LMEC324 INGENIERÍA DE MATERIALES
Trat Tr atam amie ient ntos os té térm rmic icos os de ace acero ross Dr. Ing. M. Oscar Villegas I.
1600 1538 C 1493 C
δ
L
1400 1394 C 120 0
γ
1147 2.14%C C
4.30% C
1000 910 C 800
α
0.8% C
600
400 C F e
1% C
2% C
3% 4% C C Diagrama de fases Fe – Fe3C
5% C
6% C
6.67% C
Microestructura obtenida con un un enfriamiento enfriamiento lento de un acero acero SAE1040
100% 1% 99%
60% 40%
+ Fe3C
= 60% P = 40%
94% 6% Fe3C
p
Fe3C 94 = 60 + e
e
= 34% Fe3C Fe3C = 6%
P = + Fe3C
DEFINICIONES ̌ Los tratamientos térmicos tienen el objetivo de modificar modificar la la microestr microestructur ucturaa del materi material. al. ̌
Con ello, se modifican las propiedades del material.
̌
El TT de de un acero acero se inicia inicia austeniz austenizando ando el acero: acero: Se obtiene obtiene austen austenita ita en equilibrio. equilibrio.
̌
Luego Luego la austenita austenita se enfría enfría a diversas diversas velocidad velocidades, es, en diversos medios de enfriamiento.
̌
Como consecue consecuencia, ncia, la austenita austenita se descompone descompone en diferentes microestructuras, con diferentes propiedades.
Diagrama Diagra ma de de fases fases Fe Fe – Fe3C Fe3C:: Referencia para la temperatura de austenización en función de la temperatura.
Rango de temper temperatura aturass del del austen austenizado izado de aceros aceros Hipoeutectoides Banda de austenizado: A3 + 55ºC
Hipereutectoides: Acm + 55ºC
Si el enfriamiento es lento se producen las fases primarias
DESCOMPOSICIÓN DE LA AUSTENITA, ENFRIAMIENTO LENTO
Austenita Acero hipereutectoide
Acero hipoeutectoide
Ferrita primaria + Perlita
Perlita Acero eutectoide
Cementita primaria + Perlita
Tratamientos térmicos usuales en los aceros RECOCIDO: Calentamiento a T < A1. Enfriamiento lento.
Elimina los efectos del trabajado en frío: Dureza y fragilidad.
RECOCIDO TOTAL: Austenizado (T > A3) y enfriamiento lento.
Produce perlita gruesa (además de la fase primaria) y el acero se ablanda: Acero de medio y bajo C, para trabajado en frío o maquinado.
NORMALIZADO: Austenizado (T > A3) seguido de enfriamiemiento al aire. ESFEROIDIZADO: Aceros de alto C se ablandan por calentamiento prolongado a T < A1.
Produce perlita fina (además de la fase primaria). El acero recupera propiedades perdidas con el trabajado enfrío. Produce esferoidita (ferrita y carbono revenido): Permite la maquinabilidad del acero.
MICROESTRUCTURAS EN UN ACERO EUTECTOIDE Recocido total
Perlita gruesa
Normalizado
Perlita fina
Esferoidizado
Esferoidita (850X): Partículas de cementita (Fe3C) distribuidas en una matríz de ferrita.
Efecto del contenido de C y de los tratamientos térmicos en las propiedades mecánicas de los aceros
Control de la descomposición de la austenita: Tratamientos isotérmicos ¸ ¸ ¸
Recocido isotérmico – Tratamiento isotérmico para transformar la austenita en perlita Recocido isotérmico “ausrevenido” – Tratamiento isotérmico para transformar la austenita en bainita Martemplado – Tratamiento isotérmico de la austenita a baja temperatura previo al templado para producir martensita. Para controlar la descomposición de la austenita en otras microestructuras se requiere hacer uso de los diagramas cinéticos:
TTT Temperatura
Tiempo
Transformación.
CONSTRUCCIÓN DE UN DIAGRAMA TTT:
Primero se determina la curva de la fracción transformada a una dada temperatura en función del tiempo. Para ello cierto número de probetas se austenizan y se enfrían bruscamente a una dada temperatura, y luego se mantienen isotérmicas durante tiempos diferentes. La fracción transformada se determina mediante una técnica dilatométrica.
