Aceros de Baja Aleacion y Alta Resistencia, HTLA, HSLA.pdf

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El grupo de soldadura numero 1 en las naciones hispanohablantes!

LOS ACEROS DE ALTA RESISTENCIA

INTRODUCCION

En la medida que se descubra la influencia del carbono y otros elementos qumicos, en las aleaciones de acero, se inventaban nuevas combinaciones de estas aleaciones dirigidas a labores cada vez mas especificas de construccin o fabricacin.

Dentro de la gama de aceros al carbono que se comercializan en el mercado; son los Aceros de Baja Aleacin Tratados Trmicamente (HTLA) y los Aceros de Alta Resistencia y Baja Aleacin (HSLA High Strength Low Alloy) como dos grupos que cada da mas se utilizan para la fabricacin/construccin de equipos, elementos e instalaciones soldadas.

DEFINICIONES BASICAS

Aceros HTLA:

Son aleaciones de una alta templabilidad, con cantidades de carbono entre 0.25 y 0.4%, tambin aleados con V, Ni, Mo y Cr los cuales les generan interesantes cualidades mecnicas.

Aceros HSLA:

Tambin denominados microaleados, contienen menos del 0,1% de elementos aleantes tales como: Nb, Cr, Zr, V, Mo, P, N, Ti, con los cuales se logra generar unas caractersticas de gran resistencia mecnica y a la corrosin.

APLICACIONES BASICAS

Estos aceros se utilizan en la fabricacin de elementos de maquinas y, en el caso de necesitar operaciones de soldeo estos se suelen soldar en estado de recocido y posteriormente dichas piezas se someten a tratamientos trmicos de templado y revenido.

Algunos de los elementos fabricados/construidos con estos aceros son: Estructuras, Barcos, Gras y Equipo Pesado y Tuberas para oleoductos.

Sobre estos tipos de acero nos compartirn los expertos en esta ocasin.

Mikayah Lvi

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PROPIEDADES MECANICAS Y SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS DE BAJA ALEACION PARA TRATAMIENTO TERMICO (HTLA)

Resumen

En la actualidad, con frecuencia se recurre a aceros especiales de alta resistencia para aplicaciones de ingeniera en que se requieren aleaciones metlicas capaces de soportar exigentes solicitaciones externas. Dentro de las aleaciones metlicas que pueden ser empleadas para las mencionadas aplicaciones, en la industria se dispone, entre otros, de los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (HTLA), que en muchas ocasiones responden a los rangos deseados para propiedades mecnicas tales como la resistencia a rotura, lmite elstico, dureza y tenacidad. De acuerdo con el carcter formativo del presente trabajo, se describen las caractersticas esenciales de este tipo de aceros de alta resistencia y los valores tpicos que corresponden a sus propiedades mecnicas, adems de las recomendaciones que se deben atender durante el proceso de soldeo y los tratamientos trmicos que favorecen la calidad de las uniones soldadas.

Palabras clave: Alta resistencia; Aceros HTLA; Baja aleacin; Tratamiento trmico; Soldabilidad

1. Introduccin

Dentro del conjunto de los aceros de alta resistencia, los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (tambin referidos como aceros HTLA segn las siglas que proceden de su acepcin inglesa) aglutinan una serie de aleaciones metlicas que tienen en comn la limitacin a un contenido de carbono comprendido entre el 0,25 y 0,50% y no superior al 5% para los restantes elementos de aleacin. Se trata de materiales de ingeniera con elevadas prestaciones en trminos de propiedades mecnicas tales como la resistencia a traccin, dureza y ductilidad, por lo que son de gran utilidad para numerosas aplicaciones industriales [1-3].

En relacin con el soldeo de los aceros especiales de alta resistencia (dentro de los cuales se encuentran los aceros HTLA), en los ltimos aos se han llevado numerosos trabajos dirigidos a esclarecer las propiedades mecnicas de las uniones soldadas, entre los cuales cabe destacar los desarrollados por S. Ravi et al. [4], I.H. Brown [5], Y. Shi y Z. Han [6] y J. Vojvodic Tuma y A. Sedmak [7]. Los autores S. Ravi et al. [4] llevaron a cabo el estudio de la propagacin de grietas en piezas obtenidas mediante soldadura por arco con electrodo revestido, mientras que M. Rakin et al. [8] presentaron un modelo numrico para la prediccin de la vida a fatiga a partir de la distribucin de tensiones originada en la zona de unin.

Los estudios realizados por J. Vojvodic Tuma y A. Sedmak [7] y G. Magudeeswaran et al. [9] fueron tambin dedicados a la deduccin de la resistencia a fatiga en las uniones soldadas, incluyendo el efecto de los valores seleccionados para los parmetros del proceso. De acuerdo con los resultados obtenidos por J. Vojvodic Tuma y A. Sedmak [7], el fallo por fatiga se ve favorecido por la aparicin de zonas frgiles localizadas (LBZ), que a su vez pueden ser provocadas por la interaccin entre la malla de metal soldado y las regiones metlicas de diferente composicin. La presencia de zonas con mayor susceptibilidad a la fractura puede ser atribuida a la elevacin de temperatura a causa de los sucesivos cordones efectuados durante la soldadura multipase.

En el trabajo de Y. Shi y Z. Han [6] se aborda la influencia de la velocidad de enfriamiento sobre la tenacidad resultante, y sobre la composicin cristalina de la zona de unin y la zona afectada trmicamente, mientras que I.H. Brown [5] analiza la aparicin de grietas por contraccin como consecuencia de la microsegregacin de los elementos constituyentes de la aleacin metlica, y A. Lambert-Perlade et al. [10] se centra en los mecanismos involucrados en el cambio de fase desde la composicin inicial de austenita hasta la formacin de bainita.

3:


En este trabajo se detallan las caractersticas esenciales de los aceros HTLA, incluyendo las designaciones comprendidas dentro de este grupo de aleaciones metlicas y los valores tpicos que corresponden a las propiedades mecnicas alcanzables. Una vez definidos los aspectos comunes a los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (o aceros HTLA), se proporcionan recomendaciones tcnicas acerca de los mtodos de soldeo que pueden ser empleados, y a continuacin se definen los criterios que se deben contemplar durante el precalentamiento y tratamiento trmico post-soldadura, con el fin de minimizar el riesgo de grietas en la unin soldada.

2. Principales caractersticas de los aceros HTLA

Como ha sido comentado anteriormente, los aceros identificados por las siglas inglesas HTLA constituyen uno de los grupos de aceros especiales de alta resistencia que son utilizados con frecuencia en la industria, junto con otros tipos de aleaciones metlicas como son, a modo de ejemplo, los denominados aceros HSLA y los aceros de bajo contenido de carbono y ultra alta resistencia, que comparten con los primeros una composicin con reducido contenido de carbono y exigentes niveles de propiedades mecnicas.

Los aceros de bajo contenido de carbono y alta resistencia (o bien aceros HSLA) poseen un contenido de carbono inferior al 0,2% y un contenido total de elementos de aleacin inferior al 2%. No obstante, las designaciones contenidas en este grupo de aceros se establecen fundamentalmente en funcin de los valores alcanzados por sus propiedades mecnicas, en lugar de atendiendo a la composicin qumica que presentan. Dentro de ellos se encuentran los aceros que responden a designaciones tales como A 242, A 440, A 441, A 572, A 588, A 606, A 607, A 618, A 633, A 656, A 690, A 710 y A 715, los cuales proporcionan una resistencia a traccin comprendida entre 415 y 655 MPa y una tensin de fluencia entre 275 y 550 MPa.

