Diagrama Hierro-carbono 4ul65

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universidad José Antonio Páez Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica

Diagrama Hierro-Carbono

Sección: 205N1 Equipo N° 1 Integrantes: Alexander Torres C.I. 26161534 Daniel Ortuño C.I. 25960129 Rickarlo Durán C.I. 26019045

San Diego, 30 de Mayo del 2017

Índice: Contenido

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Introducción………………………………………………………………………………...1 Diagrama Hierro-Carbono……………………………………………………………...…2 Curva de Enfriamiento del Hierro……………………………………………………..…2 Transformaciones Alotrópicas del Hierro………………………………………………..3 Fases presentes en el Diagrama………………………………………………..……….…4 Microconstituyentes………………………………………………………………..………8 Puntos relevantes, líneas, temperatura, reacciones, cantidades relativas de cada fase y microconstituyentes…………………………………………………………………...…..22 Aceros………………………………………………………………………………….…..23 Clasificación de los aceros……………………………………………………………25 Designación de aceros según AISI SAE……………………………………..………38 Elementos aleantes del acero…………………………………………….….…….….52 Fundición del hierro………………………………………………………....……..…53 Normas para selección de aleaciones ferrosas……………………………………....57 Conclusiones…………………………………………………………………………...….60 Bibliografía……………………………………………………………………………......61

Introducción El Diagrama Hierro-Carbono o también conocido como diagrama de equilibrio o fases Hierro-Carbono muestra las diferentes estructuras que presenta el acero dependiendo de la temperatura y, permite observar de manera gráfica el comportamiento del mismo a medida que varía su temperatura y porcentaje de carbono en dicha aleación. Para comprender el diagrama es necesario conocer previamente la Curva de Enfriamiento del Hierro en conjunto con las Transformaciones Alotrópicas del mismo (Fe, Fe, Fe), dichas transformaciones son las que ocurren en temperaturas específicas. Además, explicar teóricamente cada una de las Fases Presentes en el Diagrama, y los Microconstituyentes.

En este sentido, conocer el basamento teórico y aspectos en la composición molecular de la aleación Hierro-Carbono (Acero), facilita la comprensión de los tipos de Aceros utilizados actualmente en la industria y en la vida diaria del ser humano, dicha aleación atraviesa por cambios en su composición conforme a los avances de la tecnología a nivel mundial. Por lo que debido a su composición y estructura el acero solo puede alearse con ciertos elementos que le otorgan características adicionales, como resistencia a la corrosión, dureza, etc. Este material actualmente presenta muchas variantes en composición, aspecto, aplicación, ventajas y desventajas.

Cabe destacar, que para diferenciar estas variantes es necesario establecer un convenio de normas, éstas mediante códigos y nomenclatura harán más simple la selección del material dependiendo de la aleación que se necesite a la hora de realizar un proyecto. Por ejemplo si la aleación debe tener buena resistencia a la corrosión, al impacto, al desgaste, a la compresión, etc. Existen actualmente Fundiciones, Aceros especiales y Superaleaciones que debido a su composición molecular permiten la fabricación de productos más eficientes y duraderos, ya que permiten la absorción de vibraciones, resistencia a altas temperaturas y una resistencia mucho relativamente mucho más alta a la corrosión comparada con la del acero.

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1. Diagrama Hierro-Carbono En el diagrama de equilibrio o diagrama de fases hierro-carbono (Fe-C) (también diagrama hierro-carbono), se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, itiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente, de modo tal que los procesos de difusión (homogeneización) tendrán tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones por diversos métodos.

2. Curva de Enfriamiento del Hierro Algunos metales, dentro de los cuales se encuentra el hierro, al enfriarlos lentamente, adquieren según la temperatura a la que estén, distintas estructuras en sus redes cristalinas y, por consiguiente, poseen propiedades distintas. Este fenómeno se denomina alotropía o polimorfismo. El hierro es un metal alotrópico, lo que significa, tal como se ha comentado anteriormente, que puede presentarse en diversas variedades de estructuras cristalinas, dependiendo de la temperatura a la que se encuentre. Su curva de enfriamiento es la representada en la figura:

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Al solidificar, a 1537°C, lo hace en la forma  (delta), que pertenece a la red cúbica de cuerpo centrado. Cuando desciende la temperatura, a 1401°C, tiene lugar un cambio de fase reagrupándose los átomos y dando origen a la variedad  (gamma), la cual cristaliza en el sistema de red cúbica de caras centradas y es no magnética. Al proseguir el enfriamiento del metal, se presenta un nuevo cambio alotrópico a 907°C, pasando la estructura del hierro de la variedad , a la  (alfa), que pertenece a la red cúbica de cuerpo centrado y también es no magnética. Finalmente, a 767°C, aparece un cambio en las propiedades magnéticas del hierro , el cual pasa de no magnético a magnético, sin que la estructura cristalina sufra variación alguna.

3. Transformaciones Alotrópicas del Hierro El hierro es un metal alotrópico, es decir, su estructura cristalina sufre variaciones con la temperatura. En el hierro puro (Fe), estas transformaciones alotrópicas se dan a unas determinadas temperaturas (cabe destacar que en los materiales cristalinos los puntos de fusión están bien definidos, al contrario que en los amorfos).Por encima de la temperatura de solidificación del Fe (1539 ºC), éste se encuentra en estado líquido.

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En el intervalo de temperaturas que abarca desde los 1400 ºC a 1539 ºC se encuentra el hierro delta (Fe δ). La estructura cristalina de esta variedad es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), con una longitud de arista de 0.293 nanómetros. El hierro sigue enfriándose, hasta alcanzar la temperatura de 910 ºC. Durante todo este proceso, el hierro tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC), con una longitud de arista igual a 0.3646 nanómetros. A esta variedad de hierro se la denomina hierro gamma (Fe γ).

Entre los 910 ºC y los 768 ºC se produce una nueva variedad de hierro, el hierro beta (Fe β). Si bien durante este intervalo de temperaturas no se aprecia un cambio de estructura cristalina y no es una forma alotrópica (sigue siendo una estructura BCC – cúbica centrada en el cuerpo- correspondiente al hierro alfa), es importante destacar que a partir de los 768 ºC, punto denominado Temperatura de Curie, el hierro pierde sus propiedades magnéticas (este proceso es reversible volviendo a enfriar a temperaturas por debajo de Curie). La última variedad del hierro es el hierro alfa (Fe α), que se da en temperaturas inferiores a los 768 ºC. Esta última forma alotrópica se caracteriza por una estructura cristalina centrada en el cuerpo (BCC) con una longitud de arista de 0.286 nanómetros. El cambio estructural de la red cristalina del hierro, trae consigo la modificación de algunas otras de sus propiedades: por ejemplo el Fe casi no disuelve el carbono; el Fea lo disuelve hasta en 2%, y el Fe lo disuelve hasta en 0.1%.

4. Fases presentes en el Diagrama 4.1Fase Austenítica (0% hasta 2,11% C) Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ (gamma). El hierro γ tiene una estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y mayor solubilidad en estado sólido para el carbono que la ferrita α. La máxima solubilidad en estado sólido del carbono en la austenita es del 2,11% a 1.148oC y disminuye a un 0,77% a 723 ºC. La austenita posee una resistencia que oscila entre 850 y 1000 MPa, un alargamiento de 30-60% y una dureza de 300 unidades Brinell. Es blanda, muy dúctil y tenaz. No es magnética. Tiene gran resistencia al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros. 4

4.2 Fase Ferrítica 

Ferrita alfa α (0% hasta 0,25%C)

Es el nombre dado a la solución sólida α. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono, donde se tiene un acero con bajo porcentaje de carbono.La máxima solubilidad es 0,25% C a 723 °C, y disuelve sólo 0,008% de C a temperatura ambiente. 