Por ej. Varias muestras de un acero eutectoide son austenizadas a TA = 800ºC, en un horno. Luego se enfrían bruscamente hasta 680ºC, en un baño de sales mantenido a esta temperatura. Luego se las mantiene a esta temperatura diferentes tiempos. Los resultados se pueden resumir en el siguiente gráfico.
Construcción de un Diagrama TTT: Acero eutectoide
Cinética de la transformación isotérmica de la austenita en perlita
Cinética de la trasformación isotérmica de la austenita en bainita
Bainita = Placas muy finas de cementita en una matríz ferrítica.
BAINITA Davenport y Bain (1920) describen esta forma particular de descomposición de la austenita, muy parecida a una martensita revenida, a la que le asignan el nombre de “Trostita – martensita”. Trostita es el primer nombre con que se conoció a la actual perlita fina. Se forma por debajo de la nariz de las curvas C de la perlita, bainita superior, y cerca de la temperatura Ms (inicio de la transformación a martensita), como bainita inferior. Posee su propia curva C; pero a la vez es también atérmica (como la martensita).
Bainita ¸
Superior (550-350°C)
Barras de Fe3C Inferior (350-250°C) ̈ Fe3C Precipitados en placas de ferrita La bainita es como una perlita muy, muy fina. Siguen presentes la ferrita y la cementita, ̈
¸
¸
La formación de martensita es atérmica: No necesita del tiempo; solo de un enfriamiento brusco.
Transformación de la austenita en martensita: Transformación atérmica
Martensita: Fase BCT, misma concentración de C que la austenita (alta sobresaturación). Muy dura.
Agujas de martensita (BCT)
Ejemplos de transformaciones isotérmicas (enfriamientos interrumpidos)
Toda vez que se enfría bruscamente, el tiempo retorna a “cero”.
PG PF BS BI
M
DIAGRAMA TTT DE UN ACERO EUTECTOIDE
B = 75%, γ = 100%
HV <<
B = 75%,
M = 25%
γ =
25%
HV = 0.75 * 400 = 300
Diagrama TTT de un acero hipoeutectoide. Para enfriamientos lentos , diagrama de equilibrio, ocurre que:
La austenita se descompone parcialmente, en ferrita primaria. Esto ocurre cuando T = A3. Cuando T = A1, el resto de la austenita se descompone en perlita. Para enfriamientos “isotérmicos”, el diagrama TTT muestra como límites A3, A1, Ms, Mf.
Diagrama TTT de un acero hipoeutectoide, SAE 1045 Austenita 1% Ferrita
Ferrita
A3
Perlita, 1 – 99% Bainita, 1 – 99% Ms
Mf Martensita
0.45%C
A1
Diagrama TTT de un acero de baja aleación
Tratamientos térmicos isotérmicos para un acero SAE 1080
Ejemplo de varios Tratamientos isotérmicos interrumpidos para un acero SAE 1050
Revenido de la martensita La martensita es muy dura y frágil. Es necesario revenirla para bajar su dureza e incrementar su ductilidad. ̌ El revenido involucra calentar a 250 – 650ºC durante un tiempo variable; los que produce la martensita revenida. ̌
Martensita revenida: Partículas muy finas de cementita (Fe3C) dispersas en una matríz de ferrita.
Efecto de la temperatura de revenido (tiempo estimado en 1 hora) en las propiedades mecánicas de un acero SAE 1050
Efecto de los tratamientos térmicos en el ensayo de tracción de un acero SAE 1045
Dependencia de las temperaturas Ms y Mf para aceros Fe – C en función al contenido de carbono.
Diferencias en la distribución de la cementita (Fe3C) en la ferrita, en tres microestructuras de aceros, a muy alto aumento (microscopía electrónica, 7500X): a) Perlita: Ferrita y cementita laminares. b) Bainita: Cementita laminar en ferrita continua. c) Martensita revenida: Cementita globular en ferrita continua.
DIAGRAMAS DE ENFRIAMIENTO CONTINUO : CCC ̌
Los enfriamientos continuos en diferentes medios son más prácticos y accesibles que los enfriamientos “isotérmicos”.
̌
Para algunos aceros existen diagramas CCC.
̌
Un diagrama CCC (Continuos Cooling Curves) se puede deducir de manera aproximada a partir del correspondiente diagrama TTT.
̌
Las temperaturas límites A1, A3, Acm, Ms, Mf, no se modifican.
