CIENCIA DE LOS MATERIALES
SEMINARIO: ACEROS INOXIDABLES
MARTENSÍTICOS ENDURECIDOS POR PRECIPITACION.
Integrantes: ALVAREZ, Tomás Alfredo FERRER, Juan
Docentes:
DRUKER, Ana PEDRANA, Enrique
AÑO: 2012
Contenido SEMINARIO: SEMINARIO: ACEROS ACEROS INOXIDABLES INOXIDABLES....................................................................................... ........................................................................................... ....1 Introducció Introducción n ..................................................................... ........................................................................................................ ........................................................ ..................... 3 Clasificació Clasificación n de los aceros inoxidables inoxidables ...................................... .......................................................................... ............................................. ......... 3 Endurecimien Endurecimiento to por precipitación precipitación de los aceros. aceros. ....................................................................... ....................................................................... 5 Propiedades Propiedades y aplicaciones aplicaciones ................................................................... ................................................................................................... ................................ 6 Aceros inoxidables inoxidables martensít martensíticos icos .................................................................... .............................................................................................. ..........................7 Transforma Transformación ción de la austenita austenita en martensita.................... martensita........................................................ ................................................... ............... 7 Propiedades Propiedades.................................................................. ..................................................................................................... ........................................................ ..................... 8 Temple...................................................................... ......................................................................................................... ........................................................ ..................... 9 Revenido Revenido................................................................... ...................................................................................................... ........................................................ ..................... 9 Clasificación, propiedades y aplicaciones (según norma AISI) ................................................ 9 Bibliografía Bibliografía ....................................................................... .......................................................................................................... ...................................................... ................... 12
2
Introducción La mayoría de los metales se oxidan, por ejemplo, la plata se pone negra, el aluminio cambia a blanco, el cobre cambia a verde y ordinariamente el acero cambia a rojo. En el caso de acero, el hierro presente se combina con el oxígeno del aire para formar óxidos de hierro o “herrumbre”. A principios del siglo XX algunos metalurgistas descubrieron que
adicionando poco más de 10% de cromo al acero, éste no presentaba herrumbre bajo condiciones normales; la razón de ello es que el cromo suele unirse primeramente con el oxígeno del aire para formar una delgada película transparente de óxido de cromo sobre la superficie del acero y excluye la oxidación adicional del acero inoxidable. Esta película se llama capa pasiva. En el caso de que ocurra daño mecánico o químico, esta película es auto reparable en presencia de oxígeno. El acero inoxidable es esencialmente un acero de bajo carbono, el cual contiene como mínimo un aproximado 10.5% de cromo en peso, lo que le hace un material resistente a la corrosión.
Clasificación de los aceros inoxidables El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco familias diferentes; cuatro de ellas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita y dúplex (austenita mas ferrita); mientras que la quinta son las aleaciones endurecidas por precipitación, que están basadas más en el tipo de tratamiento térmico usado que en la estructura cristalina.
3
4
Endurecimiento por precipitación de los aceros. Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación o PH (Precipitation Hardening) son aleaciones de hierro, carbono, cromo y níquel que se caracterizan por la resistencia obtenida a partir del endurecimiento por tratamiento térmico de envejecimiento. Estos aceros pueden ser martensíticos, austeníticos o intermedios entre ambos, dependiendo de la proporción Cr/Ni. Lo que realmente distingue a estos aceros es la adición de ciertos elementos tales como Al, Ti, Mo y Cu, que dan lugar a la aparición de compuestos intermetálicos de manera controlada. Puntualmente, serán susceptibles de ser endurecidas por este método, aquellas aleaciones en las cuales uno de sus compuestos presente una variación de solubilidad junto con la disminución disminución de la temperatura. El propósito del endurecimiento por precipitación es el de crear, en una aleación tratada con calor una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz de metal deformable con el fin de obtener un aumento en las propiedades de resistencia del material. El proceso de endurecimiento por precipitación incluye los tres pasos básicos siguientes: 1. El tratamiento calórico de la solución es el primer paso del proceso de endurecimiento por precipitación. A veces este tratamiento recibe el nombre de solucionizado. Básicamente consiste en una homogeneización de la solución solida, a partir de favorecer el proceso de difusión. 2. El templado es el segundo paso del proceso del endurecimiento por precipitación. La muestra es enfriada rápidamente a una temperatura más baja, generalmente la temperatura ambiente, y el medio de enfriamiento suele ser agua a temperatura ambiente. La estructura de la muestra de aleación después del templado en agua consiste en una solución sólida de matriz martensítica sobresaturada o metaestable. 3. El envejecimiento: Por la condición solida metaestable es necesario envejecer la solución tratada térmicamente y templada de la muestra de aleación para que se forme un precipitado finamente disperso. Este, impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, debido a que las dislocaciones son obligadas a cruzar transversalmente las partículas precipitadas o a rodearlas, hecho que refuerza la aleación. Cuando la aleación se deja envejecer a temperatura ambiente, el proceso se llama envejecimiento natural , mientras que cuando dicho proceso se realiza a altas temperaturas se denomina envejecimiento artificial . La mayoría de las aleaciones requieren un envejecimiento artificial, y la temperatura de envejecimiento suele oscilar entre 15 y 25 por ciento de la diferencia de temperatura entre la temperatura ambiente y la del tratamiento térmico de la solución. s olución.
