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Clase 10 de materiales
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ALEACIONES PARA INGENIERÍA 2
Lima, mayo del 2014
ACEROS DE BAJA ALEACION
Dr. Ingº FORTUNATO ALVA DAVILA
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
Los aceros al carbono simples se usan con éxito cuando la solidez y otros requisitos de ingeniería no son demasiados EXIGENTES.
Estos aceros tienen un costo relativamente bajo, pero presentan limitaciones, entre ellas las siguientes: Los aceros al carbono simples, no pueden soportar más de 690 MPa, sin sufrir una pérdida considerable en su ductilidad y resistencia al impacto.
Tienen poca resistencia a la corrosión y a la
oxidación.
Los aceros al carbono simples deben templarse
rápidamente para lograr una estructura
totalmente martensítica.
Los aceros al carbono simples, tienen poca
resistencia al impacto a bajas temperaturas.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
Para superar las deficiencias de los aceros al
carbono simples, se han creado aceros de
aleación que contienen elementos aleados para
mejorar sus propiedades.
En general, los aceros de aleación cuestan más
que los aceros al carbono simples, pero para
muchas aplicaciones son los únicos materiales que
son posibles utilizar para satisfacer las necesidades
de ingeniería.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN
Los principales elementos que se agregan para
producir aceros de aleación son:
Manganeso, níquel, cromo, molibdeno y
tungsteno.
Otros elementos que se agregan a veces son:
vanadio, cobalto, boro, cobre, aluminio, plomo,
titanio.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS DE ALEACIÓN
Estos pueden contener hasta 50 % de elementos
aleados y aún seguir siendo considerados como
aceros aleados.
Los aceros de baja aleación que contienen entre 1
% y 4 % de elementos aleados se consideran como
aceros de aleación.
Los aceros son principalmente de tipo automotriz y
para la construcción, y lo más común es llamarlos
simplemente aceros de aleación.
ACEROS DE ALEACIÓN
En los EE.UU, los aceros de aleación suelen
designarse con el sistema de 4 dígitos AISI-
SAE.
Los 2 primeros dígitos indican el principal
elemento aleado o los grupos de elementos
presentes en el acero, y los 2 últimos dígitos
indican las centésimas del porcentaje de
carbono contenido en el acero.
La templabilidad de un acero se define como la
propiedad que determina la profundidad y
distribución de la dureza inducida, mediante el
templado a partir de la condición austenítica.
La templabilidad de un acero depende principalmente
de:
Su composición,
El tamaño del grano austenítico y
La estructura del acero antes de ser templado.
TEMPLABILIDAD
PRUEBA DE TEMPLABILIDAD
d) La templabilidad se mide con la prueba de
templabilidad de Jominy. En la prueba del templado
final de Jominy, el espécimen es una barra
cilíndrica de 1 pulg de diámetro y 4 pulg de
largo, con un reborde de 1/16 pulg en un extremo. En
la prueba de Jominy, una vez que la muestra ha sido
austenitizada, se coloca en un portapiezas, como se
muestra en la figura 9.1, y se lanza rápidamente un
chorro de agua sobre un extremo del espécimen.
Después del enfriamiento, dos superficies planas paralelas son
pulidas en los extremos opuestos de la barra de prueba y se
realizan mediciones de dureza Rockwell C a lo largo de esas
superficies hasta 2,5 pulg del extremo templado.
PRUEBA DE TEMPLABILIDAD
Figura 9.1
rU
Tabla 9.1 Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de los aceros al carbono simples
Aleación número
AISI-SAE
Composición química
(% en peso)Estado
Resistencia a la tracción Límite elásticoAlargamiento
(%)
AplicacionesTípicasKPSI MPa kPSI MPa
1010 0.10 C, 0.40 Mn Laminado en calienteLaminado en frío
40-60
42-58
276-414
290-400
26-45
23-38
179-310
159-262
28-47
30-45
Lámina y tira para trefilado; alambre, varilla, clavos y tornillos; varilla de refuerzo para concreto.