̌
Las curvas “C” de la transformación de austenita en perlita, y de austenita en bainita, sufren un retrazo en tiempo y temperatura.
Inicio transformación
1/2
1/2 Final transformación
1/3 1%T
1/3 99%T Curva de enfriamiento continuo
Construcción del diagrama CCC: La transformación “C” se retraza en tiempo y temperatura.
Diagrama TTT (línea punteada) y Diagrama CCC (línea sólida) para un acero eutectoide, SAE 1080. Productos de transformación de la austenita según 3 velocidades de enfriamiento.
Diagrama CCC para un acero de baja aleación, 0.2%C. Se muestran productos de la descomposición de la Austenita para varias velocidades de enfriamiento.
Slow Cooling
Time in region indicates amount of microconstituent!
Medium Cooling
Cooling Rate, R, is Change in Temp / Time °C/s
Fast Cooling
This steel is very hardenable… 100% Martensite in ~ 1 minute of cooling!
Medios de templado Para lograr una determinada dureza en el acero es muy importante contar con el medio de enfriamiento adecuado, que asegure una determinada velocidad de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento, ºC/s, se mide usualmente en el rango de temperaturas entre 700 y 500ºC, región donde la cinética de transformación (austenita en perlita) es más rápida. Los medios de enfriamiento más usuales son: ̌ Agua salada helada (salmuera) ̌ Agua ̌ Aceite mineral ̌ Aire Para mantenimiento isotérmico se pueden emplear: ̌ Baño de sales fundidas ̌ Metales fundidos (plomo) ̌ Aceite caliente
Curvas de enfriamiento en diversos medios
Efecto de los aleantes en el acero Fe - C ¸ ¸
¸
¸
Templabilidad – Los aleantes (Cr, Ni, Mo, Mn, etc) se añaden para incrementar la templabilidad del acero. Diagrama de fases - Los aleantes modifican el diagrama Fe – Fe3C. Algunos son austenizantes (Ni, Mn), otros son ferritizantes (Cr, Mo). Diagrama TTT – Todos los aleantes retrazan la cinética de descomposición de la austenita en ferrita y perlita. De esta manera permiten que la austenita pueda descomponerse en martensita a más bajas velocidades de enfriamiento. Revenido - Los aleantes retardan la velocidad de revenido del acero templado.
Diagrama TTT de aun acero SAE – AISI 4340
Diagrama CCC de un acero 4340 y productos de transformación a diferentes velocidades de enfriamiento.
Efecto de la adición de 6% Mn al acero Fe-C: El punto eutectoide se modifica de 0.8 a 0.45%C. La isoterma eutetoide baja de 723 a 675ºC. El campo de la austenita se amplía.
Ausformado: Trabajado mecánico en caliente de la austenita (T < A1), seguido de templado (martensita) o enfriamiento (bainita): Solo posible en aceros aleados que produzcan una “bahía” entre las cinéticas de la perlita y de la bainita.
RESUMEN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE UN ACERO EUTECTOIDE
Durante el revenido, solo el acero de alta templabilidad, templable al aire, produce un endurecimiento secundario.
Ensayo de templabilidad: Ensayo Jominy ¸
¸ ¸
Ensayo Jominy – Ensayo para evaluar la templabilidad de un acero (capacidad de endurecimiento). La barra Jominy es austenizada y templada solo en el frente, para producir una gama de velocidades de enfriamiento a lo largo de la barra. Templabilidad - Habilidad de un acero de formar martensita. Fundamento del ensayo – Los aceros Fe-C y los aceros de baja aleación, tienen la misma conductividad térmica, K. De esta manera, la velocidad de enfriamiento es común para estos aceros.
Curva Jominy Dureza Rockwell C, vs. distancia Jominy ó velocidad de enfriamiento. ¸
2” Diámetro
4”
DJ
1
2
3
4
5
6
7
8
V
315
110
50
36
28
22
17
15
DJ
10
12
16
20
24
28
36
V
10
8
5
3
2.8
2.5
2.2
Valores de la distancia Jominy (1/16”) vs. la velocidad de enfriamiento (ºC/s).
Alta templabilidad
Baja templabilidad Curvas Jominy de aceros seleccionados
Superficie
Centro
La velocidad de enfriamiento depende además de la geometría de la pieza. Ejemplo: Resultados experimentales con barras redondas.
