tema 8.1 el acero

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ALEACIONES METÁLICAS:

-FERREAS: Acero y Fundiciones

-NO FERREAS

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El acero

¿Qué es el acero? Los metales y aleaciones empleados en la industria se pueden dividir

en dos grandes grupos:– Materiales NO Férreos

» No contienen Hierro» Aluminio, zinc, cobre, níquel, plomo, titanio, etc.» Aleaciones de los mismos

– Materiales Férreos» Contienen el Hierro (Fe) como elemento principal» Hierro dulce» Ferro-aleaciones» Aceros

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El acero

¿Qué es el acero? (cont.) El acero es básicamente una aleación o combinación de Hierro (Fe) y

Carbono (C), con un contenido de Carbono comprendido entre 0,05% y 2% aproximadamente.

Esta combinación va acompañada de otros elementos de aleación, deseados o no

Obtención del acero El hierro no existe como elemento libre en la naturaleza. Se encuentra

combinado (óxidos, silicatos, etc.) Los elementos principales para la obtención del acero son:

– Mineral de Hierro (Fe2O3)– Coque– Piedra caliza– Aire

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El acero - Obtención

El alto horno Depósito troncocónico en el que se cargan desde arriba capas

alternadas de mineral de hierro y coque Al quemarse el coque, libera monóxido de Carbono (CO) El CO se combina con los óxidos de hierro, y los reduce a hierro

metálico. La reacción química fundamental del alto horno es:

– Fe2O3 + 3 CO 3 CO2 + 2 Fe La caliza actúa como fundente, se combina con la Sílice que hay en el

mineral y forma SiO3Ca de menor punto de fusión, formando una escoria que flota sobre el metal fundido

El arrabio resultante tiene– un 92% de Fe– entre un 3 y 4% de C– entre 0.5% y 3% de Si

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El acero - Refinado

Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consite en quemar el exceso de carbono y otras impurezas

Existen varios métodos de refinado: Proceso Bessemer.

– Convertidor en forma de pera, que se inclinaba laterlamente para la carga y descarga.

– Grandes cantidades de aire a través del metal fundido– El oxígeno se combina con las impurezas y las elimina.– El proceso más antiguo. En desuso

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El acero - Desgasificación

A continuación del refinado, hay que eliminar el exceso de gases absorbidos o producidos durante el proceso

Si no se eliminan estos gases se puede producir sopladuras, inclusiones, microfisuras, etc..

La desgasificación del acero fundido se lleva a cabo por medio del vacío sobre la superficie de la masa líquida.

El gradiente de presiones entre el interior y la superficie, hace que los gases fluyan al exterior.

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El Hierro – Formas Alotrópicas

Formas alotrópicas Son las diversas formas en que un metal alotrópico puede presentarse,

según su estructura cristalográfica

Metal alotrópico Metal monocomponente o monofásico que, sin haber variado su

composición química, sufre un cambio reversible de su estructura cristalina

El Hierro es un metal alotrópico que pasa de.. Hierro Alfa (b.c.c.), desde Tª amb. Hasta 910ºC Hierro Gamma (f.c.c.) desde 912ºC hasta 1.500ºC Hierro Delta (b.c.c.) desde 1.500ºC hasta 1.540ºC

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Hierro Alfa (b.c.c.) Cristaliza en b.c.c., o cúbica de cuerpo centrado Los parámetros de red son iguales, la estructura es un

cubo perfecto Un átomo completo se coloca en el centro del cubo y 8

átomos en las esquinas Por cada “cubo” o celda unitaria hay, pues

– 1 + 8 x 1/8 de átomos = 2 átomos

Hierro Delta (b.c.c.) Similar a la fase Alfa, sólo que está presente a Tº

superior 1.400ºC

Las fases Alfa y Delta son Magnéticas

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Hierro Gamma (f.c.c.) Fase que cristaliza en f.c.c. (cúbica de cara

centrada), en la que 6 átomos se ubican en las caras de la celda o “cubo” y 8 átomos en las esquinas

La celda unitaria tiene, pues, 8 átomos x 1/8 + 6 átomos centrados en las caras x ½ = 4 átomos

