Concepto y clasificación de inclusiones.
1. Inclusión endógena
Durante el proceso de fundición del acero, se produce una reacción de desoxidación que da como resultado la producción de óxidos y otros productos. Si estos productos no suben a la superficie antes de que el acero fundido se solidifique, quedarán atrapados dentro del acero. Se producen las siguientes reacciones:
- Mn + FeO → Fe + MnO
- Si + 2FeO → SiO 2 + 2Fe
- 2Al + 3FeO → 3Fe + Al 2 Ó 3
- Ti + 2FeO → 2Fe + TiO 2
La presencia de impurezas como oxígeno, azufre y nitrógeno en el acero fundido provoca su precipitación en la solución sólida durante el enfriamiento y solidificación, quedando finalmente atrapada en el lingote. La distribución de estas inclusiones, conocidas como inclusiones endógenas, suele ser uniforme y se caracteriza por partículas pequeñas.
Aunque la operación adecuada y la implementación de medidas de proceso apropiadas pueden reducir el número de inclusiones y alterar su composición, tamaño y distribución, su presencia es generalmente inevitable.
2. Inclusiones extranjeras
La escoria que flota en la superficie del acero fundido durante el proceso de fundición y fundición, así como los materiales refractarios u otros desechos que pueden desprenderse de las paredes internas del horno de fabricación de acero, el conducto de fundición y la cuchara, no siempre se eliminan de antemano. El acero se solidifica, lo que resulta en su presencia dentro del acero.
Estas inclusiones se forman por el contacto entre el metal y sustancias externas durante el proceso de fundición.
Por lo general, estas inclusiones tienen forma irregular, tamaño grande y apariencia irregular, lo que les valió el sobrenombre de “inclusiones gruesas”.
Sin embargo, estas inclusiones se pueden evitar mediante técnicas operativas adecuadas.
Clasificación por composición química:
Inclusión no metálica
- Sulfuro: FeS, MnS
- Óxidos: FeO, Al 2 Ó 3
- Silicatos: 2MnO·SiO 2
- Nitruros: TiN, ZrN
Clasificación por capacidad de deformación:
Inclusión no metálica:
- Inclusión frágil: Al 2 Ó 3
- Inclusión plástica: FeS, MnS, 2MnO · SiO 2
- Inclusión invariante: SiO 2
Clasificación por morfología y distribución:
Inclusión no metálica:
- Clase A – compuestos hidrofóbicos
- Clase B – Alúmina
- Clase C – Silicatos
- Clase D – Óxidos esféricos
- Clase D: esferoide de una sola partícula
Clase A (Sulfuro): Inclusiones grises únicas con alta ductilidad y una amplia gama de relaciones morfológicas, generalmente con extremos redondeados.
Clase B (Alúmina): La mayoría de las partículas no están deformadas, son angulares, con una relación de aspecto morfológica pequeña (generalmente inferior a 3) y son de color negro o azul. Debe haber al menos tres partículas seguidas a lo largo de la dirección de rodadura.
Clase C (Silicato): Inclusiones únicas de color negro o gris oscuro con alta ductilidad y una amplia gama de proporciones morfológicas (generalmente mayor o igual a 3), generalmente con un ángulo agudo en la punta.
Clase D (Óxido Esférico): Partículas indeformadas, angulosas o circulares, de pequeñas proporciones morfológicas (generalmente inferiores a 3), de color negro o azulado y distribuidas irregularmente.
Clase D (partícula única esférica): inclusiones redondas o casi redondas de partículas individuales con un diámetro de 13 μm o mayor.
Tabla 1 Límites de clasificación (mínimo)
| Tabla de clasificación de nivel I | Categoría de inclusión | ||||
| A. Longitud total (uno) | Longitud total B (uno) | C Longitud total (uno) | Cantidad D | Diámetro S (uno) | |
| 0,5 | 37 | 17 | 81 | 1 | 3 |
| 1 | 127 | 777 | 6 | 41 | 9 |
| 1.5 | 261 | 84 | 769 | dos | 7 |
| dos | 436 | 43 | 201 | 63 | 8 |
| 2.5 | 649 | 555 | 102 | 55 | 3 |
| 3 | 898（<1181）822（<1147） | 46（<1029）3 | 6（<49）7 | 6（<107） | |
| Nota: La longitud total de las inclusiones de clases A, B y C anteriores se calcula de acuerdo con la fórmula dada en el Apéndice D, y se toma el número entero más cercano. | |||||
Tabla 2 Ancho de inclusión
| Categoría | Sistema delgado | sistema grueso | ||
| Ancho mínimo (uno) | Ancho máximo (uno) | Ancho mínimo (uno) | Ancho máximo (uno) | |
| A | dos | 4 | >4 | 12 |
| B | dos | 9 | >9 | 15 |
| dos | 5 | >5 | 12 | |
| D | 3 | 8 | >8 | 13 |
| Nota: El tamaño máximo de las inclusiones de clase D se define como el diámetro. | ||||
Impacto en el desempeño del servicio
- Se reduce el rendimiento ante la fatiga.
