1.- ¿Qué es el acero? Microconstituyentes, estructuras cristalinas.
2.- Características físicas de los aceros.
3.- Diagrama hierro carbono (este apartado casi daría para una entrada completa, pero bueno, explicar los puntos principales, qué representa, sus constituyentes y sus transformaciones).
4.- Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono.
5.- Relación entre características físicas y tamaño de grano.
6- Otros productos siderúrgicos y sus características.
7.- Aleantes y características que aportan al acero.
8.- Tratamientos térmicos. Explicar en base a diagrama Fe-C y desarrollar sus diagramas TTT.
1.- ¿Qué es el acero? Microconstituyentes, estructuras cristalinas.
Es una aleación Fe-C con un % de C entre el 0,03 y 1,76. Tiene la capacidad de cambiar sus propiedades mecánicas mediante variaciones controladas de temperatura lo cual se debe a los distintos constituyentes que aparecen según la temperatura.
-Microconstituyentes del acero
A Tª ambiente o granos obtenidos por enfriamiento lento del arrabio o 1ª colada:
·Ferrita: Contiene 0,008% de C. Blando, dúctil y baja resistencia a rotura.
·Perlita: Contiene 0,89 % de C. Dureza, resistencia y ductilidad media.
·Cementita: Contiene 6,67 % de C. Duro y muy frágil.
· Constituyente a alta Tª, Austenita: Tiene gran plasticidad, es dúctil y maleable y permite un alargamiento del 30%. Por estas características, la austenita permite ser trabajada con facilidad y es la razón de que el acero caliente al rojo para fabricar piezas por estampación, forja…
· Constituyente al enfriar rápidamente desde la austenita, la Martensita: Tiene gran dureza y resistencia pero es poco dúctil y maleable.
-Estructuras cristalinas
La distribución atómica en sólidos cristalinos puede describirse mediante una red espacial donde se especifican las posicionesatómicas por medio de una celdilla unidad que se repite y que posee las propiedades del metal correspondiente. Existensiete sistemas cristalinos basados en la geometría de las longitudes axiales y ángulos interaxiales de la celdilla unidad, con catorce subretículos basados en la distribución interna de ésta. En los metales las celdillas unidad de las estructuras cristalinas más comunes son: cúbica centrada en el cuerpo (bcc), cúbica centrada en las caras ( fcc) y hexagonal compacta (hcp) que es una variación compacta de la estructura hexagonal simple. Enlace M. Metalicos
Dependiendo de el estado del acero (ferrita, austenita o martensita) su estructura molecular varia, dándole diferentes propiedades según dicho estado
El carbono, y otros aleantes, juegan un papel elemental en las estructuras cristalinas del acero al modificarlas y conferirle al material final unas propoiedades fisico-quimicas completamente diferentes al material inicial.
2.- Características físicas de los aceros.
3.- Diagrama hierro carbono (este apartado casi daría para una entrada completa, pero bueno, explicar los puntos principales, qué representa, sus constituyentes y sus transformaciones).
El acero al carbono puede tener las siguientes fases de equilibrio:
4.- Clasificación de los aceros en función del porcentaje de carbono.
Aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades apreciables de otros elementos de aleación. Los aceros son sensibles al porcentaje de carbono, el cual normalmente es menor al 1%.
-Aceros de bajo carbono:
· Son los que se producen comercialmente en mayor cantidad, bajo costo de produccion.
·Generalmente contienen menos de un 0.25% de carbono.
· No responden a tratamientos térmicos que forman martensita.
· Su incremento en la resistencia puede lograrse mediante trabajo en frio.
· Su microestructura consiste en ferrita y perlita.
-Aceros de alta resistencia y baja aleacion (HSLA):
·Subgrupo de los aceros al carbono bajo en en carbono.
·Contiene elementos de aleación como el cobre, vanadio, niquel y molibdeno en concentraciones combinadas de 10% o menos.
·Poseen mayor resistencia que los aceros al carbono.
·Pueden tratarse termicamente. Ademas son dúctiles, formables y maquinables.
·En condiciones normales, son mas resistentes a la corrosión que los aceros al carbono.
-Aceros de medio carbono:
·Tiene concentraciones de carbono entre 0.25 y 0.6%.
·Pueden ser tratados térmicamente por austenizado, templado y revenido.
