Normalizado frente a TMCP: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros normalizados y los aceros procesados termomecánicamente de forma controlada (TMCP) son dos métodos comunes para la producción de aceros estructurales, con diferentes equilibrios entre resistencia, tenacidad y coste. Al elegir entre ellos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar opciones como la facilidad de fabricación, el riesgo de soldadura, las propiedades mecánicas finales y el coste total del ciclo de vida. Algunos ejemplos típicos de estas decisiones incluyen la especificación del material para elementos estructurales soldados, la selección de placas para recipientes a presión o la elección de bobinas para perfiles laminados, donde la relación resistencia-peso y la tenacidad a baja temperatura son fundamentales.
La distinción fundamental radica en el proceso: los aceros normalizados se basan en un tratamiento térmico tradicional para refinar la microestructura, mientras que los aceros TMCP logran un tamaño de grano y una resistencia refinados mediante programas controlados de laminación y enfriamiento, combinados con microaleación, lo que resulta en una estrategia de aleación y un conjunto de propiedades diferentes. Dado que ambos enfoques se utilizan para cumplir requisitos de aplicación similares (por ejemplo, límites elásticos/resistencia a la tracción y tenacidad al impacto), se comparan con frecuencia en el desarrollo de especificaciones y en las negociaciones con proveedores.
1. Normas y designaciones
Las normas comunes que abarcan los aceros normalizados y TMCP incluyen:
- ASTM / ASME (EE. UU.): ASTM A36, A572, A709, A515, A516 — muchos de estos grados pueden suministrarse normalizados o TMCP; los subgrados específicos indican niveles de procesamiento o propiedades mecánicas.
- EN / Europeo (UE): EN 10025 (series S235, S275, S355) — incluye condiciones de entrega designadas por TMCP (por ejemplo, S355J2+N donde “+N” indica normalizado, mientras que algunos grados S355 se producen según las rutas TMCP).
- JIS (Japón): JIS G3101, G3106 para aceros estructurales; existen opciones de normalización y TMCP.
- GB (China): GB/T 699, GB/T 1591, etc. — Se especifican opciones HSLA y normalizadas.
- ISO: varias normas ISO hacen referencia a condiciones normalizadas y procesadas termomecánicamente.
Clases de materiales comúnmente asociadas con cada proceso: - Normalizados: aceros al carbono y de carbono medio, algunos aceros aleados y aceros estructurales de baja aleación. - TMCP: principalmente aceros HSLA (de alta resistencia y baja aleación), a menudo en placas/bobinas para aplicaciones estructurales y de presión. Ambas rutas pueden utilizarse en aceros al carbono, aceros de baja aleación y, en ocasiones, grados microaleados; los aceros para herramientas y los aceros inoxidables no suelen compararse entre "normalizado y TMCP" en la práctica industrial, aunque se aplican estrategias de tratamiento térmico o laminación comparables.
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | Normalizado (aceros típicos al carbono/baja aleación) | TMCP (aceros microaleados HSLA) |
|---|---|---|
| do | ~0,10–0,60% (depende: bajo a medio contenido de carbono) | ~0,02–0,18% (se mantiene bajo para mejorar la soldabilidad y la tenacidad) |
| Minnesota | ~0,30–1,50% | ~0,30–1,50% (utilizado para resistencia y templabilidad) |
| Si | ~0,10–0,40% | ~0,10–0,60% (desoxidación, cierto fortalecimiento) |
| PAG | ≤0,035% | ≤0,030% (mantenido bajo) |
| S | ≤0,035% | ≤0,010–0,020% (menor para mayor resistencia) |
| Cr | Variable, bajo en carbono simple; puede ser mayor para aceros aleados. | Generalmente bajo; ocasionalmente presente en grados específicos. |
| Ni | Presente en aceros aleados; no común en aceros HSLA básicos. | Poco frecuente en el TMCP HSLA básico |
| Mes | Se utiliza en aceros aleados templados y revenidos; no es común en TMCP básicos. | Ocasionalmente se utiliza en pequeñas cantidades para mejorar la endurebilidad. |
| V | A menudo ausente o bajo | 0,01–0,20% (microaleación para refinar los granos y fortalecer mediante precipitación) |
| Nb (Nb/Ta) | Generalmente ausente | 0,01–0,06% (refinamiento del grano y fortalecimiento por precipitación) |
| Ti | Pequeñas cantidades posibles | 0,01–0,03% (estabilización de N y control de grano) |
| B | No es común | Se pueden utilizar niveles muy bajos de ppm (décimas a ppm individuales) para aumentar la endurecebilidad. |
| norte | Bajo, controlado | Controlado; se utiliza con Ti para formar nitruros estables. |
Notas: Los valores son indicativos de las prácticas típicas de la industria. Los aceros TMCP tienen un bajo contenido de carbono deliberado y se basan en la microaleación (Nb, V, Ti) combinada con laminación controlada para obtener resistencia y tenacidad, mientras que los aceros normalizados pueden utilizar un mayor contenido de carbono o aleaciones diferentes para lograr las propiedades requeridas antes o después de una etapa de normalización en horno.