Ferrita delta δ (0% hasta 0,08%C)

Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.08% a 1492ºC. Las características de la ferrita δ son: Muy blanda, Estructura cristalina BCC, Es magnética, Muy poca posibilidad de disolución del carbono. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1538ºC se inicia la fusión del Fe puro. La ferrita δ es como la ferrita α, sólo se diferencian en el tramo de temperaturas en el cual existen.

4.3 Fase Cementita (0,025% HASTA 6,67%C) Se forma cementita (Fe3C) cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en ferrita α por debajo de 723°C (la composición está comprendida en la región de fases α+Fe3C). La cementita, desde el punto de vista mecánico, es dura y frágil, y su presencia aumenta considerablemente la resistencia de algunos aceros. La cementita se presenta de forma oscura. Estrictamente hablando, la cementita es sólo metaestable; 5

esto es, permanece como compuesto a temperatura ambiente indefinidamente. Pero si se calienta entre 650 y 700°C, cambia gradualmente o se transforma en hierro α y carbono, en forma de grafito, que permanece al enfriar hasta temperatura ambiente. Es decir, el diagrama de fases no está verdaderamente en equilibrio porque la cementita no es un compuesto estable. Sin embargo, teniendo en cuenta que la velocidad de descomposición de la cementita es extraordinariamente lenta, en la práctica todo el carbono del acero aparece como Fe3C en lugar de grafito y el diagrama de fases hierrocarburo de hierro es, en la práctica, válido. La cementita posee las siguientes propiedades: Alta dureza, Muy frágil, Alta resistencia al desgaste.

5. Microconstituyentes El hierro puro está presente en tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la temperatura ambiente: 

Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro ordinario cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α (alfa) o ferrita. Es un material dúctil y maleable, responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad; se suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas cantidades de carbono.

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Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el «sistema cúbico de caras centradas» y recibe la denominación de hierro γ (gamma) o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.

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Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el «sistema cúbico de cuerpo centrado» y recibe la denominación de hierro δ (delta), que es en esencia el mismo hierro alfa pero con «parámetro de red» mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura, el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, aumenta su grado de macicez y sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de este último; sin embargo, en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico

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definido que recibe la denominación de cementita, de modo que los aceros aleados al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

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Otros Microconstituyentes Las texturas básicas descritas (perlíticas) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono, sin embargo, modificando las condiciones de enfriamiento (base de los tratamientos térmicos) es posible obtener estructuras cristalinas diferentes: La martensita es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es la cantidad de carbono, a la sustitución de la estructura «cúbica centrada en el cuerpo» por «tetragonal centrada en el cuerpo». Tras la cementita (y los carburos de otros metales), es el constituyente más duro de los aceros. Las velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la Bainita, estructura similar a la perlita formada por agujas de ferrita y cementita pero de mayor ductilidad y resistencia que aquella.

También se puede obtener austenita por enfriamiento rápido de aleaciones con elementos gammágenos (que favorecen la estabilidad del hierro γ) como el níquel y el manganeso; tal es el caso, por ejemplo, de los aceros inoxidables austeníticos. Antaño se identificaron también la sorbita y la troostita que han resultado ser en realidad perlitas de muy pequeña distancia interlaminar por lo que dichas denominaciones han caído en desuso.

5.1 Microconstituyentes de la aleación Hierro-Carbono 

Austenita (hierro-γ duro)

La austenita, también conocida como acero gamma (γ) es una forma de ordenamiento específica de los átomos de hierro y carbono. Esta es la forma estable del hierro puro a temperaturas que oscilan entre los 900 °C a 1400 °C. Está formado por una disolución sólida del carbono en hierro, lo que supone un porcentaje máximo de C del 2,11% (este 7

valor debe tomarse como referencia, ya que el porcentaje real varía en función de otros elementos de aleación presentes en el acero). La austenita es dúctil, blanda y tenaz. Es la forma cúbica centrada en las caras (FCC) del hierro.

La estructura cristalina de la austenita es del tipo cúbica, de caras centradas, en donde se diluyen en solución sólida los átomos de carbono en los intersticios, hasta un máximo tal como lo muestra el diagrama de fase Fe-C. Esta estructura permite una mejor difusión con el carbono, acelerando así el proceso de carburación del acero. La solubilidad máxima es sólo del 2,11%. Hay que recordar que por definición los aceros son aquellas aleaciones del diagrama Fe-Fe3C en las que, a la suficiente temperatura, todo el carbono queda disuelto en hierro γ. Por ello el porcentaje máximo de carbono en un acero, para ser considerado como tal es del 2,11%.La austenita no es estable a temperatura ambiente excepto en algunos aceros inoxidables con altos contenidos de manganeso (12%) y aceros inoxidables austeníticos con contenidos en Níquel alrededor del 8%, ya que el níquel tiene el efecto de agrandar la región austenítica en el diagrama de fase de hierro al carbono, lo que la hace estable a temperatura ambiente. La austenita es blanda y dúctil y, en general, la mayoría de las operaciones de forja y laminado de aceros se efectúa a aproximadamente los 1100 °C, cuando la fase austenítica es estable.

Finalmente, a diferencia de la ferrita, la austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura. La austenita recibe su nombre de sir William Chandler Roberts-Austen, metalúrgico inglés. Roberts-Austen, que murió en Londres en 1902 a la edad de 59 años, estudió impurezas en metales puros. Su investigación y mejoras procedimentales fueron utilizadas en una variedad de usos y afectaron extensamente al mundo industrializado.

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Estructura cristalina de la austenita. El hierro (en gris) está dispuesto en un retículo cúbico y en los centros de las caras, mientras que el carbono (en azul) está presente como defecto intersticial. 

Ferrita (hierro-α. blando)

En Metalurgia, la ferrita o hierro-α (alfa) es una de las estructuras cristalinas del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de imanes permanentes aleados con cobalto y bario, en núcleos de inductancias y transformadores con níquel, zinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. -

Propiedades físicas Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno. Las ferritas tienen una alta permeabilidad magnética, lo cual les permite almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante este procedimiento se fabrican núcleos para transformadores, inductores/bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos.

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Usos Los primeros ordenadores estaban dotados de memorias que almacenaban sus datos en forma de campo magnético en núcleos de ferrita, los cuales estaban ensamblados en conjuntos de núcleos de memoria.

Dos ejemplos de ferritas empleadas como filtros pasan bajo en cables eléctricos.

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El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de di-hierro. Otra utilización común de los núcleos de ferrita es su uso en multitud de cables electrónicos para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI). Se disponen en alojamientos de plástico que agarran el cable mediante un sistema de cierre. Al pasar el cable por el interior del núcleo aumenta la impedancia de la señal sin atenuar las frecuencias más bajas. A mayor número de vueltas dentro del núcleo mayor aumento, por eso algunos fabricantes presentan cables con bucles en los núcleos de ferrita.Este polvo de ferrita es utilizado también como tóner magnético de impresoras láser, pigmento de algunas clases de pintura, polvo de inspección magnético (usado en soldadura), tinta magnética para imprimir cheques y códigos de barras y, a su vez, con dicho polvo y la adición de un fluido portador (agua, aceite vegetal o mineral o de coche) y un surfactante o tensoactivo (ácido oleico, ácido cítrico, lecitina de soja) es posible fabricar ferrofluido casero.

