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Uso del ensayo de implante y la tcnica de emisin acstica para
estudiar
el agrietamiento asistido por hidrgeno en la zona fundida en la
soldadura de un acero
HSLA-80(#)
H.C. Fals
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H.C. Fals et al. / Uso del ensayo de implante y la tcnica de
emisin acstica .,
1. INTRODUCCIN Los aceros de alta resistencia y baja aleacin han
alcanzado en las ltimas dcadas una creciente apli-cacin industrial
debido a su excelente combina-cin de altas propiedades mecnicas y
soldabilidad. No obstante, el fenmeno de agrietamiento asistido por
hidrgeno causado en las uniones soldadas de este material contina
ocupando un lugar destaca-do, en los problemas metalrgicos, en la
soldadura de estos aceros.
El agrietamiento en fro, como tambin es cono-cido, ha dejado de
ocurrir con mayor frecuencia en la zona afectada trmicamente (ZAT)
de la unin soldada y cada vez ms es tpico de la zona fundida (1),
presentando por tanto nuevas caractersticas que deben analizarse
para entender correctamente el problema.
Adems de la tensin de restriccin, la microes-tructura y el nivel
de hidrgeno, el aumento del agrietamiento causado por hidrgeno en
la zona fun-dida (ZF) se debe, fundamentalmente, al incremento de
la temperatura de transformacin de los aceros de baja aleacin,
provocado por el bajo contenido de carbono y elementos aleantes
(2). Esto, a su vez, trae como consecuencia que la transformacin
austenita-ferrita de la ZAT, ocurra antes de la transformacin de la
ZF y, por tanto, aumenta en concentracin de hidrgeno en la regin,
debido a que la difusin de hidrgeno de la ZF hacia la ZAT
disminuye.
El anlisis de la forma de propagacin de las grietas es
importante para entender las caracters-ticas del fenmeno. Beachem
(3) expuso la teora de la microplasticidad para explicar el fenmeno
del agrietamiento por hidrgeno y propuso un dia-grama que relaciona
los modos de fractura con el coeficiente de concentracin de tensin
en el modo I (*!).
Este diagrama fue usado por Yurioka et al. (4) para analizar los
resultados de ensayos de implante, lo que les llev a ponerse de
acuerdo en explicar que el modo de fractura por microcoalescencia
de vacos (MCV), acta, predominantemente, para ele-vados valores de
tensiones aplicadas, y en la medi-da que la tensin disminuye,
aparecen los modos por cuasiclivage (CC) e intergranular (IG). No
obs-tante, se observ en el trabajo publicado por Gede-on et al (5),
que para mayores niveles de hidrgeno que los usados para obtener el
modelo de Beachem, los modos IG y CC estuvieron presentes con altos
niveles de tensin aplicada.
Debido a la importancia del agrietamiento y fallas en las
uniones soldadas, se han utilizado varias tcnicas para su deteccin;
no obstante, la tcnica de emisin acstica (EA) ha tenido gran
aceptacin por su versatilidad, bajo costo y viabili-dad para la
determinacin de fenmenos en tiempo real.
Esta tcnica viene estudindose desde los aos 60, y se utiliza,
principalmente, como herramienta de monitorizacin de estructuras
mecnicas en ensayos no destructivos (crecimiento de grietas). Se
han realizado varias investigaciones para detectar la formacin y
crecimiento de grietas durante y des-pus de la soldadura, o en
piezas en servicio, usan-do la tcnica de EA (6).
Como la EA se genera como producto de los cambios en el
material, en el dominio de la defor-macin y tensin, el anlisis de
la forma de onda de la EA facilita la obtencin de informacin sobre
el aspecto dinmico del fenmeno que la origina (7). Las
caractersticas de la seal elctrica de la EA dependen del mecanismo
que la produjo, del mate-rial por donde se propaga y del sensor
usado.
A pesar de la amplia aplicacin de la tcnica de EA, se
encontraron pocos trabajos que relacionen la extensin y el tipo de
modo de fractura que ocurren en el agrietamiento asistido por
hidrgeno con la amplitud RMS, energa y nmero de ciclos medidos de
la seal (8 y 9). Esta correlacin puede ser importante para conocer,
a travs del anlisis de la seal de EA, el tipo de micromecanismo que
est actuando en la fractura de un material, y de cierta forma
adecuar correctamente las medidas a tomar para evitar fallas
catastrficas.
