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Tema: Introducción a la Metalurgia de la Soldadura

Por: Pablo Andrés Aylas Peralta

• Método de fabricación – Relativa Importancia

- Contenido en N (Elevado %) – Presenta Baja Ductilidad

- Otras Impurezas (S y P) – Efectos Perjudiciales (<0.05% en Peso)

FABRICACION DEL ACERO

•Partiendo de los Minerales de Hierro – Obtienen ACERO utilizado en la Industria

•A partir de la Chatarra (Reciclando el Acero) – ACEROS ESPECIALES

•REDUCCION – Descomponer los oxidos : Separar el oxigeno del Hierro

•Elementos que no se Reducen – Pasan totalmente a la escoria

•Elementos que parcialmente se reducen – Parte que se reduce pasa al arrabio y parte que no se reduce pasa a la escoria

•Elementos que fácilmente se reducen – Reducen con mayor facilidad que el hierro y pasan en su totalidad al arrabio

•Arrabio – Mejor y mas apreciado cuanto menor sea su %S

•%C: 3 – 4%

•Arrabio Gris – Alto Si•Arrabio Blanco – Bajo Si

Se Pueden Obtener por 2 Caminos:1º Camino :

2º Camino :

•Fabricacion de acero implica – Eliminar las impurezas del arrabio o chatarra

•Procesos en los que el calor necesario se obtiene mediante gas o energia electrica – HORNOS (Carga Principal CHATARRA)

•Procesos donde el calor se consigue por medio de Raccion Directa – CONVERTIDORES (Carga Principal ARRABIO)

•Convertidor Bessemer: ACIDO – Primero mediante la inyeccion de aire

•Convertidor Thomas: BASICO – Con Revestimiento y Fundente Basico

•Proceso Martin – Siemens – Tendencia a desaparecer, Causa Fundamental Gasto en Energia

•Convertidor LD – Acero de Alta Calidad: %N: 0.002 – 0.005

•Hornos Electricos – Empleado para la fabricación de aceros de alta calidad (Aceros Inoxidable, Aceros para Herramientos, etc)

•Ventajas:

•Menores costos de instalacion•Rendimientos superior a los otros procesos•Manejo Facil y ocupa menos espacio•Empleo de temperaturas elevadas

•Acabado se refiere a tres aspectos:

•Adicion de elementos aleantes•Desoxidacion (Eliminar el oxigeno o sus compuestos) – Calmados / Semicalmados / Efervecentes

•Carburizacion (Aumento del contenido de Carbono)

ALTO HORNO• Pellets• Coque• Fundente• Aire

CONVERTIDOR• Arrabio • Chatarra• Fundente• Oxigeno

HORNO ELECTRICO• Arrabio • Chatarra• Fundente

Proceso de: • REDUCCION

Proceso de: • OXIDACION

Proceso de: • OXIDACION Y REDUCCION

PLANTA DE ARRABIO

PLANTA DE ACERO

ENSAYOS MECANICOS

Resistencia Mecanica Capacidad de un material para soportar cargas sin llegar hasta rotura

Se mide en forma directa mediante el ensayo de traccion

Valores Caracteristicos – Limite de Fluencia y Resistencia a la traccion

No es posible medir – Limite convencional de fluencia (0.2%)

ENSAYOS MECANICOS

Ductilidad Capacidad de un material para aceptar deformación plastica

Se mide en un ensayo de traccion mediante el alargamiento de rotura y mediante la estriccion de rotura

Modulo de Elasticidad – Pendiente de la curva Tension-Deformacion en la zona elastica

ENSAYOS MECANICOS

Tenacidad Capacidad de un material para obserber energia antes de la fractura

Condiciones Estaticas – Area Bajo la curva esfuerzo – Deformacion

Dureza Resistencia de un material a dejarse penetrar por otro mas duro

Se entiende como la medida de la resistencia de un material a la deformación plastica localizada

ENSAYOS MECANICOS

Energia de Impacto Se mide mediante el ensayo de impacto – Ensayo de Impacto Charpy

