Escuela de Ingeniera Mecnica Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniera y Agrimensura Universidad Nacional de Rosario

Ciencia de los Materiales

Seminario

Aceros inoxidables martensticos y

endurecidos por precipitado

Integrantes: GARELLO, Alan RIGUETTI, Anabela

WOLKENSTEIN, Esteban

Docente: DRUKER, Ana Velia

Ao: 2014

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Introduccin

Los aceros inoxidables se eligen como materiales de ingeniera principalmente por su excelente

resistencia a la corrosin en muchos ambientes. Algunos tipos de acero inoxidable contienen adems

de C y Cr otros elementos aleantes como Ni, Al, Mo, Ti y Cu. La resistencia a la corrosin se debe a su

alto contenido de cromo. Para fabricar un acero inoxidable, tiene que haber por lo menos 12% de

cromo (Cr) en el acero. Segn la teora clsica, el cromo forma un xido superficial que protege de la

corrosin a la aleacin de hierro-cromo. Para producir el xido protector, el acero inoxidable tiene que

estar expuesto a agentes oxidantes, como el oxgeno del aire. En general existen cinco tipos principales

de aceros inoxidables: ferrtico, martenstico, austentico, duplex y endurecido por precipitacin.

Aceros inoxidables martensticos

Qu es la martensita? La martensita es una fase rica en carbono, frgil y extraordinariamente dura. En los aceros al carbono simples, la martensita es una solucin slida sobresaturada de carbono en hierro alfa (BCC). Se obtiene por un temple del acero, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitucin austentica, es decir, cuando el acero se encuentra por encima de los 723C, se lo enfra rpidamente.

Cristalizacin de la martensita Hay que tener en cuenta que debido al enfriamiento rpido, no hay tiempo para que los tomos de carbono difundan, es decir, permanecern en los huecos octadricos. Cmo la estructura BCC del hierro admite menos tomos de carbono que la FCC, los tomos de carbono retenidos distorsionan la red. Por lo tanto la estructura BCC se alarga formndose la estructura BCT (tetragonal centrada en el cuerpo).La dureza de la martensita puede atribuirse precisamente a la tensin que produce en sus cristales esta deformacin. Esta distorsin de la red del hierro hace que el movimiento de dislocaciones sea muy dificultoso y se considera como la mayor causa de la alta resistencia mecnica de la martensita.

Cuando aumenta el porcentaje de carbono, ms sitios intersticiales se ocupan por los tomos de carbono, y la estructura tetragonal de la martensita se hace ms pronunciada.

Variacin en los parmetros de red de la estructura BCT en funcin del porcentaje en peso de Carbono en la martensita

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La temperatura a la cual se inicia la transformacin de austenita a martensita se conoce como temperatura de inicio martenstico, Ms, y a la cual finaliza dicha transformacin se llama temperatura de acabado martenstico, Mf. Si Mf est por debajo de la temperatura ambiente, queda permanentemente austenita retenida cuando se templa hasta temperatura ambiente (no se transforma el 100% de la austenita en martensita). La temperatura Ms para aleaciones Fe-C disminuye a medida que el porcentaje en peso de carbono aumenta en esas aleaciones.

Caractersticas de los aceros inoxidables martensticos Los aceros inoxidables martensticos son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo. Poseen un contenido de carbono entre 0,15 % y 1,2 %, y cromo entre 11,5 % y 18 %. Tienen estructura austentica a elevada temperatura, que puede transformarse en martensita despus de un tratamiento trmico de temple con enfriamiento en aire o aceite, elevando su dureza y resistencia al desgaste. La resistencia a la corrosin de este tipo de aceros inoxidables est asociada a su contenido de cromo y a su microestructura (tipo acicular: en forma de aguja). Las aleaciones de mayor contenido de carbono exhiben una menor resistencia a la corrosin en condicin de temple y revenido, debido a la mayor susceptibilidad a la precipitacin de carburos de cromo que presentan estos materiales. En trminos generales se puede decir que los aceros inoxidables martensticos presentan menor resistencia a la corrosin que las dems familias de aceros inoxidables, pero tienen resistencia mecnica elevada. Algunas aleaciones pueden ser tratadas trmicamente para alcanzar valores de resistencia superiores a 1400 MPa.

Propiedades Resistencia mecnica elevada. Son magnticos. Pueden trabajarse en fro sin dificultad. Pueden maquinarse satisfactoriamente. Tienen buena tenacidad. Se trabajan fcilmente en caliente. Tienen una baja conductividad trmica. Baja soldabilidad variando con el contenido de carbono.

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Es importante observar que estos aceros son normalmente producidos por la industria siderrgica en estado recocido, con ductilidad razonablemente buena, ya que la estructura es una matriz ferrtica con los carburos de Cr precipitados. Solamente despus de ser templados sern muy duros y poco dctiles. Pero es precisamente en esta condicin (templados), que sern resistentes a la corrosin.