1020 0.20 C, 0.45 Mn Laminado tosco
Recocido
65
57
448
393
48
43
331
297
36
36
Planchas y secciones estructurales de acero; ejes, engranajes.
1040 0,40 C, 0.45 Mn Laminado toscoRecocidoRevenido
90 75116
621517800
605186
414352593
253020
Ejes, pernos, tubos con alta resistencia a la tensión, engranajes.
1060 0.60 C, 0.45 Mn LaminadoRecocidoRevenido
118 91160
814628110
70 54113
483483780
172213
Alambre para resortes, troqueles de forjar, ruedas de ferrocarril.
1080 0.80 C, 0.80 Mn LaminadoToscoRecocidoRevenido
140 89189
967 6141304
85 54142
586373980
122512
Cuerdas para instrumentos musicales, resortes helicoidales, cinceles, bloques de troqueles de forjar
1095 0.95 C, 0.40 Mn LaminadoToscoRecocidoRevenido
140 95183
966 6551263
83 55118
573379814
91310
Troqueles, sacabocados, tarrajas, fresas,hojas de tijeras, alambre de granresistencia a la tracción.
* Templado y revenido a 315°C (600°F)
-
Los aceros inoxidables son materiales de
ingeniería por su excelente resistencia a la
corrosión.
La resistencia de los aceros inoxidables a la
corrosión se debe a su alto contenido de
cromo.
Para fabricar un “acero inoxidable”, tiene
que haber por lo menos 12% de cromo en el
acero.
ACEROS INOXIDABLES
ACEROS INOXIDABLES
Según la teoría clásica, el cromo forma un
óxido superficial que protege de la
corrosión a la aleación de hierro-cromo.
Para producir el óxido protector, el acero
inoxidable tiene que estar expuesto a
agentes oxidantes.
En general existen 4 tipos principales de
aceros inoxidables: ferrífico, martensítico,
austenítico y endurecido por precipitación.
ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS
Son aleaciones binarias de hierro – cromo que
contienen entre 12% y 30% de Cromo. Se denominan
ferríticos porque su estructura se mantiene
principalmente en ese estado (BCC, tipo hierro α) en
condiciones de tratamiento térmico normal.
En virtud de que el cromo tiene la misma estructura
cristalina BCC que la ferrita α, extiende la región
de fase α y suprimir la región de fase γ .
ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS
Los aceros inoxidables ferríticos, por
contener más de 12% de Cromo, no sufren
la transformación de FCC a BCC y se enfrían
a partir de altas temperaturas como
soluciones sólidas de cromo en hierro α.
ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS
Los aceros inoxidables ferríticos tienen:
Un costo relativamente bajo porque no
contienen níquel.
Se usan principalmente como materiales de
construcción de tipo general, por su
resistencia especial a la corrosión y al
calor.
δ
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
Los aceros inoxidables martensíticos son
aleaciones Fe-Cr que contienen entre 12%
y 17% de Cromo y tienen suficiente carbono
(0,15 a 1,0%C) para que se pueda producir
mediante el templado una estructura
martensítica a partir de la región de la fase
austenítica.
Se denominan martensíticos porque son
capaces de desarrollar una estructura de ese
tipo después de un tratamiento térmico
de austenitizado y templado.
La composición de los aceros inoxidables
martensíticos se ajusta para optimizar su
solidez y dureza, la resistencia a la
corrosión es relativamente mala en
comparación con los de tipo ferrítico y
austenítico.
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
El tratamiento térmico de los aceros inoxidables
martensíticos para dotarlos de mayor solidez y
tenacidad es básicamente el mismo que se usa para
los aceros al carbono simples y los de baja aleación.
La aleación es austenitizada, enfriada con suficiente
rapidez para producir una estructura martensítica y
luego se reviene para relajar las tensiones e
incrementar la tenacidad.
En la tabla 9.12, se incluye las composiciones
químicas, las propiedades mecánicas típicas y las
aplicaciones de acero inoxidables martensíticos
de los tipos 410 y 440 C.
