Las aleaciones ferrosas, que se basan
en aleaciones de hierro y carbono, incluyen aceros al bajo carbono, aleaciones
y aceros para herramienta, aceros inoxidables y hierros colados. Su principal
componente es el hierro, se producen en mayor cantidad y posees gran interés
como material para la construcción de aparatos.
Este uso generalizado se debe a tres
factores:
Abundancia de los compuestos de hierro.
Fabricación de aceros relativamente económica.
Las aleaciones férreas son extremadamente versátiles.
Sin embrago, el principal inconveniente
de las aleaciones férreas es la susceptibilidad a la corrosión.
Diagrama Hierro - Carbono
El hierro y el carbono constituyen aleaciones únicamente hasta un 6,67% en peso de carbono. Con esta concentración y con concentraciones superiores se crea un compuesto químico denominado cementita que no tiene propiedades metálicas. Por lo que, únicamente se estudia el diagrama hasta esa proporción.
En la solidificación aparece una solución sólida llamada austenita para proporciones inferiores al 1,76% de carbono, y con un 4,30% se crea un eutéctico llamado ledeburita. Esto provoca la primera clasificación del sistema hierro-carbono: se habla de aceros si la proporción de carbono es inferior a 1,76%, y de fundiciones para proporciones entre 1,76 y 6,67%. La austenita tiene una red cúbica centrada que en su interior admite átomos de carbono.
Pero cuando se contrae la red al disminuir la temperatura, disminuye la solubilidad como ya sabemos, y se expulsa el carbono sobrante en forma de cementita. Cuando la temperatura baja hasta 723° C el hierro sufre un cambio alotrópico y su red se transforma en cúbica centrada en el cuerpo, que no acepta apenas átomos de carbono en su seno; entonces el hierro se denomina ferrita. Este cambio de solubilidad en estado sólido conlleva la formación de un eutectoide llamado perlita con una concentración de 0,89% de carbono que está formado por láminas de ferrita y de cementita.
A los aceros que tienen una proporción menor que 0,89% de carbono se les denomina hipoeutectoides, y si tienen entre 0,89 y 1,76% de carbono, hipereutectoides.
Aceros comunes y especiales
Aceros comunes
El acero cubre una amplia gama de productos en la industria y la construcción, dada la gran diversidad de distintos tipos de acero, éstos se clasifican en base a su contenido de carbono en:
Acero de bajo carbono: entre 0.08 hasta 0.25 % en peso de carbono. Son blandos pero dúctiles, muy trabajables. Se endurecen únicamente por carburización, aceros como AISI 1018 o AISI 1020, ASTM A-36, son grados comunes de aceros de bajo carbono. Utilizados en la industria automotriz, tuberías, elementos estructurales de edificios y puentes, varillas de refuerzo, corazas de barcos, entre otros.
Acero de medio carbono: entre 0.25 – 0.60 % en peso de carbono. Para mejorar sus propiedades, se tratan térmica mente. Son más resistentes que el acero de bajo carbono, pero menos dúctiles. Se emplean en la manufactura de piezas que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste, aceros como AISI 1045 o AISI 4140 son grados comunes de aceros de mediano carbono. La soldabilidad requiere cuidados especiales.
Acero de alto carbono: entre 0.60 – 1.40 % en peso de carbono. Son aún más resistentes que el acero de medio carbono, pero manos dúctiles. Se añaden otros elementos formando carburos (como el wolframio) para incrementar la dureza. Se emplean principalmente para la fabricación de herramientas.
Aceros especiales
Los aceros son una materia prima que proviene de la aleación entre el carbono y el hierro. Los aceros especiales son aleaciones que sirven para crear características específicas para un uso concreto que bien pueden someterse a tratamientos térmicos posteriores y/o utilizarse como materia prima para la fabricación de objetos en diferentes sectores (industria metalúrgica, industria automovilística, herramientas, etcétera).
En función de su posterior aplicación y uso, el acero especial se puede clasificar en diferentes tipos y aleaciones.
De este modo, según su composición, aleación y propiedades técnicas, se considera que es un tipo de acero especial u otro.
Por ello, podemos definir diferentes tipos de aceros especiales y sus distintas aplicaciones:
Molibdeno
El origen de este metal se sitúa hace más de 100 años, desde la Primera Guerra Mundial, debido a la necesidad de disponer de un acero resistente y rígido. Se caracteriza por poseer un punto de fusión bastante elevado, por lo que tiene una excelente respuesta a las altas temperaturas, así como a la acción de ácidos fuertes.
Titanio.
Sin duda, este el tipo de acero especial más común. Es un metal resistente, ligero , fuerte, resistente a los ácidos y con propiedades mecánicas muy beneficiosas. Por lo que, presenta múltiples aplicaciones: es uno de los componentes de las pastas dentífricas, se utiliza para joyería, fabricación de artículos tecnológicos.
Wolframio.
