10 fundamentos aceros

8/13/2019 10 Fundamentos Aceros

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Fundamento de los Aceros Manuel Cabrera

1. ESTRUCTURAS CRISTALINAS DEL FIERROEl fierro adopta distintos ordenamientos atmicos o equivalentemente distintas estructuras cristalinas dependiendode la temperatura. A BAJAS TEMPERATURAS SE PRESENTA COMO BCC Fierro alfa " y A ALTATEMPERATURA COMO FCC Fierro gama . ESTA CARACTERSTICA ES LA QUE HACE POSIBLE LAEXISTENCIA DE LOS TRATAMIENTOS TRMICOS.

La estructura BCC es una estructura cbica con tomos de fierro en cada vrtice y uno en el centro del cubo. Para elcaso del fierro puro esta estructura es estable hasta 910C y es denominada Fe- o FERRITA. El fierro con laestructura BCC, an con carbono y/o nitrgeno disueltos en los intersticios, es designado como Fe-o FERRITA.

La estructura "cbica centrada en el cuerpo", BCC, puede alojar tomos de carbono disueltos, en los huecosoctadricos. El tamao de los huecos octadricos en la estructura BCC tiene un radio de 0,019 m (0,1910-8 cm =0,19A ), en cambio el radio de carbono es 0,08 m(0,810-8cm= 0,8A).

Al ser mayor el tamao del tomo de carbono que el hueco en el cual se aloja, produce una alta distorsin en laestructura. Es as como Fierro con la estructura BCC acepta como mximo, a 723C, un 0,02% de carbono disuelto.Esta baja solubilidad disminuye an ms a temperatura ambiente.

Nitrgenocuyo radio atmico es 0,07 m (Carbono = 0,08m) al igual que carbono es un elemento intersticial enfierro. Posee una mxima solubilidad en ferrita de 0,095%a 585C.

La estructura FCC, ms compacta que la BCC, presenta tomos de fierro en cada vrtice y en el centro de las caras. Enel caso del fierro puro esta estructura es estable entre 910C y 1394C y es denominada Fe- o AUSTENITA.

La estructura FCCdel fierro, cbica centrada en las caras, se caracteriza por ser una estructura compacta, blanda,dctil que posee huecos octadricos mayores que los de la estructura BCC (0,052 m) 0.52A. Esta estructura,denominada AUSTENITA o Fe- puede alojar ms carbono disuelto en su estructura, a pesar de que el huecooctadrico es de menor tamao que el tomo de carbono. La mxima solubilidad de carbono en austenita es 2,11%a 1.148C disminuyendo a 0,77% a 723C.

La caracterstica ms destacada de la estructura FCC es su facilidad de deformacin y gran tenacidad, debidoprincipalmente a lo compacto de ella.

2.

CONCEPTO DE ALEACIONESLas aleaciones son mezclas de varios elementos. El elemento principal o mayoritario se llama SOLVENTE y el que sepresenta en menor cantidad se llama SOLUTO.

Siempre un soluto se va a disolver en el solvente aunque sea en mnima cantidad. DISOLVERSE en el caso de slidossignifica que el soluto pasa a formar parte de la estructura cristalina del solvente. Los elementos aleantes o solutostienen dos alternativas de disolverse: ocupando la posicin del solvente en la estructura cristalina,SUSTITUCIONAL, o en los intersticios de los tomos, INTERSTICIAL. En ambos casos la aleacin se llamaSOLUCIN SOLIDA.

Un elemento aleante se ubicar en una posicin intersticial, cuando su tamao relativo sea compatible con loshuecos de la estructura. Si el tamao del elemento aleante es comparable con el del elemento principal, ste seubicar "reemplazndolo" (nunca son iguales). SOLUCIN SLIDA SUSTITUCIONAL.

En ambos casos se produce una distorsin de la estructura cristalina y trae como consecuencia unENDURECIMIENTO DEL MATERIAL POR SOLUCIN SLIDA. Bajo este principio las aleaciones son msresistentes que los metales puros.

Los elementos aleantes presentes en aceros tales como Silicio, Titanio, Manganeso, Nquel, etc. ocupan huecossustitucionales en la estructura.Es decir reemplazan las posiciones que ocupa el fierro en la estructura. Al ser eltamao de los elementos aleantes diferente al tamao del tomo de fierro, produce distorsiones en las estructuras.


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En principio se establece que a mayor diferencia de tamao hay mayor distorsin,y como consecuencia de esto unamenor solubilidad del elemento aleante. Del mismo modo una mayor distorsin produce una mayor resistenciamecnica de la aleacin.

La distorsin provocada por la adicin de elementos aleantes "tiene un lmite". Es decir, cuando se alcanza unadeterminada distorsin el sistema metal-aleacin se saturar y se alcanzar el lmite de solubilidad. En este casopodrn aparecer precipitados del elemento aleante u otras "fases".

El tratamiento de los lmites de solubilidad de cada estructura o fases slidas en sistemas de aleacin es el tema delos DIAGRAMAS DE FASES. Estos sern presentados ms adelante, particularmente para el sistema de inters:FIERRO-CARBONO.

3. MICROESTRUCTURA DE UN ACERO BAJO CARBONO - TAMAO DE GRANOLas estructuras cristalinas, tal como se mencion, son ordenamientos tridimensionales que adoptan los tomos de losmateriales metlicos. Estos ordenamientos alcanzan un cierto tamao, granos o "cristales". La foto siguientepresenta la microestructura de un acero bajo carbono (0.013 %C), que contiene granos ferrticos deformados (Fe-oBCC).

