOGRAFICAS
5.3.1. CORTE DE LA MUESTRA
El corte es un proceso en el que se produce calor, por fricción, y se raya el metal.
Si el corte es muy agresivo, no el metal que queremos estudiar sino la estructura
resultante de la transformación sufrida por el mismo. Para reducir estos efectos al
mínimo, hay que tener en cuenta las siguientes variables: lubricación, corte a bajas
revoluciones y poca presión de la probeta sobre el disco de corte.
Las cortadoras metalográficas están provistas de sistemas de refrigeración,
regulación de la velocidad de giro del disco y de la presión de corte.
5.3.2. DESBASTE
Durante el proceso de desbaste se eliminaron gran parte de las rayas producidas
en el corte. Se realizaron con lijas de diversos calibres cada vez más finos, en este
caso se usaron las siguientes referencias de lijas de agua:
180, 220, 360, 600, 800, 1000 y 1200.
39
Cada vez que se cambió la lija, es importante limpiar muy bien la probeta con agua
abundante para eliminar los posibles restos de partículas del papel abrasivo
anterior, así se evitó que se produjeran rayas por partículas que hayan podido
quedar del proceso. Girando la probeta 90° cada vez que se cambia a una lija más
fina.
5.3.3. PULIDO
Se realizó con paños especiales, Como abrasivo, se puede utilizar polvo de
diamante o alúmina. En este caso se usó alúmina mezclado con agua.
En el pulido apenas hay arranque de material y lo que se pretende es eliminar todas
las rayas producidas en procesos anteriores. El pulido finalizo cuando la probeta en
su zona de observación al microscopio era un espejo perfecto.
5.3.4. ATAQUE QUÍMICO O ELECTROLÍTICO
El ataque químico puso en manifiesto la estructura del metal ya que ataco los bordes
de los granos y afecto de manera diferente a las distintas fases presentes en el
metal.
Para cada metal y aleación se utiliza un reactivo de ataque diferente. En el caso del
acero que se utilizó es el NITAL, que se preparó disolviendo ácido nítrico al 2% en
etanol.
40
5.3.5. MICROSCOPIO METALOGRÁFICO
Luego de realizar todos los procesos de preparación de las muestras como el corte
y el pulido hasta obtener brillo de espejo en la zona de estudio, se realizó en el
laboratorio de metalografía de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas la
toma de fotografías digitales de cada tipo de junta con un microscopio óptico , con
el fin de observar micro estructuralmente el material para determinar los
componentes que estaban presentes en las probetas. El procedimiento fue tomar
cinco fotos por cada tipo de muestra con los siguientes aumentos 50X, 100X, 200X,
500X y 1000X de tal forma que se observaran las zonas cercanas al cordón de
soldadura aplicado.
5.3.6. PRUEBA DE DUREZA ROCKWELL NORMA ASTM E18
Este ensayo se realizó en el laboratorio de metalografía de la universidad Distrital
Francisco Jose de Caldas regido bajo la norma ASTM E18, consistió en generar
una deformación plástica con una carga e indentador estandarizado, el valor de la
dureza dependió de la profundidad de la muesca que se generó en el material.
En la prueba de durómetro todas las mediciones fueron en rockwell B con las
siguientes especificaciones:
- Carga del ensayo: 100Kg
- Tipo indentador: Esférico
- Tiempo de carga: 10 seg
- Indentación: Cada 3 mm
41
5.3.7. PRUEBA DE MICRODUREZA NORMA ASTM E384
Para este caso se realizó la prueba de microduerza vickers tomando como base la
norma ASTM E384 haciendo indentaciones cada 2 mm de modo que atravesara el
material base (MB), la zona de fusión (ZF) y la zona afectada por el calor.