El acero inoxidable 410 con 12% de Cr es un acero
inoxidable martensítico de más baja dureza y uno
de los tipos de propósito general termotratables que se
utilizan para aplicaciones tales como partes de
maquinarias, ejes de las bombas, pernos y
boquillas.
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS
La aleación tipo 440 C con 16 % de Cromo y
1% de Carbono es el acero inoxidable
martensítico de más alta dureza entre
todos los aceros resistentes a la corrosión.
Su elevada dureza se debe a una matriz
martensítica dura y a la presencia de una
gran concentración de carburos primarios.
Tabla 9.12 Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas de los aceros inoxidables
Número de
aleación
Composición química (% en
peso)*Estado
Resistencia a la tracción
Límite elástico
Alargamiento en 2 pulg (%) Aplicaciones
típicaskPSI MPa kPSI MPa
Aceros inoxidables ferríticos430 17 Cr, 0,012 C Recocido 75 517 50 345 25 Para propósito general, no templable; usos:
campanas de chimenea de cocina, equipo de restaurante.
446 25 Cr, 0.20 C Recocido 80 552 50 345 20 Aplicaciones de alta temperatura; calentadores, cámaras de combustión.
Aceros inoxidables martensíticos410 12.5 Cr, 0.15 C Recocido
Q y T+
75 517 40 276 30 De uso general termoestable; partes de maquinaria, pozos de bomba, válvulas
440A 17 Cr, 0.70 C RecocidoQ y T+
105265
7241 828
60245
4141 690
205
Cubiertos, cojinetes, instrumentos quirúrgicos
440C 17 cr, 1.1 C RecocidoQ y T+
110285
7591 966
70275
2761 897
132
Bolas, cojinetes, anillos de bolas, partes de válvulas
Aceros inoxidables austeníticos 301 17 Cr, 7 Ni Recocido 110 759 40 276 60 Aleación con alta tasa de endurecimiento
por deformación plástica; aplicaciones estructurales
304 19 Cr, 10 Ni Recocido 84 580 42 290 55 Equipo químico y para procesamiento de alimentos
304L 19 Cr, 10Ni, 0,03 C Recocido 81 559 39 269 55 Material bajo en carbono para soldadura; equipo de procesamiento, recipientes a presión
321 18 Cr, 10 niTi= 5x%C mín
Recocido 90 621 35 241 45 Estabilizado para soldadura; equipo de procesamiento, recipientes a presión
347 18 Cr, 10 Ni, Cb (Nb)=10xC min
Recocido 95 655 40 276 45 Material estabilizado para soldadura; vagones cisterna para productos químicos
Aceros inoxidables endurecidos por precipitación 17-4PH 16 Cr, 4 Ni, 4 Cu,
0,03 Cb (Nb)Endurecido por precipitación
190 1 311 175 1 207 14 Engranajes, levas, sistemas de transmisión, partes aeronáuticas y de turbinas
ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS
Son aleaciones ternarias de hierro-cromo-níquel
que contienen entre 16% y 25% de Cr y de 7% a
20% de Ni.
Se llaman austeníticos porque su estructura sigue
siendo de ese tipo (FCC, tipo hierroγ) en todas las
temperaturas normales del tratamiento térmico.
La presencia del níquel, que tiene una estructura
cristalina FCC, permite que dicha estructura se
mantenga a la temperatura ambiente.
La alta moldeabilidad de los aceros inoxidables
austeníticos se debe a su estructura cristalina FCC.
En la tabla 9.12, se presenta la composición
química, las propiedades mecánicas típicas y
las aplicaciones de los aceros inoxidables
austeníticos tipos 301, 304 y 347.
Tienen mayor resistencia a la corrosión
que los de tipo ferrítico y martensítico
porque los carburos pueden conservarse en
solución sólida mediante el enfriamiento
rápido a partir de altas temperaturas.
ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS
ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS
Si se soldaran o enfriaran lentamente a partir de altas
temperaturas en el rango de 870 a 600°C, pueden
volverse susceptibles a la corrosión intergranular porque
los carburos que contienen cromo se precipitan en los
límites del grano.
