Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
3
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Obtenga conocimientos generales de las bases generales de metalurgia y como influye el proceso de fabricación en la relación existente entre estructura, proceso y propiedades de los materiales utilizados en la fabricación de tubería y de los equipos estáticos.
Al finalizar el curso el participante: Estará en condiciones de identificar, clasificar y describir los diferentes micro constituyentes en los aceros . Tendrá conocimientos de las transformaciones micro estructurales asociada a los trat tr atamientos amientos térmicos. Tendrá capacidad de saber la normativa aplicada en la evaluación de las propiedades mecánicas. Conocerá el ámbito de la clasificación y normativa de los diferentes materiales utilizados en equipos e instalaciones. instalaciones. Podrá determinar y definir las pruebas realizadas en la evaluación de componentes soldados.
•
•
•
•
•
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
4
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Que el participante: 1.
Identifique las fases presentes en las aleaciones de hierro y acero.
2.
Reconozca las transformaciones metalúrgicas que se llevan a cabo en diferentes transformaciones, asociado al proceso de soldadura .
3.
Interprete la normatividad AISI/SAE, ASTM.
4.
Identifique la importancia de las propiedades mecánicas de los diferentes ensambles realizados mediante procesos de soldadura
5.
Interprete el rol del ingeniero en los procesos de manufactura Industrial y su impacto en las diferentes áreas relacionadas.
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5
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Todos los ingenieros interactúan directa o indirectamente de manera cotidiana con los materiales a su alrededor como en, manufactura, proceso, operación, mantenimiento, inspección, seguridad, calidad, etc. Y deben seleccionar y utilizar materiales adecuados para sus requerimientos específicos. Es por eso que la selección adecuada de un material para cierto componente debe cumplir con ciertas características inherentes del material como; • • • • • •
físicas químicas mecánicas eléctricas ópticas magnéticas
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
• • •
•
•
• •
•
•
¿Qué actividad realizara? ¿Qué material voy a utilizar? ¿Qué tipo de procesamiento se realizó para la obtención del material? ¿Qué propiedades mecánicas, físicas y químicas requiero del material? ¿Cómo corroborar cada propiedad que me otorga el material? ¿Qué tan costoso será? ¿Al cambiar el material por otro menos costoso, en que me afectara? ¿Al instalarlo, repararlo, soldarlo o procesarlo cambiaran sus propiedades, en que me pueden afectar? ¿Qué proceso de soldadura y electrodo deberé utilizar para no dañar la integridad?
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
1 nanómetro (nm) = 10 -9 m = 10-7 cm = 10 Å 1 angstrom (Å) = 0.1 nm = 10 -10 m = 10 -8 cm Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS
AMERICAN IRON AND STEEL INSTITUTE SOCIETY AUTOMOTIVE EGINEERING
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USA, ASTM, AISI, SAE, ASM. Canada, C.S.A. Germany, D.I.N. France, A.F.N.O.R. England, UK, B.S. American welding society Italy, U.N.I. Japan, J.I.S. 11
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Tabla de la clasificación, características y aplicaciones de los materiales
Acero Hierro
SiO2-Na2O-CaO Polietileno Nylon Silicio (Si) Germanio (Ge) Carburo de Tungsteno – Cobalto (WC-Co) Mezcla Gerencia de Desarrollo Tecnológico
Conductores, Conformables, Colables, Maquinables, Soldables; Alta resistencia mecánica al esfuerzo, impacto y dureza Alta dureza y tenacidad, Abrasivos, Transparentes, Aislantes térmicos, eléctricos y resistentes a altas temperaturas Fácil de formar películas delgadas, flexible, hermético, Aislante eléctrico
Monoblocks Fabricación de tubería Estructuras Herramientas Vidrio de ventana Porcelana Refractarios Empaque de alimentos Recipientes
Comportamiento eléctrico y aislante térmico
Transistores y circuitos integrados en celulares
Alta dureza, y resistencia la choque, mejora las propiedades de un material disímil entre si, ya que logra formar una unidad solida
Herramientas de corte y maquinado Construcción de casas, edificios y carpetas asfálticas 12
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Resistencia de los materiales
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
•
API X45, X70, X80…
PVC 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (concreto) • •
¿Qué es lo que se necesita para fabricar acero ? ¿Qué es lo que va a conducir, almacenar? ¿O será estructural? ¿Cuánto es el costo de cada uno de los materiales? ¿Cuáles son las propiedades que debe de tener el acero? Cómo controlar la fabricación del tubo para transportar hidrocarburos? O para transportar agua? Para estructural? Con costura, sin costura, qué proceso de soldadura, qué tipo de costura?... •
Microestructura ferrítica. Microestructura martensítica Microestructura bainitica… Refinamiento de grano,
• • • •
•
laminar…
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¿Que es la Ingeniería en Ciencia de Materiales? Composición • Constitución
química de un material.
Estructura • Arreglo
atómico.
Síntesis • Forma de fabricar los
materiales a partir de elementos naturales o sintéticos.
Procesamiento • Modo
en que se conforman los materiales en componentes útiles y puede causar cambios en sus propiedades.
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Método de Procesamiento
Cuando un lingote de aluminio vaciado, es laminado en hojas, el procesamiento de laminado modifica la estructura del metal e incrementa su resistencia.