Cómo afecta la aleación a las propiedades: El carbono aumenta la resistencia y la templabilidad, pero reduce la soldabilidad y la tenacidad. El tratamiento térmico de compresión (TMCP) minimiza el carbono para preservar la soldabilidad. - La microaleación (Nb, V, Ti) proporciona un fortalecimiento por precipitación y un refinamiento del grano durante el laminado/enfriamiento en caliente, lo que permite una alta resistencia sin un tratamiento térmico intenso. - El manganeso favorece la templabilidad y la resistencia a la tracción, pero un exceso de manganeso puede afectar la soldabilidad. - La aleación con Cr, Mo, Ni es más típica cuando se requiere una mayor templabilidad o propiedades a temperaturas elevadas (a menudo en aceros templados y revenidos en lugar de TMCP).
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Ruta normalizada: La normalización consiste en calentar por encima de la temperatura crítica superior para austenizar, seguido de enfriamiento al aire. El resultado es una microestructura de ferrita-perlita (o bainítica en algunas aleaciones) relativamente uniforme y de grano fino, que depende de la composición y la velocidad de enfriamiento. - La normalización reduce la formación de bandas, refina el tamaño del grano y produce propiedades mecánicas predecibles en todo el espesor, pero generalmente no produce la mayor resistencia posible sin una aleación adicional o un temple/revenido.
Ruta TMCP: - El proceso TMCP logra el refinamiento del grano y el control de la transformación mediante laminación controlada en la región austenítica, seguida de un enfriamiento acelerado o controlado que promueve la formación de ferrita y bainita finas, con precipitación de carburos/nitruros de microaleación. - El programa de laminación y enfriamiento suprime el crecimiento de grano austenítico grueso y permite microestructuras de grano ultrafino que proporcionan una alta resistencia a la fluencia con buena tenacidad. - Los aceros TMCP a menudo muestran una microestructura mixta (ferrita fina, islas bainíticas y precipitados dispersos) diseñada mediante parámetros termomecánicos en lugar de un tratamiento térmico separado.
Contexto del temple y revenido (T&R): - Los aceros Q&T (con mayor contenido de aleación, incluyendo Cr y Mo) producen martensita templada para lograr la resistencia y tenacidad deseadas; esta vía es distinta de la normalizada y la TMCP, pero puede utilizarse cuando se requiere mayor dureza o resistencia al desgaste.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad | Normalizado (rangos típicos) | TMCP (rangos típicos de HSLA) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | ~350–700 MPa (aceros de bajo a medio carbono; mayor para grados aleados) | ~400–800 MPa (puede lograr un alto límite elástico/resistencia a la tracción con menor contenido de carbono) |
| Fuerza de fluencia | ~200–450 MPa | ~250–700 MPa (dependiendo del grado) |
| Alargamiento (% en 50 mm) | 18–30% (depende del nivel de fuerza) | 12–25% (normalmente se mantiene con resistencias superiores a las del acero al carbono) |
| Resistencia al impacto (prueba Charpy con muesca en V) | De bueno a muy bueno tras la normalización; depende de la composición y el grosor. | Excelente, sobre todo a baja temperatura cuando se optimizan los parámetros TMCP. |
| Dureza (HB o equivalente HRC) | Moderado; depende del carbono y del tratamiento térmico. | De dureza moderada a relativamente alta; puede presentar una dureza localizada mayor debido a la presencia de bainita fina. |
Interpretación: - Los aceros TMCP suelen alcanzar una mayor resistencia con menor contenido de carbono y una mejor tenacidad que los aceros normalizados de resistencia similar, debido a que las microestructuras de grano fino y el fortalecimiento por precipitación mejoran el equilibrio entre resistencia y tenacidad. - Los aceros normalizados ofrecen propiedades uniformes y predecibles, y pueden ser más dúctiles a niveles de resistencia comparables, dependiendo de su composición.
