34 LatinAmerican Journal of Metallurgy and Materials, Vol. 9, Nos. 1-2, 1989

Influencia del tamaño de grano y la porosidad en la atenuación de ondas ultrasónicas enaceros inoxidables tipo 316

José Abrego López, Alfonso Anaya y Enrique Martínez Martínez

Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ), Agricultura 21, Colonia, Escandón, México 11800,DF. México

Resumen

En estudios realizados empleando la técnica de ultrasonido en placas de acero inoxidable 136,tratadas térmicamente a diferentes tiem-pos de permanencia en el horno. se observa que tanto la temperatura como el tiempo de permanencia. influyen notablemente en la ate-nuación de ondas ultrasónicas en los aceros. Dicha atenuación es provocada por el crecimiento de grano y la formación de bordes degrano muy rectos. los cuales actúan como barreras al paso de las ondas.

Influence of grain size and porosity on attenuation of Ultrasonic waves in the stainless steel 316

AbstraetIn studies carried out in stainless steel by means of ultrasonic techniques it has been found that the heat treatment cycle plays an im-portant part in the attenuation oí the waves.

INTRODUCCIONEn la industria en general, se tiene gran difi-

cultad para detectar discontinuidades cuando seemplea la técnica de ultrasonido en materiales degrano grueso.

Este estudio se efectúa con la finalidad de rela-cionar la atenuación que sufren las ondas ultrasóni-cas con la morfología y tamaño de grano.

EXPERIMENTACIONLos experimentos se efectuaron en placas de

acero inoxidable tipo AISI 316, con dimensiones de51 x 25, 5 x 43 mm. El aparato de ultrasonido em-pleado, fue modelo USL48, de Krautkramer Bran-son, equipado con sensores de 2.25 MHZ; zapataspara enviar haces a 450, un horno marca LindbergHeavy -Duty, tipo 51123, balanza Sartorius, mode-lo 2006 MP, con aproximación de 0.1 mg., microsco-pio metalográfico marca Versamet Union 6497 yanalizador de tamaño de partículas automáticoTGZ3, marca Carl Zeiss.

Con el objeto de fijar los parámetros en el apa-rato de ultrasonido, se utilizó el material en estadode llegada, localizando ultrasónicamente uno delos vértices.

Con la finalidad de provocar diferentes tama-ños de grano, el material de llegada, se sometió a untratamiento isotérmico a 1020 °C, con tiempos depermanencia en el horno de 1. 2. 3, 5, 7, 15, 18 Y24Hrs. El enfriamiento se hizo en agua para evitar la

formación de cascarilla en la superficie y la precipi-tación de carburos.1

El tamaño de grano se determinó metalográfi-camente, según la Norma ASTM, designaciónE112-82.2

Paralelamente se efectuaron mediciones dedensidades, empleando el método volumétrico. Ha-biendo encontrado diferencias en la determinaciónde las densidades, se procedió a hacer un cuanteo deporosidades. Este cuanteo se hizo usando microsco-pio óptico, analizador granulométrico, microscopioelectrónico de barrido y porosímetro.

RESULTADOSEn la Tabla I y Fig. 1, se presentan los resulta-

dos obtenidos en los ensayos efectuados en las pro-TABLAJ

Muestra Amplitud(decibeles)

Atenuación(%)

Notas

Sin tratamientotérmico 100 O de llegada

1 hora 77 232 horas 66 343 horas 34 665 horas 18 827 horas 16 84

15 horas 8 9218 horas 4 9624 horas 4 96

~Revista Latinoamericana de Metalurgia 11 Materiales, Vol. 9, Nos. 1-2, 1989

ATENUACION vs TAMAÑO DE GRANO

35

TIEMPO VS ATENUACION

o

100

.. 2080 -

~<J)

60 « 15z c::o oU I

«=> oz 40 o,IJJ ::;: 101- IJJ« ;::

20

5

o

FIG.l

2345G78

TAMANO DE GRANO (ASTM)

PORCENTAJE DE ATE NUACION CO N TrlA CRECIMIEN TO

DE GRANO.

betas, tanto de llegada como en las probetas con di-ferente tratamiento térmico.

Las metalografías obtenidas después de lostratamientos térmicos, se pueden apreciar en lasmicrografías de la 1 a la 4. La Tabla Il,muestra losvalores de tamaño de grano observado en las metalo-grafías.

TABLA II

Muestra N° Tamaño de grano Densidad(ASTM) (g/cms)

O 7,7 7,91851 6,6 7,89402 6,0 7,85903 5,7 7,89105 5,5 7,80807 5,3 7.8640

15 4,8 7,863018 3,8 7,852024 3.3

En la Tabla Il, se muestran los resultados delas determinaciones de las densidades de cadamuestra.

DISCUSION DE RESULTADOS

En el presente estudio se observa que las mues-tras en estado de recepción, conducen bien las ondasultrasónicas en la dirección de laminación de la

FIG.2

40 60 80 100ATENUACION (o;,)

TIEMPO DE PERMANE\lCIA EN EL HORNO CONTRA

PORCENTAJE DE ATE NUACION.