DJ = 12,(centro) corresponde a una velocidad de enfriamiento de 8ºC/s. DJ = 9, (superficie) Corresponde a 12ºC/s
Aceros que cumplen 35HRC en el centro: 1080, 9310, 8640, 4340 Aceros que cumplen 40HRC en la superficie: 9310, 8640, 4340 Acero elegido:
SAE9310
Curvas Jominy de algunos aceros disponibles
Aceros especiales: Alta aleación ¸
Aceros para herramientas – Alto carbono: Combinación de alta dureza, tenacidad, resistencia a altas temperaturas: Fe – 0.7%C + 18%W, 4% Cr, 1%V. La martensita de templado (al aire) resiste el revenido del calentamiento al trabajar la pieza. El revenido produce un endurecimiento secundario por precipitación de carburos. Los aceros que contienen como aleantes, Cr, V, Mo, W, fuertes formadores de carburos, especialmente a T mayores a 500ºC, como Cr23C6, VC, Mo2C, W2C, dando como resultado un endurecimiento secundario, debido a que estos carburos son muy finos, muy estables, y se forman de manera coherente con la fase matriz.
Durante el revenido, solo el acero de alta templabilidad, templable al aire, produce un endurecimiento secundario.
Endurecimiento por precipitación (envejecimiento). Tiene lugar en ciertas aleaciones cuando son calentadas durante tiempos prolongados. Aparecen precitados muy finos de una segunda fase. Los precitados crecen y distorsionan elásticamente la fase matriz, del metal base. Las dislocaciones no pueden moverse en este campo de tensiones y el material se endurece fuertemente.
Endurecimiento por precipitación (envejecimiento). Requisito: Diagrama de fases con solubilidad parcial. Fundamento: Formación de precipitados coherentes. Átomos metal base (Fe) Átomos del precipitado Coherencia = Continuidad en la red cristalina del metal base Precipitado coherente visible solo al microscopio electrónico
Aceros Maragin Acero aleado de alta resistencia: Acero martensítico endurecido por precipitación. Fe - 18% Ni + Mo + Co : Este “acero” no tiene C! Tratamiento térmico: Austenizado (820ºC) Normalizado
Martensita blanda
Envejecimiento: 500ºC x 3 horas Precipitados Ni3Ti, Ni3Mo, Ni3MoTi.
Aceros inoxidables Aceros con al menos 11% Cr, resistentes a la corrosión: Austeníticos, Ferríticos, Martensíticos.
El acero austenítico tiene muy bajo carbono (0.03 a 0.08%). Por ello es perfectamente soldable.
CODIGOS NUMÉRICOS PARA LOS ACEROS
̌
Para simplificar la referencia a los aceros, existen especificaciones técnicas. La más conocida es el código numérico SAE-AISI; de aplicación a los aceros Fe-C y aceros de baja aleación. Se basa en el uso de 4 o 5 dígitos: X
X
Aleante Principal
Ejemplos: SAE1045: SAE2330: SAE71650:
Cantidad de aleantes
X
X
(1 / 100) %C
1 = Aleante principal: C 0 = Sin aleantes 45 = 0.45% C 2 = Aleante principal: Ni 3 = 3% Ni 30 = 0.30% C 7 = Aleante principal: W 16 = 16% W 50 = 0.50% C
I. Un acero eutectoide es austenizado 1 hora a 800ºC. Luego se ejecuta un enfriamiento isotérmico conforme lo indica la figura adjunta. a) Determine la microestructura que se obtiene a temperatura ambiente. b) Calcule la dureza HRC de esta microestructura. II. Otra pieza de este mismo acero se austeniza 1 hora a 800ºC. Luego se ejecuta un enfriamiento continuo conforme lo indica la figura adjunta. a) Determine la microestructura que se obtiene a temperatura ambiente. b) Calcule la dureza HRC de esta microestructura. III. Diseñe un tratamiento térmico para que con este acero se pueda obtener una microestructura con una dureza HRC = 49,5. ¿Cuál será la microestructura que ofrece este valor de dureza?
Especificaciones especiales Una letra antes de los dígitos indica la tecnología de fabricación. Ejemplo:
SAE- AISI B1020
La letra B quiere decir “Acero al carbono producido por el sistema ácido Besemer”. Ejemplo:
SAE-AISI E 4140
La letra E quiere decir “Acero aleado producido en horno eléctrico”.
