Tenacidad de la ZAT de aceros HSLA con niobio
Un único ciclo térmico de soldadura con un pico de 1400 °C engrosa los granos de austenita previa en la zona afectada por el calor, y la microestructura resultante suele ser la parte más débil de una unión soldada. Este estudio somete once aceros experimentales C-Mn a uno de esos ciclos, tres niveles de carbono cruzados con tres niveles de niobio más dos variantes de manganeso con un contenido fijo de niobio, y luego relaciona los resultados Charpy con dos características medidas de la microestructura, la fracción de área de ferrita de borde de grano y la fracción de área de constituyente martensita-austenita. La línea divisoria que reporta el trabajo es una fracción de ferrita de borde de grano de aproximadamente 6%. Por encima de esa cifra la fractura frágil comienza en la ferrita de borde, por debajo comienza en las intersecciones de los paquetes bainíticos.
Once aceros experimentales en un ciclo de soldadura
La composición base es un acero C-Mn simple. Tres grupos comparten 1,5% de manganeso y contienen 0,05, 0,10 y 0,15% de carbono, y dentro de cada grupo tres aceros contienen 0, 0,015 y 0,03% de niobio. Eso da equivalentes de carbono de 0,30, 0,35 y 0,40. Dos aceros adicionales mantienen el niobio en 0,015% y varían el manganeso, uno a 2,1% y otro a 0,9%, lo que separa el efecto del manganeso del efecto del niobio. El equivalente de carbono se calcula como C más Si dividido por 24 más Mn dividido por 6 más Ni dividido por 40 más Cr dividido por 4 más V dividido por 14, en porcentaje en masa.
| Acero | C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | N | Ceq |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KT1 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0 | 0.003 | 0.3 |
| KT2 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0.015 | 0.003 | 0.3 |
| KT3 | 0.05 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.3 |
| KT4 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0 | 0.003 | 0.35 |
| KT5 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.35 |
| KT6 | 0.1 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.35 |
| KT7 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.03 | 0 | 0.003 | 0.4 |
| KT8 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.4 |
| KT9 | 0.15 | 0.2 | 1.5 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.03 | 0.003 | 0.4 |
| KT10 | 0.05 | 0.2 | 2.1 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.4 |
| KT11 | 0.15 | 0.2 | 0.9 | 0.01 | 0.005 | 0.02 | 0.015 | 0.003 | 0.3 |
Fuente, Tabla 1 del capítulo de origen (página 99 del PDF). Composición química de los once aceros en porcentaje en masa, con el equivalente de carbono calculado a partir de la fórmula impresa en el capítulo. El balance de cada colada es hierro.
El ciclo se eligió para producir el caso más desfavorable en lugar de uno promedio, un pase único con una temperatura máxima de 1400 °C que representa una ZAT de grano grueso con alto aporte térmico. El calentamiento se realiza a 50 °C por segundo hasta el pico, la permanencia dura 10 segundos, el enfriamiento es de 20 K por segundo entre 1400 y 800 °C y luego de 2 K por segundo por debajo de 800 °C. Las probetas Charpy son de 10 por 10 por 55 mm con la entalla colocada en la microestructura uniforme en el centro de la probeta, y se rompieron a 0, menos 20 y menos 40 °C para construir las curvas de transición. La metalografía utilizó nital al 2% y ataque Le Pera, la macro dureza se midió con una carga de 10 kg y la micro dureza con una carga de 10 g, y la fuerza motriz para la precipitación de carburo de niobio se calculó con Thermo-Calc.
Tres microestructuras que el ciclo puede dejar
Toda probeta simulada es de grano grueso, con ferrita de borde de grano en los límites de austenita previa y ferrita acicular dentro de los granos en la condición de bajo niobio. La adición de niobio reduce la capa de ferrita alotriomórfica y reemplaza la ferrita de Widmanstatten por ferrita acicular intragranular, y con 0,03% de niobio la ferrita acicular es a su vez reemplazada por una estructura de listones. Aumentar el carbono con un contenido fijo de niobio hace lo mismo, por lo que ambas adiciones actúan en la misma dirección sobre los productos de transformación.