Figura 1 Microestructura de un acero ferrtico, BCC, deformado en el sentido indicado Fe-0.013%C.

TABLA DISTRIBUCIN DE ELEMENTOS ALEANTES EN ACEROS BAJA ALEACIN

Tendencia a la combinacin de los elementos en el estado recocidoElemento Disuelto en Disuelto en Formacin

carburosEn inclusionesno metlicas

En compuestosIntermetlicos

En estadoelemental

Alfgeno -gamgeno

Niquel Ni Ni G-1

Silicio Si Si SiO2MxOy NiSi A-1

Alumin io Al Al Al2O3 AlxNy A-1

Zirconio Zr Zr ZrO Zr xNy A-2

Fsforo P P A-1

Azuf re S S MnFeS - ZrS A-2

Cobre Cu Cu Cu cuando >0.8 % G-2

Manganeso Mn Mn Mn3C MnS - MnFeOMnO - SiO2

G-1

Cromo Cr Cr Cr23C6 Crx

Oy

A-1Tungsteno W W W2C - W6C A-1

Molibdeno Mo Mo Mo2C - Mo6C A-1

Vanadio V V VC - V4C3 VxOy VxNy A-1

Titanio Ti Ti TiC TixOy TixNyCz- TixNy A-1

Pb Pb

PRINCIPALEFECTO

Endurecerpor solucinslida

Aumen tartemplabilidad

Reducetemplabilidad.Afi na grano yTenacidad

Desoxidantes ycontrol delcrecimiento

tamao grano

Aumen to d edureza

Aumen tamaquinabilidad


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4. METALES Y ALEACIONES

5. NORMAS PARA ACEROS, ESPECIFICACINLas NORMAS relacionadas con los MATERIALES METLICOS provienen de diferentes organizaciones, entre lascuales se mencionan:

SAE Society of Automotive EngineeringAISI AmericanIron and SteelInstituteASTM American Society for Testing MaterialsUNS Unified Numbering SystemCDA Copper Development AssociationNCh NormaChilenaDIN Norma Alemana

Las diferentes NORMAS especifican cualidades de los materiales, que pueden cubrir composicin qumica, propiedadesmecnicas, terminacin superficial, etc. Debido a la NO uniformidad de especificacin de las distintas normas, hasurgido el Sistema Unificado de Numeracin: UNS.

CODIFICACION UNS(Unified Numbering System): El sistema UNS ha sido desarrollado por la accin conjunta deSAE, ASTM, AISI, CDA y otras agrupaciones tcnicas.

La UNS establece 15 series de nmeros para metales y aleaciones. Cada nmero UNS consiste de una sola letraprefijo seguida por cinco dgitos. En la mayora de los casos la letra sugiere (en ingls) a la familia del metal queidentifica, por ejemplo:

Productos ferrosos Productos no ferrosos

D Aceros especificados por propiedades mecnicasF Fundiciones (fierro fundido)G Aceros al carbono y aleacin series AISI y SAEH Aceros con banda de templabilidadJ Aceros fundidosK Aceros y aleaciones ferrosas variadasS Aceros inoxidablesT Aceros para herramientas

A Aluminio y sus aleacionesC Cobre y sus aleacionesE Tierras rarasL Metales y aleaciones de bajo punto de fusinM Aleaciones no ferrosas variadasN Nquel y sus aleacionesP Metales preciososZ Zinc y sus aleaciones

ALEACIONES METLICAS

FUNDIDAS O FORJADAS

ALEACIONES FERROSASAleaciones Base FIERRO

TRATABLES TRMICAMENTE

ALEACIONES NO FERROSASBase Cu, Al, Ti, etc.

ACEROSHasta 2%C

FUNDICIONESDe 2 a 4%C SOLO FUNDIDAS

Gris, Blanca, Nodular

Al CARBONOFe-C, Si Mn, P -S

BAJAALEACIN

Hasta 8%

ALTA ALEACINInoxidables, Herramientas, etc.


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A modo de ejemplo se presenta algunas designaciones de aceros, relacionadas a aceros al carbono, baja aleacin yestructurales.

! Normas AISI-SAE.

" Para aceros al carbono y baja aleacin, calidad conformado. Solo especifica requerimientos de composicinqumica.

! Norma ASTM.

" Para aceros estructurales y microaleados. Calidad conformado y fundido. En general esta Norma, especifica

requerimientos de propiedades mecnicas y la composicin qumica la considera una restriccincomplementaria.

! Norma Chilena." Para aceros estructurales especifica primeramente exigencias mecnicas, con restricciones de composicin.

