ESTUDIO DE LA VARIACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Y SU CORRELACIÓN CON LOS VALORES DE MICRODUREZA EN UNIONES
SOLDADAS DE ACERO SAE 8620.
NELSON ENRIQUE CARDOSO LEÓN. JAIME DAVID MARTÍNEZ GARCÍA.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA.
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA. BOGOTÁ D.C.
ESTUDIO DE LA VARIACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA Y SU CORRELACIÓN CON LOS VALORES DE MICRODUREZA EN UNIONES
SOLDADAS DE ACERO SAE 8620.
NELSON ENRIQUE CARDOSO LEÓN. JAIME DAVID MARTÍNEZ GARCÍA.
Trabajo de investigación tipo monografía para optar al título de Ingenieros Mecánicos.
Director:
Ing. LUIS HERNANDO CORREA MURILLO.
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. FACULTAD TECNOLÓGICA.
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA. BOGOTÁ D.C.
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ... 10
INTRODUCCIÓN ... 11
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 12
2. ANTECEDENTES ... 13
3. JUSTIFICACIÓN ... 17
4. OBJETIVOS ... 18
4.1 Objetivo General ... 18
4.2 Objetivos Específicos ... 18
5. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL ... 19
5.1 Introducción. ... 19
5.2 Aceros. ... 19
5.3 Datos Técnicos del Acero SAE 8620. ... 19
5.4 Tratamientos Térmicos. ... 21
5.4.1 Recocido. ... 21
5.4.2 Normalizado... 22
Es un recocido a una temperatura algo más elevada y enfriado al aire, que se efectúa generalmente en los aceros para darles una estructura de grano fino y uniforme y mejorar sus propiedades mecánicas. ... 22
5.4.3 Temple. ... 22
5.5 Proceso de solidificación en metales ... 23
5.5.1 Nucleación Homogénea ... 23
5.5.2 Nucleación heterogénea. ... 24
5.6 Tamaño de Grano. ... 25
5.6.1 Clasificación de los Tamaños de Grano. ... 26
5.6.2 Crecimiento dendrítico ... 27
5.6.3 Granos Equiaxiales ... 27
5.6.4 Granos columnares ... 27
5.7 Microscopio Electrónico de Barrido (MEB). ... 28
5.7.1 Aspectos generales de la Máquina. ... 28
5.7.2 Definición. ... 28
5.7.3 Funcionamiento. ... 29
6.1 Preparación de las Uniones Soldadas. ... 30
6.2 Corte y Rectificado. ... 31
6.3 Preparación Metalográfica. ... 31
6.4 Observación Microscópica. ... 31
6.5 Ensayo de Microdureza. ... 32
6.6 Ensayo de Dureza. ... 32
6.5 Definición de Variables Estadísticas... 34
6.6 Designación de Variables para la Microestructura en las cinco probetas... 35
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ... 36
7.1 Unión Soldada – Recocido. ... 36
7.1.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión de Recocido. ... 36
7.1.2 Calculo del FDP para cada valor de microdureza en la Unión de Recocido. ... 36
7.1.2.1 Cálculo del FDP... 39
7.1.2.2 Cálculo del Método Analítico del FDP. ... 40
7.1.2.3 Cálculo por medio del Software Microsoft Excel del FDP. ... 41
7.1.2.4 Construcción de la curva de distribución normal gaussiana. ... 42
7.1.2.5 Porcentajes de Probabilidad. ... 44
7.1.3Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Recocido. ... 47
7.1.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Recocido. ... 50
7.1.5 Relación con Micrografías para la Unión de Recocido. ... 54
7.2 Unión Soldada – Normalizado. ... 57
7.2.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión Normalizado. ... 57
7.2.2 Cálculo del FDP para cada uno de los valores de microdureza en la Unión de Normalizado. ... 57
7.2.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Normalizado. 58 7.2.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Normalizado. ... 58
7.2.5 Relación con Micrografías de la Unión Normalizado. ... 59
7.3 Unión Soldada – Entrega. ... 62
7.3.1 Variable manejada con la Microdureza para la Unión de Entrega. ... 62
7.3.2 Análisis del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Entrega. ... 63
7.3.3 Variable para la Microestructura en la Unión de Entrega. ... 63
7.3.4 Correlación entre las variables de la Unión de Entrega. ... 65
7.3.5 Relación con Micrografías en la Unión de Entrega. ... 65
7.4 Unión Soldada – Aceite. ... 67
7.4.1 Variable manejada con la Microdureza ... 68
7.4.2 Análisis del FDP para Cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Temple en Aceite... 69
7.4.3 Variable manejada con fraccion volumétrica de fase. ... 69
7.4.4 Correlación entre las variables en la Unión de Temple en Aceite. ... 70
7.4.5 Relación con Micrografías. ... 71
7.5 Unión Soldada – Temple en Agua. ... 73
7.5.1 Variable manejada como Microdureza en la Unión de Temple en Agua. 73 7.5.2 Apreciación del FDP para cada uno de los Valores de Microdureza en la Unión de Temple en Agua. ... 74
7.5.3 Variables para la microestructura en la Unión de Temple en Agua. ... 75
7.5.4 Correlación entre Variables para la Unión de Temple en Agua. ... 75
7.5.5 Relación con Micrografías en la Unión de Temple en Agua. ... 76
8. CONCLUSIONES. ... 79
9. RECOMENDACIONES. ... 81
10. REFERENCIAS. ... 82
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1; Superficie morfológica de una película anódica formada en diferentes
tiempos de anodizado tomado del trabajo CORRELATION BETWEEN
MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE OF ANODIC FILM ON 2024
ALUMINUM ALLOY. ... 15
Ilustración 2; Correlación entre la microdureza y el esfuerzo de fluencia tomado del trabajo MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD. ... 16
Ilustración 3; Gráfica de Templabilidad del Acero SAE 8620 (Escala Rockwell C). ... 20
Ilustración 4, Nucleación Homogénea Ilustración. ... 23
Ilustración 5; Nucleación Heterogénea Ilustración ... 24
Ilustración 6; Granos y Zona Blanda. ... 25
Ilustración 7; Carta con Tamaño Real de Granos. ... 26
Ilustración 8; Granos Equiaxiales y Columnares. ... 28
Ilustración 9; Estado inicial de las Uniones Soldadas. ... 30
Ilustración 10; Esquema del Ensayo de Microdureza desarrollado. ... 32
Ilustración 11; Esquema del Ensayo de Dureza desarrollado. ... 33
Ilustración 12; Presentación Final para cada Unión Soldada. ... 33
Ilustración 13, Definición de Variables para la Correlación Estadística. Realizada por los Autores. ... 34
Ilustración 14, Proceso de Elaboración de la curva de distribución gaussiana en Microsoft Excel. Realizada por los autores. ... 44
Ilustración 15; Micrografía Óptica a 1600x de la Región MA. Unión Soldada Recocido. Nital 3%. Representación de Triángulo Rectángulo para el cálculo de Tamaño de Grano. ... 48
Ilustración 16; Representación de la escala en la micrografía y toma de dimensión real en cm. ... 48
Ilustración 17, Micrografía Electrónica a 5000x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%. Zonas homogéneas de Ferrita y listones claros de cementita que hacen parte de los granos de Perlita. ... 55
Ilustración 18; Micrografía Óptica a 200x de la muestra Recocido. En la ZAC. Nital 3%. ... 56
Ilustración 19; Micrografía Óptica de Muestra Normalizado en la ZAC. Aumentos 200x. Nital 3%. ... 60
Ilustración 20, Diagrama de Transformación Isotérmica para el acero SAE 8620 con Temperatura, Tiempo y Transformación. ... 61
Ilustración 21; Micrografía Electrónica de Muestra Entrega en la ZAC. Aumentos 1000x. Nital 3%.Micrografía, Ejemplo de Trazado de Rejilla. Fracción Volumétrica de Fase. ... 64
