¿Cuáles son los materiales que tienen tendencia a desarrollar grietas por fatiga?

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En las normas estándar, se suelen encontrar disposiciones como esta: los materiales propensos a presentar grietas retardadas (como el 12Cr2Mo1R) deben someterse a pruebas no destructivas al menos 24 horas después de que se haya completado el proceso de soldadura. Según GB/T150.4 P335, surge la pregunta: ¿qué son las grietas retardadas? ¿Cuáles son los materiales que tienen tendencia a desarrollar grietas por fatiga? ¿Cuáles son las pruebas no destructivas que se realizan 24 horas después de completar el soldado? Definición de grieta retardada: La grieta retardada pertenece a las grietas en frío. Las llamadas grietas por enfriamiento son aquellas que se forman cuando la pieza soldada se enfría por debajo de la temperatura de transformación al martensita, es decir, por debajo del punto M3. Por lo general, estas grietas aparecen después de un cierto tiempo desde el soldado (unas horas, días o incluso más), por lo que se les denomina grietas retardadas. Formación de la textura: La retención en el tiempo de la formación de grietas está relacionada con la tendencia del acero a endurecerse, con el contenido de hidrógeno en las uniones soldadas y su distribución, así como con el estado de esfuerzo de dichas uniones. Las grietas de retardo se extienden a lo largo de las fronteras entre los gránulos en algunos casos, y en otros casos avanzan a través de los mismos. Esto está relacionado con la estructura metalúrgica de la unión soldada, el estado de estrés y el contenido de hidrógeno. Por lo general, las grietas por retraso son grietas que atraviesan los gránulos cristalinos (es decir, las grietas pasan a través de las fronteras entre los gránulos). Su origen se debe a que la estructura de baja plasticidad en la zona afectada por el calor de la soldadura no puede soportar las tensiones generadas por los cambios de volumen y las transformaciones estructurales durante el enfriamiento, lo que provoca la aparición de grietas. También puede ocurrir que los átomos de hidrógeno se unan entre sí para formar moléculas, las cuales se introducen en las pequeñas cavidades del metal. Esto genera grandes tensiones internas, además de las tensiones debidas a las restricciones causadas por la soldadura; todo esto contribuye a la aparición de grietas en la zona soldada (esto se conoce como grietas causadas por el hidrógeno). Causa de formación: La estructura endurecida es el factor determinante que provoca las grietas en frío. Cuando la velocidad de enfriamiento durante el soldado es alta, en la zona afectada por el calor aparecen estructuras de bainita y una gran cantidad de martensita. En particular, cuando se forma un martensita de twins gruesa, aumenta su sensibilidad a las grietas; además, se vuelve más frágil, lo que provoca la aparición de grietas en frío bajo la acción de las tensiones de soldadura. Además, la concentración de hidrógeno difundido en la zona endurecida y fragilizada provoca grietas microscópicas. La zona de estrés tridireccional que se forma en la punta de la grieta induce nuevamente una concentración de hidrógeno, lo que hace que las grietas microscópicas se expandan y se conviertan en grietas macroscópicas; esto es lo que se conoce como grieta retardada. Clasificación de las grietas retardadas: Las grietas retardadas se dividen en grietas en la zona de unión, grietas debajo de la zona soldada y grietas en la raíz. (1) Las grietas en la zona de soldadura se generan en la unión entre el material base y la zona soldada; existe una clara tendencia a la concentración de esfuerzos en esa zona. La dirección de las grietas suele ser paralela a la línea de soldadura. (2) Las grietas que se forman debajo de la zona de soldadura ocurren en la zona afectada por el calor de soldadura, donde existe una mayor tendencia a la endurecimiento y un contenido elevado de hidrógeno. La dirección de estas grietas suele ser paralela a la línea de unión. (3) Las grietas en la zona de la