5 Aceros y Caracteristicas
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Los Aceros y sus Características. Aceros al Carbono
Generalidades 1.
Aceros: ¾Microestructura ¾Diagrama Hierro-Carbono, Fases ¾Clasificación de aceros al Carbono en referencia al eutectoide ¾Microestructuras de los aceros al carbono ¾Temperaturas críticas en el diagrama Fe-C ¾Tratamientos térmicos ¾Diagramas TTT
2. Clasificación de las aleaciones ferrosas 3. Designación de aceros al Carbono: ¾Por su composición química ¾Por sus propiedades mecánicas en tracción
4. Propiedades mecánicas de aceros al carbono 5. Aplicaciones de los aceros al carbono
Microestructuras
Microestructura
Características estructurales de una aleación observadas a nivel microscópico. La microestructura es descrita mediante la identificación de los tipos de fases presentes y la descripción de su tamaño, forma y distribución.
Aleación/Fases Aleación metálica: material que tiene propiedades metálicas que está formado por varios elementos Ej. Acero al carbono ( Fe y C ) , Acero inox ( Fe, C , Cr , Ni) Fase: porción físicamente homogénea 1. La misma estructura o arreglo atómico 2. La misma composición aproximada 3. Una interfaz definida entre esta y las que la rodean 4. Porción del sistema con iguales propiedades y composición y físicamente distinguibles de las otras partes de la sistema.
Diagrama Hierro-Carbono Describe las fases y sus composiciones hasta un contenido de C de 6,67%, así como las transformaciones de fases que ocurren durante el enfriamiento o calentamiento en condiciones de equilibrio.
Fases presentes en el Diagrama Fe-C Ferrita: La ferrita es hierro alfa α Fe, hierro casi puro que puede contener en solución pequeñas cantidades de silicio, fósforo. Austenita- γ: Es una solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gamma γ Fe. Todos los aceros se encuentran formados por cristales de austenita cuando se calienta a temperatura superior a las criticas Cementita- Fe3C : Compuesto de carburo de Fe
Composición eutectoide
Fe-0,83% peso de C T: 723C Austenita ⇨ Ferrita + Cementita = Perlita
Clasificación de los aceros con referencia al eutectoide
Clasificación de los aceros con referencia al eutectoide Hipoeutectoides: Contenido de C0,78% hasta 2,00%C (Fases: Cementita + Perlita)
Microestructura acero hipoeutectoide
(Perlita)
Microestructura de acero eutectoide Estructura Perlítica
Microestructura acero hipereutectoide Perlita
Cementita
Temperaturas criticas en el diagrama Fe-C
Temperaturas criticas en el diagrama Fe-C Temperatura Critica Superior (Punto A3): es la temperatura por debajo de la cual se inicia la formacion de ferrita en aceros hipoeutectodides. Temperatura critica (Punto ACM): es la temperatura , por debajo de la cual comienza la formación de cementita en aceros hipereutectoides Temperatura critica inferior, (punto A1): es la temperatura de transformacion de austenita a perlita (transformacion eutectoide). Por debajo de esta temperatura no hay austenita. Temperatura de transformacion magnetica (A2): es la temperatura por debajo de la cual la ferrita se vuelve magnética.
Tratamientos térmicos
Son los procesos claves para modificar las propiedades de los aceros, lográndose la obtención de las propiedades más diversas de los aceros y sus aleaciones. Con un tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. http://www.metalunivers.com/
Tratamientos térmicos Constituye uno de los procesos básicos de modificar las propiedades de los metales y aleaciones. La modificación tiene su origen en un cambio en la microestructura , cambio que puede ir acompañado o no de un cambio de fase. Variables : 9Material: Composición química, Estructura previa, geometría, espesor 9Tratamiento Térmico: forma de calentamiento, y enfriamiento, la colocación de la pieza.
http://www.metalunivers.com/
Tratamientos térmicos Calentamiento Mantenimiento a temperatura Enfriamiento controlado
Aleaciones metálicas
Modifica propiedades
Tipos de tratamientos térmicos Recocido, para mejorar la ductilidad y tenacidad, para reducir dureza y remover carburos. Normalizado, para mejorar la resistencia con apropiada ductilidad. Temple y revenido, para aumentar la dureza o mejorar la resistencia. Austemperizado, para producir estructuras bainíticas de alta resistencia con algo de ductilidad y buena resistencia al desgaste. Endurecimiento superficial, para mejorar resistencia al desgaste.
