FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
LABORATORIO Nº1 METALOGRAFÍA DE ACEROS 1045
Ingeniería de Materiales
INGENIERÍA DE MATERIALES - LABORATORIO
ING. PALOMINO BECERRA CORALÍ MERCEDES
AGUILAR NEYRA ALVARADO ALVARADO GORDILLO
ÁLVAREZ ÁLVAREZ MIJHAIL MIJHAIL ALEXIS ALEXIS
ROBLES JOSÉ ANTONIO
MIJAHUANCA MOYA
LUIS ÁNGEL ÁNGEL
PINZÓN CINTHYA GUADALUPE
ROSAS JUANITA
V
“B”
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INTRODUCCIÓN El acero es uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil y adaptable. Ampliamente usado y a un precio relativamente bajo, el Acero combina la resistencia y la trabajabilidad, lo que se presta a fabricaciones diversas. Asimismo sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. Por ello, es considerado como el material o recurso más importante para diversas industrias: automotriz, aeronáutica, construcción naval (buques), construcción civil (aeropuertos, puentes, etc.), maquinarias en general, herramientas de todo tipo, equipos hospitalarios, etc. En el presente informe se estudia el acero al carbono, específicamente el acero 1045, este en el diagrama de hierro-carbono experimenta muchas fases como son la austenita, perlita, entre otras. Pero, solo nos enfocaremos en aprender a preparar probetas para metalografía, comprender la importancia de conocer la estructura de los metales y conocer la microestructura de un acero 1045. Además, para la realización de este informe de laboratorio se tomó en cuenta un estudio metalográfico, con el cual se analizó el acero 1045, por medio del microscopio metalográfico, obteniendo la microestructura de la probeta trabajada. La preparación de muestras metalográficas, es producir una superficie pulida que represente una microestructura específica que pueda ser observada a través del microscopio. Finalmente, el acero 1045 es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarias en condición de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada. Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.
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1. OBJETIVOS
Aprender a preparar probetas para metalografía.
Comprender la importancia de conocer la estructura de los metales.
Conocer la microestructura de un acero 1045.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. ACEROS AL CARBONO / ALEACIONES HIERRO – CARBONO El acero al carbono, constituye el principal producto de los aceros que se producen, estimando que un 90% de la producción total producida mundialmente corresponde a aceros al carbono y el 10% restante son aceros aleados. La composición química de los aceros al carbono es compleja, además del hierro y el carbono que no supera el 2%, hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente – azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción y su dureza, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad (García Bermúdez).
Clases de aceros al carbono:
Aceros al carbono que se usan en bruto de laminación para construcciones metálicas y para piezas de maquinaria en general. Aceros al carbono de baja aleación y alto límite elástico para grandes construcciones metálicas, puentes, torres, etc. Aceros al carbono de fácil mecanización en tornos automáticos.
En estos aceros son fundamentales ciertas propiedades de orden mecánico, como la resistencia a la tracción, tenacidad, resistencia a la fatiga y alargamiento, Estas propiedades dependen principalmente del porcentaje de carbono que contienen y demás aleantes. En general los aceros al carbono ordinarios contienen:
C < 1%, Mn < 0,9%, Si < 0,5%, P < 0,1%, S < 0,1%
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CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS POR SU CONTENIDO EN CARBONO:
ACERO EXTRA SUAVE: el contenido de carbono varía entre el 0.1 y el 0.2 %, tiene una resistencia mecánica de 38-48 kg/mm 2 y una dureza de 110-135HB y prácticamente no adquiere temple. Es un acero fácilmente soldable y deformable.
Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.
ACERO SUAVE: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3 %, tiene una resistencia mecánica de 48-55 kg/mm 2 y una dureza de 135160HB. Se puede soldar con una técnica adecuada.
Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.
ACERO SEMISUAVE: El contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4 %. Tiene una resistencia mecánica de 55-62 kg/mm 2 y una dureza de 150-170HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm 2 y una dureza de 215-245HB.
Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.
ACERO SEMIDURO: El carbono está presente entre 0.4 y 0.5 %. Tiene una resistencia mecánica de 62-70kg/mm 2 y una dureza de 280HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm 2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones.
Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.
ACERO DURO: la presencia de carbono varía entre 0.5 y 0.6 %. Tiene una resistencia mecánica de 70-75kg/mm 2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300HB.
Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.
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ACEROS MUY DUROS: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 0,8 % .Tiene una resistencia mecánica de 75-80kg/mm2.
ACEROS EXTRA DUROS: tienen un contenido en carbono mayor al 0,8 %
ACEROS: ALEACIONES HIERRO-CARBONO El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la industria moderna. A la temperatura ambiente, salvo una pequeña parte disuelta en la ferrita, todo el carbono que contienen las aleaciones Fe-C está en forma de carburo de hierro (CFe3). Por eso, las aleaciones Fe-C se denominan también aleaciones hierro-carburo de hierro. Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienen características muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad muy importante que los distingue. Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%, que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son forjables.
TIPOS DE ACEROS: A. FERRITA Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas.
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En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita, procede de la solidificación. La ferrita en la naturaleza aparece como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
Cristales mezclados con los de perlita (0.55% C) Formando una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C) Formando agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
B. CEMENTITA Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece como:
Cementita proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los granos perlíticos. Componente de la perlita laminar. Componente de los glóbulos en perlita laminar. Cementita alargada en las uniones de los granos (0.25% de C)
C. PERLITA Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento.
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Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.
D. AUSTENITA Este es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y perlita.
E. MARTENSITA Bajo velocidades de enfriamiento bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacia afuera de la estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llegar a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Después de la cementita es el constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a 250 Kg/mm2 y su alargamiento es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
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F. BAINITA Se forma la bainita en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación total de la austenita en bainita.
G. LEDEBURITA La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un contenido total de 1.76% de carbono.
2.2. DIAGRAMAS HIERRO – CARBONO (FERRITA, PERLITA)
FIG 01: DIAGRAMAS DE FASE HIERRO
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– CARBONO
Fases solidas en el diagrama de fases Fe – Fe3C (De la Fig. 01) Cementita (Fe3C): Tiene límite de solubilidad insignificante y una composición de 6.67% C a 93.3 % Fe. Es un compuesto duro y frágil. Ferrita (δ): Estructura tipo BCC. La solubilidad solida del carbono en la austenita alcanza un máximo de 0.09 % a 1465 °C. La introducción del carbono en el Fe modifica las propiedades de este de forma muy significativa y es necesario conocer que ocurre en los aceros al aumentar el % de C.
Hipoeutectoides: Menos de 0.8%C (estructura de ferrita y perlita).
Eutectoides: 0.8%C (estructura de perlita).
Hipereutectoides: Más de 0.8%C y menos de 2.14%C (estructura de cementita y perlita).
Según aumenta el contenido de carbono se produce una deformación ma yor en las redes cristalinas, en las soluciones sólidas y da lugar a la aparición de cementita (Fe 3C), constituyente muy duro y frágil, en mayor cantidad. Además la cementita se sitúa en el borde del grano lo que tiende a fragilizar la estructura del acero de un 0,9 a 1,2%, lo que hace que la resistencia que iba en aumento hasta el momento disminuya mientras que la dureza siempre va a aumentar, reduciéndose la resiliencia y el alargamiento relativo. Es importante también la influencia del carbono en la tenacidad de los aceros. El aumento del contenido de carbono eleva el umbral de fragilidad en frío y hace que disminuya la resiliencia en la región de tenacidad.
2.3. CARACTERÍSTICAS DEL ACERO 1045 Es un acero al carbono, con un contenido del mismo, de aproximadamente 0.45%. Presenta resistencia media en estado laminado en caliente o forjado, es típico para ser templado a la llama o por inducción obteniendo una dureza superficial de 54-56 HRc. Con una penetración de 2.5mm, puede ser soldado. Ampliamente utilizado en la industria automotriz y productos de forja, se usa para manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranajes, acoplamientos, árboles bielas, cigüeñales, piezas de armas, cañones de fusiles, espárragos, tornillería grado 5, herramientas agrícolas, (hachas, azadones, rastrillos, etc.).