Este trabajo estudia el agrietamiento asistido por hidrgeno en
la ZF de las uniones soldadas de un acero microaleado, empleando el
ensayo de implan-te modificado, adems de emplear la tcnica de EA
para caracterizar los modos de fractura que actan durante el
agrietamiento de las probetas
2. MATERIALES Y MTODO EXPERIMENTAL
Para el desarrollo del trabajo se utiliz un acero microaleado,
con la composicin qumica y propie-dades mecnicas que se muestran en
la tabla I. El proceso de soldadura con alambre tubular {Flux cored
are welding-FCAW), se us con aporte trmi-co constante, equivalente
a 0,659 kJ/mm. Los alam-bres fueron del tipo AWS E 70T-5 (T-75) y E
120 T5-K4 (T-120). Las composiciones qumicas de los depsitos
obtenidos con cada alambre se muestran en la tabla II. Al C02 usado
como gas de protec-cin, se le aadi 5 % H2 para inducir altos
valores de hidrgeno difusible en la unin soldada.
Para determinar el nivel de hidrgeno difusible, se emple la
tcnica de cromatografa gaseosa, de acuerdo con la norma ANS/AWS
A4.3-86 (10). Los resultados mostraron que el nivel de hidrgeno fue
diferente para cada alambre usado, siendo como media 22,37 ml/100 g
del metal depositado (MD), para el alambre T-120 y 18,02 ml/100 g
MD para el alambre T-75.
234
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TABLA L- Composicin qumica (% en peso) y propiedades mecnicas
del acero usado TABLE / . - Chemical composition (wt %) and
mechanical properties ofthe steel
c 0,12
Mn
0,99
Ni
0,015
Lmite elstico convencional (Re 0 2)
MPa
750
Cr
0,52
Si
0,20
Cu
0,26
Mxima resistencia a la traccin (Rm),
MPa
805
P
0,03
S
0,007
Mo
0,34
Alargamiento (Ar), %
19,06
V
0,029
Ti
0,007
Al
0,026
Dureza (HV10)
275
TABLA II.- Composicin qumica (% en peso) en los depsitos de los
alambres tubulares TABLE II.- Chemical composition (wt %) ofweld
deposit
Alambre
E 70T-5 E120 T5-K4 Alambre
E 70T-5 E120T5-K4
C 0,07 0,07 Ti
0,01
0,01
Mn
1,42-1,66 1,73 V
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H.C. Fals et al. / Uso del ensayo de implante y la tcnica de
emisin acstica ...
Cordn de Soldadura
Chapa de Ensayo
Clula de Carga * x ,_
Estructura- L
Sensor de EA Filtro-Preamplificador
RMS Implante
PlacaAdquisicin de Datos
Voltmetro
Qsciloscopio
Microcomputador PlacaAdquisicin
de Datos
Sistema Hidrulico
O Microcomputadoi
FIG. 1. Representacin de la instalacin de ensayo de implante con
los sistemas de monitorizacin de fuerza y EA.
FIG. 1. Experimental set-upfor monitoring AE and forc signal in
implant test.
- Software RUPTURA para la adquisicin de los datos de emisin
acstica con frecuencia de adquisicin de 50 kHz.
A travs del anlisis de la forma de las ondas de EA, se midieron
los siguientes parmetros: nmero de ciclos, energa y amplitud RMS de
la seal de EA. El sumatorio de los tres parmetros fueron
relacionados con los modos de fractura para cada caso.
Las tcnicas de microscopa ptica, microscopa electrnica de
barrido y anlisis de imagen, se usa-ron tambin para estudiar la
microestructura, los lugares de formacin y propagacin de las
grietas, as como para medir las reas correspondientes a cada
micromecanismo de fractura.
direccin de la zona de crecimiento de grano de la ZAT (CGZAT),
como se observa en la figura 2.
En esta zona, como resultado del ciclo trmico impuesto en la
soldadura, la austenita primaria sufri un gran crecimiento de grano
y se form martensita (dureza media: 30 HRc), susceptible a la
propagacin de las grietas.