Descripción general de las aleaciones ferrosas Hierro dulce. 0.05 < %C < 0.02. Muy blando, dúctil, tenaz, fácilmente soldable, oxidación lenta, ferromagnético. Wrougth iron o hierro forjado es una forma de hierro dulce fabricado de una fundición blanca, fundida sobre una capa de óxidos de hierro, la cual oxida el C, S, P y otras impurezas y las elimina como gases. Al bajar el %C se hace pastoso, se separa de la escoria a golpe. Este material puede forjarse en caliente con gran facilidad. Hasta fines del siglo XIX las columnas se fabricaban de fundición y las vigas de hierro forjado.
El acero como material estructural Hasta el siglo XVIII el acero era un material caro, de uso reducido (armas, sables, cuchillería), que se fabricaba añadiendo C (1 ton de coque) al hierro forjado (3 ton de barras), y calentando durante 3 semanas (cementación). El acero se convierte en material estructural gracias a Sir Henry Bessemer, quien en 1856 inventó el convertidor Bessemer (sopla aire caliente sobre el arrabio líquido, y elimina el exceso de C y las impurezas), que permitió abaratar su costo en un 90%. La aceptación del acero como material estructural fue un proceso lento, como material más seguro a las fundiciones y hierro forjado.
Existen 4 maneras principales de fabricar acero: El convertidor Bessemer (Bessemer furnace) El horno de solera abierta (Open hearth furnace) El horno eléctrico (Electric furnace) El horno de oxígeno (Oxygen furnace) Todos estos procesos trabajan con la misma materia prima, el arrabio o pig iron, el cual es purificado quemando el exceso de carbono y oxidando las impurezas. Luego pueden ser añadidos otros aleantes al acero.
La torre Eiffel se fabricó en 1889 con 7300 toneladas de vigas de hierro forjado, remachadas. La construcción tardó 2 años.
COMO SE FABRICA EL ACERO La Industria Siderúrgica Esquema del proceso siderúrgico. Carbón Coque Mineral de Hierro Fundentes
Gases
Sinterizado Alto Horno
Escoria Arrabio
Colada y moldeo
Colada Continua
Ajuste de la composición Desulfuración Desgasificación Calentamiento Metalurgia Secundaria
Acero Convertidor
1. El mineral de hierro se carga al alto horno con piedra caliza y carbón mineral (coque). Este proceso conocido como smelting produce arrabio o pig iron .
2. El arrabio contiene demasiado carbono y otras impurezas, necesita ser refinado. Para refinar el arrabio líquido se transfiere a un horno de oxígeno básico (Basic Oxygen Furnace, BOF). El acero fundido del proceso BOF puede recibir adiciones de otros aleantes. 3. El acero debe ser desgasificado. Se retiran gases añadiendo Al. Se obtienen los aceros calmados,
semicalmados y efervescentes.
4. El acero es ahora colado en lingotes o sujeto a colada continua. 5. Los lingotes o el producto de colada continua, aun a alta temperatura son transformados en caliente en billets, blooms, slabs, productos llamados semis. 6. Los semis, también en caliente, se laminan a diversas formas, placas, planchas (plates), perfiles, tubos, y por trefilación en alambres.
Colada del arrabio (Pig Iron) en lingotes.
El metal fundido en el alto horno se conoce como hierro cochino, pig iron o arrabio. Composición típica: 4% C, 1.5% Si, 1 % Mn, 0.04% S, 0.04% P, resto Fe.
Laminación en caliente
Slabs, palanquillas
Lingotes colados
Sistema de colada continua de acero
Colada continua de acero
Prensa de forjado de 4000 toneladas
Producto semiacabado: Steels slabs. (Placas de acero).
Placas laminadas en caliente
Procesamientos del acero: Producción de formas acabadas
Chapa de acero laminada en caliente
Chapa de acero laminada en frío
Chapa de acero gavanizada (sumergida en Zn fundido)
Chapa de acero estañada (hojalata)
Producto Producto semiacabado semiacabado:: Blooms Blooms de acero
Producto Producto semiacabado semiacabado:: Billets Billets de acero
Barras de refuerzo para la construcción: Acero corrugado.
