EH40 vs FH40 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros EH40 y FH40 son dos aceros estructurales de alta resistencia que se utilizan con frecuencia en las industrias marítima, de plataformas marinas y de fabricación de placas de gran espesor. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse al dilema de elegir entre ambos: cuál proporciona la tenacidad y soldabilidad necesarias a través del espesor para placas muy gruesas, y cuál ofrece el mejor equilibrio entre resistencia y coste para espesores de placa estándar y estructuras soldadas. Entre los contextos de decisión típicos se incluyen el revestimiento de cascos y cubiertas de buques y plataformas marinas, las estructuras pesadas donde la tenacidad a la fisuración es fundamental y las grandes estructuras soldadas donde los ciclos térmicos y las propiedades posteriores a la soldadura determinan el rendimiento.

La principal diferencia práctica entre ambos grados radica en su optimización para el espesor de la placa y el comportamiento transversal: un grado se especifica generalmente para aplicaciones convencionales de placas gruesas, donde el procesamiento termomecánico estándar proporciona la resistencia y tenacidad requeridas, mientras que el otro está diseñado para espesores de placa extremos y propiedades transversales mejoradas mediante diferentes estrategias de aleación y procesamiento. Por ello, los diseñadores suelen comparar EH40 y FH40 al especificar placas muy gruesas o cuando se requiere una tenacidad excepcionalmente uniforme en todo el espesor de la placa.

1. Normas y designaciones

Tanto el EH40 como el FH40 se describen mejor como aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (HSLA) utilizados en la construcción naval y la construcción marítima. No se rigen por métodos de ensayo internacionales únicos como un número ASTM, sino que aparecen como familias de grados adoptadas o referenciadas por sociedades de clasificación y normas nacionales. Normas y clasificaciones típicas a considerar:

• Normas nacionales y regionales: GB (China), JIS (Japón), EN (Europa), ISO.
• Sociedades de clasificación: ABS, DNV-GL, Lloyd's Register — estas sociedades incluyen designaciones de cascos y acero estructural que se correlacionan con las familias EH/FH.
• Normas genéricas de materiales: ASTM/ASME proporcionan requisitos de propiedades mecánicas y procedimientos de prueba que pueden utilizarse junto con una designación de clase.

Identificación del tipo de material: - EH40: Acero estructural HSLA (acero al carbono de baja aleación con microaleación y control termomecánico). - FH40: Acero estructural HSLA, generalmente optimizado para aplicaciones de placas muy gruesas con mayor tenacidad a través del espesor y modificaciones específicas de aleación/procesamiento.

Nota: Los requisitos químicos y mecánicos exactos varían según las normas y los certificados de fábrica; consulte siempre las especificaciones del contrato o la notación de la sociedad de clasificación para la adquisición.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra rangos de composición representativos que se encuentran habitualmente en los aceros HSLA de tipo EH40 y FH40. Estos son rangos representativos utilizados por las acerías y que figuran en los documentos de clasificación; la composición química certificada real debe obtenerse del certificado de la acería para el lote suministrado.

Elemento	EH40 (rango típico, % en peso)	FH40 (rango típico, % en peso)
do	0,08 – 0,16	0,06 – 0,14
Minnesota	0,6 – 1,5	0,6 – 1,8
Si	0,02 – 0,50	0,02 – 0,50
P (máx.)	≤ 0,03 – 0,04	≤ 0,03 – 0,04
S (máx.)	≤ 0,010 – 0,025	≤ 0,010 – 0,025
Cr	traza – 0.4	traza – 0,6
Ni	traza – 0,6	traza – 0.8
Mes	traza – 0,05	traza – 0,08
V	0,00 – 0,08	0,00 – 0,10
Nb (Nb/Ta)	≤ 0,05	≤ 0,06
Ti	rastro	rastro
B	trazas (ppm)	trazas (ppm)
norte	niveles de control (ppm)	niveles de control (ppm)

Notas explicativas: - Estos grados son aceros HSLA cuya resistencia proviene de una combinación de carbono, manganeso y elementos de microaleación (V, Nb, Ti) más procesamiento (control termomecánico). - La composición química tipo FH40 puede presentar adiciones de carbono ligeramente inferiores y de microaleaciones algo superiores para promover la precipitación de carburos/nitruros finos y una mejor tenacidad a través del espesor en secciones muy gruesas. - La aleación aumenta la templabilidad y la resistencia (Mn, Cr, Mo) pero también incrementa el riesgo de agrietamiento en frío en las soldaduras; la microaleación (Nb, V, Ti) permite una alta resistencia con menor contenido de carbono mediante el fortalecimiento por precipitación y el refinamiento del grano.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Las microestructuras típicas de los grados EH40 y FH40 dependen en gran medida del procesamiento:

• EH40 (placa gruesa estándar, TMCP o normalizada):
• Microestructura típica: ferrita-perlita de grano fino o ferrita con bainita dispersa, dependiendo de la velocidad de enfriamiento y la aleación.
• El procesamiento termomecánico controlado (TMCP) produce una matriz de ferrita refinada con cantidades controladas de bainita inferior o perlita degenerada para aumentar la resistencia a la fluencia y mejorar la tenacidad.

