Upload
jorge-varon-gomez
View
235
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
aleaciones de acero
Citation preview
1
SGS Tecnos S.A.
ALEACIONES METÁLICAS:
-FERREAS: Acero y Fundiciones
-NO FERREAS
2
SGS Tecnos S.A.
El acero
¿Qué es el acero? Los metales y aleaciones empleados en la industria se pueden dividir
en dos grandes grupos:– Materiales NO Férreos
» No contienen Hierro» Aluminio, zinc, cobre, níquel, plomo, titanio, etc.» Aleaciones de los mismos
– Materiales Férreos» Contienen el Hierro (Fe) como elemento principal» Hierro dulce» Ferro-aleaciones» Aceros
3
SGS Tecnos S.A.
El acero
¿Qué es el acero? (cont.) El acero es básicamente una aleación o combinación de Hierro (Fe) y
Carbono (C), con un contenido de Carbono comprendido entre 0,05% y 2% aproximadamente.
Esta combinación va acompañada de otros elementos de aleación, deseados o no
Obtención del acero El hierro no existe como elemento libre en la naturaleza. Se encuentra
combinado (óxidos, silicatos, etc.) Los elementos principales para la obtención del acero son:
– Mineral de Hierro (Fe2O3)– Coque– Piedra caliza– Aire
4
SGS Tecnos S.A.
El acero - Obtención
El alto horno Depósito troncocónico en el que se cargan desde arriba capas
alternadas de mineral de hierro y coque Al quemarse el coque, libera monóxido de Carbono (CO) El CO se combina con los óxidos de hierro, y los reduce a hierro
metálico. La reacción química fundamental del alto horno es:
– Fe2O3 + 3 CO 3 CO2 + 2 Fe La caliza actúa como fundente, se combina con la Sílice que hay en el
mineral y forma SiO3Ca de menor punto de fusión, formando una escoria que flota sobre el metal fundido
El arrabio resultante tiene– un 92% de Fe– entre un 3 y 4% de C– entre 0.5% y 3% de Si
5
SGS Tecnos S.A.
El acero - Refinado
Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consite en quemar el exceso de carbono y otras impurezas
Existen varios métodos de refinado: Proceso Bessemer.
– Convertidor en forma de pera, que se inclinaba laterlamente para la carga y descarga.
– Grandes cantidades de aire a través del metal fundido– El oxígeno se combina con las impurezas y las elimina.– El proceso más antiguo. En desuso
6
SGS Tecnos S.A.
El acero - Desgasificación
A continuación del refinado, hay que eliminar el exceso de gases absorbidos o producidos durante el proceso
Si no se eliminan estos gases se puede producir sopladuras, inclusiones, microfisuras, etc..
La desgasificación del acero fundido se lleva a cabo por medio del vacío sobre la superficie de la masa líquida.
El gradiente de presiones entre el interior y la superficie, hace que los gases fluyan al exterior.
7
SGS Tecnos S.A.
El Hierro – Formas Alotrópicas
Formas alotrópicas Son las diversas formas en que un metal alotrópico puede presentarse,
según su estructura cristalográfica
Metal alotrópico Metal monocomponente o monofásico que, sin haber variado su
composición química, sufre un cambio reversible de su estructura cristalina
El Hierro es un metal alotrópico que pasa de.. Hierro Alfa (b.c.c.), desde Tª amb. Hasta 910ºC Hierro Gamma (f.c.c.) desde 912ºC hasta 1.500ºC Hierro Delta (b.c.c.) desde 1.500ºC hasta 1.540ºC
8
SGS Tecnos S.A.
El Hierro – Formas Alotrópicas
Hierro Alfa (b.c.c.) Cristaliza en b.c.c., o cúbica de cuerpo centrado Los parámetros de red son iguales, la estructura es un
cubo perfecto Un átomo completo se coloca en el centro del cubo y 8
átomos en las esquinas Por cada “cubo” o celda unitaria hay, pues
– 1 + 8 x 1/8 de átomos = 2 átomos
Hierro Delta (b.c.c.) Similar a la fase Alfa, sólo que está presente a Tº
superior 1.400ºC
Las fases Alfa y Delta son Magnéticas
9
SGS Tecnos S.A.
El Hierro – Formas Alotrópicas
Hierro Gamma (f.c.c.) Fase que cristaliza en f.c.c. (cúbica de cara
centrada), en la que 6 átomos se ubican en las caras de la celda o “cubo” y 8 átomos en las esquinas
La celda unitaria tiene, pues, 8 átomos x 1/8 + 6 átomos centrados en las caras x ½ = 4 átomos
Es más densa que la b.c.c. ( factor de llenado 0,74 contra 0,68)
En los “huecos” se alojarán los átomos de carbono
No magnético
10
SGS Tecnos S.A.
