EL ACERO El acero es una aleación de hierro con carbono en una proporción que oscila entre 0,03 y 2%. Se suele componer de otros elementos, ya inmersos en el material del que se obtienen. Pero se le pueden añadir otros materiales para mejorar su dureza, maleabilidad u otras propiedades.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura características, sus propiedades físicas con intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de la proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.
CLASIFICACION SEGUN SU % EN CARBONO
1- Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015)
Se seleccionan en piezas cuyo requisito primario es el conformado en frío.
Los aceros no calmados se utilizan para embutidos profundos por sus buenas cualidades de
deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o
llevan tratamientos térmicos.
Son adecuados para soldadura y para brazing. Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado
en frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los calienta por encima de 600ºC.
2- Aceros de bajo % de carbono menor de 0,2% (desde SAE 1016 a 1030)
Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Son los
comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas. Su respuesta al
temple depende del % de C y Mn; los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo. Los de
más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la capa.
Son aptos para soldadura y brazing.
La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el
recocido.
3- Aceros de medio % de carbono entre 0.2 y 0.5% (desde SAE 1035 a 1053)
Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más
elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento.
Se utilizan en amplia variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas. El contenido de C y Mn,
depende de una serie de factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades
mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el % de C, de Mn o de ambos.
Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se
encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un recocido o
normalizado previo.
Todos estos aceros se pueden aplicar para fabricar piezas forjadas y su selección depende del
tamaño y propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. Los de mayor % de C, deben ser
normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad.
Son también ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas.
Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no tratadas térmicamente.
4- Aceros de alto % de carbono mayor de 0.5% (desde SAE 1055 a 1095)
Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas
durezas que no pueden lograrse con aceros de menor contenido de C.
En general no se utilizan trabajados en frío, salvo plaqueados o el enrollado de resortes.
Prácticamente todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial
cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y fisuras.
Segun sus propiedades los aceros se pueden dividir en:
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)
DIAGRAMA DE Fe-C
- 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)
>br>
>br>
- a 723 oC tiene lugar una reacción eutectoide
Austenita (γ)
(0,8% C)
» Ferrita-α (0,02% C)
+ Cementita (Fe3C)
(6,67%C)
CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS:
FERRITA
Aunque la ferrita es en realidad una
solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura
ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto
que prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es
el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Además de
todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los aceros
aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida
sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de
grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la ferrita se
ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la austenita,
procede de la solidificación.
La ferrita en la naturaleza aparece
como elemento proeutectoide que acompaña a la perlita en:
-
Cristales
mezclados con los de perlita (0.55% C)
-
Formando
una red o malla que limita los granos de perlita (0.55% a 0.85% de C)
-
Formando
agujas en dirección de los planos cristalográficos de la austenita.
CEMENTITA
Es carburo de hierro y por tanto su
composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más
duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando
un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC,
temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Aparece
como:
-
Cementita
proeutectoide, en aceros hipereutectoides, formando un red que envuelve a los
granos perlíticos.
-
Componente
de la perlita laminar.
-
Componente
de los glóbulos en perlita laminar.
-
Cementita
alargada (terciaria) en las uniones de los granos (0.25% de C)
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 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.
AUSTENITA
Para la realización del templado
emplearemos el método de Jominy (ver figura), consistente en hacer incidir
una corriente de agua primero y salmuera posteriormente, sobre un extremo del
tornillo. Enfriados de esta manera conseguiremos que la velocidad de
enfriamiento sea muy rápida obteniendo la mayor proporción de fase martensita
posible evitando que esta se transforme a medida que disminuye la temperatura.
Este procedimiento es el que mayor dureza confiere a los tonillos. En
particular, los enfriados con salmuera resultarán de mayor dureza que los enfriados con agua, y la punta del
tornillo donde la velocidad de enfriamiento es mayor acumulará la mayor
cantidad de martensita.
Este es el constituyente más denso
de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono
en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%,
correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura
de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC. También puede
obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente,
enfriando muy rápidamente una probeta de acero de alto contenido de C a partir
de una temperatura por encima de la crítica, pero este tipo de austenita no es
estable, y con el tiempo se transforma en ferrita y perlita o bien cementita y
perlita.
Excepcionalmente, hay algunos aceros
al cromo-niquel denominados austeníticos, cuya estructura es austenítica a la
temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos de hierro
gamma con los átomos de carbono intercalados en las aristas y en el centro. La
austenita tiene una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg/mm2
y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas.