FERRITA DE ZINC. 

Cementita (carburo de hierro. Fe3C)

La cementita es un constituyente de los aceros, y otras aleaciones férreas como las fundiciones blancas, que aparece cuando el enfriamiento de la aleación sigue el diagrama metaestable Fe-Fe3C en vez de seguir el diagrama estable hierro-grafito. La cementita tiene un 6,67% en peso de carbono, y es un compuesto intermetálico de inserción. Si bien la composición química de la cementita es Fe3C, la estructuracristalina es del tipo ortorrómbica con 12 átomos de hierro y 4 átomos de carbono por celda.

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Estructura de la cementita. -

Propiedades físicas La cementita es muy dura, de hecho es el constituyente más duro de los aceros al carbono, con una dureza de 68 HRc. La cementita destaca por ser un constituyente frágil, con alargamiento nulo y muy poca resiliencia. Su temperatura de fusión es de 1227ºC. Como la cementita es muy dura y frágil no es posible utilizarla para operaciones de laminado o forja debido a su dificultad para ajustarse a las concentraciones de esfuerzos.Todas las aleaciones Fe-C que solidifican según el diagrama metaestable, entre ellas todos los aceros, tienen como únicas fases ferrita y cementita

en

estado

de

recocido.

La

cementita

puede

aparecer

como

microconstituyente, o junto a la ferrita formando un microconstituyente distinto a la ferrita o a la cementita llamado perlita.

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Observación al microscopio Existen diferentes formas de observar la cementita de una aleación en un microscopio de reflexión. Los reactivos más utilizados son el picrato sódico alcalino en caliente y el NITAL-3. El primero obscurece completamente a la cementita, mientras que el segundo solo ataca al borde de grano de la cementita dejando el núcleo blanco. Se trata de una fase soluble en estado sólido que puede hacerse desaparecer mediante un tratamiento térmico adecuado (recocido de grafitización). 

Perlita (86.5% ferrita, 13.5% cementita) Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4 partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o placas 11

alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por enfriamiento muy lento. Si el enfriamiento es muy brusco, la estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC), la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, recibiendo entonces la denominación de perlita globular.

Se denomina perlita a la microestructura formada por capas o láminas alternas de las dos fases (α y cementita) durante el enfriamiento lento de un acero a temperatura eutectoide. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente.

Microestructura de la perlita -

Propiedades físicas La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen.Enfriando la austenita con una concentración intermedia de carbono, se transforma en fase ferrita, con un contenido de carbono inferior, y en cementita, con un porcentaje muy superior de carbono. Los átomos de carbono necesitan difundir para segregar selectivamente. Los átomos de carbono difunden de la región ferrítica a las capas de cementita para conseguir la concentración del 0,77% en peso de C y la perlita se propaga, a partir de los límites de grano al interior de los granos austeníticos. La perlita forma láminas porque los átomos de carbono necesitan difundir la distancia mínima dentro de su estructura. 12

Hay dos tipos de perlita: 

Perlita fina: dura y resistente.

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Perlita gruesa: menos dura y más dúctil.

La razón de este comportamiento radica en los fenómenos que ocurren en los límites de fases (α y cementita). En primer lugar, hay un alto grado de adherencia entre las dos fases en el límite. Por lo tanto, la resistencia y la rigidez de la fase cementita restringe la deformación de la fase (ferrita), más blanda, en las regiones adyacentes al límite; es decir, la cementita refuerza a la ferrita. Este grado de reforzamiento es más elevado en la perlita fina porque es mayor la superficie de límites de fases por unidad de volumen del material. Además, los límites de fases sirven de barrera para el movimiento de dislocaciones, del mismo modo que los límites de grano. En la perlita fina y durante la deformación plástica las dislocaciones deben cruzar más límites de fases que en la perlita gruesa. De este modo el mayor reforzamiento y restricción del movimiento de las dislocaciones en la perlita fina se traducen en mayor dureza y resistencia mecánica.La perlita gruesa es más dúctil que la perlita fina a consecuencia de la mayor restricción de la perlita fina a la deformación plástica.

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En aceros Mecánicamente las perlitas tienen las propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita. Los espesores de las capas de ferrita y de cementita también influyen en el comportamiento mecánico del material. La perlita fina es más dura y resistente que la perlita gruesa. Los porcentajes de composición de la perlita dependen de la concentración de carbono en el acero.

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Ejemplos En un acero bajo carbón (hipoeutectoide), como es el ejemplo del acero 4140, se puede obtener la perlita sometiendolo a un tratamiento; dicho tratamiento consta de someter al acero a una temperatura de entre 550-700 °C y dejarlo durante un tiempo de al menos 16 minutos (verificar en el diagrama las condiciones). 13

La perlita se empieza a formar después de que la austenita en el acero, se convierte en ferrita (α). La austenita que no se logra convertir en ferrita se convierte en perlita (ferrita + cementita).

Para la metalurgia física se considera un proceso difusivo, ya que depende de la cantidad de carbono que tenga el acero y se le considera de cinética civíl. 

Ledeburita (ferrita - cementita eutéctica, 4,3% carbón)

En la producción de fundiciones, la ledeburita surge cuando el contenido de carbono es de entre 2,06% y 6,67%. La mezcla eutéctica de austenita y cementita es 4,3% de carbono, su fórmula empírica es (Fe3C: 2Fe), con un punto de fusión de 1147 °C. (Punto eutéctico C). Su nombre proviene de Adolf Ledebur (1837-1906), metalúrgico alemán que la describió en 1882. DIAGRAMA DE FASES DEL HIERRO Y CARBONO

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Estructura y propiedades La ledeburita no es una fase, sino una mezcla de fases: austenita y cementita. Al enfriarse se forma una matriz de cementita Fe3 C que contiene glóbulos de austenita a 2,11% de carbono. La fase principal se inicia con la nucleación de la cementita. En la placa de cementita originada en el líquido eutéctico, crecen dendritas planas de austenita. A continuación se produce un crecimiento relativamente rápido de cristales de las dos fases. Cada una de las fases continua dentro de la misma estructura, es decir, 14

pertenece al mismo cristal.Se hace una distinción entre ledeburita I y ledeburita II. La ledeburita I (justo por debajo de 1147 ° C) es una microestructura de austenita y cementita, la ledeburita II, a temperatura ambiente, está formada por cementita con cementita recristalizada secundaria (que se separa de la austenita con la disminución de la temperatura al enfriarse el metal) y perlita, si el enfriamiento ha sido lento. La perlita se forma por la descomposición de la austenita eutectoide por debajo de los 727 ° C. Si el enfriamiento es más rápido, se pueden desarrollar Bainita en lugar de perlita, y con enfriamiento muy rápido se pueden desarrollar martensita. La cementita es un compuesto metaestable, tiende a descomponerse en ferrita α y grafito si se espera que "tiempo suficiente" Fe3 C + C → 3Fe Si el enfriamiento de la masa fundida es suficientemente lento, especialmente si contiene elementos de aleación llamados "grafitisantes" ( silicio, cobre, níquel), que no forma ledeburita sino un eutéctico al 4,25% de C, compuesto de grafito y austenita con 2,03% en peso de carbono, la fundición gris, y cuyo punto de fusión es de 1153 ° C. La ledeburita posee una alta dureza y fragilidad.

Ledeburita II.

Fundición dura con cristales de Ledeburita.