Es más densa que la b.c.c. ( factor de llenado 0,74 contra 0,68)

En los “huecos” se alojarán los átomos de carbono

No magnético

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Acero – Otras estructuras

Austenita: Solución sólida de C en Hierro Gamma La máxima solubilidad es del 2% de C a 1.130ºC Carga de rotura, 150 Ksi, dureza Rockwell C 40, elongación 10%

en 2” Tenacidad alta Generalmente no es estable a Tª ambiente, aunque hay

circunstancias en que sí (Aceros inoxidables austeníticos)

Cementita: Carburo de Hierro Fe3C con un 6.67% de C Compuesto intersticial muy duro y frágil Es el más duro del diagrama Su estructura es ortorrómbica

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Ferrita: Solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de C disuelto en

hierro Máxima solubilidad, 0,025% de C a 723ºC Disuelve sólo 0,008% de C a Tª ambiente Es la estructura más suave del diagrama Carga de rotura, 40 Ksi, dureza menor que Rockwell C 0, elongación

40% en 2”

Perlita: Mezcla eutectoide que contiene 0,8% C y se forma a 723ºC, a un

enfriamiento muy lento Formada por finas capas alternadas de Cementita y Ferrita Resistencia a la tracción. 120 Ksi, Dureza Rockwell C 20

, elongación 20% en 2”

FERRITAFERRITA AUSTENITAAUSTENITA

PERLITAPERLITA

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Martensita: Solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro

Alfa, lo que produce una estructura b.c.t (Tetragonal de cuerpo centrado)

Es una estructura distorsionada, razón de su dureza (Rockwell C 64)

Muy frágil Formada por un enfriamiento muy rápido del acero que no deja

que el C se difunda fuera de la estructura de austenita, quedando el C atrapado en la solución

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Aceros - Diagrama Fe-C

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El acero - Clasificación

Atendiendo al contenido de Carbono

Aceros Hipoeutectoides

– Contenido en Carbono inferior a 0,8%

Aceros Eutectoides

– Contenido en Carbono igual a 0,8%

Aceros Hipereutectoides

– Contenido en Carbono comprendido entre 0,8% y 2%

Los aceros de construcción, soldables son todos del tipo Hipoeutectoide

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Atendiendo a los elementos constituyentes

Aceros al Carbono

– Contienen, además de Fe y Carbono;

» Manganeso (Mn) =< 1,65%

» Silicio (Si) =<0,6%

» Cobre (Cu) =<0,6%

» Azufre (S) =<0,05%

» Fósforo (P) =<0,05%

Aceros Aleados

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Atendiendo a los elementos constituyentes(cont) Aceros Aleados

– Microaleados; contienen pequeñas cantidades de elementos capaces de formar Carburos, Nitruros, etc

» Niobio (Nb), Ti tanio (Ti), Vanadio (V)

– Aceros Aleados; contienen cantidades más significativas de elementos aleantes, para aplicaciones específicas

» Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Niquel (Ni), Vanadio (V), y mayor cantidad de Manganeso (Mn) y Silicio (Si)

– Aceros Inoxidables

» Son aceros aleados en los que el elemento principal de aleación, que los previene de la corrosión es el Cromo (Cr),con un valor superior al 12%

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Aceros Inoxidables (cont)Hay tres tipos principales

Aceros ferríticos: estructura ferrítica a cualquier temperatura

– 15-18% de Cr

– C =<0,12%

– Más resistentes a la corrosión que los martensíticos

– Difíceles de soldar. Son magnético

Aceros martensíticos: estructura martensítica, de gran dureza

– Diferentes grados de composición, pero con alto contendo en C (hasta 1,2%)

– No soldables

– Resistente a corrosión y desgaste. Cuchillería

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Aceros Inoxidables (cont)Aceros Austeníticos

– Presentan una estructura austenítica a cualquier temperatura, por su alto contenido en Niquel (Ni)

– Baja conductividad calorífica (La mitad que la de los aceros al C). Se deforman mucho

– Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, agua de mar, productos alimenticios, etc

– Soldables, con cierto cuidado en las temperaturas entre pasadas

» 304 : Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%

» 316: Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%, Mo entre 2 y 3%

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El acero - Características básicas

Las características mas importantes en un acero de construcción son Elasticidad

– Es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza.