La prueba se realizó bajo las siguientes especificaciones:
- Carga de la prueba: 980.7 mN
- Precisión del equipo: 0.1 H.V
- Tiempo de carga por indentación: 30seg
- Mediciones cada: 2mm
5.4. PRUEBA DE CÁMARA DE NIEBLA SALINA
Este ensayo se realizó en la cámara de niebla salina del laboratorio de química de
la universidad Nacional, consistió en exponer las probetas de cada tipo de junta a
un ambiente altamente corrosivo bajo la norma ASTM B-117, este proceso involucro
el pulverizado de una solución salina sobre las muestras a ensayar. Esto se hizo en
una cámara con temperatura controlada la cual se mantuvo a 35°C. El ambiente
corrosivo generado fue una solución salina al 5% de cloruro de sodio en forma de
una niebla muy delgada sobre las muestras, en este caso se realizó por un periodo
42
de 100 horas durante las cuales se tomaron mediciones cada 24, 48, 72 hasta la
totalidad de horas con una inclinación de las muestras entre 15 y 30 grados con
respecto a la vertical. Como el pulverizado fue continuo, las muestras estuvieron
húmedas frecuentemente garantizando la corrosión constante.
En la tabla 2 se muestran las consideraciones tomadas para el método del ensayo.
Preparación de las muestras
Desengrase de las muestras con etanol 96%
Normas o especificación aplicable
ASTM B117
Desviación, adiciones o exclusiones de la norma o especificación.
Ninguna
TABLA 2. MÉTODOS PREVIOS AL ENSAYO DE CORROSIÓN
Se presentan en la tabla 3 los datos importantes para el desarrollo del ensayo de
cámara de niebla salina.
Reactivos Agua destilada: conductividad 3,15 µS/cm; pH 6,91 ,Cloruro de sodio R.A.
Solución salina condensada Volumen promedio 26,25 ml. pH. min. 6,77, máx. 6,88. Gravedad específica: min. 1,026, máx. 1,029.
Temperatura de cabina (°C) Min. 34.8 Máx. 35,2.
TABLA 3. DATOS IMPORTANTES DEL ENSAYO DE CORROSION
43
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS
6.1. PRUEBA DE SOLDADURA Y CÁMARA TERMOGRAFÍCA
Se analizó cada fotografía en tres sitios específicos de cada muestra como lo son
el material base (MB), la zona afectada térmicamente (ZAT), y la zona de fusión
(ZF) como lo muestran las figuras 9, 11 y 13, sacando las gráficas de tiempo vs
temperatura representadas respectivamente en las imágenes 10, 12 y 14 en donde
se obtuvieron las curvas de enfriamiento, observando un enfriamiento continuo en
la ZF y la ZAT pero encontrando un sobresalto en la zona MB debido a que esta
región de la junta al estar retirada del cordón tarda en calentarse y así llegar al punto
de nivelación con las demás zonas para poder realizar su proceso de enfriamiento
uniformemente.
FIGURA 9. FOTOGRAFÍA TÉRMICA JUNTA T.
44
FIGURA 10. GRAFICA TEMPERATURA VS TIEMPO JUNTA T.
FIGURA 11. FOTOGRAFÍA TÉRMICA JUNTA A TRASLAPE.
0
100
200
300
400
500
600
700
0:00:00 0:07:12 0:14:24 0:21:36 0:28:48 0:36:00
TEM
PER
ATU
RA
TIEMPO
JUNTA EN T
t1 (ZF) t2 (ZAT) t3 (MB)
45
FIGURA 12. GRAFICA TÉRMICA JUNTA A TRASLAPE.
FIGURA 13. FOTOGRAFÍA TERMOGRAFICA JUNTA A TOPE.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 500 1000 1500 2000
TEM
PER
ATU
RA
TIEMPO
JUNTA TRASLAPE
t1 (ZF) t2 (ZAT) t3 (MB)
46
FIGURA 14. GRAFICA TÉRMICA JUNTA A TOPE.
