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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A2a Materiales: Mecánica de la fractura
“EVALUACIÓN DE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DEL ACERO
SAE/AISI 1045 SOLDADO POR ARCO MANUAL CON ELECTRODO
REVESTIDO (SMAW)”
Terán Guillén Jorgea, Alcantara Caballero Magno
b, Arroyo Olvera Maura
a, Del Valle Moreno
Angélicaa, Lomelí González María Guadalupe
a.
aInstituto Mexicano del Transporte
Km 12+000, Carretera Estatal No. 431 “El Colorado-Galindo” Parque Tecnológico San Fandila, Pedro Escobedo Qro. México
Teléfono: (442) 2-16-97-77. Fax: (442) 2-16-96-71. bConsultor Metalúrgico
Petrel 13. Col Las Alamedas Atizapán de Zaragoza, Estado de México. CP 52970 México
[email protected], [email protected] [email protected], [email protected], [email protected]
R E S U M E N
El anclaje de un tirante de un puente atirantado falló y para sustituirlo, se hizo previamente, mediante un procedimiento, un
cupón de soldadura entre un acero AISI/SAE 1045 y un acero ASTM A 572. Se hicieron probetas para análisis
metalográfico, tensión e impacto; las probetas se obtuvieron tanto del cordón de soldadura como del metal base 1045 y de
su zona afectada por el calor. Con base en los resultados de los ensayos de tensión e impacto se realizó un análisis de
sensibilidad mediante los diagramas de evaluación de falla. Se concluye de las pruebas de tensión uniaxial, que no existe un
efecto del factor de disimilitud; mientras que de las pruebas del impacto, se observó que la zona de soldadura absorbió
mayor energía que la zona afectada por el calor en el acero 1045. Los diagramas de evaluación de falla indican que el
material sustituido trabajará de forma segura en las condiciones normales de operación del puente. Sin embargo, la
magnitud obtenida para el valor crítico mínimo de tenacidad a la fractura, sugiere que el acero tiende a comportarse de
forma frágil, por lo que durante el proceso de soldadura se deberán tomar las precauciones necesarias para evitar la
formación de una microestructura frágil en la zona afectada por el calor. Palabras Clave Cupón de Soldadura, Ensayos Charpy, Tenacidad a la Fractura, Diagramas de Evaluación de Falla.
A B S T R A C T
The anchorage of a cable-stayed bridge failed and in order to replace it, a weld’s coupon was first made between AISI/SAE
1045 steel and ASTM A 572 steel based upon welding procedure specifications. Sample specimens were made for
metallographic analysis as well as for both tension and impact tests. The specimens were obtained from weld bead, base
metal 1045 and its zone affected by heat. Based upon tension and impact test’s outcomes, a sensitivity analysis using failure
assessment diagrams was performed. It was concluded from uniaxial tension tests that no effect of dissimilarity factor exists
at all; meanwhile from impact tests, it was observed that weld bead zone absorbed more energy than zone affected by heat in
1045 steel. Failure assessment diagrams indicate that replaced material will perform safely under normal bridge´s operating
conditions. However, magnitude obtained for the minimum critical value of fracture toughness suggests that steel tends to
behave in a brittle way. Therefore, during welding process caution must be taken in order to avoid the creation of a brittle
microstructure in the heat affected zone.
Keywords: Welded Metal Coupon, Charpy Test, Facture Toughness, Failure Assessment Diagram.
1. Introducción
Durante el servicio el anclaje de tirante de un puente
atirantado falló, el análisis de falla demostró que fue un
mal procedimiento de soldadura. Para la sustitución de
ese componente se seleccionó el acero SAE/AISI 1045
por lo que fue necesario desarrollar el procedimiento de
soldadura (WPS, por sus siglas en inglés) y su
calificación (PQR, por sus siglas en inglés)
El WPS es una herramienta ingenieril que permite
garantizar la calidad y confiabilidad de la soldadura
realizada en un componente y, asimismo, calificar a los
soldadores. Básicamente, el WPS se aplica a un cupón
de prueba donde después se obtienen probetas que van
ser evaluadas mediante los ensayos mecánicos. Los
resultados de los ensayos se controlan como un registro
de calificación del procedimiento de soldadura. Los
ensayos mecánicos que se realizan son: ensayos de
tracción, tanto en el metal base como en la soldadura;
ensayos de doblez, ensayos de impacto en soldadura; así
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como, obtener probetas donde la entalla se encuentra a
un milímetro de distancia de la línea de fusión para
evaluar por impacto la zona afectada por el calor (ZAC)
[1,2,3].