·Al añadir cromo, niquel y molibdeno se mejora la capacidad de estas aleaciones de ser tratadas termicamente. Mayor resistencia que los aceros de bajo carbono, pero sacrificando ductilidad y tenacidad.
·Se utilizan en aplicaciones que requieren la combinación de elevada resistencia, resistencia al desgaste y tenacidad.
-Aceros de alto carbono:
·Su contenido varia entre 0.6 y 1.4%.
·Son los aceros mas duros, mas resistentes y menos dúctiles de los aceros al carbono.
·Casi siempre se utilizan revenidos, por ello tienen una resitencia al desgaste especial.
·Los aceros para herramienta caen dentro de la categoria de aceros de alto carbono. Contienen cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno.
-Aceros inoxidables:
·Poseen una resistencia elevada a la corrosion en una variedad de entornos.
·El elemento principal de la aleación es el cromo (al menos 11% de cromo en acero). La resistencia a la corrosión puede mejorarse al añadir niquel y molibdeno.
·Se dividen en : martensitico, ferritico y austenitico.
·Los aceros inoxidables austeniticos y ferriticos solo pueden endurecerse por trabajo en frio.
·Los aceros inoxidables austeniticos son los que tienen mayor resistenciaa la corrosion debido a su alto contenido en cromo.
·Los aceros inoxidables martensiticos y ferriticos son magneticos, al contrario que los austeniticos.
5.- Relación entre características físicas y tamaño de grano.
Estudios en aceros inoxidables austenicos muestran que a mayor numero de tamaño de grano sugun norma ASTM (cuanto mayor sea dicho numero, menor sera el tamaño de grano), mayor limite elastico y resistencia a la traccion y menor alargamiento.
Conforme se aumenta el tiempo de recocido, el numero de tamaño de grano disminuye, y conforme a esto, van variado las propiedades de los distintos materiales.
En todos los aceros inoxidables austeníticos estudiados,tanto estables como metaestables, se observa la misma tónica: a mayor número de tamaño de grano (tamaño de grano más pequeño), mayores valores se obtienen de límite elástico al 0,2 %,de resistencia a la tracción^^ y de dureza, y menores valores se obtienen en cuanto a los alargamientos.Tomando como referencia un tamaño de grano igual a siete, observamos que los aceros metaestables tienen menores valores de límite elástico al0,2 % que los estables; mientras que, en cuanto a alargamientos y resistencias a la tracción tienen valores mayores, siendo las durezas muy similares.
6- Otros productos siderúrgicos y sus características.
ACEROS
Aleaciones de hierro y carbono que pueden contener cantidades apreciables de otros elementos de aleación. Los aceros son sensibles al porcentaje de carbono, el cual normalmente es menor al 1%.
-Aceros de bajo carbono:
-Aceros de alta resistencia y baja aleacion (HSLA):
-Aceros de medio carbono:
-Aceros de alto carbono:
-Aceros inoxidables:
FUNDICIONES
Son aleaciones ferrosas con un contenido de carbono superior al 2.1%. La mayoría de ellas entre un 3 y un 4.5% de carbono. Pasan a estado al liquido entre 1150ºC y 1300ºC, temperaturas mas bajas que las de los aceros.
Estas aleaciones son muy fragiles, siendo la fundicion la mejor forma de fabricar geometria con ellas.
La cementita (Fe3C) es un compuesto metaestable y bajo ciertas circunstancias se descompone en ferrita y grafito. La formacion de grafito depende de la composicion quimica, rapidez de enfrimianto y la presencia de silicio en concentraciones mayores de 1%.
-Hierro Gris
·Contiene entre 2.5 y 4% de C y 1 y 3% de Si.
·El grfito existe en forma de hojuelas rodeadas de una matriz de perlita o ferrita. Debido a dichas hojuelas el material toma un color grisaceo.
·Mecanicamente, es mas debil y fragil en tension que en compresion, a consecuencia de su microestructura.
·Son aleaciones muy efectivas disipando energia de vibraciones. Posee una elevada resistencia al desgaste. Ademas , es muy fluido en estado liquido, lo cual permite fabricar piezas con geometrias complejas.
-Hierro modular o ductil
·Si al hierro gris se le añaden pequeñas cantidades de magnesio y/o cerio, se produce en el material una microestructura y propiedades mecanicas muy diferentes a las del hierro gris.