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1; Composición Química con porcentajes de análisis típico. ... 20 Tabla 2; Distribución de Variables para cada Muestra. ... 35 Tabla 3; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión de Recocido para cada una de las regiones de estudio. ... 36 Tabla 4; Relación de Datos de Microdureza y Función de Densidad de Probabilidad. ... 39 Tabla 5, Método analítico de FDP para datos de Microdureza en el MA. Unión Soldada de Recocido. ... 41 Tabla 6; Comparación entre método Analítico y con el uso de Software, para el cálculo de la Función de Densidad de Probabilidad. ... 42 Tabla 7; Descripción del dominio para la Desviación Estándar. ... 45 Tabla 8; Conjunto de Datos para Tipificación de Valores en la Distribución Normal Gaussiana. ... 47 Tabla 9; Resumen de Datos para el análisis de tamaño de Grano en la muestra de Recocido en el MA. ... 49 Tabla 10; Correlación entre Valores de Microestrutura y Valores de Microdureza en cada una de las regiones de estudio de las cinco Uniones Soldadas trabajadas. 52 Tabla 11; Resultados obtenidos de la Ecuación [2] ... 54 Tabla 12; Resumen de Microdurezas en Dureza Vickers. Valores menores, mayores y promedios. ... 54 Tabla 13; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Normalizado para cada una de las regiones de estudio. ... 57 Tabla 14; Resumen de datos para cada zona de la muestra Normalizado. ... 58 Tabla 15; Resumen de correlación estadística para la muestra Normalizado. ... 59 Tabla 16, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Entrega para cada una de las regiones de estudio... 62 Tabla 17; Resumen de datos para cada zona de la muestra de Entrega. ... 63 Tabla 18; Resumen de correlación estadística para la muestra Entrega. ... 65 Tabla 19; Valores de Microdureza en las tres regiones de la muestra Temple en Aceite. ... 68 Tabla 20; Variable de Microestructura para la Unión de Temple en Aceite. Fracción Volumétrica de Fase... 69 Tabla 21; Correlación Unión Temple en Aceite. ... 70 Tabla 22, Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión Temple en Agua para cada una de las regiones de estudio. ... 74 Tabla 23; Resumen de Correlación Estadística para la muestra de Temple en Agua. ... 75
ÍNDICE DE GRÁFICAS
RESUMEN
En el siguiente documento se exponen los resultados de un estudio comparativo, estadístico y analítico entre la variación de la microestructura y los valores de ensayos de dureza y microdureza, soportados en imágenes microscópicas, de uniones soldadas trabajadas en acero SAE 8620.
Debido al uso de un microscopio óptico, un microscopio electrónico de barrido y durómetros, se muestra una síntesis de todo el procedimiento experimental llevado a cabo para preparar las muestras.
Se ejecuta una correlación teniendo como variables el tamaño de grano y la fracción de volumen de masa para cinco muestras.
En definitiva la correlación estadística implementada con las variables establecidas, permiten una coincidencia de datos bastante cercana y con poco porcentaje de error, entre la dureza y la microestructura para todas las uniones.
INTRODUCCIÓN
En el Proyecto de Grado “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA
PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620” se realizó
un estudio de la aleación de Fe-C, encontrando un conjunto de microconstituyentes que dan ciertas propiedades físicas y mecánicas al material.
Implementando las muestras soldadas del anterior proyecto, se pretende estudiar la variación de las microestructuras resultantes de los tratamientos térmicos llevados a cabo, los cuales fueron: normalizado, recocido, temple en agua y temple en aceite. Adicionalmente se trabaja la unión que fue únicamente sometida al proceso de soldadura y enfriada a temperatura ambiente.
A lo largo de este proceso, las muestras soldadas presentan cambios en su microestructura debido al tipo de enfriamiento. Así pues, cada unión presentará una recristalización diferente, reflejada en el crecimiento de grano equiaxial, columnar y/o dendrítico.
Dependiendo de la configuración que tome cada pieza se van a presentar variaciones de microdureza, las cuales serán evaluadas por medio de un análisis estadístico basado en la función de densidad de probabilidad.
Las diferencias entre microestructuras serán verificadas a partir de la toma de imágenes guiadas por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico.
Con esto en mente, este artículo se fundamenta en la evaluación de microestructuras y su correlación con la microdureza presente en muestras soldadas de acero SAE 8620, por medio de un análisis estadístico.
Paralelamente, debemos tener en cuenta que el material a trabajar será SAE 8620, el cual es clasificado por la ASM (Sociedad Americana de Materiales) como un
“acero tratable de baja aleación” (HTLA)1 que posee una amplia gama de
aplicaciones a nivel industrial, aspectos que nos permiten garantizar el reconocimiento y la efectividad de los resultados de nuestros estudios.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El proceso de diagnóstico del problema se generó a partir del transcurso de la investigación que se llevó a cabo con respecto a procesos de solidificación y crecimiento de grano, vinculando la microestructura presente en cada una de las muestras de SAE 8620 que cuentan con tratamiento térmico.
Luego, la delimitación del asunto que hay que resolver, se centró en la evaluación de microdureza y su relación con las diversas zonas afectadas por el calor en la unión soldada.
Nos vemos en la necesidad de estudiar las características de estas propiedades micro, resaltando la importancia y particularidad que desarrollan las diferentes morfologías del material en cada caso.
A pesar de las investigaciones realizadas previamente, enfocadas en este tema, se descubre un nivel bajo de información con respecto a estos tipos de análisis de variación de microestructuras y microdureza en el acero SAE 8620, específicamente.
2. ANTECEDENTES
En esta investigación se busca hallar la variación de la microestructura y su correlación con los valores de microdureza en uniones soldadas de acero SAE 8620. No existe actualmente un estudio específico que aborde todos los aspectos que el grupo de trabajo desea desarrollar. Por tanto, se consultan diversos trabajos y tesis de diferentes profesionales en donde se despliega parte de la evolución y panorama actual de los aspectos a investigar.
En los documentos que fueron tomados como referencia, se exponen estudios acerca de la microestructura y la microdureza de diferentes materiales, así mismo, cómo es su variación con respecto a tratamientos ejecutados en las muestras. Además de esto, se tienen en cuenta estudios estadísticos relacionados con la microestructura y determinación de la microdureza.
Uno de los inconvenientes presentados es la falta de trabajos que se relacionen directamente con la variación de la microestructura y su correlación con la microdureza, debido a que principalmente esta reciprocidad varía significativamente para cada material; adicionalmente, el estudio de la correlación entre microestructura y microdureza es un análisis relativamente novedoso y se ha venido trabajando en su desarrollo con un intervalo corto de tiempo.
Cabe resaltar que es necesario el uso de un software estadístico para la elaboración de esta investigación. De igual manera, la implementación de un Microscopio Electrónico de Barrido para poder determinar la manera en la cual son afectadas cada una de las muestras.
Elaborando una síntesis de los artículos investigados, tenemos lo siguiente:
1. STUDY OF STEEL–COPPER PSEUDO ALLOY MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS AFTER LASER HEAT TREATMENT.
Autores: V. G. Gilev, N. V. Bezmaternykh, and E. A. Morozov.
Publicacion: Translated from Metallovedenie i Termicheskaya Obrabotka Metallov, No. 5, pp. 34 – 40, May, 2014.