El efecto del envejecimiento sobre el endurecimiento de una aleación susceptible de ser endurecida por precipitación, que ha sido termotratada y templada en solución, se representa en general con una curva de envejecimiento. La curva de envejecimiento es una 5
gráfica de resistencia o dureza versus tiempo de envejecimiento (usualmente en una escala logarítmica) a una temperatura particular.
En la grafica se muestra una curva de envejecimiento esquemática. En el tiempo cero, la resistencia de la solución sólida sobresaturada se indica en la gráfica sobre el eje de las ordenadas. Conforme aumenta el tiempo de envejecimiento se forman zonas de precipitación y su tamaño aumenta, con lo cual la aleación se vuelve más resistente, más dura y menos dúctil. La resistencia máxima (condición óptima de envejecimiento) se logra si la temperatura de envejecimiento es suficientemente alta, lo cual suele estar asociado con la formación de un precipitado metaestable intermedio. inte rmedio. Si el envejecimiento continúa, de manera que el precipitado intermedio se colapsa y aumenta de volumen, la aleación envejece demasiado y se vuelve más débil que con respecto a la condición óptima de envejecimiento. Propiedades y aplicaciones
El límite elástico de los aceros inoxidables PH está comprendido comprendido entre 515 y 1415 MPa. La resistencia mecánica entre 860 y 1520 MPa. Cuando son trabajados en frío antes de ser sometidos a los tratamientos de envejecimiento, se consiguen aún mayores resistencias. Las propiedades de los aceros inoxidables endurecibles por precipitación se basan en los tratamientos térmicos a los que son sometidos. Además de su gran inoxidabilidad a la temperatura ambiente y a elevadas temperaturas, las principales propiedades de este nuevo grupo de aceros son:
Muy alta resistencia a la tensión en caliente: Estas propiedades permiten emplear con éxito estos aceros para la fabricación de álabes de turbina y para otras piezas de motores de aviación. Gran dureza, gran resistencia mecánica y elevado límite de elasticidad a la temperatura ambiente. 6
Aceros inoxidables martensíticos Los aceros inoxidables martensíticos son una rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo. Estos aceros poseen en su estructura, además de Hierro, un contenido de Carbono, que varía entre 0.15% a 1.2%, y de Cromo, cuyo porcentaje oscila entre 11.5% a 18%. Son aleaciones que tienen una estructura austeníticas a elevada temperaturas y que puede ser transformada en martensita después de un tratamiento térmico de temple con enfriamiento en aire o aceite, elevando su dureza y resistencia al desgaste. Transformación de la austenita aus tenita en martensita
Durante el enfriamiento rápido de la austenita, el tiempo disponible puede ser insuficiente para que se produzcan transformaciones por difusión atómica. En su lugar existirá austenita meta estable hasta que la temperatura llegue por debajo de un valor crítico (90 y 400ºC), al que comienza a producirse la transformación alotrópica. Con el descenso de temperatura continua la formación de martensita. La temperatura Ms (comienzo de formación de martensita) y Mf (final de formación de martensita) señalan el principio y el fin de la transformación durante el enfriamiento; si este concluye antes de alcanzar el valor Mf, se requiere un enfriamiento adicional para producir la transformación completa. La temperatura Ms y el intervalo de temperatura de formación de martensita depende de la composición del acero.
La transformación de la austenita en martensita es un proceso sin difusión, los átomos de Hierro de la austenita, de red FCC, cizallan coordinadamente unos respectos de otros en una fricción de distancia interatómica, de tal modo que forma una red tetragonal centrada. Los átomos de Carbono, que están en solución sólida intersticial en la austenita, no difunden y quedan atrapados a lo largo del eje c, de la martensita, produciendo la tetragonalidad. De hecho, el grado de tetragonalidad depende directamente del contenido de Carbono. El aumento de volumen de aproximadamente 6%, que acompaña la formación de la martensita, es una causa importante de la distorsión y fisuración que pueden producirse durante los tratamientos térmicos comerciales.
