Efecto de la soldadura por fricción rotativa en la microdureza fatiga y microestructura en juntas soldadas de aceros al carbono e inoxidables

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(1)BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA. EFECTO DE LA SOLDADURA POR FRICCION ROTATIVA EN LA MICRODUREZA FATIGA Y MICROESTRUCTURA EN JUNTAS SOLDADAS DE ACEROS AL CARBONO E INOXIDABLES. TESIS PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERO MECANICO. AUTOR: ASESOR:. Br. OSCAR EDUARDO VILLARREAL GUZMAN Dr. VÍCTOR MANUEL ALCÁNTARA ALZA. TRUJILLO- PERU. 2019 1. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. EL PRESENTE TRABAJO ESTA DEDICADO A TODOS LOS MAESTROS QUE HAN CONTRIBUIDO EN MI FORMACION PROFESIONAL Y PERSONAL. A MI FAMILIA, QUIENES SIEMPRE ME HAN ACOMPAÑADO EN TODO ESTE PROCESO. A O.M.R.N.V. POR TODO SU OPTIMISMO Y CONFIANZA EN ESTE LARGO CAMINO.. OSCAR EDUARDO VILLARREAL GUZMAN. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 2 Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. AGRADECIMIENTOS. : Al Dr. Ing. Víctor Manuel Alcántara Alza, por su orientación y asesoramiento incondicional en el presente trabajo de investigación y por las cátedras impartidas de Mecánica de Materiales y Procesos de fabricación durante mi formación profesional. : A todos los docentes universitarios que contribuyeron en mi formación académicoprofesional.. : A mi Alma Mater, la Universidad Nacional de Trujillo, por haberme albergado en mi vida universitaria, hasta verme profesional.. : Al personal Administrativo, biblioteca y de servicio por su delicada participación en el funcionamiento y mantenimiento de mi alma mater. : A mis amigos y colegas:. ……... 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. PRESENTACION Señores miembros del jurado. Señor Decano de la Facultad de Ingeniería (UNT) Señores Docentes de la Escuela de Ingeniería Mecánica (UNT) De conformidad a lo contemplado por la ley universitaria 30220, Art. 45. Inc. 45.2, en concordancia con lo dispuesto en el Art. 133 de los Estatutos de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a vuestra disposición, bajo la modalidad de elaboración de una TESIS, el presente trabajo de investigación titulado: EFECTO DE LA SOLDADURA POR FRICCION ROTATIVA EN LA MICRODUREZA FATIGA Y MICROESTRUCTURA EN JUNTAS SOLDADAS DE ACEROS AL CARBONO E INOXIDABLES Mediante el cual postulo a optar el título de Ingeniero Mecánico. El presente trabajo de investigación, contó con el asesoramiento del Dr-Ing. Víctor Alcántara Alza; y por su naturaleza, es del tipo de investigación aplicada, basada en el método experimental, habiendo seguido los pasos y procedimientos normados en la metodología de la investigación científica. Es mi deseo que los resultados, conclusiones y recomendaciones obtenidas en el presente estudio permitan ampliar los conocimientos en el área respectiva, tanto en los estudiantes de Pre-grado, como en los profesionales que ejercen la carrera de Ingeniería Mecánica. Mucho agradeceré cualquier sugerencia que ayude a enriquecer el presente trabajo.. Trujillo, Septiembre del 2019 ………………………………………. Br. Oscar Villarreal Guzmán.. 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. INDICE GENERAL DEDICATORIA………………………………………………………………………2 AGRADECIMIENTOS……………………………………………………………….3 PRESENTACIÓN…………………………………………………………………….4 LISTA DE FIGURAS………………………………………………………………...8 LISTA DE TABLAS………………………………………………………………...11 RESÚMEN…………………………………………………………………………..12 ABSTRACT…………………………………………………………………………13. CAPITULO I – INTRODUCCION I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA………………………………………………....14 I.2. ANTECEDENTES/ESTADO DEL ARTE……………………………...............16 I.3. OBJETIVOS………………………………………………………………….….18 I.3.1. OBEJTIVO GENERAL……………………………………………………….18 I.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS………………………………………………….18 I.4. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO……………………………………………...18 I.5. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN……………………………………...……19 I.6. HIPOTESIS……………………………………………………………………...19. CAPITULO II- FUNDAMENTOS TEORICOS II.1. LOS ACEROS…………………………………………………………………20 II.1.1. ACEROS AL CARBONO……………………………………………………21 II.1.2. ACEROS INOXIDABLES…………………………………………………...22 II.1.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES………………….23 II.1.2.1.1. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS…………………………...24 II.1.2.1.2. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS……………………………….25 II.1.2.1.3. ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX……………………………………25 II.1.2.1.4. COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. INOXIDABLES DÚPLEX………………………………………………………….26 II.1.2.1.5. SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX……..28 II.1.2.1.6. ACERO INOXIDABLE AISI 2205……………………………………...29 II.2. PROCESOS DE SOLDADURA POR FRICCIÓN (FRW)……………………29 II.2.1. MÉTODOS DE APORTE DE ENERGÍA……………………………………31 II.2.2. SOLDADURA DE IMPULSO DIRECTO…………………………………..31 II.2.3. SOLDADURA DE IMPULSO INERCIAL…………………………………32 II.2.4. TIPOS DE MOVIMIENTO RELATIVO…………………………………….33 II.2.5. MECANISMOS DEL PROCESO……………………………………………34 II.2.6. PARÁMETROS DE LA SOLDADURA POR FRICCIÓN………………….36 II.2.7. MECANISMO DE UNIÓN Y ESTRUCTURA DE LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR (HAZ)……………………………………………...38 II.2.8. GENERACION DE CALOR…………………………………………………39 II.3. FATIGA EN ACEROS…………………………………………………………40 II.3.1. LA CURVA S-N [CURVA DE WÖHLER]………………………………….42. CAPITULO III-MATERIALES Y METODOS. III.1. MATERIALES A SOLDAR…………………………………………………..44 III.1.1. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES………………………………...44 III.1.2. MICROESTRUCTURA DE LOS ACEROS AISI 1020 Y AISI 2205……...46 III.2. DISEÑO EXPERIMENTAL…………………………………………………..46 III.2.1. VARIABLES DE ESTUDIO………………………………………………..46 III.2.2. MATRIZ DE ENSAYOS……………………………………………………47 III.3. EQUIPOS, INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y MATERIALES CONSUMIBLES………………………………………………...47 III.