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Las palanquillas (cuadrados en aristas redondeadas) se utilizan en rieles de puente grúa, herramientas agrícolas como almodanas, martillos de bola y partes de maquinaria. Soldadura AWS E-7018 / Dureza final obtenida: 55HRc. Se utiliza sin tratamiento térmico en la fabricación de piezas de maquinaria, tales como barras de pistón, piezas de embrague, engranajes, árboles, tornillos, ejes en general, pernos, husillos y especialmente en la industria azucarera en las masas, bases de troqueles y moldes para sustituir el hierro. Utilizado en la industria automotriz en partes que requieren dureza y tenacidad. Responde fácilmente al tratamiento térmico de endurecimiento mediante temple. Especialmente en agua. Buena maquinabilidad, típico para temple a la llama por inducción. PROPIEDADES DEL ACERO 1045:
Propiedades mecánicas:
COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACERO 1045:
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3. MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS
3.1. MATERIALES
Muestra Acero 1045 diámetro 1/2 o 3/4 pulgadas. (FIGURA N° 02)
Tubo de acero inoxidable: Altura máx.: 1.5 cm o 2 cm. Diámetro: 1 o 1/2 pulgada. (FIGURA N°03)
Lijas al agua: N° 100,180, 220, 360, 600, 800, 1000, 1500, 2000.(FIGURA N°04)
Vidrio ancho 20 cm x 8-10 cm (FIGURA N°05)
Resina Poliéster Preparada con Catalizador (Peróxido) (FIGURA N°06)
Aceite o Vaselina.
Alambre de cobre o Palito de chupete
Alúmina
Vasos descartables
3.2. EQUIPOS
MICROSCOPIO METALOGRÁFICO: El microscopio metalográfico es la herramienta que permite ver de forma clara y magnificada las probetas destinadas para la práctica. (FIGURA N° 07)
3.3. INSTRUMENTOS
1 gotero.
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FIGURA N° 03: Tubo de acero inoxidable.
FIGURA N° 02: Muestra de acero 1045
FIGURA N° 04: Lijas al agua.
FIGURA N° 05: Vidrio
FIGURA N° 06: Resida poliéster con catalizador.
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FIGURA N° 07: Microscopio metalográfico invertido GX41 OLYMPUS.
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Interruptor de encendido.
2. Perilla control de iluminancia: Controla la cantidad de lux que iluminan la muestra. 3. Tubo de observación binocular. 4. Platina: Sobre ella se arreglan las probetas. 5. Portador del espécimen: Base sobre la que se encuentra la platina. 6. Puente giratorio: Contiene el objetivo (lentes de aumento). En total son 4 lentes con aumento de 5x, 10x, 50x y 100x 7. Control de movimiento en Y: Posiciona el portador del espécimen en el eje Y 8. Control de movimiento en X: Posiciona el portador del espécimen en el eje X 9. Perilla de ajuste fino: Ajuste de imagen fino. 10. Perilla de ajuste grueso: Ajuste de imagen grueso (8).
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4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Elección de la muestra La elección de la muestra o localización de la parte que va a ser estudiada debe hacerse de tal modo que represente todo el metal o puede ser el sitio de la falla de una pieza o el límite entre una soldadura y el metal base. El tamaño apropiado de la probeta debe ser tal que pueda sostenerse con la mano durante su preparación, el metal que se uso fue acero 1045 (diámetro 1/2 o 3/4 pulgadas; altura 1,5cm).
4.2. Encapsular Para la sección de encapsulamiento la muestra se ha hecho uso de un tubo de acero inoxidable (diámetro 1 pulgada; altura 1,5cm), un vidrio de 20cm x 10cm el cual se limpia con aceite para un mejor resultado; se pone el tubo sobre el vidrio y sobre dentro del tubo se centra el acero 1045 para añadirle la mezcla previamente elaborada de resina y catalizador y así encapsular al acero; se deja que seque por tres días la muestra hasta solidificar el platico de resina sintética.
4.3. Desbaste El desbaste es la operación siguiente al corte y al montaje de la probeta y se efectúa con trozo de papel abrasivo (lija) apoyado sobre un trozo de vidrio perfectamente plano para evitar un desbaste defectuoso. Al pasar de un abrasivo a otro, debe girarse la probeta 90 grados y desbastar hasta que se borren por completo las huellas del abrasivo anterior, teniendo siempre el cuidado de lavar la probeta con agua abundante. Se aconseja pasar la probeta por toda la serie de abrasivos: 180, 220, 280, 320, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500 pues eliminar u omitir algún abrasivo retarda la operación en vez de acelerarla. Al final del desbaste, deben lavarse con agua abundante tanto las probetas como las manos del operador para evitar que las partículas del abrasivo o del metal en la etapa del desbaste pase a las pulidoras lo cual los haría inservibles, además en algunos tipos de aleaciones como las de aluminio, la corriente de agua evita el ennegrecimiento de la superficie.
