B vs D – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Al especificar componentes para estructuras, equipos a presión o fabricaciones, los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción a menudo deben elegir entre dos grados de acero designados con letras. Las ventajas y desventajas suelen girar en torno a la soldabilidad, el costo y el rendimiento mecánico requerido (resistencia y ductilidad) en condiciones de servicio. En muchas normas y líneas de productos, la distinción entre un grado "B" y un grado "D" se centra en su rendimiento esperado en diferentes rangos de temperatura de servicio y en la rigurosidad de los requisitos de tenacidad al impacto, lo que genera diferencias en la composición química y el procesamiento.
Este artículo compara los grados B y D de una manera práctica y teniendo en cuenta las normas: cómo se especifican, en qué se diferencian las composiciones y las estrategias de aleación, sus microestructuras y respuestas al tratamiento térmico, características mecánicas y de soldabilidad, consideraciones sobre la protección contra la corrosión, comportamiento de fabricación, aplicaciones típicas e implicaciones para la adquisición.
1. Normas y designaciones
Las calificaciones con letras (B, D, etc.) se utilizan de forma diferente según las normas y las familias de productos. Algunas normas comunes en las que aparecen calificaciones con letras o etiquetas sencillas similares son:
- ASTM / ASME: se utiliza en especificaciones de tuberías, placas y bridas (algunas normas incluyen variantes de grado B y grado D).
- EN (normas europeas): normalmente utilizan designaciones Sxxx o numéricas en lugar de letras individuales; sin embargo, los aceros EN con propiedades comparables a menudo se referencian cruzadamente.
- JIS (normas industriales japonesas) y GB (normas nacionales chinas): a veces utilizan sistemas de clasificación por letras/números para aceros de tuberías y calderas.
- Especificaciones API (petróleo y gas) y otras especificaciones de la industria: pueden incluir grados con letras para clasificaciones simples.
Clasificación típica: El grado B suele ser un acero estructural básico, de carbono o de baja aleación, con requisitos de tenacidad moderados; el grado D es generalmente una variante con requisitos de impacto más estrictos o un mejor rendimiento a bajas temperaturas (por lo que a menudo se logra mediante el ajuste de la aleación o un tratamiento térmico diferente). Las definiciones exactas deben tomarse de la norma correspondiente para la adquisición o certificación.
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | Grado B (típico) | Grado D (típico) | Comentario |
|---|---|---|---|
| C (Carbono) | Bajo a medio | De bajo a medio (puede ser ligeramente inferior) | Un valor C menor mejora la tenacidad y la soldabilidad; el grado D a menudo controla C estrictamente para cumplir con las exigencias de impacto. |
| Mn (manganeso) | Moderado | De moderado a alto | El Mn aumenta la templabilidad y la resistencia; equilibrado para evitar microestructuras frágiles. |
| Si (silicio) | Bajo | Bajo | Desoxidante; se mantiene en baja concentración para controlar la dureza. |
| P (Fósforo) | Rastreo (restringido) | Rastreo (más estrictamente restringido) | El fósforo es perjudicial para la tenacidad y generalmente se controla más estrictamente para el grado D. |
| S (Azufre) | Rastreo (restringido) | Rastreo (más estrictamente restringido) | S reduce la tenacidad y la maquinabilidad; limitada en ambas, más ajustada para el Grado D. |
| Cr (Cromo) | A menudo ausente o bajo | Puede añadirse en pequeñas cantidades. | El Cr aumenta la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas; se utiliza si D necesita mayor tenacidad a bajas temperaturas mediante el control microestructural. |
| Ni (níquel) | Ausente o bajo | Puede estar presente | El níquel mejora la tenacidad, especialmente a bajas temperaturas; aleación común para variantes de tipo D. |
| Mo (molibdeno) | Raro o bajo | Posibles adiciones bajas | El Mo aumenta la templabilidad y la resistencia sin un exceso de C. |
| V / Nb / Ti (microaleación) | Posiblemente menor | Posiblemente presente para refinar el grano | La microaleación mejora la resistencia mediante la precipitación y el refinamiento del grano, manteniendo bajo el contenido de C. |
| B (Boro) | No es típico | Rastrear si se utiliza | El oligoelemento B puede aumentar notablemente la endurebilidad; controlado cuidadosamente. |
| N (Nitrógeno) | Rastro | Rastro | Puede afectar la tenacidad mediante la formación de nitruros; controlada mediante aleación y procesamiento. |
Notas: La tabla utiliza la presencia cualitativa en lugar de porcentajes fijos, ya que la composición química exacta se define mediante normas específicas o especificaciones propias de la fábrica. Las variantes de grado D suelen diseñarse para cumplir con estándares de resistencia al impacto más estrictos mediante un control de impurezas más riguroso y aleaciones o microaleaciones selectivas, en lugar de mediante grandes aumentos de carbono.
