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8/19/2019 Handbook Aceros y Aleaciones
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introducción
Carbono y aceros aleados son con mucho los materiales de forjado con
mayor frecuencia, y se forjan fácilmente en una amplia variedad de formas
utilizando en caliente, calentamiento, o los procesos y equipo estándar (ver
las secciones de forja en frío "Forjando rocesos "y" !quipamiento de forja ymuere "en este volumen# $ pesar de la %ran cantidad de composiciones
disponibles, todos los materiales de esta cate%oría presentan características
esencialmente forja similares# &as e'cepciones a esto son aceros que
contienen aditivos de maquinado libre tales como sulfuros estos materiales
son más difíciles de falsi)car que son los %rados de mecanizado que no son
libres# !n %eneral, la forjabilidad caliente de aceros al carbono y de aleación
mejora a medida que aumenta la velocidad de deformación# &a mejora en
trabajabilidad se ha atribuido principalmente a la aumento de calor
%enerado de la deformación a altas tasas de deformación#
*elección de forjar temperaturas para aceros al carbono y de aleación se
basa en el contenido de carbono, composición de la aleación, la ran%o de
temperatura óptima para la plasticidad, y la cantidad de reducción
requerida para forjar la pieza de trabajo# +e estos factores, contenido de
carbono tiene la mayor inuencia sobre las temperaturas de forja de límite
superior# &a -abla . muestra el forjado en caliente típico temperaturas para
una variedad de aceros al carbono y de aleación se puede observar que, en
%eneral, las temperaturas de forja disminuyen con el aumento de contenido
de carbono y aleación#
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$ceros se han forjado en cantidad ya que cerca del comienzo de la
/evolución 0ndustrial# $ pesar de (o quizás debido a esta lar%a historia, la
forja de aceros es un proceso intuitivo, empírico, y la literatura sobre el
tema es relativamente escasa# !ste artículo tratará de presentar los datos
de forjabilidad para aceros al carbono y aleados siempre que sea posible, y
proporcionar al%una lineamientos %enerales para la forja de estos
materiales# !l procesamiento termomecánico de alta resistencia y baja
aleación (microaleados aceros de forja tambi1n serán discutidos#
Comportamiento de forja en caliente
&a forja en caliente de aceros al carbono y de aleación en formas intrincadas
rara vez limitada por aspectos forjabilidad con la e'cepción de los %rados de
maquinado libre mencionadas anteriormente# +e espesor de corte, a dar
forma a la complejidad y el tama2o de la forja se limitan principalmente por
el enfriamiento que se produce cuando la pieza de trabajo calentada entra
en contacto con los troqueles fríos# or esta razón equipo que tiene tiempos
de contacto de matriz relativamente cortos, tales como martillos, se pre)ere
a menudo para forjar formas intrincadas en de acero#
forjabilidad 3ot4-5ist ruebas#
6n medio com7n de medir la forjabilidad de aceros es la prueba en caliente
%iro# Como su nombre indica, esta prueba consiste en la torsión de la barra
de muestras calentadas a fractura en un n7mero de diferentes
temperaturas seleccionadas para cubrir el posible ran%o de temperatura de
trabajo en caliente del material de ensayo# !l n7mero de %iros a la fractura,
así como la par necesario para mantener la torsión a una velocidad
constante, se informó# &a temperatura a la que el n7mero de vueltas es la
más %rande, si e'iste un má'imo tal, se supone que es la temperatura de
trabajo en caliente óptima del material de ensayo# Fi%ura . muestra
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for%eabilities de varios aceros al carbono se%7n lo determinado por las
pruebas en caliente %iro# 8ás información sobre la prueba en caliente %iro
es disponible en /ef 9, :, y ;#
Fig. 1 Forgeabilities of various carbon steels as determined using hot-twist testing.
Source: Ref 2.
