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 220oC);
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.
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Imagen 08. Fuente propia.
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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 (VC).
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.