·El grafito se forma en nodulos o particulas esfericas, rodeadas de perlita o ferrita, depeniendo del tratamiento termico.
·Las piezas resultantes son mucho mas resistentes y ductiles que las fabricadas en hierro gris.
-Hierro blanco
·Para hierros fundidos bajos en silicio ( menos del 1%) y velocidades de enfriamiento elevadas, la mayoria del carbono en la aleacion se forma como cementita en vez de grafito. La superficie de fractura de este material tiene un color blanquecino.
·Debido a la abundancia de cementita que poseen, son funciciones extremadamente duras pero tambien muy fragiles. Son practicamente imposibles de maquinar, su uso se limita a aplicaciones que requieren dureza y resistencia al desgaste sin grado de ductibilidad.
-Hiero maleable
·El hierro blanco se utiliza como material intermedio para la fabricacion del hierro maleable.
·Cuando se calienta el hierro blanco a temperaturas entre 800 y 900 ºC por un periodo de tiempo prolongado y en una atmosfera neutra, la cemenita se descompone en grafito, el cual existe en forma de rosetas rodeados de una matriz de perlita o ferrita.
·La forma del grafito del hierro maleable produce una elevada resistencia y ductibilidad apreciable.
7.- Aleantes y características que aportan al acero.
-Aluminio: Se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en concentraciones cercanas al 1% y en porcentajes inferiores al 0,008% como desoxidante en aceros de alta aleación
-Boro: En muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006%) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro.
-Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios
-Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosion. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por tratamiento termoquímico como la carburacion o la nitruracion. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
-Molibdeno:Es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidablesausteníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión
-Niquel: Es un elemento gammageno permitiendo una estructura austenítica a temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
-Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y0,30%.
-Silicio:Aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante.Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
-Titanio:Se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.
-Tungsteno: También conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.
-Vanadio:Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
8.- Tratamientos térmicos. Explicar en base a diagrama Fe-C y desarrollar sus diagramas TTT.
Se denomina tratamiento térmico a la modificación de la microestructura de una aleación metálica (y a través de ella de sus propiedades) como consecuencia de la realización de calentamientos y enfrimientos controlados.En el caso de los aceros, se diferencian los tratamientos térmicos que no modifican la composición química del producto, de aquellos otros que incorporan nuevos elementos químicos en el interior de las piezas tratadas.
Cualquier tratamiento térmico consta al menos de tres etapas: calentamiento, mantenimiento a temperatura constante y enfriamiento.
-Tratamientos térmicos fundamentales
·Recocido: Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero, eliminar tensiones o recristalizar el material. El recocido consiste en calentar adecuadamente la pieza y luego enfriarla de una forma tan lenta que semeje enfriamientos en condiciones de equilibrio, esto se logra si el enfriamiento se hace dentro del horno. Los tipos de recocido son:
– Recocido de ablandamiento:
Es un tratamiento termico utilizado para reducir los niveles de dureza de un acero a un valor especifico. Se requiere que el material sea calentado, y posterior mente enfriado muy lentamente en un horno. C. Esto se hace con la finalidad de producir un estado lo mas blando posible (para propositos de maquinado), donde la perlita u otros tipos de carburos laminares son esferoidizados, reduciendo el desgaste de la herramienta.
– Recocido de alivio de tensiones (estabilizado):
Para este tipo de recocido, el calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior. Después de ser fabricada la herramienta, esta debe calentarse en toda su masa a 650ºC ñ 700°C por dos horas y sostener, el enfriamiento se hace lentamente hasta 500ºC y después al aire libre. Este enfriamiento es lento con el fin de aliviar tensiones internas sin producir variaciones esenciales en las propiedades mec·nicas existentes. También sirve para eliminar tensiones producidas por el mecanizado severo en piezas sensibles a la distorsión, aumentando la ductilidad del material
– Recocido de recristalizacion:
Este tratamiento, también conocido como recocido contra acritud, tiene por finalidad recuperar los granos deformados que se obtienen después de someter una pieza a deformaciones que pueden ser en frío o caliente. La temperatura a la cual se realiza este tratamiento es por arriba de 550°C y específicamente entre 550 y 650°C, donde ocurre la recristalizacion de la ferrita, es decir se forman nuevos granos libres de deformación
·Normalizado: Este tratamiento consiste en calentar las piezas a temperaturas ligeramente mas elevadas que la critica superior , para que pase al estado austenitico y luego después de un determinado tiempo de permanencia a esa temperatura, hacerle un enfriamiento en aire tranquilo. Es un tratamiento típico de los aceros al carbono de construcción de 0,15 %C a 0,40 % de C y rara vez se emplea en los aceros de herramientas, ni en los aceros aleados de construcción. De esta forma se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se considera como normales y características de su composición. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frió, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior.