Acero de construcción en barras
Alambres de acero
Acero: Alambre de amarre
Perfiles de acero: Angulares
Vigas “I” de acero
Vigas, canales de acero
Acero en barras redondas
Placas planas de acero
Rieles de acero
Tubería de acero, sin costura (Seamless pipe steel)
Tubería de acero, soldada y galvanizada (welded galvanised steel pipe)
Tubo o perfil cuadrado de acero, soldado
Cables de acero
Varillas de acero soldadas para la construcción
Galvanizados Pernos hexagonales de acero
Pasivados
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS
Los aceros aceros hierro hierro – carbono carbono son adecuad adecuados os y de bajo costo para aplicaciones corrientes. Para usos que exigen alta resistencia u otras condiciones severas se requieren aceros de baja b aja aleación o aceros especiales.
CONTENIDO DE CARBONO DE ALGUNOS ACEROS Chapa de barco: 0.2%C Parachoques: 0.08%C Pico: 0.8%C Lima: 1.3%C Hacha: 1%C Sierra: 0.9%C Lata: 0.08%C Cadena: 0.05%C Tijeras: 1.4%C Cincel: 0.7%C Eje tren: 0.35%C Rueda, banda tren: 0.6%C Riel: 0.55%C Cable, puente: 0.8%C Viga, puente: 0.15%C
LOS COMPONENTES DEL ACERO ̌ Los aceros y las fundiciones son aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C), y varios otros elementos; algunos son impurezas inevitables, mientras otras se añaden deliberadamente. %C: Determina la microestructura, la resistencia mecánica (dureza): Usual: 0.1 a 1%C. ̌ %Mn: Aceros estructurales < 0.25%C, Mn < 1.5%. ̌
Aleantes adicionales que se agregan a un acero: ̌ %Cr, Ni, Mo: Aceros de baja aleación: Determinan la templabilidad del acero. ̌ %S, P, N, H: Impurezas indeseables.
Aceros de bajo carbono. Contenido de carbono hasta 0.3%. Son blandos y dúctiles. Pueden ser laminados, repujados, cortados y trabajados mecánicamente en frío o en caliente. Son fácilmente maquinables y soldables. No endurecen de manera considerable; pero puede ser cementados (endurecido superficialmente).
Aceros de medio carbono. Contenido de carbono 0.3<%C<0.5. Pueden ser tratados térmicamente después de la fabricación. Usados para maquinado o forjado general de partes que requieren dureza superficial. Se fabrican en la forma de barras laminadas en frío, normalizadas o recocidas. Al soldar, la zona soldada puede fragilizarse (endurecerse) si el enfriamiento es rápido. Es recomendable efectuar un alivio de tensiones después de la soldadura.
Aceros de alto carbono. Contenido de carbono 0.50<%C<1.05%. Son usados para la elaboración de resortes, brocas, punzones, herramientas, etc; las cuales se tratan térmicamente después de la fabricación para lograr estructuras duras resistentes al desgaste y al corte. Se manufacturan en forma de barras, alambres y chapas, normalizados o recocidos, aptos para el maquinado. Son aceros muy poco soldables.
Aceros para herramientas. Contenido de carbono 0.90<%C<1.70. Sirven para elaborar hojas de corte, cinceles, y herramientas cortantes donde se necesita una superficie muy dura y resistente al desgaste para mantener su aptitud para el corte. Estos aceros no se sueldan.
Aceros de baja aleación. A los efectos de que el endurecimiento del acero se consiga con un templado menos severo que en el agua, por ej. en aceite o incluso baste un enfriamiento al aire, se añaden elementos aleantes al acero. Los aleantes no incrementan ostensiblemente la dureza; pero sí aumentan notablemente la templabilidad. Cuantos más aleantes tenga el acero, tanto mas alta será su templabilidad. Por razones prácticas estos aceros tienen un máximo de 0.4%C. Ej. Aceros SAE: 4140, 4340, 5140, etc.