Adems del aumento de la fragilidad que ocurre en la CGZAT, el
depsito obtenido con el alambre T-75, tambin desempe un papel
importante en la determinacin de la direccin de propagacin de las
grietas, ya que este depsito tuvo como caractersti-ca fundamental
una dureza inferior (24 HRc) a la dureza de la CGZAT. Es importante
sealar que la ZF obtenida con este alambre estaba compuesta por
3. RESULTADOS Y DISCUSIN En los ensayos de implante realizados,
indepen-dientemente del tipo de alambre, las grietas asisti-das por
hidrgeno siempre se formaron en la regin de alta concentracin de
tensiones, localizada apro-ximadamente en la lnea de fusin,
exactamente en el lugar donde fue provocado (en la nueva propues-ta
de ensayo) un cambio brusco de seccin por causa del aumento de la
tolerancia entre el implante y la chapa base.
No obstante, se observ que el sentido de propa-gacin de las
grietas dependi directamente del tipo de alambre usado en cada
ensayo. Esto significa que las grietas crecieron en diferentes
direcciones de la unin soldada, de acuerdo con las propiedades
mecnicas y microestructurales de la zona fundida.
En los ensayos realizados con el alambre T-75, se observ que, de
forma general, las grietas se pro-pagaron transgranular e
intergranularmente en la
FIG. 2. Propagacin de las grietas intergranular y
transgranularmente en la CGZAT. Alambre T-75.
Nital 2 %. x800. FIG. 2. Intergranular and transgranular crack
propagation in the CGHAZ. T-75 wire. Nital 2 %.
800x.
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microestructuras de ferrita con diferentes morfolo-gas tales
como: ferrita de contornos de grano (PF[G]), ferrita poligonal
intragranular (PF[IFTI]), ferrita de segunda fase alineada (FS[A])
y ferrita acicular (AF), las cuales provocan la formacin de una
regin tenaz ms resistente al crecimiento de las grietas. En la
figura 3 se muestra esta composi-cin microestructural.
En los ensayos realizados usando el alambre T-120, las grietas
se propagaron verticalmente en la direccin de la zona fundida,
siendo transgranulares e intergranulares en el sentido de los
grandes granos columnares, caractersticos de la regin. Los
dep-sitos obtenidos con el alambre T-120 se compusie-ron por
microestructuras de martensitas y bainitas finas con dureza media
de 35 HRc, superior a la dureza de la CGZAT. Las caractersticas
microes-tructurales y la dureza de la zona fueron favorables para
la propagacin vertical de las grietas en los ensayos realizados con
este alambre.
3.1. Tiempos de falla (Tf) y tensin crtica de falla (ac)
Los ensayos de implante realizados con el alambre T-75 presentan
una rotura para a = 330 MPa, equi-valente al 66 % del lmite elstico
(Re 02) del dep-sito, o sea, la mxima tensin aplicada en los
ensa-yos para esta condicin. El tiempo medio de falla (Tf), en esta
condicin experimental fue de 28 min.
En los ensayos realizados con el alambre T-120, las probetas
fallaron siguiendo la representacin grfica de la figura 4. Puede
observarse que los Tf aumentaron en la medida que la tensin
aplicada fue menor, como era esperado y presentado por diversos
trabajos en este campo.
FIG. 3. Microestructura de la zona fundida. Alam-bre T-75. Nital
2 %. x 1.000.
FIG. 3. Fusin zone microstructure obtained with T-75 wire. Nital
2 %. l.OOOx.
600 r
580 560 540 520 500 480 460 440 420
0
## #
# #
4-+~-
1-120T5-K4 22,37 ml/100g
# # #~. #
- l ~+~ + - H
5 10 15 20 Tiempo de falla (min)
25
FIG. 4. Tensin frente a tiempos de falla. Alambre T-120.
FIG. 4. Stress vs time tofailure. T-120 wire.
Analizando la figura 4, observamos claramente que los Tf siempre
fueron menores cuando se com-paran con los resultados obtenidos en
los experi-mentos realizados con el alambre T-75. Esto se ori-gina
fundamentalmente por dos factores importantes: la microestructura
martenstica, ms frgil, y el mayor nivel de hidrgeno difusible
obte-nido en el depsito del alambre T-120.