Ensayo de Doblado Ensayo tecnologico que sirve para evaluar la aptitud de un material para soportar deformación plastica sin fisuarse, en un proceso de plegado (por lo general a 180º)

ESTRUCTURA Y PROPIEDADES

Existen esencialmente 3 Propiedades Fisicas principales de los metales

– Formabilidad– Resistencia sin fragilidad (Tenacidad)– Propiedades eléctricas y magnéticas

ELEMENTOS DE CRISTALOGRAFIA

Materiales Metálicos– Se caracterizan

por tener enlaces metálicos

– Enlace Metálico – Altas Conductividad térmicas y eléctricas

– Buena ductilidad, resistencia mecánica, tenacidad

CRISTALES METALICOS

Materiales Metálicos– Se caracterizan por tener enlaces

metálicos– Enlace Metálico – Altas Conductividad

térmicas y eléctricas– Buena ductilidad, resistencia mecánica,

tenacidad

CRISTALES METALICOS

DESLIZAMIENTO

Deslizamiento – Movimiento paralelo de dos regiones cristalinas adyacentes, una respecto a la otra, a través de algun plano

Sistema de deslizamiento – Es la combinación de un plano y una dirección que se halla sobre el plano a lo largo del cual se produce el deslizamiento

RESISTENCIA DE LOS METALES

Resistencia de los metales

– Se ha encontrado que en un sistema de deslizamiento se producirá el deslizamiento cuando el esfuerzo cortante resuelto en ese sistema alcance cierto valor critico

DEFORMACION PLASTICA

Deformacion Plastica– Metales – Resistencia y

Ductilidad son fuertemente controladas por la estructura atomica y microestructura

– Deformacion – Deformacion Elastica / Deformacion Plastica

DEFECTOS CRISTALINOS

Defectos Cristalinos– Vacancias– Atomos del metal colocados en forma

intersticial– Un atomo extraño colocado en forma

substitucional– Un atomo extraño colocado en forma

intersticial– Dislocaciones– Maclas o fallas de apilamiento– Limites de grano– Huecos o Cavidades– Inclusiones

DISLOCACIONES

ALEACIONES Y DIAGRAMA DE FASES

• Solidificación:

Transformaciones de Fase (Liquido → Sólido // Sólido 1 → Sólido 2) – Medio Principal para controlar Propiedades

• Mecanismo de Solidificación:

- Ocurren en 2 etapas : * Formación de Núcleos o Nucleación

* Crecimiento de Núcleos

- Todos los metales y aleaciones solidifican en forma dendrítica* Si forman muchos núcleos – Grano fino* Si forman pocos núcleos – Grano grueso

NUCLEACION

Metales Puros y Compuestos Soluciones Sólidas

- Factores que contribuyen a aumentar la velocidad de nucleación

* Velocidad de enfriamiento : (Rápido – Grano Fino // Lento – Grano Grueso)* Presencia de impurezas sólidas y partículas insolubles* Agitación del metal fundido durante el proceso de solidificación

CRECIMIENTO

Etapas iniciales en el crecimiento de un dendrita metálica

Crecimiento dendrítico de los cristales metálicos a partir del estado liquido

- Materiales de grano fino – Presentan mejores propiedades mecánicas:

* Mayor dureza* Mayor Resistencia a la Tracción* Mayor Tenacidad* Mayor Resistencia al impacto

• Constitución las aleaciones

- Los metales se utilizan principalmente en forma de aleaciones

- Las aleaciones puede mejorar las propiedades mecánicas

- Además la aleaciones pueden mejorarse mediante Tratamiento Térmico y Trabajo en Frío

- Para comprender los fundamentos del TT

* Tipos de Aleaciones* Cambios de Fase

* Diagramas de equilibrio

- Aleación: Sustancia que tiene propiedades metálicas // Constituido por 2 o + elementos químicos

- Sistemas de Aleación: Contiene todas las aleaciones q pueden formarse por varios elementos (Sistema de Aleación Binaria // Sistema de Aleación Ternaria)

- Fase: Conglomeración de materia, homogéneo y físicamente distinta a otros

Estructura de las Aleaciones

- Compuesto: Mayoría son combinaciones de elementos con valencia positiva y negativa (Metales y no Metales)