Los ensayos de impacto se utilizan para evaluar el
comportamiento frágil-dúctil de los metales mediante
las curvas de transición, donde se determina el efecto de
la temperatura y cargas aplicadas de forma rápida. En
este tipo de curvas existen cinco tipos de criterios donde
la selección de uno de ellos depende del tipo de análisis
a realizar. Un criterio común, que se utiliza con base en
un bajo valor arbitrario de energía absorbida, es la
denominada temperatura de transición dúctil (CV) [4].
Esto significa que la fractura frágil no iniciará si la CV
es igual a un cierto valor a la temperatura de prueba. Por
lo general, el valor de CV esta alrededor de 20 J para
aceros de baja resistencia, pero para aceros de alta
resistencia este valor es excedido. Además, esta
temperatura de transición dúctil varía en relación a la
cantidad de carbono y manganeso. En otras palabras, a
mayor cantidad de carbono, la temperatura de transición
se incrementa, y por lo tanto, la energía máxima
absorbida y la forma de la curva cambian.
Por otra parte, los diagramas de falla (FAD, por sus
siglas en inglés) permiten visualizar la interrelación
entre la fractura y el colapso plástico con base a dos
parámetros adimensionales, Kr y Lr, que dependen de
las propiedades mecánicas y de fractura [5]. Esta
herramienta permitirá evaluar el comportamiento del
anclaje analizado bajo las condiciones de carga
existentes en el puente y estimar si el componente
operara de manera segura o insegura.
La relación de los ensayos de impacto con los FAD se
puede hacer con base en la correlación entre la
tenacidad a la fractura y la energía de impacto, dichas
correlaciones existen en la literatura [6,7], y pueden en
última instancia, dar una idea de la integridad
estructural del componente mediante los diagramas de
evaluación de falla.
El objetivo principal de este trabajo es determinar las
cargas críticas en la zona afectada por el calor del
anclaje de acero SAE/AISI 1045. Dichos cargas podían
compararse con las cargas que soporta el puente,
determinando así la necesidad o no de tomar medidas
correctivas.
2. Desarrollo
2.1. Material
Básicamente, el WPS consistió en un voltaje de 70 volts
y una corriente de 130 amperes utilizando un electrodo
E7018 de 1/8” de diámetro para soldar la raíz y 5/32’’
para rellenar el doble bisel con una velocidad de avance
aproximada de 10 cm/min. La temperatura de
precalentamiento fue 180 °C ± 50 y un tratamiento de
post-soldadura de 450°C. La selección del electrodo fue
de acuerdo a los requerimientos del plano estructural
una vez aprobado el procedimiento de soldadura.
El cupón estaba dividido en dos materiales; el acero
SAE/AISI 1045, que representa la botella o anclaje, el
acero ASTM A 572 grado 50 (placa) que representa la
placa embebida en la columna donde se sujetan los
tirantes del puente. El cupón tenía 700 mm de largo,
380 mm de ancho y 60 mm de espesor. Ver Fig. 1.
Figura 1. Cupón soldado donde se obtuvieron diferentes probetas
para los ensayos mecánicos.
2.2. Composición química y metalografía.
La preparación de la muestra consistió en montaje con
baquelita para una mejor manipulación. Después fue
pulida a espejo, utilizando lijas desde el número 120
hasta 2000, y alúmina de 1μm hasta 0,05μm.
Posteriormente, la muestra pulida fue atacada
previamente con nital al 2% [8]. La observación fue
realizada en un microscopio metalográfico de platina
invertida. La captura de las fotomicrografías fue
obtenida con una cámara digital con diferentes
objetivos.
La composición química dada por el proveedor del
acero es la siguiente:
Tabla 1. Composición química del acero AISI/SAE 1045.
2.3. Ensayos de tensión uniaxial
Utilizando una maquina servo-hidráulica y de acuerdo a
la norma ASTM E-8[9], se realizaron los ensayos de
tensión bajo control de carga y a una velocidad de 0.108
kN/s. La geometría de la probeta se muestra en la Fig. 2.
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Figura 2 - Geometría de la probeta de tensión uniaxial del acero
1045.
2.4. Ensayos de impacto.
Para determinar la energía absorbida por impacto se
realizaron los ensayos siguiendo la norma ASTM E-23
[10]. La geometría de las probetas se muestra en la Fig.
3. Las dimensiones de las probetas fueron: espesor (B)
10 mm, ancho de la probeta (W), 10 mm. Las probetas
se obtuvieron en dos posiciones. La primera que la
entalla estuviera en la soldadura (S), la segunda
posición se seleccionó, de tal manera, que el inicio de
la entalla estuviera a 1 mm de la línea de fusión del lado
del acero SAE/AISI 1045 o botella (B) [11]. Ver Fig. 4.