Estructura
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Propiedades
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1008
1025
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1045
20
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• • • •
Iónico Covalente Metálico Van Der Waals
Protones(+) + Neutrones
Electrones
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Ar
Al
K
Al
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Valencia=+3
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Ar
L
M
1s2 2s2 2p63s2 3p6 Valencia=0
22
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Enlace Metálico
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Al
Al
1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Valencia=+3
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-
-
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•
- La AISI (American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of Automotive Engineers) se encargan de denominar a los aceros asignandoles de 4 o 5 digitos númericos.
•
- Los aceros se pueden clasificar en base a su composición química o bien su modo de procesamiento.
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lemania – - Deutsches Institut für Normung – Normas Españolas spaña – uropa – – European Norm – Norma Europea – American National Standards Institute stados Unidos – Instituto Nacional Estadounidense de Estándares rancia – - Normes Françaises – Normas Francesas nglaterra – – British Standards – Estándares Británicos – Organismo Nacional Italiano de Unificación – Normas Italianas talia – – Dirección General de Normas éxico – – Norma Oficial Mexicana éxico – – Norma Mexicana éxico – apón – – Japanese Industrial Standard – Estándar Industrial Japonés – Norma Portuguesa ortugal –
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Los gases no tienen un orden regular, a) Algunos materiales incluyendo el vapor de agua y el vidrio tienen un orden a corta distancia b) y c) Los metales y muchos otros sólidos tienen un orden definido de los átomos que se extiende por todo el material d). Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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El término significa un arreglo tridimensional de puntos concordantes con los centros de las posiciones atómicas. Celda Unitaria
Puntos reticulares o nodos
La es la menor subdivisión de una red que retiene las características generales de toda retícula Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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14 Redes de Bravías
7 Sistemas cristalinos
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Defectos en los arreglos atómicos
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a) vacancia b) átomo intersticial c) átomo sustitucional pequeño d) Átomo sustitucional grande
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Solución sólida substitucional Solución sólida intersticial
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Estructura cristalina de compuestos a) NaCl b) Fe3C o cementita, una fase presente en los aceros •
Si los átomos del metal de menor proporción en la aleación no pueden disolverse completamente, ya sea en forma intersticial o sustitucional, formarán un tipo de compuesto químico llamado
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Composición del mineral de hierro en el proceso HYL
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50
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Pellet (Mineral de hierro)
Aceros
Chatarra Hierro gris Alta calidad Horno de Arco Electrico+HO+CC Electrico+HO+CC
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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53
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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54
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Aceria
Convertidor al Oxigeno
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56
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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57
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Colada Contiua
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•
•
•
Es el procedimiento de formado de metales mediante prensado o martillado
Generalmente se realiza en caliente Es el más antiguo de los procesos para trabajar metales
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
La metalurgia de polvos es un proceso de producción de componentes usando metales en polvo como punto de partida en vez de metal líquido.
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
El acero puede ser tratado térmicamente para producir gran variedad de microestructuras y propiedades
Los tratamientos térmicos promueven las transformaciones de fases deseadas
El diagrama de fases en equilibrio Hierro-Carbono es el cimiento en el cual todos los tratamientos térmicos del acero se basan Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
El hierro es el elemento base de los aceros 1600
Es un elemento alotrópico
L
0.54
1400
L
0.16
L+
C°
1200
L+Fe3C
1146°
ar
4.3
2.11
ut ar e
1000
M A C
p m e T
+Fe3C
A 2
800
A1
Austenita
Perlita
727°
0.77
600
+Fe3C
A presión atmosférica puede presentar 3 formas cristalinas diferentes
400 0
1
2
hipoeutectoide hipereutectoide
ACEROS Gerencia de Desarrollo Tecnológico
3
4
5
6
C (% en peso) HIERROS 67
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
El hierro y el hierro presentan la estructura (Body Centered Cubic) Cúbica de cuerpo centrado. Parámetro de red: a = 2.86 Å (0.286 nm) Átomos en contacto a lo largo de la dirección <111> Factor de empaquetamiento atómico APF= 0.68
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68
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
El hierro presenta la estructura (Face Centered Cubic) Cubica centrada en las caras Cúbica Centrada en las caras. Parámetro de red: a = 3.56 Å (0.356 nm) Átomos en contacto a lo largo de las diagonales de las caras: <110> Factor de empaquetamiento atómico APF= 0.74
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Fases Sólidas * Solución sólida de Carbono en hierro delta. * Estructura BCC * Máxima solubilidad de carbono el ferrita d es 0.09% a 1495 °C
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*Solución sólida de Carbono en hierro gama. * Estructura bCC * El carbono es muy poco soluble en la matriz. 0.02 % a 727°C 0.008% a 25°C
70
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Fases Sólidas * Solución sólida de Carbono en hierro gamma. * Estructura FCC * La estructura FCC puede acomodar más carbono que la ferrita. - Un máximo de 2.11% a 1148°C (La diferencia en solubilidad de carbono entre ferrita a y austenita es la base de para el endurecimiento de los aceros mediante T.T.)
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•Compuesto (Carburo) Fe3C. •Estructura
cristalina ortorrómbica
•Es muy dura (68 HRC), pero frágil •
•
Sólo es coloreada por el picrato sódico en caliente Es magnética a temperatura ambiente y pierde su magnetismo a 218°C • Su composición
estequiométrica lo sitúa a 6.67% C – 93.33% Fe Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Forma alotrópica del carbono puro
Es un componente presente en el diagrama estable Fe-C (grafito), tal y como en los hierros grises. Formado por capas de carbono arregladas hexagonalmente, C enlazado muy fuertemente. Sin embargo el enlace entre capas es muy débil. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Microestructuras
0.05 %C (100x)
0.38 %C (200x)
AMPLIFICACIÓN 0.79 %C (200x)
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1.4 %C (400x)
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Se refiere a un región del espacio ocupada por un material físicamente homogéneo.