2. EFFECTS OF NANO-STRUCTURED PARTICLES ON MICROSTRUCTURE AND MICROHARDNESS OF SN–AG SOLDER ALLOY.
Autores: F. Tai, F. Guo, Z. D. Xia, Y. P. Lei , Y. W. Shi
Publicación: 17 September 2009/Published Springer. Science+Business Esta investigación se realizó con partículas nanoestructuradas de forma Poliédrica Oligomérica Silsesquioxano, conocida como POSS. Estas partículas fueron incorporadas en pasta de soldadura eutéctica Sn-3.5Ag, mezclándolas mecánicamente para formar la soldadura libre de plomo compuesta. Los efectos de las nanoestructuras adicionadas en el POSS y las propiedades mecánicas de las aleaciones de soldadura compuesta, se investigaron de forma sistemática.
Los resultados experimentales indicaron que el tamaño medio, distancia de separación de compuestos intermetálicos Ag3Sn (IMC) en la matriz de soldadura compuesta, disminuyó en comparación a la soldadura eutéctica Sn-3.5Ag. El porcentaje en peso de adición de tres partículas de POSS nanoestructuradas podrían mejorar la microdureza de la soldadura compuesta por un 18,4% en comparación con la matriz de soldadura eutéctica Sn-3.5Ag. La media tamaño de grano y la distancia de separación de los IMC en Ag3Sn Sn-Ag3% en peso de POSS matriz compuesta de soldadura reduce 0,35-0,23 lm y 0,54-0,32 lm, respectivamente. El refinado Ag3Sn IMC, que actúa como un refuerzo de fase en la matriz de soldadura, podría mejorar la microdureza de las soldaduras compuestos.
3. CORRELATION BETWEEN MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE OF ANODIC FILM ON 2024 ALUMINUM ALLOY.
Autores: ZHANG Pei1, ZUO Yu1, ZHAO Xuhui1, TANG Yuming1, ZHANG Xiaofeng1
Publicacion: University of Chemical Technology, Beijing 2014
Con la misma densidad de la capa anódica, espesor y con el tiempo de anodizado, la microdureza aumenta debido a la porosidad decrece y el orden además de la continuidad de las células también se mejoran.
Bajo la condición del mismo tiempo de anodizado como la densidad aumenta, la microdureza de la película disminuye debido a la mayor porosidad además de esto el orden de las células y la continuidad disminuyen. La porosidad de la película aumenta debido a que el aumento de la densidad puede acelerar la reacción de oxidación.
Ilustración 1; Superficie morfológica de una película anódica formada en diferentes tiempos de anodizado tomado del trabajo CORRELATION BETWEEN MICROHARDNESS AND MICROSTRUCTURE OF ANODIC
FILM ON 2024 ALUMINUM ALLOY.
4. MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR
POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD. Autores: F. J. BALT, CALLEJA, L. GIRl.
Publicación: Instituto de Estructura de la Materia, CSIC, Serrano
Ilustración 2; Correlación entre la microdureza y el esfuerzo de fluencia tomado del trabajo
MICROSTRUCTURE OF BULK CRYSTALLIZED LINEAR POLYETHYLENE: CORRELATION OF MICROHARDNESS AND YIELD.
Cabe resaltar que de este estudio no tiene como eje central la correlación entre la microestructura con la microdureza, en la investigación si se aborda el tema pero no con la profundidad que en nuestra investigación se llevara a cabo. Lo que más nos interesa de esta investigación es el estudio estadístico realizado.
5. STRENGTH–HARDNESS STATISTICAL CORRELATION IN API X65 STEEL
Autores: S.H. Hashemi
Publicacion: Department of Mechanical Engineering, The University of Birjand.
En esta investigación, los datos de dureza Vickers de 100 tubos de prueba (API X65) se utilizaron para derivar la correlación estadística entre fuerza y dureza. En primer lugar, se midieron los datos de dureza en diferentes subzonas de soldadura de metal (es decir, soldadura, ZAC, y el metal base). También se obtuvo el valor de las propiedades de tracción de la soldadura.
Las soldaduras se midieron en tiras planas de tracción. El mínimo, máximo, media y estándar desviación de los datos de ensayo se calcula entonces por la variación estadística y la diferencia de valor medio en cada zona de prueba. Todos los datos de prueba fueron descritas por la función de densidad de probabilidad (PDF), y las zonas con la mayor Se determinó la varianza. Se demostró que los datos de dureza se podrían usar para la predicción de resistencia a la fluencia en APIX65 acero con una precisión razonable.
3. JUSTIFICACIÓN
El presente proyecto se convierte en la principal herramienta para exponer aquellos conocimientos adquiridos en el desarrollo de la carrera de Ingeniería Mecánica; enfocando la investigación en el campo de los tratamientos térmicos, el estudio de los microconstituyentes, microestructuras y propiedades de un material ampliamente utilizado en nuestra área.
El análisis de las microestructuras y sus propiedades presentes, se constituye en un campo de estudio que refleja innovación, teniendo en cuenta las características con respecto al tipo de uniones soldadas que se van a trabajar y los tipos de imágenes que se van a realizar; de la misma manera, permite abrir las puertas para generar nuevas investigaciones inclinadas en este ámbito, no solamente en aceros con bajo contenido de carbono sino en otro tipo de materiales metálicos o aceros con diferentes propiedades.
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo General
Evaluar la variación de la microestructura y su correlación con los valores de microdureza en uniones soldadas por fusión de arco eléctrico en acero SAE 8620.
4.2 Objetivos Específicos
Preparar un conjunto de muestras de acero SAE 8620 soldadas
homogéneamente por fusión de arco eléctrico mediante electrodos E6013,
tomadas del proyecto: “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620”.
Efectuar ensayos de dureza y microdureza en las uniones soldadas de acero SAE 8620, analizando la manera en que afectan los cambios de la microestructura a los valores de la microdureza y determinando los motivos de su correlación.
Realizar un estudio por medio de un análisis estadístico presentando la relación de la microdureza con los cambios microestructurales en las diferentes zonas de las muestras soldadas, basados en la toma de resultados de los ensayos de dureza y microdureza.
Determinar las causas de aparición y formación de microestructuras en las uniones soldadas de acero SAE 8620, mediante la observación por microscopia óptica y de barrido electrónico.
5. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
5.1 Introducción.
En el presente capítulo se pretende abordar la revisión bibliográfica que se construyó tras la investigación referente al acero, las características y propiedades mecánicas del SAE 8620 y las microestructuras resultantes de los tratamientos térmicos llevados a cabo (normalizado, recocido, temple en agua y temple en aceite).
A lo largo de este proceso, las muestras soldadas presentan cambios en su microestructura debido al tipo de enfriamiento. Así pues, cada unión presentara una recristalización diferente, reflejada en el crecimiento de grano equiaxial, columnar y/o dendrítico.
Dependiendo de la configuración que tome cada pieza se van a presentar las variaciones de la microdureza, que serán evaluadas por medio de un análisis estadístico basado en Índices de Capacidad de Proceso.
Las diferencias entre microestructuras serán verificadas a partir de la toma de imágenes guiadas por MEB.
5.2 Aceros.
Este proyecto se fundamenta en este material de gran importancia en la ingeniería. Primero debemos diferenciar entre un metal ferroso y uno no ferroso; como su nombre lo indica, depende del contenido de hierro (Fe) en su composición. De aquí, tenemos en cuenta que vamos a trabajar con una aleación o mezcla de un material ferroso.
