D vs E – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Al seleccionar un grado de acero, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción a menudo se enfrentan al dilema de equilibrar resistencia, tenacidad, soldabilidad, resistencia a la corrosión y coste. Estas decisiones suelen surgir en contextos como la especificación de recipientes a presión, estructuras en climas fríos, equipos submarinos y maquinaria pesada, donde el rendimiento del material bajo cargas y temperaturas extremas debe equilibrarse con el coste de fabricación y del ciclo de vida.

Este artículo compara dos familias de grados prototípicos, denominados aquí "D" y "E". La comparación es práctica y no se basa en una norma específica: el grado D representa aceros optimizados para una mayor resistencia y templabilidad mediante la adición de carbono y aleaciones; el grado E representa aceros diseñados para un rendimiento superior a bajas temperaturas (mayor tenacidad) mediante aleaciones y procesos que reducen la sensibilidad a las entallas. Ambos grados se comparan habitualmente cuando los diseñadores deben elegir entre la máxima capacidad de carga y la tenacidad garantizada en entornos de servicio en frío.

1. Normas y designaciones

Las clasificaciones con letras, como D y E, aparecen en diversas especificaciones y pueden corresponder a diferentes requisitos químicos y mecánicos según el organismo de normalización y la forma del producto. Algunos ejemplos de normas típicas y su tratamiento de las clasificaciones con letras son:

• ASTM/ASME: En algunas especificaciones de materiales aparecen grados con letras (p. ej., aceros para recipientes a presión, grados templados y revenidos). La correspondencia entre una letra y un requisito de composición/mecánico depende de cada especificación.
• EN (Europeo): Utiliza designaciones numéricas X-XX (por ejemplo, X70), pero en ocasiones se utilizan tipos con letras en las especificaciones nacionales o industriales; se aplican comparaciones funcionales similares (resistencia frente a tenacidad).
• JIS (japonés) y GB (chino): Emplean clasificaciones tanto numéricas como alfabéticas en ciertas familias de productos; la intención funcional de un grado (resistencia, tenacidad, resistencia a la corrosión) está documentada en cada norma.
• Otras normas de la industria o de los fabricantes de equipos originales (OEM): Pueden definir "Grado D" o "Grado E" para equipos específicos con una química y propiedades a medida.

Clasificación funcional: - Grado D: generalmente pertenece a las categorías de acero aleado / HSLA / templado y revenido, diseñado para maximizar las propiedades de resistencia y desgaste/dureza. - Grado E: típicamente un acero al carbono aleado enfocado en la tenacidad a bajas temperaturas o un acero de baja aleación con níquel/microaleación e impurezas controladas, diseñado para servicio criogénico o subambiental.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla resume las estrategias de aleación comunes para un grado optimizado para resistencia (D) frente a un grado optimizado para tenacidad a baja temperatura (E). Los valores son descriptores cualitativos que indican el enfoque típico, en lugar de cifras exactas estándar.

Elemento	Grado D (centrado en la resistencia/templabilidad)	Grado E (enfocado en la tenacidad a bajas temperaturas)
C (Carbono)	De moderado a alto (para aumentar la templabilidad y la resistencia alcanzable)	De baja a moderada (para limitar la dureza de la martensita y mejorar la tenacidad)
Mn (manganeso)	Medio (favorece la endurecimiento y la resistencia)	Medio (refina el grano, favorece la tenacidad)
Si (silicio)	Trazas a moderado (desoxidación, puede aumentar la fuerza)	Trazas bajas (se mantienen bajas cuando la resistencia es crítica)
P (Fósforo)	Bajo nivel controlado (impureza)	Estrictamente controlado bajo (sensible a la dureza)
S (Azufre)	Bajo control (compensación de maquinabilidad)	Muy bajo (los sulfuros son puntos de fragilización a bajas temperaturas)
Cr (Cromo)	Presente en cantidades moderadas en los aceros aleados (mejora la templabilidad y la resistencia).	Bajo o ausente (a menos que se trate de acero inoxidable o necesidades específicas de corrosión)
Ni (níquel)	De baja a moderada (mejora la tenacidad y la resistencia a la corrosión, pero aumenta el costo)	A menudo elevada (aleación clave para mejorar la tenacidad a bajas temperaturas)
Mo (molibdeno)	Se utiliza para mejorar la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas.	De baja a moderada (puede refinar la microestructura sin fragilizarla)
V / Nb / Ti (microaleación)	Presente para aumentar la resistencia mediante precipitación y refinar el grano.	Presente en cantidades controladas para refinar los granos y mejorar la tenacidad.
B (Boro)	Adiciones traza en algunos aceros endurecibles	Poco frecuente; se controla si está presente para evaluar la templabilidad sin fragilización.
N (Nitrógeno)	Controlado (combinado con Ti/Nb para formar nitruros estables)	Muy bajo o estabilizado (el nitrógeno libre puede provocar fragilidad)

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El aumento de C, Cr, Mo y ciertos elementos de microaleación incrementa la templabilidad y la posible resistencia a la tracción/límite elástico, pero también aumenta el riesgo de fractura frágil si no se controlan el tamaño del grano y la tenacidad. - Un menor contenido de carbono combinado con níquel y un control estricto de P, S y N libre generalmente mejora las propiedades de impacto a baja temperatura al promover microestructuras dúctiles y reducir los sitios para la iniciación de la fractura.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas y las respuestas al tratamiento térmico difieren según la intención del diseño.