El capítulo agrupa los once resultados en tres categorías. La categoría I es el acero base con grandes áreas de ferrita de borde de grano, ferrita de Widmanstatten y pequeñas áreas de perlita. La categoría II es una capa delgada de ferrita de borde de grano más ferrita acicular intragranular, y abarca los aceros de medio y alto carbono sin niobio junto con el acero de bajo carbono con niobio medio. La categoría III es una estructura bainítica de listones con una capa de borde muy delgada y discontinua, y abarca los equivalentes de carbono medio y alto con niobio más el acero de bajo carbono con alto niobio. El punto que importa para el resto de la página es que en la categoría III no todos los límites de grano están cubiertos por ferrita, y esa discontinuidad es lo que cambia dónde comienza una grieta.
El niobio reduce la temperatura de transformación
La dilatometría registra la temperatura a la que comienza a formarse la ferrita de borde de grano durante el enfriamiento, y los valores disminuyen a medida que aumenta el niobio en los tres grupos de carbono. Con un equivalente de carbono de 0,30 la temperatura de inicio es 740 °C sin niobio, 715 °C con 0,015% y 700 °C con 0,03%. Con 0,35 los tres valores son 700, 670 y 660 °C, y con 0,40 son 660, 640 y 630 °C. El carbono reduce la misma cantidad en un escalón mucho mayor, unos 40 °C entre los grupos de 0,30 y 0,35.
Una temperatura de inicio más baja significa que la nucleación de ferrita se retrasa y el acero permanece más tiempo en el rango de temperaturas donde se forma la bainita, que es exactamente el cambio de microestructura descrito anteriormente. La consecuencia práctica es que el niobio en la ZAT no actúa solo mediante el refinamiento de grano, que es su función habitual en el metal base, sino también suprimiendo la ferrita poligonal que de otro modo recubriría cada límite de austenita previa.
Ferrita de borde de grano y la fracción de martensita-austenita
Las fracciones de área se midieron en las probetas atacadas con Le Pera, y las dos características se mueven en direcciones opuestas con el niobio. La ferrita de borde de grano cae abruptamente con el niobio en el grupo de bajo carbono y solo ligeramente en los grupos de medio y alto carbono, lo que el capítulo atribuye a que la precipitación de carburo de niobio consume la mayor parte del niobio antes de que pueda segregarse a los límites. Cambiar el manganeso o el carbono dentro de un equivalente de carbono tiene poco efecto sobre la fracción de ferrita de borde de grano.
El constituyente martensita-austenita, llamado MA a lo largo del capítulo, aumenta con el niobio en los aceros de bajo y medio carbono y no aumenta en los aceros de alto carbono, por la misma razón. Donde el manganeso varía con un contenido fijo de niobio el efecto es mucho mayor que el efecto del niobio. Con 2,1% de manganeso y un equivalente de carbono de 0,40 la fracción de MA alcanza 5%, la más alta de la serie, y con 0,9% de manganeso con un equivalente de carbono de 0,30 no se encontró MA en absoluto, un resultado que los autores confirmaron en más de quince micrografías. Esa única comparación es la afirmación más clara del capítulo sobre qué elemento gobierna el MA.
Dureza y las curvas de transición Charpy
La dureza de la ZAT simulada aumenta tanto con el carbono como con el niobio, en sintonía con el cambio de ferrita a bainita descrito anteriormente. El comportamiento de transición separa los aceros con más nitidez que la dureza. La temperatura de transición más baja corresponde a KT4, un acero de medio carbono sin niobio. KT2, el acero de bajo carbono con 0,015% de niobio, le sigue, y KT11, el acero de alto carbono con bajo manganeso, viene después. Esos tres comparten una microestructura de ferrita de borde de grano más ferrita acicular y tienen dureza y tamaño de grano muy similares, por lo que en el capítulo se atribuye a la ferrita acicular la mejor tenacidad.