Acero – Otras estructuras
Austenita: Solución sólida de C en Hierro Gamma La máxima solubilidad es del 2% de C a 1.130ºC Carga de rotura, 150 Ksi, dureza Rockwell C 40, elongación 10%
en 2” Tenacidad alta Generalmente no es estable a Tª ambiente, aunque hay
circunstancias en que sí (Aceros inoxidables austeníticos)
Cementita: Carburo de Hierro Fe3C con un 6.67% de C Compuesto intersticial muy duro y frágil Es el más duro del diagrama Su estructura es ortorrómbica
11
SGS Tecnos S.A.
Acero – Otras estructuras
Ferrita: Solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de C disuelto en
hierro Máxima solubilidad, 0,025% de C a 723ºC Disuelve sólo 0,008% de C a Tª ambiente Es la estructura más suave del diagrama Carga de rotura, 40 Ksi, dureza menor que Rockwell C 0, elongación
40% en 2”
Perlita: Mezcla eutectoide que contiene 0,8% C y se forma a 723ºC, a un
enfriamiento muy lento Formada por finas capas alternadas de Cementita y Ferrita Resistencia a la tracción. 120 Ksi, Dureza Rockwell C 20
, elongación 20% en 2”
FERRITAFERRITA AUSTENITAAUSTENITA
PERLITAPERLITA
13
SGS Tecnos S.A.
Acero – Otras estructuras
Martensita: Solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro
Alfa, lo que produce una estructura b.c.t (Tetragonal de cuerpo centrado)
Es una estructura distorsionada, razón de su dureza (Rockwell C 64)
Muy frágil Formada por un enfriamiento muy rápido del acero que no deja
que el C se difunda fuera de la estructura de austenita, quedando el C atrapado en la solución
14
SGS Tecnos S.A.
Aceros - Diagrama Fe-C
15
SGS Tecnos S.A.
El acero - Clasificación
Atendiendo al contenido de Carbono
Aceros Hipoeutectoides
– Contenido en Carbono inferior a 0,8%
Aceros Eutectoides
– Contenido en Carbono igual a 0,8%
Aceros Hipereutectoides
– Contenido en Carbono comprendido entre 0,8% y 2%
Los aceros de construcción, soldables son todos del tipo Hipoeutectoide
16
SGS Tecnos S.A.
El acero - Clasificación
Atendiendo a los elementos constituyentes
Aceros al Carbono
– Contienen, además de Fe y Carbono;
» Manganeso (Mn) =< 1,65%
» Silicio (Si) =<0,6%
» Cobre (Cu) =<0,6%
» Azufre (S) =<0,05%
» Fósforo (P) =<0,05%
Aceros Aleados
17
SGS Tecnos S.A.
El acero - Clasificación
Atendiendo a los elementos constituyentes(cont) Aceros Aleados
– Microaleados; contienen pequeñas cantidades de elementos capaces de formar Carburos, Nitruros, etc
» Niobio (Nb), Ti tanio (Ti), Vanadio (V)
– Aceros Aleados; contienen cantidades más significativas de elementos aleantes, para aplicaciones específicas
» Cromo (Cr), Molibdeno (Mo), Niquel (Ni), Vanadio (V), y mayor cantidad de Manganeso (Mn) y Silicio (Si)
– Aceros Inoxidables
» Son aceros aleados en los que el elemento principal de aleación, que los previene de la corrosión es el Cromo (Cr),con un valor superior al 12%
18
SGS Tecnos S.A.
El acero - Clasificación
Aceros Inoxidables (cont)Hay tres tipos principales
Aceros ferríticos: estructura ferrítica a cualquier temperatura
– 15-18% de Cr
– C =<0,12%
– Más resistentes a la corrosión que los martensíticos
– Difíceles de soldar. Son magnético
Aceros martensíticos: estructura martensítica, de gran dureza
– Diferentes grados de composición, pero con alto contendo en C (hasta 1,2%)
– No soldables
– Resistente a corrosión y desgaste. Cuchillería
19
SGS Tecnos S.A.