Existen tres tipos de equilibrio, estable, metaestable y inestable.
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Que su estructura cristalina se transforma con los cambios de presión y temperatura.
Consiste en una substancia ó grupo de substancias aisladas de sus alrededores. Ej. Fe-C, Ni-Cu, Al-Si
Es la representación grafica de los efectos de las variables de estado sobre el sistema. Estos diagramas pueden ser nombrados constitucionales, de equilibrio ó de fase. Pueden ser para 1 ó mas fases.
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REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
2
C
F
P
2
Constante (puede cambiar T y P)
C
Número de componentes en el sistema (químicamente diferentes).
F
Grados de libertad ó número de variables (P, T ó composición)
P
Cantidad presente de fases en el punto de análisis
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80
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Fracción
Fracción
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
C C : C C L
0
L
C C L : C C 0
L
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83
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Liquidus 99.5
59.9 49 40 30
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
0.3
28.6
56 68 60.1
81
74
Solidus
84
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86
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Diagrama de fases Fe-C 1600
L
L Líquido Delta ferrita Austenita Ferrita Fe3C Cementita
0.54
1400
L
0.16
L+
C°
1200
ar
L+Fe3C
1146°
4.3
2.11
ut ar
1000
e
M
A C
p m e T
+Fe3C
A 2
800
Austenita
A1
Perlita
727°
0.77
600
+Fe3C
400 0
1
2
hipoeutectoide hipereutectoide
ACEROS
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
3
4
5
6
C (% en peso) HIERROS
87
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático Peritéctico
1600
L
0.53
L
0.16
1400
Eutéctico
L+Fe3C
L+ 1200
C°
1153°
2.0
ar
4.2
Eutéctoide
1000
ut
+Fe3C
M
ar e p
A 3
800
m
A C
740°
A1
e T
600 0.77
+Fe3C
400 Perlita +
L Líquido Delta ferrita Austenita Ferrita Fe3C Cementita
Perlita( +Fe3C)
Perlita + Fe3C
200 0
1
2
3
4
5
6
C (% en peso) Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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La soldabilidad de los aceros disminuye con el incremento del contenido de C 0.15 - 0.3 % de C Por encima del 0.3 % de C
Fácilmente soldables Mas difícil soldarlos y pueden requerir:
Los elementos de aleación como Cr, Mo y Ni disminuyen la soldabilidad de los aceros por lo cual es posible que se requiera:
Pre calentamiento Control de la temperatura entre paso y paso Tratamiento térmico post soldadura
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Gerencia de Desarrollo Tecnológico
1 in
2 in
3 in
40 °C
90°C
150°C
90°C
150°C
200°C
96
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
HSLA (High Strength Low Alloy) De forma general presentan alto esfuerzo de cedencia (40-80 ksi) Mn por encima del 1.5 %, Si por encima del 0.7%, y pequeñas adiciones de V, Nb, Ti y contienen menos del 0.2% de C. Tenacidad
Disminución del tamaño de grano
Ti, Nb, V formadores de Carburos y Nitruros Resitencia
Reforzamiento de la matriz
Su soldabilidad parecida a la de acero medio carbono. Condición de rolado ó bien normalizado. El material de aporte se selecciona en función a las propiedades del material base Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Espesor Acero
1 in
2 in
3 in
Comunes
10°C
50°C
100°C
A572 Grado 60
60°C
110°C
160°C
4130
250°C
300°C
Grado 1330 572
60
C
Mn
0.27-0.34 1.5-1.9 0.26 1.35 0.27-0.34 0.35-0.6
P
S
Si
0.15-0.3 0.04 0.05 0.40(d) 0.15-0.3
V
(e) Cr 0.8-1.15
Nb
(e) Mo 0.15-0.25
Otros
(e)
4130 (e) type 1, 0.005−0.05% Nb; for type 2, 0.01−0.15% V; for type 3, 0.05% Nb max + V = (0.02−0.15%); for type 4, N (with V) 0.015% max. (
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Ecuación empleada para estimar el (CE)
CE= %C + %Mn + %Si + %Cr + %Mo + %Ni +%Cu 6 5 15
CE >0.40
Pre calentamiento de 200 400 º F (93 204 ºC) –
–
Empleo de electrodos bajo hidrógeno CE >0.60
Precalentamiento 400 700 º F (204 - 370 ºC) –
Empleo de electrodos bajo hidrógeno Existen una gran variedad de relaciones para estimar el carbono equivalente las cuales estan en función de los elementos aleantes.
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Factores que modifican las propiedades del HAZ:
Precalentamiento Calor de Entrada
El calor de entrada es la cantidad de energia suministrada por la soldadura de arco para calentar el material base.