Cómo afecta la aleación a las propiedades: - La resistencia y la templabilidad aumentan con Mn, Cr, Mo y la microaleación; sin embargo, una mayor templabilidad puede conducir a microestructuras más duras y menos tenaces en las zonas afectadas por el calor de la soldadura. - El níquel y los elementos que promueven el grano fino (Nb, Ti, V) mejoran la tenacidad a bajas temperaturas sin un exceso de carbono. - Un control preciso de P y S es esencial para el rendimiento ante impactos a bajas temperaturas.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas y su respuesta al procesamiento:
- Grado B (base): El material laminado o normalizado tiende a presentar una microestructura de ferrita-perlita con perlita relativamente gruesa, dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Esto proporciona una ductilidad predecible y una tenacidad adecuada para rangos de temperatura moderados.
- Grado D (variante de baja temperatura/impacto): Para cumplir con criterios de impacto más exigentes, las microestructuras buscan un tamaño de grano de ferrita más fino, bainita revenida o perlita más fina. Esto se logra mediante laminación controlada (TMCP), reducción de intersticiales, microaleación y, en ocasiones, normalización o temple/revenido controlado.
Rutas y efectos del tratamiento térmico: - Normalización: Refina el tamaño del grano y mejora la uniformidad de las propiedades; beneficiosa para ambos grados, pero esencial para cumplir con las estrictas especificaciones de impacto del Grado D. Temple y revenido: Se utiliza cuando se requiere mayor resistencia manteniendo la tenacidad (más común en las variantes D de alta aleación). Requiere un revenido cuidadoso para evitar la fragilidad. - Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Ampliamente utilizado para producir placas y bobinas de grano fino y alta tenacidad; a menudo es la ruta de procesamiento utilizada para convertir una química B en un producto de rendimiento D sin aleación pesada.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad | Grado B (típico) | Grado D (típico) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Moderado | Similar a niveles superiores (igual o ligeramente superiores si es aleado/HT) |
| Fuerza de fluencia | Moderado | Comparable o ligeramente superior (mediante microaleación/procesamiento) |
| Elongación (%) | Bueno / dúctil | Bien, puede que se reduzca ligeramente a niveles de fuerza más altos. |
| Resistencia al impacto (Charpy) | Moderado a temperatura ambiente; reducido a bajas temperaturas. | Mayor resistencia garantizada a temperaturas más bajas según especificaciones |
| Dureza | Moderado | Comparables; las variantes de temple y revenido pueden ser más difíciles |
Interpretación: El grado D se especifica normalmente cuando la energía de impacto a bajas temperaturas debe cumplir un mínimo; esto suele conllevar requisitos más estrictos en cuanto a la composición química y el procesamiento. Las diferencias de resistencia pueden ser mínimas si ambos aceros son de baja aleación, pero el grado D se centra en mantener la tenacidad en un rango de temperaturas más amplio. - El equilibrio entre ductilidad y tenacidad se logra reduciendo el carbono y controlando las impurezas, al tiempo que se utilizan la microaleación y el procesamiento térmico para mantener la resistencia.
5. Soldabilidad
La soldabilidad depende del equivalente de carbono y de la aleación. Dos medidas empíricas de uso común son el equivalente de carbono IIW y el Pcm para una evaluación más detallada:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - El grado B normalmente tiene un equivalente de carbono efectivo más bajo y menos adiciones de aleación para aumentar la templabilidad, lo que generalmente le confiere un mejor comportamiento en estado de soldadura y menores necesidades de precalentamiento/postcalentamiento. El grado D, diseñado para una mayor tenacidad a bajas temperaturas, suele presentar un control de impurezas más estricto y puede incluir aleaciones que aumentan la templabilidad (p. ej., Mn, Cr, Mo, microaleaciones). Esto puede incrementar el CE<sub>IIW</sub> y el P<sub>cm</sub>, lo que requiere un precalentamiento más elevado, temperaturas controladas entre pasadas o un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) para evitar el agrietamiento en la ZAT. - Al especificar para soldadura, los ingenieros deben calcular $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ para la química solicitada y aplicar las calificaciones de procedimiento de soldadura pertinentes.
6. Corrosión y protección de superficies
- Aceros B/D no inoxidables: Ni el grado B ni el grado D típicos son intrínsecamente resistentes a la corrosión. Las estrategias de protección incluyen recubrimientos (galvanizado en caliente, pinturas, epoxi fusionado), protección catódica o revestimiento, según el entorno de servicio.
