Tipos de fragilización en los aceros

Algunas fracturas llegan sin sobrecarga, sin desgaste y con un certificado limpio, y la causa es un cambio en el propio acero que el registro del proceso explica. Esta página recopila los tipos de fragilización que la fuente enumera para las aleaciones ferrosas, la ventana de temperatura o el ambiente que desencadena cada uno, y la forma en que se evita cada uno.

Los tipos de fragilización y lo que desencadena cada uno

La tabla a continuación es el resumen que la fuente proporciona para las aleaciones ferrosas, con los aceros susceptibles, el desencadenante y el resultado. La columna de desencadenante es la parte que debe leerse contra un registro de proceso, porque la mayoría de estas condiciones son visibles en el registro de tratamiento térmico o de servicio más que en la fractura.

Tipo de fragilización	Aceros afectados	Qué lo desencadena	Qué hace
Fragilización por envejecimiento de deformación	Acero de bajo carbono	Precipitación después de un proceso de deformación, con envejecimiento a temperatura ambiente o ligeramente elevada	La resistencia aumenta, la ductilidad disminuye. Aproximadamente un 15 por ciento de reducción en frío produce el efecto máximo, y puede tardar meses a temperatura ambiente o minutos a 400 °F (200 °C).
Fragilización por envejecimiento de temple	Acero de bajo carbono	Temple desde por debajo de la temperatura crítica inferior, seguido de precipitación durante el envejecimiento	La resistencia aumenta, la ductilidad disminuye. Los aceros entre 0.04 y 0.12 por ciento de carbono son los más susceptibles, y el temple debe comenzar por encima de aproximadamente 1040 °F (560 °C).
Fragilidad azul	Aceros al carbono y aleados	Exposición entre 450 y 700 °F (230 y 370 °C)	La resistencia aumenta y tanto la ductilidad como la resistencia al impacto caen bruscamente. Es una forma acelerada de fragilización por envejecimiento de deformación, y la deformación dentro de la banda de temperatura la empeora.
Fragilización por alivio de tensiones y agrietamiento por recalentamiento	Aceros aleados e inoxidables	Tratamiento térmico posterior a la soldadura de un sistema de aleación endurecible por precipitación	La tenacidad disminuye en el zona afectada por el calor o el metal de soldadura, y en casos graves se agrieta a lo largo de los límites de grano. El vanadio, el molibdeno y el boro aumentan el riesgo.
Fragilización por revenido	Aceros al carbono y de baja aleación	Exposición entre 660 y 1060 °F (350 y 570 °C), o enfriamiento lento a través de esa banda después del revenido a alta temperatura	La temperatura de transición dúctil a frágil aumenta, hasta 360 a 540 °F (200 a 300 °C) en casos reportados, mientras que la resistencia y la dureza permanecen donde estaban.
Fragilización de martensita revenida	Acero aleado tratado térmicamente	Revenido entre 400 y 700 °F (200 y 370 °C), con servicio a temperatura ambiente	La energía de impacto disminuye, peor cerca de 600 °F (315 °C), mientras que la resistencia a la tracción, el límite elástico y el alargamiento no cambian. También se denomina fragilización por revenido de un paso.
Fragilización de 400 a 500 °C	Acero inoxidable con más de 15 por ciento de cromo	Exposición prolongada entre 750 y 930 °F (400 y 500 °C), más severa cerca de 885 °F (475 °C)	La resistencia aumenta y la ductilidad disminuye, y la resistencia a la corrosión cae junto a los límites de grano. La reacción se revierte al calentar por encima de la banda.
Fragilización por fase sigma	Acero inoxidable ferrítico y austenítico	Exposición prolongada entre 1050 y 1800 °F (565 y 980 °C)	La tenacidad disminuye y la sensibilidad a las entalladuras aumenta, y la pérdida de tenacidad es casi total una vez que la pieza se enfría por debajo de 500 °F (260 °C). La resistencia a la corrosión y la resistencia a la fluencia disminuyen con ello.
Grafitización	Acero al carbono y de baja aleación	Servicio prolongado por encima de aproximadamente 800 °F (425 °C), típicamente 850 a 1100 °F (450 a 600 °C)	La tenacidad disminuye donde el grafito se forma a lo largo de una trayectoria continua a través de un miembro portante. Los aceros desoxidados con aluminio son los más expuestos, y el cromo por encima de 0.7 por ciento lo resiste.
Fragilización por compuesto intermetálico	Todo acero	Contacto a temperatura elevada con un metal que forma una fase intermetálica, como el zinc sobre acero galvanizado	Se forma una fase intergranular frágil en los límites de grano. No hay fusión involucrada, y el daño es irreversible.
Fragilización por neutrones	Todo acero	Irradiación de neutrones en servicio nuclear	La temperatura de transición dúctil a frágil aumenta, hasta 360 °F (200 °C), y la fractura intergranular se vuelve más probable. El contenido de níquel y los residuales de cobre o fósforo aumentan la sensibilidad.
Fragilización por hidrógeno	Acero endurecido por trabajo en frío o tratamiento térmico	Carga de hidrógeno durante la fabricación del acero, el decapado, la galvanoplastia, la soldadura o la corrosión en servicio	La ductilidad disminuye y la pieza se agrieta de manera diferida bajo carga estática, a menudo por debajo del límite elástico y sin deformación plástica visible.
Fragilización inducida por metal líquido	Todo acero	Contacto con un metal fundido de bajo punto de fusión, bajo tensión de tracción y humectación de la superficie	La ductilidad cae bruscamente y una grieta corre a lo largo de los límites de grano a velocidades medidas en pulgadas por segundo. Las piezas pequeñas fallan casi instantáneamente una vez que la tensión es lo suficientemente alta.
Fragilización inducida por metal sólido	Todo acero	Contacto con un metal de bajo punto de fusión casi fundido o sólido, bajo tensión de tracción	La ductilidad cae y la pieza falla de forma diferida bajo carga estática, con un tiempo hasta la falla que aumenta a medida que disminuye la tensión. El crecimiento de la grieta depende de la temperatura.

Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention (ASM International), el resumen de los tipos de fragilización que experimentan las aleaciones ferrosas en el artículo Overload Failures.

• La lista es un resumen de aleaciones ferrosas, y la fuente señala que los metales no ferrosos tienen sus propios fenómenos de fragilización. También señala que varios de estos mecanismos aún se siguen describiendo en la literatura, por lo que la ausencia de un mecanismo en una tabla no es evidencia de que no pueda ocurrir.
• Una pieza que se agrietó sin sobrecarga y sin deformación visible es la población de la que provienen estos mecanismos. La lectura de la fractura en sí se cubre en el gráfico de identificación de modos de daño.

Las ventanas de temperatura en una vista

Los mismos disparadores leídos por temperatura, que es como se encuentran en un programa de horno o un registro de servicio. Una temperatura de revenido o una temperatura de trabajo que se sitúa dentro de una de estas bandas merece una segunda mirada al tiempo que la pieza pasa allí.

Ventana	Qué ocurre en ella	Dónde se encuentra
400 a 700 °F (200 a 370 °C)	Fragilización del martensita revenida en acero aleado tratado térmicamente, y fragilidad azul en aceros al carbono y aleados. Ambos actúan sobre la energía de impacto en lugar de sobre las propiedades de tracción.	Cualquier pieza revenida dentro de esta banda, y cualquier pieza que trabaje a esta temperatura. Una serie de Charpy V-notch frente a la temperatura de revenido es la forma habitual de encontrarla.
660 a 1060 °F (350 a 570 °C)	Fragilización por revenido, más rápida alrededor de 850 a 900 °F (455 a 480 °C). Es impulsada por el fósforo, el antimonio, el estaño y el arsénico que se segregan a los límites de grano.	Aceros aleados que combinan cromo con níquel o manganeso, y secciones gruesas que se enfrían lentamente a través de la banda después de un revenido a alta temperatura.
750 a 930 °F (400 a 500 °C)	La banda de acero inoxidable de alto cromo, peor cerca de 885 °F (475 °C). Se forman fases ricas en cromo y la resistencia a la corrosión cae junto a los límites de grano.	Piezas de acero inoxidable ferrítico, martensítico y dúplex mantenidas en la banda, incluidos los ciclos de alivio de tensiones y revenido.
800 a 1025 °F (425 a 550 °C)	Grafitización en acero al carbono y de baja aleación, y fragilización por fluencia en aceros ferríticos por encima de 800 a 1100 °F (425 a 595 °C). Ambos dependen del tiempo tanto como de la temperatura.	Servicio prolongado a temperatura moderada, con las zonas afectadas térmicamente de las soldaduras como una de las ubicaciones probables.
1050 a 1800 °F (565 a 980 °C)	Fase sigma en aceros inoxidables, que se forma más rápido alrededor de 1550 °F (845 °C). La fase es dura y frágil y elimina la tenacidad una vez que la pieza se enfría.	Acero inoxidable que se recuece por solución, se alivia de tensiones o se suelda en esta banda, y cualquier servicio a alta temperatura dentro de ella.

Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, las secciones de fragilización inducida térmicamente e inducida ambientalmente del artículo Overload Failures.