Como establece la norma NF 89-100, la tensin para la cual no
ocurre la falla en el ensayo de implante durante 16 h se denomina
tensin crtica de falla (crc), valor que fue determinado para los
alambres usados. En los ensayos realizados con el alambre T-75, la
ac fue de 285 MPa, equivalente al 57 % del lmite elstico del
depsito; ya en los ensayos realizados con el alambre T-120, este
valor fue de 327 MPa (33 % del lmite elstico). De esta forma, se
comprob que el alambre T-120 fue ms susceptible al fenmeno de
agrietamiento asistido por el hidrgeno.
3.2. Micromecanismos o modos de fractura
A travs de la tcnica de microscopa electrnica de barrido, se
observ que todas las superficies de fractura presentaron una
morfologa de fractura compleja, caracterizada por la coexistencia
de los modos de fractura intergranular (IG), microcoales-cencia de
vacos (MCV) y cuasiclivage (CC), y que estos variaron su extensin
dependiendo de la microestructura presente en la zona de propagacin
de la grieta y de la tensin aplicada en los ensayos.
En los ensayos realizados con el alambre T-75, donde las grietas
se propagaron en la CGZAT, fue predominante el modo CC, como puede
observarse en la tabla III, ocupando como media el 64,6 % del rea
total de la superficie de fractura; el modo
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emisin acstica ...
TABLA IIL- Correlacin entre los modos de fractura que actan en
la zona fundida y la tensin aplicada TABLA IIL- Relation between
stress and fracture modes in the fusin zone
rea media de fractura (%) T-120 Tensin MPa % Re02
580 (66) 501 (57) 457 (52)
MCV
15,7 22,4
35,4
Mixta
73,6 70,7
60,2
rea media de fractura (%) T-75 Tensin, MPa (% Re02)
330 (66) 285 (57) 260 (52)
CC
64,6
MCV
11,4
Mixta
23,9
Composicin media del rea de fractura mixta (%). Alambre T-120
Tensin MPa (% Reoa)
580 (66) 501 (57) 457 (52)
MCV+CQ 2,9
IG+MCV+CQ 15,0 7,8
IG+MCV
22,1
24,4
IG+CQ 55,7 40,8
35,8
MCV alcanz 11,4 % y tambin fue verificada la formacin de zonas
de fractura con morfologa mixta, compuesta por los modos MCV, CC e
IG, 23,9 %, los cuales actuaron en regiones muy peque-as,
imposibles de cuantificar separadamente.
La gran rea del modo CC, en la superficie de fractura de los
ensayos realizados con el alambre T-75, fue causada por la formacin
martensitica aso-ciada a la CGZAT, donde las grietas se propagaron,
y tambin por la elevada concentracin de hidrge-no difusible usada
en los experimentos para inducir el agrietamiento.
Los experimentos realizados con el alambre T-120 permitieron
establecer una correlacin entre los modos de fractura que actuaron
en la zona fun-dida y la tensin aplicada en los ensayos. Como se
observa en la tabla III, cuando la tensin fue aumentada en los
ensayos, las reas correspondien-tes al modo de fractura por MCV
disminuyen, este resultado entra en contradiccin con el modelo de
microplasticidad de Beachen (3), usado para explicar el desarrollo
del fenmeno de agrietamien-to asistido por hidrgeno.
Este resultado fue originado por el elevado nivel de hidrgeno
usado en los experimentos y por las caractersticas de solidificacin
y microestructura-les de la ZR Gedeon et al. (5) observaron
resulta-dos semejantes, proponiendo una nueva modifica-cin al
modelo de microplasticidad para niveles de hidrgeno mayores a los
utilizados por Beachem (3). El trabajo reflej que los modos de
fractura IG y CC actan, para altos valores de tensiones aplica-das,
inhibiendo la formacin del modo MCV.
En realidad, el alto nivel de hidrgeno usado provoca que la zona
plstica en la punta de la grieta disminuya de tamao, ya que los
tomos de hidr-
geno actan como lugares de concentracin de dis-locaciones (12)
impidiendo el crecimiento de la deformacin plstica y con ello la
coalescencia de microvacos en la regin. Tambin la presencia de
discontinuidades caractersticas de la ZF, como inclusiones,
precipitados, microporosidades, etc. pueden actuar como zonas de
concentracin de hidrgeno y generar la formacin de microgrietas que
pueden dar origen a las zonas de fractura mixta, caracterizadas por
modos con pequeos grados de deformacin plstica como CC e IG.