<tras pruebas forjabilidad# =umerosas otras pruebas se utilizan para evaluar
la capacidad de forjado de aceros, incluyendo>
? &a prueba de cu2a forja, en el que se forja un esp1cimen en forma de
cu2a entre matrices planas y la vertical deformación que causa
a%rietamiento se establece
? &a prueba de presión lateral, que consiste en comprimir una muestra debarra cilíndrica entre plana, paralela muere con el eje del cilindro paralelo a
los troqueles# &os e'tremos del cilindro son sin restricciones, y forjabilidad
se mide por la cantidad de deformación obtenido antes de a%rietarse
? &a prueba molesto, en el que un cilindro se comprime entre matrices
planas y las cepas de la super)cie de rotura en el ecuador del cilindro se
miden
? &a prueba de malestar4bar con muescas, que es similar a la prueba de
malestar e'cepción de que las muescas a'iales se mecanizan en la muestra
de ensayo para introducir altos niveles de estr1s locales# !stas tensionesmás altas pueden ser más indicativo de las tensiones e'perimentadas
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durante las operaciones de forja reales que los producidos en la prueba
estándar de malestar
? &a prueba de tracción en caliente, que a menudo se utiliza un aparato de
prueba especial para variar ambas velocidades de deformación y
temperaturas en un amplio ran%o
0nformación más detallada sobre estos procedimientos de ensayo, así como
otras t1cnicas utilizadas para evaluar la viabilidad de mayor materiales, está
disponible en los artículos de la sección "!valuación de viabilidad" en este
volumen y en /ef @ y A#
!fecto de la velocidad de deformación en forjabilidad# Como se ha indicado
anteriormente, la capacidad de forjado de aceros %eneralmente aumenta
con el aumento de la velocidad de deformación# !ste efecto ha sidodemostrado para el acero bajo en carbono en las pruebas en caliente %iro
(Fi%# 9, donde el n7mero de %iros a los aumentos de fracaso con el aumento
de velocidad de %iro# *e cree que esta mejora en la capacidad de forjado en
mayor cepa tasas es debido al aumento de calor de la deformación
producida en altas velocidades de deformación# &os aumentos de
temperatura e'cesivos de el calor de la deformación, sin embar%o, puede
conducir a la fusión incipiente, lo que puede reducir forjabilidad y
propiedades mecánicas#
Fig. 2 Influence of deformation rate on hot-twist characteristics of low-carbon steels at
109 !" #2000 !F$.
!l estr1s y la presión de ujo Forja
Flujo tensiones y las presiones de forja se pueden obtener de las curvas de
par de torsión %enerado en las pruebas en caliente de torsión o de
hotcompression o probar la tensión# &a Fi%ura : muestra curvas de
temperatura frente de par durante varios aceros al carbono y de aleación
obtenida de las pruebas en caliente %iro# !stos datos muestran que losrequisitos de presión de forja relativas para este %rupo de aleaciones hacen
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Fig. 4 Forging &ressure versus tem&erature for three steels. %ata are shown for
reductions of 10 and 0).
Strain rate was constant at 0.( s-1. Source: Ref 9.
!fecto de la velocidad de deformación en la forja de presión# Forja presionesrequeridas para un aumento dado de acero con el aumento velocidad de
deformación# !studios de acero bajo en carbono (ref D indican que la
inuencia de la velocidad de deformación es más pronunciada a mayor
forjar temperaturas# !ste efecto se ilustra en la Fi%# @, lo que da curvas
tensión4deformación de un acero de bajo carbono forjado en temperaturas y
velocidades de deformación diferentes#
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Fig. 5 Forging &ressure for low-carbon steel u&set at various tem&eratures and two
strain rates. Source: Ref *.
!fectos similares se han observado en los aceros de aleación# &a Fi%ura A
muestra las presiones de forja de acero requieren molesto en ;:;B varias
temperaturas y velocidades de deformación#
Fig. 6 Forging &ressure for +ISI ,,0 steel u&set at various tem&eratures and twostrain rates. Source: Ref 9.