Calificación D: - Microestructuras típicas después del temple y revenido o un cuidadoso procesamiento termomecánico: martensita revenida, bainita y ferrita reforzada con microaleaciones. - La química orientada a la templabilidad favorece un endurecimiento más profundo durante el enfriamiento, lo que permite una mayor resistencia en secciones gruesas. - El temple y revenido (T&R) es una ruta común: austenizar → templar para formar martensita/bainita → revenido para ajustar la tenacidad frente a la resistencia.

Grado E: - La microestructura está optimizada para una matriz ferrítica/bainítica templada de grano fino con fracciones mínimas de martensita frágil. - El procesamiento termomecánico controlado (TMCP) o laminación controlada seguido de enfriamiento acelerado produce un tamaño de grano refinado y una mayor resistencia al impacto. Los tratamientos térmicos dan prioridad a las estrategias de refinamiento del grano y de revenido que preservan la ductilidad; normalmente se evita el endurecimiento por temple intenso a menos que vaya seguido de un revenido cuidadoso para restaurar la tenacidad.

Influencia del procesamiento: - La normalización ayuda a refinar el tamaño del grano en ambos grados; sin embargo, el grado D depende más de la transformación martensítica/bainítica para lograr resistencia, mientras que el grado E depende del refinamiento del grano y de una química controlada para mantener la tenacidad a bajas temperaturas. - El revenido de los aceros D de mayor resistencia debe seleccionarse cuidadosamente para evitar la fragilización por revenido; los grados E se centran en preservar la tenacidad a la muesca después de cualquier exposición térmica.

4. Propiedades mecánicas

La tabla siguiente resume el comportamiento mecánico relativo; los valores son cualitativos (mayor/menor) y representan diferencias funcionales típicas en lugar de especificaciones numéricas concretas.

Propiedad	Grado D	Grado E
Resistencia a la tracción	Mayor (diseñada para una mayor resistencia máxima)	Moderado (equilibrado en cuanto a resistencia)
Resistencia a la fluencia	Mayor (aumentado por aleación y tratamiento térmico)	De moderado a alto (pero generalmente inferior a D para el mismo espesor)
Alargamiento (ductilidad)	De moderada a baja (la resistencia se contrapone a la ductilidad)	Mayor (diseñada para conservar la ductilidad a bajas temperaturas)
Dureza al impacto	Menor a temperaturas muy bajas a menos que se trate especialmente.	Superior a temperaturas inferiores a la ambiente (menor pérdida de energía)
Dureza	Mayor (se puede aumentar la dureza superficial y del núcleo)	De baja a moderada (para evitar la fragilidad a bajas temperaturas)

¿Por qué las diferencias? - El grado D logra una mayor resistencia a través de una mayor templabilidad y un fortalecimiento por precipitación, lo que tiende a reducir la elongación uniforme y la tenacidad al impacto a menos que se utilicen un revenido extenso y un control microestructural. - El grado E minimiza las fases frágiles y las concentraciones de impurezas, y a menudo incluye níquel o microaleación para el refinamiento del grano; esto mantiene una alta energía de impacto a bajas temperaturas, sacrificando a la vez algo de resistencia máxima.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y del control de impurezas. Dos índices de uso común son:

• $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Interpretación: - Un valor más alto de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indica una mayor templabilidad y un mayor riesgo de agrietamiento en frío (asistido por hidrógeno) en la zona afectada por el calor (ZAC), lo que requiere precalentamiento, temperaturas entre pasadas controladas y posiblemente tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - Efecto típico para estas calificaciones: - Grado D: tiende a mostrar un mayor contenido de carbono y aleación → mayor equivalente de carbono → se requieren procedimientos de soldadura más rigurosos, incluyendo precalentamiento y tratamiento térmico posterior a la soldadura en secciones más gruesas. - Grado E: diseñado con menor contenido de carbono y un cuidadoso equilibrio de aleación (a menudo con níquel) → menor equivalente de carbono para un nivel de resistencia determinado → generalmente mejor soldabilidad y menor riesgo de agrietamiento, pero los procedimientos de soldadura aún deben controlarse para preservar la tenacidad a bajas temperaturas. - La microaleación (V, Nb, Ti) en cualquiera de los dos grados puede requerir atención para evitar el crecimiento del grano en la ZAT o la precipitación que puede reducir la tenacidad; el control del hidrógeno durante la soldadura es fundamental para ambos.

6. Corrosión y protección de superficies

Grados no inoxidables: - Tanto el acero D como el E suelen ser de materiales no inoxidables; las estrategias de protección contra la corrosión incluyen galvanización, pintura, recubrimientos en polvo y tratamientos locales (por ejemplo, metalización). - La adición de aleaciones como Cr, Mo o Ni en cantidades pequeñas o moderadas puede mejorar la resistencia general a la corrosión, pero no sustituye la selección de aleaciones de acero inoxidable.