6.2. MICROSCOPIO METALOGRÁFICO
Como se puede ver en las imágenes 15, 16 y 17 a continuación mostradas, en las
zonas MB se observa una microestructura de perlita que se forma por laminas
alternas de las dos fases (ferrita y cementita) esto ocurre por el enfriamiento lento
del acero a temperatura eutectoide por debajo de los 720 ºC, las capas delgadas
claras son de ferrita y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. En
la ZAT y en la ZF se puede detallar la formación de bainita debido a la
transformación isotérmica de la austenita, esto se debe al rápido enfriamiento de la
austenita después de haber llegado a la temperatura generada por el arco eléctrico
la cual alcanza temperaturas aproximadamente de 5500°C.
0
100
200
300
400
500
600
700
0:00:00 0:07:12 0:14:24 0:21:36 0:28:48
TEM
PER
ATI
RA
TIEMPO
JUNTA TOPE
t1 (ZF) t2 (ZAT) t3 (MB)
47
FIGURA 15. FOTOGRAFÍA JUNTA A TOPE X 200 AUMENTOS.
FIGURA 16. FOTOGRAFÍA JUNTA A TRASLAPE X 200 AUMENTOS.
48
FIGURA 17. FOTOGRAFÍA JUNTA T A X 200 AUMENTOS.
6.3. DUREZA ROCKWELL
Se tomaron los datos de dureza HRB norma ASTM E18 proporcionados
directamente en la pantalla de la máquina y se registraron en las tablas 4, 5 y 6 para
cada tipo de junta.
En la prueba de durómetro todas las mediciones fueron en rockwell B con las
siguientes especificaciones:
- Carga del ensayo: 100Kg
- Tipo indentador: Esférico
- Tiempo de carga: 10 seg
- Indentación: Cada 3 mm
49
JUNTA A TOPE ROCKWELL (HRB) ZONA
1 92.6 MB
2 92.4 MB
3 94.3 MB
4 95.4 ZAT
5 87.9 ZF
6 93.6 ZAT
7 88.2 MB
8 89.2 MB
9 88.3 MB
TABLA 4. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA A TOPE
JUNTA A
TRASLAPE
ROCKWELL (HRB) ZONA
1 90.7 ZF
2 74.8 ZAT
3 91.3 MB
4 90.5 MB
5 88.7 MB
6 90.0 MB
7 88.0 MB
8 94.8 ZF
9 60.2 ZAT
10 92.6 MB
11 90.8 MB
12 89.7 MB
50
13 89.1 MB
14 90.8 MB
15 90.1 MB
TABLA 5. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA A TRASLAPE
JUNTA T ROCKWELL (HRB) ZONA
1 91.0 ZF
2 98.0 ZAT
3 90.6 MB
4 91.0 MB
5 90.1 MB
6 90.1 MB
7 91.5 ZF
8 90.1 MB
9 90.3 MB
10 92.4 MB
11 108.1 MB
TABLA 6. MEDICIONES DE DUROMETRO EN JUNTA T
Se observa en los datos de las tablas 4, 5 y 6 que para la junta en T y a tope la zona
afectada térmicamente (ZAT) fue la que presentó los mayores valores de dureza,
seguida de las zonas del material base (MB) y de fusión (ZF) presentando valores
menores, mientras que para la junta a traslape sucedió lo contrario, la ZAT fue la
que menores valores de dureza tomó y bastantemente alejados de lo obtenido en
las zonas MB Y ZF, cuyos datos no tienen variación significativa.
51
6.4. PRUEBA DE MICRODUREZA
Se registraron los datos de microdureza vickers norma ASTM E384 en las tablas 7,
8 y 9 para cada tipo de junta mostrados directamente en la pantalla de la máquina.
La profundidad máxima obtenida en estos ensayos fue menor a 0.019 mm.