Esta dificultad se puede evitar hasta cierto punto si se
reduce el contenido máximo de carbono en la aleación a
cerca de 0,03% C (aleación tipo 304L) o si se agrega
un elemento de aleación como el columbio (aleación
tipo 347) para que se combine con el carbono de la
aleación.
ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS
En la figura se muestra la microestructura de un acero
inoxidable tipo 304 que ha sido recocido a 1065°C y
enfriado por aire. Se observa que no hay carburos
visibles en la microestructura, como en el caso del
acero tipo 430 y el acero tipo 440C.
Acero inoxidable austenítico tipo 304 recocido 5 minutos a 1 065ºC
ACEROS INOXIDABLES : Tipo 430 y Tipo 440 C
ACERO BONIFICADO
Se llama así al acero templado y luego revenido.
El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero
después de normalizado o templado, a una temperatura inferior
al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que
puede ser:
Rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad,
Lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que
pueden generar deformaciones.
Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble
revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con
enfriamiento lento hasta 300ºC.
ACERO BONIFICADO
Los fines de este tratamiento son los siguientes:
Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.
Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
Modificar las características mecánicas, en las piezas templadas produciendo los siguientes efectos:
Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.
Aumentar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.
ACEROS BONIFICADOS
ACEROS BONIFICADOS
ACEROS ESPECIALESAceros Böhler ofrece una línea de aleaciones especiales para diversas aplicaciones industriales como:
Industria médicaOfrece aceros inoxidables y aleaciones especiales para la fabricación de implantes e instrumental quirúrgico.
Todos los productos cumplen con las normas internacionales de calidad para aplicaciones médicas.
ACEROS ESPECIALES
Sector energético:Suministra aleaciones resistentes a altas temperaturas como aleaciones base níquel para turbinas de gas, vapor o hidráulicas. Estos materiales deben ser resistentes a condiciones mecánicas y térmicas extremas, ya que por ejemplo sus álabes alcanzan la velocidad del sonido y temperaturas tan altas que las dejan al rojo vivo.
Industria aeronáutica y aeroespacial:Böhler, con sus aceros especiales y aleaciones base níquel y cobalto, utilizados en partes vitales del fuselaje y las turbinas, satisfacen rigurosamente todos los criterios de calidad y confiabilidad que demandan los principales fabricantes de aeronáutica en el mundo.
ACEROS ESPECIALESIndustria química, petroquímica y de alta mar:Actualmente se trabaja en la desalinización de aguas marinas, en la fabricación de materias plásticas y en la exploración y extracción de petróleo del fondo de los océanos. Estos campos requieren materiales resistentes a la corrosión y al gran desgaste mecánico. Böhler desarrolla y experimenta constantemente aceros con estas propiedades, como son el Super Duplex y aleaciones base níquel.
ACEROS RÁPIDOS
Uno de los procedimientos más utilizados en la
producción industrial es la mecanización por arranque
de viruta. Las herramientas para este proceso de
mecanizado se fabrican en gran medida con aceros
rápidos. Actualmente, el empleo de aceros
rápidos se extendió a la fabricación de herramientas,
la conformación en frío, como por ejemplo, punzones
y matrices de extrusión y troquelado.
ACEROS RÁPIDOS
BOHLER S500Acero rápido al molibdeno con aleación de cobalto, de gran dureza, excelentes propiedades de corte, máxima resistencia a la compresión, gran dureza en caliente y buena resistencia.
BOHLER S600 Acero rápido de gran tenacidad y buenas propiedades de corte, para aplicación universal. Una buena opción para brocas espirales, machos de roscar, herramientas para brochar y escariar, fresas de toda clase y herramientas para trabajar madera.
ACEROS RÁPIDOS
BOHLER S705
Acero rápido aleado al cobalto, con buenas
propiedades de corte, gran dureza en caliente y
elevada tenacidad.
Para fresas, brocas espirales, machos de roscar y
herramientas para brochar y escariar.
ACEROS RÁPIDOSLas principales características de los aceros rápidos son:
•Elevada resistencia al revenido y a la pérdida de dureza en caliente•Elevada resistencia al desgaste•Gran dureza útil•Buena tenacidad