Por otra parte, los aceros de bajo contenido de carbono y ultra alta resistencia suelen ser tambin seleccionados para aplicaciones estructurales en que se necesita una resistencia a traccin mnima de 1380 MPa, una tensin de fluencia mnima de 1240 MPa y unos elevados niveles de tenacidad. Dentro de este grupo se incluyen aceros de nquel-cromo-molibdeno-vanadio, aceros de nquel-cobalto y un 5% de los aceros de cromo-molibdeno-vanadio, como son entre otros los que vienen dados por las designaciones AMS 6434, 300M, D-6A, H11 MOD, H13, HP 9-4-20 y HY-180.

A diferencia de las aleaciones metlicas anteriores, la acepcin de aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (HTLA) hace referencia a aceros de alta resistencia con contenido medio de carbono templados y revenidos, los cuales se caracterizan por un contenido de entre el 0,25 y 0,50% de carbono y de hasta el 5% de la totalidad de elementos de aleacin. El tratamiento de temple que se aplica a estos aceros persigue el objetivo de dar lugar a una estructura martenstica, si bien el revenido posterior tiene la misin de propiciar los niveles requeridos para propiedades mecnicas como son la resistencia a la traccin, dureza y tenacidad.

Dentro del grupo de aceros que se identifican mediante las siglas HTLA, se encuentran aceros tales como el AISI 1330, AISI 4028, AISI 4130, AISI 4150, AISI 4320, AISI 4340, AISI 4620, AISI 5120, AISI 6150, AISI 8620 y AISI 8640. Como consecuencia de los elevados valores de dureza que se obtienen en este tipo de aleaciones metlicas, normalmente se aplican tratamientos de precalentamiento cuando se procede al soldeo de aceros en condicin de temple y revenido, y es necesario proceder al control de la cantidad de hidrgeno que accede al bao de fusin con el propsito de minimizar el riesgo de grietas.

En la Tabla 1 se ilustra la composicin qumica de algunos de los aceros que suelen ser enmarcados dentro de este grupo de aceros de alta resistencia, mientras que la Tabla 2 recoge los valores asumidos para las temperaturas asociadas al tratamiento trmico de estos materiales de ingeniera, incluyendo las temperaturas habitualmente

4:


necesarias para el temple, revenido y alivio de tensiones. Asimismo, en las Tablas 3 y 4 se muestran los niveles que pueden ser alcanzados en propiedades mecnicas tales como la resistencia a traccin, dureza y ductilidad del metal base, en funcin de las condiciones seleccionadas para el tratamiento trmico de revenido.

Tabla 1. Composicin qumica de los principales aceros HTLA

Designacin del

metal base

Composicin (% en peso)

C Mn Si Cr Ni Mo V

AISI 1330 0,28-0,33 1,60-1,90 0,15-0,30

1340 0,38-0,43

4023 0,20-0,25 0,70-0,90 0,20-0,30

4028 0,25-0,30

4047 0,45-0,50

4118 0,18-0,23 0,40-0,60 0,08-0,15

4130 0,28-0,33 0,40-0,60 0,80-1,10 0,15-0,25

4140 0,38-0,43 0,75-1,00

4150 0,48-0,53

4320 0,17-0,22 0,45-0,65 0,40-0,60 1,65-2,00 0,20-0,30

4340 0,38-0,43 0,60-0,80 0,70-0,90

4620 0,17-0,22 0,45-0,65

5120 0,70-0,90 0,70-0,90

5145 0,40-0,48

6150 0,48-0,53 0,20-0,35 0,80-1,10 0,15-0,25

8620 0,18-0,33 0,15-0,30 0,40-0,60 0,40-0,70 0,15-0,25

8630 0,28-0,33

8640 0,38-0,43

En ciertas ocasiones puede resultar aconsejable efectuar el proceso en condiciones de recocido o sobre-revenido, siempre que esto sea posible de acuerdo con los requisitos de diseo de la unin soldada. Sin embargo, en la prctica habitual se suele recurrir al mantenimiento de un valor adecuado de temperatura de precalentamiento y de interpase, seguido de un tratamiento trmico post-soldadura con el fin de aliviar las tensiones resultantes en la zona de unin y la zona afectada trmicamente (ZAT).

5:


Tabla 2. Valores tpicos de temperaturas para el tratamiento trmico de los aceros HTLA

Designacin del acero

Temperatura de

normalizado (C)

Temperatura de recocido

(C)

Temperatura de temple

(C)

Temperatura de revenido

(C)

Temperatura de alivio de tensiones

(C)

AISI 4130 870-925 830-870 845-870 (1) 200-700 650-675

860-885 (2)

4140 870-900 830-870 840-870 (2) 175-230 650-675

4340 870-925 830-860 800-830 (2) 455-650 650-675

6150 870-955 830-860 845-900 (2) 200-650 650-675

8640 870-925 845-870 815-845 (2) 200-650 650-675

(1) Temple en agua

(2) Temple en aceite

Normalmente se recomienda el empleo de temperaturas de precalentamiento y de interpase con valores iguales o superiores a 315 C, y se pretende conseguir la formacin de bainita en lugar de martensita a partir de los cristales que inicialmente se encuentran en forma de austenita, para lo cual es necesario efectuar el control de la velocidad de enfriamiento. Para facilitar la obtencin de la microestructura deseada, en muchas ocasiones se aconseja la utilizacin de metal de aporte con bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin.

Con el propsito de disminuir la susceptibilidad de la unin soldada a la formacin de grietas laminares, suele resultar recomendable tratar de reducir la presencia de hidrgeno en el bao de fusin, as como el contenido de fsforo y azufre en el metal de aporte, puesto que las inclusiones de compuestos de bajo punto de fusin como estos ltimos favorecen la aparicin de este tipo de grietas.

Tabla 3. Propiedades mecnicas de los principales aceros HTLA


Temperatura de revenido

(C)

Propiedades mecnicas

Ductilidad Lmite elstico (MPa)

Dureza (MPa)

Resistencia a traccin

(MPa)

AISI 1340 (2) 205 0,08-0,14 1430-1755 4550-5550 1625-1990

425 0,11-0,17 1035-1270 3400-4150 1130-1395

650 0,17-0,27 555-690 2300-2800 720-880

4130 (1) 205 0,08-0,12 1315-1610 4200-5150 1450-1770

425 0,10-0,16 1070-1315 3450-4200 1150-1410

650 0,17-0,27 630-775 2250-2750 730-895

6:


4140 (2) 205 0,06-0,10 1475-1810 4550-5650 1595-1950

425 0,10-0,16 1020-1255 3350-4100 1120-1375

650 0,17-0,27 595-715 2100-2600 680-840

4150 (2) 205 0,08-0,12 1550-1900 4750-5850 1740-2120

425 0,09-0,15 1240-1520 3950-4850 1360-1675

650 0,15-0,23 755-925 2650-2350 860-1055

4340 (2) 205 0,08-0,12 1505-1845 4650-5750 1580-2065

425 0,08-0,12 1230-1500 3850-4750 1320-1620

650 0,15-0,23 770-940 2550-3150 865-1065

6150 (2) 205 0,06-0,10 1520-1860 4825-5925 1735-2125

425 0,08-0,12 1195-1465 3775-4625 1290-1585

650 0,13-0,21 755-925 2525-3125 850-1040

8630 (2) 205 0,07-0,11 1350-1655 4150-5150 1475-1805

425 0,10-0,16 1050-1295 3400-4150 1145-1410

650 0,18-0,28 620-760 2200-2700 690-855

8640 (2) 205 0,08-0,12 1500-1840 4550-5550 1670-2055

425 0,09-0,15 1165-1430 3600-4425 1240-1520

650 0,16-0,24 720-880 2550-3150 805-990

(1) Temple en agua

(2) Temple en aceite

La Figura 1 representa las variaciones que se ponen de manifiesto en las propiedades mecnicas de los aceros que son objeto de este trabajo, dependiendo de la temperatura seleccionada para la realizacin del tratamiento de revenido. Las curvas que aparecen en esta tabla corresponden al caso particular de un acero AISI 4340, y en ellas se observa una notable influencia de la temperatura de revenido sobre los valores resultantes para propiedades mecnicas tales como la resistencia a traccin, tensin de fluencia, dureza y elongacin del metal base.