Las aleaciones hierro-carbono (Fe-C) con menos de 1,7 por 100 de carbono son forjables y se denominan aceros; los aceros, además de poderse forjar, se pueden también soldar con más o menos dificultad y la mayoría de ellos pueden templarse, siendo frecuente llamar hierros a los que no se templan por tener poco carbono, si bien lo correcto es llamarlos aceros con el calificativo que les corresponda.2
5.3 Datos Técnicos del Acero SAE 8620.
El material que va a ser objeto de estudio es un acero aleado al cromo-níquel-molibdeno para cementación de aceptable templabilidad. Cementado y templado ofrece una buena dureza superficial y gran tenacidad en el núcleo. Presenta una
2PARETO, Luis. Fundamentos de Mecánica. Tercera Edición. Ediciones CEAC SA. España, 1985. Página:
dureza uniforme o ausencia de zonas blandas en la capa cementada y baja distorsión después de algún tratamiento térmico. La presencia de níquel y molibdeno juega un papel definitivo en el balance de todas las propiedades que presenta este material y su efecto cobra mayor importancia con el aumento del tamaño de la pieza.3
Los componentes de esta aleación, con los respectivos porcentajes de límites de composición química, se presentan a continuación:
Acero C % Mn % P % S % Si % Ni % Cr % Mo %
8620 0.18-0.23 0.70-0.90 0.040 0.040 0.20-0.35 0.40-0.70 0.40-0.60 0.15-0.25 Tabla 1; Composición Química con porcentajes de análisis típico4.
La curva de templabilidad para este acero es la siguiente:
Ilustración 3; Gráfica de Templabilidad del Acero SAE 8620 (Escala Rockwell C).5
En términos de maquinabilidad, posee una viruta dura y continua. Cuando este material es utilizado en condiciones de normalizado, su mecanizado se incrementa en un 10%, para la mayoría de las operaciones.
Aunque es clasificado como un acero HTLA, el contenido de carbono de 0,20% del 8620 lo hace un acero menos susceptible al agrietamiento por soldadura que los aceros de alto contenido de carbono del mismo grupo HTLA tales como 4140 y 4340. Sin embargo, la ASM recomienda que se realice un precalentamiento a una temperatura entre pases de 150 a 200ºC para espesores entre 25 y 50 mm seguido de un alivio de tensiones post soldadura (frecuentemente entre 10 a 40ºC por debajo de la última temperatura de revenido). Inmediatamente después del proceso, la
3 COMPAÑÍA GENERAL DE ACEROS S.A. Ficha Técnica SAE 8620, Acero para cementación de alta
resistencia. 2012. En: Google. Consultado el domingo, 22 de abril de 2012. Versión HTML del archivo: http://www.cga.com.co/index.php?option=com_content&task=view&id=15&Itemid=104
4 AMERICAN SOCIETY FOR METALS, Metal Handbook. Volume: Properties and Selection of Metals. Eighth
Edition. Unites States, 1961. Page: 61.
región soldada puede llevarse a la temperatura de alivio de tensiones, con una permanencia de una hora por cada 25 mm de espesor. Una demora entre el proceso de soldadura y el alivio de tensiones puede colocar en riesgo de agrietamiento a la muestra. El acero puede ser soldado fácilmente por procesos de gas o de arco.6
Este material ferroso, se utiliza generalmente para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de pistón, bujes, piñones para cajas de transmisión de automotores, cigüeñales, barras de torsión, cuerpos de válvulas, herramientas manuales, tornillos, tuercas, tornillos sin fin, engranajes para reductores, pasadores, collares de cojinetes, etc.7 En fin, como podemos analizar son demasiados aspectos
industriales que abarca el acero SAE 8620.
5.4 Tratamientos Térmicos.
Estos procedimientos consisten en calentar la pieza hasta una temperatura determinada y enfriarla a una velocidad adecuada para modificar su estructura, dándole unas características distintas a las que tenía antes del tratamiento. Como se ha mencionado con anterioridad, para el desarrollo del presente proyecto se enfatizará en la ejecución de solamente tres procesos de tratamientos térmicos, los cuales serán descritos a continuación:
5.4.1 Recocido.
Se efectúa calentando la pieza uniformemente dentro de un horno a una temperatura de 25 a 50ºC por encima de la temperatura crítica A3, en los aceros hipoeutectoides (C < 0,89%). Se debe tener precaución para no sobrepasarse de dichas temperaturas, porque se pueden obtener granos demasiado grandes, perdiendo tenacidad y pudiendo llegar a quemar el acero.
Los efectos del recocido son: la eliminación de tensiones interiores y de la acritud de las piezas sometidas a tratamiento mecánico, la regeneración de los aceros recalentados (los quemados no pueden regenerarse), la eliminación de los efectos del temple y la obtención de la estructura adecuada para los tratamientos posteriores.8
5.4.2 Normalizado.
Es un recocido a una temperatura algo más elevada y enfriado al aire, que se efectúa generalmente en los aceros para darles una estructura de grano fino y uniforme y mejorar sus propiedades mecánicas.9
5.4.3 Temple.
Consiste en calentar el material un poco por encima de la temperatura crítica A3 (911ºC), mantenerla el tiempo necesario y preciso para que sea uniforme en toda la pieza y enfriarla rápida y uniformemente en agua, aceite o cualquier líquido que reúna las condiciones necesarias para enfriarlo en el tiempo preciso.
En los aceros hipoeutectoides, debemos tener cuidado, ya que al calentarse por encima de los 911ºC se obtiene una solución solida llamada austenita, que al enfriarse rápidamente se transforma en martensita, que es una estructura de cristales en forma de lanza, que es muy dura, no teniendo tiempo de formarse los cristales de ferrita (muy blandos) ni la perlita; junto con la martensita aparecen cristales de austenita que no han tenido tiempo de transformarse, y de troostita que es la transformación que sufre la martensita cuando se enfría demasiado lentamente.
Otro grado de transformación de la austenita, antes de convertirse en perlita, es la sorbita que parece en los recocidos que se enfrían demasiado rápidamente.
La escala de dureza de las distintas estructuras cristalinas del acero es la siguiente, de mayor a menor: cementita, martensita, austenita, troostita, sorbita, perlita y ferrita, por lo que con el temple el acero pasa de una
8PARETO, Luis. Fundamentos de Mecánica. Tercera Edición. Ediciones CEAC SA. España, 1985. Página:
460.
estructura menos dura a otra de mayor dureza, aumentando su carga de rotura y su límite elástico, en tanto que disminuye su alargamiento, estricción y resiliencia.10
5.5 Proceso de solidificación en metales.
La gran mayoría de metales para poder generar productos requieren de un proceso de extracción (minerales), derretirlo para que fluya por gravedad a un molde en el cual este se enfría y solidifica. Este proceso de solidifican es diferente si el caso es el de un metal puro o el de una aleación, como será explicado más adelante.
En la solidificación de un material existe una etapa llamada nucleación (formación de núcleos en el metal líquido). Este tipo de nucleación puede ser homogénea o heterogénea.
5.5.1 Nucleación Homogénea.
Consiste en que el metal líquido fundido proporciona por sí mismo los átomos para formar núcleos. Este proceso se divide como se muestra en la Ilustración 4.
Ilustración 4, Nucleación Homogénea Ilustración. 11
Generación de núcleos: Es la agrupación de átomos a partir de pequeños movimientos de estos.
10PARETO, Luis. Fundamentos de Mecánica. Tercera Edición. Ediciones CEAC SA. España, 1985. Página:
460.
11UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones
Generación de cristales: En este paso algunos núcleos se generan y se disuelven mientras exista suficiente líquido, otros continúan creciendo hasta formar los cristales.