Figura 3 - Geometría de la probeta Charpy.
3
34,64
60°
250
60
2
10
1
1
Botella Placa (A)(B)
S
15-B15-S
17-B17-S
11-B11-S
13-B13-S
19-B19-S
Unidades en mm
Figura 4 - Ubicación donde se obtuvieron las probetas Charpy.
2.5. Diagramas de evaluación de falla.
La evaluación de la integridad estructural se realizó de
acuerdo al procedimiento delineado en la sección 3.5 de
la norma BS 7910 [12]. Se seleccionó el nivel 2B para
la definición de la línea de estimación de falla porque se
cuenta con la curva esfuerzo deformación obtenida de
los ensayos de tensión uniaxial. Se asumió una grieta
semielíptica superficial postulada en una placa de 395
mm de ancho y espesor de 60 mm, y la expresión del
factor de intensidad de esfuerzos (KI) proporcionada en
el anexo M de la norma BS7910. Como una primera
aproximación para el análisis de sensibilidad, la
tenacidad a la fractura se obtuvo de la correlación entre
el valor de energía absorbida y la tenacidad a la fractura
dada en el anexo J de la norma:
55C540K Vmat . (1)
Esta correlación se utiliza para evitar una
sobrestimación de la tenacidad a la fractura a la
temperatura de servicio en materiales con bajo límite
superior de energía Charpy, limitada para aceros
ferríticos con resistencia de fluencia menores de 480
MPa.
Para el análisis de la zona afectada por el calor del lado
de la botella se estableció lo siguiente:
- Un defecto superficial postulado en una placa con
una razón geométrica de 0.2. Se asume que este
tipo de defectos son los más representativos en el
componente estructural analizado.
- Hipótesis de carga. La hipótesis de carga se tomó
de los resultados obtenidos durante el monitoreo
del tránsito vehicular del mes de julio del año 2015,
ya que en ese mes se presentó un evento crítico en
uno de los anclajes. Siendo el esfuerzo de tensión
de operación en los anclajes de 124.57 MPa
(301.05 Ton de carga).
- No se consideraron efectos residuales por la
soldadura debido al tratamiento térmico de post-
soldadura.
3. Resultados y discusión
3.1. Metalografía
La Fig. 5 muestra la metalografía del acero 1045, la cual
se constituye de perlita fina con ferrita.
Figura 5. Microestructura del acero 1045.
En la Fig. 6 se observa la microestructura desde el metal
base del acero 1045 hasta la zona afectada por el calor,
donde en esta se observa un tamaño de grano más fino
que el metal base.
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Figura 6 – Microestructura de la zona afectada por el calor del
lado del acero 1045.
3.2. Pruebas de tensión uniaxial
En la Fig. 7 se percibe que el acero 1045 tiene más
resistencia que la soldadura. Cabe señalar que el factor
de disimilitud (mismatch en inglés), M, entre las
resistencias de fluencia del metal base y soldadura
deben de ser mayor que el 10 % para que se tome en
cuenta dicho factor y sea considerado en los diagramas
de evaluación de falla [13]. En el caso estudiado, al ser
menor del 10% no será considerado en el análisis. En la
Tabla 2 se dan los valores promedios de las propiedades
mecánicas obtenidas en los ensayos.
93082429
400M .
. (2)
Figura 7. Resultados de los ensayos de tensión del acero 1045 y la
soldadura (E7018).
Tabla 2 Promedio de las propiedades mecánicas obtenidas de los
ensayos de tensión uniaxial.
3.3. Pruebas de microdureza
Se obtuvo el perfil de microdureza a partir del acero
1045 hasta el centro de la soldadura. Las mediciones de
microdureza se realizaron en la probeta metalográficas
sin ataque, ver Fig. 8. Las microindentaciones se
realizaron cada 0.01”. La gráfica muestra un valor de
microdureza de 260 HV (24 HRC) en la zona afectada
por el calor del acero SAE/AISI 1045, ver Fig. 9.
Figura 8. Macrografía de donde se realizaron las
microindentaciones en la unión soldada.
Figura 9. Perfil de microdureza en la unión soldada.
3.4. Ensayos de impacto.
Los pruebas fueron realizadas con el pendulo Satec.