3. Recomendaciones para el proceso de soldeo

Con independencia del mtodo seleccionado para la soldadura de estos aceros, en general se debe prestar especial atencin a la susceptibilidad de estas aleaciones metlicas a la aparicin de grietas derivadas del hidrgeno atrapado en el bao de fusin. Por ese motivo, es necesario hacer uso en cada caso de las tcnicas de unin por soldadura y el metal de aporte que permitan reducir la cantidad de hidrgeno existente en la zona de unin. En esta seccin se recogen algunas indicaciones acerca de los mtodos de soldeo que pueden ser empleados y las caractersticas que han de ser exigidas al metal de aporte.

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3.1. Tcnicas de soldadura adecuadas

Para el soldeo de los aceros de baja aleatrmico (o tambin denominados aceros HTLA), en principio no se requiere el empleo de tecnologas especficas para asegurar la calidad de las uniones resultantes, si bien se debe atender a algunos criterios generales como es el mantenimiento de las temperaturas de precalentamiento y de interpase requeridas, minimizar el contenido de hidrgeno en la zona de unin (en especial para temperaturas de precalentamiento inferiores a 205 C) y, al concluirde soldeo, proceder de manera automtica a la aplicacin del tratamiento trmico post-soldadura recomendado (manteniendo la temperatura de precalentamiento hasta el comienzo del tratamiento trmico post

Al margen de las caractersticas particulares de las distintas aleaciones metlicas que forman parte de los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico, se puede recurrir en general a cualquiera de los mtodos de soldadura por arco que se utilizan en la industria, como son la soldadura con electrodo revestido (SMAW), por arco sumergido (SAW), con gas de proteccin (GMAW y GTAW) y con ncleo fundente (FCAW). No obstante, con la finalidad de reducir el riesgo de grietas y poros, se debe cuidar la limpieza del metal base, del metal de aporte y de la totalidad de los tile

Los mtodos de soldadura por arco con gas de proteccin GTAW son ms aconsejables para aplicaciones con especiales limitaciones, ya que permiten originar piezas soldadas con menor contenido de hidrgeno, si bien se hace uso igualmente de otros procesos de soldeo por arco como la soldadura SMAW a causa de la mayor versatilidad del proceso, sencillez de los equipos y variedad de electrodos disponibles. La soldadura SAW es empleada principalmenty revenido tras la unin por soldadura, mientras que se puede recurrir a la soldadura FCAW cuando el metal de aporte debe permitir un tratamiento trmico similar a los aceros de baja aleacin con contenido medi

Para reducir el riesgo de grietas por contraccin durante el proceso de soldeo, en general se recomienda contemplar niveles medios o moderados de energa aportada. La generacin de elevados niveles de calor puede dar lugar a la aparicin de grietas en la zona de unin y la zona afectada trmicamente (ZAT) durante la fase de solidificacin. Por otra parte, en estas condiciones se suele propiciar la obtencin de una mayor extensin de la ZAT, y el metal de esta regin puede presentar un mayor c

3.2. Seleccin del metal de aporte

En operaciones de soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW), como criterio de referencia se deben emplear electrodos con bajo contenido de hidrgeno, para minimizar del hidrgeno atrapado. En la Tabla 4 se indican los electrodos con recubrimientos de aceros con bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin que pueden ser utilizados cuando no es necesario ajustarse a


3.1. Tcnicas de soldadura adecuadas

Para el soldeo de los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (o tambin denominados aceros HTLA), en principio no se requiere el empleo de tecnologas especficas para asegurar la calidad de las uniones resultantes, si bien se debe atender a algunos criterios generales como es el

imiento de las temperaturas de precalentamiento y de interpase requeridas, minimizar el contenido de hidrgeno en la zona de unin (en especial para temperaturas de

C) y, al concluir el proceso ra automtica a la aplicacin del

soldadura recomendado (manteniendo la temperatura de precalentamiento hasta el comienzo del tratamiento trmico post-soldadura).

Al margen de las caractersticas particulares de las distintas iones metlicas que forman parte de los aceros de baja

aleacin para tratamiento trmico, se puede recurrir en general a cualquiera de los mtodos de soldadura por arco que se utilizan en la industria, como son la soldadura con

por arco sumergido (SAW), con gas de proteccin (GMAW y GTAW) y con ncleo fundente (FCAW). No obstante, con la finalidad de reducir el riesgo de grietas y poros, se debe cuidar la limpieza del metal base, del metal de aporte y de la totalidad de los tiles empleados.

Los mtodos de soldadura por arco con gas de proteccin y dentro de estos ltimos sobre todo la soldadura son ms aconsejables para aplicaciones con especiales limitaciones, ya que permiten originar piezas

de hidrgeno, si bien se hace uso igualmente de otros procesos de soldeo por arco como la soldadura SMAW a causa de la mayor versatilidad del proceso, sencillez de los equipos y variedad de electrodos disponibles. La soldadura SAW es empleada principalmente cuando se requiere el tratamiento de temple y revenido tras la unin por soldadura, mientras que se puede recurrir a la soldadura FCAW cuando el metal de aporte debe permitir un tratamiento trmico similar a los aceros de baja aleacin con contenido medi

Para reducir el riesgo de grietas por contraccin durante el proceso de soldeo, en general se recomienda contemplar niveles medios o moderados de energa aportada. La generacin de elevados niveles de calor puede dar lugar a la

grietas en la zona de unin y la zona afectada trmicamente (ZAT) durante la fase de solidificacin. Por otra parte, en estas condiciones se suele propiciar la obtencin de una mayor extensin de la ZAT, y el metal de esta regin puede presentar un mayor crecimiento de grano y la prdida de ductilidad.

En operaciones de soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW), como criterio de referencia se deben emplear electrodos con bajo contenido de hidrgeno, para minimizar la probabilidad de provocar grietas derivadas del hidrgeno atrapado. En la Tabla 4 se indican los electrodos con recubrimientos de aceros con bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin que pueden ser utilizados cuando no es necesario ajustarse a

7:

y dentro de estos ltimos sobre todo la soldadura son ms aconsejables para aplicaciones con especiales limitaciones, ya que permiten originar piezas

de hidrgeno, si bien se hace uso igualmente de otros procesos de soldeo por arco como la soldadura SMAW a causa de la mayor versatilidad del proceso, sencillez de los equipos y variedad de

e cuando se requiere el tratamiento de temple y revenido tras la unin por soldadura, mientras que se puede recurrir a la soldadura FCAW cuando el metal de aporte debe permitir un tratamiento trmico similar a los aceros de baja aleacin con contenido medio de carbono.