- La tenacidad al impacto y la plasticidad disminuyen.
- La resistencia a la corrosión disminuye.
La presencia de inclusiones menores a 10μm promueve la nucleación de la estructura y el crecimiento del grano ocurre durante la soldadura.
(1) La adición de elementos de aleación como Nb, V, Ti y otros puede provocar la precipitación de compuestos de C y N (un tipo de microinclusiones) durante la colada y el calentamiento continuos.
(2) Los sulfuros de calcio, los silicatos y el óxido ferroso fino pueden refinar los núcleos cristalinos, lo que es beneficioso para la tenacidad, plasticidad y resistencia de la placa de acero.
Sin embargo, cuando el tamaño de las inclusiones no metálicas supera los 50 μm, la plasticidad, tenacidad y vida a fatiga del acero se reducen, y se deterioran las propiedades de trabajo en frío y en caliente, así como algunas propiedades físicas.
En general, el tamaño de las inclusiones en nuestro acero fundido supera los 50 μm, lo que reduce la tenacidad, plasticidad y resistencia de la lámina de acero.
Además de estas propiedades, las inclusiones también tienen un impacto negativo en la resistencia a los ácidos, el rendimiento ante la fatiga, el acabado superficial y el rendimiento de la soldadura.
Influencia en el desempeño del proceso
1. Es fácil de agrietar durante la forja, el trabajo en frío, el temple, el calentamiento y la soldadura.
2. Se reducen la calidad de la superficie después del laminado y la rugosidad de la superficie de las piezas después del rectificado.
Influencia en la resistencia y el alargamiento de la chapa de acero.
Cuando las partículas de inclusión son relativamente grandes, superando los 10 µm de tamaño, especialmente cuando el contenido de inclusión es bajo, el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero se reducen significativamente.
Sin embargo, si las partículas de inclusión son pequeñas y miden menos de 10 µm, se mejoran el límite elástico y la resistencia a la tracción del acero.
A medida que aumenta la cantidad de partículas pequeñas en el acero, el límite elástico y la resistencia a la tracción también aumentan, pero hay una ligera disminución en el alargamiento.
Influencia en el rendimiento ante la fatiga
Está ampliamente aceptado que las inclusiones son la principal causa de falla por fatiga en el acero.
Las inclusiones esféricas y frágiles con fuerzas de unión débiles y tamaños grandes tienen un impacto significativo en el rendimiento ante la fatiga, y una mayor resistencia genera mayores riesgos, como se ilustra en la Figura 1.
Para el acero de alta resistencia, si la superficie del componente está bien procesada, el inicio y la inclusión de grietas se convierten en el modo dominante de agrietamiento por fatiga.
Las pequeñas inclusiones pueden tener poco impacto en la nucleación de grietas, pero desempeñan un papel beneficioso en la propagación de grietas por fatiga.
La Figura 2 es una representación esquemática de la formación y crecimiento de huecos alrededor de pequeñas inclusiones.
Se cree que los hoyuelos están asociados con inclusiones de menos de 0,5 mm.
Fig. 1 Tamaño de la inclusión y vida a fatiga bajo el mismo nivel de tensión
Fig. 2 Diagrama esquemático de la formación de microhuecos entre inclusiones no adyacentes.
Ejemplos de fracasos:
El eje elástico del motor de un equipo falla después de un período de uso. La figura 3 muestra el aspecto macroscópico de la fractura.
A partir de la dirección de las líneas de fatiga macroscópicas en la superficie de fractura y de las líneas radiales, se puede ver que la grieta se origina en la superficie del eje elástico y corresponde a una línea longitudinal en la superficie del eje.
Sin embargo, las características morfológicas de la superficie de fractura original no están claras debido al severo desgaste en la superficie de fractura en el punto de inicio de la grieta.
Como se muestra en la Figura 4, un examen macroscópico y microscópico de un eje elástico intacto revela la presencia de diversos grados de grietas longitudinales en la superficie del eje e inclusiones no metálicas en el área donde se producen las grietas.
Los resultados del análisis del espectro energético indican que las inclusiones no metálicas en las grietas son óxido de aluminio. Las inclusiones esféricas de óxido y las inclusiones esféricas de partículas individuales del eje elástico del motor tienen una clasificación de 2,0.