- Variantes de acero inoxidable: Si una designación determinada “D” o “B” corresponde a tipos de acero inoxidable (no es común para grados de carbono con letras simples), los índices de corrosión del acero inoxidable, como el PREN, son relevantes:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Aclaración: PREN no se aplica a los aceros al carbono/de baja aleación de grados B y D, a menos que el material sea un acero inoxidable austenítico o dúplex. Para la mayoría de los materiales estructurales de grado B/D, el comportamiento frente a la corrosión depende de la protección superficial y del entorno, no de la pasividad de la aleación.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Conformabilidad y doblado en frío: El grado B, con una resistencia ligeramente inferior y una microestructura más simple, suele ofrecer una conformabilidad y un doblado en frío más sencillos, con una recuperación elástica predecible. Los materiales de grado D, diseñados para ser tenaces, pueden ser ligeramente menos conformables si se aumenta su resistencia, pero el tratamiento termomecánico y la microaleación pueden preservar la conformabilidad.
- Maquinabilidad: Su menor contenido de azufre y aditivos de corte hace que ambos grados no sean aceros de alta maquinabilidad; el grado B tiende a ser más fácil de mecanizar si tiene menor resistencia y menos inclusiones duras. El grado D, con granos más finos y mayor resistencia, puede desgastar más las herramientas.
- Procesos de corte y térmicos: El comportamiento del corte por plasma o oxicorte es comparable; para los grados D que tienen mayor templabilidad o condiciones tratables térmicamente, puede ser necesario un cuidadoso alivio de tensiones posterior al corte en aplicaciones críticas.
8. Aplicaciones típicas
| Grado B — Usos típicos | Grado D — Usos típicos |
|---|---|
| Placas estructurales generales, vigas, canales para edificios y obras civiles ligeras | Estructuras y componentes a presión que requieren una resistencia garantizada al impacto a bajas temperaturas (por ejemplo, climas fríos, estructuras marinas). |
| Tuberías o bridas de presión básicas donde los requisitos de impacto son moderados | Piezas de recipientes a presión, componentes de puentes o secciones de tuberías con energía Charpy especificada a temperaturas negativas |
| Componentes fabricados donde se prioriza la facilidad de soldadura/conformación. | Aplicaciones donde la especificación de resistencia determina la adquisición, incluso si el costo es mayor. |
| Piezas para transportadores, bastidores de maquinaria general | Servicio criogénico o a temperaturas subambientales donde la resistencia es fundamental |
Justificación de la selección: Elija el grado B para aplicaciones sensibles al costo, de temperatura moderada y fáciles de soldar. Elija el grado D cuando el rango de temperatura de servicio y el rendimiento de impacto obligatorio justifiquen un control más estricto de la composición química y el procesamiento.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: Los materiales de grado B suelen ser menos costosos debido a una química más simple, un procesamiento menor y menos pruebas de rendimiento. Los de grado D son más caros debido a una selección de materiales más rigurosa, pruebas adicionales (pruebas de impacto a diferentes temperaturas) y, posiblemente, un procesamiento más complejo (TMCP, normalización).
- Disponibilidad por formato: Las planchas y bobinas de grado B están ampliamente disponibles en las acerías. Las variantes de grado D, especialmente las certificadas para impacto a baja temperatura, pueden tener plazos de entrega más largos, sobre todo para espesores grandes o dimensiones inusuales, ya que requieren un procesamiento controlado y pruebas adicionales.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | Calificación B | Grado D |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Generalmente bueno (CE más bajo) | Aceptable, pero puede requerir precalentamiento/PWHT (mayor potencial CE). |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada con buena ductilidad | Ajustado para una mayor tenacidad a bajas temperaturas; resistencia similar o ligeramente superior. |
| Costo | Más bajo | Más alto |
Recomendaciones: - Elija el grado B si el componente funcionará en rangos de temperatura moderados, la simplicidad y el costo de la soldadura son prioridades, y la resistencia al impacto a bajas temperaturas no es un requisito crítico. - Elija el Grado D si la aplicación exige una resistencia al impacto verificada en un rango de temperatura inferior especificado (por ejemplo, climas fríos, servicio subambiental o aplicaciones críticas de presión/recipientes), o si el código/estándar exige una designación de Grado D para la certificación.
Notas finales: Consulte siempre la norma exacta y los certificados de ensayo de fábrica del material específico de grado B o grado D que esté adquiriendo. Calcule los equivalentes de carbono para la planificación de la soldadura utilizando el análisis químico real y valide la tenacidad al impacto mediante la matriz de ensayos prescrita. En caso de duda, analice las posibles ventajas e inconvenientes con el proveedor del material y el ingeniero de soldadura para adecuar la química, el procesamiento y las prácticas de fabricación a los requisitos del servicio.