Para reducir el riesgo de grietas por contraccin durante el proceso de soldeo, en general se recomienda contemplar niveles medios o moderados de energa aportada. La generacin de elevados niveles de calor puede dar lugar a la

grietas en la zona de unin y la zona afectada trmicamente (ZAT) durante la fase de solidificacin. Por otra parte, en estas condiciones se suele propiciar la obtencin de una mayor extensin de la ZAT, y el metal de

recimiento de grano y la prdida de ductilidad.

En operaciones de soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW), como criterio de referencia se deben la probabilidad de provocar grietas derivadas

del hidrgeno atrapado. En la Tabla 4 se indican los electrodos con recubrimientos de aceros con bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin que pueden ser utilizados cuando no es necesario ajustarse a las propiedades

8:


mecnicas del metal base en condicin de temple y revenido. Los mencionados electrodos pueden contar con uno o varios elementos principales de aleacin, y en todos estos casos son de bajo contenido de carbono con el fin de reducir el riesgo de grietas en la zona de unin y la ZAT.

Adems de los materiales de aporte que se recogen en esta tabla, puede resultar aconsejable la aplicacin de electrodos con recubrimientos de aceros al carbono con bajo contenido de hidrgeno, en las ocasiones en que no resulta imprescindible que la dureza y resistencia de la soldadura sea totalmente similar a la del metal base. Asimismo, se puede utilizar material de aporte no tratable trmicamente cuando se realiza el proceso de unin en condicin de temple, y no es posible el recocido o sobre-revenido de las piezas de partida antes del soldeo. En este caso se suelen recomendar electrodos constituidos por aceros inoxidables tales como el ANSI/AWS A5.4 E309 (25Cr-12Ni), E310 (25Cr-20Ni) y E312 (29Cr-9Ni), o bien por aleaciones de nquel tales como la ANSI/AWS A5.11 ENiCrFe-2 y ENiCrFe-3.

En las uniones obtenidas mediante soldadura por arco sumergido (SAW), se suele hacer uso de fundentes neutros o bsicos para mejorar la tenacidad de la zona de unin, aunque se alcanzan menores valores de esta propiedad del material en relacin con las piezas sometidas a soldadura GTAW. Los electrodos y fundentes recomendados dependern de los parmetros de soldeo, el tratamiento trmico que ha de ser aplicado y las propiedades mecnicas que se persiguen.

Tabla 4. Electrodos recomendados para la soldadura SMAW de aceros HTLA

Designacin del metal base Clasificacin del electrodo

AISI 1330 E7018

4023, 4028, 4118, 4320, 8620 E7018-A1

4620 E8016-C1

5120 E8016-B2

5145 E9016-B3

1340, 4047, 4130 E10016-D2

8630 E11018-M

4140, 4150, 4340, 4640, 8640 E12018-M

Los electrodos adoptados para la soldadura con gas de proteccin (GTAW y GMAW), en principio deben presentar el menor contenido posible de fsforo y azufre, y en muchas ocasiones es preferible adems un bajo contenido de carbono, ya que de este modo se mejora la ductilidad de la unin soldada. A modo de ejemplo, en la Tabla 5 se muestran los electrodos recomendados para algunos aceros HTLA en condicin de temple y revenido, as como los valores tpicos de las propiedades metlicas que pueden ser alcanzadas. En condiciones que no suponen imprescindible el empleo de metal de aporte tratable trmicamente mediante temple y revenido, es posible seleccionar asimismo electrodos de acero al carbono tales como el ANSI/AWS A5.18 y electrodos de acero de baja aleacin como es el ANSI/AWS A5.28.

9:


Tabla 5. Propiedades mecnicas tpicas de uniones obtenidas mediante la soldadura por arco de aceros de baja aleacin templados y revenidos

Proceso de soldeo y

designacin del metal base

Espesor del metal

base (mm)

Metal de

aporte

Tempera-tura de

revenido (C)

Resistencia a traccin del metal base

(MPa)

Zona de unin

Resistencia a traccin

(MPa)

Tensin de

fluencia (MPa)

Elongacin para 50,8 mm (%)

Soldadura GMAW

AISI 4130 6,35 (1) 510 1170 1170 1145 7

4140 12,7 4140 480 1310 1305 1225 8 (5)

4340 25,4 4340 510 1310 1307 1251 11

(2) 510 1310 1320 1224 8

Soldadura GTAW

4335V 6,35 4340 205 1785 1760 1530 9

D6 2,36 (3) 315 1895 1860 1635 6 (5)

D6 315 1825 1780 1505 6

D6 12,7 (4) 540 1585 1545 1425 7

(1) Composicin del electrodo: 0,18 C-1,50 Mn-0,44 Si-1,2 Ni-0,34 Mo-0,65 Cr

(2) Composicin del electrodo: 0,25 C-1,17 Mn-0,65 Si-1,8 Ni-0,80 Mo-1,17 Cr-0,21 V

(3) Composicin del electrodo: 0,25 C-0,28 Mn 0,03 Si-1,29 Mo-0,98 Cr-0,56 V

(4) Composicin del electrodo: 0,25 C-0,55 Mn-0,65 Si-0,50 Si-1,25 Cr-0,30 V

(5) Elongacin para 25 mm de longitud de probeta

Por ltimo, en funcin del acero que se pretenda someter a la unin por soldadura, en el caso de los procesos FCAW se deben seleccionar electrodos con composiciones especiales. A ttulo ilustrativo, para el soldeo del acero AISI 4130 se puede hacer uso de electrodos especiales con una composicin de 0,15% C, 1,50-1,70% Mn, 0,50-0,60% Si, 0,60-0,80% Cr y 0,60-0,90% Mo, puesto que de este modo es posible alcanzar una resistencia semejante a la que corresponde a este acero en condicin de temple y revenido. Cuando no resulte necesario disponer de un metal de aporte tratable trmicamente tras el proceso de soldadura, se pueden emplear por ejemplo electrodos de acero al carbono ANSI/AWS A5.20, o bien de acero de baja aleacin ANSI/AWS A5.29.

4. Soldabilidad de los aceros HTLA

En esta seccin se describen las medidas aconsejadas para asegurar la calidad de las uniones soldadas en relacin con las condiciones requeridas para el precalentamiento y tratamiento trmico post-soldadura. Dependiendo del contenido de carbono y de elementos de aleacin que corresponda al acero empleado, se proporcionan diferentes recomendaciones acerca de las temperaturas que se ha de asumir para el precalentamiento del metal base y el modo en que debe ser efectuado el tratamiento trmico post-soldadura.

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4.1. Precalentamiento del metal base

Durante la soldadura de aceros de baja aleacin, la microestructura resultante enfuertemente afectada por el contenido de carbono y de elementos de aleacin. En realidad, el contenido de carbono y de elementos de aleacin existente en el metal base no slo influye sobre la estructura cristalina y las propiedademecnicas que pueden ser alcanzadas, sino tambin sobre la posible aparicin de defectos tales como la presencia de grietas.

Con el propsito de reducir el riesgo de grietas en la unin soldada, habitualmente se aconseja el empleo de tratamientos de precalentamiento, si bien los valores de temperatura de precalentamiento y de interpase dependern del contenido de carbono y de elementos de aleacin en el metal base y el metal de aporte, la condicin de tratamiento trmico previa al proceso de soldeo, el esrestricciones existentes en la zona de unin y/o el hidrgeno disponible en el bao de fusin.