• La normalización se puede utilizar para homogeneizar la estructura en placas más gruesas; el temple y revenido no es típico para placas estructurales grandes debido a la distorsión y el costo.

• FH40 (optimizado para placas muy gruesas):

• Énfasis en las propiedades a través del espesor: control más estricto del enfriamiento y de los precipitados de microaleación, a menudo con menor contenido de carbono y mayor microaleación para mantener la tenacidad a través de la línea central de placas muy gruesas.
• La microestructura está diseñada para reducir la formación de bandas y promover la formación de ferrita acicular o ferrita poligonal fina con carburos y nitruros distribuidos.
• Se utilizan programas de laminación termomecánica, enfriamiento acelerado y recalentamiento controlado para lograr un refinamiento uniforme del grano a través del espesor.

Respuesta al tratamiento térmico: - La normalización mejora la uniformidad y la tenacidad, pero puede resultar poco práctica para espesores extremos. - El laminado controlado y el enfriamiento acelerado son la vía industrial para obtener la combinación necesaria de resistencia y ductilidad sin temple y revenido completos. - El proceso FH40 puede requerir un control de procesos más estricto y pruebas no destructivas adicionales para placas muy gruesas para asegurar la tenacidad a través del espesor.

4. Propiedades mecánicas

A continuación se muestran los rangos representativos de propiedades mecánicas que se suelen especificar para las placas HSLA de tipo EH40 y FH40. Los valores varían según el espesor, el procesamiento y los límites de especificación; consulte los requisitos del contrato.

Propiedad	EH40 (típico)	FH40 (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	490 – 650	480 – 640
Límite elástico (MPa)	355 – 485	320 – 460
Alargamiento (% en 50 mm o según lo especificado)	18 – 26	18 – 26
Impacto Charpy (J)	Especificado a bajas temperaturas; típico 27 ​​J a −20 °C a −40 °C	Requisitos más estrictos para el espesor total; 27 J a temperaturas más bajas y/o pruebas de mayor espesor.
Dureza (HB)	160 – 250	150 – 240

Interpretación: - Los aceros EH40 y FH40 se superponen en rangos de resistencia nominal; el EH40 se especifica a menudo para objetivos de límite elástico ligeramente superiores en espesores estándar. - El acero FH40 se configura habitualmente para enfatizar la tenacidad a través del espesor en lugar de una resistencia a la fluencia ligeramente superior; esto puede traducirse en una fluencia nominal ligeramente inferior, pero una mayor capacidad de detención de grietas y tenacidad a la fractura en placas gruesas. - La ductilidad (elongación) es comparable cuando cada grado se produce según sus especificaciones; el factor diferenciador es la tenacidad, especialmente a través del espesor y a baja temperatura.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de estos aceros HSLA está determinada por el contenido de carbono, el equivalente de carbono y el contenido de microaleación. Los índices de soldabilidad comunes utilizados para evaluar cualitativamente la susceptibilidad al agrietamiento en frío asistido por hidrógeno incluyen:

• Equivalente de carbono (forma IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Interpretación cualitativa: - Un menor contenido de carbono y un Mn controlado favorecen la soldabilidad; los elementos de microaleación (Nb, V, Ti) aumentan la templabilidad, lo que puede incrementar el riesgo de zonas duras en la ZAT y de agrietamiento en frío si no se controlan el hidrógeno y la restricción. - Las composiciones químicas tipo FH40 (con menor contenido de C y mayor microaleación) se suelen seleccionar para equilibrar la templabilidad y la tenacidad; deben tenerse en cuenta el precalentamiento, la temperatura controlada entre pasadas, los procedimientos con bajo contenido de hidrógeno y las consideraciones sobre el tratamiento térmico posterior a la soldadura, en función del espesor y las especificaciones de la placa. - Para placas muy gruesas, el control del aporte de calor, el precalentamiento y la velocidad de enfriamiento de la ZAT es fundamental; la calificación del procedimiento de soldadura (WPS/PQR) y el control del hidrógeno se vuelven más exigentes.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el EH40 como el FH40 son aceros de baja aleación no inoxidables y requieren protección superficial en ambientes corrosivos (agua de mar, exposición atmosférica).
• Métodos de protección comunes: galvanizado en caliente (cuando corresponda), sistemas epoxi multicapa, capas superiores de poliuretano, metalización (proyección térmica) y ánodos de sacrificio para aplicaciones sumergidas.
• Los índices de intemperie (por ejemplo, PREN) no son aplicables a estos aceros al carbono/aleados: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Esta fórmula solo tiene sentido para aceros inoxidables con cantidades significativas de Cr, Mo y N; para EH40/FH40 los niveles de Cr y Mo son demasiado bajos para la clasificación de corrosión basada en PREN.
• La selección de recubrimientos y protección catódica debe considerar la vida útil prevista, el acceso para mantenimiento y el entorno de destino (zona de salpicaduras, sumergido, atmosférico).

