Microestructura de una soldadura por laser de un acero Inoxidable Ferritico

Fig. 1 Microestructura de Acero Inoxidable ferrítico post soldadura

La soldadura que se presenta en la figura 1 representa un acero inoxidable ferrítico soldado con laser. La duda del estudiante radicaba en los recuadros rojos donde sospechaba la presencia de martensita y quería saber si esa microestructura podía presentarse en este material.

El tema da mucho para conversar y lo primero que vamos a hacer es hablar de los aceros inoxidables que son aleaciones de Fe, Cr y Ni y cuya caracteristica especial que los distingue además de su propiedad de resistencia a la corrosión es su microestructura. De esta manera el acero inoxidable puede ser austenítico, martensítico, ferrítico, dúplex  (ferrítico-austenítico) o por precipitación a temperatura ambiente. En este punto ya se puede observar que a nivel microestructural difiere del acero común que presenta ferrita y perlita a temperatura ambiente. 

La martensita que aparece en el acero luego del tratamiento térmico no es la misma martensita  en los aceros inoxidables ya que esta última se da bajo condiciones especiales tanto de Cromo equivalente como Niquel equivalente lo cual a su vez permite obtener una fase estable, cosa que en un acero común no se puede obtener (la martensita se presenta como una fase meta estable)

En el caso de los aceros inoxidables ferríticos, la fase ferrita delta esta presente desde el mismo momento en que el material pasa a solidificarse, esto quiere decir que no hay austenita que pueda convertirse en martensita cosa como si ocurriría en un acero al carbono.

Partiendo de esta introducción quedaría entonces analizar los recuadros de la figura. ¿Existe la posibilidad de tener martensita en esta soldadura? La respuesta es NO porque para que aparezca la martensita la austenita debe estar en la zona afectada por el calor cosa que en este material no esta presente y por otro lado, los aceros inoxidables ferriticos rara vez son soldados con material de aporte ya que este metal sufre de un fenómeno denominado crecimiento de grano el cual a su vez hace que la resistencia decaiga considerablemente, razón por la cual las variables de soldadura deben ser bien controladas para evitar el crecimiento de grano como se puede apreciar en el centro de la figura. 

Tengan siempre presente que hay diferencias microestructurales entre los aceros y los aceros inoxidables y las microestructuras a temperatura ambiente de estos últimos se obtienen gracias a la influencia de los elementos tales como Cr y Ni en gran medida junto a otros elementos como lo son Mo, Si, Cu, N,Mn, C y Cb.

La martensita en un acero al carbono se obtiene por tratamiento térmico después de austenizar y a una alta rata de enfriamiento pero a temperatura ambiente la ferrita y la perlita son las fases que se pueden observar en un microscopio.

Hablemos del Cobre...

El segundo metal favorito de este blog despues del Aluminio. El cobre fue el primer metal trabajado en la antiguedad antes de la aparicion de las alecaiones de bronce y latón. En este blog me han hecho preguntas acerca de este maravilloso metal entre ellas están ¿Que reactivos se pueden emplear para el ataque químico?, ¿Qué fases están presentes en un cobre 99.99%? y la preparación metalográfica de este metal.

Con gusto les puedo decir que la norma ASTM E407 relacionada con los reactivos empleados para el ataque quimico de metales y aleaciones indica que soluciones son las adecuadas para revelar la microestructura de el cobre y sus aleaciones

Dos reactivos son recomendados el primero es 25 g FeCl3, 25 ml HCl y 100 ml H2O (36) y el segundo 5 g FeCl3, 16 ml HCl y 60 ml etanol o metanol 95% (40).

Fig. 1 Norma ASTM E 407 para microataque de metales y aleaciones

El otro aspecto que vamos a considerar es las fases presentes en un cobre 99.99% pureza. La figura 2 muestra la microestructura de este metal. Como es un metal casi 100% puro el término fases no se aplica ya que las fases son soluciones sólidas que se forman cuando un metal principal se mezcla con uno o varios elementos metálicos o no metálicos como por ejemplo el Latón. Esta aleación si la observamos en el diagrama Cu-Zn presenta una fase alfa o fase (Cu) que es diferente al Cu 99.99%. aunque tiene en común casi todas las propiedades del Cobre excepto su temperatura de fusión y resistencia. En cuanto al aspecto microestructural se pueden observar granos equiaxiales con maclaje, oxidos diseminados (puntos negros) y la norma ASTM E 112 tiene una cartelera comparativa de diferentes tamaños de granos para estimar el numero de grano ASTM.

Fig. 2 Microestructura cobre 99.99%

Por último esta la preparación metalográfica de este metal. En la figura 3 pueden apreciar algunos defectos en la preparación metalográfica que pueden ocurrir. Incluso a mi me ha pasado muchas veces con este metal en la preparación me aparecen rayas y no debe ser motivo de frustación ya que con practica se va mejorando mucho

Fig. 3 Rayaduras durante la preparación metalografica.

Importancia de los diagramas TTT en la estimación de microestructuras en una soldadura

Los diagramas TTT son importantes en la estimación de microestructuras en aceros que van a ser tratados térmicamente. Se puede observar las variaciones microestructurales en función de la temperatura y el tiempo en la cual se realiza el enfriamiento de la pieza. En el caso de las soldaduras ocurren diferentes transformaciones que van desde la fundición y solidificación del charco hasta el tratamiento térmico en la zona adyacente a la línea de fusión. Aunque esta no se funde las altas temperaturas y la rapidez de enfriamiento pueden generar cambios microestructurales.