4.4. Pulido con aluminio El pulido se hace apoyando la cara desbastada de la probeta sobre el paño embebido con una suspensión de abrasivo (alumina), la probeta deberá desplazarse en la dirección del radio, desde el borde hasta el centro del disco.
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Debe lavarse la probeta en un chorro de agua caliente, secar con la ayuda de un secador, sin tocar la cara pulida, enjuagarla con alcohol y secarla finalmente con aire seco o caliente. Como paños pueden emplearse el paño de billar, raso, la seda, terciopelo, y otros que corresponden a nombres comerciales como Selvit, Gamal, Kanvas, Microcloth, etc. Como abrasivo puede usarse una suspensión acuosa de alúmina, óxido de cromo, óxido de hierro, óxido de magnesio, o para materiales muy duros una suspensión de polvo de diamante en aceite mineral. El tamaño de la partícula abrasiva en suspensión oscila entre 100 y algunas décimas de micrón.
4.5. Ataque químico Para el ataque, se toma la probeta con la pinza y se sumerge con la cara pulida hacia abajo en el reactivo de ataque contenido en el recipiente. Se tiene la probeta sumergida cinco segundos, se extrae, se lava con alcohol etílico 96ºGL, se seca y se observa al microscopio, se registra el campo observado a diferentes aumentos. Se vuelve a pulir y se repite la operación descrita anteriormente manteniendo sucesivamente la probeta sumergida durante 10, 20, 40 y 80 segundos, registrando el campo observado después de cada ataque.
4.6. Microscopio Mediante el ataque es posible poner de manifiesto el tamaño, forma y distribución del grano (metalurgia de fases), así como heterogeneidades en la estructura y las segregaciones.
FIGURA N° 09: Desbaste.
FIGURA N° 08: Encapsulamiento.
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FIGURA N° 10: Pulido
FIGURA N° 11: Ataque químico.
FIGURA N° 12: Microscopio.
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5. RESULTADOS Se obtuvo del microscopio las siguientes imágenes de la estructura del Acero 1045 de tres probetas trabajada por el grupo:
FIGURA N° 13: Microestructura del acero 1045 (Probeta 01 – Aguilar Neyra Luis).
FIGURA N° 14: Microestructura del acero 1045 (Probeta 02-Gordillo Robles Antonio).
FIGURA N° 15: Microestructura del acero 1045 (Probeta 03-Mijahuanca Pinzón Cinthya).
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7. CONCLUSIONES
Se logró aprender a preparar probetas adecuadas para el estudio metalográfico, siguiendo rigurosamente el procedimiento indicado por el docente a cargo.
Concluimos que el ACERO 1045, es un acero al carbono ya que su % de C está dentro del rango de 0.05 a 2.00% de Carbono.
El acero de tipo 1045 está ubicado por bajo la línea eutectoide, por podemos decir que es un acero hipoeuctectoide, y que además presenta las fases austenita, ferrita proeuctectoide y perlita.
También podemos afirmar que las propiedades del acero 1045 varían según la temperatura en sus diferentes tratamientos térmicos y además que la composición de este acero es:
CARBONO
0.43% - 0.50%
MANGANESO
0.60% - 0.90%
FÓSFORO
0.04%
AZUFRE
0.05%
Se comprendió finalmente que el Acero 1045 es importante debido a que es ampliamente utilizado en la industria automotriz y productos de forja, se usa para manivelas, chavetas, pernos, bulones, engranajes, acoplamientos, árboles bielas, cigüeñales, piezas de armas, cañones de fusiles, espárragos, tornillería grado 5, herramientas agrícolas, (hachas, azadones, rastrillos, etc.); y todo esto gracias a las propiedades antes estudiadas.
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8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:
http://saboowargod.blogspot.pe/2011/11/practica-2-metalografia.html
http://montajesurbanos.com/aceroalcarbon.html
www.http://www.utp.edu.co/~publio17/aceroalC.htm
https://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20d el%20acero.htm
http://e-ducativa .catedu .es/44700165 /aula/archivos /repositorio /1000 1092 /html /2 _diagrama _de_ aleacin_hierrocarbono.html
http://reydin.com.co/aceros-sae-1045/
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