El acero - Clasificación
Aceros Inoxidables (cont)Aceros Austeníticos
– Presentan una estructura austenítica a cualquier temperatura, por su alto contenido en Niquel (Ni)
– Baja conductividad calorífica (La mitad que la de los aceros al C). Se deforman mucho
– Muy dúctil y resistente a la corrosión atmosférica, agua de mar, productos alimenticios, etc
– Soldables, con cierto cuidado en las temperaturas entre pasadas
» 304 : Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%
» 316: Cr entre 18 y 20%, Ni entre 8 y 10%, Mo entre 2 y 3%
20
SGS Tecnos S.A.
El acero - Características básicas
Las características mas importantes en un acero de construcción son Elasticidad
– Es la propiedad de un material en virtud de la cual las deformaciones causadas por la aplicación de una fuerza desaparecen cuando cesa la acción de la fuerza.
Carga de rotura– Máxima carga soportada de manera continua, hasta la rotura
Dureza– Resistencia a ser “rayado” por otro cuerpo
Ductilidad– La habilidad del metal para fluir plásticamente antes de fractura.
Tenacidad– Capacidad de absorber energía en un impacto
21
SGS Tecnos S.A.
El acero - Características básicas
¿Cómo se miden estas características básica?
Mediante ensayos mecánicos y análisis químicos
Elasticidad (límite elástico), carga de rotura, ductilidad, por medio del ensayo de Tracción
Dureza, por medio de los diferentes ensayos de dureza (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore)
Tenacidad, por medio del ensayo de Resiliencia o impacto (Péndulo Charpy, Péndulo Izod)
La composición química del material nos va a revelar el contenido de cada elemento, lo que va a incidir directamente en los parámetros anteriores
Análisis micro y macrográfico, para observar la estructura del material.
22
SGS Tecnos S.A.
Incidencia de los elementos de aleación en la soldabilidad de los aceros
Soldabilidad: Aptitud de los metales a ser unidos por soldadura
Tipos: Soldabilidad Operativa
– Condiciones en las que deben realizarse las uniones para que no aparezcan defectos.
Soldabilidad Metalúrgica– Ligada a las transformaciones físico-químicas que sufre el metal base
durante el ciclo térmico de la soldadura
Soldabilidad Constructiva– Debida a las propiedades de conjunto de las construcciones soldadas
23
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
CARBONO– Elemento de mayor influencia en la soldabilidad de los aceros
Cuando %C aumenta
Aumenta Disminuye
El límite elástico
La carga de rotura
La dureza
Ductilidad
Tenacidad
Soldabilidad
Facilidad de mecanizadoCuando el enfriamiento es muy rápido, da lugar a zonas templadas, duras y frágiles, en ZAT, que pueden agrietarse en el enfriamiento
Aceros con un contenido en C superior a 0,3% son dificilmente soldables
24
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
AZUFRE– En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo del
0,05%
Cuando %S aumenta
Aumenta Disminuye
Facilidad para la mecanizaciónDuctilidad
Soldabilidad
El azufre reacciona con el hierro, dando Sulfuro de Hierro, que es soluble en el acero fundido, formando un eutéctico Fe-Sfe a unos 980ºC, que se deposita en los bordes de los granos de austenita, facilitando el “agrietamiento en caliente”
25
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
FOSFORO– En general, elemento perjudicial. Conviene mantenerlo por debajo de
0,05%. Valores superiores producen “Fragilización en Frío”
Cuando %P aumenta
Aumenta Disminuye
Facilidad de mecanizado
Resistencia a la tracción
Ductilidad
Soldabilidad
Durante la solidificación, el Fósforo reacciona con el Hierro formado Fosfuro de Hierro Fe3P, que aumenta el tamaño del grano, y en consecuencia, la fragilidad en fío
Para no afectar a la soldabilidad de los aceros al Carbono, se debe mantener S+P =<0,08%
26
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
MANGANESO (Mn)– Tiene mayor afinidad que el Fe para combinarse con el O2
,S y C. Se emplea como desoxidante y desulfurante
Cuando %Mn aumenta
Aumenta DisminuyeResistencia a la tracción
Dureza
Ductilidad (Mn<1,5%)
Resiliencia
Soldabilidad (Mn<1,5%)
Ductilidad (Mn>2%)
Soldabilidad (Mn>2%)
Al aumentar C, debe aumentar la relación Mn/C para evitar fisuración en caliente.