Tipo de acero C (sin aleantes) Al
SAE 1000
Propiedades obtenidas Dureza superficial y resistencia Desoxidante. Limita el tamaño de grano de la austenita Templabilidad, maquinabilidad
B Mn
Templabilidad, ductilidad, tenacidad, Resistencia al desgaste. Elimina la formación desulfuros Resistencia a la corrosión
Cu Ni
2000
Tenacidad, resistencia a la corrosión
Cr-Ni
3000
Tenacidad y dureza profunda
Mo
4000
Templabilidad, tenacidad, a altas temperaturas
Cr-Mo Cr Cr-Va W Cr-Ni-Mo Si-Mn Ti Co Si
4100 Alta resistencia, tenacidad 5000 Tenacidad, resistencia a la corrosión, resistencia al desgaste 6000 Dureza profunda, tenacidad a temperaturas bajo cero, resistencia a la termofluencia a altas temperaturas 7000 Dureza a altas temperaturas, afina el grano 8000 Tenacidad y resistencia (acero de propósito general) 9000 Dureza profunda y tenacidad bajo impacto Resistencia mecánica y a la corrosión Resistencia mecánica a alta temperatura. Alta permeabilidad magnética Promueve tamaño de grano grande, alta permeabilidad magnética
Aceros de alta aleación. Son aceros que por su elevado contenido de aleantes alteran fuertemente el diagrama de equilibrio Fe-C; adquieren propiedades especiales. Dentro de estos aceros podemos nombrar a los siguientes. Aceros inoxidables. Contienen principalmente cromo y níquel. Es el cromo el que le otorga resistencia a la corrosión por la formación de una película fuertemente adherente de Cr2O3, siempre que esté presente en proporción mayor al 12%. Existen varios tipos de aceros inoxidables.
Aceros especiales. Son aceros diseñados para usos extremos, por ej. que requieran muy elevada resistencia mecánica y a la vez una superior tenacidad, combinados con buena soldabilidad. Son aceros térmicamente tratables, usualmente templados al aire y envejecidos. Llevan nombre especiales como maraging steels, incolloy, hastelloy steels. Su dureza no la determina el C (casi es una impureza), sino el tratamiento térmico.
FUNDICIONES Son materiales de bajo costo, de bajo rango de fusión. Producen partes complejas de manera fácil mediante colada en moldes de arena. El P (1.8% o mayor) favorece la colabilidad. La baja contracción permite obtener piezas de forma complicada con gran precisión. Son aleaciones de Fe, C y Si conteniendo 2 a 4%C, 0.5 a 3%Si, y un mayor contenido de impurezas que los aceros. El Si favorece la formación de grafito en lugar de Fe3C. El carbono equivalente , y la velocidad de enfriamiento, determinan 2 tipos de fundiciones.
Diagrama de fases de las fundiciones: Diagrama Fe – Grafito: Línea llena. Diagrama Fe – Fe3C: Línea punteada.
Carbono equivalente: C = %C + E
%( Si + P ) 3
Fundición blanca. Se presenta al enfriamiento rápido o cuando el CE es bajo. La reacción eutéctica da lugar a la ledeburita: L → γ + Fe3C Este microconstituyente contiene cantidades masivas de cementita, fase dura y frágil. Luego la austenita se descompone en perlita. Es dura, frágil y no maquinable.
Composición típica de una fundición blanca: Fe - 2.8%C – 1.8%Si.
Fundición blanca. Las dentritas son de cementita (Fe3C). El fondo oscuro es perlita.
Austenita primaria L → γ + Fe3C
Ledeburita
γ → α + Fe3 C
Perlita
Fundición gris. Ocurre que cuando el CE es elevado (principalmente por la presencia de Si, en cantidades mayores al 2%) o cuando la velocidad de enfriamiento es muy lenta. Al solidificar se forma una mezcla de austenita y grafito: L → γ + grafito El grafito se forma como hojuelas o flecos, afilados y entrelazados. Durante el subsecuente enfriamiento lento la austenita se descompone en ferrita y grafito; por lo que la fundición gris es un material mucho más dúctil y blando, y sobre todo, muy maquinable.
Sin embargo, las laminillas de grafito actúan como concentradoras de tensiones y el material es poco tenaz. Composición típica de una fundición gris: Fe - 3.5%C – 3.3%Si – 0.5%Mn.
Fundición gris: Flecos de grafito. El fondo fondo blanco es ferrita.
Fundición nodular, fundición dúctil, DUCTILE IRON. La adición adición de pequeñísi pequeñísimas mas cantidades cantidades de de Mg durante durante la colada de una fundición gris permite que el grafito se forme como nódulos, con lo cual el material gana en tenacidad, y adquiere propiedades similares a las de un acero, apto para construir tuberías y elementos de máquinas. Se mejora más este material si la matriz no es perlítica, sino bainítica, lo que resulta en una mejora tanto de la tenacidad como de la resistencia mecánica. Para ello hay hay que que ausformar ausformar el material material..