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos grados presentan una maquinabilidad moderada; las variantes con menor contenido de carbono (típicas del FH40) pueden ser ligeramente más fáciles de mecanizar. Se recomienda el uso de herramientas de carburo o recubiertas, así como avances y velocidades adecuados, para cortes de gran espesor.
• Conformabilidad/doblado: El acero EH40, con objetivos de límite elástico más elevados, puede reducir la deformación admisible por conformado en comparación con el acero FH40 de menor contenido en carbono. El doblado en frío de placas gruesas es limitado y a menudo requiere calentamiento o laminado; los límites de conformado deben validarse mediante ensayos de doblado según las especificaciones.
• Corte y corte térmico: El corte por plasma y oxicorte son métodos estándar para placas gruesas. El precalentamiento y la limpieza controlada posterior al corte reducen las tensiones residuales y las microestructuras afectadas por el calor.
• La preparación de la superficie para soldadura y recubrimientos debe controlarse cuidadosamente en placas muy gruesas para evitar que la laminación o los defectos en la línea central se conviertan en iniciadores de fallas.

8. Aplicaciones típicas

EH40 (usos comunes)	FH40 (usos comunes)
Revestimiento de cascos y cubiertas de buques donde se desea un límite elástico nominal superior para placas gruesas estándar.	Cascos o cubiertas de gran espesor donde la resistencia a través del espesor es fundamental (por ejemplo, secciones para hielo, grandes placas base de plataformas marinas).
Elementos estructurales (vigas, ménsulas) en fabricación pesada	Estructuras soldadas de sección profunda y placas de transición gruesas que requieren una fragilización mínima de la línea central.
Componentes no presurizados que retienen presión donde el equilibrio entre resistencia y coste es importante	Uniones soldadas críticas de gran espesor donde se debe garantizar la detención de grietas y la tenacidad a la fractura en todo el espesor

Justificación de la selección: - EH40: elegido por su alta resistencia en rangos de espesor de producción estándar donde el TMCP convencional proporciona las propiedades requeridas. - FH40: se elige cuando el espesor de la placa excede el rango normal de TMCP o cuando existen demandas de tenacidad a través del espesor más severas; el procesamiento y la química están optimizados para mantener las propiedades en el interior de la placa.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: Generalmente, ambos grados se encuentran en la banda de precios HSLA; el FH40 puede tener un precio superior debido a un control de proceso más estricto, pruebas más rigurosas y posibles programas de laminación especiales para placas muy gruesas.
• Disponibilidad: Las placas tipo EH40 son comunes en muchos fabricantes y se ofrecen en espesores estándar. Las placas tipo FH40 pueden estar disponibles, pero pueden requerir pedidos especiales, plazos de entrega más largos y certificación de ensayos de espesor para secciones muy gruesas.
• Formatos del producto: Planchas, piezas cortadas a medida y conjuntos prefabricados. Las planchas FH40 de gran espesor pueden ser producidas por un número menor de acerías, por lo que conviene discutir los plazos de entrega y las cantidades mínimas de pedido al inicio del proceso de adquisición.

10. Resumen y recomendación

Atributo	EH40	FH40
Soldabilidad	Funciona bien con controles estándar; vigilar la endurecimiento de la zona afectada por el calor.	Es bueno, pero requiere una WPS más estricta para secciones muy gruesas.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Alta resistencia nominal en espesor estándar	Tenacidad optimizada a través del espesor en placas muy gruesas
Costo	Normalmente más bajo para la producción estándar	Posible prima por procesamiento y pruebas especiales

Recomendaciones: - Elija EH40 si necesita placas HSLA de alta resistencia en espesores convencionales de placas gruesas donde el TMCP estándar o la normalización proporcionan una tenacidad adecuada a través del espesor, y usted prioriza la relación resistencia-costo para aplicaciones estructurales comunes. - Elija FH40 si especifica placas muy gruesas (espesor extremo) o si el diseño requiere una tenacidad a la fractura garantizada a través del espesor y una fragilización mínima en la línea central; la química y el procesamiento estilo FH40 ayudan a mantener propiedades uniformes a través de grandes secciones transversales, aunque probablemente con un costo de adquisición y procesamiento más alto.

Nota final: Para cualquier aplicación crítica, especifique en el contrato los criterios mecánicos y de tenacidad dependientes del espesor, las cualificaciones del procedimiento de soldadura y los ensayos no destructivos. Confirme los certificados de fábrica y realice ensayos independientes cuando sea necesario para garantizar que el grado seleccionado cumpla con los requisitos específicos del proyecto en cuanto a espesor y rendimiento de soldadura.