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Efectos de la forja en Propiedades
&a conformación de una con)%uración compleja a partir de una barra de
acero al carbono o aleado o tocho requiere primero que el acero sea
"dispuesto" en una forma de partida adecuado (preformado y despu1s de
que se hace uir en la con)%uración de la pieza )nal# este reordenación delmetal tiene poco efecto sobre la dureza y la resistencia del acero, pero
ciertas propiedades mecánicas, tales como ductilidad, resistencia al impacto
y resistencia a la fati%a, se han mejorado# !sta mejora en las propiedades se
cree que llevará a cabo porque forja> ? /ompe la se%re%ación, se cura la
porosidad, y ayudas homo%eneización ? roduce una estructura de %rano
)broso (Fi%# E que mejora las propiedades mecánicas paralelas al ujo de
%rano ? /educe como fundido a tama2o de %rano
Fig. 7 ,1,0 steel forged hoo showing fibrous structure #flow lines$ resulting from hot
forging. /tched using0) hot aueous "l. 0.
!fectos de la forja en ropiedades &a conformación de una con)%uración
compleja a partir de una barra de acero al carbono o aleado o tocho
requiere primero que el acero sea "dispuesto" en una forma de partida
adecuado (preformado y despu1s de que se hace uir en la con)%uraciónde la pieza )nal# este reordenación del metal tiene poco efecto sobre la
dureza y la resistencia del acero, pero ciertas propiedades mecánicas, tales
como ductilidad, resistencia al impacto y resistencia a la fati%a, se han
mejorado# !sta mejora en las propiedades se cree que llevará a cabo porque
forja> ? /ompe la se%re%ación, se cura la porosidad, y ayudas
homo%eneización ? roduce una estructura de %rano )broso (Fi%# E que
mejora las propiedades mecánicas paralelas al ujo de %rano ? /educe como
fundido a tama2o de %rano
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Fig. 8 /ffect of forging ratio on reduction of area of heat-treated steels. #a$ ,,0 steel
at two sulfur levels. #b$
3anganese steel. #c$ 4acuum melted ,,0 with ultimate tensile strength of 2000 35a#290 si$. Forging ratio is
ratio of final cross-sectional area to initial cross-sectional area. Source: Ref *6 106 and
11.
Fig. 9 /ffect of hot-woring reduction on im&act strength of heat-treated nicel-
chromium steel. Forging ratiois the ratio of initial cross-sectional area to final cross-sectional area. Source: Ref 12.
&as propiedades mecánicas lon%itudinales típicos de piezas forjadas de
acero de bajo y medio4carbono en el recocido, normalizado, y se e'tin%uió y
condiciones templado se listan en la -abla 9# Como era de esperarse, la
fuerza aumenta con el aumento contenido de carbono, mientras que la
ductilidad disminuye#
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*e debe reconocer que las piezas de forja cerrada morir por la mayoría de
los casos se hacen de palanquillas forjado que han recibido considerabletrabajo previo# iezas forjadas <pen4die, sin embar%o, se pueden hacer a
partir de cualquiera de palanquillas forjado o como4fundido en lin%otes#
8etal uye en varias direcciones durante la forja cerrada4matriz# or
ejemplo, en la forja de una forma de costilla y 5eb tal como una
componente de fuselaje, casi todo el ujo de metal es en la dirección
transversal# +icho ujo transversal mejora la ductilidad en ese dirección con
poca o nin%una reducción en la ductilidad lon%itudinal# +uctilidad
transversal concebiblemente podría i%ualar o superar ductilidad lon%itudinal
si las reducciones de forja eran lo su)cientemente %rande y si el ujo de
metal eran principalmente en la dirección transversal#
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!fectos similares se observaron en el atropello de palanquillas forjado# !n
este caso, sin embar%o, el eje lon%itudinal ori%inal de la el material se
acorta por recalcado, y el desplazamiento lateral de metal es en la dirección
radial# Cuando la reducción de malestar e'cede de apro'imadamente @B,
la ductilidad en la dirección radial e'cede %eneralmente que en la dirección
a'ial (Fi%# .B#
Fig. 10 7'&ical influence of u&set reduction on a8ial and radial ductilit' of forged steels.