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Fundición dura con cristales de Ledeburita. -

Presencia en las aleaciones de hierro y carbono Hierro: La ledeburita se produce en las aleaciones de solo hierro y carbono en el intervalo de concentraciones de carbono del 2% al 6,67%, que corresponde a los hierros fundidos. El mecanismo de formación en ledeburitahipoeutéctica (a la izquierda de la eutéctica que corresponde a 4,3 % de carbono en el diagrama de hierro-carbono), eutécticos e hipereutécticas (a la derecha de evtektiki) diferentes planchas. Hierros hipoeutécticos: Tras el enfriamiento, la composición de la fase del hierro líquido hipoeutéctico primero comienza a cristalizar la austenita, por lo que la composición de la fase líquida comienza a cambiar en la dirección de aumento de la concentración de carbono (debido a la menor solubilidad del carbono en la austenita). Al llegar al punto eutéctico (4,3% de carbono, 1147 ° C) comienza la cristalización eutéctica, ledeburita. Durante el enfriamiento adicional de hierro a temperaturas que van desde 1.147 ° C a 727 ° C y el carbono se agota austenita asignado cementita secundaria. Cementita secundaria captura de límite de grano de austenita se fusiona con cementita ledeburita por lo tanto, casi invisible al microscopio. Con un ligero sobreenfriamiento a continuación 727 º C la austenita por eutectoide de reacción se transforma en perlita (dividido en ferrita y cementita). Por lo tanto, en un hipoeutéctica fundición blanca, a temperatura ambiente, la ledeburita está presente como componente estructural junto con perlita y cementita secundaria. Hierros eutécticos: Al enfriar, la fase líquida del punto eutéctico a una temperatura de 1147 ° C comienza la cristalización simultánea de una mezcla de austenita y cementita, la ledeburita. La austenita más tarde se descompone en la mezcla de ferrita-cementita (perlita). Hierros hipereutécticos: En el hierro blanco hipereutéctica de líquido cristaliza la cementita primaria en forma de agujas planas, a continuación, se forma la ledeburita. A

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temperatura ambiente la fundición blanca contiene dos componentes estructurales: cementita primaria y ledeburita. Aceros ledeburíticos: Ledeburita no es un tipo de acero como el nivel de carbono es demasiado alto, aunque puede ocurrir como un componente separado en algunos aceros de alto carbono, se encontró en su mayoría con cementita o perlita en una gama de hierros fundidos. La ledeburita se pueden formar en aceros cuando primero, el contenido de carbono es suficientemente alto (más de 0,7% (entre el 1,3% al 1,5%), que corresponde a los aceros para herramientas), y, en segundo lugar, a gran contenido de carburo en los elementos de aleación (Cr , W, Ti, Mo, etc.) La introducción de estos elementos de aleación en grandes cantidades reduce la solubilidad del carbono en la austenita, y en la perlita, que en ciertos casos, conduce a la posibilidad de proporcionar eutéctica en contenido de carbono comparativamente bajo. Como ejemplo en los aceros rápidos. 

Bainita

La Bainita es una mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión. La Bainita fue descrita por primera vez por E. S. Davenport y Edgar Bain (de quien recibe su nombre) como "de apariencia similar a la martensita sin tratamiento de revenido". La Bainita forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación. Los detalles microestructurales de la Bainita son tan finos que su resolución sólo es posible mediante el microscopio electrónico. Está compuesta de una matriz ferrítica y de partículas alargadas de cementita. La fase que rodea las agujas es martensita, a menos que se haga un tratamiento isotérmico hasta transformar toda la austenita en Bainita.La transformación bainítica también depende del tiempo y de la temperatura y se puede representar en un diagrama de transformación isotérmica, a temperaturas inferiores a las de formación de la perlita. En los tratamientos isotérmicos realizados entre 540º-727 °C, se forma perlita y entre 215-540 °C, el producto de transición es la Bainita. Las transformaciones perlítica y bainítica compiten entre sí y sólo una parte de una aleación se puede transformar en perlita o en Bainita. La transformación en otro microconstituyente sólo es posible volviendo a calentar hasta formar austenita.Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la 17

cementita no están presentes en formas que dependen de la aleación y la temperatura de transformación.

La microestructura depende de la temperatura y se distinguen dos morfologías: 

Bainita superior: Se forma en rangos de temperatura inmediatamente inferiores a los de perlita. se compone de agujas o bastones de ferrita con cementita entre ellas.

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Bainita inferior: Se forma a temperatura del orden de la martensita Ms (ligeramente superiores).

Se produce preferentemente en transformaciones isotérmicas (austempering), aunque también puede hacerlo a enfriamiento continuo y corresponde a una transformación intermedia entre la que corresponde a perlita y a martensita.

Estructura de la Bainita mediante micrografía electrónica de réplica. Una aguja de Bainita va de la parte inferior derecha al vértice superior izquierdo y consiste en partículas alargadas de cementita dentro de una matriz de ferrita. la fase que rodea la aguja bainítica es la martensita. En Aceros Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos porque tienen una estructura más fina a base de partículas diminutas de cementita en una matriz ferrítica. Por este motivo exhiben una interesante combinación de resistencia y ductilidad. Producción de Bainita Para la producción de acero bainítico, que resulta resistente a la fatiga y al desgaste por rodadura y exento de carburos (muy duros pero pueden ser frágiles). Existen múltiples métodos:Laminar en caliente el acero con aleantes: 0,05-0,5% C, 1-3% Si 18

o Al, 0,5-2,5% Mg y 0,25-2,5% Cr. El punto de equilibrio del hierro (junto con C e impurezas, C equivalente), en austenita justo antes de la formación de Martensita. Este acero es refrigerado de manera continua a su temperatura de laminado, o bien al aire, o por refrigeración forzada.

Hierro-Carbono diagrama de fase, mostrando la temperatura y composición en el punto eutectoide, a la cual se puede formar la Bainita. 

Martensita

Martensita es el nombre que recibe la fase cristalina BCT, en aleaciones ferrosas. Dicha fase se genera a partir de una transformación de fases sin difusión (infiltración de partículas ajenas al material procesado), a una velocidad que es muy cercana a la velocidad del sonido en el material. La estructura resultante denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita, entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una expansión que produce altos 19

esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de la matriz. Por extensión se denominan martensitas todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión de materiales metálicos. Se llama martensita en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens (1850-1914). Generalidades La transformación martensítica no sólo ocurre en el acero, sino que otros sistemas de aleación se caracterizan por experimentar transformaciones sin difusión.Ya que la transformación martensítica no implica difusión, ocurre casi instantáneamente; los granos martensíticos se nuclean y crecen a velocidad muy alta: A la velocidad del sonido dentro de la matriz austenítica. De este modo, a efectos prácticos, la velocidad de transformación de la austenita es independiente del tiempo. La estructura de la martensita tiene la apariencia de láminas o de agujas(variantes). La fase blanca es austenita que no se transforma durante el temple rápido. La martensita también puede coexistir con otros constituyentes, como la perlita.El enfriamiento rápido (o temple) del acero austenizado, hasta temperatura próxima a la ambiental, origina otro microconstituyente denominado martensita, que resulta como una estructura de no equilibrio de la transformación sin difusión de la austenita. Se puede considerar un producto de transformación competitivo con la perlita o la Bainita. La transformación martensítica tiene lugar a velocidades de temple muy rápidas que dificultan la difusión del carbono. Si hubiera difusión se formarían las fases ferrita y cementita.La transformación martensítica no es bien conocida. Sin embargo, gran número de átomos se mueven de modo cooperativo, lo que representa pequeños desplazamientos de un átomo respecto a sus vecinos. Esta transformación significa que la austenita FCC experimenta una transformación polimórfica a la martensita tetragonal centrada en el cuerpo (TCC). La celdilla unidad de esta estructura cristalina es un cubo, alargado en una de sus tres dimensiones, centrado en el cuerpo BCC; esta estructura es diferente de la ferrita BCC. Todos los átomos de carbono permanecen como solutos intersticiales en la martensita y constituyen una disolución sólida sobresaturada capaz de transformarse rápidamente en otras estructuras si se calienta a temperaturas que implican una apreciable velocidad de difusión. La mayoría de los aceros retienen la estructura martensítica casi indefinidamente a temperatura ambiente.Con un tratamiento mecánico 20

adecuado la estructura puede presentar una sola variante. Un caso particular son las aleaciones martensíticas ferromagnéticas, con interesantes propiedades al aplicarles un campo magnético (magnetoestricción, Villaryeffect).