Calor de entrada, Joules/in = Corriente (A) x Voltaje (V) x 60 Velocidad de soldadura, in/min
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100
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Gerencia de Desarrollo Tecnológico
101
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
102
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Es necesrio remover los esfuerzos residuales, por lo que se sugiere aplicar un tratamiento termico post soldadura nombrado
. En función al codigo existen tres formas de relevar los esfuerzos:
1) Tratamiento térmico 2) Peening (martillazos) 3) Relevados de esfuerzos por vibración Gerencia de Desarrollo Tecnológico
103
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
El calentamiento de la pieza sea uniforme
Que la temperatura a la cual se lleva el calentamiento sea por debajo de la tempertaura de transformación
Que se tenga el periodo de mantenimient o adecuado
Que el enfriamiento sea llevado lentamente a tempertura ambiente
La resitencia disminuye debido a la disminución de los esfuerzos residuales. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
104
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Disminuye la distorción generada por la soldadura por medio de energia mecánica.
Regularmente se aplica cuando aun el metal esta caliente.
Solo
se
aplica
en
pasos
intermedios de la soldadura .
Este procedimiento no se debe hacer ni en la raiz ni al final de la soldadura.
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Proporciona energia mediante vibración
Evita la acumulación de esfuerzos durante la soldadura
Elimina las tensiones después de la soldadura
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106
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Precalentamiento Una técnica con la cual se puede evitar el uso de un tratamiento térmico post soldadura es el precalentamiento.
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107
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Recocido en horno
Normalizado
Temple en aceite
Temple en agua
(-)
Temple en salmuera
(+)
Instantáneo (Temple)
Martensita
Moderado
Ferrita y perlita
Rápido
Bainita
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108
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Análisis Metalográfico (Soldadura) Acero 439. Acercamiento a la línea central de soldadura Mapeo a 50X de la soldadura sección transversal
Acercamientos a la soldadura
100X Gerencia de Desarrollo Tecnológico
200X 109
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Epitaxial Gerencia de Desarrollo Tecnológico
110
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
111
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
112
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático Baja velocidad de soldadura Alta velocidad de soldadura Alto calor de entrada Bajo calor de entrada
Ductilidad Resistencia Tenacidad Disminución en la susceptibilidad al agrietamiento durante la solidificación En aleaciones de aluminio la presencia de granos columnares en la línea central de fusión disminuyen en un 99.9 % la ductilidad. Y se ve notoriamente mejorada al tener la presencia de granos de tipo equiaxial. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
113
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
114
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
115
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
•
•
• • • • •
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116
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117
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120
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124
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
125
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Si un acero con eutectoide, con estructura Perlítica o Bainítica (a + Fe3C) es calentado a una temperatura relativamente alta, pero debajo de la temperatura de transformación eutectoide y dejado ahí por un tiempo largo... Ej. 700°C por 200 h. Se obtendrá otra estructura llamada Esferoidita
Acero eutectoide, 1000 x Partículas: Fe3C. Matríz: Ferrita a
Fuerza motríz para esta transformación: Minimizar la energía libre al disminuir la Interfase a /Fe3C.
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126
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127
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El
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128
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129
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130
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131
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132
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93
204
315
426
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537
648 °C
133
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134 A.J. Saldívar-García
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135
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136
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1000
900 M
C°
800
ar
A C
A 3
ut
0.77
ar
A1
e
Esferoidización
p
700
m e T
Proceso de recocido y recristalización
600
Relevado de esfuerzos
500
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
C (% en peso)
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137
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a) Microestructura de un acero con 0.03% C rolado en frio al 60 %.
b) Microestructura de acero con 0.03% recristalizado a un atemperatura de 538°C por 2 h.
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138
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•
•
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139
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140
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141 A.J. Saldívar-García
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143
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•
•
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144
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
En la figura XXX se muestra la relación entre a) el diagrama de fases Fe-C, b) Diagrama TTT para la composición en el eutectoide y c) Diagrama TTT para un acero con 0.5 %C. Las regiones indicadas como N, FA y S corresponden a los rangos de temperatura donde se aplica los tratamientos térmicos de normalizado, recocido completo y el esferoidizado respectivamente Gerencia de Desarrollo Tecnológico
145
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146
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Fe-C 5% Cr
Fe-C No aleado
t o t a l e s
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Fe-C 13% Cr Elementos De Aleación En El Acero.
147
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148
Enfriamiento Diplomado en Mantenimiento a).de Equipo Estático rápido a 350°C, mantenimiento por 104 s, y temple hasta temperatura ambiente.
Diagramas de transformación Isotérmica
Diagrama TTT, para un acero Eutectoide donde se muestran tres diferentes tratamientos isotérmicos: Temp. Austenitización para los tres: 770°C.
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b).- Enfriamiento rápido a 250°C, mantenimiento por 100 s, y temple hasta temperatura ambiente.
c).- Enfriamiento rápido a 650°C, mantenimiento por 20 s, otro efriamiento rápido hasta 400°C, mantenimiento durante 103 s y temple final hasta temperatura ambiente. 149
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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150
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Desde hace cientos de años y hasta nuestros días se tiene conocimiento de diferentes tipos de metales alrededor del mundo. La diferencia no radica solamente en la diferencia de composición química si no también en la manera mediante la cual son manufacturados. Por lo que para su aplicación es necesario tener conocimiento de la relación que existe entre sus propiedades químicas y mecánicas .
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151
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Esfuerzo
Ductilidad
Tenacidad
Fatiga
Dureza
Propiedades Mecánicas de los Materiales
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152
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Esfuerzo Es la propiedad o habilidad de un material a soportar una carga aplicada, y esta directamente relacionada con la tensión y deformación, los cuales se realizan mediante una prueba de laboratorio llamada Esfuerzo de Tensión.
Máquinas Universales TINIUS OLSEN de 30 y 100 Toneladas respectivamente.