Este tipo de acero especial es muy denso, por lo que se utiliza mayormente para fabricar recipientes para elementos radioactivos y como un buen contrapeso para embarcaciones o aviones.
Invar.
Este metal es útil para elaborar instrumentos para realizar estudios de física o para la fabricación de piezas de motores, por ejemplo.
Clasificación de las normas SAE, AISI, ASTM
El AISI y la SAE proporcionan sistemas de designaciones que se basan en un número de cuatro o cinco dígitos. Los primeros dos números se refieren a los principales elementos de aleación presentes, y los últimos dos o tres números señalan el porcentaje de carbono. Un acero AISI 1040 es un acero al bajo carbono con 0.40% de C. Un acero SAE 10120 es un acero al bajo carbonoque contiene 1.20% de C. Un acero AISI 4340 es un acero de aleación que contiene 0.40% de C.
La norma ASTM garantiza las propiedades mecánicas mínimas y la soldabilidad de los aceros, puesto que el uso de estos va orientado a la industria de la construcción y estructuras que requieran diversos materiales metálicos.
Los estándares emitidos por la ASTM, son designaciones sistemáticas fijas para cada tipo de acero con sus respectivas especificaciones y requerimientos para ser utilizados por los fabricantes y usuarios de los aceros.
ASTM A-36
Esta norma es aplicable a una variedad de perfiles estructurales laminados en caliente y a placas de la misma calidad que están disponibles en el mercado mexicano. Tiene un esfuerzo de fluencia de 2530 kg/cm2 (250 MPa, 36 ksi), y su soldabilidad es adecuada.
ASTM A-53
El A53 está disponible en tipos E y S, donde E denota secciones fabricadas con soldadura por resistencia y S indica soldadura sin costura. El grado B es conveniente para aplicaciones estructurales; con esfuerzo de fluencia y resistencia a la ruptura en tensión respectivamente de 35 y 50 ksi (2 400 y 3 515 kg/cm2).
ASTM A-500
Este tipo de acero está disponible en tubos de sección circular hueca HSS formados en frío en tres grados, y también en los mismos grados de tubos HSS formados en frío, de sección cuadrada y rectangular. Las propiedades para tubos cuadrados y rectangulares HSS difieren de los circulares HSS. El grado más común tiene un esfuerzo de fluencia y una resistencia máxima a la tensión de 46 y 58 ksi (320 MPa o 3 200 kg/cm2) y 405 MPa o 4100 kg/cm2.
ASTM A-501
Para fines prácticos el A501 es similar al acero A36. Se usa para tubos HSS de sección circular, cuadrada y rectangular. Para el diseño de miembros estructurales de acero formados en frío, cuyos perfiles tienen esquinas redondeadas y elementos planos esbeltos.
Fundiciones
Se les
conoce como fundiciones a las aleaciones férreas con un contenido en carbono superior al 1.4%.
Estas
aleaciones funden a temperaturas entre los 1150°-1300° C, mismas que son
considerablemente más bajas que los aceros, por lo que se funden y moldean con
facilidad.
Cabe
mencionar, que si bien los aceros son más tenaces (soportan mejor los golpes),
las fundiciones son más duras.
Tipos de Fundiciones
Fundición Gris
Su nombre procede del color de la superficie del material. En estas,
el contenido de carbono y silicio oscila entre los 2.5 - 4%, y 1 - 3%
respectivamente, con la presencia del grafito en forma de escamas o láminas dentro de una matriz de ferrita o perlita (según el tratamiento térmico).
A consecuencia de su microestructura, son comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción, aunque
la resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión y la resistencia al desgaste es superior,
por lo que presentan efectividad en el amortiguamiento de energía vibracional.
Además, a temperatura de colada tienen elevada fluidez, lo que permite moldear piezas intrincadas.
Fundición Nodular
También conocida como dúctil o esteroidal, contiene pequeñas adiciones
de magnesio y/o cerio añadidas a la fundición en estado líquido, lo que produce diferentes microestructuras en las que el grafito forma esferoides dentro de una matriz de perlita o de ferrita si la primera es calentada a 700° C durante varias horas.
Este tipo de fundición es más resistente y dúctil que la fundición gris, y presenta propiedades mecánicas similares a las del acero.
Debido a ello, son utilizadas para diversos propósitos, entre ellos, la
fabricación de diferentes componentes automovilísticos y de maquinaria, como lo
son las válvulas y pistones.
Fundición Blanca
Estas son fundiciones bajas en carbono (con menos del 1% de Si) que al ser enfriadas rápidamente forman mayormente cementita en lugar de grafito, y al igual que
la fundición gris, derivan su nombre de la tonalidad blanca de la superficie del
material.
Son extremadamente duras, muy frágiles y no dúctiles, por lo que sus
aplicaciones se limitan a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste,
por ejemplo, los cilindros de los trenes de laminación.
