{"id":23612,"date":"2026-10-19T02:40:10","date_gmt":"2026-10-18T18:40:10","guid":{"rendered":"https:\/\/aobosteel.com\/?page_id=23612"},"modified":"2026-10-26T07:42:13","modified_gmt":"2026-10-25T23:42:13","slug":"niobium-hsla-haz-toughness","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/aobosteel.com\/es\/niobium-hsla-haz-toughness\/","title":{"rendered":"Tenacidad de la ZAT de aceros HSLA con niobio"},"content":{"rendered":"

Tenacidad de la ZAT de aceros HSLA con niobio<\/h1>\n\n\n\n

Un \u00fanico ciclo t\u00e9rmico 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 m\u00e1s d\u00e9bil de una uni\u00f3n soldada. Este estudio somete once aceros experimentales C-Mn a uno de esos ciclos, tres niveles de carbono cruzados con tres niveles de niobio m\u00e1s dos variantes de manganeso con un contenido fijo de niobio, y luego relaciona los resultados Charpy con dos caracter\u00edsticas medidas de la microestructura, la fracci\u00f3n de \u00e1rea de ferrita de borde de grano y la fracci\u00f3n de \u00e1rea de constituyente martensita-austenita. La l\u00ednea divisoria que reporta el trabajo es una fracci\u00f3n de ferrita de borde de grano de aproximadamente 6%. Por encima de esa cifra la fractura fr\u00e1gil comienza en la ferrita de borde, por debajo comienza en las intersecciones de los paquetes bain\u00edticos.<\/p>\n\n\n\n

Once aceros experimentales en un ciclo de soldadura<\/h2>\n\n\n\n

La composici\u00f3n 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 var\u00edan 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 m\u00e1s Si dividido por 24 m\u00e1s Mn dividido por 6 m\u00e1s Ni dividido por 40 m\u00e1s Cr dividido por 4 m\u00e1s V dividido por 14, en porcentaje en masa.<\/p>\n\n\n\n

Acero<\/th>C<\/th>Si<\/th>Mn<\/th>P<\/th>S<\/th>Al<\/th>Nb<\/th>N<\/th>Ceq<\/th><\/tr><\/thead>
KT1<\/td>0.05<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.03<\/td>0<\/td>0.003<\/td>0.3<\/td><\/tr>
KT2<\/td>0.05<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.03<\/td>0.015<\/td>0.003<\/td>0.3<\/td><\/tr>
KT3<\/td>0.05<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.03<\/td>0.003<\/td>0.3<\/td><\/tr>
KT4<\/td>0.1<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0<\/td>0.003<\/td>0.35<\/td><\/tr>
KT5<\/td>0.1<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.015<\/td>0.003<\/td>0.35<\/td><\/tr>
KT6<\/td>0.1<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.03<\/td>0.003<\/td>0.35<\/td><\/tr>
KT7<\/td>0.15<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.03<\/td>0<\/td>0.003<\/td>0.4<\/td><\/tr>
KT8<\/td>0.15<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.015<\/td>0.003<\/td>0.4<\/td><\/tr>
KT9<\/td>0.15<\/td>0.2<\/td>1.5<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.03<\/td>0.003<\/td>0.4<\/td><\/tr>
KT10<\/td>0.05<\/td>0.2<\/td>2.1<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.015<\/td>0.003<\/td>0.4<\/td><\/tr>
KT11<\/td>0.15<\/td>0.2<\/td>0.9<\/td>0.01<\/td>0.005<\/td>0.02<\/td>0.015<\/td>0.003<\/td>0.3<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Fuente, Tabla 1 del cap\u00edtulo de origen (p\u00e1gina 99 del PDF). Composici\u00f3n qu\u00edmica de los once aceros en porcentaje en masa, con el equivalente de carbono calculado a partir de la f\u00f3rmula impresa en el cap\u00edtulo. El balance de cada colada es hierro.<\/em><\/p>\n\n\n\n