En relacin con las propiedades mecnicas de las piezas soldadas, la dureza resultante vendr dada bsicamentepor la cantidad de martensita obtenida durante el temple, la cual se ve favorecida por el contenido de carbono del metal base. No obstante, en aceros de baja aleacin como son los aceros conocidos por las siglas inglesas HTLA, el enfriamiento rpido hasta la temperatura ambiente puede desencadenar una elevada susceptibilidad a la presencia de grietas, en especial en el caso de los aceros con alto contenido de carbono y de elementos de aleacin. Para la minimizacin del peligro de grietas en la zona de unibase, lo cual hace posible la reduccin de las tensiones residuales originadas durante la fase de enfriamiento.

El precalentamiento favorece asimismo la expulsin del hidrgeno que se pueda enconalgunos aceros puede dar lugar a la formacin de bainita, la cual posee una menor dureza que la martensita y, por tanto, es menos susceptible a la aparicin de grietas. Durante la soldadura de aceros con un contenido similarelementos de aleacin, por regla general se ha de elevar la temperatura de precalentamiento a medida que se incrementa el contenido de carbono.

En las Figuras 2 y 3 se muestra el diagrama de transformacin isoterma que corresponde a dos de las aleaciones metlicas enmarcadas dentro de los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico, como son los acero AISI 4340 y 8620, respectivamente. De acuerdo con el diagrama que aparece representado en la Figura 2, para un acero HTLA con alto contenido de carbono y de elementos de aleacin como es el acero AISI 4340 se advierte una temperatura de inicio de formacin de martensita (Ms) de alrededor C, y para tratar de reducir la probabilidad de que se originen grietas en la zona de unin se puede promover la generacin de bainita (mezcla de ferrita y cementita que en esta figura se denota por F+C). A partir del diagrama de transformacin isoterma que se deduce para el acero AISI 4340, se observa que para una


4.1. Precalentamiento del metal base

Durante la soldadura de aceros de baja aleacin, la microestructura resultante enfuertemente afectada por el contenido de carbono y de elementos de aleacin. En realidad, el contenido de carbono y de elementos de aleacin existente en el metal base no slo influye sobre la estructura cristalina y las propiedademecnicas que pueden ser alcanzadas, sino tambin sobre la posible aparicin de defectos tales como la presencia

Con el propsito de reducir el riesgo de grietas en la unin soldada, habitualmente se aconseja el empleo de alentamiento, si bien los valores de temperatura de precalentamiento y de interpase

dependern del contenido de carbono y de elementos de aleacin en el metal base y el metal de aporte, la condicin de tratamiento trmico previa al proceso de soldeo, el espesor que corresponda a las piezas de partida, las restricciones existentes en la zona de unin y/o el hidrgeno disponible en el bao de fusin.

En relacin con las propiedades mecnicas de las piezas soldadas, la dureza resultante vendr dada bsicamentepor la cantidad de martensita obtenida durante el temple, la cual se ve favorecida por el contenido de carbono del metal base. No obstante, en aceros de baja aleacin como son los aceros conocidos por las siglas inglesas HTLA, el

la temperatura ambiente puede desencadenar una elevada susceptibilidad a la presencia de grietas, en especial en el caso de los aceros con alto contenido de carbono y de elementos de aleacin. Para la minimizacin del peligro de grietas en la zona de unin y la ZAT, se suele recurrir al precalentamiento del metal base, lo cual hace posible la reduccin de las tensiones residuales originadas durante la fase de enfriamiento.

El precalentamiento favorece asimismo la expulsin del hidrgeno que se pueda enconalgunos aceros puede dar lugar a la formacin de bainita, la cual posee una menor dureza que la martensita y, por tanto, es menos susceptible a la aparicin de grietas. Durante la soldadura de aceros con un contenido similarelementos de aleacin, por regla general se ha de elevar la temperatura de precalentamiento a medida que se

En las Figuras 2 y 3 se muestra el diagrama de transformacin isoterma que corresponde a dos

ciones metlicas enmarcadas dentro de los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico, como son los acero AISI 4340 y 8620, respectivamente. De acuerdo con el diagrama que aparece representado en la Figura 2, para un

arbono y de elementos de aleacin como es el acero AISI 4340 se advierte una temperatura de inicio de formacin de martensita (Ms) de alrededor de 290

atar de reducir la probabilidad de que se originen grietas en la zona de unin se puede promover la generacin de bainita (mezcla de ferrita y cementita que en esta figura se denota

A partir del diagrama de transformacin isoterma que se deduce para el acero AISI 4340, se observa que para una

10:

Durante la soldadura de aceros de baja aleacin, la microestructura resultante en las piezas unidas se ve fuertemente afectada por el contenido de carbono y de elementos de aleacin. En realidad, el contenido de carbono y de elementos de aleacin existente en el metal base no slo influye sobre la estructura cristalina y las propiedades mecnicas que pueden ser alcanzadas, sino tambin sobre la posible aparicin de defectos tales como la presencia

Con el propsito de reducir el riesgo de grietas en la unin soldada, habitualmente se aconseja el empleo de alentamiento, si bien los valores de temperatura de precalentamiento y de interpase

dependern del contenido de carbono y de elementos de aleacin en el metal base y el metal de aporte, la condicin pesor que corresponda a las piezas de partida, las

restricciones existentes en la zona de unin y/o el hidrgeno disponible en el bao de fusin.

En relacin con las propiedades mecnicas de las piezas soldadas, la dureza resultante vendr dada bsicamentepor la cantidad de martensita obtenida durante el temple, la cual se ve favorecida por el contenido de carbono del metal base. No obstante, en aceros de baja aleacin como son los aceros conocidos por las siglas inglesas HTLA, el

la temperatura ambiente puede desencadenar una elevada susceptibilidad a la presencia de grietas, en especial en el caso de los aceros con alto contenido de carbono y de elementos de aleacin. Para la

n y la ZAT, se suele recurrir al precalentamiento del metal base, lo cual hace posible la reduccin de las tensiones residuales originadas durante la fase de enfriamiento.

El precalentamiento favorece asimismo la expulsin del hidrgeno que se pueda encontrar en el bao de fusin, y en algunos aceros puede dar lugar a la formacin de bainita, la cual posee una menor dureza que la martensita y, por tanto, es menos susceptible a la aparicin de grietas. Durante la soldadura de aceros con un contenido similar de elementos de aleacin, por regla general se ha de elevar la temperatura de precalentamiento a medida que se

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la Figura 3 en el caso del acero AISI 8620 tiene comienzo a una temperatura de 405 elevados valores que corresponden a estaselementos de aleacin se puede prescindir en algunas ocasiones de la aplicacin de una cierta temperatura de precalentamiento y de interpase.

La reduccin del contenido de carbono y de elementos de aleacin conduce tambin a una menor templabilidad, y a una menor dureza de la martensita. Al disponer de unos lmites ms elevados para el rango de temperaturas de formacin de martensita, el empleo de temperaturas de precalentamiento y de interpase por debajo de este rango favorece el revenido parcial de la martensita. En la Tabltemperaturas en el caso de algunos de los aceros que se abordan en este trabajo. De acuerdo con esta tabla, se aprecian notables diferencias en funcin de las caractersticas metalrgicas de las distintaspertenecientes a este grupo de aceros especiales.

Tabla 6. Temperatura de precalentamiento para aceros HTLA segn el espesor del metal base

Designacin del

metal base

AISI 1330

1340

4023

4028

4047


temperatura de interpase de alrededor dees necesario un tiempo total de 30 min para la transformacin de la austenita en forma de bainita, por lo que para este tipo de acero se puede asumir una temperatura de precalentamiento y de interpase de entre 315 y 345 C, como se indica en la Tabembargo, cuando estas temperaturas son superiores a 290 pequea capa de xido sobre la superficie de la unin soldada, lo cual implica unas condiciones incmodas para el desarrollo del proceso y puede llegar a suponer un la soldadura.