Las dos peores curvas corresponden a KT8 y KT10, los dos aceros con el equivalente de carbono más alto de 0,40. KT10 tiene la fracción de MA más alta de la serie y KT8 una de las más bajas, sin embargo sus curvas de transición quedan casi superpuestas. Los autores extraen la conclusión directamente, que la temperatura de transición está determinada por las características de la microestructura y no por la fracción de MA, que es el punto en el que discreparon trabajos anteriores en este campo.
Dónde comienza la fractura frágil, y la regla del 6%
Se examinaron las superficies de fractura de todos los aceros y el sitio de iniciación se clasificó según la microestructura en ese punto. Surgieron tres categorías. El acero base rompe en colonias de perlita regenerada cerca del límite de austenita previa, y los aceros con un área relativamente grande de ferrita de borde rompen dentro de esa ferrita. Donde la ferrita de borde es delgada y discontinua la fractura comienza en la intersección de paquetes bainíticos con diferente orientación y se propaga a través de los paquetes. La unidad de fractura se midió en las probetas a menos 40 °C y resultó de aproximadamente 90 µm para todos los aceros, por lo que el niobio no cambia el tamaño de la unidad de clivaje en estos niveles.
| Acero | C % | Ceq | Nb % | Tamaño de grano, µm | Microestructura | Ferrita en borde de grano % | MA % | Punto de iniciación |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C bajo, Nb libre | 0.05 | 0.3 | 0 | 348 | Ferrita de Widmanstatten más ferrita de borde de grano más pequeñas áreas de perlita | 14 | 0.2 | Perlita regenerada cerca del borde de grano |
| C bajo, Nb | 0.05 | 0.3 | 0.03 | 207 | Estructura de listones | 5 | 1 | Intersección de paquetes bainíticos |
| C medio, Nb libre | 0.1 | 0.35 | 0 | 336 | Ferrita de borde de grano más ferrita de Widmanstatten más ferrita acicular | 6 | 0.5 | En el borde de grano |
| C medio, Nb | 0.1 | 0.35 | 0.03 | 248 | Estructura de listones | 2 | 2 | Intersección de paquetes bainíticos |
| C alto, Nb libre | 0.15 | 0.4 | 0 | 342 | Ferrita de borde de grano más ferrita de Widmanstatten más ferrita acicular | 6 | 0.5 | En el borde de grano |
| C alto, Nb | 0.15 | 0.4 | 0.03 | 230 | Estructura de listones | 1.8 | 1 | Intersección de paquetes bainíticos |
| C bajo, Mn alto | 0.05 | 0.4 | 0.015 | 236 | Estructura de listones | 2.5 | 5 | Intersección de paquetes bainíticos |
| C alto, Mn bajo | 0.15 | 0.3 | 0.015 | 330 | Ferrita de borde de grano más ferrita de Widmanstatten más ferrita acicular | 6 | 0 | En el borde de grano |
Fuente, Tabla 2 del capítulo de origen (página 113 del PDF). Tamaño de grano, microestructura, fracción de ferrita de contorno de grano, fracción de MA y el punto de iniciación observado en probetas rotas a menos 40 °C.
Leer la tabla por la fracción de ferrita en borde de grano en lugar de por la composición da una separación clara. Todos los aceros con 6% o más rompieron en la ferrita en borde de grano o en la perlita contigua, y todos los aceros por debajo de 6% rompieron en una intersección de paquetes. La razón física que da el capítulo es un escalón de dureza: la ferrita en borde de grano está unos 100 HV por debajo del interior del grano, por lo que una capa continua en el borde concentra la tensión y agrieta allí. Por debajo de 6% la capa ya no cubre todos los granos, la matriz es mayoritariamente bainita con MA alineada a lo largo de los listones, y la concentración de tensión se traslada a los bordes de paquete.