&ubricantes de forja (/ef .; +urante muchos a2os, las mezclas de aceite de
%ra)to eran los lubricantes más utilizados para la forja de aceros al carbono
y aleados# &os recientes avances en la tecnolo%ía de lubricantes, sin
embar%o, han dado lu%ar a nuevos tipos de lubricantes, como el a%ua
%ra)to y mezclas a base de a%ua lubricantes sint1ticos# Cada uno de los
lubricantes de uso com7n tiene ventajas y limitaciones (-abla : que deben
equilibrarse con los requisitos del proceso#
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Criterios de selección# *elección de lubricante para las máquinas
herramientas se basa en varios factores, incluyendo la temperatura de forja,
muere la temperatura, la creación de equipos, el m1todo de aplicación del
lubricante, la complejidad de la pieza que se está forjando, y del medio
ambiente y las consideraciones de se%uridad# $ temperaturas de forja en
caliente normales para aceros al carbono y de aleación, lubricantes de
%ra)to a base de a%ua se utilizan casi e'clusivamente, aunque al%unas
tiendas de martillo todavía pueden emplear %ra)to a base de aceite# !l
ran%o de temperatura4caliente formando más com7n para aceros al carbonoy de aleación es @;B4DEB G C (.BBB4.@BB G F# +ebido a la %ravedad de
forjar condiciones a estas temperaturas, los recubrimientos de la palanquilla
se utilizan a menudo en conjunción con troquel lubricantes# &os
recubrimientos de palanquilla utilizadas incluyen %ra)to en un vehículo a
base de a%ua o de uidos revestimientos utilizados en conjunción con
revestimiento de conversión de fosfato de la pieza de trabajo#
ara temperaturas todavía más bajas de forja (menos de apro'imadamente
;BB G C, o E@B G F, disulfuro de molibdeno tiene una mayor car%a en libros
capacidad que hace %ra)to# +isulfuro de molibdeno o bien se puede aplicaren forma sólida o dispersa en un vehículo uido# 8ás información sobre la
química del lubricante, la aplicación y la selección está disponible en /ef .;#
Aceros para forja
Carbono y acero de aleación en lin%otes, tochos, palanquillas y lin%otes,
laminados en caliente o se echan a la apro'imación de la sección
transversal dimensiones por lo tanto, la rectitud, la comba, tolerancias %iro,
y planitud no se aplican# roductos de acero semiacabados para forja se
producen ya sea a pesos unitarios especi)cados o lon%itudes especi)cadas#
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dimensionado de forja, la maquinabilidad se convierte en una consideración
vital para optimizar la vida de la herramienta, aumentar la productividad, o
ambos# la comprar especi)cación o forjar dibujo puede especi)car el
tratamiento t1rmico# *in embar%o, cuando se dan las especi)caciones sólo
má'ima dureza o especi)caciones microestructurales, se debe seleccionar
el ciclo t1rmico más económica y e)caz# -ratamientos t1rmicos disponiblesincluyen recocido completo, recocido spheroidize, recocido subcrítico,
normalizar, o normalizan y temperamento# !l tratamiento t1rmico ele%ido
depende de la composición del acero y de las operaciones de la máquina a
realizar# $l%unos de acero las cali)caciones son intrínsecamente suave,
otros se convierten en bastante duro en el enfriamiento de la temperatura
de acabado despu1s de forja en caliente# al%unos tipo de recocido se
requiere %eneralmente o especi)cados para mejorar la maquinabilidad#
-ratamiento t1rmico a )nales ropiedades Físicas# &a normalización o
normalizador y revenido puede producir la necesaria dureza mínima yresistencia mínima a la tracción )nal# *in embar%o, para la mayoría de los
aceros, un endurecimiento (austenitize y enfriamiento rápido (en aceite,
a%ua, o al%7n otro medio, dependiendo del tama2o de sección y
templabilidad se emplea ciclo, se%uido de un revenido para producir las
propiedades de dureza, resistencia, ductilidad y de impacto adecuadas# ara
piezas forjadas de acero para ser calor tratada por encima de la .B:; 8a
(.@B Isi nivel de fuerza y que tiene variaciones de tama2o de sección, es
práctica %eneral para normalizar antes de austenización para producir un