Creación de límites de grano: Al continuar el proceso de enfriamiento, algunos núcleos crecen y se reorientan para convertirse en granos, los cuales crearan una frontera llamada límite de grano.
5.5.2 Nucleación heterogénea.
Este tipo de nucleación se produce en el metal líquido sobre las paredes del molde al usar un agente insoluble; es decir sin refinadores de grano. Esta nucleación difiere si el caso es un metal puro o una aleación. El proceso de solidificación de un metal puro se caracteriza porque solidifica a temperatura constante (Tm), estos puntos son conocidos por medio de tablas. El proceso que ocurre en el molde se muestra en la siguiente figura.
Ilustración 5; Nucleación Heterogénea Ilustración12
Generación de una capa delgada producto del rápido enfriamiento en las paredes al vaciar el líquido en el molde.
El espesor de esta película aumenta generándose una costra
En las costras que se forman, los granos son equiaxiales, fino orientado aleatoriamente producto del rápido enfriamiento.
Se sigue introduciendo metal fundido y se generan granos columna res, debido a que se enfrían perpendiculares a la costra y las paredes del molde, este proceso recibe el nombre de crecimiento dendrítico.
12UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones
Las aleaciones generalmente no poseen una temperatura única de solidificación sino un rango de temperaturas, este rango depende de la aleación y composición particular. El proceso que se ilustra en la figura consiste en:
Ilustración 6; Granos y Zona Blanda.13
Al igual que el metal puro se vierte el material fundido y se forma una capa fina.
Luego se forma granos columnares o dendritas como en el metal puro, similar al paso del metal puro.
Como es una aleación y por lo tanto dos puntos de fusión de los elementos de la aleación diferentes, se genera una zona donde existe sólido con islas de líquido (zona blanda). Esta zona puede ser ancha o angosta en la aleación por las siguientes razones: 1) Diferencia alta de temperatura entre líquidos y solido 2) Lenta transferencia de calor del metal fundido hacia fuera del molde.
5.6 Tamaño de Grano.
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad,
la cual es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.
5.6.1 Clasificación de los Tamaños de Grano.
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura presentada a continuación es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.
Ilustración 7; Carta con Tamaño Real de Granos.14
14UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones
5.6.2 Crecimiento dendrítico.
Las dendritas por lo general se forman en aleaciones multifase. Para que se produzcan es preciso que el metal fundido se sobreenfríe por debajo del punto de solidificación del metal. Por el contrario, si los ritmos de enfriamiento son lentos, el frente de solidificación será plano y estable. Pero a ritmos de enfriamientos más rápidos, la solidificación puede realizarse en forma tan rápida que la concentración de la aleación en el frente de solidificación será distinta de la concentración promedio en el sistema. Este aumento de la concentración origina un punto de fusión más elevado que impide la solidificación en proximidades del frente. La solidificación también libera energía, lo cual se opone a la solidificación. A una pequeña distancia del frente de solidificación, la concentración es más favorable al proceso de solidificación además de que la temperatura es menor. Esto aumenta la velocidad de solidificación en los puntos más prominentes, lo que produce la formación de la dendrita. Es de destacar que una interfase curva es menos favorable desde un punto de vista energético, por lo tanto las dendritas en este caso serán mucho menos agudas.
5.6.3 Granos Equiaxiales.
Si las condiciones de nucleación y crecimiento en el metal líquido durante la solidificación son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, se obtendrán granos equiaxiales. Los granos equiaxiales se encuentran normalmente junto a la pared del molde frío, como se muestra en la figura. Un gran enfriamiento cerca de la pared crea una elevada concentración de núcleos durante la solidificación, una condición necesaria para producir una estructura de granos equiaxiales.
5.6.4 Granos columnares.
Ilustración 8; Granos Equiaxiales y Columnares.15
5.7 Microscopio Electrónico de Barrido (MEB).
Debido a que esta máquina va a tener un papel importante en la presentación de los resultados, decidimos investigar acerca de su funcionamiento y aspectos técnicos del microscopio a utilizar.
5.7.1 Aspectos generales de la Máquina.
El Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) hace parte de los equipos interfacultades de la Universidad de los Andes, hoy en día.
Uno de los laboratorios, posee un microscopio JEOL, modelo JSM 6490-LV de última generación, que opera en los modos de alto y bajo vacío; al mismo tiempo, adquiere cuatro detectores que permiten la obtención de imágenes de electrones secundarios (tridimensionales), imágenes de electrones retrodispersados (topográficas, composicionales y de sombra) e imágenes de mapas de puntos EDS (mapping).16
5.7.2 Definición.
Prácticamente, la microscopía electrónica de barrido es una técnica de análisis superficial, que consiste en enfocar sobre una muestra electrodensa (opaca a los electrones) un fino haz de electrones acelerado con energías de excitación desde 0.1kV hasta 30kV.
15UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA, Materiales industriales. Unidad 2: Solidificaciones
en materiales. Capitulo 2.5.6.
16UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Vicerrectoría de Investigaciones. Microscopio Electrónico de Barrido –
Aquel haz de electrones tiene un movimiento sobre la capa superficial de la muestra, realizando un barrido de trayectoria paralela. La variación morfológica de la muestra entrega diversas señales (electrones secundarios, electrones retrodispersados, emisión de rayos X, etc.), que son recogidas por distintos detectores; los cuales permiten la observación, caracterización y microanálisis superficial de materiales.17
5.7.3 Funcionamiento.
Un MEB funciona con un haz de electrones producido por una fuente de electrones, que puede ser ejecutada en dos métodos:
Cañón termoiónico (filamento de tungsteno o de hexaboruro de lantano).
Cañón de emisión de campo FEG (Field Emission Gun).
Al cañón se le aplica un potencial eléctrico que acelera el haz de electrones hacia una columna y éste es focalizado por medio de lentes electromagnéticas sobre la muestra. Los electrones chocan e interactúan con la muestra produciendo varias señales que podrán ser recogidas de acuerdo a los detectores presentes.
Conviene mencionar, que las señales producidas están relacionadas entre sí y dependen en gran medida de la topografía, el número atómico y el estado químico
de la muestra.
Ahora, la amplificación de la imagen se produce por un conjunto de lentes electromagnéticas que mediante un tratamiento adecuado de las señales electrónicas son proyectadas en un tubo de rayos catódicos (CRT). 18
17UNIVERSIDAD DE LOS ANDES, Vicerrectoría de Investigaciones. Descripción de la Técnica MEB. 2013.
En: Google. Consultado el viernes 19 de Abril de 2013. Versión HTML del archivo: http://investigaciones.uniandes.edu.co/index.php/es/centro-de-microscopia/microscopio-electronico-de-barrido-meb/descripcion-de-la-tecnica-meb
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
6.1 Preparación de las Uniones Soldadas.
Para realizar este estudio se tomaron las uniones soldadas del Proyecto de Grado
“IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN
UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE 8620”, donde encontramos cinco muestras
con diversas características debido a que cuatro de ellas fueron sometidas a diferentes tratamientos térmicos y la última muestra solamente recibió el proceso de soldeo con un enfriamiento a temperatura ambiente. Así pues vamos a denominar las probetas de la siguiente manera:
Recocido.
Normalizado.
Temple en agua.
Temple en aceite.
Entrega.
Es necesario recalcar que las cuatro primeras muestras alcanzaron una temperatura de 850°C dentro de la mufla para posteriormente llevar a cabo cada uno de los enfriamientos.19
Ilustración 9; Estado inicial de las Uniones Soldadas.