TABLA ACEROS AL CARBONO y ALEADOS SEGN LA ESPECIFICACIN AISI-SAE

Designacin Rangos de composicin, % Designacin Rangos de composicin, %AISI-SAE C Mn AISI-SAE C Mn

1006 0.08 mx 0.25-0.45 1070 0.65-0.76 0.60-0.901010 0.08-0.13 0.30-0.60 1074 0.69-0.80 0.50-0.80

1015 0.12-0.18 0.30-0.60 1080 0.74-0.88 0.60-0.901020 0.17-0.23 0.30-0.60 1085 0.80-0.94 0.70-1.001025 0.22-0.28 0.30-0.60 1090 0.84-0.98 0.60-0.901030 0.27-0.34 0.60-0.90 1095 0.90-1.04 0.30-0.501035 0.31-0.38 0.60-0.901040 0.36-0.44 0.60-0.901045 0.42-0.50 0.60-0.90 1524 0.18-0.25 1.30-1.65 1050 0.47-0.55 0.60-0.90 1536 0.30-0.38 1.20-1.55 1055 0.52-0.60 0.60-0.90 1541 0.36-0.45 1.30-1.65 1060 0.55-0.66 0.60-0.90 1548 0.43-0.52 1.05-1.40 1065 0.59-0.70 0.60-0.90 1552 0.46-0.55 1.20-1.55

Designacin Rangos de Composicin, %AISI-SAE C Mn Si Cr Ni Mo

1330 0.27-0.34 1.50-1.90 0.15-0.301335 0.32-0.39 1.50-1.90 0.15-0.301340 0.36-0.44 1.50-1.90 0.15-0.301345 0.41-0.49 1.50-1.90 0.15-0.304130 0..27-0.34 0.35-0.60 0.15-0.30 0.80-1.15 0.15-0.25 4140 0.36-0.44 0.70-1.00 0.15-0.30 4145 0.41-0.49 0.70-1.00 0.15-0.30 0.80-1.15 0.15-0.25 4340 0.36-0.44 0.55-0.80 0.15-0.30 0.60-0.90 1.65-2.00 0.20-0.304615 0.12-0.18 0.40-0.65 0.15-0.30 1.65-2.00 0.20-0.30 4620 0.16-0.22 0.40-0.65 0.15-0.30 1.65-2.00 0.20-0.30 5160 0.54-0.65 0.70-1.00 0.15-0.30 0.60-0.906150 0.46-0.54 0.60-0.90 0.15-0.30 0.80-1.15 8615 0.12-0.18 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258620 0.17-0.23 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258625 0.22-0.29 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258630 0.27-0.34 0.60-0.90 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258640 0.36-0.44 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258655 0.49-0.60 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.15-0.258742 0.38-0.46 0.70-1.00 0.15-0.30 0.35-0.60 0.40-0.70 0.20-0.30


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TABLA ESPECIFICACIONES ASTM PARA ACEROS ESTRUCTURALES AL CARBONO

Grado Propiedades Mecnicas Rangos de Composicin, en cuchara

ASTM Resistencia

[MPa], mn

Fluencia

[MPa], mn

Elong.

%

Espesor

[in]

C

mx

Mn

mx

Si

mx

Cu

mx

V

mn

A-36 400 a 552 248 23 t 0.25 - - 0.20 -

Grado 400 a 552 248 23 a 1 0.25 0.80-1.20 - 0.20 -

Estructural 400 a 552 248 23 1 a 2 0.26 0.80-1.20 0.15-0.30 0.20 -

400 a 552 248 23 2 a 4 0.27 0.85-1.25 0.15-0.30 0.20 -

400 a 552 248 23 4 a 8 0.29 0.85-1.20 0.15-0.30 0.20 -

A-242 483 mn 345 - t 0.22 1.25 - - -

HSLA 462 mn 345 - a 1 0.22 1.25 - - -

Estructural 434 mn 345 - 1 a 4 0.22 1.25 - - -

A-375

HSLA 483 mn 345 22 0.22 1.25 - - -

Lam. cal.

A-441 483 mn 345 - t 0.22 0.85-1.25 0.30 0.20 0.02

HSLA 462 mn 345 - a 1 0.22 0.85-1.25 0.30 0.20 0.02

Estructural 434 mn 345 24 1 a 4 0.22 0.85-1.25 0.30 0.20 0.02

414 mn 276 24 4 a 8 0.22 0.85-1.25 0.30 0.20 0.02

A-529

Acero 414 a 586 290 19 0.27 1.20 0.20

Estructural

A-570 379 290 0.25 0.60-0.90 0.20

Chapa Lam.

cal.

400 276 0.25 0.60-0.90 0.20


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TABLA ESPECIFICACIN ASTM PARA PLANCHAS DE ACERO HSLA

(Aceros baja Aleacin y de Alta Resistencia Microaleados)

ACERO Grado RT, mn(MPa)

fluencia, mn(MPa)

Elongac.[%]mn

C[%]

Mn[%]

Si[%]

Ni[%]

Cr[%]

Mo[%]

V[%]

Nb[%]

Ti[%]

A-572 42 414 292 240.21 1.35 0.30 - - - 0.1 - -

HSLA 45 414 310 22 0.22 1.35 0.30 - - - 0.1 - -50 448 345 21 0.23 1.35 0.30 - - - 0.1 - -55 483 379 20 0.25 1.35 0.30 - - - 0.1 - -60 517 414 18 0.26 1.35 0.30 - - - 0.1 - -65 552 448 - 0.26 1.35 0.30 - - - 0.1 - -

A-588 A 0.100.19

0.901.25

0.150.30

- 0.400.65

- 0.020.10

-

B 0.20mx

0.751.25

0.150.30

0.250.50

0.400.70

- 0.010.10

-

C 0.15mx

0.801.35

0.150.30

0.250.50

0.300.50

- 0.010.10

-

D 0.100.20

0.751.25

0.500.90

- 0.500.90

- - 0.04mx

E 0.15mx 1.20mx 0.150.30 0.751.25 - 0.100.25 0.05mxF 0.10

0.200.501.00

0.30mx

0.401.10

0.30mx

0.100.20

0.010.10

G 0.20mx

1.20mx

0.250.70

0.80mx

0.501.00

0.10mx

- 0.07mx

A-514 A 0.150.21

0.801.10

0.400.80

- 0.500.80

0.180.28

- - -

B 0.120.21

0.701.00

0.200.35

- 0.400.65

0.150.25

0.030.08

- 0.010.03

C 0.100.20

1.101.50

0.150.30

- - 0.200.30

- -

D 0.130.20

0.400.70

0.200.35

- 0.851.20

0.150.25

- - 0.040.10

E 0.12

0.20

0.40

0.70

0.20

0.35

- 1.40

2.00

0.40

0.60

- - 0.04

0.10F....P ... ... ... ... ... ... ... ... ...