Las propiedades similares a las de un acero son: Resistencia mecánica, ductilidad, tenacidad. Las propiedades mejores a las de un acero son: Moldeabilidad, resistencia al desgaste, maquinado, resistencia a la corrosión, MENOR COSTO.
Composición típica de una fundición nodular: Fe -3.4%C – 2.5%Si - 0.03% Mg.
Fundición nodular: Nódulos de grafito. El fondo es ferrita y perlita.
Fundición maleable. Es una fundición blanca que ha sido calentada a 950ºC durante varios días, para permitir que la cementita se descomponga generando aglomeraciones irregulares de grafito. Este material resulta mucho mas dúctil; sin embargo no es mejor que una fundición nodular. Fundición maleable: C revenido, fondo matríz ferritica.
HSLA STEELS Ó ACEROS MICROALEADOS Los aceros HSLA, High Strength Low Alloy Steels o aceros microaleados tienen tensiones de fluencia superiores a 275 MPa, 40 Kpsi. Han sido diseñados en 1960 para ofrecer altas propiedades mecánicas, una mayor resistencia a la corrosión atmosférica, y excelente soldabilidad. Se trata de una categoría especial de aceros. Su diseño obedece a lograr ciertos niveles de propiedades mecánicas antes que una cierta composición (son comercializados de esta manera). Estos aceros se endurecen por métodos especiales de tratamiento termo-mecánico, como laminaciones controladas y enfriamientos acelerados.
Los HSLA en la forma de plancha tienen un contenido de C bajo, 0.05 a 0.25%C, a objeto de lograr una buena formabilidad y soldabilidad; y un contenido de Mn de hasta 2%. A ellos se añaden pequeñas cantidades de Cr, Ni, Mo, Cu, N, Va, Nb, Ti y Zr en diferentes combinaciones. Existen 6 grupos de aceros microaleados: Weathering steels (aceros atmosféricos). Aceros microaleados ferrítico – perlíticos. As rolled pearlitic steels (aceros perlíticos de laminación). Acicular ferrite, low carbon bainitic steels (aceros bainíticos de bajo carbono, de ferrita acicular). Dual phase steels (Aceros de dos fases). Inclusión shape controlled steels (aceros de inclusiones controladas).
Las aplicaciones de los aceros HSLA dependen de ciertos requerimientos entre los cuales destacamos: Necesidad de reducir el espesor, de mejorar la resistencia a la corrosión atmosférica, de lograr mejores condiciones de formabilidad, tenacidad y soldabilidad. El factor más importante es sin duda la relación resistencia mecánica / peso, en la cual los aceros HSLA ganan ampliamente a los aceros convencionales. Por ello, los HSLA se usan extensamente en la fabricación de componentes estructurales de automóviles. Casos de Japón y la Unión Europea.
Para fabricar una pieza cilíndrica se dispone de hasta 5 aceros, cuyas curvas Jominy se muestran en el diagrama adjunto. a) Austenizando una pieza acero SAE 1040 y luego templando en aceite se obtiene una dureza dureza que es muy blanda. Para esta pieza se requiere como mínimo obtener una dureza HRC = 45. b) Si se mantiene el mismo tratamiento térmico, cual de los restantes 4 aceros sería el más adecuado? Escójalo mediante el diagrama. Solución. El templado en aceite tiene una velocidad de enfriamiento de 17ºC/s.
HRC 54 HRC 51 HRC 47 HRC 38
HRC = 22, para el acero SAE 1040, << 45 HRC requerido.
El acero adecuado sería el SAE 8640. Produce HRC = 47 a un menor costo. c) Se propone como otra solución seguir usando el acero SAE 1040; pero cambiar el medio de temple, por ej. usar agua. ¿Se podrá obtener la dureza requerida con el SAE 1040 en estas condiciones? Solución. El templado en agua tiene una velocidad de enfriamiento de 170ºC/s.
HRC 45
d) Si la solución propuesta en c), es posible, cual será la ventaja del 1040 frente al acero escogido en b,? Cual será su desventaja? Solución:
Ventaja del SAE1040: HRC = 45 al mínimo costo. Desventaja del SAE1040: Mala estabilidad dimensional. Posible fisuramiento y fractura de la pieza. e) Intente describir la microestructura de los aceros SAE 1040 y del acero SAE escogido.
Ferrita Perlita Martensita