Estructura microscpica de un acero inoxidable martenstico

Junto con la clase de aceros inoxidables ferrticos, los martensticos componen la serie AISI 400, la

cual se observa en la siguiente tabla: AISI Composicin qumica Propiedades Usos

403

C: 0,15% mximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% mximo Si: 0,5% mximo

Limite elstico y resistencia al impacto elevados. Resistente a la corrosin, alta resistencia mecnica y resistencia al impacto, fcilmente formable en fro

Construccin de los elementos de turbina delicados, como ser alabes y toberas

410

C: 0,15% mximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% mximo Si: 1% mximo

Resistente a la corrosin, alta resistencia mecnica y resistencia al impacto, fcilmente formable en fro

Construccin de vlvulas, alambre tejido para zaranda, ejes de bombas, bulones, gran variedad de elementos para industria qumica, del petrleo, etc

414 C: 0,15% mximo Cr: 11,5% a 13,5% N: 1,25% a 2,5%

Resistencia a la corrosin. Mayor resistencia mecnica y al impacto

416

C: 0,15% mximo Cr: 11,5% a 13% Mn: 1% mximo Si:0,5% mximo P: 0,04% mximo S: 0,18% a 0,35% Mo: 0,6% mximo

Baja resistencia a la corrosin Tornillos, remaches, elementos forjados, accesorios de tuberas para aviones

418

C: 0,15% mximo Cr: 12% a 14% Mn: 1% mximo Si:1% mximo W: 2,5% a 3,5%

Resistencia mecnica a alta temperatura. Resistencia a la deformacin a temperatura hasta 600 C igual o mayor a los aceros austenticos. Fcil de mecanizar y puede soldarse sin dificultad

Para la construccin de vstagos de vlvulas para vapor recalentados y tubos para los intercambiadores de calor

420

C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn: 1% mximo Si:1% mximo

Resistencia mecnica y ductilidad Fabricacin de cuchillos para mesa

420-F

C: 0,25% a 0,35% Cr: 12% a 14% Mn, Si: 1% mximo P, S o Se: 0,07% mx Mo o Zr: 0,6% mx

Similares a la precedente. Ms fcil de mecanizar. Menor resistencia a la corrosin, impacto y conformabilidad en fro

431 C: 0,20% mximo Cr: 15% a 17% N: 1,25% a 2,5%

Resistencia mecnica y al impacto similar a las del grado 414. Mayor resistencia a la corrosin y a la oxidacin a altas temperaturas

440-A

C: 0,6% a 0,75% Cr: 16% a 18% Mn: 1% mximo Si: 1% mximo Mo: 0,75% mximo

Dctil para ser conformado en fro y adquiere dureza con el temple

Fabricacin de cubiertos en general

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Tablas comparativas de aceros martensticos segn la serie

Propiedades mecnicas de los aceros inoxidables martensticos

Propiedades mecnicas de los aceros inoxidables martensticos recocidos

440-B

C: 0,75% a 0,95% Cr: 16% a 18% Mn, Si: 1% mximo Mo: 0,75% mx

Ms duro que el 440-A Bolillas y anillos para rodamientos, instrumentos quirrgicos y dentales, tijeras, cuchillos

440-C

C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% mximo Si: 1% mximo Mo: 0,75% mximo

Gran dureza, resistencia mecnica y resistencia a la corrosin, alta resistencia al desgaste por abrasin

Construccin de inyectores, elementos de vlvulas, bolas para los molinos a bolas, asientos para las bombas de pozo de petrleo

440-F

C: 0,95% a 1,2% Cr: 16% a 18% Mn: 1% mximo Si: 1% mximo Se: 0,07% mnimo

Facilidad de ser mecanizado en mquinas herramienta automticas

Fabricacin de tornillos

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Problemas que presentan Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frgiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crtica inferior (723C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfrindolo luego al aire. La estructura martenstica, cuya dureza aumenta con el contenido de carbono tiene una tendencia a la fisuracin muy importante durante la soldadura. Esto puede ser revertido parcialmente con el precalentamiento de la soldadura.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitacin

Caractersticas generales Los aceros inoxidables endurecidos por precipitacin o PH (Precipitation Hardening) son

aleaciones de hierro, carbono, cromo y nquel que se caracterizan por la resistencia obtenida a

partir de un tratamiento trmico de envejecimiento.

Se han desarrollado muchos aceros PH, en parte debido a los requerimientos exigidos por las

industrias aeronutica y aeroespacial, que demandan aceros con una buena relacin entre peso

y alta resistencia a la corrosin.

Pueden ser martensticos, austenticos o intermedios entre ambos, dependiendo de la

proporcin Cr/Ni. Lo que realmente los distingue es la adicin de ciertos elementos como Al,

Ti, Mo y Cu, que dan lugar a la formacin de compuestos intermetlicos (combinacin que

resulta de mezclas homogneas de dos o ms metales fundidos) de manera controlada. El

endurecimiento por medio de estos compuestos se puede realizar por precipitacin desde una

matriz martenstica. Se envejece el acero a una temperatura comprendida entre 455 C y 565

C, donde precipitan los compuestos intermetlicos endurecedores. El endurecimiento se

lograr si se obtienen los precipitados en el interior de los granos homogneamente

distribuidos y que cada uno constituya un obstculo eficaz para el deslizamiento de las

dislocaciones.