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………………………………………48 III.4.1. EJECUCION DE LOS ENSAYOS…………………………………………48 III.4.1.1. ENSAYOS DE SOLDADURA POR FRICCIÓN ROTATIVA…………..50 III.4.1.2 ENSAYOS DE TRACCION………………………………………………52 III.4.1.3. ENSAYOS DE MICRODUREZA……………………………………….52 III.4.1.4. ENSAYOS DE FATIGA…………………………………………………53 III.4.1.5. ENSAYOS DE MICROSCOPIA…………………………………………54 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO IV-RESULTADOS Y DISCUSION. IV.1. RESULTADOS DE RESISTENCIA A LA TENSION……………………….56 IV.2. RESULTADOS DE FATIGA…………………………………………………58 4.2.1. DIAGRAMAS S-N DE LAS MUESTRAS SOLDADAS FRW……………...58 4.2.1.1. DIAGRAMAS S-N DE MUESTRAS: FRW- 1000 rpm……………………58 4.2.1.2. LÍMITES DE FATIGA DE MUESTRAS: FRW- 1000 rpm………………..61 4.2.1.3. DIAGRAMAS S-N DE LAS MUESTRAS: FRW- 1400 rpm……………...62 4.2.1.4. LÍMITES DE FATIGA DE MUESTRAS: FRW- 1400 rpm……………….64 IV.3. RESULTADOS DE MICRODUREZA……………………………………….65 IV.3.1. RESULTADOS DE MICRODUREZA DE MUESTRAS SOLDADAS: FRW- 1000 rpm……………………………………………………...65 IV.3.2. PERFILES DE MICRODUREZA DE LAS MUESTRAS SOLDADAS: FRW- 1000 rpm……………………………………………………...65 IV.3.3. RESULTADOS DE MICRODUREZA DE LAS MUESTRAS SOLDADAS FRW: 1400 rpm………………………………………………………68 IV.3.4 PERFILES DE MICRODUREZA DE MUESTRAS SOLDADAS: FRW-1400 rpm………………………………………………………68 IV.3.5. GRÁFICOS CONSOLIDADOS DE MICRODUREZA…………………….71 IV.4. MICROESTRUCTURAS DE LAS MUESTRAS…………………………….72 IV.5. DISCUSION DE RESULTADOS…………………………………………….74 IV.5.1. RESPECTO A LA RESISTENCIA A LA TRACCION……………………74 IV.5.2 RESPECTO A LAS PROPIEDES DE FATIGA…………………………….75 IV.5.3. RESPECTO AL PERFIL DE MICRODUREZA……………………………77 IV.5.4. RESPECTO A LA MICROESTRUCTURA………………………………..78 CONCLUSIONES…………………………………………………………………...80 RECOMENDACIONES……………………………………………………………..81 REFERENCIAS……………………………………………………………………..82 ANEXOS…………………………………………………………………………….85. 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTA DE FIGURAS. Dentro del Capítulo II. Fig. II.1. Diagrama Hierro- Carbono Fig. II.2. Diagrama Fe-C, recortado hasta 1,4%C. Se observan la variación de microestructuras conforme se incrementa el contenido de carbono Fig. II.3. Diagrama de fases Fe-Cr. Fig. II.4. Esquema de las etapas de la soldadura por fricción Fig. II. 5. Secuencia en soldadura por fricción Fig. II.6. Esquema de la máquina de soldadura por fricción de inducción continua Fig. II.7. Parámetros de la Soldadura por Fricción mediante Impulso Directo. Fig. II.8. Parámetros de la Soldadura por Fricción mediante Impulso Inercial Fig. II.9. Tipos de Movimiento Relativo en la Soldadura por Fricción Rotativa Fig. II.10. Etapas del mecanismo de la soldadura por fricción rotativa (FRW) Fig.II.11. Ilustración esquemática de las diferentes regiones en el HAZ de especímenes soldados por fricción; i) zona de contacto; (ii) zona completamente plastificada; (iii) zona parcialmente deformada; (iv) zona no deformada Fig. II.12. Ciclos típicos de fatiga: a) ciclo de tensión alterna (tensión -compresión); b) ciclo de tensión alterna (tensión). Fig. II.13. Curvas típicas de fatiga para aleaciones ferrosas y no ferrosas. Dentro del Capítulo III. Fig. III.1. Microestructura de los aceros AISI 1020 y AISI 2205 en estado de suministro. En el primero se observa una estructura de ferrita (Zona blanca) y perlita (zona oscura). En el segundo tiene una estructura de ferrita (zona blanca) y austenita (zona oscura) Fig. III.2. Esquema de relación de variables del experimento (Black-box) Fig. III.3. Dimensiones de las probetas de tracción de las juntas soldadas disimilares según la norma ASTM E8. Fig. III.4. Dimensiones de las probetas usadas para los ensayos de Fatiga (mm) Fig. III.5. Dispositivos de acoplamiento a torno paralelo convencional para realizar el proceso de soldadura por fricción rotativa (FRW). Fig. III.6. Fotografía que muestra el proceso de formación de soldadura en 4 etapas. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. III.7. Muestra de probetas obtenidas después de los ensayos de soldadura por fricción rotativa FRW de los materiales disimiles AISI 1020 y AISI 2205. (P1→ 𝑃3) Fig. III.8. Fotografía mostrando la ubicación de las probetas soldadas antes de ejecutar el ensayo de tracción Fig. III.9. Máquina Moore usada para los ensayos de fatiga en flexión rotativa. Fig. III. 10. Probetas fracturadas después del el ensayo de fatiga rotativa. Se muestran las probetas: P1→ P6, que corresponden a las probetas soldadas por FRW- 1000 rpm. La zona izquierda corresponde al acero inoxidable AISI 2205 y la parte derecha al acero al carbono AISI 1020. En todos los casos se observa la fractura en el centro del cordón Fig. III.11. Microscopio Zeiss 1000X, para usado en los ensayos metalográficos. Equipo perteneciente al laboratorio de ensayos Metalograficos-Escuela Ing. Metalúrgica.-UNT. Dentro del Capítulo IV. Fig. IV.1. Gráficos que muestran la resistencia máxima a la tensión (Rm) para cada probeta. Cada punto representa una probeta soldada. Fig. IV.2. Gráfico de barras que muestran la resistencia máxima a la tensión (Rm) para probetas soldadas a 1000 rpm. Fig. IV.3. Gráfico de barras que muestran la resistencia máxima a la tensión (Rm) para probetas soldadas a 1400 rpm. Fig. IV.4. Gráfico de barras mostrando la resistencia máxima a la tensión (Rm) para probetas soldadas (FRW) con diversos parámetros. Fig. IV. 5. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P1” Fig. IV. 6. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P2” Fig. IV. 7. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P3” Fig. IV. 8. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P4” Fig. IV. 9. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P5” Fig. IV. 10. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P6” Fig. IV.11. Variación del límite de fatiga con los parámetros de soldadura por fricción FRW, (AISI 1020- AISI 2205) en muestras ensayadas a 1000 rpm Fig. IV.12. Variación del límite de fatiga por probeta ensayada: P1- P6 Fig. IV. 13. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P7” Fig. IV.14. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P8” Fig. IV.15. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P9” Fig. IV.16. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P10” 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. IV.17. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P11” Fig. IV.18. Diagrama de fatiga S-N, para la probeta soldada “P12” Fig. IV.19. Variación del límite de fatiga con los parámetros de soldadura por fricción FRW, (AISI 1020- AISI 2205) en muestras ensayadas a 1400 rpm Fig. IV.20. Variación del límite de fatiga por probeta ensayada: P7-P12 Fig. IV.21. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P1” Fig. IV.22. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P2” Fig. IV.23. Perfil de microdureza para la probeta soldadas “P3” Fig. IV.24. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P4” Fig. IV.25. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P5” Fig. IV.26. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P6” Fig. IV.27. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P7” Fig. IV.28. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P8” Fig. IV.29. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P9” Fig. IV.30. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P10” Fig. IV.31. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P11” Fig. IV.32. Perfil de microdureza para la probeta soldada “P12” Fig. IV.33. Perfiles de microdureza de probetas: (P1→ P6). Probetas soldadas con FRW a 1000 rpm Fig. IV.34. Perfiles de microdureza de probetas: (P7→ P12). Probetas soldadas con FRW a 1400 rpm Fig. IV.35. Microfotografía de la zona central del cordón, zona de deformación y zona afectada por el calor de una muestra soldada por FRW… ZD: zona deformada, (Probeta 1) x1000 Fig. IV.36. Microfotografía de la zona central del cordón, zona de deformación y zona afectada por el calor de una muestra soldada por FRW, ZD: zona deformada, (Probeta 2) x1000 Fig. IV.37. Microfotografía de la zona central del cordón, zona de deformación y zona afectada por el calor de una muestra soldada por FRW… ZD: zona deformada, (Probeta 3) x1000 Fig. IV.38. Microfotografía de la zona central del cordón, zona de deformación y zona afectada por el calor de una muestra soldada por FRW… ZD: zona deformada, (Probeta 4) x2000. 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Fig. IV.39. Gráfico consolidado que muestra la variación de los límites de fatiga considerando como variables: velocidad de rotación, presión de fricción, tiempo de fricción y como constantes: tiempo y presión de forja. Fig. IV.40. Regiones de la zona soldada en los cuales se presentan los cambios microestructurales. LISTA DE TABLAS. Dentro del Capítulo II. Tabla II.1. Clasificación de los aceros inoxidables según su composición química Dentro del Capítulo III. Tabla III.1. Composición química del acero AISI 1020 Tabla III.2. Propiedades mecánicas estimadas del acero AISI 1020 Tabla III.3. Composición química del acero inoxidable AISI 2205 Tabla III.4. Propiedades Mecánicas estimadas del acero inoxidable AISI 2205 Tabla III.5. Parámetros de procesos con la que se ejecutara la soldadura por fricción Tabla III. 6. Parámetros de soldadura FRW, (12 muestras), seleccionados para los ensayos de tracción, fatiga y microdureza Dentro del Capítulo IV. Tabla IV.1. Resultados de la resistencia máxima en los ensayos de tensión (Rmax) de las juntas soldadas de aceros disímiles AISI 1020 y AISI 2205. Tabla IV.2. Resultados de los ensayos de Fatiga rotativa en probetas de juntas soldadas de aceros disímiles: AISI 1020- AISI 2205 Tabla IV. 3. Límites de Fatiga de las probetas: P1- P6, ensayadas a 1000 rpm Tabla IV. 4. Límites de Fatiga (σf’) de las probetas: P7- P12, ensayadas a 1400 rpm Tabla IV.5.. Resultados de microdureza longitudinal de las muestras (P1 →P6) soldadas. con procedimiento FRW a 1000 rpm Tabla IV.6. Resultados de microdureza longitudinal de las muestras (P7 →P12) soldadas con procedimiento FRW a 1000 rpm. Tabla IV.7. Tabla consolidada de los límites de fatiga para todas las muestras soldadas FRW: AISI 1020- AISI 2205. 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. RESUMEN Se realizó un estudio sobre las propiedades mecánicas de tracción, microdureza, fatiga y microetructura en juntas soldadas de dos aceros disimiles: Acero al carbono AISI 1020 y Acero inoxidable Duplex AISI 2205, utilizando los procesos de soldadura por fricción rotativa (FRW). El propósito fue observar el comportamiento de estas juntas combinando diversos parámetros de ensayos. Las muestras se confeccionaron a partir de barras de acero AISI 1020 y AISI 2205 de ½” Ø. Se confeccionaron 24 probetas (2 repeticiones). Para los ensayos de tracción se siguió la norma ASTM E -8, el mismo número de probetas se confeccionaron para Fatiga y microdureza. Todas las probetas se elaboraron después de realizar los ensayos de soldadura por fricción FRW, para lo cual, se acoplaron dispositivos de medición de Presión de forjado, fricción y tiempos, acoplados al torno paralelo MHASA. El proceso siguió el método de impulso directo. Los parámetros utilizados fueron: Velocidad de rotación: (1000- 1400) rpm; Tiempo de fricción: (46-8) seg; Tiempo de forja: 4 seg; Presión de Fricción: (3-5) MPa Presión de forjado: 6 MPa. Se midió la Resitencia Mecánica de la junta en la Máquina de ensayos de tracción TECNCTEST. El perfil de microdureza midió de manera longitudinal en escala Vickers (HV). La microscopía se realizó a nivel óptico, utilizando el Microscopio Zeiss 1000X. Se observó la microestructura de las 4 primeras muestras ensayadas. Se encontró que con 1000 rpm, se obtienen los mayores valores de resistencia mecánica de la junta. El máximo valor (692,3 MPa) se encuentra con: [n=1000 rpm, Tf= 8 seg, Pf= 5Mpa], otorgando una eficiencia a la junta de 103% respecto al acero 1020 y de 70% respecto al acero 2205. El límite de fatiga máximo: (270 MPa), lo presenta la probeta P7. Luego, las mejores condiciones de soldeo para esta propiedad son: [n=1400 rpm, Tf = 4 seg; Pf = 3 MPa]. Las probetas soldadas a 1000 rpm, tienen un límite de fatiga en el rango: (225-250) MPa, y aquellas, soldadas a 1400 rpm dentro de: (220-270) MPa. La microdureza tanto en la zona central no tiene un valor constante. La (ZAC) en promedio es pequeña ~ 2,2 mm. y la zona de contacto ~ 120 µm. La zona de unión presenta deformación plástica severa, y tiene una estructura de grano fino, engrosándose en la zona de deformación. En este proceso de soldadura por fricción FRW, todos los parámetros influyen; son variables son interdependientes, y según el caso una es más influyente que las otras. Palabras clave: Soldadura, fricción rotativa, acero al carbono, acero inoxidable dúplex, AISI 1020, ASISI 2205, fatiga, microestructura, microdureza, tracción.. 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ABSTRACT A study on the mechanical properties of traction, microhardness, fatigue and microstructure in welded joints of two dissimilar steels was carried out. Carbon steel AISI 1020 and Stainless steel Duplex AISI 2205, using the processes of rotational friction welding (FRW) were joined. The purpose was to observe the behavior of these joints by combining various test parameters. The samples were made from AISI 1020 and AISI 2205 ½ ”Ø steel bars. 24 test pieces were made (2 repetitions). For tensile tests, the ASTM E-8 standard was followed, the same number of specimens were made for Fatigue and microhardness. All the specimens were made after performing FRW friction welding tests, for which, forged pressure, friction and timing measuring devices, coupled to the MHASA parallel lathe, were coupled. The process followed the direct impulse method. The parameters: Rotation speed: (1000-1400) rpm; Friction time: (4-6-8) sec; Forging time: 4 sec; Friction Pressure: (3-5) MPa Forging Pressure: 6 MPa were used. The Mechanical Resistance of the joint was measured in the TECNCTEST tensile testing machine. The microhardness profile measured longitudinally on the Vickers scale (HV). Microscopy was performed at the optical level, using the Zeiss 1000X Microscope. The microstructure of the first 4 samples tested was observed. It