5. Soldabilidad
La soldabilidad depende principalmente del equivalente de carbono y de la aleación. Dos medidas empíricas de uso común son el equivalente de carbono IIW y la fórmula Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - Los aceros normalizados con mayor contenido de carbono y mayor aleación pueden tener valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ más elevados, lo que indica una mayor sensibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno y la necesidad de procedimientos de precalentamiento/postcalentamiento y soldadura controlada. Los aceros TMCP se formulan con bajo contenido de carbono y microaleación controlada para mantener bajos los equivalentes de carbono; por lo tanto, generalmente ofrecen una soldabilidad superior (menores requisitos de precalentamiento) al tiempo que mantienen una mayor resistencia. Los elementos de microaleación (Nb, V, Ti) en los aceros TMCP deben controlarse: pueden aumentar la templabilidad localmente, pero en general deben equilibrarse para evitar problemas de soldabilidad. Los procedimientos de soldadura deben seguir teniendo en cuenta el espesor, la restricción y la calidad del acero.
6. Corrosión y protección de superficies
Los aceros no inoxidables (tanto normalizados como TMCP) requieren protección superficial en ambientes corrosivos. Medidas comunes: - Galvanizado en caliente - Sistemas de pintura protectora (imprimación/capas de acabado) - Tratamientos metalúrgicos (por ejemplo, recubrimientos de sacrificio, sistemas dúplex)
Los aceros inoxidables quedan fuera de la comparación típica entre el valor normalizado y el TMCP; sin embargo, al evaluar índices de resistencia a la corrosión como el PREN, la fórmula es:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Este índice no es aplicable a los aceros al carbono ni a los aceros HSLA típicos, ya que sus niveles de Cr, Mo y N son insuficientes para proporcionar una resistencia a la corrosión comparable a la del acero inoxidable. En el caso de los aceros al carbono/HSLA, la resistencia a la corrosión se logra mediante recubrimientos o capas superpuestas resistentes a la corrosión.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Corte: Tanto los aceros normalizados como los TMCP se cortan con métodos de corte térmicos o mecánicos estándar; las variantes TMCP de alta resistencia pueden requerir parámetros de corte más robustos debido a su mayor resistencia.
- Maquinabilidad: Un mayor contenido de carbono o aleación disminuye la maquinabilidad. Los aceros TMCP, a pesar de su mayor resistencia, suelen tener un bajo contenido de carbono y aleación, por lo que su maquinabilidad puede ser comparable o ligeramente inferior, dependiendo de la dureza y la microestructura.
- Doblado/conformado: Los aceros normalizados suelen ser más fáciles de conformar cuando el contenido de carbono es mayor pero la resistencia menor. Los aceros TMCP con mayor límite elástico pueden requerir radios de curvatura o tolerancias de conformado mayores; sin embargo, su mayor tenacidad suele ayudar a evitar el agrietamiento si el conformado se controla.
- Acabado superficial y tratamientos posteriores a la fabricación: Las placas TMCP pueden entregarse con una condición superficial optimizada para soldadura y pintura; las placas normalizadas también admiten operaciones de acabado estándar.