Cuando se recurre a aceros que se caracterizan por un reducido contenido de carbono y de elementos de aleacin, se advierten mayores valores para las temperaturas en que tiene lugar la formacin de martensita, qu

la Figura 3 en el caso del acero AISI 8620 tiene comienzo a una temperatura de 405 elevados valores que corresponden a estas temperaturas, para aceros HTLA con bajo contenido de carbono y de

n se puede prescindir en algunas ocasiones de la aplicacin de una cierta temperatura de

La reduccin del contenido de carbono y de elementos de aleacin conduce tambin a una menor templabilidad, y a a martensita. Al disponer de unos lmites ms elevados para el rango de temperaturas de

formacin de martensita, el empleo de temperaturas de precalentamiento y de interpase por debajo de este rango favorece el revenido parcial de la martensita. En la Tabla 6 se muestran los valores recomendados para estas temperaturas en el caso de algunos de los aceros que se abordan en este trabajo. De acuerdo con esta tabla, se aprecian notables diferencias en funcin de las caractersticas metalrgicas de las distintaspertenecientes a este grupo de aceros especiales.


Designacin del

metal base

Temperatura de precalentamiento (C)

t 13 mm 13-25 mm 25-50 mm

AISI 1330 175-230 205-260 230-290

1340 205-260 260-315 315-370

4023 40 95-150 120-170

4028 95-150 120-175 205-260

4047 205-260 230-290 260-315

11:temperatura de interpase de alrededor de 315 C es necesario un tiempo total de 30 min para la transformacin de la austenita en forma de bainita, por lo que para este tipo de acero se puede asumir una temperatura de precalentamiento y de interpase de entre 315 y

C, como se indica en la Tabla 6. Sin embargo, cuando estas temperaturas son superiores a 290 C se suele producir una pequea capa de xido sobre la superficie de la unin soldada, lo cual implica unas condiciones incmodas para el desarrollo del proceso y puede llegar a suponer un perjuicio para la calidad de

Cuando se recurre a aceros que se caracterizan por un reducido contenido de carbono y de elementos de aleacin, se advierten mayores valores para las temperaturas en que tiene lugar la formacin de martensita, que de acuerdo con

la Figura 3 en el caso del acero AISI 8620 tiene comienzo a una temperatura de 405 C. Como consecuencia de los temperaturas, para aceros HTLA con bajo contenido de carbono y de

n se puede prescindir en algunas ocasiones de la aplicacin de una cierta temperatura de

La reduccin del contenido de carbono y de elementos de aleacin conduce tambin a una menor templabilidad, y a a martensita. Al disponer de unos lmites ms elevados para el rango de temperaturas de

formacin de martensita, el empleo de temperaturas de precalentamiento y de interpase por debajo de este rango a 6 se muestran los valores recomendados para estas

temperaturas en el caso de algunos de los aceros que se abordan en este trabajo. De acuerdo con esta tabla, se aprecian notables diferencias en funcin de las caractersticas metalrgicas de las distintas aleaciones metlicas


Temperatura de precalentamiento (C)

mm

290

370

170

260

315

12:


4118 95-150 175-230 205-260

4130 150-205 205-260 230-290

4140 175-230 230-290 290-345

4150 205-260 260-315 315-370

4320 95-150 175-230 205-260

4340 290-345 315-370 315-370

4620 40 95-150 120-175

4640 175-230 205-260 230-290

5120 40 95-150 120-175

5145 205-260 230-290 260-315

8620 40 95-150 120-175

8630 95-150 120-175 175-230

8640 120-175 175-230 205-260

Tabla 7. Valores tpicos de temperaturas de austenizacin y formacin de martensita para aceros HTLA


Temperatura

de austenizacin (C)

Temperatura de formacin de martensita

Ms (C) M50 (C) M99 (C)

AISI 4130 815-870 380 350 290

4140 845-870 350 290 230

4150 815-845 320 270 210

4340 815-845 290 250 170

8630 830-855 370 340 250

8640 830-855 330 380 210

Para una determinada cantidad de energa aportada y una cierta temperatura de precalentamiento, se obtiene una mayor velocidad de enfriamiento a medida que aumenta el espesor de las piezas de partida. Como consecuencia, cuando se hace uso de aceros con una templabilidad intermedia, el grado en que se completa la formacin de martensita se ver incrementado por el espesor del metal base. Por este motivo, normalmente se aconseja elevar el valor que corresponde a la temperatura de precalentamiento cuando se recurre al soldeo de piezas con mayores espesores, como apuntan las temperaturas recogidas en la Tabla 6.

13:


Se pueden asumir valores inferiores a los que aparecen en esta tabla cuando el metal base se encuentra en condicin de recocido o sobre-revenido, la zona de unin corresponde a las secciones de menor espesor o menos crticas para la calidad de la soldadura, la tcnica de soldeo y metal de aporte seleccionados facilitan la obtencin de una baja cantidad de hidrgeno y/o se recurre a un metal de aporte con el menor contenido posible de carbono y de elementos de aleacin para las propiedades mecnicas deseadas.

4.2. Tratamiento trmico post-soldadura

Al igual que ha sido descrito anteriormente en relacin con el precalentamiento del metal base, los criterios a seguir para el tratamiento trmico post-soldadura dependern del tipo de acero HTLA seleccionado para la unin por soldadura. Las recomendaciones que han de ser observadas a este respecto, varan fundamentalmente en funcin de que se recurra a aceros con bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin, o bien por el contrario estos ltimos posean un elevado contenido de carbono y de elementos de aleacin. Asimismo, la aplicacin de este tratamiento se ver afectada por los valores asumidos para la temperatura de precalentamiento y de interpase.

Cuando se hace uso de aceros HTLA con elevado contenido de carbono y de elementos de aleacin (como sucede por ejemplo en el caso del acero AISI 4340), para reducir el riesgo de grietas en la zona de unin y la ZAT, se debe mantener la temperatura de precalentamiento durante la totalidad del tiempo de soldeo y adems recurrir de manera automtica al tratamiento trmico post-soldadura nada ms concluir el proceso de soldadura, sobre todo para aceros especialmente susceptibles de aparicin de grietas por contraccin. El enfriamiento brusco hasta la temperatura ambiente puede provocar el peligro de grietas en las piezas soldadas, por lo que se debe hacer uso de un tratamiento trmico post-soldadura adecuado con el propsito de ablandar la martensita.

En comparacin con las aleaciones metlicas que acaban de ser comentadas, los aceros con reducido contenido de carbono y de elementos de aleacin (dentro de los cuales se encuentra por ejemplo el acero con designacin AISI 8630) se caracterizan por una menor probabilidad de formacin de grietas. Los valores recomendados para las temperaturas de precalentamiento y de interpase vienen dados por temperaturas iguales o inferiores a las definidas por el rango de temperaturas para la formacin de martensita, comprendido entre los lmites establecidos por los valores que corresponden a Ms y M90.

Como se ilustra en la Tabla 7, en los aceros HTLA que cuentan con un bajo contenido de carbono y de elementos de aleacin (entre los cuales se enmarca el acero AISI 8630), se advierten temperaturas de formacin de martensita superiores a las asociadas a aceros con mayores contenidos de carbono y de elementos de aleacin (como es por ejemplo el acero AISI 4340), por lo que habitualmente se obtienen soldaduras con tratamiento trmico de revenido, salvo que se aconseje el temple y revenido de la unin soldada.