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Christian Galindo JUNIO | 2015153
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Conceptos Tensión. Fuerza aplicada por una unidad de área.
Deformación. Es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo.
Secuencia de un esfuerzo de tensión aplicando los conceptos aledaños
Ductilidad. Propiedad de los materiales a deformarse plásticamente antes de colapsar.
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Christian Galindo JUNIO | 2015154
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Prueba de Tensión La prueba de tensión provee información sobre el esfuerzo de cedencia, fluencia y ductilidad de los materiales sometidos a un esfuerzo de tensión uniaxial, esta información puede ser utilizada para conocer datos técnicos específicos del material, para la comparación de materiales, desarrollo de aleaciones, control de calidad y diseño bajo ciertas circunstancias. El objetivo de esta prueba es determinar la cedencia al 0.2% de deformación, llegar a la rotura y determina la fuerza de tracción, alargamiento y reducción de área en el material.
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Material y Equipo Utilizado
Extensómetro
Pieza de acero bajo carbono soldada para extraer diversas probetas
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Longitud Calibrada
Christian Galindo JUNIO | 2015156
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Probetas Utilizadas Plana
Redonda
Probeta Redonda
Longitud
Ø Nominal
Calibrada
(mm)
50,80mm
Ø (mm)
Probeta Plana
Longitud
Ancho
Calibrada
Nominal (mm)
12,95
50,80mm
8,71
9,07
6,22
6,48
Min
Max
12,70
12,45
35,56mm
8,89
25,40mm
6,35
Ancho (mm)
Min
Max
12,70
12,45
12,95
No Existe
No Existe
No Existe
No Existe
25,40mm
6,35
6,22
6,48
Probetas de tensiones redondas y planas
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Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Cálculos para obtener elongación y reacción de área
Elongación
Reducción de área
ℰ
A
− = 100
=
− 100
Calcular. Una probeta de longitud calibrada 50.80mm, tubo una alargamiento de 68.41mm con una reducción de área final de 4.53mm de diámetro. Calcular: a) Identificar de que tipo de probeta se trata b) Porcentaje de elongación c) Reducción de área d) Las presentadas en clase
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Christian Galindo JUNIO | 2015158
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Diagrama Esfuerzo - Deformación
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015159
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
VALORES REGISTRADOS
PRUEBA
API 5L X52 Ø mm
Long.
Área
mm
mm2
Inicio
Inicial
Inicial
Final
Final
Final
12.84
50.80
129.49
TENSIÓN
Carga
Carga
Max.
Fluencia
Kgf
Kgf
7520 5.61
65.06
Esfuerzo
Esfuerzo
Max.
Fluencia
Alarg.
de
MPa
MPa
%
Área
PSI
PSI
570
505
82599
73824
Esfuerzo
Esfuerzo
Max.
Fluencia
Alarg.
de
MPa
MPa
%
Área
PSI
PSI
491
420
71181
60918
6670
24.72
Red
%
28
81
Comparación de dos aceros VALORES REGISTRADOS
PRUEBA
ASTM A139 Gr. B C/C Ø mm
Long. mm
Área mm2
Inicio
Inicial
Inicial
Final
Final
Final
12.81
50.80
128.88
TENSIÓN
Carga
Carga
Max.
Fluencia
Kgf
Kgf
6450 6.74
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63.82
35.67
5520
Red
%
26
72
160
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161
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Problema Calcular. a) Esfuerzo Máximo b) Esfuerzo de Cadencia al 0.2% c) Ambos esfuerzos anteriores convertiros en unidades de (MPA) y (PSI) d) Porcentaje de alargamiento e) Porcentaje de reducción de área f) Delimitar cada área que se presenta en la figura. (3) g) Representar con un color la fluencia h) Hacer una representación de como se seria la cuerva de esfuerzo deformación de los siguientes materiales: acero al carbono, aluminio, polímeros, cerámicos y materiales compuestos. i) ¿El esfuerzo de ruptura del material es mayor, menor o igual al esfuerzo máximo de tensión? –
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015162
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Dureza Es la propiedad de oposición de los materiales a ser rayado o penetrado por otro material.
Durómetros de metodología Rockwell y Brinell
Microdurómetro de metodología Vickers y Knoop
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015163
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Metodología
Identador
Aplicación
Forma
Bola Tungsteno 5mm Brinell
Materiales blandos
(HB) Bola Tungsteno 10mm
Indentadores
Cono punta de Rockwell
Diamante
Materiales duros y
(HRX)
Bola de
blandos
Dureza Brinell
Tungsteno
Vickers
Cono punta de
Materiales ferrosos
(HV)
Diamante
tratados térmicamente
Knoop
Rombo punta de
(HK)
Diamante
Donde: P= Carga aplicada D= Diámetro del
indentador d= Diámetro de la huella
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Materiales ferrosos tratados térmicamente y recubrimientos
164
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165
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Piezas
Perfil de dureza HV a metal base, ZAC y soldadura
Dureza HV a espécimen de alambre
Dureza HB con indentador de WC 10mm
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015166
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Tenacidad Es la propiedad de los materiales absorber energía o capacidad de oponerse a ser quebrado. Este método de prueba es para determinar el comportamiento del material sometido a una carga de choque. Este ensayo puede realizarse con diferentes magnitudes de temperatura con esto podemos evaluar la influencia de la temperatura sobre el material, además de evaluar el tipo de fractura obtenida por el espécimen.