raíz pueden aparecer en las zonas de grano grueso de la zona afectada por el calor, o bien en el metal de la soldadura. Esto depende de las propiedades mecánicas del material base y de la soldadura, así como de la forma de la raíz de la soldadura. El contenido de hidrógeno difundido en el metal fundido está directamente relacionado con la retención del desarrollo de grietas en las uniones soldadas. La temperatura es un factor importante que influye en la difusión y liberación del hidrógeno en las uniones soldadas. Durante el proceso de soldadura, parte del hidrógeno que absorbe el metal líquido puede escapar durante el proceso de cristalización en la masa fundida. Pero como la velocidad de cristalización es muy alta, una cantidad considerable de hidrógeno no tiene tiempo de escapar y queda atrapado en el metal soldado en estado sólido. Esto tiene un gran impacto en las propiedades de la soldadura, generando enormes tensiones internas que causan la fisuración de la soldadura. De hecho, el hidrógeno que realmente causa la aparición de grietas por fatiga se denomina hidrógeno difusivo, ya que puede difundirse libremente dentro del metal en estado sólido. El hidrógeno difundido es un factor importante que causa defectos como las manchas blancas por hidrógeno, la fragilidad por hidrógeno y las grietas inducidas por hidrógeno, es decir, las grietas retardadas. Origen del hidrógeno en las soldaduras: El hidrógeno que ingresa al baño de fusión durante el proceso de soldadura proviene principalmente de la humedad presente en los materiales de soldadura, de las sustancias que contienen hidrógeno, del vapor de agua presente en el aire alrededor del arco eléctrico, así como del agua, el óxido y las impurezas como el aceite presentes en la superficie de los alambres de soldadura y de la pieza a soldar. Medidas para prevenir las grietas por retraso: 1. En cuanto al proceso de soldadura, es necesario crear un entorno con bajo contenido de hidrógeno. Se deben utilizar materiales de soldadura con bajo contenido de hidrógeno, así como técnicas de soldadura que también reduzcan la cantidad de hidrógeno presente. Por ejemplo, la soldadura protegida con gas CO2 permite obtener uniones con bajo contenido de hidrógeno. Se debe preferir el uso de materiales de soldadura de baja resistencia, a fin de reducir las tensiones en las uniones soldadas. Cuando la resistencia de la unión soldada es menor que la del material base, las tensiones de tracción pueden ser liberadas mediante deformación plástica. Se debe seguir un orden de soldadura adecuado: primero se deben soldar las uniones que presentan una mayor contracción, y luego aquellas que presentan una menor contracción. De esta manera, las uniones pueden contraerse libremente, lo que reduce las tensiones de restricción durante el proceso de soldadura. (1) Establecer especificaciones de soldadura razonables y un nivel adecuado de energía térmica aplicada, además de controlar el tiempo de enfriamiento, permite mejorar la estructura y las propiedades de la zona de soldadura y de la zona afectada térmicamente. (2) Precalentamiento antes del soldado, control de la temperatura entre capas y reducción de la velocidad de enfriamiento, para facilitar la difusión del hidrógeno; esto permite prevenir eficazmente la aparición de grietas retardadas. (3) El tratamiento de eliminación de hidrógeno a bajas temperaturas acelera la difusión del hidrógeno. Las grietas por retraso suelen aparecer unas horas o días después de la soldadura. Si se puede realizar un tratamiento térmico en la soldadura a tiempo, antes de que aparezcan grietas (tratamiento para eliminar el hidrógeno), calentando la soldadura a 300 °C, se puede acelerar la difusión y la eliminación del hidrógeno presente en el metal de la soldadura en estado sólido. Esto permite reducir, hasta cierto punto, las tensiones residuales en la soldadura, mejorar la estructura de la unión soldada y prevenir eficazmente las grietas retardadas. (4) Para las placas de acero gruesas, se utiliza soldadura en múltiples capas y pasadas. La capa anterior precalienta a la capa posterior, mientras que esta última realiza un tratamiento térmico en la capa anterior, lo que reduce las tensiones residuales y mejora la estructura de la unión soldada. (5) Golpear la superficie de la soldadura para generar tensiones compresivas, mejorando así el campo de tensiones en la misma y reduciendo las posibilidades de aparición de grietas retardadas. (6) En los materiales con tendencia a desarrollar grietas retardadas, se deben realizar pruebas 24 horas después de la soldadura, a fin de evitar que estas grietas queden sin detectarse. 