Tratamientos térmicos Normalizado. Calentamiento del acero a unos 50°C por encima de la temperatura crítica Ac ó Acm y mantenimiento a esta temperatura por un tiempo determinado, seguido de un enfriamiento al aire. Se aplica para destruir una microestructura gruesa después de calentamientos de piezas a elevadas temperaturas, después de la forja, etc.
o nt ie m ria
f En
Temperatura
Austenizado
en re ai
Tiempo
Tratamientos térmicos ¾Recocido: Produce una microestructura de baja dureza y alta ductilidad. Dependiendo de la temperatura de calentamiento se definen: Recocido completo, intercrítico y subcrítico. ¾Modalidad de enfriamiento: Continuo, Transformación isotérmica
Tratamientos térmicos Recocido de regeneración: Se aplica después de la forja o laminación para posteriormente mecanizar el acero con contenidos de C entre 0,35% a 0,6% en las mejores condiciones posibles. Recocido de ablandamiento: Para reducir la dureza de los aceros al carbono. Recocidos de alivio de tensiones. Se emplea para aceros de bajo contenido de carbono (inferior a 0,30%) endurecidos por deformación después de laminado en frío o estirado para continuar con el proceso de deformación. Se aplica calentando el acero a temperaturas inferiores a la A1 por cortos tiempos. Recocido de esferoidización: Para esferoidizar la cementita en la perlita, mediante el calentamiento durante largos tiempos a temperaturas entre 700°C y 740°C y luego enfriar lentamente para lograr una extraordinaria ductilidad.
Tratamientos térmicos Temple: Para endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. La pieza se calienta a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior A3 (entre 900-950 ºC) y se enfría luego rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc. Revenido: Para disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada.
Tratamientos térmicos
Temperaturas recomendadas en los distintos tratamientos térmicos
Microestructura en función del enfriamiento desde la T austenitica
Endurecimiento superficial del acero Carburización o cementación: Consiste en el calentamiento de las piezas a unos 900 ºC en un medio en el que el carbono penetre en la superficie del acero en función del tiempo. Se puede efectuar este procedimiento con medios sólidos o por medios gases. Este último procedimiento es el más utilizado ya que permite un control más apropiado de la profundidad de la capa endurecida.
Endurecimiento superficial del acero Nitruración: La adición de nitrógeno a la superficie se denomina nitruración, dicho procedimiento consiste en el enriquecimiento de nitrógeno en la superficie manteniendo el acero, sea en baño de sales o en una atmósfera de amoniaco, durante un tiempo determinado. Temperaturas de calentamiento entre 400-525ºC
Diagramas TTT Diagrama TTT: tiempo, Acero de composición eutectoide temperatura y transformación 9Resume para una composición dada , la evolución en % de la transformación de una fase determinada sobre unos ejes temperatura-tiempo. 9Progreso de las transformaciones controladas por difusión Transformación de la austenita a mezclas de ferrita y cementita http://enciclopedia.us.es
Diagramas TTT aceros hipoeutectoides
Diagramas TTT para aceros hipereutectoides
Diagramas CTT
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN Y REQUISITOS ADICIONALES DE MATERIALES PARA “SOUR SERVICE”
Clasificación de las aleaciones ferrosas
Diferencias entre aceros y fundiciones de Fe La diferencia fundamental entre ellos es que los aceros son por su ductilidad, fácilmente deformables en caliente bien por forja, laminación o extrusión, mientras que las fundiciones se fabrican por moldeo
Clasificación de los aceros al carbono según su producción ¾ Aceros Efervescentes: Se elimina solamente una pequeña cantidad de oxígeno durante el proceso de solidificación. La superficie queda con muy bajo contenido de C, es muy dúctil y su conformado en frío es muy fácil. ¾ Aceros Calmados: Aceros que se les extrae gran cantidad de oxígeno. Acero completamente desoxidado antes de colarlo, mediante la adición de manganeso, silicio o aluminio. Se obtienen lingotes perfectos, no hay producción de gases durante la solidificación. El contenido de C en estos aceros es mayor al de los efervescentes. ¾ Aceros semicalmados: Propiedades mecánicas entre los efervescentes y calmados ¾ Aceros tapados: Características mecánicas entre los semicalmados y efervescentes.