El ciclo se eligi\u00f3 para producir el caso m\u00e1s desfavorable en lugar de uno promedio, un pase \u00fanico con una temperatura m\u00e1xima de 1400 °C que representa una ZAT de grano grueso con alto aporte t\u00e9rmico. 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 transici\u00f3n. La metalograf\u00eda utiliz\u00f3 nital al 2% y ataque Le Pera, la macro dureza se midi\u00f3 con una carga de 10 kg y la micro dureza con una carga de 10 g, y la fuerza motriz para la precipitaci\u00f3n de carburo de niobio se calcul\u00f3 con Thermo-Calc.<\/p>\n\n\n\n

\"Thermal
Fig. 1. El ciclo t\u00e9rmico utilizado para cada acero del estudio. Calentamiento a 50 °C por segundo, una permanencia de 10 segundos a 1400 °C, enfriamiento a 20 K por segundo entre 1400 y 800 °C y 2 K por segundo por debajo de 800 °C. Reproducido de la figura de origen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Tres microestructuras que el ciclo puede dejar<\/h2>\n\n\n\n

Toda probeta simulada es de grano grueso, con ferrita de borde de grano en los l\u00edmites de austenita previa y ferrita acicular dentro de los granos en la condici\u00f3n de bajo niobio. La adici\u00f3n de niobio reduce la capa de ferrita alotriom\u00f3rfica 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 act\u00faan en la misma direcci\u00f3n sobre los productos de transformaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

El cap\u00edtulo agrupa los once resultados en tres categor\u00edas. La categor\u00eda I es el acero base con grandes \u00e1reas de ferrita de borde de grano, ferrita de Widmanstatten y peque\u00f1as \u00e1reas de perlita. La categor\u00eda II es una capa delgada de ferrita de borde de grano m\u00e1s 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 categor\u00eda III es una estructura bain\u00edtica de listones con una capa de borde muy delgada y discontinua, y abarca los equivalentes de carbono medio y alto con niobio m\u00e1s el acero de bajo carbono con alto niobio. El punto que importa para el resto de la p\u00e1gina es que en la categor\u00eda III no todos los l\u00edmites de grano est\u00e1n cubiertos por ferrita, y esa discontinuidad es lo que cambia d\u00f3nde comienza una grieta.<\/p>\n\n\n\n

El niobio reduce la temperatura de transformaci\u00f3n<\/h2>\n\n\n\n

La dilatometr\u00eda 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 escal\u00f3n mucho mayor, unos 40 °C entre los grupos de 0,30 y 0,35.<\/p>\n\n\n\n

\"Transformation
Fig. 4. Temperatura de inicio de transformaci\u00f3n de la ferrita de borde de grano frente al contenido de niobio, una curva por equivalente de carbono. Redibujado de la figura de origen, con la curva digitalizada del gr\u00e1fico publicado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Una temperatura de inicio m\u00e1s baja significa que la nucleaci\u00f3n de ferrita se retrasa y el acero permanece m\u00e1s tiempo en el rango de temperaturas donde se forma la bainita, que es exactamente el cambio de microestructura descrito anteriormente. La consecuencia pr\u00e1ctica es que el niobio en la ZAT no act\u00faa solo mediante el refinamiento de grano, que es su funci\u00f3n habitual en el metal base, sino tambi\u00e9n suprimiendo la ferrita poligonal que de otro modo recubrir\u00eda cada l\u00edmite de austenita previa.<\/p>\n\n\n\n

Ferrita de borde de grano y la fracci\u00f3n de martensita-austenita<\/h2>\n\n\n\n

Las fracciones de \u00e1rea se midieron en las probetas atacadas con Le Pera, y las dos caracter\u00edsticas 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 cap\u00edtulo atribuye a que la precipitaci\u00f3n de carburo de niobio consume la mayor parte del niobio antes de que pueda segregarse a los l\u00edmites. Cambiar el manganeso o el carbono dentro de un equivalente de carbono tiene poco efecto sobre la fracci\u00f3n de ferrita de borde de grano.<\/p>\n\n\n\n