• La ventana y el tiempo importan juntos. La fragilización por revenido está impulsada por la difusión y depende del contenido de impurezas y del tiempo pasado en la banda, así como de la temperatura, mientras que la fragilidad azul puede aparecer en minutos.
• Las reacciones metalúrgicas que se activan en cada ventana durante un ciclo de tratamiento térmico, y el cambio dimensional que cada una conlleva, se tabulan por separado en la página de cambio dimensional en el tratamiento térmico.

Fragilización por revenido, el mecanismo que se revierte

La fragilización por revenido es el único mecanismo de esta página que puede eliminarse de una pieza terminada, y su química es lo suficientemente específica como para leerse a partir de un análisis térmico.

Artículo	Detalle
Elementos responsables	El fósforo, el antimonio, el estaño y el arsénico se segregan a los límites de grano. El silicio, el germanio, el selenio, el telurio y el bismuto también se identifican como agentes fragilizantes, y el manganeso tanto lo causa como lo facilita.
Aceros con mayor riesgo	Los aceros al cromo-níquel son particularmente propensos. Los aceros al carbono simples no son susceptibles, y los aceros al carbono simples con menos de 0,3 por ciento de manganeso no se consideran susceptibles en absoluto. Las adiciones de molibdeno reducen la susceptibilidad.
Dónde es más rápido	Alrededor de 850 a 900 °F (455 a 480 °C) dentro de la banda de 660 a 1060 °F (350 a 570 °C). Las estructuras martensíticas y bainíticas tratadas térmicamente son más susceptibles que las ferríticas y perlíticas.
Cómo se detecta	Un aumento en la temperatura de transición dúctil a frágil con la resistencia y la dureza sin cambios, por lo que el ensayo de tenacidad lo detecta y un ensayo de tracción no. La fractografía electrónica añade la fracción de área de facetas intergranulares.
Indicadores de susceptibilidad	La investigación en soldadura produjo dos indicadores simples. El factor X combina fósforo, antimonio, estaño y arsénico con una ponderación sobre el fósforo, y el número de Watanabe J es (Si + Mn) x (P + Sn) x 10.000, con un valor por debajo de 200 que se interpreta como que el metal no es susceptible.
Cómo se elimina	Revenir por encima de la banda crítica y enfriar rápidamente. Las secciones gruesas que se fragilizan por enfriamiento lento a través de la banda pueden templarse o enfriarse rápido en su lugar, o recibir un revenido adicional por encima de la banda seguido de un enfriamiento rápido.

Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, la sección de fragilización por revenido del artículo Overload Failures. El factor X y el número de Watanabe provienen de la investigación en soldadura citada allí.

• La fragilización del martensita revenida se sitúa en una ventana diferente y se comporta de manera diferente. Se produce al revenir dentro de 400 a 700 °F (200 a 370 °C), es peor cerca de 600 °F (315 °C), y es la transición de carburo épsilon a cementita en los límites de grano de austenita previa lo que la impulsa. Las propiedades de tracción no se mueven, por lo que una serie de Charpy V-notch frente a la temperatura de revenido es la forma de verla. La fuente llama a esto fragilización de un paso, frente a dos pasos para la fragilización por revenido.
• Un programa de tratamiento térmico de acero para herramientas que cae dentro de estas bandas es común, porque la dureza y la tenacidad se compensan entre sí a lo largo de la curva de revenido. Los errores que produce la banda en un grado se recopilan en la página de errores de tratamiento térmico de D2, y la ruta guiada por síntomas a través de un problema de horno está en el tabla de solución de problemas de tratamiento térmico.

Fragilización por hidrógeno

El hidrógeno es el mecanismo que con mayor frecuencia no deja marca en el certificado, porque una colada sana del grado correcto aún puede llevar suficiente hidrógeno para agrietarse después del procesamiento.