7
El aspecto metalográfico de la martensita es marcadamente acicular, formando agujas en zig-zag, con ángulos de 60º. Cuando la transformación es completa y el temple se realiza a temperatura correcta, en general se obtienen estructuras de martensita muy fina, de difícil observación por su aspecto difuso. En cambio, cuando las agujas aparecen sobre un fondo blanco de austenita, la observación es bien clara.
Propiedades La resistencia a la corrosión de este tipo de aceros inoxidables esta asociada a su contenido de Cromo y a su microestructura. Las aleaciones de mayor contenido de Carbono exhiben una menor resistencia a la corrosión en condición de temple y revenido, debido a la mayor susceptibilidad a la precipitación de carburos de Cromo que presentan estos materiales. En términos generales se puede decir que los aceros inoxidables martensíticos presentan una menor resistencia a la corrosión que las demás familias de aceros inoxidables, pero tienen una resistencia mecánica elevada. Algunas aleaciones pueden ser tratadas 8
térmicamente para alcanzar valores de resistencia superiores a 1400 MPa. Estos aceros inoxidables son magnéticos, pueden trabajarse en frío sin dificultad, especialmente con bajo contenido de Carbono, pueden maquinarse satisfactoriamente, tienen buena tenacidad, se trabajan fácilmente en caliente y tiene una baja conductividad térmica. Temple
Todos los aceros inoxidables martensíticos pueden ser templados y revenidos, y la dureza alcanzada dependerá del contenido de Carbono de la aleación (en aceros de bajo Carbono la dureza máxima es de 45 HRc y en los de alto contenido de Carbono, la dureza puede alcanzar valores próximos a 60 HRc). Al igual que los aceros al Carbono, estas aleaciones son susceptibles a la fragilidad de revenido cuando son tratados térmicamente después del temple en el rango de 450 a 540ºC. Su temperatura límite de trabajo es de 475ºC puesto que se produce un fenómeno de fragilización por precipitación. Revenido
Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentando la tenacidad. Consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Clasificación, Clasificación, propiedades y aplicaciones (según norma AISI) AISI
Composición química
Propiedades
Usos
403
C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo
Construcción de los elementos de turbina delicados, como ser las alabes y las toberas
410
C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo
Limite elástico resistencia al impacto elevado. Resistente a la corrosión, alta resistencia mecánica y resistencia al impacto, fácilmente formable en frío Resistente a la corrosión, alta resistencia mecánica y resistencia al impacto, fácilmente formable en frío
Construcción de válvulas, alambre tejido para zaranda, ejes de bombas, bulones, gran variedad de elementos para industria química, del petróleo, etc.
9
416
418
420
420-F
C: 0,15% máximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% máximo Si:0,5% máximo P: 0,04% máximo S: 0,18% a 0,35% Mo: 0,6% máximo C: 0,15% máximo Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo W: 2,5% a 3,5%
C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn: 1% máximo Si:1% máximo P, S o Se: 0,07% máximo Mo o Zr: 0,6% máximo
Baja resistencia a la corrosión
Tornillos, remaches, elementos forjados, accesorios de tuberías para aviones
Resistencia mecánica a alta temperatura. Resistencia a la deformación a temperatura hasta 600ºC igual o mayor a los aceros austeniticos. Fácilmente mecanizable y puede ser soldado sin dificultad Resistencia mecánica y ductilidad
Para la construcción de vástagos de válvulas para vapor recalentados y tubos para los intercambiadores de calor
Fabricación de cuchillos para mesa
Similares a la precedente. Más fácil de mecanizar. Menor resistencia a la corrosión, impacto y formabilidad en frío Resistencia mecánica y al impacto similar a las del grado 414. Mayor resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas Dúctil para ser Fabricación de formado en frío y cubiertos en adquiere dureza general con el temple
431
C: 0,20% máximo Cr: 15% a 17% Ní: 1,25% a 2,5%
440-A
C: 0,6% a 0,75% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Mo: 0,75% máximo
440-B
C: 0,75% a 0,95% Cr: Mas duro que el 16% a 18% Mn: 1% 440-A máximo Si:1% máximo Mo: 0,75%
Bolillas y anillos para los rodamientos, instrumentos 10
máximo
440-C
C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Mo: 0,75% máximo
440-F
C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% máximo Si:1% máximo Se: 0,07% mínimo
Gran dureza, resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, alta resistencia al desgaste por abrasión Facilidad de ser mecanizado en maquinaherramientas automáticas
quirúrgicos y dentales, tijeras, cuchillos Construcción de inyectores, elementos de válvulas, bolas para los molinos a bolas, asientos para las bombas de pozo de petróleo Fabricación de tornillos
11
Bibliografía
Smith, W.F. (2006), Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, McGraw-Hill MANUAL DE LOS ACEROS INOXIDABLES, George Istrati - Capitulo III
12