\"Grain
Fig. 8. Fracci\u00f3n de \u00e1rea de ferrita de borde de grano frente al contenido de niobio para los tres grupos de carbono. El eje de carbono es la tercera dimensi\u00f3n del gr\u00e1fico original. Reproducido de la figura de origen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

El constituyente martensita-austenita, llamado MA a lo largo del cap\u00edtulo, aumenta con el niobio en los aceros de bajo y medio carbono y no aumenta en los aceros de alto carbono, por la misma raz\u00f3n. Donde el manganeso var\u00eda 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 fracci\u00f3n de MA alcanza 5%, la m\u00e1s alta de la serie, y con 0,9% de manganeso con un equivalente de carbono de 0,30 no se encontr\u00f3 MA en absoluto, un resultado que los autores confirmaron en m\u00e1s de quince micrograf\u00edas. Esa \u00fanica comparaci\u00f3n es la afirmaci\u00f3n m\u00e1s clara del cap\u00edtulo sobre qu\u00e9 elemento gobierna el MA.<\/p>\n\n\n\n

Dureza y las curvas de transici\u00f3n Charpy<\/h2>\n\n\n\n

La dureza de la ZAT simulada aumenta tanto con el carbono como con el niobio, en sinton\u00eda con el cambio de ferrita a bainita descrito anteriormente. El comportamiento de transici\u00f3n separa los aceros con m\u00e1s nitidez que la dureza. La temperatura de transici\u00f3n m\u00e1s 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 despu\u00e9s. Esos tres comparten una microestructura de ferrita de borde de grano m\u00e1s ferrita acicular y tienen dureza y tama\u00f1o de grano muy similares, por lo que en el cap\u00edtulo se atribuye a la ferrita acicular la mejor tenacidad.<\/p>\n\n\n\n

\"Fracture
Fig. 12. Aspecto de fractura en funci\u00f3n de la temperatura de ensayo para siete de los aceros, a 0, menos 20 y menos 40 °C. Reproducido de la figura de origen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Las dos peores curvas corresponden a KT8 y KT10, los dos aceros con el equivalente de carbono m\u00e1s alto de 0,40. KT10 tiene la fracci\u00f3n de MA m\u00e1s alta de la serie y KT8 una de las m\u00e1s bajas, sin embargo sus curvas de transici\u00f3n quedan casi superpuestas. Los autores extraen la conclusi\u00f3n directamente, que la temperatura de transici\u00f3n est\u00e1 determinada por las caracter\u00edsticas de la microestructura y no por la fracci\u00f3n de MA, que es el punto en el que discreparon trabajos anteriores en este campo.<\/p>\n\n\n\n

D\u00f3nde comienza la fractura fr\u00e1gil, y la regla del 6%<\/h2>\n\n\n\n

Se examinaron las superficies de fractura de todos los aceros y el sitio de iniciaci\u00f3n se clasific\u00f3 seg\u00fan la microestructura en ese punto. Surgieron tres categor\u00edas. El acero base rompe en colonias de perlita regenerada cerca del l\u00edmite de austenita previa, y los aceros con un \u00e1rea 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 intersecci\u00f3n de paquetes bain\u00edticos con diferente orientaci\u00f3n y se propaga a trav\u00e9s de los paquetes. La unidad de fractura se midi\u00f3 en las probetas a menos 40 °C y result\u00f3 de aproximadamente 90 µm para todos los aceros, por lo que el niobio no cambia el tama\u00f1o de la unidad de clivaje en estos niveles.<\/p>\n\n\n\n