Designación de Aceros: Generalidades ¾American Iron and Steel Institute (AISI) y Society of Automotive Engineers (SAE). ¾Otras organizaciones que representan usuarios específicos de aceros han desarrollado sus propias especificaciones. Estas incluyen: 9 American Petroleum Institute (API), 9 Steel Founders Society of America(SFSA), 9 Aerospace Material Specifications (AMS), 9 American National Standard Institute (ANSI), 9 American Society of Mechanical Engineers (ASME), 9 American Society for Testing and Materials (ASTM), 9 American Welding Society (AWS) 9 Military Specifications (MIL)
¾Muchos países del mundo tienen su propias sistemas de especificaciones y designaciones de aceros, ejemplo 9 Normas venezolanas COVENIN, 9 Normas Alemanas DIN.
Designación de Aceros: Generalidades Sistema Unificado de numeración (Unified Numbering System, (UNS): ¾ Agrupa las especificaciones para sistemas de especificaciones de aceros similares. ¾ El sistema UNS es alfanumérico, con una letra de prefijo que describe la clase de acero y los dígitos pueden incorporar los dígitos SAE y otras características de las aleaciones.
Especificaciones UNS Designación UNS Descripción ¾ Dxxxxx Aceros con especificación en propiedades mecánicas ¾ Fxxxxx Fundiciones de hierro ¾ Gxxxxx Aceros al Carbono SAE y AISI ¾ Hxxxxx Aceros AISI endurecidos ¾ Jxxxxx Fundiciones de aceros ¾ Kxxxxx Aleaciones ferrosas ¾ Sxxxxx Aceros resistentes al calor y la corrosión ¾ Txxxxx Aceros para herramientas ¾ Wxxxxx Material de aporte para soldaduras, electrodos recubiertos y tubulares clasificados por la composición del depósito de soldadura
Aceros al carbono clasificación por su composición
Aceros de bajo carbono: (C < 0.25%) Aceros de medio (C =0.25% a 0.55%) Aceros de alto carbono: (C > 0.55%).
Designación de los Aceros al carbono Existen dos formas de identificarlos ¾ La primera: a través de su composición química. ¾ La segunda: través de su resistencia mecánica en tracción
Designación de aceros al carbono por su composición química “American Iron and Steel Institute” (AISI) junto con con “Society of Automotive Engineers” (SAE) han establecido un sistema de designación de aceros de 4 dígitos. SAE/AISI 1XXX
Designación de aceros : cont. PRIMER DIGITO:
1XXX
DEFINE EL TIPO DE ACERO 1: ACEROS AL C 2 al 9: ACEROS ALEADOS
Designación de aceros : cont. SEGUNDO DIGITO:
1XXX
INDICA MODIFICACIÓN DEL ACERO O– Acero al carbono sin modificación 1 – Resulfurizado: Acero al carbono al que se le ha añadido sulfuro para mejorar la maquinabilidad 2 – Resulfurado y refosforado: Acero al carbono al que se le ha añadido sulfuro y fósforo para mejorar la maquinabilidad. 5 – No resulfurado, con contenidos de Mn >1.0%
Designación de aceros : cont. ULTIMOS DOS DÍGITOS:
1XXX
Indica CONTENIDO DE C en el acero en 0.01%.