Variantes de acero inoxidable o especializadas contra la corrosión: - Si el grado E o D es una variante de acero inoxidable austenítico o dúplex, utilice el PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) para evaluar la resistencia a la corrosión localizada: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - PREN no es aplicable a aceros al carbono simples o de baja aleación.

Elegir protección: - Para aplicaciones enterradas o marinas donde se requiere tenacidad a bajas temperaturas y resistencia a la corrosión, puede ser necesario utilizar una aleación resistente a la corrosión a bajas temperaturas o un acero inoxidable; de ​​lo contrario, aplique recubrimientos industriales combinados con protección catódica y mantenimiento rutinario.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: El grado D (mayor resistencia/dureza) suele ser más abrasivo para las herramientas y puede requerir avances más lentos, herramientas de mayor dureza y sistemas de refrigeración específicos. El grado E, con menor dureza, generalmente se mecaniza con mayor facilidad.
• Conformabilidad: La menor resistencia a la fluencia y la mayor ductilidad del grado E mejoran el rendimiento del conformado en frío y del doblado; el grado D puede requerir radios mayores, conformado en caliente o recocido antes del conformado para evitar el agrietamiento.
• Acabado superficial: Las calidades más duras pueden requerir rectificado o granallado para mejorar su resistencia a la fatiga; las calidades tenaces de menor dureza suelen aceptar con mayor facilidad los tratamientos superficiales estándar.

8. Aplicaciones típicas

Grado D – Usos típicos	Grado E – Usos típicos
Elementos estructurales pesados ​​donde se requiere alta resistencia y secciones de tamaño reducido (puentes, grúas)	Recipientes criogénicos, almacenamiento y transporte de GNL, tuberías de baja temperatura y recipientes a presión
Componentes resistentes al desgaste, engranajes, ejes y piezas templadas y revenidas	Plataformas marinas y estructuras submarinas que requieren mantener su resistencia a bajas temperaturas ambiente
Recipientes a presión de sección gruesa donde una mayor tensión admisible ahorra material	Tanques de almacenamiento y estructuras donde el riesgo de fractura frágil debe minimizarse en climas fríos.
Piezas propensas a la abrasión y bastidores de maquinaria pesada	Uniones estructurales para climas fríos, vagones cisterna ferroviarios para carga criogénica

Justificación de la selección: - Elija el grado D cuando sea primordial minimizar el tamaño de la sección, mejorar la vida útil a la fatiga bajo alta tensión y aumentar la resistencia al desgaste. - Elija el grado E cuando las temperaturas de servicio se acerquen o caigan por debajo de 0 °C (y especialmente cerca de rangos criogénicos), y el mantenimiento de la resistencia al impacto y la ductilidad sea fundamental para el control de fracturas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste del material: El grado D puede resultar más económico en términos de coste por rendimiento cuando la resistencia permite reducir el peso/espesor de la sección. La aleación y el tratamiento térmico incrementan el coste en comparación con los aceros al carbono básicos.
• El acero de grado E puede resultar más caro por tonelada si se utilizan níquel u otros elementos que le confieren tenacidad; sin embargo, el ahorro durante el ciclo de vida derivado de la reducción del riesgo de fractura y de los menores costes de reparación/inspección puede justificar el sobreprecio.
• Disponibilidad: Ambas estrategias están ampliamente disponibles en los principales fabricantes de acero, pero ciertas composiciones químicas (p. ej., aceros de baja temperatura con alto contenido de níquel) pueden tener plazos de entrega y cantidades mínimas de pedido. Los productos en placas y tubos suelen estar en stock; los productos templados y revenidos a medida pueden tener plazos de entrega limitados.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Métrico	Grado D	Grado E
Soldabilidad	Moderado-desafiante (CE más alto)	Mejor (menor CE para un espesor similar)
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia / tenacidad moderada	Tenacidad optimizada a baja temperatura / resistencia moderada
Costo	Coste de procesamiento y aleación moderado-alto	Moderado-alto (puede incluir Ni)

Recomendaciones finales: - Elija el grado D si su objetivo principal es maximizar la resistencia estática y a la fatiga, reducir el tamaño de las secciones u obtener propiedades resistentes al desgaste donde las temperaturas de funcionamiento se encuentran dentro del rango de temple del material y el riesgo de fractura frágil a baja temperatura se gestiona de manera aceptable mediante el diseño y la inspección. - Elija el grado E si el servicio implica temperaturas subambientales o criogénicas, si la tenacidad a la fractura a bajas temperaturas es una restricción de seguridad crítica, o si necesita un material que tolere impactos y cargas con muescas sin una pérdida drástica de ductilidad.

Nota final: Consulte siempre la especificación exacta del material (ASTM/EN/JIS/GB o norma del fabricante), realice una evaluación de la mecánica de fractura específica para componentes en servicio en frío y valide los procedimientos de soldadura y tratamiento térmico con maquetas o ensayos de procedimientos cualificados. Las comparaciones cualitativas anteriores deben corresponderse con las especificaciones reales del producto y validarse mediante la documentación del proveedor y ensayos para su aplicación específica.