Debido a que en el Proyecto de Grado “IDENTIFICACIÓN DE DIFERENTES TIPOS
DE FERRITA PROEUTECTOIDE EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO SAE
8620” la única prueba que se requería efectuar era la toma de imágenes guiadas
por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico, no fue necesario rectificar cada una de las caras de las muestras (Ver Ilustración 9).
19 MARTÍNEZ, Jaime. Identificación de diferentes tipos de Ferrita Proeutectoide en Uniones Soldadas de SAE 8620. 2014
6.2 Corte y Rectificado.
Por el contrario, para el presente análisis fue necesario ejecutar ensayos de dureza y microdureza, los cuales exigían que el plano inferior de la muestra estuviera totalmente paralelo con respecto al plano superior de la misma. Hecha esta salvedad, se llevó cada una de las muestras a un proceso de corte y rectificado en los Laboratorios de la Facultad Tecnológica, garantizando que la medición del identador estuviera correcta y evitando la creación de valores erróneos.
De manera puntual se utilizaron los siguientes equipos:
Cortadora Abrasiva Manual, Metkon Metacut 250.20
Rectificadora, PFG-2550AH.
Por consiguiente, las uniones soldadas cuentan con las siguientes dimensiones finales:
Altura: 15mm
Longitud: 50mm
Ancho: 25mm
Angulo de inclinación (Biselado): 32º
6.3 Preparación Metalográfica.
Para llevar a cabo la toma de imágenes guiadas por Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico fue necesario someter las muestras a todo el proceso de lijado y pulido para alcanzar brillo espejo en cada una de las uniones soldadas.
Llegando a este punto, se realizó el ataque químico con la aplicación de Nital (Alcohol Etílico + Ácido Nítrico en un 3%).
6.4 Observación Microscópica.
Se planteó la toma de imágenes guiadas por microscopio electrónico de barrido y microscopio óptico. Las imágenes tomadas con el MEB fueron obtenidas en la
Universidad Nacional de Colombia por medio del equipo QUANTA 200-r, marca:
20 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Laboratorio de
FEI21, por seguridad del microscopio se solicitó la reducción de peso de las muestras
ya que el equipo podía sufrir averías en la cámara de vacío. Se registraron imágenes con aumentos de 1000x, 2000x y 5000x.
Se debe agregar que se llevó a cabo la observación con el microscopio óptico AXIO OBSERVER D1M perteneciente a la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital.22 Es necesario recalcar que se registraron imágenes con aumentos de
500x, 1000x y 1600x.
6.5 Ensayo de Microdureza.
Este ensayo se efectuó en el microdurómetro SHIMADZU HMV-223, bajo la norma ASTM E-384, la cual estipula que se deben tomar cinco datos de dureza si el material es homogéneo y en caso de no serlo se deben registrar 10 datos. Para este ensayo se tomaron 30 datos tal como se muestra en la Ilustración 10, determinándose la dureza por medio de la media aritmética de los valores obtenidos.
Ilustración 10; Esquema del Ensayo de Microdureza desarrollado.
6.6 Ensayo de Dureza.
El ensayo de dureza Vickers se llevó a cabo en el durómetro GNEHM SWISS ROCK24 bajo la norma ASTM A-956 o E-18, la cual estipula que se deben tomar cinco valores de dureza cuando el material es homogéneo, y se deben registrar diez
21 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Laboratorios de Microscopía. Sistema de Información de Laboratorios de
datos en caso de ser un material heterogéneo. Para este ensayo se obtuvieron 18 valores tal como se observa en la Ilustración 11, estipulando la dureza por medio de la media aritmética de los valores adquiridos. Este procedimiento fue necesario para ratificar los valores conseguidos en el ensayo anterior.
Ilustración 11; Esquema del Ensayo de Dureza desarrollado.
Cabe resaltar que cada una de las cinco uniones soldadas se encuentra divididas en tres diversas regiones de análisis, denominadas de la siguiente manera:
MA: Material de Aporte.
ZAC: Zona afectada por el Calor.
MB: Material Base.
Así pues se determinó la dureza y microdureza de cada sección o región para cada una de las muestras. Tal como lo presenta la Ilustración 12 donde gracias al ataque químico se logra divisar el límite entre la soldadura (material de aporte) y el acero (material base).
6.5 Definición de Variables Estadísticas.
Para el estudio de la correlación estadística se implementaron dos tipos de variables independientes con el fin de relacionar la microdureza y la microestructura de las uniones soldadas. Con esto en mente, se utilizaron las variables mencionadas a continuación:
Tamaño de Grano: Logrando un conjunto de valores de diámetros promedio, teniendo en cuenta la norma ASTM E112.
Fracción Volumétrica de Fase: Adquiriendo una serie de porcentajes basados en la norma ASTM E562-02.
De esta manera, vamos a obtener una Correlación Estadística fundamentada en la microestructura (a partir del tamaño de grano y fraccion volumétrica de fase) y los datos obtenidos tras los ensayos de microdureza, tal como se representa en la
Ilustración 13.
Ilustración 13, Definición de Variables para la Correlación Estadística. Realizada por los Autores.
Correlación
Estadística
Microestructura
Tamaño de
Grano
Fracción
Volumétrica de
Fase
6.6 Designación de Variables para la Microestructura en las cinco probetas.
Como se cuenta con cinco uniones soldadas, se decide practicar los analisis de Tamaño Grano en unas y la Fracción Volumetrica de Fase en otras. Cabe resaltar que estos dos parámetros se distribuyeron de la siguiente forma para cada una de las muestras:
TAMAÑO DE GRANO
FRACCIÓN DE VOLUMEN DE FASE
RECOCIDO ENTREGA
NORMALIZADO TEMPLE EN ACEITE
TEMPLE EN AGUA TEMPLE EN AGUA
Tabla 2; Distribución de Variables para cada Muestra.
Una de las razones por la cual se agruparon las muestras como se presenta en la
Tabla 2, fue la dificultad que se evidenció al momento de realizar la toma de medida del tamaño de grano en las micrografías de las muestras con temples, debido a queen la mayoria de micrografías presentaban granos con una morfologia triangular y alargada, es decir, una microestructura que no facilitaba el registro de valores planteados en la norma ASTM E112.
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
7.1 Unión Soldada
–
Recocido.
7.1.1 Variable manejada con la Microdureza en la Unión de Recocido.
Como se aprecia en la Tabla 3, se exponen cada uno de los datos que se tomaron en el microdurómetro para las diversas zonas de la probeta.
DATOS EN LA UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO (HV)
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Tabla 3; Agrupación de Datos de Microdureza en la Unión de Recocido para cada una de las regiones de estudio.
7.1.2 Calculo del FDP para cada valor de microdureza en la Unión de Recocido.
Una vez agrupados los datos de microdureza, se procede a calcular la Función de Densidad de Probabilidad para cada uno de los valores obtenidos en el ensayo.
REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA
Material Aporte Zona afectada por el Calor Material Base
REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE NORMALIZADO
Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE ENTREGA
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
REPETITIVIDAD DE DATOS DE MICRODUREZA EN LA UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN ACEITE
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Tabla 4; Relación de Datos de Microdureza y Función de Densidad de Probabilidad.
Así pues, en este estudio la ecuacion de FDP permite evaluar cada valor de microdureza de las muestras ademas de construir la curva de distribución normal gaussiana.
En esta sección se explica detalladamente el cálculo del FDP para cada valor de microdureza en la unión soldada de Recocido en la zona de material de aporte, la construcción de la curva de la distribución gaussiana y los porcentajes de probabilidad de repetibilidad que se presentan en el área bajo la curva.