5. Conclusiones

En este estudio se indican los criterios de soldeo que deben ser atendidos para uno de los grupos de aceros de alta resistencia que son habitualmente empleados en la industria, como son los aceros de baja aleacin para tratamiento trmico (o tambin conocidos como aceros HTLA). En primer lugar se describen las designaciones de las principales aleaciones que pertenecen a este grupo de aceros y las propiedades mecnicas que suelen ser alcanzadas por los mismos, y a continuacin se abordan las recomendaciones que deben ser consideradas durante la soldadura de estos materiales de ingeniera, incluyendo las tcnicas de soldeo ms apropiadas y las caractersticas exigidas al metal de aporte. Dependiendo del contenido de carbono y de elementos de aleacin, es necesario contemplar diferentes criterios en relacin a las condiciones que debe satisfacer el metal base, y las temperaturas que han de ser mantenidas durante el precalentamiento y tratamiento trmico post-soldadura.

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Referencias

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Por: Patricio Franco, Silvia Monreal

Universidad Politcnica de Cartagena, Departamento de Ingeniera de Materiales y Fabricacin,

Los aceros microaleados, tambin conocidos como aceros HSLA (Alta resistencia bade bajo contenido de carbono, pudiendo variar su composicin entre 0,05 a 0,2 % C, 0,6 a 1,6 % Mn y los elementos formadores de carburo en contenido cercano al 0,1 % de Nb, V o Ti, aunque algunos otros elementos tales como Cu, Ni, Cr, y Mo pueden tambin estar presentes en pequeas cantidades alrededor de 0,1 %.

Elementos tales como Al, B, O, y N tambin presentan un efecto importante sobre el comportamiento de los aceros microaleados, encontrndose su contenido en el orden de las milsimas.

En los primeros aceros microaleados, pequeas adiciones de vanadio y niobio permitieron obtener un incremento notable de la resistencia y del lmite elstico de las ferroaleaciones con baja cantidad de carbono, lo que supuso poder alcanzar un compromiso aceptable entr


[1] ASM Handbook, Volume 06 - Welding Brazing and Soldering, 6th Edition, ASM International, Metals

[2] ASM Handbook, Volume 01 - Properties and Selection: Irons, Steels and High Performance Alloys, 6th Edition, ASM International, Metals Park, Ohio, 2001

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[9] MAGUDEESWARAN, G., BALASUBRAMANIAN, V., MADHUSUDHAN REDDY, G. Effect of welding processes and consumables on high cycle fatigue life of high strength, quenched and tempered steel joints,

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PERLADE, A., GOURGUES, A.F. PINEAU, A. Austenite to bainite phase transformation in affected zone of a high strength low alloy steel, Acta Materialia, Vol. 52, 2004, 2337

Universidad Politcnica de Cartagena, Departamento de Ingeniera de Materiales y Fabricacin, C/ Doctor Fleming s/n, 30202 Cartagena, Espaa

LOS ACEROS HSLA

Los aceros microaleados, tambin conocidos como aceros HSLA (Alta resistencia baja aleacin) se refieren a acerode bajo contenido de carbono, pudiendo variar su composicin entre 0,05 a 0,2 % C, 0,6 a 1,6 % Mn y los elementos formadores de carburo en contenido cercano al 0,1 % de Nb, V o Ti, aunque algunos otros elementos tales como Cu,

estar presentes en pequeas cantidades alrededor de 0,1 %.

Elementos tales como Al, B, O, y N tambin presentan un efecto importante sobre el comportamiento de los aceros microaleados, encontrndose su contenido en el orden de las milsimas.

ros aceros microaleados, pequeas adiciones de vanadio y niobio permitieron obtener un incremento notable de la resistencia y del lmite elstico de las ferroaleaciones con baja cantidad de carbono, lo que supuso poder alcanzar un compromiso aceptable entre las propiedades de soldabilidad y resistencia. Hall

14:

Brazing and Soldering, 6th Edition, ASM International, Metals

Properties and Selection: Irons, Steels and High Performance Alloys, 6th

J.A. Aceros. Metalurgia fsica, seleccin y diseo, Cie Dossat 2000, Madrid, 2004.

[4] RAVI, S., BALASUBRAMANIAN, V., NEMAT NASSER, S. Influences of post weld heat treatment on matched HSLA steel welds, International Journal of Fatigue, Vol. 27,

[5] BROWN, I.H. The role of microsegregation in centreline cold cracking of high strength low alloy steel

on microstructure and fracture toughness of simulated affected zone for a 800MPa grade high strength low alloy steel, Journal of Materials Processing

re behaviour of a high strength low 1451.

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C/ Doctor Fleming s/n, 30202 Cartagena, Espaa.

ja aleacin) se refieren a acerosde bajo contenido de carbono, pudiendo variar su composicin entre 0,05 a 0,2 % C, 0,6 a 1,6 % Mn y los elementos formadores de carburo en contenido cercano al 0,1 % de Nb, V o Ti, aunque algunos otros elementos tales como Cu,

estar presentes en pequeas cantidades alrededor de 0,1 %.

Elementos tales como Al, B, O, y N tambin presentan un efecto importante sobre el comportamiento de los aceros

ros aceros microaleados, pequeas adiciones de vanadio y niobio permitieron obtener un incremento notable de la resistencia y del lmite elstico de las ferroaleaciones con baja cantidad de carbono, lo que supuso

e las propiedades de soldabilidad y resistencia. Hall (1951) y Petch

15:


(1953) han estudiado el endurecimiento por precipitacin y una mejora de las temperaturas de transicin dctil-frgil estudiadas y cuantificadas en mltiples trabajos (Gladman 1988, Kouwenhoven 1969, Carsi 1993 y Narita1978).

La posterior aplicacin de estos micro constituyentes a ferroaleaciones con mayor contenido de carbono (0,3 -0,4 %) rest importancia a los incrementos de resistencia obtenidos y alej su uso de productos de fcil soldeo.

Quedaba, pues, como mejora fundamental la obtencin de estructuras tenaces que permitan fabricar piezas parausos crticos con procesos ms sencillos y econmicos.

Con este tipo de acero es relativamente fcil -variando los contenidos de carbono y/o vanadio- conseguir niveles de resistencia equivalentes a los de los aceros templados y revenidos, pero en general los valores de tenacidad que se consiguen son inferiores. Por tanto, es imprescindible mejorar la tenacidad de estos aceros si se quiere extender sus aplicaciones a componentes crticos (Reynolds 1992).

Una de las alternativas ms claras parea mejorar la tenacidad de estos aceros es el afinamiento del tamao de grano austentico, que conduzca a la formacin de granos finos de ferrta y colonias de perlta en la transformacin por enfriamiento (Naylor 1989).

Los aceros microaleados alcanzan su mayor desarrollo en la dcada de los aos sesenta y setenta. La aceptacin de estos aceros no fue inmediata, se incrementaron substancialmente la resistencia a la fluencia y ductilidad, no as la resistencia a la ruptura.

El uso industrial de los aceros microaleados, es cada vez ms importante a consecuencia de sus mltiples ventajas sobre los aceros al carbono y de media aleacin tradicionalmente utilizados como aceros estructurales, los cuales deben cumplir con ciertas caractersticas tales como alta resistencia a la fluencia, baja temperatura de transicin dctil-frgil, mnima anisotropa ante la ductilidad y la tenacidad y buena soldabilidad. Todas estas propiedades dependen directamente de la microestructura del material, y esta, a su vez, del tratamiento trmico o termomecnico aplicado.