“Propiedades Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015167
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Material y Equipo Utilizado
Ranuradora
“Propiedades Mecánicas Mecánicas de los Materiales”
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Equipo Criogénico
Christian Galindo JUNIO | 2015168
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Especímenes
Energia Absorbida 250
200
s e l u o J
150
100
50
0
Metal Base
Z AC
Soldadura
API
130
209
122
ASTM
126
171
132
“Propiedades Mecánicas Mecánicas de los Materiales”
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Christian Galindo JUNIO | 2015169
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Resultados
Energía absorbida (ft-pounds)
Corte (%)
Expensión lateral (mils)
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170
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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171
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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172
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Fatiga Es el sometimiento de un material a cargas cíclicas de alto y bajo esfuerzo el cual ocasiona en un lapso de tiempo determinado la formación de microgrietas hasta lograr su ruptura.
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173
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Inicio del agrietamiento Las grietas se originan por lo regular sobre la superficie en un punto donde existen concentraciones de tensión o esfuerzos. Las cargas cíclicas pueden producir discontinuidades superficiales microscópicas a partir de escalones producidos por deslizamiento de dislocaciones, los cuales actuarán como concentradores de la tensión y, por tanto, como lugares de nucleación de grietas.
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Christian Galindo JUNIO | 2015174
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Propagación •
Etapa I •
Etapa II
•
Una vez nucleada una grieta, se propaga muy lentamente, a lo largo de planos cristalográficos de tensión de cizalladura alta.
La velocidad de extensión de la grieta aumenta cuando esta deja de crecer en el eje del esfuerzo aplicado para comenzar a crecer en dirección perpendicular al esfuerzo aplicado. La grieta crece por un proceso de agudizamiento de la punta a causa de los ciclos de tensión.
Colapso
Etapa III
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175
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Nick Break
Esta prueba es exclusiva para la industria de tuberia y es descrita por la API 1104.
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176
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Fillet Weld Break Test
En esta solo se requiere la calificación del evaluador de acuerdo a la Norma AWS D1.1
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177
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Metalografia Puede ser clasificada como macroscopica (10 x or lower) o microscopica (mayor a 10 x). De forma macroscopica se puede determinar: Profundidad de fusión Profundidad de penetración Sanidad de la soldadura Grado de fusión Presencia de discontinuidades en la soldadura Configuración de la soldadura Número de pasos en la soldadura Etc. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
178
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Microcoscopica: Constituyentes
en
la
microestructura Inclusiones Defectos microscopicos Naturaleza de la grieta Etc
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179
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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180
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
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181
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es una aleación de hierro que contiene entre 0.02 y 2.11% de carbono en peso. Frecuentemente incluye otros elementos aleantes como Mn, Ni y Mo, pero el contenido de C es el que convierte el hierro en acero.
Clasificación de los aceros
Aceros al carbono Aceros inoxidables Aceros aleados Aceros de herramienta
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182
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Aceros al carbono
Contienen carbono como principal elemento de aleación, con solo pequeñas cantidades de otros elementos (0.5% de Mn es normal).
Representan el 85% del total de la producción del acero.
Su resistencia se incrementa con el contenido de carbono.
Máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo.
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183
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
1. Aceros al bajo carbono o aceros suaves.
Contenidos de carbono entre 0.07 y 0.25%
Los más usados.
Relativamente fáciles de formar.
Se utilizan donde no se requiere una alta resistencia.
Aplicaciones en partes de lámina metálica para automóviles, rieles de ferrocarril, entre otros.
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184
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
2. Aceros al medio carbono.
Contenidos de carbono entre 0.25 y 0.55%
Se emplean en donde se requiera resistencia mayor a los anteriores.
Se aplican para componentes de maquinaria y partes de motores, como cigüeñales y acoplamientos.
Usualmente sujetos a tratamientos térmicos, incluyendo aceros para forjado y aceros resistentes al desgaste.
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185
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
3. Aceros al alto carbono.
Contenidos de carbono entre 0.55 y 0.9%
Se emplean en donde se requiera de alta resistencia, rigidez y dureza.
Se aplican para fabricación de resortes, herramientas de corte y cuchillas y partes de resistencia al desgaste.
Pueden tratarse térmicamente para formar martensita, lo cual le da mayor dureza y resistencia.
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Aceros de baja aleación
Contienen uno o más elementos de aleación distintos del hierro y el carbono que se agregan con el propósito de asegurar propiedades que no se obtienen mediante aceros al carbono.
Algunos efectos buscados con los elementos de aleación son: Mayor resistencia y dureza.
Mayor resistencia a los impactos.
Aumento en la resistencia al desgaste.
Aumento en la resistencia a la corrosión.
Mejoramiento de la maquinabilidad.
Dureza al rojo (dureza a altas temperaturas).
Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (penetración de temple).
Elementos aleantes totalizan menos del 5% en peso aproximadamente.
Propiedades mecánicas superiores a los aceros al carbono.
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187
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Por lo general se requiere de un tratamiento térmico para lograr el mejoramiento de estas propiedades.
Elementos que se añaden a la aleación son el Cr, Mn, Mo, V, Al, Si, Ti, W, B y Cu.
Estos elementos aleantes forman soluciones sólidas con el hierro y compuestos metálicos con el carbono (carburos).
Los aceros de baja aleación no se pueden soldar fácilmente, en especial a niveles de medio y alto carbono.