En aceros Los aceros con microestructura martensítica son los más duros y mecánicamente resistentes, pero también los más frágiles y menos dúctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono; aun así, son más tenaces que los aceros perlíticos. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono y austenita.

6. Puntos Relevantes del Diagrama, Líneas, Temperatura, Reacciones, Cantidades relativas de cada fase y microconstituyentes

21

22

A 1.495 ºC tiene lugar una reacción peritéctica: Líquido (0,53% C) + Ferrita-δ (0,09% C) » Austenita (γ) (0,17% C) A 1.148 ºC tiene lugar una reacción eutéctica Líquido (4,3% C) » Austenita (γ) (2,08% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C) A 723 ºC tiene lugar una reacción eutectoide Austenita (γ)(0,8% C) » Ferrita-α (0,02% C) + Cementita (Fe3C) (6,67%C) 7. Aceros Son aleaciones Hierro-Carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en carbono, que suele ser inferior a 1%. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.Existen muchos tipos de acero en función del elemento o los elementos aleantes que estén presentes. La definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Otras composiciones específicas reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su

23

susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales).

Barras de Acero Templado

Productos Obtenidos con Acero

-

Propiedades del acero Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:



Su densidad media es de 7850 kg/m³.



En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.



El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. 24



Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.



Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.



Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta por estaño.



La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles.



Se puede soldar con facilidad.



La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo.



Posee una alta conductividad eléctrica y térmica.



Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. 7.1 Clasificación de los aceros La clasificación general de los aceros es:



Aceros Bajos en Carbono: Corresponden a la mayor parte del acero fabricado. Este tipo de acero contiene menos del 0,25% de Carbono. La microestructura consiste en Ferrita y Perlita. Estos aceros son relativamente blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad, además, son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar carrocerías de automóviles, vigas y láminas para construir tuberías, edificios, puentes y latas estañadas.

25

Pletinas y tuberías para construcción civil y estructural 

Aceros medios en carbono: Contienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente, generando así gran variedad de combinaciones Resistencia-Ductilidad. Se utilizan para fabricar ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecánica, resistencia al desgaste y tenacidad.

Engranajes y cigüeñal fabricado con acero medio en carbono 

Aceros Altos en Carbono: Contienen entre 0,6 y 1,4% de carbono, y son más duros, resistentes y aún menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan en la condición templada y revenida, en la cual son especialmente resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Las herramientas y las matrices se fabrican con aceros aleados altos en carbono que contienen, cromo, vanadio, tungsteno y molibdeno. Estos elementos de aleación se combina con el carbono para formar carburos muy duros y resistentes al desgaste.

26

Broca y eslabón de cadena fabricado con acero alto en carbono Otras clasificaciones del acero son las siguientes: -

Según el modo de fabricación



Acero Galvanizado:El acero galvanizado es un tipo de acero procesado con un tratamiento al final del cual queda recubierto de varias capas de zinc. Estas capas de zinc protegen al acero evitando que se oxide. El acero galvanizado también es un material con un acabado más duradero, resistente a las ralladuras y que resulta más atractivo para muchos consumidores. El acero galvanizado también es utilizado en la fabricación de muchos componentes de uso industrial.

Lámina para techo y conexión T de acero galvanizado 

Acero eléctrico:También llamado acero magnético, acero al silicio, o acero para transformadores, es un acero especial fabricado para poseer determinadas propiedades magnéticas. El material se fabrica habitualmente en forma de chapas laminadas en frío de 2 mm de espesor o menos. Estas chapas se apilan y una vez reunidas, forman los núcleos de transformadores o de estatores y rotores de motores eléctricos. El acero eléctrico es una aleación de hierro con un contenido de silicio que varía de cero a 6,5%.

27

El silicio aumenta significativamente la resistencia eléctrica del acero. Se pueden añadir también manganeso y aluminio hasta en una proporción de 0,5%.

Chapas para núcleos de rotores y estatores de motores eléctricos 

Fundición:El hierro fundido, hierro colado, más conocido como fundición gris, es un tipo de aleación cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris.El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre.

Carcasa de bomba y Polea de hierro fundido 

Acero efervescente:Contenido de carbono, inferior al 0,3%. El acero efervescente se emplea para grandes requisitos superficiales; suele usarse en perfiles, chapas finas y alambres.

28

Alambre de acero efervescente -

Según el modo de trabajarlo



Acero moldeado: Se define como acero moldeado, a cualquier clase que recibe forma vertiéndolo en un molde adecuado cuando el metal está todavía líquido.

Piezas obtenidas por moldeo 

Acero forjado:Es aquel acero que ha sido modificado en forma y estructura interna mediante la aplicación de técnicas de forja realizadas a una temperatura superior a la de la recristalización.

El

trabajo

herramientas denominadas prensas,

de que

forja mediante

se

realiza

grandes

golpes

con maquinas o presiones

conforman determinadas formas y volúmenes. Para estas operaciones se usan matrices, troqueles y moldes.

Productos obtenidos por forja 

Acero laminado:El acero que sale del alto horno de colada de la siderurgia es convertido en acero bruto fundido en lingotes de gran peso y tamaño que posteriormente hay que laminar para poder convertir el acero en los múltiples tipos de perfiles comerciales que existen de acuerdo al uso que vaya a darse del mismo. Algunas 29

aplicaciones del acero laminado están en la fabricación de:Ángulos estructurales L, Vigas H, Canales U, Perfiles T, Barras redondas lisas y pulidas, Platinas, Barras cuadradas, Barras hexagonales…

Proceso de laminación de acero

Máquina para laminación de acero -

Según la composición y la estructura



Aceros ordinarios:Aceros ordinarios al carbono, que es el más numeroso en aplicaciones. Además del carbono contienen pequeñas cantidades de silicio y manganeso, < 0.5% y 0.9% respectivamente, empleados como desoxidantes y 30

elementos auxiliares en los procesos de fabricación, y fósforo y azufre, inferiores al 0.1 %, que son impurezas perjudiciales que provienen de las materias primas, y que en los procesos de fabricación se procura reducir a unos límites de aceptación definidos. 

Aceros aleados o especiales:Es una posible variedad de elementos químicos en cantidades en peso del 1,0 % al 50 % para mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se dividen en dos grupos: aceros de baja aleación y aceros de alta aleación. La distinción entre los dos varía, según Smith and Hashemi sitúan la barrera en el 4 % en peso de aleantes, mientras que Degarmo lo define en el 8,0%. Sin embargo, el término "acero aleado" es el término estándar referido a aceros con otros elementos aleantes además del carbono, que típicamente son el manganeso, níquel, cromo, molibdeno, vanadio, silicio, y boro. Aleantes menos comunes pueden ser el aluminio, cobalto, cobre, cerio, niobio, titanio, tungsteno, estaño, zinc, plomo, y zirconio.Algunos de estos aceros aleados encuentran aplicaciones altamente exigentes, como en los álabes de turbina de un motor de reacción, en vehículos espaciales,

y

en reactores

nucleares.