Acero<\/th>C %<\/th>Ceq<\/th>Nb %<\/th>Tama\u00f1o de grano, µm<\/th>Microestructura<\/th>Ferrita en borde de grano %<\/th>MA %<\/th>Punto de iniciaci\u00f3n<\/th><\/tr><\/thead>
C bajo, Nb libre<\/td>0.05<\/td>0.3<\/td>0<\/td>348<\/td>Ferrita de Widmanstatten m\u00e1s ferrita de borde de grano m\u00e1s peque\u00f1as \u00e1reas de perlita<\/td>14<\/td>0.2<\/td>Perlita regenerada cerca del borde de grano<\/td><\/tr>
C bajo, Nb<\/td>0.05<\/td>0.3<\/td>0.03<\/td>207<\/td>Estructura de listones<\/td>5<\/td>1<\/td>Intersecci\u00f3n de paquetes bain\u00edticos<\/td><\/tr>
C medio, Nb libre<\/td>0.1<\/td>0.35<\/td>0<\/td>336<\/td>Ferrita de borde de grano m\u00e1s ferrita de Widmanstatten m\u00e1s ferrita acicular<\/td>6<\/td>0.5<\/td>En el borde de grano<\/td><\/tr>
C medio, Nb<\/td>0.1<\/td>0.35<\/td>0.03<\/td>248<\/td>Estructura de listones<\/td>2<\/td>2<\/td>Intersecci\u00f3n de paquetes bain\u00edticos<\/td><\/tr>
C alto, Nb libre<\/td>0.15<\/td>0.4<\/td>0<\/td>342<\/td>Ferrita de borde de grano m\u00e1s ferrita de Widmanstatten m\u00e1s ferrita acicular<\/td>6<\/td>0.5<\/td>En el borde de grano<\/td><\/tr>
C alto, Nb<\/td>0.15<\/td>0.4<\/td>0.03<\/td>230<\/td>Estructura de listones<\/td>1.8<\/td>1<\/td>Intersecci\u00f3n de paquetes bain\u00edticos<\/td><\/tr>
C bajo, Mn alto<\/td>0.05<\/td>0.4<\/td>0.015<\/td>236<\/td>Estructura de listones<\/td>2.5<\/td>5<\/td>Intersecci\u00f3n de paquetes bain\u00edticos<\/td><\/tr>
C alto, Mn bajo<\/td>0.15<\/td>0.3<\/td>0.015<\/td>330<\/td>Ferrita de borde de grano m\u00e1s ferrita de Widmanstatten m\u00e1s ferrita acicular<\/td>6<\/td>0<\/td>En el borde de grano<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Fuente, Tabla 2 del cap\u00edtulo de origen (p\u00e1gina 113 del PDF). Tama\u00f1o de grano, microestructura, fracci\u00f3n de ferrita de contorno de grano, fracci\u00f3n de MA y el punto de iniciaci\u00f3n observado en probetas rotas a menos 40 \u00b0C.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Leer la tabla por la fracci\u00f3n de ferrita en borde de grano en lugar de por la composici\u00f3n da una separaci\u00f3n clara. Todos los aceros con 6% o m\u00e1s rompieron en la ferrita en borde de grano o en la perlita contigua, y todos los aceros por debajo de 6% rompieron en una intersecci\u00f3n de paquetes. La raz\u00f3n f\u00edsica que da el cap\u00edtulo es un escal\u00f3n de dureza: la ferrita en borde de grano est\u00e1 unos 100 HV por debajo del interior del grano, por lo que una capa continua en el borde concentra la tensi\u00f3n y agrieta all\u00ed. 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 concentraci\u00f3n de tensi\u00f3n se traslada a los bordes de paquete.<\/p>\n\n\n\n

\"Relationship
Fig. 16. Los dos comportamientos de fractura frente a la fracci\u00f3n de \u00e1rea de ferrita en borde de grano, con 6% como l\u00ednea divisoria entre una trayectoria de borde continua y una discontinua. Reproducido de la figura de origen.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

El cap\u00edtulo es cuidadoso sobre hasta d\u00f3nde puede generalizarse la cifra de 6%. La fracci\u00f3n de ferrita en borde de grano depende de la composici\u00f3n, del ciclo t\u00e9rmico y del tama\u00f1o de grano austen\u00edtico previo, por lo que el n\u00famero es un criterio para esta familia de aceros bajo este ciclo y no un umbral universal para toda grado HSLA.<\/p>\n\n\n\n