Designación de aceros : cont. EJEMPLO
SAE
1 0 3 0 Acero No al C modificado
significa:
Con 0,30% C
Acero al carbono no modificado con un contenido de C de 0,30%.
Designación de aceros : SAE/AISI
%C,
% Mn
% P max
%Smax
grade
1006 1010 1020 1030 1045 1070 1090 1117 1547
0.08 max 0.08-0.13 0.17-0.23 0.27-0.34 0.42-0.50 0.65-0.76 0.85-0.98 0.14-0.20 0.43-0.51
0.35 max 0.30-0.60 0.30-0.60 0.60-0.90 0.60-0.90 0.60-0.90 0.60-0.90 1.10-1.30 1.35-1.65
0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04
0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.08-0.13 0.05
Designación de aceros de acuerdo a la resistencia mecánica en tracción
A XX - XX XXX Acero
Rmax. kg/mm2
Ry
Uso
kg/mm2
Primera cifra: Indica la resistencia a la tracción en kg/mm2 Segunda cifra: Indica la resistencia a la fluencia en kg/mm2.
Designación de aceros de acuerdo a la resistencia mecánica en tracción EJEMPLO Acero Estructural Soldable, con un esfuerzo de tracción de 37 kg/mm2 y esfuerzo de fluencia de 24 kg/mm2 A63-42ESH Acero Hormigon Estructural Soldable, con un esfuerzo de tracción de 63 kg/mm2 y esfuerzo de fluencia de 42 kg/mm2 A37-24ES
Propiedades Mecánicas del acero 1045 con distintos tratamientos térmicos
Templado Estado de entrega
Normalizado Recocido
Propiedades mecánicas: aceros al carbono ¾ El contenido de C en aceros al carbono, determinan su resistencia y ductilidad. ¾ Mientras mayor es el contenido de C mayor es la resistencia y menor la ductilidad.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE ALGUNOS ACEROS
Nº SAE o AISI
Resistencia a la tracción Rmax.
Límite de fluencia Ry
Alargam. en 50 mm
Dureza Brinell
Kgf / mm2
Mpa
Kgf/mm2
Mpa
%
1010
40,0
392,3
30,2
292,2
39
109
1015
42,9
420,7
32,0
313,8
39
126
1020
45,8
449,1
33,8
331,5
36
143
1025
50,1
491,3
34,5
338,3
34
161
1030
56,3
552,1
35,2
345,2
32
179
1035
59,8
586,4
38,7
377,5
29
190
1040
63,4
621,7
42,2
413,8
25
201
1045
68,7
673,7
42,2
413,8
23
215
1050
73,9
724,7
42,2
413,8
20
229
1055
78,5
769,8
45,8
449,1
19
235
1060
83,1
814,9
49,3
483,5
17
241
1065
87,0
853,2
51,9
509,0
16
254
1070
90,9
891,4
54,6
535,4
15
267
1075
94,7
928,7
57,3
560,9
13
280
1080
98,6
966,9
59,8
586,4
12
293
Grados del Acero
Resistencia a la tracción Rmax.
Límite de fluencia Ry
Alargam. en 50 mm
Kgf/mm2
MPa
Kgf/mm2
MPa
%
A37-24ES
37
363
24
235
22
A42-27ES
42
412
27
265
20
A52-34ES
52
510
34
324
18
A44-28H
44,9
440
28,6
280
16
A63-42H
64,2
630
42,8
420
(*)
Propiedades y Aplicaciones Material Aceros de bajo C (C < 0.25%)
Aceros de Medio C (C =0.25% a 0.55%)
Aceros de alto C (C > 0.55%)
Propiedades
Aplicaciones
Buena formabilidad, baja Partes por embutido resistencia, bajo costo profundo, cadenas, tubos, alambres, algunas partes de máquina Buena tenacidad y ductilidad, buena resistencia mecánica y pueden ser endurecidos por temple Alta resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste ductilidad moderada.