Artículo	Detalle
Los tres requisitos	Tensión de tracción, ya sea residual o aplicada, un acero susceptible y hidrógeno por encima de un nivel umbral. Unas pocas partes por millón de hidrógeno fragilizante son suficientes.
De dónde proviene el hidrógeno	Acería, limpieza ácida y decapado, galvanoplastia, soldadura y reacciones en servicio por exposición a gases, degradación de lubricantes o corrosión. Los venenos catódicos aumentan la cantidad absorbida.
Qué falla y cuándo	Agrietamiento o fractura de forma diferida bajo carga estática, con frecuencia por debajo del límite elástico y sin deformación plástica. Las grietas se ramifican poco y a menudo son intergranulares, aunque las piezas muy tensionadas pueden mostrar fractura transgranular.
Susceptibilidad	El aumento de la dureza y del trabajo en frío incrementan ambos la susceptibilidad. Los aceros por debajo de 100 ksi (690 MPa) de resistencia a la tracción a menudo se consideran resistentes al agrietamiento, y siguen siendo susceptibles al ampollamiento. Los grados austeníticos son mucho menos susceptibles que los grados martensíticos o ferríticos trabajados en frío.
Qué ayuda	Controlar los procesos que generan hidrógeno, hornear después de la galvanoplastia y aliviar tensiones antes del recubrimiento. El horneado no elimina todo el hidrógeno, y la fuente registra un caso en el que sujetadores correctamente horneados aún se agrietaron, con la falla en el filete entre la cabeza y el vástago de un tornillo con una resistencia a la tracción mínima de 180 ksi (1,220 MPa).
El lado de la acería	El desconchado por hidrógeno es un problema potencial para los aceros para herramientas al carbono y para algunos aceros de medio carbono baja aleación, y la desgasificación al vacío es la forma habitual de reducir el hidrógeno a un nivel seguro. En un caso reportado, una matriz O1 se agrietó después del tratamiento térmico con desconchados confinados al centro de la sección, los superficiales con color de revenido y los más profundos sin él.

Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, la sección sobre daño por hidrógeno y fragilización del artículo Overload Failures, con el caso de desconchado de la sección de calidad del acero de Failures of Tools and Dies.

• La desgasificación al vacío y la práctica de acería limpia pertenecen a la orden de compra para los grados donde el hidrógeno importa, más que al taller de herramientas. La lectura de un análisis de colada y las verificaciones que acompañan a un lote entregado se tratan más abajo en esta página.

Contacto con un metal de bajo punto de fusión

La fragilización inducida por metal líquido y por metal sólido necesitan ambas tres cosas a la vez: un acero susceptible, humectación de la superficie por el metal fragilizante y tensión de tracción. El servicio comercial rara vez proporciona un fragilizante puro, y la soldadura, las aleaciones de cojinete a base de estaño y plomo y otras aleaciones fragilizan todas.

Acero estructural	Metales que se ha demostrado que lo fragilizan
Acero, ferrítico o martensítico	Mercurio, galio, indio, litio, estaño, cadmio, plomo, zinc, telurio, cobre
Acero, austenítico	Mercurio, litio, zinc, cobre

Fuente: ASM Handbook, Vol. 11, metales que se ha demostrado que causan fragilización inducida por metal líquido, fragilización inducida por metal sólido, o ambas, de aleaciones comerciales. La tabla de la fuente también cubre metales base de aluminio, cobre, níquel y titanio.

• La falla es rápida donde el metal está fundido, con velocidades de meseta de crecimiento de grieta de hasta aproximadamente 0.1 m por segundo medidas en ensayos de mecánica de fractura, y los componentes pequeños fallan casi instantáneamente una vez que la tensión es suficientemente alta. La trayectoria suele ser intergranular, y en un caso de metal líquido las grietas y sus ramificaciones están rellenas hasta la punta con metal resolidificado, lo cual es lo que se usa la espectroscopía de dispersión de energía para confirmar.
• El mecanismo es un fenómeno de contacto más que una propiedad de la aleación, por lo que la respuesta está en la disposición de las herramientas. Donde una matriz trabaja contra zinc o aluminio fundidos, o donde un dispositivo, una aleación de cojinete o un recubrimiento pone uno de estos metales en contacto bajo carga, el par pertenece a la revisión de riesgos.

Encontrar el mecanismo antes de elegir una solución

Una pieza fragilizada puede estar sana según todas las verificaciones rutinarias y aun así fallar por debajo de su límite elástico. Las causas etapa por etapa, la secuencia de examen y la evidencia de casos se recopilan en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices.

Una grieta que se abrió sin aplicar carga

El agrietamiento diferido después del temple es un problema de austenita retenida y tensiones más que un problema de fragilización, y tiene su propia firma en la pared de la grieta. Los mecanismos y los pasos de prevención se exponen en la página de agrietamiento durante el temple.

Elementos residuales y qué preguntar a la acería

La fragilización por revenido depende del fósforo, antimonio, estaño y arsénico, y estos son los residuales que un análisis de colada reporta en el extremo inferior del rango. Las verificaciones del certificado y el informe de ensayo se cubren en la página de verificación de calidad.

Rangos de revenido por grado

Cada grado tiene un rango de revenido que sitúa la dureza de trabajo donde el trabajo lo necesita, y algunos de esos rangos se encuentran dentro de una banda de fragilización. Los rangos y la dureza resultante se tabulan en la tabla de templado.