A-710 A 0.07mx

0.400.70

0.35mx

0.701.00

0.600.90

0.150.25

- 0.02mn

-

B 0.06mx

0.400.65

0.200.35

1.201.50

- - - 0.02mn

-

Planchas yBarras

RTMPa

FluenMPa

Elon%

t < 4" 483 345 214" a 5" 462 317 215" a 8" 434 290 21

Planchas RTMPa

FluenMPa

Elon%

t < " 793 a931

690 18

" a 2" 793 a931

690 18

2" a 4" 724 a931

621 17

ASTM A 588

ASTM A 514


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TABLA PROPIEDADES TPICAS DE ACEROS SEGN TRATAMIENTO TRMICO

AISISAE

Condicin Tratamiento Esfuerzo Fluencia[psi]

Esfuerzo Fluencia[MPa]

Elongacin

[%]

ReduccinArea[%]

Dureza

[Bhn]

Impacto(Izod)[Ft-lb]

1015 LaminadoNormalizado, 913CRecocido, 863C

455004700041250

314324284

39.037.037.0

61.069.669.7

126121111

81.585.284.8


480005025042750

331347295

36.035.836.5

59.067.966.0

143131111

64.086.891.0


500005000049500

345345341

32.032.031.2

57.060.857.9

179149126

55.069.051.2


700006100054000

483421372

17.018.022.5

34.037.238.2

241229179

13.09.78.3


850007600054500

586524376

12.011.024.7

17.020.645.0

293293174

5.05.04.5

1095 Laminado

Normalizado, 893CRecocido, 788C

83000

7250055000

572

500379

9.0

9.513.0

18.0

13.520.6

293

293192

3.0

4.02.0


459004625041250

317319284

32.033.534.5

70.065.966.8

149143131

80.076.378.5


610005800050250

421400347

21.021.024.8

41.040.441.3

212197167

39.232.048.0

1340 Normalizado, 863CRecocido, 802C

8100063250

559436

22.025.5

62.957.3

248207

68.252.0


8700061250

600422

19.724.5

57.350.8

262197

39.534.2


9500060500

655417

17.725.7

46.856.9

302197

16.740.2


12500068500

862472

12.222.0

36.349.9

363217

11.737.7

4820 Normalizado,860CRecocido, 816C

7025067250

484464

24.022.3

59.258.8

229197

81.068.5


7700040000

531276

17.517.2

44.830.6

269197

8.07.4


5175055875

357385

26.331.3

59.762.1

183149

73.582.8


8800060250

607416

16.022.2

47.946.4

269201

13.029.5


8400070500

579486

19.721.7

43.441.1

269229

10.06.5


82750

63750

571

440

18.8

17.3

58.1

42.1

269

241

88.0

58.0


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MICROESTRUCTURAS DE ACEROS: PERLITA Y FERRITO PERLITA


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MICROESTRUCTURAS DE ACEROS: GLOBULIZADO, PERLITA yMARTENSITA (temple)

Globulizado (+Fe3C)

PERLITA "CRECIENDO"

MARTENSITA


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Aceros y Tratamientos Trmicos Manuel Cabrera

2 TRATAMIENTOS TRMICOS

2.1. INTRODUCCIN

LOS TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS SE EFECTUAN CON EL FIN DE MODIFICAR LASPROPIEDADES MECNICAS, TALES COMO RESISTENCIA A LA TRACCIN, DUREZA SUPERFICIAL,TENACIDAD, DUCTILIDAD, RESISTENCIA A LA FATIGA, ETC.

En ciertos casos los tratamientos trmicos tienen como objetivo mejorar las propiedades qumicas, como por

ejemplo la resistencia a la corrosin.

LOS TRATAMIENTOS TRMICOS JUEGAN UN PAPEL TERMINAL PARA CONSEGUIR LAS PROPIEDADESDESEADAS DE ACUERDO A LA APLICACIN

Adicionalmente los tratamientos trmicos son aplicados COMO UNA ETAPA INTERMEDIA DE UN PROCESOPRODUCTIVO: Ej. Recocido de recristalizacin, como una etapa de la conformacin plstica.

LOS TRATAMIENTOS TRMICOS MODIFICAN LA MICROESTRUCTURA DEL ACERO Y COMOCONSECUENCIA DE ESTO LAS PROPIEDADES MECNICAS.

Los TRATAMIENTOS TERMICOS SE PUEDEN CLASIFICAR EN TRES TIPOS:

! TRATAMIENTOS TERMALES o TRMICOS, TT, solo ciclos trmicos aplicados. Revenido, temple,normalizado. Tambin se presentan TT en el proceso de soldadura.

! TRATAMIENTOS TERMOMECNICOS,ciclos trmicos acompaados simultneamente con deformacin.Esto se presenta en la laminacin en caliente, forja del acero, etc.