Bobinas, ejes, tornillos, cilindros cigüeñales, partes mecánicas tratadas térmicamente. Rodillos de laminación, martillos, destornilladores, hojas para cuchillos, rachees.
Propiedades de aceros (Smith) Nº SAE o AISI
Aplicaciones típicas
1010
Planchas y flejes para trefilado, cables, clavos, tornillos, bielas, barras para reforzamiento de hormigón
1020
Láminas y secciones estructurales, ejes y engranajes
1040
Ejes, clavos, tuberías de alta resistencia a la tracción, engranajes
1060
Alambres para resortes, troqueles de forja, ruedas de ferrocarril
1080
Alambres para música, resortes helicoidales, troqueles de forja, cinceles
1095
Troqueles, cuchillas, cizallas, hojas de tijeras, cables de alta resistencia a la tracción
Aceros Aleados
Contenido 1. Clasificación 2. Designación por composición química 3. Aceros inoxidables: designación Clasificación por su microestructura Composición química: - Aceros martensíticos - Aceros ferríticos - Aceros austeníticos - Aceros inoxidables PH - Aceros duplex 6. Aceros para herramientas 7. Aceros resistentes al calor 8. Superaleaciones Generalidades Clasificación Aplicación
Aceros Aleados: Clasificación ¾
Aceros de baja aleación: Elementos aleantes < 8%.
¾
Aceros de alta aleación: Elementos aleantes > 8%.
Aceros Aleados: Designación por composición química De acuerdo a la clasificación de 4 dígitos del sistema SAE-AISI XXXX: El primer digito indica la clase de acero aleado. ¾2 Aceros al NÍQUEL (Ni) ¾3 Aceros al NÍQUEL (Ni)-CROMO (Cr) ¾4 Aceros al MOLIBDENO (Mo) ¾5 Aceros al CROMO (Cr) ¾6 Aceros al CROMO (Cr)-VANADIO (V) ¾7 Aceros al TUNGSTENO (W)-CROMO (Cr) ¾9 Aceros al SILICIO (Si)-MANGANESO (Mn)
Aceros Aleados
¾ SEGUNDO DIGITO: Indica la concentración del principal elemento de aleación en 1% ¾ ÚLTIMOS DOS DÍGITOS: Indica la concentración de C en 0,01%.
Aceros Aleados
EJEMPLO SAE 5130 ¾ Significa aceros al Cr con 1% of Cr y 0.30 % of C.
Aceros Inoxidables 1. Clasificación 2. Características y Soldabilidad: Aceros Martensíticos, Ferríticos, Austeníticos, Duplex 3. Composición, Propiedades mecánicas 4. Fundamentos de Soldadura Disímiles: Dilución, Porcentaje (%) de elementos en una junta diluida, Conductividad Térmica , Expansión Térmica, Resistencia a la corrosión. 5. Procesos de Soldadura de metales Disímiles 6. Cladding de Aceros: Procesos de Soldadura más utilizados, Materiales de Aporte 7. Procesos más utilizados
Aceros Inoxidables 9Aleaciones base hierro. 9Contenido de Cromo superior al 11% wt 9Presencia de otros elementos aleantes tales como: Carbono, Níquel, Nitrógeno y Molibdeno. 9Se caracterizan por la formación de una película de oxido de cromo pasiva, compacta, adherente e invisible. 9Son
utilizados
en
ambientes
de
alta
exigencia,
considerando la presencia de mecanismos de degradación asociados a corrosión y a alta temperatura.