En la tabla III se observa que las reas de fractu-ra denominadas
como mixtas tienen una marcada presencia en las superficies de
fractura de los implantes ensayados con el alambre T-120 y estas
aumentan en la medida que se incrementa la tensin aplicada. Pudo
constatarse cmo fueron clasificadas las zonas de fractura mixtas y
los modos presentes en cada rea, notndose que los modos que ms
incidieron en el surgimiento de esta morfologa fue-ron CC e IG,
corroborando la incidencia de la microestructura y las
discontinuidades en la forma-cin de las reas de fractura mixta.
3.3. Anlisis de las seales de EA
Los resultados del anlisis de las seales de EA per-mitieron
establecer una importante correlacin entre los principales
parmetros de la seal (nmero de ciclos, energa y amplitud RMS) y los
modos de fractura que operaron durante la propagacin de las
grietas, en cada condicin experimental.
Todas las seales de EA analizadas presentaron como caracterstica
general la formacin de varios ciclos de pequea amplitud, antes de
la fractura
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final de las probetas, indicando la existencia de alguna
deformacin plstica durante el proceso de fractura. Este fenmeno es
tpico del agrietamiento asistido por hidrgeno en uniones soldadas,
donde la fractura ocurre a travs de la combinacin de los modos IG,
CC y MCV.
En los experimentos realizados con el alambre T-75, se verific
que el nmero de ciclos, la energa y la amplitud RMS de la seal de
EA fueron meno-res que en los experimentos realizados con el
alam-bre T-120, independiente de la tensin aplicada, como se
observa en la tabla IV. Este resultado fue debido a la diferencia
entre los micromecanismos de fractura que actuaron en cada condicin
experi-mental.
La fractura tuvo como caracterstica principal mayor incidencia
del modo CC, lo que provoc menor cantidad de ciclos en la seal de
EA. Este modo de fractura envuelve poca deformacin pls-tica en el
material, la cual es la fuente principal de EA.
El aumento de los parmetros de la seal de EA, en los
experimentos realizados con el alambre T-120, probablemente se debi
a la formacin de las zonas de fractura mixtas, caractersticas de la
regin fundida. Estas zonas de fractura fueron ori-ginadas, entre
otras causas, por la formacin de varias microgrietas formadas en
las zonas de con-centracin de hidrgeno, provocando el aumento del
nmero de ciclos de la seal.
En los experimentos realizados con el alambre T-120, se constat
un aumento de la actividad acs-tica de acuerdo con la disminucin de
la tensin aplicada. Este resultado puede ser verificado mediante el
anlisis de los resultados presentados en la tabla IV
Con el objetivo de facilitar la comprensin del efecto de la
tensin aplicada en los parmetros de la seal de EA, se realizar un
anlisis comparativo entre los resultados de dos de las condiciones
expe-rimentales estudiadas.
En la figura 5(a), se observa parte de la seal de EA instantes
antes de la fractura final de la probeta;
en esta se constatan 4 ciclos de menor amplitud; la figura es
representativa de un ensayo realizado con 580 MPa. En la figura
5(b) se muestra la superficie de fractura, mediante MEB, que gener
la seal, observndose la formacin de una gran rea de fractura con
morfologa mixta y un rea menor caracterizada como MCV.
En la figura 6(a), se muestra la parte de la seal de EA
correspondiente al mismo instante de tiempo expuesto en la figura
5(a), con la diferencia de que en este caso se aplicaron 457 MPa de
tensin. En esta figura puede observarse que el nmero de ciclos es
mayor (9). Tambin, en correspondencia con el aumento del nmero de
ciclos, existi un marcado aumento en el rea del modo de fractura
por MCV, como se observa cuando se comparan las macrografas
mostradas en las figura 6(b) y figura 5(b).
Este anlisis comparativo demuestra que existe una fuerte
dependencia entre el nmero de ciclos de la seal de EA y la extensin
en el rea del modo de fractura por MCV, o sea, se constat que en la
medida que aumentaba el rea de fractura por MCV era mayor el nmero
de ciclos, como consecuencia de la deformacin plstica que ocurre en
el mate-rial, producto de la coalescencia de microvacos.