Veamos este ejemplo con dos aceros, el primero SAE 1080 y el segundo AISI 4340, la pregunta realizada es ¿Cual sería las posibles microestructuras de estos aceros en su zona afectada por el calor si la rapidez de enfriamiento es 150°F/s?

Fig. 1 Diagrama TTT Acero SAE 1080

Como pueden observar (Fig. 1) la linea roja muestra el lugar aproximado que representa la velocidad de enfriamiento de esta pieza. Se puede apreciar que toca la zona de transformación martensitica y tambien cruza la linea de transformación perlítica por lo que se puede estimar que la zona afectada por el calor tendrá martensita y perlita como microestructuras finales.

 

 Fig. 2 Diagrama TTT Acero AISI 4340 

En el caso del acero AISI 4340 (Fig. 2) la transfomación es mucho más compleja debido a que a esa rapidez de enfriamiento se atravieza varias zonas de transformación lo cual a su vez se reflejara en diferentes microestructuras que van desde la martensita, pasando por la bainita y ferrita mas perlita. De esta manera los diagramas TTT resultan muy valiosos a la hora de estimar posibles microestructuras en un material y deben ser consultados cuando se tiene conocimiento de la velocidad de enfriamiento de una pieza sea en un tratamiento térmico o durante operaciones de soldadura.

Diferencia entre Metal Puro y Solución Sólida

Un estudiante me preguntó ¿Cual era la diferencia entre un metal puro y una solución sólida porque el no las podía distinguir?

La respuesta a dicha pregunta es muy sencilla y la puedes ver en cualquier diagrama de fases. Primero, un metal puro tiene un punto de fusión definido mientras que una solución sólida no, la temperatura de fusión varía conforme se va agregando mas soluto a la solución. Segundo las soluciones sólidas se definen como átomos de soluto en la estructura del solvente. Veamos este ejemplo en el diagrama Cu-Zn (fig.1). Como dije los metales puros tienen sus temperaturas fijas definidas como el caso del cobre 1085 °C y el cinc 452 °C sin embargo, una vez que se forma una aleación entre estos metales (latón) la temperatura cambia. Para una aleación 20% Zn vemos que  funde aproximadamente a 1000°C si el porcentaje de cinc aumenta la temperatura de fusión de esta baja. Ese es un dato que debe siempre tenerse en cuenta para diferenciar a un metal puro de una aleación. Por otro lado a las aleaciones se les asigna letras griegas o como puede observase al metal se le coloca en paréntesis ( ), esto para diferenciarlo del metal puro de ahí que, (Cu) puede definirse como una aleación Cu-Zn o átomos de cinc en la estructura del cobre. Las soluciones sólidas pueden ser sustitucionales cuando un átomo sustituye a otro en la estructura cristalina o intersticial cuando este ocupa los espacios entre dos átomos y la ventaja de ellas es que mantienen las misma propiedades eléctricas y térmicas pero son mucho mas resistentes que los metales puros.   

Fig. 1 Diagrama Cu-Zn. Fuente: Metals handbook volumen 3 Diagramas de Fases y aleaciones

 

Metalografia longitudinal y transversal de cabilla acero

Fig. 1 Preparación metalográfica de cabilla de acero. 

Abajo izquierda campo transversal. Abajo derecha campo longitudinal

Fig. 2. Microestructura campo Transversal 100X

Fig. 3.  Microestructura campo Longitudinal 100X

La siguiente serie de fotografías muestra la microestructura de una cabilla de acero. En la figura 1 se puede apreciar la preparación metalográfica de ambos campos transversal y longitudinal y en las figuras 2 y 3 se observa como varía la microestructura conforme se selecciona el campo de observación. En la figura 3 se puede apreciar los granos deformados producto de la deformación durante el proceso de elaboración de la cabilla.

Rectivo Nital 3 %

Metalografía de mecha de acero para perforar madera

Imágenes editadas para realzar las partículas de segunda fase presentes en el material

(a)

(b) 

Imágenes originales (a) 100X y (b) 200X

La siguientes series de fotografías corresponden a una mecha de taladro de 3 mm de diametro utilizado en la perforación de madera. Los carburos en los aceros para herramientas dependerán del contenido de carbono y de la cantidad de elementos formadores de carburos ( Cr, Mo, V y W). Cuando la cementita esta presente en los aceros de baja aleación y al carbono; complejos tipos de carburo pueden encontrarse. La cementita es un tipo de carburo de la forma M3C  siendo este muy estable por debajo de 538°C. Un carburo de alto contenido de cromo de la forma M7C3 tambien se encuentra en aceros con medio a alto contenido de cromo. El M23C6 es un carburo rico en cromo de alta solubilidad en el hierro pero es menos resistente que otros carburos a base de Mo o W. La forma esférica y su marea de diseminarse en la matriz metálica le da al acero una resistencia mecánica elevada. Identificar correctamente estos carburo requieren de técnicas metalograficas mas específicas que un microscopio óptico.