La principal causa de falla prematura del eje elástico es la fractura por fatiga resultante de la inclusión que actúa como fuente de fatiga del núcleo bajo la influencia de tensiones alternas.
Fig. 3 Aspecto macroscópico de la fractura de la varilla elástica del motor fracturado
Fig. 4 Análisis SEM de inclusiones en la varilla elástica.
Influencia en la resistencia a la corrosión.
La presencia de inclusiones no metálicas en el acero puede reducir significativamente su resistencia a la corrosión.
Las diferencias de composición química entre las inclusiones no metálicas y la base de acero facilitan la formación de una microcelda entre ellas. Esto puede provocar corrosión electroquímica en presencia de un medio ambiental corrosivo, lo que lleva a la formación de picaduras y grietas por corrosión. En casos graves, esto puede provocar el fracaso de la fractura.
Por ejemplo, una tubería de agua de calefacción hecha de acero estructural al carbono Q235B tuvo una fuga prematura. La Figura 5 (a) muestra la apariencia macroscópica de la tubería de agua con fuga, con evidencia de corrosión cerca del punto de fuga. La Figura 5 (b) muestra que después de eliminar los productos de oxidación y corrosión, hay ranuras claras en las soldaduras en el punto de fuga.
Un análisis exhaustivo de metalografía, inclusiones, espectros de potencia y pruebas de corrosión acelerada simulada tanto de la tubería de agua con fuga como de la tubería de agua original reveló que la presencia de inclusiones de óxido o inclusiones de óxido compuesto que penetraban la superficie interna en la junta soldada era la causa principal. de corrosión local, formación de ranuras de corrosión y fugas prematuras de la tubería de agua.
Los medios corrosivos presentes en la tubería, como O2, S y Cl, provocaron que las inclusiones no metálicas formaran una celda de corrosión con el hierro adyacente, lo que provocó corrosión electroquímica y, en última instancia, provocó fugas en la tubería de agua.
Fig. 5 Aspecto macroscópico de una fuga en una tubería de agua
Influencia en la fractura retardada inducida por hidrógeno.
La infiltración de hidrógeno en un material o la generación de hidrógeno a través de la interacción electroquímica entre el medio y la superficie del material puede continuar difundiéndose bajo ciertas condiciones y agregarse y combinarse fácilmente en moléculas de hidrógeno en trampas como inclusiones.
Cuando la presión de las moléculas de hidrógeno en estas trampas excede el límite de resistencia del material, se formarán núcleos de grietas.
Con la continua difusión y agregación de hidrógeno, el material eventualmente sufrirá una macrofractura.
Hay muchos factores que afectan el craqueo inducido por hidrógeno, pero para un tipo específico de acero, la influencia de las inclusiones es la más importante, además de la influencia de los factores del proceso. Las inclusiones son fuertes trampas de hidrógeno y la presión alrededor de las inclusiones no metálicas (especialmente las grandes) es muy alta, con una fuerza de unión relativamente débil entre las inclusiones y la matriz.
A medida que aumenta la presión del hidrógeno, se formarán grietas en la interfaz entre las inclusiones y la matriz. La probabilidad de nucleación de grietas inducida por hidrógeno en inclusiones es alta, y cuanto mayor es el nivel y la cantidad de inclusiones, mayor es la susceptibilidad al craqueo inducido por hidrógeno.
Un ejemplo de falla es el tanque de almacenamiento de GLP de 200 m3 de una compañía de GLP, hecho de 16Mn con un espesor de placa de 24 mm y una presión de trabajo de 1,18 MPa. Después de muchos años de uso, 54 protuberancias en la superficie del tanque esférico se habían agrietado y 20 ya estaban agrietadas. El examen metalográfico, el SEM y el análisis del espectro de potencia revelaron inclusiones graves de MNS dentro y alrededor del tambor, junto con contención de hidrógeno.
El motivo del abombamiento fue la acumulación de hidrógeno que se infiltró en el acero, formando protuberancias en el defecto de la interfaz de la matriz de inclusión debido a la reacción de desprendimiento catódico de hidrógeno. La grieta superficial del abultamiento fue una fractura retardada inducida por hidrógeno bajo la acción de una tensión de tracción.
Las Figuras 6 y 7 muestran la apariencia macroscópica del abultamiento en las superficies interna y externa del tanque de almacenamiento y la micromorfología de la superficie de la pared interna del tambor y la distribución superficial de los elementos Mn y S, respectivamente. Una fuerte inclusión no metálica fue el factor determinante en la formación de burbujas de hidrógeno y en su rotura.
Fig. 6 Aspecto macroscópico del tambor del tanque
Fig. 7 Micromorfología de la superficie de la pared interior del tambor y diagrama de distribución de los elementos Mn y S.