! TRATAMIENTOS TERMOQUMICOS, incorporacin durante el ciclo trmico de elementos al acero. Eneste caso estn los tratamientos de cementacin (carburizacin), carbonitruracin, nitruracin,nitrocarburizacin, aluminizacin, etc.

En todo caso, posterior a efectuar tratamientos termomecnicos o termoqumicos generalmente se efectan lostratamientos trmicos con el fin de dar las propiedades finales al producto.

2.2. FUNDAMENTO DE LOS ACEROSLOS ACEROS AL CARBONO SON ALEACIONES FIERRO-CARBONO, hasta 1,2-2% Cmximo, con elementosresiduales provenientes de la elaboracin del acero:

! SILICIO (Si) y MANGANESO(Mn) SON BENFICOSy

! AZUFRE(S), FSFORO(P) IMPUREZAS

Los aceros se clasifican de acuerdo al contenido de carbono y elementos de aleacin.

ACEROSHasta 2%C

Al CARBONOFe-C - SiMn - P-S

BAJA ALEACINHasta 8% de

Cr Ni Mo V Ti etc.

ALTA ALEACINSuperior a 10% de aleacin

Inoxidables, Herramientas, etc.


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Los aceros al carbono se subdividen en:

" BAJO CARBONO (hasta 0,2/0,25%)

" MEDIO CARBONO (0,3 a 0,5%)

" ALTO CARBONO (sobre 0,6%)

Las cantidades de Si y Mn provenientes de la fabricacin no se consideran como aleantes.De los elementos provenientes del proceso de fabricacin, AZUFRE Y FSFORO son perjudiciales ya quesegregan en la estructura, y en particular azufre forma compuestos con el fierro, FeS, que tienen una bajatemperatura de fusin. Al ser baja la temperatura de fusin del compuesto formado ( 1150C) produce efectosdainos durante la forja en caliente del acero y durante los tratamientos trmicos.

Manganesoadems de tener efectos benficos en la templabilidad (segn se ver ms adelante) se combina con elazufre formando un sulfuro de manganeso, MnSel cual es una inclusin de alto punto de fusin, blanda, fcilmentedeformable que produce una buena maquinabilidad al actuar el sulfuro como un "corta viruta". Es as como existeuna de aceros clasificados como de calidad "maquinables", tipo AISI-SAE 11XX.

Los PRINCIPALES ELEMENTOS ALEANTES, (sin considerar la presencia de los elementos residuales de la

fabricacin de los aceros) son:" NQUEL (Ni), "CROMO (Cr),

" MOLIBDENO (Mo), """"VANADIO (V),

" SILICIO (Si) "MANGANESO (Mn) (adicional al residual)

" TUNGSTENO (W) "etc.

2.3. DIAGRAMA DE FASES Fe - CARBONO

Una fase de interpreta como: "UNA REGIN FISICAMENTE DIFERENTE DE LA MATERIA QUE POSEEESTRUCTURA ATMICA Y PROPIEDADES QUE CAMBIAN CONTINUAMENTE CON LA TEMPERATURA,COMPOSICIN, ENTRE OTRAS VARIABLES. LAS DISTINTAS FASES DE UN SISTEMA SON, ENPRINCIPIO, SEPARABLES FISICAMENTE".

Algunos ejemplos de fases en sistemas conocidos:

SISTEMAS CON UNA FASE ESTABLE: Aire, Agua, agua con azcar disuelta, atmsferasgaseosas, en general mezcla de gases.

SISTEMAS CON MS DE UNA FASE ESTABLE:agua con aceite; agua saturada con azcar yazcar precipitada; leche con nata; metal lquido con escoria; capa de oxido de Al sobre elaluminio metlico, etc.

Conocido es el hecho que el dejar enfriar una taza caliente de t con azcar disuelta hasta que se enfre, se

precipita azcar desde el agua saturada (se aconcha). Es decir al disminuir la temperatura se pas de un sistemade una fase a un sistema de dos fases.

Otro fenmeno que se presenta es con la adicin de sal al hielo (2 fases slidas) que tiene como efecto derretir elhielo (forma una fase; agua con sal disuelta). Esta ltima prctica se utiliza para limpieza de vas nevadas.

Por otra parte el FIERRO PURO a temperatura ambiente presenta una estructura BCC - : FASE FERRITA(alfa). Al calentar esta fase sobre 910C aparece la FASE AUSTENTICA, Gama , (FCC), la cual es establehasta 1394C. Por tanto hay un cambio de fase a 910C.


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La presencia de carbono disuelto en la estructura BCC, fase ferrita, altera la temperatura del cambio de fasedesde ferrita a austenita, o sea, se altera el rango de estabilidad trmica de cada fase.

Del mismo modo al agregar carbono al fierro puro, este inicialmente ocupa los huecos octadricos de la estructuraBCC de la ferrita, quedando disuelto en ella y por tanto formando una sola fase. Al aumentar el carbono adicionadoal fierro, la ferrita SE SATURA EN CARBONO y no acepta ms carbono en solucin slida. En este puntoAPARECE UN PRECIPITADO al continuar agregando carbono: Fe3C o CEMENTITA. O sea, aparecen dos fasesen el sistema fierro carbono, alcanzndose el lmite de estabilidad en composicin de la ferrita.

Se puede concluir entonces que UNA FASE PRESENTA un rango de ESTABILIDAD TRMICA y tambingeneralmente un rango de ESTABILIDAD EN COMPOSICIN.