was found, with 1000 rpm, the highest mechanical strength values of the joint were obtained. The maximum value (692.3 MPa) is found with: [n = 1000 rpm, Tf = 8 sec, Pf = 5Mpa], giving a joint efficiency of 103% with respect to 1020 steel and 70% with respect to 2205 steel The maximum fatigue limit: (270 MPa), is presented by the P7 specimen. Then, the best welding conditions for this property were: [n = 1400 rpm, Tf = 4 sec; Mp = 3 MPa]. The specimens welded at 1000 rpm, have a fatigue limit in the range: (225-250) MPa, and those, welded at 1400 rpm within: (220-270) MPa. The microhardness in the central zone does not have a constant value. The (ZAC) on average is small ~ 2.2 mm. and the contact zone ~ 120 µm. The junction zone has severe plastic deformation, and has a fine grain structure, thickening in the deformation zone. In this FRW friction welding process, all parameters influence; variables are interdependent, and according to the case, one of them is more influential than the others. Keywords: Welding, rotary friction, carbon steel, duplex stainless steel, AISI 1020, AISI 2205, fatigue, microstructure, microhardness, traction.. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO I INTRODUCCION I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA. La soldadura por fricción es uno de los métodos de soldadura en estado sólido que se están volviendo muy importantes comparados con los métodos tradicionales de soldadura por fusión. Durante el proceso, el calor se genera por conversión de energía mecánica en energía térmica en las interfaces de los componentes durante la rotación bajo presión. Algunas de las ventajas de la soldadura por fricción son un gran ahorro en material, bajo tiempo de producción y la posibilidad de soldar piezas que están hechas de diferentes metales o aleaciones, siempre que uno de los componentes tenga cierta simetría rotacional. [1]. La soldadura por fricción es un proceso de unión en el estado sólido que produce coalescencia en los materiales, utilizando el calor generado entre las superficies al frotarse mutuamente. En condiciones normales, las superficies de contacto no se funden. No se requieren metales de relleno, flujo y gas de protección en este proceso. Como regla general, todos los materiales de ingeniería metálicos que se pueden forjar pueden soldarse por fricción. Por ejemplo, los pistones del motor, válvulas para automóviles, herramientas de acero, metales en polvo etc. La soldadura por fricción se aplica para soldar materiales de baja ductilidad porque causa un refinamiento del cristal, el patrón del flujo de calor es simple y en la superficie de estas juntas intervienen altas tensiones residuales de compresión [2] En los métodos de soldadura por fusión las propiedades mecánicas de la zona soldada son diferentes a las propiedades de metal base. Siempre se encuentran en la junta defectos como porosidades, tensiones residuales, fallas por fatiga etc. Estos defectos o fallas, además de ser desventajosas y afectar las propiedades mecánicas y físicas de la junta, no se pueden eliminar; a lo sumo, disminuirlas utilizando diversos métodos, como los tratamientos térmicos postsoldeos, que elevan los costos de producción. Por esta razón, se han desarrollado métodos de soldadura en estado sólido, como la soldadura por fricción, que en todas sus formas, mitigan las fallas de la soldadura por fusión [3].. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Entre los métodos de soldadura de estado sólido, el método de soldadura por fricción es el más comúnmente utilizado y es el más robusto y adecuado para la producción en serie, donde los metales con diferentes componentes son conectados con éxito [4, 5]. La soldadura por fricción es un método que tiene una mayor ventaja respecto a los métodos de soldadura convencionales debido a que los metales de unión pueden tener distintas propiedades térmicas y mecánicas. Este método de soldadura está establecido como uno de los métodos más económicos y altamente productivos para unir metales símiles y disímiles. Es una solución importante para unir aceros disímiles, debido a las particularidades del proceso, que se basa en la conversión de energía mecánica en térmica con efectos favorables sobre la interfaz resultante y la zona afectada por el calor [6]. En la actualidad, la soldadura por fricción es ampliamente utilizada en aplicaciones de la industria automotriz y aeroespacial. Es a menudo la única alternativa viable en este campo para superar las dificultades encontradas en la unión de los materiales con características muy variadas [7, 8, 9]. Otra ventaja del método, es la combinación de tiempos de unión rápida y entrada directa de calor en la interfaz de la soldadura, produciendo zonas relativamente pequeñas afectadas por el calor; evita el crecimiento de grano en materiales metálicos. La calidad de la junta depende de sus parámetros de control [10]. Dentro de las tecnologías de las juntas soldadas por fricción, el uso de juntas entre materiales disímiles ha aumentado considerablemente. Las estructuras convencionales hechas de acero han sido reemplazadas por materiales más ligeros, capaces de proporcionar alta resistencia mecánica, menor volumen de material y buenos componentes de resistencia a la corrosión, tales como los utilizados en industrias de construcción naval, automoción ligera y pesada, eléctrica, química y civil y la ingeniería nuclear. Estos componentes incluyen la unión de piezas de diferente forma y geometría, como la unión de tubos de intercambiadores de calor de materiales distintos, unión de cajas de ejes y tubos, ejes de transmisión, tubos de perforación, túneles, conectores eléctricos, cilindros, ejes de bombeo, pivotes, rodillos, turbocompresores y diversos equipos agrícolas. Estas uniones son de gran importancia porque permiten la unión de componentes disímiles, que antiguamente eran casi imposibles soldarlos por fusión y que ahora si pueden hacerlo por fricción, como es el caso de las uniones soldadas de componentes de acero inoxidable y aluminio [11] y acero inoxidable y acero no aleado. Si bien la soldadura por fricción en materiales disímiles tienen sus bondades muy bien establecidas, se debe tener en cuenta, que como todo proceso tecnológico presenta también ciertas dificultades que podemos resumirlas en 4 aspectos: 1) Gradientes de 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. composición e incompatibilidad microestructural entre los metales base disimilares que conducen a una gran variación en las propiedades químicas, físicas y mecánicas en la junta, las que pueden dar lugar a la formación de compuestos intermetalicos quebradizos. 