Antes de realizar el ensayo las probetas se colocaron en
un recipiente criogénico a la temperatura de 0°C,
teniendo cuidado que la temperatura se estabilizará. En
la Tabla 3 se dan los resultados de las probetas de acero
1045 y de soldadura. El criterio, de acuerdo al codigo
AWS D1.1 2015, señala que el valor de energía debe de
ser mínimo de 27 Joules, lo que implica que todas las
probetas cumplen con este criterio. En la soldadura se
obtiene en promedio una mayor cantidad de energía
absorbido con respecto al acero 1045. La Tabla 4
muestra un resumen de los resultados de tenacidad a la
fractura utilizando la correlación de la ec. (1)
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Tabla 3 Resultados de la energía absorbida por impacto de los
especímenes Charpy.
Tabla 4 Resultados de la tenacidad a la fractura de los
especímenes Charpy.
3.5. Fractografía
El análisis fractográfico de cada una de las probetas se
realizó en el microscopio electrónico de barrido S-
3700N marca Hitachi. En las Figs. 10 hasta la 13 se
presentan las superficies de fractura de la probeta 13 B,
la cual dioel menor valor de tenacidad a la fractura.
Figura 10. Macrografía de la superficie de fractura de la probeta
13-B. En la figura se indica los puntos de análisis.
Figura 11. Punto 1 donde existe un micromecanimsmo de clivaje,
característico de una fractura frágil.
Figura 12. Punto 2, mecanismo de fractura por coalescencia de
microhuecos.
Figura 13. Punto 3 , fractura dúctil.
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3.6. Diagramas de evaluación de falla.
En la Fig. 14 se obtiene el diagrama considerando que
las cargas se incrementan y con un defecto de longitud
de grieta inicial de 2 mm y una razón geometrica de
a/2c=0.2. La intersección entre las líneas, que
representan el incremento de la carga, con la línea de
falla determinan los valores límite del factor de reserva,
carga y factor de intensidad de esfuerzos. Se observa en
el diagrama, indicado por círculos, la carga de operación
de puente con las diferentes tenacidades obtenidas.
Como se puede ver, estos círculos, se encuentran dentro
de la zona segura. Los círculos blancos son los valores
de la tenacidad a la fractura promedio tanto de la
soldadura como del acero 1045. Además, con un valor
mínimo de tenacidad a la fractura del acero 1045, el
comportamiento del material tiende a ser más fragil,
cosa contraria con el valor máximo de tenacidad a la
fractura del acero.
Figura 14. Determinación de la carga crítica para una grieta de
longitud de 2 mm y una razón geometrica de a/2c = 0. No se
considera esfuerzos residuales ni efecto del factor de disimilitud.
Resumiendo en la Tabla 5 la información obtenida del
diagrama con las variaciones de tenacidad a la fractura
entre el acero y la soldadura. La Tabla muestra las
cargas criticas, factor de intensidad crítico y los factores
de reserva. Estos últimos, si tienen valores menores que
1.0 están asociados con una situación insegura, mientras
factores de reserva mayores que 1.0 corresponden a una
situación segura.
Por otro lado, si se comparan los valores criticos
mínimos de tenacidad a la fractura de la soldadura y la
zona afectada por el calor del acero en la condición
límite, en el acero se observaría un comportamiento más
fragil que la soldadura, o sea que el acero tendería a
fallar de forma frágil y la soldadura por colapso
plástico, pero en ambos materiales habría una
disminución en la capacidad de carga del componente.
Tabla 5. Resultados de factores de reserva y condición límite:
Carga (Plím), Factor de intensidad de esfuerzos (Klim).
4. Conclusión
El proceso de soldadura del acero SAE/AISI 1045
realizado de acuerdo al procedimiento de soldadura fue
el adecuado, ya que la metalografía y la microdureza no
indican la presencia de microestructura frágil
(martensita), que debido al contenido de carbono de este
tipo acero es propensa a presentarse en las zonas
afectadas por el calor.
Las pruebas de tensión uniaxial no muestran un efecto
del factor de disimilitud, y en las pruebas del impacto;
la soldadura absorbe mayor energía que la zona afectada
por el calor del lado de la botella.
Los diagramas de evaluación de falla indican que el
material sustituido trabajará de forma segura en las
condiciones de operación del puente con valores de
tenacidad a la fractura promedio. Sin embargo, la
magnitud obtenida para el valor crítico mínimo de
tenacidad a la fractura (80.92 MPa m^0.5), sugiere que
el acero tiende a comportarse de forma frágil, por lo que
durante el proceso de soldadura se deberán tomar las
precauciones necesarias para evitar la formación de una
microestructura frágil en la zona afectada por el calor.
REFERENCIAS
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Steel.
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testing of welds.
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[9] E 8-04 Standard test method for tension testing of
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[11] BS EN 875:1995. Destructive test on welds in
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orientation and examination, UK.
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[13] Zerbst U., Schödel M., Webster S., Ainsworth
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