LOS DIAGRAMAS DE FASES SON REPRESENTACIONES GRFICAS QUE INDICAN LOS RANGOS DEESTABILIDAD DE CADA FASE, EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA Y COMPOSICIN (se presentangeneralmente a P = 1 atm)

Las representaciones que aqu se harn sern para un sistema de dos componentes (sistema binario), yparticularmente del sistema Fe-C en el rango de composicin de carbono de inters.

La figura siguiente representa el DIAGRAMA DE FASES Fe-C, representado hasta un contenido de carbonoigual a 6,7% en peso. ESTE DIAGRAMA SIRVE PARA INTERPRETAR LAS FASES DE EQUILIBRIO QUE SE

PRESENTAN EN LOS ACEROS.Normalmente el diagrama de fases para los aceros se representa hasta el 6.7% C, pues esta es la composicin dela fase Fe3C formada en el sistema: CEMENTITA. Debe sealarse en este punto que los aceros raramentecontienen ms que un 1%C.

%C de la cementita= %C en Fe3C= 12/(12+3*55,85)*100=6.67%=6.7


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Figura Diagrama de fases Fierro-Carbono

Del DIAGRAMA DE DASES PRESENTADO, se puede indicar los siguientes puntos:

FASES PURAS QUE SE PRESENTAN:

" LQUIDO: Fase de alta temperatura, acepta carbono disuelto. En estado de Fierro puro funde a1536C, pero la fase lquida (Fierro con carbono disuelto en estado lquido) es estable a temperaturastan bajas como 1150C aproximadamente.

" Fe- o FERRITA. Baja solubilidad en carbono y estable slo hasta 912C. Estructura BCC. Comomximo acepta hasta 0,02%C a T=727C

" Fe- o AUSTENITA. Presenta mayor solubilidad en carbono que la ferrita. Como mximo acepta2,11%C a T=1148C y la mxima temperatura a la cual se presenta es 1495C con carbono disuelto.Estructura FCC.

! En esta fase se incorpora el carbono en los tratamientos de CARBURIZACIN o CEMENTACIN


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! Desde esta fase se templan, se normalizan o se realiza el recocido de los aceros. En general lasprimeras etapas de los TRATAMIENTOS TRMICOS se realizan en esta fase.

! En esta fase se deforman los aceros (Laminacin, forja, etc.)

! OBSERVACIN: TODOS LOS ACEROS SON AUSTENIZABLES, FORJABLES

" Fe- o FERRITA DELTA: estable a temperaturas superiores a 1394C e inferiores de 1536C.Estructura BCC.

" CEMENTITA (Fe3C):La cementita es un COMPUESTO que tiene prcticamente una sola composicinen carbono: 6,67% C, por lo que NUNCA se presenta en un 1005 en los aceros.Es un carburo de fierro que posee una estructura cristalina ORTORROMBICA y es una fase muy dura eindeformable: DUREZA SUPERIOR A 800 VICKERS (ms dura que cualquier otra fase que se presentaen el sistema Fe-C).

" GRAFITO: An cuando no aparece en el diagrama de la figura, el grafito contiene un 100% de carbono,es una fase que aparece ms comnmente en las fundiciones (fundiciones grises). Raramente aparece enaceros.

El diagrama de fases presentado en la figura 2.1 puede dividirse en dos regiones de aleaciones comerciales. Hastaun 2%C como mximo es la regin de los ACEROS(aunque excepcionalmente los aceros superan el 1,2% C).

Sobre el 2%y contenidos de carbono menores que 4,3%aproximadamente, aparece la otra familia de aleacionescomerciales Fierro-Carbono: las FUNDICIONES (Cast Iron).

Las FUNDICIONES (CAST IRON) funden o presentan la fase lquida a menores temperaturas y se utilizan en laforma de colada, es decir no son deformables y slo es posible efectuar en ellas tratamientos trmicos : seutilizan en la geometra del estado FUNDIDO (de ah su nombre). Si al solidificar aparece grafito son llamadasfundiciones grisesy si en cambio aparece cementita al solidificar son las fundiciones blancas. Todo esto por elaspecto de la fractura: blanca, por brillante, frgil; y gris, por opaca, granular.

Si bien son muchas las fases de "equilibrio" que pueden aparecer, al tratar trmicamente los aceros, el inters secentra no slo en las fases slidas (ferrita, austenita, cementita y grafito).

El estudio del tratamiento trmico de los aceros deber comprender al menos el conocimiento de la estabilidad delas fases ferrita, austenita y cementita.

#En ciertas regiones del diagrama de fases se presenta una sola fase.

#En este sistema binario entre dos fase puras contiguas SIEMPRE existir una zona de dos fases:zona bifsica.

A modo de ejemplo a 1147C, la austenita acepta hasta un 2,0% C (segn el diagrama anterior). A estatemperatura y con un contenido de carbono de 3%, la austenita estar saturada de carbono (no acepta mscarbono) y el resto del carbono estar incorporado en la otra fase: CEMENTITA. Es decir a esa temperatura yese contenido de carbono existen dos fases: austenita y cementita.La cantidad de cada fase en una regin bifsica se determina grficamente o por la regla de la palanca, que no esms que un balance de masa.