Debido

a

las

propiedades ferromagnéticas del hierro, algunos aceros aleados tiene aplicaciones en donde su respuesta al magnetismo es muy importante, como puede ser un motor eléctrico o un transformador.

Algunos productos fabricados con aceros aleados -

Según los usos



Acero para imanes o magnético:Aquel con el que se fabrican los imanes permanentes. Debe tener un gran magnetismo remanente y gran fuerza coercitiva. Los aceros de esta

31

clase, contienen altos porcentajes de tungsteno (hasta el 10%) o cobalto (hasta el 35% ).Para aparatos de calidad se emplean aceros de cromo-cobalto o de aluminio-níquel.

Imán 

Acero autotemplado:Acero que adquiere el temple por simple enfriamiento en el aire, sin necesidad de sumergirlo en aceite o en agua. Este efecto, que conduce a la formación de una estructura martensítica muy dura, se produce añadiendo constituyentes de aleación que retardan la transformación de la austenita en perlita.

Sistemas de engranajes fabricados con acero autotemplado 

Acero de construcción:El acero de construcción constituye una proporción importante de los aceros producidos en las plantas siderúrgicas. Con esa denominación se incluye a aquellos aceros en los que su propiedad fundamental es la resistencia a distintas solicitaciones (fuerzas tanto estáticas como dinámicas). Cabe aclarar que en este concepto de Acero de construcción se pueden englobar tanto los aceros para construcción civil como para construcción mecánica.

32

Cabillas para construcción



Acero rápido:Los aceros rápidos, de alta velocidad o HSS (High Speed Steel) se usan para herramientas,

generalmente

de

series

M

y

T

(AISI-SAE).

Con molibdeno y wolframio , tienen buena resistencia a la temperatura y al desgaste. Generalmente

es

usado

en brocas y fresas,

machos,

para

realizar

procesos

de mecanizado con máquinas herramientas.

Cuchilla para torneado.

Disco para cortar madera

Brocas (Mechas) para taladrado 

Acero de decoletaje:También conocidos como aceros de fácil mecanización, poseen muy buenas propiedades para el corte durante las operaciones de mecanización como la 33

perforación, el doblado y el laminado. Este tipo de acero se emplea en la fabricación de componentes de ingeniería y es suministrado principalmente a los clientes en forma de laminados en caliente, trefilados en frío y en barras de precisión o barras rectificadas que generalmente son redondas, cuadradas o hexagonales.El acero de "decoletaje" de buena calidad permiten alcanzar mayor velocidad de maquinado y mayores velocidades de corte y perforación (aumentando la producción), menor empleo de fuerza de corte (lo que permite alargar la vida útil de las herramientas) y genera un polvo esmerilado (viruta de aceros) que es fácil de eliminar. Una característica fundamental de estos aceros es que permiten una buena tolerancia dimensional y un buen acabado de la superficie.El elemento clave que confiere la propiedad maquinabilidad a este tipo de aceros es el plomo, aunque en ocasiones también se emplea el azufre. Además del carbono, los otros componentes principales son el manganeso, el fósforo y el silicio. La adición de teluro mejora la tasa de mecanización.

Conexiones y otros productos fabricados con acero de decoletaje 

Acero corten:El acero corten es un tipo de acero realizado con una composición química que hace que su oxidación tenga unas características particulares que protegen la pieza realizada con este material frente a la corrosión atmosférica sin perder prácticamente sus características mecánicas.

34

Habitación recubierta con laminas de acero Corten



Acero indeformable:Es un tipo de acero que prácticamente no experimenta deformación geométrica tanto en caliente como en curso de tratamiento térmico de temple.Los aceros indeformables son destinados a la fabricación de herramientas para corte, Punzonado, troquelado y en general de formas complicadas. La característica de indeformable

la

adquiere

durante

el

proceso

de

templado

que

aumenta

considerablemente la dureza.

Escuadra de acero indeformable 

Acero inoxidable:El acero inoxidable se define como una aleación de acero (con un mínimo del 10 % al 12 % de cromo contenido en masa). También puede contener otros metales, como por ejemplo molibdeno y níquel. El acero inoxidable es un acero de elevada resistencia a la corrosión, dado que el cromo u otros metales aleantes que 35

contiene, poseen gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro.

Tuberías y fregadero de acero inoxidable 

Acero de herramientas:Es el acero que normalmente se emplea para la fabricación de útiles o herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta. Los aceros de herramientas tienen generalmente un contenido en carbono superior a 0.30%, aunque a veces también se usan para la fabricación de ciertas herramientas, aceros de bajo contenido en carbono (0.5 a 0.30%). Codificación de Aceros para Herramientas, según AISI Grupo

Símbolo

Descripción

Alta velocidad (rápidos)

T

Base Tungsteno (%W: 11.75-19)

Alta velocidad (rápidos)

M

Base Molibdeno (%Mo: 3.25-10.0)

Trabajo en caliente

H

Base Cr, W, Mo

Trabajo en frío

A

Media aleación, temple al aire

Trabajo en frío

D

Alto Cr, alto C (%Cr: 11.5-13.5)

Trabajo en frío

O

Templables al aceite

Resistencia al impacto

S

Medio carbono, al Si

Propósitos específicos

L

Baja aleación, medio-alto carbono

Propósitos específicos

F

Alto carbono, al W

Moldes

P

Baja aleación, bajo carbono

Templables al agua

W

Alto carbono

36

Herramientas 

Acero para muelles:El acero elástico es una variedad de acero de alta flexibilidad que se utiliza en la fabricación de elementos que recuperan su estado después de sufrir una cierta deformación, comoresortes y ballestas. También es utilizado en la fabricación de chasis de coches y otros vehículos al tener la capacidad de absorción de la energía cinética de una forma gradual y eficiente, reduciendo la que llega a los pasajeros del mismo en un accidente.

Resortes y Ballestas usados en suspensión de vehículos 

Acero refractario:Aceros con contenidos medios en carbono (C), silicio (Si), y altos contenidos en dos elementos de aleación: cromo (Cr) y níquel (Ni). Altas propiedades de resistencia a alta temperatura (hasta 1.000 ºC), muy buen comportamiento en ambientes oxidantes, en presencia de nitrógeno, y ante gases con bajo contenido en oxígeno.

37

Productos de acero refractario diseñados para soportar altas temperaturas 

Acero de rodamientos:Acero de gran dureza y elevada resistencia al desgaste; se obtiene a partir de aleaciones del 1% de carbono y del 2% de cromo, a las que se somete a un proceso de temple y revenido. Se emplea en la construcción de rodamientos, chumaceras y en general, para la fabricación de mecanismos sujetos al desgaste por fricción.

Chumaceras y Rodamientos

38

7.2 Designación de aceros según AISI SAE La norma AISI (American Iron and Steel Institute) utiliza un esquema general para realizar la especificación de los aceros mediante 4 números: AISI ZYXX Además de los números anteriores, las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo mediante letras para indicar el proceso de manufactura.