JUNTA A TOPE VICKERS ZONA
1 293 MB
2 303 MB
3 347 ZAT
4 329 ZAT
5 381 ZAT
6 252 ZF
7 264 ZF
8 276 ZF
9 332 ZAT
10 319 ZAT
11 271 MB
TABLA 7. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA A TOPE
JUNTA A TRASLAPE VICKERS ZONA
1 288 ZF
2 296 ZF
3 428 ZAT
52
4 388 ZAT
5 342 ZAT
6 299 MB
7 303 MB
8 261 ZF
9 258 ZF
10 298 ZAT
11 320 ZAT
12 280 MB
13 267 MB
TABLA 8. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA A TRASLAPE
JUNTA EN T VICKERS ZONA
1 324 ZF
2 313 ZF
3 334 ZF
4 298 ZAT
5 283 ZAT
6 269 MB
7 309 ZF
8 316 ZF
9 275 ZF
10 372 ZAT
11 271 MB
12 274 MB
13 271 MB
TABLA 9. MEDICIONES DE MICRDUROMETRO EN JUNTA T
53
Analizando las tabla 7,8 y 9 los tres tipos de juntas en el MB tienen un rango de
dureza vickers entre 267-303, para la ZAT se encuentra en un rango de dureza de
283-428 y para la ZF se registró un rango de microdureza entre 252-372, teniendo
en cuenta estos resultados de microdureza y comparándolos con los valores
teóricos de los componentes metalográficos definimos que en el MB hay presencia
de perlita cuya dureza vickers es de 205. Para la ZAT y la ZF con presencia de
austenita transformada en bainita su valor de dureza es de 305 vickers
aproximadamente. Estos datos sumados a los análisis obtenidos en la prueba de
microscopio permiten corroborar la presencia de los componentes mencionados.
Según los valores registrados para la prueba de microdureza, se observa en las tres
muestras que la zona afectada térmicamente (ZAT) tiene mayor dureza en
comparación con la zona del material base y con la zona de fusión que presenta los
puntos más blandos del material.
Se muestran en las figuras 18, 19 y 20 las probetas en te, tope y traslape
respectivamente utilizadas para el ensayo de dureza y microdureza en donde se
aprecian claramente el recorrido de las indentaciones realizadas a través de las
diferentes zonas.
54
FIGURA 18. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y MICRODUREZA PARA JUNTA T
FIGURA 19. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y MICRODUREZA PARA JUNTA TOPE
55
FIGURA 20. INDENTACIONES PRODUCIDAS PRUEBA DUREZA Y MICRODUREZA PARA JUNTA
TRASLAPE
6.5. PRUEBA DE CORROSION
6.5.1. SEGUIMIENTO DEL ENSAYO Se introdujeron dentro de la cámara de niebla salina dos muestras por cada tipo de
junta para comparar resultados y se presentan en la tabla 10 los valores tomados
durante las cien horas de prueba.
56
Tiempo (Horas)
Tc (°C)
Solución salina condensada
1° 2° V(mL)
pH
Gravedad especifica
24 34.8 35.2 27 6.88 1.029
48 34.9 35.0 29 6.77 1.026
72 35.1 35.2 25 6.80 1.027
100 35.0 34.9 24 6.82 1.027
TABLA 10. MEDICIONES DURANTE EL ENSAYO DE NIEBLA SALINA
A continuación se muestran las probetas antes y después de ser sometidas a la
prueba de corrosión y el porcentaje de ataque observado para cada tipo de junta.
FIGURA 21. FOTOGRAFÍA JUNTA T ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO DE CORROSION
57
TIEMPO (Horas) OBSERVACIONES
24 Ataque corrosivo en 50% del área expuesta
48 Ataque corrosivo en 75% del área expuesta
72 Ataque corrosivo en 75% del área expuesta
100 Ataque corrosivo en 100% del área expuesta
TABLA 11. OBSERVACIÓN DEL PROCESO DE CORROSIÓN DE JUNTA EN T.