·Temple: Es el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada. En general, esto se logra sumergiendo la pieza en agua, aceite, sal o aplicando aire comprimido. Como resultado del temple, las partes deben desarrollar una microestructura aceptablemente dura (generalmente martensita), en el estado templado, y en las áreas criticas unas propiedades mecánicas mínimas. Luego de este tratamiento se recomienda revenir la piezas.
·Revenido: La estructura martensitica obtenida por temple es muy dura y frágil. Mediante el revenido es posible aumentar significativamente su resistencia al impacto, aun cuando se disminuye la dureza. El revenido consiste en calentar una pieza templada por periodos del orden de 1 a 3 horas a temperaturas menores que la de austenitizacion. Primero se calienta el acero a una temperatura levemente superior a la de austenitizacion , luego es enfriado rápidamente, de modo que no se corte la nariz de las curvas TTT, para formar una estructura martensitica. Posteriormente, el acero es recalentado a una temperatura inferior para obtener la dureza deseada.
·Tratamientos térmicos isotérmicos: Este tipo de tratamientos se realizan a temperatura constante de forma tal a obtener la microestruatura deseada, la cual puede ser consultada para un acero específico en su diagrama TTT. Los principales tratamientos isotérmicos son:
-Austempering o austemperado:
Es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenitizacion y después de sostenerlo un determinado tiempo, enfriarlo rápidamente hasta una temperatura levemente superior en un baño de sal, este baño mantiene la temperatura de la pieza constante. La reacción a esta temperatura produce una estructura completamente bainitica, (bainita superior o inferior), luego el acero es enfriado al aire, hasta la temperatura ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no excesivamente frágil.
-Martempering o martemperado:
Este término describe un procedimiento de temple a alta temperatura cuyo objetivo es disminuir las grietas, distorsión o los esfuerzos residuales. No es un proceso de revenido (tempering), como lo indica su nombre y por eso tiende a llamarsele marquenching o martemplado.
Los principios del martempering se entienden mejor con un diagrama TTT . Como se observa, el proceso comprende tres etapas:
1. Se enfría desde la temperatura de austenizacion en un medio fluido caliente como aceite caliente, sales fundidas, metal fundido o lecho de partículas fluidizadas a una temperatura que debe estar por encima de Ms.
2. Allí se deja el acero hasta que la temperatura en toda la pieza sea uniforme sin que se produzcan transformaciones, pues la pieza continua siendo austenitica. Al ser extraída del baño, todavía debe estar plástica y se puede restaurar si ha sufrido alguna distorsión.
3. Seguidamente la pieza se enfría, generalmente en aire quieto, a una velocidad moderada para prevenir grandes diferencias entre la superficie y el centro de la pieza. De este modo la formación de martensita ocurre de un modo uniforme en toda la masa evitando la formación de excesivas tensiones residuales.
·Cementacion o Carburizacion: La cementacion es un procedimiento por medio del cual un acero de bajo carbono, 0,2% C o menos, se austenitiza en una atmósfera o en un ambiente rico en C, las condiciones dadas en este procedimiento permiten que el carbono difunda hacia el interior de la pieza, permitiendo a la austenita disolver altos porcentajes de este. La temperatura usual de cementacion es cercana a los 950ºC y la profundidad de capa obtenida por medio de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, esta se endurece por temple. Cabe señalar que la cementacion en lo posible debe usarse en aceros en los cuales no pueda crecer mucho el grano y se pueda templar directamente. Un acero cementado muestra las siguientes características dadas en la tabla:
·Nitruracion: Es un proceso para endurecimiento superficial de aceros aleados en una atmósfera constituida por una mezcla en proporciones adecuadas de gas amoniaco y amoniaco disociado. La efectividad de este proceso depende de la formación de nitruros en el acero por la reacción del N con ciertos elementos de aleación, principalmente Al, Cr y Mo. El N difunde en el acero y forma nitruros complejos.
Ruben G. Frade 