El capítulo es cuidadoso sobre hasta dónde puede generalizarse la cifra de 6%. La fracción de ferrita en borde de grano depende de la composición, del ciclo térmico y del tamaño de grano austenítico previo, por lo que el número es un criterio para esta familia de aceros bajo este ciclo y no un umbral universal para toda grado HSLA.
Por qué el manganeso decide la fracción de MA
El mecanismo propuesto es que la ferrita en borde de grano rechaza carbono y elementos aleantes hacia la austenita que tiene delante a medida que crece, de modo que la región entre la ferrita y la bainita se enriquece y se transforma parcialmente en MA durante el enfriamiento posterior. Los barridos lineales con microsonda electrónica en las probetas simuladas confirman el enriquecimiento. Tanto el carbono como el manganeso segregan, y el manganeso segrega con más fuerza que el carbono en el acero con 2,1% de manganeso.
El acero con 0,9% de manganeso es la prueba del mecanismo. Muestra un claro enriquecimiento en carbono en el borde pero solo una segregación débil de manganeso, y no contiene MA en absoluto. Los autores por tanto exigen ambas condiciones a la vez, enriquecimiento en carbono y segregación de elementos aleantes, y señalan que el niobio mismo no mostró segregación medible a 0,015%, un nivel demasiado bajo para que la sonda lo resuelva. Esto explica por qué las variantes de manganeso desplazan la fracción de MA más que adiciones de niobio del mismo orden, y por qué el acero con 2,1% de manganeso alcanza la fracción de MA más alta de la serie con 5%, frente a 0,2% en el acero base con 1,5% de manganeso.
Qué significa esto para un pedido de acero
Los resultados dan al comprador de chapa HSLA tres cantidades que solicitar cuando el requisito es la tenacidad de la junta soldada. La primera es el carbono equivalente, porque fija tanto la temperatura de transformación como la cantidad de bainita en la ZAC de grano grueso. La segunda es el nivel de manganeso en relación con ese carbono equivalente, porque el manganeso es el elemento que decide si se forma MA o no. La tercera es un resultado Charpy de ZAC simulada a la temperatura de servicio más baja en lugar de un resultado del metal base, ya que las propiedades del metal base no dicen nada sobre la región de grano grueso junto a la soldadura.
Niobio entre 0,015 y 0,03% con 1,5% de manganeso es la condición que produjo las estructuras bainíticas finas con ferrita en borde de grano por debajo de 6% en este trabajo, y esos aceros rompieron en intersecciones de paquetes en lugar de a lo largo de los bordes. La misma adición de niobio con 2,1% de manganeso produjo la fracción de MA más alta y una de las dos peores curvas de transición, por lo que el niobio por sí solo no es una adición para tenacidad. Para los antecedentes metalúrgicos de cómo el niobio y el titanio elevan la resistencia en el metal base, véase Mecanismos de endurecimiento del acero microaleado, y para los grados de banda en cuyas composiciones se modelan estas coladas experimentales, véase composiciones del acero de banda microaleado. El comportamiento al revenido de la misma clase de acero de baja aleación se trata en Cinética de revenido de acero de baja aleación.
Fuente: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011, Capítulo 4, Tablas 1 y 2 y Figuras 1, 4, 8, 12 y 16 (páginas 99 a 113 del PDF), con licencia CC BY 3.0. El capítulo reporta trabajos publicados originalmente en las referencias que cita. Cada tabla y figura de esta página se generó a partir del PDF de origen a 300 dpi y se leyó celda por celda antes de redactar el texto anterior, y los números se verificaron contra la capa de texto de origen, tomando la imagen generada como autoritativa donde ambas difieren. Esta página es un resumen de referencia de investigación publicada y no una especificación de Aobo Steel, por lo que confirme el grado y el procedimiento de soldadura antes de escribir los números en una hoja de proceso.