FIGURA 22. FOTOGRAFÍA JUNTA TRASLAPE ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO DE CORROSION
TIEMPO (Horas) OBSERVACIONES
24 Ataque corrosivo en 50% del área expuesta
48 Ataque corrosivo en 75% del área expuesta
72 Ataque corrosivo en 90% del área expuesta
100 Ataque corrosivo en 90% del área expuesta
TABLA 12. OBSERVACIÓN DEL PROCESO DE CORROSIÓN DE JUNTA A TRASLAPE.
58
FIGURA 23. FOTOGRAFÍA JUNTA TOPE ANTES Y DESPUES DEL ENSAYO DE CORROSION.
TABLA 13. OBSEVACION DEL PROCESO DE CORROSIÓN DE JUNTA A TOPE.
TIEMPO (Horas) OBSERVACIONES
24 Ataque corrosivo en 50% del área expuesta
48 Ataque corrosivo en 75% del área expuesta
72 Ataque corrosivo en 90% del área expuesta
100 Ataque corrosivo en 90% del área expuesta
59
6.5.2. CÁLCULO DE VELOCIDAD DE CORROSIÓN
Para determinar la velocidad de corrosión de cada muestra se utilizó el cálculo de
mpy (pulgadas por año), para esto se midió la pérdida de peso que las probetas
sufrieron al finalizar la prueba de corrosión y se registraron los datos. Las muestras
fueron limpiadas después del ensayo con agua destilada para remover la solución
salina condensada y se dejaron secar para obtener una lectura precisa. El
instrumento de medida fue una balanza de referencia PCE-LS 3000, el cual nos
brindó una precisión de ± 0.01 gr y su capacidad de medida era hasta 3000 gr.
Se presentan en la tabla 14 los datos registrados para calcular las pulgadas
perdidas por año (mpy) de cada tipo de junta, para esto se registró la pérdida de
peso que las probetas sufrieron al finalizar la prueba de corrosión.
TIPO DE
MUESTRA
PESO INICIAL
(gr)
PESO FINAL
(gr)
DIFERENCIA DE
PESO (gr)
TE 550.31 549.98 0.33
TOPE 560.60 560.21 0.39
TRASLAPE 540.72 540.41 0.31
TABLA 14. DATOS PARA CALCULAR LA PERDIDA DE PESO POR AÑO
Cálculos:
Los cálculos realizados se basaron en la ecuación 1 y se reemplazó según los datos
obtenidos en cada tipo de junta.
60
Junta a tope
A= 53.55 cm2 ≈ 8.300 in2
T = 100 h
D= 7870 Kg/m3 ≈ 7.87 gr/cm3
W= 0.39 gr ≈ 0.39 x 10 -3 mgr
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 = 534(0.39 x 10−3)
(8.3)(100)(7.87)
= 0.0318825 𝑥 10−3 mpy
Junta T
A= 40.95 cm2 ≈ 6.348 in2
T = 100 h
D= 7870 Kg/m3 ≈ 7.87 gr/cm3
W= 0.33 gr ≈ 0.33 x 10 -3 mgr
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 = 534(0.33 x 10−3)
(6.348)(100)(7.87)
= 0.035273 𝑥 10−3 mpy
61
Junta traslape
A= 41.76 cm2 ≈ 6.474 in2
T = 100 h
D= 7870 Kg/m3 ≈ 7.87 gr/cm3
W= 0.31 gr ≈ 0.31 x 10 -3 mgr
𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖ó𝑛 = 534(0.31 x 10−3)
(6.474)(100)(7.87)
= 0.032490 𝑥 10−3 mpy
La pérdida de material por año debido a la corrosión producida por un ambiente
salino según los cálculos anteriores, no es muy significativo ni presenta diferencias
altas en la velocidad de corrosión para los diferentes tipos de juntas.