Aceros baja aleación alta resistencia (HSLA); bajo contenido de carbono (0.10-0.30% C y pequeñas cantidades de aleación, 3% en total).
HSLA se laminan en caliente, mayor resistencia que los al carbono, buena formabilidad o soldabilidad. No se trata térmicamente por bajo contenido de carbono.
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188
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Efectos de elementos aleantes.
Cromo.- mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Incrementa la templabilidad y resistencia a la corrosión.
Manganeso.- mejora la resistencia y dureza. Al tratarse térmicamente, mejora la templabilidad y forma carburos para resistencia al desgaste. Actúa como desoxidante y neutraliza los efectos nocivos del azufre. Facilita la laminación y moldeo.
Molibdeno.- aumenta la tenacidad, dureza en caliente y resistencia. Forma carburos para resistencia al desgaste.
Níquel.- mejora la resistencia y tenacidad. Incrementa la templabilidad, pero no tanto como los otros elementos de aleación. Mejora la resistencia a la corrosión y es característico de aceros inoxidables.
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189
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Vanadio.- inhibe el crecimiento del grano durante el procesamiento a temperaturas elevadas y T.T., lo cual mejora la resistencia a los impactos, fatiga y tenacidad
Aluminio.- se emplea en pequeñas cantidades actuando como desoxidante y produce un acero de grano fino.
Boro.- aumenta la templabilidad del acero.
Cobre.- mejora la resistencia a la corrosión.
Silicio.- se utiliza como desoxidante y endurecedor.
Titanio.- actúa como desoxidante e inhibe el crecimiento granular. Aumenta la resistencia a altas temperaturas.
Tungsteno.- aporta gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas, por lo que se utiliza en la producción de acero para herramientas.
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190
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191
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Aceros inoxidables
Son altamente aleados y diseñados para suministrar una alta resistencia a la corrosión.
Principal elemento de aleación el Cr (aproximadamente 1.5%). Este forma una película delgada impermeable al óxido que protege la superficie.
También se utiliza grandes porcentajes de Ni para proteger contra corrosión.
Resistencia y ductilidad.
Difíciles de trabajar en manufactura.
Costo elevado.
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Clasificación de los aceros inoxidables.
Se dividen en tres grupos dependiendo de la fase predominante en la aleación a temperatura ambiente:
• • •
•
•
18%Cr y 8%Ni. Son los más resistentes a la corrosión. No son magnéticos y muy dúctiles, pero muestran endurecimiento por trabajo. No aumenta región austenítica en el diagrama de fase Fe-C, haciéndola estable a temperatura ambiente. Se usan para fabricar equipos de procesos químicos y alimenticios, así como partes de maquinaria que requieren alta resistencia a la corrosión.
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193
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Clasificación de los aceros inoxidables.
•
15 al 20% de Cromo bajo C.
•
Fase ferrita a temperatura ambiente.
•
Son magnéticos, menos dúctiles y menor resistencia a la corrosión que los anteriores.
•
Utilizados
para
utensilios
de
la
fabricación cocina
de
hasta
componentes de motores propulsión a chorro.
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194
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Clasificación de los aceros inoxidables.
•
Hasta 18%Cr y alto contenido de C.
•
El contenido de C fortalece mediante tratamiento térmico.
•
Son fuertes y resistentes a la fatiga.
•
No son tan resistentes a la corrosión como los anteriores.
•
Aplicados para cubrir cubertería o instrumentos quirúrgicos.
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Clasificación de los aceros inoxidables.
•
Contiene
17%Cr
y
7%Ni
con
pequeñas
cantidades adicionales de Al, Cu, Ti y Mo. •
Pueden ser fortalecidos por proceso de endurecimiento por precipitación.
•
Resistencia a la corrosión y al esfuerzo se mantienen a temperaturas elevadas, por tal motivo
se
utilizan
en
aplicaciones
aeroespaciales.
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196
Diplomado en Mantenimiento de Equipo Estático
Clasificación de los aceros inoxidables.
•
Estructura
mezclada
de
ferrita
y
austenita en cantidades aproximadamente iguales. •
Resistencia a la corrosión similar a los austeníticos.
•
Muestran
resistencia
mejorada
al
agrietamiento por corrosión debido al esfuerzo. •
Se aplican en intercambiadores de calor, bombas y plantas de tratamiento de aguas negras.
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197
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Aceros de herramienta
Son aceros de alta aleación.
Aplicación en herramientas industriales de corte, dados y moldes.
Alta resistencia, dureza, resistencia al desgaste y tenacidad al impacto (por medio de T.T.)
Razones de altos niveles de aleación. Templabilidad mejorada Reducción de la distorsión durante T.T. Dureza en caliente. Formación de carburos metálicos duros para resistencia a la abrasión. Tenacidad mejorada. • • • • •
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198
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Al • •
Desoxidante Refinador de grano
B •
Aumenta templabilidad
Cr •
•
Cu •
Resistencia a la corrosión
Mn •
•
•
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Desoxidante, neutraliza efecto de S Facilita laminación, moldeo. Penetración al temple.
