automocion: diciembre 2012

Clasificación de Acero por su composición química:

Acero al carbono Se trata del tipo básico de acero que contiene menos del 3% de elementos que no son hierro ni carbono.

Acero de alto carbono El Acero al carbono que contiene mas de 0.5% de carbono.

Acero de bajo carbono Acero al carbono que contiene menos de 0.3% de carbono.

Acero de mediano carbono Acero al carbono que contiene entre 0.3 y 0.5% de carbono.

Acero de aleación Acero que contiene otro metal que fue añadido intencionalmente con el fin de mejorar ciertas propiedades del metal.

Acero inoxidable Tipo de acero que contiene mas del 15% de cromo y demuestra excelente resistencia a la corrosión.

Clasificación del acero por su contenido de Carbono:

- Aceros Extra suaves: el contenido de carbono varia entre el 0.1 y el 0.2 %

- Aceros suaves: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3 %

- Aceros semisuaves: El contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4 %

- Aceros semiduros: El carbono esta presente entre 0.4 y 0.5 %

- Aceros duros: la presencia de carbono varia entre 0.5 y 0.6 %

- Aceros extraduros: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 %

-Clasificación del Acero por sus propiedades

Aceros especiales

Aceros inoxidables.

Aceros inoxidables ferríticos.

Aceros Inoxidables auténticos.

Aceros inoxidables martensticos

Aceros de Baja Aleación Ultrarresistentes.

Acero Galvanizado (Laminas de acero revestidas con Zinc)

MICROESTRUCTURAS DE LOS ACEROS

Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos.
El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de hierro o Cementita.

Diagrama Fe-C

Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son:
FERRITA (Hierro a)
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.

Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita

La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se obsera al microscopio como granos poligonales claros.
En los aceos, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten.
La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado.
CEMENTITA
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.

Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita

En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.

PERLITA
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.

Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita

Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.

AUSTENITA
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.

Microestructura de la austenita

La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. volver

MARTENSITA
Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C.

Microestructura de la martensita

La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.
Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.
TROOSTITA
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600C, o por revenido a 400C.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. volver
SORBITA
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650C, o por revenido a la temperatura de 600C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%.
Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.

BAINITA
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita.
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos.
La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano más fino.

En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un número convencional n, de acuerdo con la formula:

logG=(n-1)log2

Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100 aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el número de tamaño de grano de uno a ocho.

Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero para comparación a 100X

Temple y revenido.

El temple y el revenido se utilizan ampliamente para mejorar las propiedades de resistencia de los aceros de construcción e importarles dureza y altas propiedades cortantes a los aceros de herramientas.
Por temple se comprende la fijación de las estructuras, a temperatura normal, que son propias de temperaturas altas. Por eso las estructuras templadas son inestables o, como dicen los físicos metaestables.
Si el acero se enfría rápidamente desde la zona de austenita (figura 2) el carbono no puede desprenderse, y como es imposible detener la transformación de hierro gamma a hierro alfa con capacidades de disolución de carbono muy diferentes, se produce una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa que se conoce como martensita. La estructura de la martensita es inestable, con una gran dureza y fragilidad considerable.
La dureza de la martensita es tanto mayor, cuanto mas cantidad de carbono esté disuelto en esta, y se explica por el fenómeno de que su red cristalina está muy deformada por los átomos de carbono. Esto hace que el cristal elemental de la red cristalina de la martensita nos sea cúbico sino tetragonal. Lo que a su vez dificulta su deformación plástica.
El acero tiene la capacidad de ser templado si contiene mas del 0.3% de carbono.
El enfriamiento para el proceso de templado puede efectuarse a diferentes velocidades de acuerdo a los fines perseguidos y del tipo de acero (cantidad de carbono y otros elementos aleantes) los mas usados son:

Figura 2

Agua.
Aceite.
Sales fundidas.
Soluciones salinas.
Y hasta el aire para ciertos aceros aleados.