62
7. CONCLUSIONES Y ANALISIS
De acuerdo con los valores registrados de dureza y microdureza el material de
aporte (ZF) fue el que registro los menores valores de dureza en comparación con
las demás zonas, mientras que la zona afectada térmicamente (ZAT) registró los
valores más altos lo cual concluye que el calentamiento al que fue sometido el
material base (MB) en el proceso de soldadura cambio las propiedades mecánicas
del material mejorando su dureza.
La junta en T tuvo mayor pérdida de masa frente a la junta a tope y traslape, sin
embargo, esta diferencia es mínima, por ende, el enfriamiento que se produjo en los
tres tipos de junta no muestra un cambio significativo respecto a la resistencia a la
corrosión.
Analizando las imágenes metalográficas se observó que en las zonas MB hay
presencia de perlita que está compuesta de ferrita y cementita, las capas delgadas
claras son de ferrita y la cementita aparece como láminas delgadas más oscuras,
mientras que en la ZAT y la ZF se observó la formación de bainita debido a la
transformación de la austenita esto se debe al rápido enfriamiento de la austenita
después de haber llegado a la temperatura generada por el arco eléctrico la cual
alcanza temperaturas aproximadamente de 5500°C.
Las tres probetas tuvieron velocidades de enfriamiento similares, por lo cual, el tipo
de junta no influyo en el comportamiento que tienen frente a la perdida de calor.
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Las tres muestras presentaron una curva de enfriamiento similar, generando que se
obtuvieran microestructuras idénticas en todas las probetas ya que se trata del
mismo material.
Analizando el diagrama TTT por medio de las velocidades de enfriamiento
obtenemos componentes de ferrita más perlita, mientras que en las imágenes
metalográficas observamos estos componentes más bainita en ZF y ZAT, esto fue
debido a que no alcanzamos a apreciar la temperatura desde que se produjo el arco
eléctrico debido a la sensibilidad de la cámara, por lo cual se obtuvieron velocidades
menores a las reales y solo lo pudimos apreciar en las imágenes metalográficas
mas no en el diagrama TTT.
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8. GLOSARIO
Termografía: Es una técnica que permite calcular temperaturas a distancia, con
exactitud y sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar. Permite captar
la radiación infrarroja del espectro electromagnético, utilizando cámaras
termográficas que detectan la emisividad del material convirtiendo la energía
radiada en valores de temperaturas15.
Emisividad: Es la proporción de radiación térmica emitida por una superficie u
objeto debida a una diferencia de temperatura con su entorno. La emisividad
direccional se define como la razón entre la intensidad emitida por la superficie en
una dirección particular y la intensidad que sería emitida por un cuerpo negro a la
misma temperatura y longitud de onda16.
Metalografía: Es el estudio microscópico de las características estructurales de
un metal o aleación. Es posible determinar el tamaño de grano, y el tamaño, forma
y distribución de varias fases e inclusiones que tienen efecto sobre las propiedades
mecánicas del metal17.
15 http://es.wikipedia.org/wiki/Termograf%C3%ADa
16 http://lexicoon.org/es/emisividad
17 http://www.cyti.com.mx/analisis_metalografico.asp
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Ferrita: Es el constituyente más blando del acero. Es una solución sólida
intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite
hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide18.
Perlita: Por definición es un constituyente eutectoide formado por capas
alternadas de ferrita y cementita. Puede ser gruesa, normal o fina, las características
que las diferencian así son su distancia interlaminar promedio y sus durezas19.
Cementita: Es un constituyente de los aceros, y otras aleaciones férreas como
las fundiciones blancas, que aparece cuando el enfriamiento de la aleación sigue el
diagrama metaestable Fe-Fe3C en vez de seguir el diagrama estable hierro-grafito.
La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono, y es un compuesto intermetálico
de inserción. Si bien la composición química de la cementita es Fe3C, la estructura
cristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono
por celda.