Clasificación ACEROS INOXIDABLES FORJADOS (AWS) AMERICAN IRON STEEL INSTITUTE (AISI) De acuerdo a su aleación Clasificación AISI
Tipo de Aleación
2XX
Cr-Ni-Mn-N
3XX
Cr-Ni
4XX
Cr
CLASIFICACIÓN De acuerdo a su microestructura ACEROS INOXIDABLES
GRADOS COMUNES
GRADOS ESPECIALES
Martensíticos
Ferríticos
Duplex
Súper austeníticos
Austeníticos
Endurecidos por Precipitación
Súper Duplex Hyper Duplex
Súper ferríticos
Composición química Martensítico Martensí Ferrítico Ferrí Austenítico Austení Endurecido por Precip.
Tipo
C
Mn
Si
Cr
Ni
P
S
Otros
AISI 403
0.15
1.00
0.50
11.5-13.0
--
0.04
0.03
--
AISI 422
0.20-0.25
1.00
0.75
11.0-13.0
0.5-1.0
0.025
0.025
1Mo,1.25W,V
AISI 440
0.95-1.20
1.00
1.00
16.0-18.0
--
0.04
0.03
0.75Mo
CA-40
0.20-0.40
1.00
1.50
11.5-14.0
1.0
0.04
0.03
0.5Mo
AISI 405
0.08
1.00
1.00
11.5-14.5
--
0.04
0.03
0.10 Al
AISI 430
0.12
1.00
1.00
16.0-18.0
--
0.04
0.03
--
AISI 446
0.20
1.50
1.00
23.0-27.0
--
0.04
0.03
0.25N
CB-30
0.30
1.50
1.00
18.0-21.0
2.0
0.04
0.04
--
AISI 201
0.15
5.5-7.5
1.00
16.0-18.0
3.5-5.5
0.06
0.03
0.25N
AISI 202
0.15
7.5-10.0
1.00
17.0-19.0
4.0-6.0
0.06
0.03
0.25N
AISI 304
0.08
2.00
1.00
18.0-20.0
8.0-10.5
0.045
0.03
--
AISI 316
0.08
2.00
1.00
16.0-18.0
10.0-14.0
0.045
0.03
2-3Mo
AISI 316L
0.03
2.0
1.0
16.0-18.0
10.0-14.0
0.045
0.03
2-3Mo
CF-3M
0.03
--
1.5
17.0-21.0
9.0-13.0
--
--
2-3Mo
17-4PH
0.04
0.30
0.60
16.0
4.2
--
--
Cu, Nb
PH13-8Mo
0.04
0.03
0.03
12.7
8.2
PH15-7Mo
0.07
0.50
0.30
15.2
7.1
--
--
2.2Mo
A-286
0.05
0.50
0.50
14.75
25
--
--
Mo, Al
2.2Mo
Composición química
Ferrítico Súper Ferrí Austenítico Súper Austení Duplex Hyper
Tipo
C
Mn
Si
Cr
Ni
P
S
Otros
E-BRITE
0.010
0.4
--
25-27
0.30
--
--
1Mo,0.01N, Nb
MONIT
0.025
1.0
--
24.5-26
3.4-4.5
--
--
4Mo,0.03N, Ti
AL 29-4
0.010
0.3
--
28.0-30.0
0.020
--
--
4Mo,0.02N
AL-29-4C
0.030
1.0
--
28.0-30.0
0.045
--
--
4.2Mo,0.04N
20 Cb3
0.07
2.0
1.0
19.0-21.0
32-38
0.045
0.035
3Mo,4Cu
Sanicro 28
0.03
2.5
1.0
26.0-28.0
29-32
0.03
0.03
4Mo,1.4Cu
904L
0.02
2.0
1.0
19.0-23.0
23-28
0.045
0.035
5Mo,2Cu
317LM
0.03
2.0
0.75
18.0-20.0
13-17
0.045
0.030
4-5Mo
329
0.08
--
--
23.0-28.0
2.5-5.0
--
--
1-2Mo
2205
0.03
--
--
21.0-23.0
4.5-6.5
--
--
3.5Mo,
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