7.1.2.1 Cálculo del FDP.
Para calcular el FDP en este documento se utilizo el calculo analítico de la función FDP y el uso del software Microsoft Excel 2013.
A continuación se muestra cómo se realiza el cálculo y una comparación entre las dos opciones para calcular el FDP.
7.1.2.2 Cálculo del Método Analítico del FDP.
El cálculo analítico se realiza utilizando la ecuacion fdp (Ecuación 1). Para realizar este procedimiento es necesario conocer la desviacion estandar, media aritmética y el valor de la microdureza. Para cada dato del ensayo de microdureza se va a contar con un porcentaje de FDP. En este caso se utilizan los datos de microdureza de la unión soldada de Recocido en la zona de material de aporte.
Como primer paso se calcula la media aritmetica de toda la muestra de datos de la siguiente manera:
𝑚 = 141+143+170+170+171+171+179+180+182+194+197
11 = 172,5
Una vez calculado la media aritmética se calcula la desviación estandar como a continuación se muestra.
Se utiliza el software Microsoft Excel usando la función DESVEST.M (), la cual da como resultado 17,69 unidades cuantitativas.
Para calcular el FDP de cada dato de microdureza, se utiliza la Ecuacion 1 y se lleva a cabo el siguiente procedimiento:
Ecuación de densidad de probabilidad:
[Ecuación 1] Donde:
SD: Desviación estándar.
m: Media Aritmética.
X: Valor de microdureza
𝑓(𝑥) = 1
Realizando este procedimiento para todos los valores de microdureza de la unión soldada de recocido en la zona de material de aporte se obtienen los siguientes
Tabla 5, Método analítico de FDP para datos de Microdureza en el MA. Unión Soldada de Recocido.
7.1.2.3 Cálculo por medio del Software Microsoft Excel del FDP.
Para calcular el FDP de cada valor de microdureza por medio del software Microsoft Excel se requiere conocer la media aritmetica de los valores de microdureza y la desviacion estandar con estos datos se utiliza la siguiente función:
=DISTR.NORM(x;media;desv_estándar;acum)
En donde:
X = valor de la microdureza.
Media = media aritmetica.
Acum= Cabe resaltar que acum es un recuadro de selección que da la opción de elegir entre distribucion normal acumulativa, o no acumulativa en este recuadro de selección se elige FALSO.
Los valores obtenidos por medio del uso del software microsoft excel asi como su comparacion con los valores obtenidos de PDF analiticamente se presentan a
Tabla 6; Comparación entre método Analítico y con el uso de Software, para el cálculo de la Función de Densidad de Probabilidad.
Como se puede observar en la tabla no existe ninguna diferencia sustancial entre usar el calculo analitico o el calculo por medio del software excel,pero la unica desventaja de usar el metodo analitico consiste en que es bastante dispendioso y requiere de mayor tiempo al momento de efectuar los calculos .
Por este motivo en el analisis de todos los dato obtenidos experimentalmente en este documento se utiliza la opcion de llevar a cavo los calculos por medio de uso de microsoft excel.
Cave resaltar que el metodo analitico tambien se puede llevar a cavo por medio del software con el uso de la siguiente expresion.
=(1/(DS*RAIZ(2*PI())))*(EXP(-0,5*((X-m)/DS)^2)).
7.1.2.4 Construcción de la curva de distribución normal gaussiana.
una posterior toma de datos, ya que esta gráfica permite observar el area bajo la curva de la densidad de probabilidad de cada valor de microdureza.
A continuación se muestra la grafica de la curva de distribucion normal gaussina de la union soldada de recocido en la zona del material de aporte y la forma en que se realiza.
Gráfica 1; Curva de Distribución Normal Gaussiana para la Unión Soldad de Recocido en la región de Material de Aporte. Realizada por los Autores.
Como se observa en la grafica los valores de FDP obtenidos con anterioridad de la unión soldada recocido en la zona de material de aporte se muestran en las ordenadas (eje y) y los valores de microdureza obtenidos experimentalmente se muestran en el eje de las abscisas (eje x).
Ilustración 14, Proceso de Elaboración de la curva de distribución gaussiana en Microsoft Excel. Realizada por los autores.
Como se muestra en la Ilustración 14, para realizar el gráfico se requieren los valores de la microdureza y el FDP calculado para cada valor de microdureza, ademas de la media aritmetica y la desviacion estandar. Una vez obtenidos estos valores en Excel se procede a seleccionar la pestaña INSERTAR, Gráficos, Gráficos de Dispersión y Dispersión con Líneas Suavizadas.
Paso siguiente se seleciona el ícono Cambiar Tipo de Gráfico para finalmente elegir
Gráfica de Área.
Siguiendo paso a paso estas indicaciones se obtiene una gráfica con resultados muy similares a los de la imagen anterior.
7.1.2.5 Porcentajes de Probabilidad.
Para obtener los porcentajes de probabilidad de repetiilidad es necesario integrar la funcion FDP, para obtener el area bajo la curva pero devido a que esta integral no cuenta con una solución analítica se decide analizar los porcentajes de probabilidad tipificando.A continuación se muestra la tipificación donde se aclaran los porcentajes de probabilidad para la unión soldada recocido en la zona del mateial de aporte.
𝑍 = 𝑥 − 𝜇 𝜎 Donde:
Es de vital importancia comprender que 𝜎 se representara en la grafica tal como e
Tabla 7; Descripción del dominio para la Desviación Estándar.
Con los datos de 𝜎 se procede a calcular Z y posteriormente a tipificar para conocer el pocentaje de probabilidad de repetibidad.
𝑍1= 190,194−172,5 de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 47,72% - 34,13% = 13,59% de repetibilidad.
𝑍3 = 225,582−172,5
17,694 = 3 según tabla Z=3 correponde a 0,4987 = 49,87% a este porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=2 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de 2 𝜎 a 3 𝜎; de esta manera el porcentaje de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 49,87% - 47,72%= 2,15% de repetibilidad.
de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 47,72% - 34,13% = 13,59% de repetibilidad.
𝑍−3 = 119,418−172,5
17,694 = −3 según tabla Z=3 correponde a 0,4987 = 49,87% a este porcentaje se le debe restar el porcentaje de Z=2 debido a que solo se quiere conocer el porcentaje de repetibilidad de -2 𝜎 a -3 𝜎; de esta manera el porcentaje de repetibilidad para esta zona sera equivalente a 49,87% - 47,72%= 2,15% de repetibilidad.
Como se puede observar en los resultados de porcentaje de repeibilidad y en la grafica de distriucion normal gaussiana se puede concluir que los datos que tienen mayor porcentaje de repetibilidad son los que se encuentren en el intervalo de 154,806Hv y 190,194HV.
De igual manera se puede concluir que los datos ubicados a los extremos de la campana tendrán el menor porcentaje de repetibilidad a lo largo de la curva, por esta razón, dichos datos seran rechazados.
Cabe resaltar que este mismo procedimiento se llevo a cavo para absolutamente todas las zonas de todas las uniones soldadas, pero solo se muestra en detalle para la unión soldada de recocido en la zona del material de aporte.
Tabla 8; Conjunto de Datos para Tipificación de Valores en la Distribución Normal Gaussiana.25
7.1.3 Variable manejada para la Microestructura en la Unión de Recocido.
Como se espuso con anterioridad en el Literal 6.6, esta muestra soldada va a ser analizada a partir del tamaño de grano, presente en las micrografias capturadas. En la Ilustración 15 se expone la manera como se llevó a cabo la medición del tamaño de grano, haciendo uso de la Norma ASTM E112 en las muestras de recocido, normalizado y temple en Agua.