EJERCICIOS DE APLICACIN para determinacin de fases presentes y cantidades relativas si corresponde(intente responderlo usted slo)a) Un acero que contiene 0,2% de carbono, se calienta a 800C. Qu

fases estn presentes? Cul es la composicin de cada fase? En quproporcin en peso coexisten?

b) Si el mismo acero con 0,2%C se calienta a 1000C. Qu fasesaparecen y cul es la composicin de cada una de ellas?

c) Un acero de 0,4% de carbono a 728C. Cunta ferrita y cuntaaustenita contiene?

d) Un acero de 1,2% de carbono a 728C. Qu fases estn presentes yen qu proporcin?

e) A qu temperatura debe calentarse un acero de 0,4%C para queslo exista austenita?

f) Idem anterior, para un acero de 1,2 %C

g) Un acero de 0,4%C, a qu temperatura debe calentarse para quecomience a aparecer austenita?

h) Un acero de 0,4%C y otro de 1,2%C se mantienen a 600C Qufases estn presentes en cada acero y en qu cantidad?


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Respuestas:

a) Austenita y Ferrita. C= 0,012%C, C= 0,3%C; f= 0,347, %=65,3%

b) Solamente austenita. C= 0,2 = Composicin del acero

c) f=(0.4 - 0.0218)/(0.77-0.0218)= 0,238; f=0.762

d) y Fe3C. f=(6,68 - 1.20)/(6,68 - 0.77)=0.927

e) T = 780C

f) T = 880C

g) T = 727C

h) Acero 0,4%C : y Fe3C;

f=(6.68 - 0.4)/(6.68 - 0,006)= 0,94

% Fe3C= 6%

Acero 1.2%C : y Fe3C;

f=( 6.68 - 1.2)/(6.68 - 0,006)= 0,82

% Fe3C= 18%

NOTACIN EN EL DIAGRAMA Fe-Fe3C

Existe cierta nomenclatura utilizada en el diagrama de fases Fe - Fe3C que dice relacin con las temperaturas detransformacin.A1 Temperatura a la cual comienza (si se est calentando) a aparecer la austenitaA2 Transformacin de Curie del Fe, de ferromagntico a paramagntico, alrededor de 770C

A3 Temperatura de equilibrio entre y : temperatura a la cual hay un 100% de si se est calentando, o la temperaturaa la cual comienza a aparecer al enfriar

Acm Temperatura a la cual desaparece la cementita para dar lugar a austenita al calentar o equivalentemente latemperatura a la cual aparece cementita al enfriar

Para distinguir el enfriamiento del calentamiento existen notaciones: Ac3es la temperatura a la cual hay un 100%

de austenita calentar y Ar3es la temperatura a la cual aparece ferrita durante el enfriamiento. El subndice "c"se utiliza por calentamiento "chauffage" y "r"para el enfriamiento "reffroissement".

Los diagramas de fases Fe-C prestan utilidad para# Determinar la temperatura de calentamiento (austenizacin) de aceros al carbono y aceros baja aleacin

(debe considerarse modificaciones introducidas por elementos aleantes)

# Determinar fases presentes y cantidades relativas, en condiciones de equilibrio; equivalentemente encondiciones de enfriamientos lentos (RECOCIDO) y excepcionalmente para enfriamiento al aire(NORMALIZADO) en aceros al carbono y baja aleacin.

NO ES FACTIBLE DETERMINAR LA MICROESTRUCTURA (forma y distribucin de las fases en el acero tamao degrano, etc.) MEDIANTE EL DIAGRAMA DE FASES, AUN EN CONDICIONES DE RECOCIDO.

2.4. TRANSFORMACIONES EN ACEROS AL CARBONO: MICROESTRUCTURAS

LOS TRATAMIENTOS TRMICOS JUEGAN UN PAPEL TERMINAL PARA CONSEGUIR LAS PROPIEDADESDESEADAS DE ACUERDO A SU APLICACIN.

Adicionalmente los tratamientos trmicos son aplicados como una etapa intermedia de un proceso productivo:Ej. Recocido, como una etapa de la conformacin plstica en fro.

LOS TRATAMIENTOS TRMICOS MODIFICAN LA MICROESTRUCTURA del acero y como consecuencia deesto las propiedades mecnicas.

Los tratamientos trmicos pueden dividirse en las siguientes etapas: CALENTAMIENTO, MANTENCION YENFRIAMIENTOdesde la temperatura de tratamiento.

La etapa de calentamiento y mantencin en la temperatura deseada est relacionada con el tamao de lapieza y generalmente se acepta que estas etapas son del orden de 30 minutos por pulgada de seccin parageometras simples. En caso de piezas de geometra complicada se recomienda el calentamiento por etapas,para evitar distorsiones trmicas producto de las diferencias de temperaturas y de las transformaciones defases.


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LA ETAPA DE ENFRIAMIENTO ES LA MS CRTICA PUES ES LA QUE DA ORIGEN A LAS DIVERSASMICROESTRUCTURAS QUE A SU VEZ ORIGINAN DISTINTAS PROPIEDADES MECNICAS.

2.4.1. MICROESTRUCTURAS DE ENFRIAMIENTO EN ACEROS AL CARBONO2.4.1.1. Transformaciones Eutectoide: Microestructura perlticaA 800C un acero que contiene 0,8%C presenta una fase: austenita. Al enfriar la austenita y llegar a latemperatura Ar1 aparecen dos fases: ferrita y cementita. A 727C la ferrita tiene composicin 0.02%C y lacementita 6,67%C.