Si tomamos la capacidad refrigerante del agua a temperatura de 20 ^oC como la unidad, entonces, la capacidad refrigerante relativa de la solución acuosa de cloruro de sodio al 10% será de 1.23; del aceite mineral 0.20 y del aire ambiente 0,03.
Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la resistencia o la dureza adquiridas durante el temple.
La temperatura del revenido se escoge de acuerdo a la posterior utilización de la pieza, pero nunca llegará a la temperatura de transformación (linea G-H de la figura 2).
Se distinguen tres tipos de revenido:

Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220^oC); Con él se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura martesítica. Se usa en el revenido de herramientas de corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste.
Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 ^oC); A estas temperaturas la martensita se modifica y se transforma en lo que se conoce como troostita y se aplica en los muelles o matrices.
Revenido de altas temperaturas (500-550 ^oC); A estas temperaturas la troostita se convierte en otra forma llamada sorbita, se aplica fundamentalmente para el acero de construcción.

La troostita y la sorbita obtenidas durante el revenido de la martensita, sobrepasan por su tenacidad, las estructuras análogas que se obtienen durante el enfriamiento directamente a partir de la austenita.

Recocido.

El recocido tiene diferentes objetivos en el tratamiento térmico del acero y generalmente suele ser de dos clases:

Recocido de primera clase o subcrítico: Se aplica para eliminar tensiones residuales, acritud, y cambiar forma de la cementita a cementita esferoidal en los aceros de alto carbono para poder trabajarlos mejor. Por lo común mientras mas alta es la temperatura, tanto mas corto puede ser el tiempo de permanencia, pero, de todos modos, para la esferoidización se requiere un permanencia larga. El recocido para eliminar la acritud se efectúa después de la deformación plástica en frío; con ello no solo se reducen las tensiones, sino también la recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización.
Recocido de segunda clase o supercrítico: Tiene como objeto diferentes finalidades, y exactamente:

Disminución del grano: El recocido de los aceros de bajo y medio carbono se efectúa por calentamiento s unos 20-50^oC por encima de la temperatura de transformación, es decir por encima de la línea F-E (figura 2). Bajo estas temperaturas se verifica la transformación del hierro alfa a hierro gamma y la formación de una gran cantidad de granos pequeños de austenita, independientemente del tamaño original de los granos de ferrita o perlita. El enfriamiento ulterior de piezas con grano pequeño de austenita conduce a la formación de granos pequeños de ferrita y perlita. Un calentamiento considerable por encima de la línea F-E, produce no disminución, sino aumento del tamaño del grano.
Obtención de una estructura equilibrada y mas blanda.
Modificación de la estructura en piezas fundidas: Las estructuras fundidas, muy a menudo suelen ser de grano grueso y la fase sobrante, por ejemplo, la ferrita en el acero de bajo carbono y la cementita secundaria en los de alto carbono, se distribuyen en granos, formando la armazón alrededor de la cual se solidifica la masa restante. Tal estructura se denomina de Widmastatten y tiene una tenacidad menor en comparación con la estructura normal. Durante el recocido no solo se efectúa la disminución del grano, sino también la liquidación de la estructura de Widmastatten.
Eliminación de las segregaciones dendríticas: El recocido para eliminar la segregación dendrítica que surge durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de homogenización. Generalmente este recocido se logra durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por presión en la fabricación de piezas en caliente. La homogenización exige una temperatura muy alta (unos 1000-1100 ^oC) y una permanencia larga (15 o mas horas). Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la disminución de este se realiza después por medio de un recocido de recristalización.

Normalización.

La estructura que surge después del calentamiento hasta las temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en el aire, se considera como normal en el acero. Por eso la normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire.
La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del normalizado, es menor que después del recocido y la perlita está mas dispersa. Por eso el acero normalizado tiene resistencia y tenacidad un poco mas altas y una maquinabilidad mas baja que el acero recocido.
En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las zonas de temperatura utilizadas mas comúnmente para la realización de los diferentes tratamientos térmicos.

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DIAGRAMA TTT
Para este análisis emplearemos el diagrama T.T.T. correspondiente al acero eutectoide (0.8%C).
En estos gráficos se representa en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.

Imagen 08. Fuente propia.

Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que, fijada una temperatura constante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.
Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente.
A continuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidades y se van observando los microconstituyentes que se van obteniendo.
Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente:
La línea V₁: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas).
La línea V₂: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros, pero el microconstituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más fino, llamado también sorbita.
A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes microconstituyentes. Así la línea V₃ produce trostita, la V₄ bainita superior y la V₅ vainita inferior.
Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se pretende es que toda la austenita se transforme en martensita. Es por ello que el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas (V₆).
A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme martensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple (V_C). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos perlíticos, principalmente troostita o bainita, lo que disminuirá la dureza del material tratado.