2) Problemas asociados en zonas de la junta donde existan similitud con el material base. 3) Mayor complejidad de la junta en el caso de necesidad de la adición de materiales usados para mejorar la fricción. 4) Incompatibilidad si existen grandes diferencias en las propiedades físicas y químicas de los componentes a soldar [12]. Más que dificultades serían recomendaciones en la soldadura por fricción de materiales disimilares. En la literatura especializada se observa que la soldadura por fricción de materiales disímiles, si bien se aplica a materiales metálicos densos y ligeros, también se aplica en la unión de materiales metálicos y polímeros y otros casos más, por lo que se le considera el método de unión más versátil dentro de los procesos de soldadura por fricción. También es común usarlo para unir materiales ferrosos con no ferrosos, incluso aceros con fundiciones, así como también unir aceros aleados y no aleados con diferentes contenidos de carbono, como es el caso del presente estudio. Dentro de los aceros al carbono simple, se tiene un acero estructural de amplio uso y aplicación en nuestro medio, el acero al carbono AISI 1020 y dentro de los aceros inoxidables tenemos el acero aro AISI 1045, ambos con distintas propiedades físicas y mecánicas. El objetivo del presente trabajo de investigación es estudiar las propiedades mecánicas en juntas soldadas de estos dos materiales disímiles, aplicando el método de soldadura por fricción, como una contribución tecnológica a nuestro sector metal mecánico. I.2 ANTECEDENTES / ESTADO DEL ARTE Ochi et al. [13] informaron que se podría obtener un mayor límite de fatiga seleccionando el grupo de material correcto en comparación con el material principal en las uniones soldadas mediante el método de soldadura por fricción. Celik et al. [14] conectó el par de acero AISI 4140 y AISI 1050 mediante soldadura por fricción e informó que las resistencias a la tracción de los metales en el mismo grupo eran muy similares y los cambios de dureza en el área bajo impacto térmico variaron según los parámetros de soldadura. También informaron que el material básico de la resistencia a la tracción (AISI 1050) era superior al 6% y la resistencia a la tracción más baja era inferior al 1,9%. Satyanarayana et al. [15], conectaron el par de acero inoxidable austenítico-férrico 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. mediante el método de soldadura por fricción y también declararon, después de identificar los parámetros de soldadura más apropiados, que las soldaduras robustas solo se podían obtener mediante la combinación de ciertos parámetros de soldadura. Sahin [16] informó que la resistencia de la soldadura del acero inoxidable austenítico (AISI 304) aumentó con ciertos parámetros después de conectarse con el método de soldadura por fricción. Paventhan et al. [17] informaron que la resistencia a la fatiga de los pares de acero AISI 304 del acero de carbono medio AISI 1040 y del acero inoxidable austenítico, relacionados con los métodos de soldadura por fricción, se asoció con las características de la microestructura, la dureza y la resistencia a la tracción. Mostraron que la resistencia a la fatiga del acero al carbono medio disminuyó en un 30% y la resistencia a la fatiga del acero inoxidable austenítico disminuyó en un 40% como resultado de la unión soldada de los diferentes metales Radosław W. (2016) [18], estudió el efecto de los parámetros de soldadura por fricción sobre la resistencia a la tracción y las propiedades microestructurales de las juntas de acero disímiles AISI 1020-ASTM A536. Se desarrolló con éxito una metodología de superficie de respuesta híbrida (RSM) y algoritmo genético (GA) para modelar, simular y optimizar los parámetros de soldadura. Se estudiaron los efectos directos y de interacción de los parámetros del proceso sobre la resistencia a la tracción final (UTS) mediante el trazado de gráficos. Se encontró que la fuerza de fricción y el tiempo de fricción tienen un efecto positivo sobre la resistencia a la tracción. A medida que aumenta la fuerza de fricción y el tiempo de fricción, aumenta también la resistencia a la tracción. La resistencia máxima a la tracción de las juntas de hierro dúctil de acero de bajo contenido de carbono soldadas por fricción era del 87% de la del metal base. Las propiedades de tracción, la microestructura, la distribución de la dureza de Vickers y la morfología de la fractura del espécimen soldado se han estudiado y presentado en este estudio. Además, la distribución del elemento de carbono en ambos lados de la interfaz se estimó utilizando espectroscopia de energía dispersiva (EDS). Los resultados del estudio metalográfico muestran claramente que el proceso de soldadura por fricción fue acompañado por una difusión de átomos de carbono de hierro dúctil hacia el acero. Este proceso provocó la formación de una zona rica en carbono en la zona de interfaz y de descarburación en el hierro dúctil cerca de la interfaz de enlace.. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. I.3 OBJETIVOS. I.3.1. OBJETIVO GENERAL. Analizar y comparar las propiedades de microdureza, fatiga y microetructura en juntas soldadas de aceros al carbono: AISI 1020 con el acero inoxidable dúplex AISI 2205, utilizando los procesos de soldadura por fricción rotativa (FRW) en materiales disímiles. I.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. . Establecer correlaciones entre las propiedades mecánicas de tracción en juntas soldadas por fricción respecto a las propiedades mecánicas de los materiales base. . Estimar las ventajas del uso de la soldadura por fricción en materiales disimilares.. . Establecer correlaciones entre las propiedades de tracción, dureza y Fatiga obtenidas en las juntas soldadas al cambiar los parámetros de operación.. . Hacer un barrido de microdureza en el centro de la junta y zona afectada por el calor y relacionarlos con las microdurezas de los materiales antes de ser soldados.. . Analizar la microestructura de la junta obtenida para definir las fases y otros microconstituyentes responsables de la diferencia de propiedades.. I.4. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO. . En lo teórico. Es un aporte al estudio de las propiedades mecánicas: (Resistencia a la tracción, Microdureza, Fatiga) y a definir la Microestructura obtenida en las juntas soldadas por fricción (FRW), de dos materiales disimilares.. . En lo económico. La soldadura por fricción es un método donde no se utiliza material de aporte ni se necesita llevar a los materiales a unir a una temperatura de fundición en relación con las soldaduras por fusión, lo que se refleja en una reducción de costos.. . En lo tecnológico. Se implementara un dispositivo de acople a un torno paralelo para medir los parámetros o variables de los procesos de soldadura por fricción sin alterar los principios en que se basa este proceso de medida. Es una metodología nueva para realizar los procesos de unión por fricción.. . En lo medioambiental.