20

TAMAÑO DE GrlANO VS TIEMPO

o2« 6'"'"'UJoo12

~ 3s

10 ~ 20TIEMPO I HORAS)

FIG.3 TAMAÑO DE GRANO CONTRA TIEMPO DE PERMANE NCIA DE LASPROBETAS EN EL HORNO.

placa, y sufren cierta atenuación en el sentido per-pendicular a la misma (3). Lo anterior, indica quelos granos se encuentran alargados en el ntido delaminación, lo cual se corrobora metalográficamen-te. (Fig. 1 a 4).

Como se puede notar en la Tabla le' eneunaatenuación progresiva llegando a un máximo de96%,cuando el tiempo de permanencia en el hornoes de 18 Hrs. Así mismo en la gráfica Tiempo Vs.Atenuación, (Fig. 2) se ob erva que el máximo semantiene constante, aun a 24 Hrs., lo cual indica la

36 LatinAmerica,n Journal. of Metallurgy and Materiol», Vol, .9, Nos, 1-2, 1,98,'1

MICROGRAFIA 1SS 316 SIN TRAT. TERMICO

300 X

, ,MICROGRAFIA 2. SS 3161S HORAS DE TRATAMiENTO TER.l'vJICO

3QOX

MTCROGRAFIA ~, SS 3161 El llORAS [lE T'RAT. TERMI eo

_ 30 O X

MICROGRAFIA 4, SS 31624 HORAS DE TRATAJv11ENTO TE,N,\11ea

300X

DENSIDAD DE PROBETA VS TIEMPO

7.90uu<,01

V>«r--Wrn~ 7.85e,uielo«ouzwo

7.80 O 5 10 /5 20TIEMPO (HORAS)

FIG. 4 DENSIDAD DE PI10BETAS CONTI1A TIEMPO DE PEI1MANENCIA EN EL HORNO.

posibilidad de que a un mayor tiempo, la atenuaciónpermanecerá inalterable.

El estudio metalográfico de las probetas revelóque la probeta original, tiene cierto grado de defor-mación. En las probetas tratadas térmicamente, setiene un crecimiento constante del grano, como fun-ción del tiempo de permanencia en el horno, notán-dose que entre 18 y 24 Hrs., los granos disminuyenconsiderablemente la tendencia de crecimiento, pre-sentando vértices con ángulos de aproximadamen-te 90°muy pronunciados y bordes rectos, así comoun paralelismo entre ellos. "

En la figura 3, podemos apreciar las gráficascorrespondientes al tamaño de grano con respectoal tiempo de permanencia en el horno.

En la gráfica de la Fig. 4, se observa una ten-dencia a la disminución de la densidad. Esto puedeser debido a la formación de un mayor volumen deporos al incrementar el tratamiento térmico delas probetas.

La variación de la densidad en las probetas, esimportante, en virtud de que la velocidad de propa-

gación de las ondas ultrasónicas en los materiales,depende entre otros, de parámetros elásticos (4).

Las ondas ultrasónicas no se propagan, o lohacen con mucha dificultad en el aire y discontinui-dades en general, por lo que la porosidad influirá enla transmisión de las ondas.

El cuanteo de poros en el microscopio electró-nico de barrido, estableció un incremento del núme-ro de porosidades en las probetas tratadas térmica-mente, así como una disminución en el tamaño delas mismas.

Por otro lado, la elevación de temperatura y laprolongación del tratamiento térmico, conlleva pro-cesos termodinámicos de considerable magnitud, yla posibilidad de que se produzca una coalescenciade lugares vacantes, siendo dicho proceso genera-dor de cierta cantidad de poros (5).

CONCLUSIONES

En la atenuación de ondas ultrasónicas, influyennotablemente, el tamaño de grano, las porosida-des y el límite de grano.

38 LatinAmerican Journai of Metallurgy and Materials, Vol. 9, Nos. 1-2, 1989

A medida que el grano crece, el borde de grano sevuelve muy plano y paralelo, por lo que actúacomo una barrera reflectora que impide el avan-ce del frente de onda.Durante el tratamiento térmico, a medida que seincrementa el tiempo de permanencia, hubo unaumento en el número de poros, lo cual ocasionadispersiones y atenuaciones en las ondas ultra-sónicas, este mecanismo contribuye al total deatenuación y queda pendiente el establecer cuan-

. titativamente su influencia.

REFERENCIAS

1. Robert E. Ree-Hill: "Principios de Metalurgia Física". 2"edición,Ed. CECSA. 1979.

2. "Standard Methods for Determinanting Average Grain Zise",ASTM. Designation e112-82.

3. A. López, J.: "Ultrasonic Characterization of Nuclear ReactorPipe-materials and Welds". Reporte interno. Argonne NationalLaboratories Argonne Illinois, USA, julio de 1985.

4. A. Moro, C. Farina and F. Rossi: "Measurement of UltrasonicWave Velocity in Steel for Various Structures and Digrees ofCold-working". NDT Internatíonal, August 1980, pp. 169-175.

5. C.M.Sayers and R.L. Smith: "The Propagation of Ultrsound inPorous Media" Ultrasonícs, september 1982, pp. 201-205.