El significado de los anteriores campos de numeración es la siguiente: XX indica el tanto por ciento (%) en contenido de carbono (C) multiplicado por 100; Y indica, para el caso de aceros de aleación simple, el porcentaje aproximado del elemento predominante de aleación; Z indica el tipo de acero (o aleación). Los valores que puede adoptar Z son los siguientes:

Z=1: si se trata de aceros al Carbono (corriente u ordinario) Z=2: si se trata de aceros al Níquel Z=3: para aceros al Níquel-Cromo Z=4: para aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo Z=5: para aceros al Cromo Z=6: si se trata de aceros al Cromo-Vanadio Z=7: si se trata de aceros Al Tungsteno-Cromo Z=8: para aceros al Ni-Cr-Mo

Para los aceros inoxidables, el primer digito da una pista de la clase de acero. Serie 2XX y 3XX corresponden a aceros austeníticos. La serie 4XX incluye los aceros ferríticos y martensíticos. Como ya se indicó, la anterior designación puede incorporar también letras adicionales para indicar lo siguiente: E. . . . : Para indicar Fusión en horno eléctrico básico. . . . . H: Para indicar Grados de acero con templabilidad garantizada. C. . . .: Para indicar Fusión en horno por arco eléctrico básico. X. . . .: Para indicar alguna desviación del análisis de norma. TS. . .: Para indicar que se trata de una Norma tentativa. 39

. . B...: Para indicar que se trata de Grados de acero con un probable contenido mayor de 0.0005% en boro. . . . LC: para indicar Grados de acero con extra-bajo contenido en carbono (0.03% máx.). . . . F: Grados de acero automático.

A continuación se incluyen algunos ejemplos de designación de tipos de aceros según la norma AISI, que incluyen algunas notas aclaratorias: 

AISI 1020: 1: para indicar que se trata de un acero corriente u ordinario; 0: no aleado; 20: para indicar un contenido máx. De carbono (C) del 0.20%.



AISI C1020: La letra C indica que el proceso de fabricación fue SIEMENSMARTIN-básico. Puede ser B (si es Bessemer-ácido) ó E (Horno eléctrico-básico).



AISI 3215: 3: acero al Níquel-Cromo; 2: contenido del 1.6% de Ni, 1.5% de Cr; 15: contenido del 0.15% de carbono (C).



AISI 4140: 4: acero aleado (Cr-Mo); 1: contenido del 1.1% de Cr, 0.2% de Mo; 40: contenido del 0.40% de carbono (C).

Nomenclatura AISI - SAE Tipo de Acero

Descripción

Aceros al Carbono 10XX

Aceros al carbono común, No re-sulfurado.

11XX

Aceros maquinables, con alto porcentaje de azufre.

12XX

Aceros maquinables, con alto porcentaje de Fósforo y Azufre.

Aceros Aleados 13XX

Aceros al manganeso, con 1,75% de Mn.

15XX

Aceros al manganeso, con %Mn > 1%.

40XX

Aceros al Molibdeno, con 0,20 - 0,25% de Mo.

41XX

Aceros al Cromo-Molibdeno, con 0,40 - 1,1% de Cr y 0,08 a

40

0,35% de Mo. 43XX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 1,65% a 2& Ni, 0,4 a 0,9% de Cr y 0,2 a 0,3% de Mo.

46XX

Aceros al Níquel-Molibdeno, con 0,7 a 2% de Ni y 0,15 a 0,3% de Mo.

47XX

Aceros al Níquel–Cromo-Molibdeno, con 1,05% de Ni, 0,45% de Cr y 0,2% de Mo.

48XX

Aceros al Níquel-Molibdeno, con 3,25 a 3,75% de Ni y 0,2 a 0,3% de Mo.

51XX

Aceros al Cromo, con 0,7 a 1,1% de Cr.

51XXX

Aceros al cromo, con 1,03% de Cr.

52XXX

Aceros al cromo, con 1,45% de Cr.

61XX

Aceros al Cromo-Vanadio, con 0,6 a 0,95% de Cr y 0,1 a 0,15% de V min.

86XX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 0,55% de Ni, 0,5% de Cr y 0,2% de Mo.

87XX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 0,55% de Ni, 0,5% de Cr y 0,25% de Mo.

88XX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 0,55% de Ni, 0,5% de Cr y 0,3 a 0,4% de Mo.

92XX

Aceros al Silicio, con 1,4 a 2% de Silicio.

50BXX

Aceros al cromo, con 0,2 a 0,6% de Cr y 0,0005 a 0,003% de B.

51BXX

Aceros al cromo, con 0,8% de Cr y 0,0005 a 0,003% de B.

81BXX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 0,3% de Ni, 0,45% de Cr, 0,12% de Mo y 0,0005 a 0,003% de B.

94BXX

Aceros al Níquel-Cromo-Molibdeno, con 0,45% de Ni, 0,4% de Cr, 0,12% de Mo y 0,0005 a 0,003% de B.

Aceros inoxidables XXL

Bajo carbono < 0,03%

41

XXXS

Bajo carbono < 0,08%

XXXN

Nitrógeno agregado, Mayor resistencia.

XXXLN

Bajo Carbono < 0,03% y Nitrógeno agregado.

XXXF

Mayor Azufre y Fosforo, mejor mecanizado.

XXXSe

Selenio agregado, mejor mecanizado.

XXB

Si agregado, evita descamado.

XXXH

Mayor contenido de carbono.

XXXCu

Cobre agregado.

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

7.3 Elementos aleantes del acero 

Aluminio: Como desoxidante en aceros de alta aleación.



Boro: En muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la templabilidad sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial.



Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.



Cromo: Forma carburos muy duros y da al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Mejora la resistencia a la corrosión. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes…



Molibdeno: Es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Algunos aceros inoxidables contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.



Nitrógeno: Se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.



Níquel: Aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.



Plomo: El plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta (torneado, cepillado, taladrado…) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15 % y 0,30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.



Silicio:Aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.



Titanio: Se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero. 53



Wolframio: También conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y muy duros, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.



Vanadio: Posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga y poder cortante en los aceros para herramientas.



Niobio: Se utiliza para darle dureza, flexibilidad y elasticidad al acero, principalmente se utiliza para Aceros estructurales y Aceros automotrices.

7.4 Fundición del hierro Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono donde el contenido de carbono varía entre 2,14% y 6,67% aproximadamente. Comúnmente las más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria. Además de hierro y carbono, lleva otros elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, azufre y oxígeno.Obtienen

su

forma

definitiva por colada industrial, permitiendo la fabricación con relativa facilidad de piezas de grandes dimensiones y pequeñas complicadas. Son más baratas que los aceros y de fabricación más sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas. Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales. Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como auto lubricantes. Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y presentan buena resistencia al desgaste y son relativamente duros. Y por otro lado, al ser las fundiciones aleaciones con muy alto contenido en carbono son, en general, muy frágiles, por lo que no se pueden conformar por forja, laminación o extrusión, sino que las piezas de fundición se conforman directamente por moldeo, pudiéndose fabricar piezas de fundición de muy diferentes tamaños y complejidad.

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Se dividen en dos tipos: 

Fundición gris:Suelen estar aleados con silicio. Los contenidos de carbono y silicio varían entre 2,5 a 4 y 1 a 3%, respectivamente. El nombre de fundición gris procede del color de la superficie fracturada. Presentan el carbono en forma de grafito laminar o escamas. Una lenta velocidad de enfriamiento favorece la formación de una fundición gris ya que la lentitud en las reacciones favorece que se formen los constituyentes más estables: la cementita se transforma en ferrita y grafito (grafitización). Son fácilmente mecanizables ya que el grafito favorece la salida de la viruta. Mecánicamente las fundiciones grises son, comparativamente frágiles y poco resistentes a la tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Las fundiciones grises presentan algunas propiedades muy características y útiles, como por ejemplo la efectividad en el amortiguamiento de la energía vibracional. Las bancadas para maquinas y equipos que vibran se suelen construir de fundición gris. Es uno de los materiales metálicos más baratos.