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Promover los estudios de soldadura por fricción es contribuir a que disminuya la contaminación del medioambiente. La soldadura por fricción elimina los gases tóxicos que se desprenden de los revestimientos de electrodos.. I.5. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN. ¿Cómo influyen los parámetros de soldadura por fricción rotativa (FRW) en las propiedades de microdureza y fatiga y su relación con la microestrura, en juntas soldadas de aceros disimilares AISI 1020 y AISI 2205? I.6. HIPÓTESIS. . Las juntas soldadas proporcionara valores poco inferiores de microdureza y resistencia a la fatiga, respecto al material base.. . Los cambios microestructurales producidos en la junta justificaran la variación de estas propiedades y se observaran zonas de deformación y difusión en ambos materiales.. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. CAPITULO II FUNDAMENTOS TEORICOS II.1. LOS ACEROS. Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de aceros que tienes distintas composiciones y/o tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido de carbono, que suele ser inferior al 1%. Los aceros más comunes se clasifican según el contenido en carbono: bajo, medio y alto en carbono. Además en cada grupo existen subclases de acuerdo con la concentración de otros elementos de aleación. Los aceros al carbono solo contienen concentraciones residuales de impurezas distintas al carbono. El diagrama de fases de estos aceros lo podemos observar en la figura II.1. En los aceros aleados, los elementos de aleación se añaden intencionadamente en concentraciones específicas. Para estos aceros cada tipo, según su composición tiene su diagrama particular. Una de las clases de estos aceros son los aceros inoxidables.. Fig. II.1. Diagrama Hierro- Carbono. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. II.1.1. ACEROS AL CARBONO. Los aceros al carbono simple lo podemos clasificar según su porcentaje de carbono en peso de la siguiente manera. A) Aceros bajos en carbono. Este tipo de acero contiene menos del 0.25% C, no responde al tratamiento térmico para formar martensita y es endurecible por acritud. La microestructura consiste en perlita y ferrita. Como consecuencia estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad, además son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas y láminas para construir tuberías, edificios, puentes, etc. Un ejemplo es el acero AISI 1020. B) Aceros de mediano carbono. Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Se suelen utilizar en la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida.. Estos aceros tratados térmicamente son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad. C) Aceros altos en carbono. Los aceros altos en carbono normalmente contienen entre 0,60 y 1.4% C y son más duros, resistentes y aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Las herramientas y las matrices se fabrican con aceros aleados altos en carbono que contienen, generalmente, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Estos elementos de aleación se combinan con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste. La “Society of Automotive Engineers” (SAE) y “American Iron and Steel Institute” (AISI) han establecido la clasificación y especificación de los aceros y sus aleaciones. La designación AISI/SAE de los aceros consta de cuatro cifras: los dos primeros dígitos indican el contenido en aleantes y los dos últimos la concentración de carbono. Las dos primeras cifras de aceros al carbono son 1 y 0, mientras que las de los aceros aleados son, 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. por ejemplo 13, 41, 43.Las cifras tercera y cuarta representan el porcentaje en carbono multiplicado por 100, por ejemplo un acero 1060 significa un acero al carbono con 0,60%C. En la figura II.2, se observa una parte del diagrama de equilibrio hierro-carbono (Fe-C) hasta 1,4% C, mostrando las microestructuras respectivas. De izquierda a derecha, se tiene: Ferrita, Perlita con Ferrita proeutectoide, Perlita pura, Perlita con cementita proeutectoide. En la parte superior se muestran la microestructura de la austenita mostrando granos equiaxiales.. Fig. II.2. Diagrama Fe-C, recortado hasta 1,4%C. Se observan la variación de microestructuras conforme se incrementa el contenido de carbono. Ref. [19]. II.1.2. ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxidables son aleaciones base hierro, cromo, carbono, a los cuales se les añaden otros elementos, tales como níquel, molibdeno, manganeso, silicio y titanio, entre otros, que les confieren una buena resistencia a algunos tipos de corrosión en determinadas aplicaciones industriales. La presencia de cada elemento en determinados 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. porcentajes produce distintas variaciones de las características intrínsecas de los diversos tipos. Según la norma EN 10088 se define a los aceros inoxidables como aquellas aleaciones férreas que contienen cromo en una proporción mínima del 10.5 % [20]. II.1.2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES La forma más común de clasificar a los aceros inoxidables es por la estructura cristalográfica o microestructura del material, se dividen en 5 familias: g) Austeníticos (FCC, por sus siglas en ingles). h) Ferríticos (BCC, por sus siglas en ingles). i) Martensíticos (Tetragonal centrada en el cuerpo). j) Doble fase o Dúplex (Austeno-ferríticos). k) Endurecidos por precipitación (Base austenítica o martensítica).. Tabla II.1. Clasificación de los aceros inoxidables según su composición química. El cromo tiene la misma estructura cristalina que la ferrita (α), ambos son cúbicos centrados en el cuerpo (BCC) y es el elemento base en los aceros inoxidables. En el diagrama de equilibrio Fe-Cr que se muestra en la fig.II.3, se puede observar que el Cr es un elemento que favorece la existencia de la fase ferrita (α) y que por lo tanto restringe la formación de la fase austenítica (γ), a un contenido de alrededor de un 12%. De manera semejante, otros elementos aleantes (por ejemplo Mo, Nb, Si, Al), pueden provocar el mismo efecto que el cromo, o por el contrario, pueden ayudar a la formación 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. de la fase γ. El níquel, que tiene una estructura cúbica centrada en la cara (FCC), es el principal formador de la fase austenítica y de manera menos eficiente los son C, N, Mn y Co [21].. Fig. II.3. Diagrama de fases Fe-Cr [21].. El efecto en conjunto del Cr y Ni, son los elementos principales más importantes en un acero inoxidable, son los que influyen notablemente en la formación de diferentes fases al variar sus proporciones, manteniendo constante el contenido de hierro.. II.1.2.1.1. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS El contenido de cromo en estos aceros varía entre el 16 y el 26%; los contenidos de níquel y manganeso pueden alcanzar los niveles de 35 y 16% respectivamente. La estructura austenítica en estos aceros se estabiliza a temperatura ambiente por medio de la adición de elementos como el níquel, manganeso y nitrógeno. No son ferromagnéticos en su condición de recocido y sólo se endurecen por trabajado. Sus características criogénicas son excelentes y exhiben una buena resistencia mecánica a altas temperaturas [22]. Son muy resistentes al impacto y difíciles de maquinar, a menos que contengan S y Se, además pueden endurecerse agregando C y N [21].. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. II.1.2.1.2. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS Los aceros inoxidables ferríticos son esencialmente aleaciones hierro-cromo de estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y son ferromagnéticos. El contenido de cromo se mantiene por encima de 10.5% para asegurar la formación de la capa de cromita y pueden contener hasta un 30% de este elemento. Algunos grados están aleados con molibdeno, silicio, aluminio, titanio o niobio con la finalidad de obtener características específicas. Estos aceros exhiben una ductilidad aceptable y son formados con relativa facilidad, sin embargo, su resistencia a alta temperatura es pobre comparada con la de algunos grados austeníticos. La tenacidad de los aceros ferríticos se ve limitada a bajas temperaturas y en secciones gruesas. Estos aceros no son susceptibles a ser tratados térmicamente, dada la pobre tasa de consolidación de la ferrita [22]. Se llama ferríticos toda vez que su estructura permanece en mayor parte ferrítica en condiciones normales de tratamiento térmico. El contenido de Cr y la presencia de los estabilizadores de la fase α en estos aceros hace que predomine la región de esta fase. En el calentamiento los aceros ferríticos no experimentan la transformación de BCC a FCC y durante el enfriamiento pasan por soluciones sólidas de cromo en hierro-α; por lo que se transforman en martensita y solamente pueden ser endurecidos moderadamente por trabajo en frío. Los aceros inoxidables ferríticos son relativamente bajos en costo, ya que no contienen Ni y se usan como materiales de construcción en los que se requiere en especial resistencia al calor y a la corrosión [21]. II.1.2.1.3. ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX: (Austenitico-Ferriticos) Los aceros dúplex están constituidos por mezclas de ferrita y austenita, la cantidad de cada fase depende de la composición química del acero y del tratamiento térmico impartido, aunque los aceros se procesan para tener igual cantidad de ambas fases en su condición de recocido. Los principales aleantes son el cromo y níquel, aunque se adiciona nitrógeno, cobre, molibdeno, silicio y tungsteno para balancear la microestructura y asegurar la resistencia a la corrosión [22]. La cantidad exacta de cada fase puede ser variada con la introducción de otros estabilizadores de α o γ. El límite elástico de estas aleaciones es muy variado, tiene tamaño de grano muy fino, son muy maleables, su resistencia a la corrosión es casi la misma que la de los aceros inoxidables austeníticos y tienen buena soldabilidad. Las. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. principales desventajas son la dificultad de trabajarlos en caliente y a la susceptibilidad al desarrollo de las fases α’ y σ, las cuales son indeseables debido a que son muy frágiles. Los aceros dúplex son usados en una amplia gama de industrias, entre ellas la petrolera, la petroquímica, la de producción de papel y en aquellas dedicadas al control de la contaminación. Son ampliamente usados en ambientes acuosos con iones de cloro como reemplazo de grados austeníticos afectados por cloruros, corrosión o picado. Los grados con mayor aleación, conocidos como súper dúplex resisten el agua marina oxigenada o clorada [22].. II.1.2.1.4. COMPOSICION QUIMICA DE LOS ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX. En los aceros inoxidables dúplex se considera lo más común tener cantidades ásperamente iguales de ferrita y austenita, con la producción comercial actual favoreciendo levemente a la austenita para las mejores características de la dureza y de proceso de soldadura. Las interacciones de los elementos de aleaciones principales, particularmente el cromo, molibdeno, nitrógeno, y níquel, son absolutamente complejos. Para alcanzar una estructura dúplex estable que responda bien al proceso y a la fabricación por soldadura, se debe tener cuidado para obtener el nivel correcto de cada uno de estos elementos [4]. Además del equilibrio de las fases, hay una segunda preocupación importante en los aceros inoxidables dúplex y su composición química: la formación de fases intermetálicas perjudiciales, a elevadas temperaturas. Las fases sigma y chi se forman en alto contenido de cromo, en aceros inoxidables de alto contenido de molibdeno y precipitan preferentemente en la ferrita. La adición del nitrógeno retrasa perceptiblemente la formación de estas fases. Por lo tanto, es crítico que la cantidad suficiente de nitrógeno esté presente en la solución sólida. Lo que sigue es una breve revisión del efecto de los elementos de aleación más importantes en las características mecánicas, físicas y de la corrosión de aceros inoxidables dúplex. CROMO (Cr) Un mínimo de 11% de cromo es necesario para formar una película pasiva estable de cromo que es suficiente para proteger un acero contra la corrosión atmosférica moderada. La resistencia a la corrosión de un acero inoxidable aumenta con el aumento del contenido 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. de cromo. El cromo es un formador de ferrita, esto implica que la adición del cromo estabiliza la estructura del hierro, cúbica centrada en el cuerpo. Con un contenido más alto del cromo, es necesario más níquel para formar una estructura austenítica o dúplex (austenita-ferrita). Un contenido de cromo más alto también promueve la formación de fases intermetálicas. Hay generalmente por lo menos 18% de cromo en aceros inoxidables austeníticos y por lo menos el 22% en aceros inoxidables dúplex de segunda generación. El cromo también aumenta la resistencia a la oxidación a temperaturas elevadas. Este efecto del cromo es importante debido a su influencia en formación