Aumenta profundidad de endurecimiento Mejora resistencia al desgaste y corrosión
Mo •
•
•
Aumenta penetración al temple Mejora propiedades de TT Incrementa dureza y resistencia
199
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Ni •
•
Incrementa propiedades de TT. Con Cr incrementa dureza y resistencia al desgaste
Si • •
•
Desoxidante Inhibe crecimiento granular
W •
•
•
Gerencia de Desarrollo Tecnológico
•
•
Ti •
Desoxidante Endurecedor del acero
S
Aumenta resistencia al desgaste Incrementa dureza a elevada temp. Aceros grado herramienta
Impureza y se tienen bajos contenidos 0.6-0.30% incrementa maquinabilidad
V •
•
•
Incrementa dureza Mejora resistencia al impacto y fatiga Inhibe crecimiento de grano
200
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El método más popular para especificar un metal es por medio del número de la American Society for Testing and Materials (ASTM), la cual publica cada 2 años un libro de normas, que consiste por lo menos en 33 partes. Siete partes especifican los metales: Parte 1: Tubería de acero, tubo y piezas de unión. Parte 2: Fundiciones ferrosas-ferroaleaciones. Parte 3: Láminas de acero, tiras, barras, varillas, alambres, etc. Parte 4: Acero estructural, planchas de acero, rieles de acero, ruedas. Parte 5: Cobre y aleaciones de cobre. Parte 6: Metales de fundición a troquel, metales ligeros y aleaciones. Parte 7: Metales no ferrosos y aleaciones, etc. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
201
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202
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La clasificación de los aceros de acuerdo a estas normas internacionales se describe a continuación: DESIGNACIONES NUMERICAS: (Serie 10XX) Grados de acero carbono básicos de horno abierto y de ácido Bessemer, no azufrado ni fosforizado. (Serie 11XX) Grados de acero carbono básicos de horno abierto y de ácido Bessemer, azufrado pero no fosforizado. (Serie 1300) Magnesio de 1.60 a 1.90% (Serie 23XX) Níquel 3.50% (Serie 25XX) Níquel 5.0% (Serie 31XX) Níquel 1.25% - Cromo .60% (Serie 33XX) Níquel 3.50% - Cromo 1.60% (Serie 40XX) Molibdeno (Serie 41XX) Cromo – molibdeno (Serie 43XX) Níquel – cromo – molibdeno (Serie 46XX)
Níquel 1.65% - molibdeno 0.25%
(Serie 48XX) Níquel 3.25% - molibdeno 0.25% (Serie 51XX)
Cromo
(Serie 52XX) Cromo y carbono alto (Serie 61XX)
Cromo – vanadio
(Serie 86XX) Cromo – níquel – molibdeno (Serie 87XX) Cromo (Serie 93XX) Níquel 3.0% - cromo – molibdeno (Serie 94XX) Níquel – cromo – molibdeno (Serie 98XX) Gerencia de Desarrollo Tecnológico
– níquel –
molibdeno (Serie 92XX) Silicio 2% - cromo
Níquel – cromo – molibdeno (Serie 97XX) Níquel – cromo – molibdeno 203
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204
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205
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Grietas
Generalmente se asocian con discontinuidades en soldaduras y metales base con muescas, con altos esfuerzos residuales, y a menudo con la fragilización por hidrógeno.
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206
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Penetración incompleta de la unión
Resulta cuando el metal de soldadura no se extiende completamente a través del espesor de la junta. Depende de la accesibilidad de la
fuente de calor y la varilla de aporte a la zona de la cara, también puede resultar de diseños
impropios de las juntas. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Socavado Es una discontinuidad superficial que resulta de
la fusión del metal base, ya sea en la punta de soldadura o raíz de la soldadura. Toma la forma de una muesca mecánica en estos lugares.
La socavación es causada por la aplicación de calor excesivo (corriente de soldadura excesiva) o manipulación inapropiada del electrodo, y la
excesiva velocidad de desplazamiento. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Falta de relleno Es una depresión en la superficie de la cara o de la raíz de la soldadura por debajo del plano de la superficie del metal base adyacente. Es falla del soldador o de la soldadura en la tubería.
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Traslape Es la protuberancia del metal de soldadura por delante del pie o la raíz de la unión sin fusión. Esta discontinuidad es similar a la fusión incompleta
la diferencia es la
–
ubicación en la que la fusión no tuvo lugar, el metal de soldadura excesivo se
conoce
como
refuerzo
de
soldadura excesiva. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Convexidad Esta discontinuidad particular de la soldadura sólo se aplica en las soldaduras de filete. Es la máxima distancia desde la cara del filete convexa perpendicular a una línea que une el pie de soldadura. Ocurre cuando la velocidad de avance es demasiado lenta o cuando el electrodo es manipulado incorrectamente.
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Refuerzo de soldadura Describe una condición que sólo puede estar presente en una soldadura de ranura.
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Golpe de arco Causado por el arco de soldadura o un inapropiado trabajo de
conexión segura durante la soldadura.
El resultado es una pequeña, refundida área que puede ser fuente de socavación, endurecimiento o grietas localizadas, dependiendo de la composición del metal. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Salpicaduras Partículas de metal expelidas durante
la fusión de la soldadura que no forman parte de la soldadura. Glóbulos
grandes
de
salpicaduras
pueden tener suficiente calor para causar una zona afectada por calor
(ZAC) localizada en la superficie del metal base similar al efecto de un golpe de arco. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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Laminación y delaminación Son
planas,
generalmente
alargadas,
discontinuidades planas del metal base se
encuentran cerca del centro de los productos laminados. Costuras y pliegues Difieren de la laminación en que siempre aparecen
en
las
superficies
laminadas.
Soldaduras sobre costuras y pliegues pueden
causar grietas. Gerencia de Desarrollo Tecnológico
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