tama2o de %rano uniforme y minimizar las tensiones residuales internas# !n
al%unos casos, es práctica com7n de utilizar el calor para forjar como elciclo de austenización y para saciar a la unidad de forja# &a forja es entonces
templado para completar el ciclo de tratamiento t1rmico# $unque e'isten
limitaciones obvias a este procedimiento, las economías son de)nitivas
posible cuando el procedimiento es aplicable (por lo %eneral para las formas
sim1tricas de los aceros al carbono que requieren poca 7ltimo mecanizado#
-ratamientos t1rmicos especiales a veces se utilizan para controlar la
distorsión dimensional, aliviar tensiones residuales antes o despu1s
operaciones de mecanizado, evitar el a%rietamiento de enfriamiento, o
prevenir choques t1rmicos o de super)cie (caso de endurecimiento# $unque
la mayor parte de la ciclos de tratamiento t1rmico discutidos anteriormentese puede aplicar, pueden requerirse tratamientos muy especí)cos# !stos
tratamientos por lo %eneral se aplican para con)%uraciones complejas de
forja con las diferencias en el espesor de la sección adyacentes, o con los
aceros de muy alta templabilidad y aleaciones# Cuando la estabilidad de las
piezas acabadas dimensionados críticamente permite sólo la luz de
mecanizado de la forja despu1s de calor tratamiento a las propiedades
)nales, tratamientos especiales están disponibles, incluyendo marquenchin%
(martemple, aliviar el estr1s, y m7ltiple de templado#
8uchas aplicaciones, como los ci%Je2ales, árboles de levas, en%ranajes,cilindros forjados, anillos, al%unos cojinetes, y otras máquinas componentes,
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Fig. 11 5rocessing c'cles for conventional #uenched and tem&ered to&$ andmicroallo'ed steels #bottom$.
Source: Ref 2.
!fectos de elementos de microaleación (/ef .D Carbono# &a mayoría de los
aceros microaleados desarrollados para forjar tienen contenidos de carbono
que van B,:B4B,@B, lo cual es lo su)cientemente alta como para formar
una %ran cantidad de perlita# &a perlita es responsable de fortalecimiento
sustancial# !ste nivel de carbono tambi1n disminuye la solubilidad de los
componentes de microaleación en austenita#
=iobio, vanadio y titanio# Formación de precipitados de carbonitruro es elotro refuerzo importante mecanismo de aceros microaleados de forja#
Kanadio, en cantidades que varían de B,B@ a B,9, es la más com7n
$demás microaleación utilizado en la creación de aceros# !l niobio y titanio
mejoran la resistencia y tenacidad, proporcionando el control de tama2o de
%rano de austenita# $ menudo, el niobio se usa en combinación con vanadio
para obtener los bene)cios de tama2o de %rano de austenita de control (de
niobio y la precipitación de carbonitruro (de vanadio#
!l man%aneso se utiliza en cantidades relativamente %randes (.,; a .,@
en muchos aceros de forja microaleado# *e tiende a reducir la espesor de la
placa cementita mientras se mantiene el espaciado interlaminar de la
perlita desarrollado (/ef .L por lo tanto, de alto niveles de man%aneso
requieren los contenidos de carbono inferiores para retener las %randes
cantidades de perlita requeridas para alta dureza# !l man%aneso tambi1n
proporciona sustancial fortalecimiento de la solución sólida, mejora la
solubilidad de carbonitruros de vanadio, y disminuye la temperatura de
solvus para estas fases#
!l contenido de silicio de la mayoría de aceros microaleados comerciales de
forja es de apro'imadamente B,:B al%unos %rados contienen hasta un
B,EB (/ef 9B# Contenidos más altos de silicio están asociados consi%ni)cativamente mayor dureza, al parecer debido a un aumento de la
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cantidad de ferrita con respecto a la formada en los aceros de ferrita4perlita
con menor contenido de silicio#
$zufre# 8uchos microaleado de forja aceros, en particular los destinados a
su uso en piezas forjadas de automóviles en el que maquinabilidad es
crítica, tienen contenidos relativamente altos de azufre# &os contenidos deazufre superiores contribuyen a su maquinabilidad, que es comparable a la
de los aceros templados y revenidos (/ef 9., 99#