y retiro de la capa de óxido, resultando el calor del tratamiento térmico o de la soldadura. MOLIBDENO (Mo) El molibdeno actúa para apoyar al cromo en la resistencia a la corrosión debido a la presencia de cloruros, en los aceros inoxidables. Es un elemento alfágeno, mayor influencia que el cromo en la resistencia a la corrosión, debe compensarse con mas Ni para mantener el carácter austenítico, y su precio es muy elevado y fluctuante. El molibdeno aumenta la tendencia de un acero inoxidable a la precipitación de fases intermetálicas. Por lo tanto, se restringe generalmente menos de 7.5% en aceros inoxidables austeníticos y cerca al 4% en aceros inoxidables dúplex. NITROGENO (N) El nitrógeno aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras de los aceros inoxidables austeníticos y dúplex. Además incrementa substancialmente su resistencia y, de hecho, es la solución sólida más eficaz que consolida a los dúplex. El nitrógeno retrasa en gran medida la formación de fases intermetálicas para permitir el proceso de fabricación de los aceros dúplex. El nitrógeno se agrega altamente a los austeníticos y dúplex resistentes a la corrosión, aceros inoxidables que contienen alto contenido del cromo y del molibdeno para compensar su tendencia a formar fase sigma. El nitrógeno es un gran formador de austenita y puede sustituir un tanto al níquel en los aceros inoxidables austeníticos. En aceros inoxidables dúplex, el nitrógeno casi se agrega típicamente a su límite de la solubilidad, y la cantidad de níquel se ajusta para alcanzar el equilibrio deseado de la fase. Los formadores de la ferrita, el cromo y el molibdeno, son balanceados con los formadores de austenita, níquel y nitrógeno, para obtener la estructura dúplex. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. NIQUEL (Ni) El níquel es un estabilizador de la austenita. Eso significa que la adición del níquel a las aleaciones base hierro promueven un cambio de la estructura cristalina del acero inoxidable de cúbico centrado en el cuerpo (ferritico) a cúbico centrado en la cara (austenitico). Los aceros inoxidables Ferriticos contienen poco o nada de níquel, los aceros inoxidables dúplex contienen una cantidad intermedia de níquel de 4 a 7%, y los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300, contienen por lo menos un 8% de niquel. La adición del níquel retrasa la formación de las fases intermetálicas perjudiciales en los aceros inoxidables austeníticos pero es mucho menos efectivo que el nitrógeno al retrasar su formación en los aceros inoxidables dúplex. La estructura cúbica centrada en la cara es responsable de la excelente dureza de los aceros inoxidables austeníticos. Su presencia en los aceros dúplex aumenta de gran manera su dureza con respecto a los aceros inoxidables ferriticos.. II.1.2.1.5. SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX El acero inoxidable dúplex presenta en su microestructura una fase dual de ferrita y austenita la cual le confiere sus buenas propiedades como a la resistencia a la corrosión así como su alta resistencia mecánica, pero ¿Qué sucede si calentamos el material? Bien, si añadimos calor a cualquier material este sufrirá cambios en su microestructura, lo cual modificaría sus propiedades. Soldar un material implica calentarlo para poder obtener una unión o simplemente refundir una zona específica, la cual por ser de una dimensión menor a todo el material, esta se enfriara rápidamente por transferencia de calor dentro del material, pero la zona fundida y la afectada por el calor (ZAC) llegan a una temperatura la cual ayuda a la formación de ferrita. Para no perder considerablemente las buenas propiedades de este material se toma en cuenta una serie de métodos. Si enfriamos rápidamente al material se obtendrá una microestructura de casi en su totalidad de ferrita la cual ocasionara una caída considerable tanto en su resistencia a la corrosión como en sus propiedades mecánicas. Pero si el enfriamiento es lento, entonces, en el material aparecerán fases secundarias como la fase sigma y otras que son muy perjudiciales tanto en la resistencia a la corrosión como en sus propiedades mecánicas. Para evitar esto se debe obtener una microestructura casi homogénea de ferrita y austerita, para esto se debe emplear elementos que permitan la formación de austenita bajo las condiciones post soldadura y que disminuya la tendencia a la formación de fases secundarias, para esto se 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. realizo este estudio la cual nos brinda la información necesaria para obtener una microestructura adecuada, la cual consistió en verificar si la adición de nitrógeno en la mezcla del gas de protección influyó en las propiedades de este material. Otras formas seria utilizar un material de aporte que contenga más Ni que el material base, controlando la cantidad de calor que se debe utilizar durante el proceso de soldadura.. II.1.2.1.6. ACERO INOXIDABLE DUPLEX AISI 2205. El acero inoxidable Duplex 2205, uno de los motivos del presente estudio, es un acero inoxidable mejorado con nitrógeno. Este fue desarrollado para combatir los problemas de corrosión comunes que normalmente afectan la serie 300 de aceros inoxidable. El término “Duplex” describe a la familia de aceros. inoxidables que no son completamente. austeniticos y tampoco son ferrificos. La estructura de acero 2205 contiene aproximadamente 40-50% de ferrita y el saldo es austenita. El acero AISI 2205 es el grado más usado en la familia de aceros dúplex. La ventaja de la estructura de los grado dúplex es que combina las cualidades favorables de los aceros ferrificos (resistencia a la fractura causado por corrosión bajo tensión y mejor resistencia mecánica) y de aleaciones austeniticas (facilidad para el conformado por su ductilidad y resistencia a la corrosión). Como principales características de este tipo de acero podemos señalar: . Alta resistencia al agrietamiento por tensión de corrosión de cloruros.  . Resistencia a picaduras por cloruro y corrosión de rendija Buena resistencia a la corrosión general. . Buena resistencia a tensión de corrosión de sulfuro. . Tensión adicional. . Facilidad para soldar y trabajar. II.2. PROCESOS DE SOLDADURA POR FRICCIÓN (FRW).. La soldadura por fricción (FRW) es un proceso de soldadura de estado sólido que produce una unión soldada bajo la fuerza compresiva de contacto de dos piezas de trabajo que giran o se mueven una respecto a la otra produciendo calor y desplazando plásticamente material de las superficies de empalme. Aunque se considera un procedimiento de soldadura de estado sólido, en algunas circunstancias puede producirse una película 29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.