Elemento Gammageno. Retiene la Austenita
27
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
SILICIO (Si)– Su mayor importancia, es ser un gran agente desoxidante, para
controlar el contenido de Oxígeno en el acero
Cuando % Si aumenta
Aumenta DisminuyeResistencia a la tracción
Dureza
Elasticidad
Facilidad de mecanizado
Soldabilidad (Si>0,65%)
Es un elemento alfágeno, formador de ferrita
Su contenido en los aceros al C puede llegar hasta el 0.35%, y en los aceros aleados hasta el 0,65%
28
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
CROMO (Cr)
– Importantísimo en los aceros aleados
– Aumenta la templabilidad del acero
– Aumenta la resistencia a la oxidación y corrosión
– Características del Cr
» Gran afinidad por el C, àra formar Carburos de Cromo
» A altas temperaturas se combina con O2 para formar óxidos de Cr, no metálico y refractario
» Es un gran formador de ferrita
– En aceros aleados con Cr>3%, gran resistencia a elevadas temperaturas, hay que emplear técnicas de soldeo especiales
– Los aceros Inoxidables contienen un mínimo de 12% de Cr para aumentar su resistencia a la corrosión.
29
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
NIQUEL (Ni)– Elemento gammágeno por excelencia. Favorece la formación y
persistencia de estructuras austeníticas
– Mejora las propiedades mecánicas del acero de manera importante, en especial
» La ductilidad
» Resiliencia. (Tenacidad a bajas temperaturas)
– No forma óxidos ni carburos ya que su afinidad por el Oxígeno y el Carbono es menor que la del Hierro.
– Imprescindible e aceros inoxidables austeníticos (>8%) y en aceros aleados para usos criogénicos.
30
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
COBRE (Cu)– Elemento que no tiene gran reputación entre los elementos aleantes
del acero
– Actualmente se utiliza como un elemento que favorece el endurecimiento por precipitación
– Se utiliza en el rango de 0,2 – 0,3% como aleante de los aceros al C, para formar una película superficial de Oxido de Cobre que retarda y , a veces, evita la corrosión atmosférica, dando a la estructura una pátina rojiza que se acrecienta con el tiempo
31
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
NITROGENO (N)– Se pretende evitar el contacto del N del aire con el baño de fusión.
(Gases atrapados que pueden producir porosidad)
– En algunos aceros aleados se emplea para mejorar sus características mecánicas
– Su uso correcto depende de la presencia de otros elementos (Al, Cr, Ti) con los que combinarse para dar Nitruros, en vez de que lo haga con el Fe para dar N3Fe que fragilizaría la soldadura. Aceros “Nitrurados”, con extremada dureza en una capa superficial
– Es un poderoso elemento austenizante. (Gammágeno)
32
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
ALUMINIO (Al)– Utilizado en pequeñas cantidades como
» desoxidante y
» afinador del grano
– ES un elemento alfágeno, formador de ferrita
– Presenta gran afinidad por el Oxígeno con el que reacciona para formar AL2O3, sólido blanquecino de elevado punto de fusión.
33
SGS Tecnos S.A.
El acero - Incidencia de los elementos de aleación
NIOBIO (Nb/Cb) TITANIO (Ti)– Presentan gran afinidad por el Carbono para formar Carburos, por el
Oxígeno y por el Nitrógeno (Sobretodo el Titanio)
– Ambos actúan como formadores o estabilizadores de ferrita
– Disueltos en hacer, aumenta su templabilidad, sin embargo, su tendencia a formar Carburos es tan grande, que en forma de Carburos insolubles, disminuye la templabilidad de los aceros.
– Su mayor propiedad es la de ser Estabilizadores de Carburos en soldaduras de aceros inoxidables Austeníticos, para evitar la migración de los posible Carburos de Cromo, al borde de los granos
34
SGS Tecnos S.A.
Propiedades físicas de acero
Dependen de la composición y de los tratamientos térmicos
Para un acero al Carbono típico, las propiedades son: Peso específico: 7,8 kg/dm3
Punto de Fusión (a 1 Ata): 1.450 – 1.530 ºC Módulo de Elasticidad: 2,1x103 kp/mm2
Coef. Dilatación térmica: 12,5 x 10-6 ºC-1
Coef. Conductividad térmica 1,1x10-1 cal/s/cm/ºC Resistividad eléctrica: 11,78 .cm/cm2 a 20ºC
35
SGS Tecnos S.A.
1 – CARBONO2 - NIQUEL3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el cromo4 - MOLIBDENO5 - CROMO6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno9 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el níquel.
..
37
SGS Tecnos S.A.
Propiedades físicas de acero
CATÁLOGO ACEROS
Acero 1008 Acero 1020 Laminado Acero 1030
Acero 1045 Acero 1045 Acero 1045 templado
Acero 1008 Acero 1020 Laminado Acero 1030
Acero 1045 Acero 1045 Acero 1045 templado
Acero 4140 normalizado