25 WEBSTER, Allen. Estadística Aplicada a los Negocios y la Economía. Tercera Edición. Apéndice Tres. Tablas
Ilustración 15; Micrografía Óptica a 1600x de la Región MA. Unión Soldada Recocido. Nital 3%. Representación de Triángulo Rectángulo para el cálculo de Tamaño de Grano.
Para el proceso de Tamaño de Grano se toma la micrografía con el aumento deseado, en este caso se utiliza una micrografia optica a 1600x de la unión soldada de recocido en la zona del material de aporte.
A continuación se describe el proceso paso a paso para determinar el tamaño de grano.
1. Se establece la relación entre la escala de referencia perteneciente a la micrografía, seguido a esto se toma la medida real en cm. Para este caso la dimensión es de 4,4cm.
Ilustración 16; Representación de la escala en la micrografía y toma de dimensión real en cm.
2. Teniendo en cuenta que el aumento es de 1600µ, se hace la relación por medio de una regla de tres, manejada de la siguiente manera:
3. Una vez obtenido el valor de la relación se procede a trazar 3 rectas sobre la micrografía tal como se muestra en la imagen.
Cada una de las tres rectas se pueden interpretar como una hipotenusa de un triángulo rectángulo. Seguido a esto, se deben proyectar los catetos para conformar cada figura.
Luego se toma la medida real en cm de cada cateto trazado.
Una vez se toma la medida de la hipotenusa en cm se convierte esta medida en µ con ayuda de la siguiente relacion.
𝒉𝝁 =𝒉𝒄𝒎∗ 𝑿 𝟑𝟓𝟐𝒄𝒎
𝒉𝝁= 𝟏𝟔. 𝟗 ∗ 𝟏𝟔𝟎𝟎
𝟑𝟓𝟐𝒄𝒎 = 𝟕𝟔. 𝟖𝒎𝒎
Estos datos se consignan en la siguiente tabla resumen.
Recta
Tabla 9; Resumen de Datos para el análisis de tamaño de Grano en la muestra de Recocido en el MA.
𝑫𝒑𝒓𝒐 = 𝒉𝝁 𝑵𝑮𝑰 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎
𝑫𝒑𝒓𝒐 = 𝟕𝟔. 𝟖
𝑵𝑮𝑰 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎 =
𝟕𝟔. 𝟖
𝟔 ∗ 𝟏𝟎𝟎𝟎= 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟐𝟖𝒎𝒎
5. Por ultimo se obtiene el tamaño de grano para la micrografía utilizando el diametro promedio e implementando la siguiente ecuación:
𝑮 = −𝟑, 𝟐𝟖𝟕𝟕 − 𝟔, 𝟔𝟒𝟑𝟗 ∗ 𝑳𝒐𝒈(𝑫𝒑𝒓𝒐 )
𝑮 = −𝟑, 𝟐𝟖𝟕𝟕 − 𝟔, 𝟔𝟒𝟑𝟗 ∗ 𝑳𝒐𝒈(𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟐𝟖)
𝑮 = 𝟗. 𝟐𝟗
Es importante aclarar que este procedimiento se realiza de igual manera en las uniones soldadas de recocido, normalizado y temple en agua.
7.1.4 Correlación entre las Variables para la Unión de Recocido.
CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE RECOCIDO
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Tamaño de
CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE NORMALIZADO
Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Tamaño de
CORRELACIÓN TAMAÑO DE GRANO Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA
Material Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE ENTREGA
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Fracción
CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN ACEITE
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Fracción
CORRELACIÓN FRACCIÓN VOLUMÉTRICA DE FASE Y MICRODUREZA - UNIÓN SOLDADA DE TEMPLE EN AGUA
Material de Aporte Zona Afectada por el Calor Material Base
Fracción
Volumétrica Microdureza (HV) volumétrica Fracción Microdureza (HV) volumétrica Fracción Microdureza (HV)
57% 287 55% 450 61% 670
Para la muestra del recocido efectivamente se cumplió con el objetivo de ablandar el acero y eliminar las tensiones internas.26 Se vincularon los díametros de los granos de tal manera que en la Zona Afectada por el Calor, la microdureza va a ser mucho mayor debido al cambio de temperaturas, denotando un tamaño de grano menor en esta región.
Gráfica 2, Muestra Recocido. Correlación estadística. Zona MB. Realizada por los Autores.
Listando los datos obtenido por cada zona de la muestra se realiza un análisis estadístico que consiste en:
1. Tomar el promedio tanto del Diámetro de Tamaño de grano en micras (um), como el promedio de los valores de microdureza, para este caso, en la zona MB de la muestra Recocido.
De esta forma obtenemos un punto de la Grafica 3 para la zona del material base.
2. Teniendo en cuenta el promedio de las dos variables, se determinan los demás valores con el fin de crear una serie de puntos sobre la gráfica. 3. Dado lo anterior, con ayuda del software Microsoft Excel, se genera una
gráfica de dispersión con el fin de utilizar mínimos cuadrados y generar una línea de tendencia sobre el comportamiento de estos puntos.
4. Una vez obtenida la línea de tendencia se procede a calcular una ecuación que describa la pendiente de dicha recta hallada. Además se calcula el factor de corrección R^2 el cual es un índice que refleja el porcentaje de correlación entre las dos variable independientes.
5. Cabe resaltar que cuando el R^2 tome valores cercanos a 1 mejor será la correlación.
De la Gráfica 3, se puede visualizar que las variables microdureza y diámetro de grano promedio, están fuertemente relacionadas debido a que R^2 = 0.9501.
De manera adicional cabe destacar que las gráficas de correlación para las treas regiones de estudio se encuentran en el Anexo 1.
Cuando se trabaja la ecuación brindada por la Gráfica 3, y= 19,2 x + 35,6 [2]; se obtiene la Tabla 5, donde se puede resaltar que la ecuación [2] describe el comportamiento de la microdureza en función del tamaño de grano de una manera satisfactoria debido a que no se presenta un error relativo de mayor al 5%.
Tamaño
Tabla 11; Resultados obtenidos de la Ecuación [2]
Como forma de síntesis, a continuación se presentan los valores de microdureza menores, mayores y la media aritmética para cada una de las uniones soldadas; para una mayor comparación y relación.
TRATAMIENTO
Tabla 12; Resumen de Microdurezas en Dureza Vickers. Valores menores, mayores y promedios.
7.1.5 Relación con Micrografías para la Unión de Recocido.
Fue de gran importancia la vinculación con las micrografías obtenidas en el Microscopio Electrónico de Barrido y Microscopio Óptico.
Cabe destacar que en la Ilustración 17, contamos con la presencia de granos homogeneos de ferrita y listones de cementita incluidos en los granos de perlita, tal como se indica.
Afectada por el Calor) una cadena de granos que se encuentran bastante cercanos y agrupados, con una tendencia a ser de menor tamaño. De esta manera se deduce, que para la ZAC se cuenta con una mayor microdureza a lo largo de la union soldada. Cuando se visualiza la difrente morfología entre los dos, se puede apoyar la idea de una mayor microdureza en la Zona Afectada por el Calor.
En la zona del Material de Aporte (MA) de la Ilustración 18, se cuenta con un acero de muy bajo carbono, luego existen ciertas variaciones en tamaño de grano, pero no se presentan muchas variaciones en cuanto a la presencia de fases. Los escasos granos oscuros en el MA son Perlita y todos los granos blancos adicionales son granos de Ferrita; estos últimos, poseen tamaños de grano mayores cerca a la ZAC y tienden a generarse granos finos al alejarse de la región ZAC.