Generalmente este tipo de fundición se obtiene como punto de partida
para fabricar la fundición maleable: Al calentar la fundición blanca a
temperaturas entre los 800° y 900° C durante periodos prolongados de tiempo en
atmósfera neutra, la cementita se transforma en grafito en forma de racimos, logrando una fundición altamente resistente que cuenta con
apreciable ductilidad.
Fundamentos de los tratamientos térmicos y diagrama TTT
El tratamiento térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades mecánicas. El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unas propiedades específicas adecuadas para su conformación o uso final. No modifican la composición química de los materiales, pero si otros factores tales como los constituyentes estructurales y la granulometría, y las propiedades mecánicas. Se pueden realizar tratamientos térmicos sobre una parte de la pieza o en toda la pieza, en uno o varios pasos de la secuencia de manufactura.
En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado . En otros casos, se usa para aliviar los efectos del endurecimiento por deformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de manufactura para lograr resistencia y dureza.
Diagrama TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación).
Este tipo de diagrama muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de Austenita en varias fases posibles, las cuales pueden ser:
Formas alternativas de Ferrita y Cementita,
Martensita.
El tiempo se presenta logarítmica mente a lo largo del eje horizontal y la temperatura en el eje vertical. Esta curva se interpreta partiendo del tiempo t0 en la región Austenita y continua hacia abajo y a la derecha a lo largo de la trayectoria que muestra como se enfría el metal en función del tiempo. Los tiempos de transformación dependen de la aleación del material.
Tratamiento térmico del acero
Los tratamientos
térmicos son procesos de calentamiento y enfriamiento
que permiten determinados cambios en la estructura sin que la composición
química del metal se vea afectada. Estas operaciones se realizan en condiciones
totalmente bajo control, midiendo factores como la temperatura, tiempo, presión
o velocidad.Los tratamientos térmicos del acero se utilizan para mejorar la
dureza, la resistencia y la elasticidad.
Los aceros y tratamientos
térmicos especiales producen propiedades únicas o combinaciones de propiedades. De particular importancia son los tratamientos
para endurecimiento superficial, como el carbonizado, que producen una
excelente combinación de resistencia a la fatiga e impactos. Los aceros
inoxidables, que contienen un mínimo de 11% de Cr, tienen excelente resistencia
a la corrosión.
Por lo general, se usan cuatro tratamientos
térmicos simples para manejar aceros: recocido de proceso, recocido,
normalización y esferoidización.
Estos tratamientos térmicos se emplean para lograr
uno de tres propósitos:
Eliminar los efectos del trabajo en frío.
Controlar el endurecimiento por dispersión.
Mejorar la maquinabilidad.
Los procedimientos en los tratamientos
térmicos del acero son muy numerosos y variados según el fin que se
pretende conseguir. Existen distintas formas de trabajar un metal, pero los tratamientos
térmicos más comunes son:
Este término es
utilizado para describir la capacidad de una aleación para endurecerse a través
de la formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico.
Cabe destacar
que la templabilidad no hace referencia a la dureza. Sin
embargo, se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la
transformación martensítica en el interior una vez realizado el tratamiento
térmico.
Es decir, una
aleación de alta templabilidad es aquella que se endurece (forma martensita) no
solo en la superficie, sino también en el interior, por lo que el término
representa la medida de la profundidad a la cual una determinada aleación puede
endurecerse.
Ensayos Jominy
El Ensayo o Método de Jominy es un procedimiento estandarizado para determinar la templabilidad de los aceros, utilizando probetas normalizadas y estandarizadas de 25 mm de diámetro, 100 mm de longitud con un diámetro superior de 30 mm.
Los pasos o el proceso que conlleva este método son los siguientes:
1. Elevar la probeta a su temperatura de austenización. (Dependiendo del acero).
2. Enfriar la probeta solo de la cara inferior con un chorro de agua (con temperatura y velocidad especifica).
3. Esperar a que la probeta se temple y enfrié por si sola a temperatura ambiente.
4. Ahora se debe tomar las lecturas de dureza de la siguiente manera:
Desbastar una tira de 0,4 mm (espesor), tomando lectura de la dureza en los primeros 50 mm.
En los primeros 12,5 mm las lecturas se tomarán con un intervalo de 1,6 mm,en los siguientes 37,5 mm su intervalo será de 3,2 mm.
5. Finalmente se realiza una curva de templabilidad graficando los valores de dureza obtenidos en función de la distancia al extremo templado de la probeta.
A continuación la siguiente referencia muestra de manera más detallada y visual el cómo se realiza este método o ensayo.
Equipo: Bolita de Mercurio. Integrantes: Mónica Estephanía Navarro Güitrón 22310466 Julieta de la Cruz Cruz 22310476 Paola Fernanda Mendoza Huerta 22310443 Emmanuel González Zamora 22310480 Cristian Alexis Gutiérrez Navarro 22310457 Elementos y Ciencia de los Materiales Centro de Enseñanza Técnica Industrial
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