Como aspecto negativo debe destacarse que estas aleaciones se trabajan mal en fro.

Cuando se parte de una matriz austentica sobresaturada, despus de la precipitacin por

envejecimiento se obtienen menores resistencias mecnicas pero una considerable mejora de

la ductilidad.

Los aceros inoxidables endurecidos por precipitacin contienen cantidades suficientes de Cr y

Ni, que les confieren las propiedades de los austenticos y de los martensticos. Al igual que los

martensticos, poseen la capacidad de adquirir alta resistencia mediante tratamientos trmicos,

y al igual que los austenticos poseen una alta resistencia a la corrosin.

Se pueden clasificar en funcin de su estructura en estado de recocido, y del comportamiento

resultante despus del tratamiento trmico de envejecimiento, en austenticos, martensticos

y semi-austenticos. Se encuentran patentados y normalmente se les designa por su nombre

comercial.

Proceso de precipitacin En muchas aleaciones, incluyendo ciertos aceros, el principal mecanismo de endurecimiento

disponible se basa en la posibilidad de fomentar el fenmeno de precipitacin de forma

adecuada.

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Etapas 1. Disolucin: la muestra de aleacin, que puede presentarse en forma de forja (proceso

de conformado por deformacin plstica) o fundida, se calienta a una temperatura

intermedia entre la lnea correspondiente a solvus y a solidus (campo monofsico) y se

mantiene ah hasta que se produce una estructura de solucin slida uniforme.

2. Templado: la muestra es enfriada rpidamente a una temperatura ms baja a fin de

impedir la difusin, y por lo tanto la precipitacin. El medio de enfriamiento suele ser

agua a temperatura ambiente. La estructura de la muestra de aleacin despus del

templado consiste en una solucin slida sobresaturada que no se encuentra en

equilibrio.

3. Envejecimiento: es necesario calentar la aleacin a una temperatura por debajo de la

lnea solvus, para la formacin de un precipitado finamente disperso en el interior de

los granos, que impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformacin, ya

que estas son obligadas a cruzar transversalmente las partculas precipitadas o a

rodearlas. Al restringir el movimiento de las dislocaciones, la aleacin se refuerza. En

esta etapa se obtiene la dureza mxima de estas aleaciones. Las aleaciones en que la

precipitacin tiene lugar a temperatura ambiente, obteniendo su resistencia total

despus de 4 5 das, se conocen como aleaciones de envejecimiento natural, en tanto

que las que necesitan recalentamiento a elevadas temperaturas para alcanzar su

mxima resistencia, se conocen como aleaciones de envejecimiento artificial.

Tipos de precipitados

Precipitados Coherentes: las estructuras cristalinas de las fases intervinientes deben ser idnticas, la relacin de orientacin entre las redes tiene que ser la adecuada (paralelas)

y los parmetros de red de ambas fases, ser prcticamente idnticos. Precipitados Semicoherentes: son los buscados al realizar el procedimiento de

endurecimiento por precipitacin, ya que debido a la gran cantidad de interfaces con

alta energa, son los precipitados ms endurecedores.

Precipitados Incoherentes: el plano interfacial tiene una configuracin atmica muy

diferente entre fases adyacentes, por lo que no hay posibilidad de buen ajuste entre

ambos cristales.

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(a; precipitado incoherente) El precipitado incoherente no tiene ninguna relacin con la estructura cristalina de la matriz circundante. (b; precipitado coherente) Se forma un precipitado coherente, de manera que existe una clara relacin entre el precipitado y la estructura cristalina de la matriz.

Efectos del tiempo de envejecimiento en las propiedades mecnicas

Propiedades Adems de su gran inoxidabilidad a temperatura ambiente y a elevadas temperaturas, las

principales propiedades de este grupo de aceros son:

Muy alta resistencia a la traccin en caliente.

Elevada dureza.

Gran resistencia mecnica.

Alto lmite de elasticidad a temperatura ambiente.

Pocos ductiles.

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El lmite elstico de los aceros inoxidables PH vara entre 515 y 1415 MPa, y la resistencia

mecnica entre 860 y 1520 MPa. Cuando son trabajados en fro antes de los tratamientos de

envejecimiento, se consiguen an mayores resistencias.

Los aceros con bajo contenido de carbono son susceptibles a un fenmeno de envejecimiento

(natural) que puede tener dos efectos perjudiciales:

Deformacin no uniforme durante el trabajo plstico en fro.

Hacerlo inadecuado para aplicaciones difciles de embutido de chapas.

Puesto que estas dificultades son producidas por una reaccin de envejecimiento, se les puede

evitar si el acero se deforma antes de que pueda producirse esta reaccin.

Aplicaciones Servicios a alta temperatura como intercambiadores de calor y tubos de

sobrecalentamiento de calderas a vapor.

Componentes aeroespaciales y marinos.

Tanques de combustibles.

Partes de bombas.

Ejes y pernos.

Sierras, cuchillos y juntas tipo fuelle flexible

Bibliografa Askeland - Ciencia e ingeniera de los materiales 6th.

Estructura y propiedades de las aleaciones Apunte Facultad de Ingeniera UNLP.

Apuntes proporcionados por la ctedra.