Carga de rotura– Máxima carga soportada de manera continua, hasta la rotura

Dureza– Resistencia a ser “rayado” por otro cuerpo

Ductilidad– La habilidad del metal para fluir plásticamente antes de fractura.

Tenacidad– Capacidad de absorber energía en un impacto

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El acero - Características básicas

¿Cómo se miden estas características básica?

Mediante ensayos mecánicos y análisis químicos

Elasticidad (límite elástico), carga de rotura, ductilidad, por medio del ensayo de Tracción

Dureza, por medio de los diferentes ensayos de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore)

Tenacidad, por medio del ensayo de Resiliencia o impacto (Péndulo Charpy, Péndulo Izod)

La composición química del material nos va a revelar el contenido de cada elemento, lo que va a incidir directamente en los parámetros anteriores

Análisis micro y macrográfico, para observar la estructura del material.

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Incidencia de los elementos de aleación en la soldabilidad de los aceros

Soldabilidad: Aptitud de los metales a ser unidos por soldadura

Tipos: Soldabilidad Operativa

– Condiciones en las que deben realizarse las uniones para que no aparezcan defectos.

Soldabilidad Metalúrgica– Ligada a las transformaciones físico-químicas que sufre el metal base

durante el ciclo térmico de la soldadura

Soldabilidad Constructiva– Debida a las propiedades de conjunto de las construcciones soldadas

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El acero - Incidencia de los elementos de aleación

CARBONO– Elemento de mayor influencia en la soldabilidad de los aceros

Cuando %C aumenta

Aumenta Disminuye

El límite elástico

La carga de rotura

La dureza

Ductilidad

Tenacidad

Soldabilidad

Facilidad de mecanizadoCuando el enfriamiento es muy rápido, da lugar a zonas templadas, duras y frágiles, en ZAT, que pueden agrietarse en el enfriamiento

Aceros con un contenido en C superior a 0,3% son dificilmente soldables

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AZUFRE– En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo del

0,05%

Cuando %S aumenta

Aumenta Disminuye

Facilidad para la mecanizaciónDuctilidad

Soldabilidad

El azufre reacciona con el hierro, dando Sulfuro de Hierro, que es soluble en el acero fundido, formando un eutéctico Fe-Sfe a unos 980ºC, que se deposita en los bordes de los granos de austenita, facilitando el “agrietamiento en caliente”

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FOSFORO– En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo de

0,05%. Valores superiores producen “Fragilización en Frío”

Cuando %P aumenta

Aumenta Disminuye

Facilidad de mecanizado

Resistencia a la tracción

Ductilidad

Soldabilidad

Durante la solidificación, el Fósforo reacciona con el Hierro formado Fosfuro de Hierro Fe3P, que aumenta el tamaño del grano, y en consecuencia, la fragilidad en fío

Para no afectar a la soldabilidad de los aceros al Carbono, se debe mantener S+P =<0,08%

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MANGANESO (Mn)– Tiene mayor afinidad que el Fe para combinarse con el O2

,S y C. Se emplea como desoxidante y desulfurante

Cuando %Mn aumenta

Aumenta DisminuyeResistencia a la tracción

Dureza

Ductilidad (Mn<1,5%)

Resiliencia

Soldabilidad (Mn<1,5%)

Ductilidad (Mn>2%)

Soldabilidad (Mn>2%)

Al aumentar C, debe aumentar la relación Mn/C para evitar fisuración en caliente.