Martensita: Es el nombre que recibe la fase cristalina BCC, en aleaciones
ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión,
a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. Por
18 http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/ferrita.html
19 http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/posadas/trabajos/0501.pdf
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extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una
transformación sin difusión de materiales metálicos.
Mezcla eutectoide: Es la mezcla que parte del estado sólido, formándose otra
en estado sólido como mezcla de cada uno de los componentes. Cuando el sólido
de la composición eutectoide se enfría lentamente hasta la temperatura eutectoide,
la fase simple sólida se transforma simultáneamente en dos formas sólidas
(soluciones sólidas α y β)20.
Indentación: Muesca, escotadura o depresión que se hace en la superficie
de un objeto por medio de un indentador21.
20 http://cienciaymateriales.blogspot.com/2013/04/35-concepto-de-eutectoide.html
21 http://www.onsalus.com/index.php/diccionario/indentacion/16124
67
9. BIBLIOGRAFIA
ASTM. ASTM B117 – 09 Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog)
Apparatus. West Conshohoken: ASTM International, 2009.
ASTM G1-03 Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test
Specimens: ASTM international, 2003.
BARREIRO, José Apraiz. Tratamientos Térmicos De Los Aceros, 8 edición, dossat,
s.a. 1984.
"Aleaciones especiales aplicables a las condiciones ambientales en la zona del
Puerto de Guayaquil". Disponible en
<http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/7628/1/Aleaciones%20esp
eciales%20aplicables%20a%20las%20condiciones%20ambientales%20en%20la
%20zona%20del%20Puerto%20de%20Guayaquil.pdf>
"Estudio de la corrosión atmosférica del acero al carbono y sus productos de
corrosión mediante el empleo de técnicas electroquímicas, difracción de rayos x y
microscopía electrónica". Disponible en
<http://www.fulp.ulpgc.es/files/webfm/File/web/publicaciones/vectorplus/articulos/v
p25_05_articulo02.pdf>
68
"Corrosión, problemas asociados a la corrosión". Disponible en
<http://www.mafrasa.biz/Corrosion.html>
"Análisis del comportamiento a fatiga de un acero AISI 1045 en un ambiente de jugo
de caña de azúcar". Disponible en
<http://eime.univalle.edu.co/articulos/2005/2005-
Analisis%20del%20comportamiento%20de%20Acero%20AISI1045%20en%20jugo
%20de%20cana.pdf>
"Corrosión". Disponible en
<http://hipotesis.uniandes.edu.co/hipotesis/images/stories/ed04pdf/Corrosion.pdf>
CASTRO, Gabriel Mauricio. "evaluación de la influencia de la entrada de calor en
juntas soldadas en acero inoxidable AISI 316L". Tesis universidad de los andes.
Disponible en <http://biblioteca.uniandes.edu.co/Tesis_120112200/531.pdf?>
ZUÑIGA, Eduardo Camilo. "comportamiento del acero A588 a la corrosión en juntas
soldadas". Tesis universidad de los andes. Disponible en
< http://biblioteca.uniandes.edu.co/Tesis_12010_segundo_semestre/86.pdf? >
"Influencia de los cordones de soldadura sobre la resistencia a la corrosión del acero
apil5lx – 52, en agua sedimentada de crudo de petróleo.”. Disponible en
<http://www.materiales-sam.org.ar/sitio/biblioteca/posadas/trabajos/0203.pdf>
69
"Cátedra Materiales II Corrosión”. Disponible en
<http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Apunte%20Corrosion.pdf>
"Aceros:Aleaciones Hierro-Carbono". Disponible en.
<http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%
20acero.htm>
"Clasificación De Los Aceros". Disponible en
< http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html >
"Corrosión Y Protección”. Disponible en
<http://www.acesco.com/acesco/boletines/docs/notiacesco3.pdf >
William D. Callister, Jr. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales 2,
editorial Reverté, Barcelona. España, Julio de 2007.
http://www.utp.edu.co/~publio17/aceros.htm#perlita