Poleas y Bloque de motor obtenidos con Fundición gris 

Fundición dúctil (o esferoidal):Se forma mediante la adición de pequeñas cantidades de magnesio a la fundición gris en estado líquido lo cual produce diferentes microestructuras, en las que el grafito en lugar de escamas forma esferoides, que originan distintas propiedades mecánicas.La fundición dúctil es más resistente y más dúctil que la gris de grafito laminar. Tiene propiedades mecánicas parecidas a las del acero. Este tipo de material se utiliza para fabricar válvulas, cuerpos de bombas, cigüeñales, pistones y otros componentes del automóvil y de maquinaria.

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Válvula y cigüeñal de hierro dúctil 

Fundición blanca y fundición maleable:La superficie de la rotura de esta aleación tiene una tonalidad blanca, de ahí proviene su nombre. El carbono aparece en forma de cementita. La cantidad de silicio es mínima. Tienen una alta resistencia mecánica y dureza, pero también gran fragilidad (propiedades debidas a la cementita), por lo que son difíciles de mecanizar. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad, como por ejemplo los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de partida para fabricar Fundición maleable.Calentando la fundición blanca a temperaturas entre 800 y 900 °C durante largos períodos de tiempo la cementita se descompone y forma grafito en forma de racimos o rosetas dentro de una matriz ferrítica o perlítica. La microestructura es similar a la de la fundición esferoidal, originado resistencia relativamente alta y apreciable ductilidad o maleabilidad.

Rodillos para trenes de laminación de materiales 56

-

Propiedades generales de las fundiciones:

Con carácter general, las fundiciones de hierro son aleaciones que resultan ser muy frágiles, de una dureza relativamente elevada, resistente al choque térmico, a la corrosión, absorben bien las vibraciones, son de bajo costo y presentan poca soldabilidad en comparación con el acero.A continuación, se expondrán otras propiedades que van a servir para caracterizar y conocer mejor a las fundiciones: 

Aspecto: La superficie exterior de las fundiciones es de un color gris oscuro, mientras que el color de la fractura resulta ser distinta dependiendo del tipo de fundición que se trate: oscura (para la fundición negra); gris (fundición gris) o atruchada (puntos claros sobre fondo oscuro, o viceversa) o bien, de apariencia clara (fundición blanca).



Fluidez: Mediante la fluidez se trata de describir la propiedad del metal cuando se encuentra en estado líquido de poder recorrer y de rellenar bien los moldes. En este sentido, las fundiciones presentan buena colabilidad (gran fluidez) en estado líquido,



Contracción: Todo metal al solidificarse sufre una contracción. En la fundición blanca, esta contracción es casi similar a la del acero (entre 16-18%), mientras que en las fundiciones grises, en las cuales durante el proceso de solidificación se segregan unas laminillas de grafito con un aumento del volumen de la masa, la contracción final resultará menor (entorno al 10%).



Resistencia mecánica: La resistencia a la tracción es menor a la de compresión. Incluso para las fundiciones grises normales la resistencia a la compresión resulta ser tres o cuatro veces el valor de la de tracción.



Resistencia al choque: Mediante la resiliencia se pondera la resistencia al choque de un material, es decir, es una medida de la tenacidad del material, que se define como la capacidad de absorción de energía antes de aparecer la fractura súbita. Así, las fundiciones blancas no presentan buena resistencia al choque y son frágiles porque no sufren deformaciones plásticas. Por el contrario, las fundiciones maleables y las de grafito nodular (funciones dúctiles) presentan una mejor resistencia al choque si el impacto está dentro de un cierto límite de seguridad. Son las fundiciones grises las que presentan un óptimo comportamiento a la resistencia al choque por su propiedad característica de amortiguar las vibraciones.

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

Dureza: En las fundiciones, la dureza es relativamente elevada. Así, las fundiciones grises presentan una dureza que varía de 140 a 250 Brinell. Las fundiciones blancas tienen un índice de dureza que supera los 350 a 400 Brinell.

7.5 Normas para selección de aleaciones ferrosas El sistema de numeración unificado (UNS) es una aleación de sistema de designación ampliamente aceptado en América del Norte . Se compone de una letra prefijo y cinco dígitos designar una composición de material. Un número UNS solo no constituye una especificación de material completo, ya que no establece requisitos para las propiedades del material, el tratamiento térmico, la forma, o la calidad.

Categorías UNS Tipo de material

Serie UNS NXXXXX

Níquel y aleaciones de níquel

RXXXXX

Metales y aleaciones reactivos y refractarios R03xxx- aleaciones de molibdeno R04xxx- niobio Aleaciones R05xxx- aleaciones de tantalio R3xxxx- aleaciones de cobalto R5xxxx- aleaciones de titanio R6xxxx- aleaciones de circonio

SXXXXX

Aceros inoxidables resistentes al calor y corrosión

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Composición Nominal de Superaleaciones trabajadas

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Conclusiones La estructura molecular y composición de la aleación Hierro-Carbono (Acero) al poseer hierro, un material alotrópico, cambia su composición dependiendo de la temperatura. Ésta otorga a la aleación características fundamentales las cuales le permiten operar en diferentes condiciones atmosféricas sin que el producto fabricado con ésta falle. Además de ello, la aleación posee carbono, y presenta ciertas características como dureza, resistencia a compresión, tracción, etc. Y sus niveles dependerán del porcentaje de carbono que se encuentre en dicha aleación.

Ésta aleación es una de las más utilizadas en el mundo, y a su vez una de las más importantes, puesto que posee ciertas características que permiten utilizarla tanto en su forma y composición más básica así como combinada con otros elementos que agregan diferentes características a la aleación, estas características particulares son las que permiten que dicha aleación pueda ser empleada en diversas áreas de la vida moderna, como por ejemplo: Estructuras, Maquinarias, Vehículos aéreos, marítimos y terrestres, Medicina, Herramientas, Vivienda, etc.

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Bibliografía http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinacionescarbono/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml https://elrincondemaxwell.wordpress.com/2015/09/26/hierro-y-sus-formas-alotropicascontraccion-y-expansion-volumetrica/ https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_hierro-carbono http://blog.utp.edu.co/metalografia/5-diagrama-hierro-carbono/#parte3 https://es.wikipedia.org/wiki/Martensita https://es.wikipedia.org/wiki/Bainita https://es.wikipedia.org/wiki/Ledeburita https://es.wikipedia.org/wiki/Perlita https://es.wikipedia.org/wiki/Cohenita https://es.wikipedia.org/wiki/Cementita https://es.wikipedia.org/wiki/Ferrita https://es.wikipedia.org/wiki/Austenita http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1092/html/2_di agrama_de_aleacin_hierrocarbono.html https://elrincondemaxwell.wordpress.com/2015/09/26/hierro-y-sus-formasalotropicas-contraccion-y-expansion-volumetrica/ http://www.monografias.com/trabajos70/formas-alotrpicas-hierro-combinacionescarbono/formas-alotrpicas-hierro-combinaciones-carbono2.shtml https://es.wikipedia.org/wiki/Acero#Clasificaci.C3.B3n http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html http://www.academia.edu/8537175/CLASIFICACION_AISI-SAE_DE_LOS_ACEROS https://es.wikipedia.org/wiki/AISI-SAE

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