Elemento Gammageno. Retiene la Austenita

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SILICIO (Si)– Su mayor importancia, es ser un gran agente desoxidante, para

controlar el contenido de Oxígeno en el acero

Cuando % Si aumenta

Aumenta DisminuyeResistencia a la tracción

Dureza

Elasticidad

Facilidad de mecanizado

Soldabilidad (Si>0,65%)

Es un elemento alfágeno, formador de ferrita

Su contenido en los aceros al C puede llegar hasta el 0.35%, y en los aceros aleados hasta el 0,65%

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CROMO (Cr)

– Importantísimo en los aceros aleados

– Aumenta la templabilidad del acero

– Aumenta la resistencia a la oxidación y corrosión

– Características del Cr

» Gran afinidad por el C, àra formar Carburos de Cromo

» A altas temperaturas se combina con O2 para formar óxidos de Cr, no metálico y refractario

» Es un gran formador de ferrita

– En aceros aleados con Cr>3%, gran resistencia a elevadas temperaturas, hay que emplear técnicas de soldeo especiales

– Los aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12% de Cr para aumentar su resistencia a la corrosión.

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NIQUEL (Ni)– Elemento gammágeno por excelencia. Favorece la formación y

persistencia de estructuras austeníticas

– Mejora las propiedades mecánicas del acero de manera importante, en especial

» La ductilidad

» Resiliencia. (Tenacidad a bajas temperaturas)

– No forma óxidos ni carburos ya que su afinidad por el Oxígeno y el Carbono es menor que la del Hierro.

– Imprescindible e aceros inoxidables austeníticos (>8%) y en aceros aleados para usos criogénicos.

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COBRE (Cu)– Elemento que no tiene gran reputación entre los elementos aleantes

del acero

– Actualmente se utiliza como un elemento que favorece el endurecimiento por precipitación

– Se utiliza en el rango de 0,2 – 0,3% como aleante de los aceros al C, para formar una película superficial de Oxido de Cobre que retarda y , a veces, evita la corrosión atmosférica, dando a la estructura una pátina rojiza que se acrecienta con el tiempo

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NITROGENO (N)– Se pretende evitar el contacto del N del aire con el baño de fusión.

(Gases atrapados que pueden producir porosidad)

– En algunos aceros aleados se emplea para mejorar sus características mecánicas

– Su uso correcto depende de la presencia de otros elementos (Al, Cr, Ti) con los que combinarse para dar Nitruros, en vez de que lo haga con el Fe para dar N3Fe que fragilizaría la soldadura. Aceros “Nitrurados”, con extremada dureza en una capa superficial

– Es un poderoso elemento austenizante. (Gammágeno)

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ALUMINIO (Al)– Utilizado en pequeñas cantidades como

» desoxidante y

» afinador del grano

– ES un elemento alfágeno, formador de ferrita

– Presenta gran afinidad por el Oxígeno con el que reacciona para formar AL2O3, sólido blanquecino de elevado punto de fusión.

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NIOBIO (Nb/Cb) TITANIO (Ti)– Presentan gran afinidad por el Carbono para formar Carburos, por el

Oxígeno y por el Nitrógeno (Sobretodo el Titanio)

– Ambos actúan como formadores o estabilizadores de ferrita

– Disueltos en hacer, aumenta su templabilidad, sin embargo, su tendencia a formar Carburos es tan grande, que en forma de Carburos insolubles, disminuye la templabilidad de los aceros.

– Su mayor propiedad es la de ser Estabilizadores de Carburos en soldaduras de aceros inoxidables Austeníticos, para evitar la migración de los posible Carburos de Cromo, al borde de los granos

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Propiedades físicas de acero

Dependen de la composición y de los tratamientos térmicos

Para un acero al Carbono típico, las propiedades son: Peso específico: 7,8 kg/dm3

Punto de Fusión (a 1 Ata): 1.450 – 1.530 ºC Módulo de Elasticidad: 2,1x103 kp/mm2

Coef. Dilatación térmica: 12,5 x 10-6 ºC-1

Coef. Conductividad térmica 1,1x10-1 cal/s/cm/ºC Resistividad eléctrica: 11,78 .cm/cm2 a 20ºC

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1 – CARBONO2 - NIQUEL3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el cromo4 - MOLIBDENO5 - CROMO6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno9 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el níquel.

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Propiedades físicas de acero

CATÁLOGO ACEROS

Acero 1008 Acero 1020 Laminado Acero 1030

Acero 1045 Acero 1045 Acero 1045 templado

Acero 1008 Acero 1020 Laminado Acero 1030

Acero 1045 Acero 1045 Acero 1045 templado

Acero 4140 normalizado

tema 8.1 el acero

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