Como se observa en la figura 7 y en la tabla IV, la energa y
amplitud RMS de la seal aumentaron cuando la tensin aplicada fue
menor, es decir, cuando se increment el rea de fractura por MCV.
Este resultado debe ser aclarado, ya que como se discute en la
literatura consultada (3-5), los ciclos de EA caractersticos del
modo de fractura MCV poseen baja amplitud y energa, lo que tambin
se comprob en el desarrollo del trabajo. En este punto surge una
contradiccin con respecto a los resultados mostrados en la figura
7.
No obstante, en este trabajo fueron determinados la amplitud RMS
y energa total de la seal y no de los ciclos individuales; por
tanto, los valores de estos parmetros de la seal que se exponen
corres-poden al sumatorio de todos los ciclos que ocurren durante
el proceso de fractura en los ensayos.
TABLA IV- Correlacin entre la tensin aplicada y los parmetros de
la seal de EA TABLE IV- Relation between stress and AE
parameters
Alambres
T-75 T-120 T-120 T-120
Tensin aplicada, MPa
330 (66) 580 (66) 501 (57) 457 (52)
Nmero medio de ciclos
3 9 12 19
Energa media (V2s)
0,069 0,108 0,113 0,126
Amplitud RMS media (V)
6,82 8,28 9,95
12,94
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emisin acstica ...
o-
2 QL
Ampl
itud
013 -(A]
0 10 0.08 ~ Nmero de
i ciclos - 4 0.05
0.03 l
0.00 HjMy|||to||^ -0.03 - | flfflfflPfflllfl
1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 Tiempo (s)
FIG. 5. (a) Seal de EA instantes antes de la fractura final del
implante con tensin aplicada de 580 MPa. (b) Vista general en el
MEB de la superficie del implante fracturado.
FIG. 5. (a) AE signal instant befare implant fracture (580 MPa).
(b) SEM view of a fractured implant specimen.
m
"O 3 TEL
0.25 -
0.20 -
0.15 -
0.10 -
0.05
0.00
(A) Nmero de
ciclos - 9
1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 Tiempo (s)
FIG. 6. (a) Seal de EA instantes antes de la fractura final del
implante con tensin aplicada de 457 MPa. (b) Vista general en el
MEB de la superficie del implante fracturado.
fIGm 6. (a) AE signal instant befare implant fracture (457 MPa).
(b) SEM view of a fractured implant specimen.
4 CONCLUSIONES
Los resultados experimentales mostraron que:
- La modificacin producida para la realizacin del ensayo de
implante en la zona fundida per-miti la obtencin de resultados
coherentes, siendo de gran utilidad en el desarrollo de la
investigacin.
- La mezcla de C0 2 + 5 % H2, usada como gas de proteccin,
posibilit la obtencin de altos nive-les de hidrgeno difusible en la
unin soldada.
El alambre tubular T-120 fue ms susceptible al agrietamiento por
hidrgeno que el alambre T-75, lo que fue provocado por las
caractersticas microestructurales y dureza del depsito. El modo de
fractura mixto fue tpico de la frac-tura en la zona fundida de los
experimentos rea-lizados con el alambre T-120. Se comprob que para
elevados niveles de hidrgeno difusible, el modelo de
microplasticidad de Beachem (3) debe ser analizado ms
detalladamente. Los resultados experimentales mostraron que existe
una importante dependencia entre los
240
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0,125
cF '12 5- 0,115 .2 0,11 0,105
0,1
0,095
r"---
""-"., ! Energa ] A Amplitud RMS
V) O "O
"5. E <
457 501
Tensin (MPa)
FIG. 7. Correlacin entre la energa y amplitud RMS de la seal de
EA y la tensin aplicada.
FIG. 7. RMS energy and amplitude as a function ofthe applied
stress.
modos de fractura y las caractersticas de la seal de emisin
acstica.
- Se determinaron los valores del nmero de ciclos, amplitud RMS
y energa total de la seal de EA, caractersticas del fenmeno de
agrieta-miento asistido por hidrgeno en la zona fundi-da, lo que
puede ser de gran validez para futuras investigaciones y
aplicaciones industriales.
Agradecimientos
Los autores de este trabajo agradecen a la Funda-cin de Amparo a
Pesquisa del Estado de Sao Paulo (FAPESP), el soporte financiero
para la realizacin del proyecto de investigacin.
REFERENCIAS
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