Las aplicaciones de aceros de alta resistencia a estructuras comerciales, incluidos buques, puentes y recipientes de presin, ha ocurrido desde hace varios aos, estando la mayora de estas aplicaciones limitada a valores de esfuerzo de fluencia bajo 120.000 psi, 84,4 Kg/mm .

Sin embargo, la aplicacin ms corriente de estos 2 tipos de acero, templados y revenidos, estaba limitada a aceros navales como HY-80 y HY-100 y otros comerciales como ASTM A 514/517, teniendo estos aceros una excelente resistencia a la fractura a bajas temperaturas.

En contraposicin a estos aceros templados y revenidos, que basan su alta resistencia en una estructura de tipo Martenstica surgen los aceros de tipo ferrtico, de caractersticas fcilmente saldables.

Los aceros denominados HSLA tienen potencialmente la misma o mejor resistencia y tenacidad que los HY, pero son obtenidos por una combinacin de acero altamente limpio y cantidades pequeas y seleccionadas de elementos microaleantes (0.15%), siendo el cobre y el nquel sus principales componentes.

El resultado ha sido, que a causa de su bajo contenido de carbono, sean fcilmente soldables sin las exigencias y restricciones que se requiere para el HY.

16:


La clave de su ventaja est en que no requiere precalentamiento previo, estimndose que la reduccin de costo slo por este concepto alcanza entre US$ 0.40 a US$ 0.90 por libra.

Es as como se desarroll un acero denominado HSLA-80, un material que obtiene sus propiedades por endurecimiento de precipitacin en lugar de aquellos ms convencionales templados y revenidos.

Como resultado de un intensivo programa conducente a caracterizar sus propiedades y determinar los procesos lmites para una soldadura exitosa, el HSLA-80 fue utilizado en la construccin de cruceros de la clase "Ticonderoga".

Condiciones para la seleccin de materiales.

A continuacin se enumeran las propiedades para la seleccin de los materiales ms importantes:

a) Relacin Resistencia v/s peso.

El peso especfico de un material es frecuentemente una caracterstica crtica, as el peso estructural es una de las de mayor consideracin en el diseo.

En muchos casos, esto no es as absolutamente sino que tambin la razn resistencia/peso, representada por la relacin entre el esfuerzo de fluencia del material y el peso especfico de ste.

Este parmetro es usualmente empleado en casos en donde se desea mantener un cierto nivel de resistencia mecnica para un mnimo peso estructural.

b) Tenacidad a la fractura.

Corresponde a la habilidad del material para absorber energa de deformacin plstica antes de fracturarse.

Este factor comienza a ser un problema crtico cuando una estructura est sometida a bajas temperaturas.

c) Resistencia a la Fatiga.

Cargas las cuales no causan fractura en una simple aplicacin pueden resultar en fractura cuando son aplicadas repetidamente.

El mecanismo de falla por fatiga es complejo pero bsicamente involucra la iniciacin de pequeas grietas, usualmente en la superficie y el subsecuente crecimiento bajo el mecanismo de repeticin de cargas.

d) Resistencia a la corrosin.

Los materiales usados en componentes estructurales expuestos al agua de mar y otros ambientes deben tener una adecuada resistencia al inicio de la corrosin.

La corrosin es el ataque destructivo de un metal por reaccin qumica o electroqumica con el ambiente.

El agrietamiento por corrosin esfuerzo es por otra parte la fractura del material bajo la presencia de ambos, esfuerzo y ciertos ambientes nocivos.

17:


e) Otras propiedades.

Otras caractersticas del material que deben ser consideradas son:

Fcil fabricacin. Soldabilidad.Durabilidad. Costo.Mantenimiento. Confiabilidad.

Factores de diseo en la seleccin de materiales

Los aceros HSLA de mayor aplicacin se pueden clasificar en tres grupos:

Grupo A, aceros normalizados de alto lmite elstico: este grupo de aceros se caracteriza por poseer una buena soldabilidad y su elevado lmite elstico se consigue por la adicin de pequeas cantidades de elementos de aleacin como el Nb.

Grupo B, aceros normalizados resistentes a la corrosin atmosfrica: los elementos que se aaden como microaleantes a esta grupo de aceros son Ni, Cr, Cu, Si y P. Son aceros que poseen unas cuatro veces ms resistencia a la corrosin y valores de resilincia superiores a los del los aceros al carbono. Los aceros de este grupo ms empleados son los ASTM 242 y A588.

Grupo C, aceros templados y revenidos de muy altas caractersticas mecnicas: son aceros que en funcin de la composicin qumica, espesores y tratamiento trmico, pueden llegar a alcanzar lmites elsticos de entre 35 y 205 Kg/mm2. Estas elevadas propiedades mecnicas provienen de la estructura martenstica que se consigue despus de un tratamiento trmico de temple y revenido. Para ello, las piezas de acero se calientan a una temperatura a la cual se consigue una estructura martenstica con los carburos de estos elementos en disolucin.

Aceros al carbono de alta resistencia y baja aleacin (HSLA)

Especificacin

Composicin Qumica (% Mximo) LmiteElstico

KSI Mn.

UltimaTensin

KSI Mn.

% deElongacin

2"

Descripcin y Uso FinalC Mn P S

CbMn.

CuMn.

ASTM A-611 Gr. C 0.15 0.60 0.035 0.035 - 0.20 33 48 22

Estructuras resistentes a la

corrosin atmosfrica.

SAE J1392 Gr. 45 X 0.15 1.20 0.030 0.035 0.005 - 45 55 22 Piezas soporte de alta resistencia

para la industria automotriz.

SAE J1392 Gr. 50 Y 0.15 1.35 0.030 0.035 0.005 - 50 65 20ASTM A-607 Gr. 50 0.15 1.35 0.030 0.035 0.005 - 50 65 20ASTM A-1008 Gr.50 0.15 1.65 0.040 0.040 0.005 - 50 65 20

Equivalencias entre algunos fabricantes

S240MC AM FCEEN 10149-

2:1995SEW

092:1990UNE 36090

NF A 36-231:1992

BS 1449/1

ASTM A1011-01a

S280MC AM FCE QstE300TM AE275HCHR40 F30

Soldur 280/Profilar 300/BSK 30

S315MC AM FCE S315MC QstE340TM E315DHSLAS-F Grade

45 class 2Soldur 320/Profilar

340/BSK 34/SPXE 340

S355MC AM FCE S355MC QstE380TM AE340HC E355DHR43 F35

HSLAS-F Grade 50 class 2

Soldur 360/Profilar 380/BSK 38/SPXE 380

S390MC AM FCE QstE420TM AE390HC HR46 Profilar 420/BSK

18:


Por: Dr. Ing. Julio Antiquera, Prof. Universidad de Magallanes, Punta Arenas, Chile.

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F40 42/SPXE 420

S420MC AM FCE S420MC QstE460TM AE440HC E420DHR50 F45


Soldur 420/Profilar 460/BSK 46

S460MC AM FCE S460MC QstE500TM AE490HCHSLAS-F Grade


500/BSK 50/SPXE 480

S500MC AM FCE S500MC QstE550TM E490DHSLAS-F Grade


550/BSK 55/SPXE 530

S550MC AM FCE S550MC QstE600TM E560DHR60 F55


Soldur 550

Direccin.

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Documents

Aceros de Baja Aleacion y Alta Resistencia, HTLA, HSLA.pdf