8. Aplicaciones típicas
| Normalizado (usos típicos) | TMCP (usos típicos) |
|---|---|
| Vigas y placas estructurales donde se prefieren la fabricación de acero tradicional y un tratamiento térmico predecible (puentes, columnas de edificios). | Cascos de barcos y estructuras marinas que requieren alta resistencia a bajas temperaturas |
| Placas de recipientes a presión cuando se especifica la condición normalizada para la tenacidad a la muesca | Bastidores de maquinaria pesada y grúas donde una mayor relación resistencia-peso es beneficiosa |
| Barras y forjados de carbono medio normalizados para una microestructura uniforme | Componentes para automóviles y vagones de ferrocarril donde se requiere resistencia y robustez con reducción de peso. |
| Fabricación general donde se requiere resistencia moderada y alta ductilidad | Aceros para tuberías y conductos fabricados por TMCP para alta resistencia, tenacidad y soldabilidad |
Justificación de la selección: - Elija la opción normalizada cuando las propiedades uniformes, el rendimiento comprobado tras el tratamiento térmico o los requisitos específicos del código exijan la normalización térmica. - Elija TMCP cuando necesite una mayor relación resistencia-peso, una tenacidad mejorada a bajas temperaturas y una mejor soldabilidad a niveles de carbono más bajos para placas grandes y componentes estructurales.
9. Costo y disponibilidad
- Coste: Los aceros TMCP pueden ser competitivos en precio porque alcanzan una mayor resistencia con menor contenido de aleación y sin necesidad de procesos de temple/revenido que consumen mucha energía. Los aceros normalizados pueden implicar costes adicionales de procesamiento en horno, pero siguen estando ampliamente disponibles y, a menudo, son más económicos para las calidades estándar.
- Disponibilidad: Los aceros normalizados son omnipresentes en numerosos formatos (placas, barras, tubos). Las placas y bobinas de TMCP están ampliamente disponibles en las principales acerías, especialmente para los mercados de tuberías estructurales y de conducción; algunas composiciones químicas especializadas de TMCP o grados de muy alta resistencia pueden tener plazos de entrega o requisitos de lote mínimo.
Diferencias en el formato del producto: El tratamiento térmico de laminación (TMCP) es especialmente común para placas y bobinas de gran espesor, donde se pueden implementar procesos de laminación controlada y enfriamiento acelerado en la producción. El procesamiento normalizado es común para barras, forjados y algunos grados de placas.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | Normalizado | TMCP |
|---|---|---|
| Soldabilidad | De bueno a regular (depende del carbono y la CE) | Generalmente mejor (bajo contenido de carbono + microaleación) |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Bueno (depende del carbono/aleación) | Excelente (alta resistencia con buena tenacidad) |
| Costo | Moderado; ampliamente disponible | Comparable a moderado; eficiente para alta resistencia |
| Facilidad de fabricación | Alta ductilidad para el conformado | Requiere un diseño que permita un mayor rendimiento pero con buena resistencia. |
Elija Normalizado si: - Su aplicación o código especifica una condición de entrega normalizada para la estabilidad dimensional, una respuesta predecible después del mecanizado, o bien necesita una resistencia moderada con alta ductilidad. - Se priorizan especificaciones de materiales más sencillas, una amplia disponibilidad de proveedores y un rendimiento probado en estructuras soldadas donde se acepta un mayor contenido de carbono con procedimientos de soldadura controlados.
Elige TMCP si: - Se necesita mayor resistencia con una tenacidad mejorada a bajas temperaturas y una mejor soldabilidad con menores contenidos de carbono, especialmente para placas gruesas, estructuras marinas, tuberías o aplicaciones donde la reducción de peso es importante. - Busca una vía rentable para lograr una mayor resistencia a la fluencia sin recurrir a aleaciones pesadas ni a procesos de temple y revenido.
Nota final: La selección del material debe considerar las designaciones de grado específicas, el comportamiento de enfriamiento en función del espesor, las especificaciones del procedimiento de soldadura y los requisitos del código aplicable. Consulte con las acerías y los datos de ensayo (Charpy, tracción y soldadura) al calificar un acero normalizado o TMCP específico para aplicaciones críticas.