2. En el área de la metalurgia: (1) Controlar la fuente de hidrógeno. Procure elegir materiales de soldadura con bajo contenido de hidrógeno o con contenido extremadamente bajo de hidrógeno. Antes de utilizarlos, es necesario secarlos, además de eliminar de los alambres de soldadura y de las zonas a soldar cualquier tipo de impurezas como agua, óxido y grasa. (2) Se deben utilizar electrodos de soldadura alcalinos con bajo contenido de hidrógeno; la adición de fluorita en la capa protectora del electrodo permite reducir el contenido de hidrógeno en la soldadura. (3) Elegir de manera adecuada la composición aleada del metal de la soldadura; añadir ciertos elementos aleantes para mejorar la tenacidad del metal de la soldadura y su capacidad para resistir grietas. (4) En el caso de aceros difíciles de soldar y propensos a la fisuración, se deben utilizar electrodos de acero inoxidable austenítico. Dado que los aceros austeníticos tienen una alta solubilidad para el hidrógeno, no se producirán fisuras en las uniones soldadas si no hay presencia de hidrógeno. 3. Reducir las tensiones de soldadura: (1) Diseñar uniones de soldadura adecuadas; preferir las uniones por empalme en lugar de las uniones por superposición. El diseño de la forma de la soldadura debe ser adecuado, y las soldaduras deben colocarse lo más lejos posible de los puntos donde hay cambios bruscos en la sección transversal. La altura excesiva de las soldaduras no es deseable; además, la transición entre las secciones de las soldaduras debe ser suave, a fin de reducir la restricción causada por las soldaduras y evitar una concentración excesiva de tensiones. (2) Evitar soldaduras densas y utilizar un orden de soldadura adecuado, a fin de reducir la rigidez de las soldaduras. ¿Cuáles son los materiales que tienen tendencia a desarrollar grietas por fatiga? Los materiales con tendencia a presentar grietas por fatiga son, principalmente, los diversos aceros de alta resistencia de baja aleación. A medida que aumenta el nivel de resistencia del acero y se incrementan los elementos aleantes, su tendencia a endurecerse también crece gradualmente; además, aumenta la probabilidad de que aparezcan grietas retardadas. Actualmente, se considera que los materiales con alta sensibilidad a las grietas por enfriamiento son, principalmente, los aceros de alta resistencia de baja aleación cuya resistencia a la deformación plástica es superior a 450 Mpa o cuya resistencia a la tracción es superior a 540 Mpa. Entre las marcas de estos aceros se encuentran 15MnVNR, 18MnMoNbR, 13MnNiMoNbR, 07MnCrMoVR y 07MnNiCrMoVDR, entre otras ； Y también algunos aceros resistentes al calor de baja aleación, cuyas designaciones son 1.0Cr0.5Mo (15CrMo), 1.25Cr0.5Mo (14Cr1Mo), 1Cr-0.5Mo-V, 2.25Cr-1Mo (12Cr2Mo1), entre otros ； Y también algunos aceros inoxidables de tipo martensítico, como 1Cr13, 2Cr13, 4Cr13, 2Cr12WMoV, 2Cr12MoV, 2Cr12Ni3MoV, entre otros. ¿Cómo se realiza la inspección sin daños? Los materiales con tendencia a presentar grietas por fatiga (como el 12Cr2Mo1R) deben someterse a pruebas no destructivas al menos 24 horas después de la soldadura. Las pruebas no destructivas en este caso se refieren principalmente a inspecciones de la superficie. Este artículo proviene de la página web del instituto de diseño www.shejiyuan.com (en dicha página hay 10 proyectos de diseño de intercambiadores de calor con placas fijas cuyos precios se están estimando; se invita a los diseñadores a participar)