$luminio y nitró%eno# Como en aceros de %rano )no endurecibles, el
aluminio es importante para el control del tama2o de %rano de austenita en
aceros microaleados (/ef .L# !l mecanismo de control de tama2o de %rano
de aluminio es la formación de nitruro de aluminio partículas# *e ha
demostrado que el nitró%eno es el principal componente intersticial de
vanadio carbonitruro (/ef 9:# para esto razón, de moderado a alto
contenido de nitró%eno se requiere en aceros microaleados contienen
vanadio para promover la efectiva precipitar el fortalecimiento#
Forja controlada (/ef 9;
!l concepto de control de tama2o de %rano se ha utilizado durante muchos
a2os en la producción de productos laminados planos# particularmente en
placa de rodadura, la capacidad de aumentar la temperatura de
recristalización de la austenita mediante peque2as adiciones de niobio es
bien conocida el proceso utilizado para producir estos aceros se re)ere
%eneralmente como controlada rodando (ver el artículo "Flat, Mar, y Forma
/odando ", en este volumen#
&os bene)cios de la austenita control del tama2o de %rano no son, por
supuesto, limitada a los productos laminados planos# $unque el acabado
más alto temperaturas requeridas para la laminación de barras limitan la
utilidad de este enfoque para el control microestructural, terminando
temperaturas para aceros microaleados de barras, sin embar%o, deben ser
controlados# *e ha demostrado que, aunque la fuerza no es afectada
si%ni)cativamente por la temperatura de acabado, la dureza de los aceros
microaleados que contienen vanadio disminuye con aumento de la
temperatura de acabado (/ef 9@, 9A# !ste efecto se muestra en la Fi%# .9,
que compara el impacto Charpy K4notch fuerza para un acero microaleado.@;. terminó a tres temperaturas# !ste efecto perjudicial de un alto
acabado la temperatura en la resistencia al impacto tambi1n lleva a
operaciones de forja, es decir, menor es la temperatura de acabado en forja,
mayor será la dureza resultante, y viceversa# +espu1s de e'tensas pruebas,
los investi%adores en /ef 9A recomienda que la temperatura de acabado
para forjar ser reducido a cerca de .BBB G C (.DBB G F# -al tratamiento dio
lu%ar a propiedades de impacto i%uales o mejores que los de las barras
laminadas en caliente (/ef 9A# &os mismos investi%adores lle%aron a la
conclusión de que el rápido precalentamiento de inducción era bene)cioso
para los aceros microaleados de forja, y que los ahorros de costos de .B
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(para el estándar piezas forjadas microaleados a 9B (para los %rados
resulfurado eran posibles#
Fig. 12 /ffect of hot finishing tem&erature on im&act strength of microallo'ed 1,1steel #+ISI 1,1 &lus
0.10) 4$. Source: Ref 2.
&as temperaturas más bajas de acabado, sin embar%o, cobran su precio en
t1rminos de presiones de forja obli%atorio más alto (y por lo tanto mayor las
capacidades de la máquina es necesario y un mayor des%aste morir# &atenacidad mejorada resultante de temperaturas de acabado inferiores, así
como los ahorros de costos que pueden lo%rarse como resultado de la
eliminación de un tratamiento t1rmico, debe sopesarse contra los aumentos
de los costos causados por estos factores#
8icroaleados Fría la r7brica $ceros &os aceros utilizados en la producción de
elementos de )jación de alta resistencia por estampación en frío se
produjeron previamente de templado y aleaciones de acero templado# ara
obtener una resistencia su)ciente con ductilidad adecuada requerida seis
pasos de procesamiento# reciente desarrollos han conducido a la utilizaciónde aceros microaleados de niobio4boro que no requieren tratamiento
t1rmico (/ef 9E# estos aceros hacen uso de niobio y adiciones de boro para
desarrollar estructuras bainíticos con altas tasas de trabajo de
endurecimiento# en la mayoría casos que utilizan la deformación de
estampación en frío para lo%rar los niveles de fuerza necesarios sin
tratamiento t1rmico# &a -abla ; lista las composiciones y propiedades
seleccionadas de estos materiales#
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