* Intermetálicos o de Valencia: Dos metales químicamente diferentes // Por sus enlaces iónicos o covalentes* Intersticiales: Elementos de Transición // Elementos de tamaño pequeño* Electrónicos: Con estructuras cristalinas similares y composición químicas con razón definida de números de electrones de valencia

- Soluciones Sólidas

* Cuando en un metal sólido se disuelve un segundo elemento, la fase resultante se llama solución sólida (Soluto // Solvente)

Soluciones Solidas sustitucionales e intersticiales

• Diagramas de Equilibrio

- Existe una fuerte relación entre microestructura y propiedades mecánicas

* En condición de equilibrio: Enfriamiento lento que permiten un reajuste continuo de las composiciones* En condiciones fuera de equilibrio: Enfriamiento demasiado rápido como para que los átomos se difundan y establezcan las condiciones de equilibrio

• Tipos de diagramas de equilibrio:

- 2 Metales completamente solubles (L y S)- 2 Metales completamente solubles (L) y

completamente insolubles (S) - 2 Metales completamente solubles (L) y parcialmente

insolubles (S) - Fase intermedia de fusión congruente- Reacción peritectica- 2 Líquidos parcialmente solubles (L) – Reacción

Monotectica- 2 Metales insolubles en (L y S)

Reacciones de un diagrama en equilibrio

• Mecanismos de Endurecimiento- Deformación plástica se debe al movimiento de las dislocaciones

- Resistencia a la fluencia de un metal se puede incrementar mediante la introducción de obstáculos al movimiento de dislocaciones:

* Enmarañamiento de dislocaciones* Limites de grano* Estructuras cristalinas distorsionadas debido a átomos de impurezas* Pequeñas partículas dispersa en la estructura cristalina

• Mecanismos de Endurecimiento

Método Característica

Trabajo en frío Elevadas densidades de dislocaciones producen enmarañamiento

Afinamiento de grano Cambios en la orientación del cristal y otras irregularidades en los limites de grano

Fortalecimiento por solución sólida Impurezas intersticiales o substitucionales distorsionan la estructura cristalina

Endurecimiento por precipitación Partículas finas de un material duro precipitan fuera de la solución en el enfriamiento

Fases múltiples Discontinuidades en los límites de fase de una estructura cristalina

Templado y Revenido Estructura multifasicas de martensita y carburos precipitados

ALEACIONES DE HIERRO Y CARBONO

• Diagrama de Equilibrio Fe-Fe3C

- El hierro o Fierro (Fe)* Constituyente principal de numerosas aleaciones

- Propiedades del Fe Puro: * Resistencia a la tracción: 275MPa* Alargamiento en 50mm: 40%* Dureza Brinell: 90HB*Densidad: 7.87 g/cm3

- Metal Alotrópico

ALEACIONES HIERRO - CARBONO

• Cementita (Fe3C)

- Fase intermedia de aleación: Carburo de Hierro

- Compuesto Intersticial de Fe y 6.67%C- Estructura Cristalina: Ortorrómbica- Extremadamente Duro y Frágil- Constituyente mas duro: 800 HB- Ductilidad Nula- Reducida Resistencia a la Tracción:

35MPa- Fase Metaestable

• Austenita (γ)

- No se presenta a Temp. Ambiente debido a que a la temperatura eutectoide se transforma en perlita durante enfriamiento

- Dureza: 300HB- Alargamiento de 30 – 60% en 50mm- Resistencia de 880 a 1050MPa- Es blanda, muy ductil y muy tenaz- Poco magnético- Constituyente mas denso de los aceros

• Ferrita (α):

- Fase mas blanda y ductil- Dureza: 90HB- Alargamiento de 40% en 50mm- Resistencia a la tracción es 270MPa

• Perlita (P):

- Microconstituyente formado por laminas de α y Fe3C

- Posee una resistencia a la tracción de 850MPa

- Dureza depende de la distancia interlaminar y esta entre 200 – 300 HB

- Alargamiento de 20% en 50mm

Propiedades de los aceros obtenidos en condicione

de equilibrio en función de su microestructura

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