La transformacin que ocurre al pasar de una fase slida (austenita) a otras dos fases slidas (ferrita +cementita)es conocida como transformacin eutectoide, que para el caso del acero se denomina transformacinperltica

Transformacin perltica:

de 0.8%C de 0.02%C + Fe3C de 6,68%C

f= (6,68 - 0.8 )(6.68 - 0.02)=0.88=88% fFe3C=0.12=12%

LA PERLITA ESTA COMPUESTA DE DOS FASES: FERRITA (88%) Y CEMENTITA (12%)

La morfologa de la perlita generalmente es LAMINAR, pareciendo huella dactilar. En las siguientes figuras, sepresenta microestructuras de ferrita y cementita, bajo la morfologa laminar y globulizada.

Esta morfologa que parece "huellas dactilares" es conocida como PERLITA. La perlita es entonces una mezcla dedos fases: ferrita y cementita, que provienen de la descomposicin de la austenita. La perlita est compuesta delminas alternadas de ferrita y cementita cuyos espesores estn en proporcin de:


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Espesor /Espesor Fe3C= (0.88/densidad )/(0,12/densidad Fe3C)7/1 =7

Figura Morfologa de la transformacin eutectoide en aceros. Se observa en las fotografas superiores,lminas de y Fe3C: PERLITA LAMINAR. En la figura de la derecha se presenta un acero

globulizado o esferoidizado (+ Fe3C como esferas)

El espaciamientoentre las lminas de ferrita y cementita en la perlita depende de la temperatura a la cual seforma la perlita. A menores temperaturas o enfriamientos ms rpidos menor ser el espaciado entrelminas, dando lugar a la "perlita fina".La perlita gruesa por otra parte se produce cuando la perlita se forma atemperaturas cercanas a A1.

ASPECTOS CINTICOS DE LA DESCOMPOSICIN DE LA AUSTENITA

La descomposicin de la austenita de un acero que contiene 0,8%C, en funcin del tiempo a 705C se observa en elsiguiente esquema:

Figura 2 Formacin de perlita a 705C a partir de austenita de un acero de 0,8%C, conun cierto tamao de grano. Las regiones rayadas representan la perlita.

La figura presentada permite visualizar que la transformacin de austenita a perlita requiere de un ciertotiempoy que inicialmente la mezcla de dos fases, perlita, aparece en los lmites de grano de la austenita.

A los 5,8 segundos se observan los primeros NCLEOS DE PERLITA y posteriormente estos ncleos crecen ytransforman toda la austenita en perlita. Es decir inicialmente hay una "NUCLEACIN" preferentemente en losbordes de grano y elCRECIMIENTOde estos consume o transforma toda la estructura inicial.


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NUCLEACIN Y CRECIMIENTO

Toda transformacin de fases (por ejemplo austenita a perlita o viceversa) requiere de las dos etapasmencionadas: NUCLEACION Y CRECIMIENTO.

La NUCLEACION ocurre en zonas de alta energa:

bordes de grano lmite entre fases (nucleacin de a partir de perlita) inclusiones (xidos, sulfuros) precipitados (carburos, nitruros)

zonas de alta deformacin (materiales deformados)

LA NUCLEACIN ES UNA CONDICIN DE INESTABILIDAD. A mayor inestabilidad mayor ser la nucleacin.La inestabilidad se logra al alejarse de las condiciones de equilibrio. Por ejemplo cuando se enfra austenita hasta700C, est con un sobreenfriamiento de 27C; a 600C la austenita es ms inestable por estar sobreenfriada en127C (la temperatura de equilibrio es 727C). A 600C la nucleacin de la perlita es mucho ms intensa que a700C. (Es ms imperiosa la necesidad de transformarse).

EN GENERAL ALTA NUCLEACON DA ORIGEN A ESTRUCTURAS MS FINAS.ESTRUCTURAS MS

FINAS SON MS RESISTENTES MECNICAMENTE.

Dicho de otra forma una austenita enfriada en el horno (con bajo sobreenfriamiento)da origen a perlita gruesa (RECOCIDO). Un enfriamiento al aire (NORMALIZADO)de un acero al carbono da origen a perlita fina, con mayor resistencia mecnica que larecocida.

El CRECIMIENTOde un ncleo ya formado es la manera por la cual se completa la transformacin. El crecimientopuede considerarse como el avance de la nueva fase por saltos de tomos a travs de la interfase decrecimiento. Requiere adems de redistribucin de solutoen frente de la interfase de crecimiento (la(s) nueva(s)

fase(s) difiere(n) en composicin con respecto a la fase inicial).El CRECIMIENTOde un ncleo ya formado es la manera por la cual se completa la transformacin. El crecimientopuede considerarse como el avance de la nueva fase por saltos de tomos a travs de la interfase decrecimiento. Requiere adems de redistribucin de solutoen frente de la interfase de crecimiento (la(s) nueva(s)fase(s) difiere(n) en composicin con respecto a la fase inicial).

Es decir, el CRECIMIENTO REQUIERE de DIFUSIN Y REDISTRIBUCIN DE ELEMENTOS, y como ladifusin depende de la temperatura, EL CRECIMIENTO ES MS IMPORTANTE EN MAYORESTEMPERATURAS.

C OD D Q RT

= exp( / )

CD coeficiente de difusin de carbono en la austenita, considera la velocidad de flujoatmico para lograr la separacin de una fase homogenea a otras dos fases.

x

CD dienteC

= )(graflujoJ


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10 fundamentos aceros

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