Por qu\u00e9 el manganeso decide la fracci\u00f3n de MA<\/h2>\n\n\n\n

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 regi\u00f3n entre la ferrita y la bainita se enriquece y se transforma parcialmente en MA durante el enfriamiento posterior. Los barridos lineales con microsonda electr\u00f3nica en las probetas simuladas confirman el enriquecimiento. Tanto el carbono como el manganeso segregan, y el manganeso segrega con m\u00e1s fuerza que el carbono en el acero con 2,1% de manganeso.<\/p>\n\n\n\n

El acero con 0,9% de manganeso es la prueba del mecanismo. Muestra un claro enriquecimiento en carbono en el borde pero solo una segregaci\u00f3n d\u00e9bil de manganeso, y no contiene MA en absoluto. Los autores por tanto exigen ambas condiciones a la vez, enriquecimiento en carbono y segregaci\u00f3n de elementos aleantes, y se\u00f1alan que el niobio mismo no mostr\u00f3 segregaci\u00f3n medible a 0,015%, un nivel demasiado bajo para que la sonda lo resuelva. Esto explica por qu\u00e9 las variantes de manganeso desplazan la fracci\u00f3n de MA m\u00e1s que adiciones de niobio del mismo orden, y por qu\u00e9 el acero con 2,1% de manganeso alcanza la fracci\u00f3n de MA m\u00e1s alta de la serie con 5%, frente a 0,2% en el acero base con 1,5% de manganeso.<\/p>\n\n\n\n

Qu\u00e9 significa esto para un pedido de acero<\/h2>\n\n\n\n

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 transformaci\u00f3n como la cantidad de bainita en la ZAC de grano grueso. La segunda es el nivel de manganeso en relaci\u00f3n 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 m\u00e1s baja en lugar de un resultado del metal base, ya que las propiedades del metal base no dicen nada sobre la regi\u00f3n de grano grueso junto a la soldadura.<\/p>\n\n\n\n

Niobio entre 0,015 y 0,03% con 1,5% de manganeso es la condici\u00f3n que produjo las estructuras bain\u00edticas 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 adici\u00f3n de niobio con 2,1% de manganeso produjo la fracci\u00f3n de MA m\u00e1s alta y una de las dos peores curvas de transici\u00f3n, por lo que el niobio por s\u00ed solo no es una adici\u00f3n para tenacidad. Para los antecedentes metal\u00fargicos de c\u00f3mo el niobio y el titanio elevan la resistencia en el metal base, v\u00e9ase Mecanismos de endurecimiento del acero microaleado<\/a>, y para los grados de banda en cuyas composiciones se modelan estas coladas experimentales, v\u00e9ase composiciones del acero de banda microaleado<\/a>. El comportamiento al revenido de la misma clase de acero de baja aleaci\u00f3n se trata en Cin\u00e9tica de revenido de acero de baja aleaci\u00f3n<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Fuente: Alloy Steel, Properties and Use, InTech, 2011, Cap\u00edtulo 4, Tablas 1 y 2 y Figuras 1, 4, 8, 12 y 16 (p\u00e1ginas 99 a 113 del PDF), con licencia CC BY 3.0. El cap\u00edtulo reporta trabajos publicados originalmente en las referencias que cita. Cada tabla y figura de esta p\u00e1gina se gener\u00f3 a partir del PDF de origen a 300 dpi y se ley\u00f3 celda por celda antes de redactar el texto anterior, y los n\u00fameros se verificaron contra la capa de texto de origen, tomando la imagen generada como autoritativa donde ambas difieren. Esta p\u00e1gina es un resumen de referencia de investigaci\u00f3n publicada y no una especificaci\u00f3n de Aobo Steel, por lo que confirme el grado y el procedimiento de soldadura antes de escribir los n\u00fameros en una hoja de proceso.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Niobium HSLA HAZ Toughness A single weld thermal cycle that peaks at 1400 °C coarsens the prior austenite grains in the heat affected zone, and the microstructure it leaves behind is usually the weakest part of a welded joint. This study runs eleven experimental C-Mn steels through one such cycle, three carbon levels crossed with 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