Bajo velocidades de enfriamiento
bajas o moderadas, los átomos de C pueden difundirse hacía afuera de la
estructura austenítica. De este modo, los átomos de Fe se mueven ligeramente
para convertir su estructura en una tipo BCC. Esta transformación gamma-alfa
tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento dependiente del
tiempo (si aumentamos la velocidad de enfriamiento no habrá tiempo suficiente
para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún
movimiento local de los átomos de Fe, la estructura resultante no podrá llagar
a ser BCC, ya que el carbono está “atrapado” en la solución). 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 esfuerzos localizados que dan como resultado la deformación plástica de
la matriz.
Después de la cementita es el
constituyente más duro de los aceros. La martensita se presenta en forma de
agujas y cristaliza en la red tetragonal. La proporción de carbono en la
martensita no es constante, sino que varía hasta un máximo de 0.89% aumentando
su dureza, resistencia mecánica y fragilidad con el contenido de carbono. Su
dureza está en torno a 540 Vickers, y su resistencia mecánica varía de 175 a
250 Kg/mm2 y su alargamiento
es del orden del 2.5 al 0.5%. Además es magnética.
Se forma la bainita en la
transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a
550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una
temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación
total de la austenita en bainita.
La ledeburita no es un constituyente
de los aceros, sino de las fundiciones. Se encuentra en las aleaciones Fe-C cuando
el porcentaje de carbono en hierro aleado es superior al 25%, es decir, un
contenido total de 1.76% de carbono.
La ledeburita se forma al enfriar
una fundición líquida de carbono (de composición alrededor del 4.3% de C) desde
1130ºC, siendo estable hasta 723ºC, decomponiéndose a partir de esta
temperatura en ferrita y cementita
TIPOS DE ENFRIAMIENTOS
RECOCIDO
PARA LA ELIMINACIÓN DE ESFUERZOS
Este proceso se utiliza para
eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de
trabajo en frío. Este recocido, también denominado subcrítico, se lleva a cabo
a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior A3.
PROCESO DE RECOCIDO
Es
un proceso muy parecido al recocido para eliminar esfuerzos, ya que se calienta
el acero a una temperatura por debajo de la línea crítica inferior. La
utilización de este tipo de tratamiento se orienta hacia las industrias de
láminas y cable. Si se aplica después del proceso en frío se suaviza el acero
por medio de la recristalización, para un posterior trabajo.
ESFEROIDIZACIÓN
Es
un proceso por el cual se mejora la maquinabilidad. El método que suele
emplearse es el mantenimiento durante un tiempo prolongado a una temperatura
ligeramente inferior a la línea crítica inferior. Este tipo de proceso se
emplea para obtener una mínima dureza, una máxima ductilidad o una máxima
maquinabilidad en aceros al alto carbono. Los aceros al bajo carbono (como lo
son nuestras muestras) rara vez esferoidizan por maquinado, porque en la
condición de esferoidizados son excesivamente suaves.
NORMALIZADO
El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo
al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura
crítica superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura
ambiente. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más
fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste
sea el tratamiento térmico final. Sin embargo, la normalización puede
utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras
dendríticas de piezas de fundición, refinar el grano y homogeneizar la
microestructura para mejorar la
respuesta en las operaciones de endurecimiento.
El hecho de enfriar más rápidamente
el acero hace que la transformación de la austenita y la microestructura
resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en
condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo de hierro no es aplicable
para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirán
a temperatura ambiente. Ahora, se tendrá menos tiempo para la formación de la
ferrita proeutectoide, en consecuencia, habrá menos cantidad de esta en
comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de
constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en
la normalización también afectará a la temperatura de transformación de
austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una
mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga más fina implica que las
placas de cementita están más próximas entre sí, lo que tiende a endurecer la
ferrita, de modo que esta no cederá tan fácilmente, aumentando así la dureza.
El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia
una proporción de carbono más baja en los aceros hipoeutectoides y más alta en
los aceros hipereutectoides. El efecto neto de la normalización es que produce
una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por el
recocido, resultando un acero más duro y más fuerte.
La
técnica de templado consiste en calentar los el acero hasta que se alcance la
temperatura crítica austenita+ ferrita austenita al igual que en el recocido y
normalizado, seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido con el fin de
endurecer la muestra considerablemente.
