Acero
Es una solución sólida de hierro y carbono. El acero conserva las
características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición
de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no
metálicos mejora sus propiedades físicas y mecánicas. Es en la
actualidad uno de los materiales mas usados en la construcción.
Características del Acero
El acero tiene características que la diferencian de otros materiales de uso
estructural:
o Origen Artificial
o Isótropo(el proceso de fabricación puede inducir anisotropía)
oHomogéneo (baja dispersión de sus propiedades)
oAlto peso específico (constituye un problema para algunas aplicaciones)
oForjable (apto para conformar piezas de diferentes formas)
o Corroíble
Características del Acero
o Soldable
o Transmite el calor y la electricidad
oAlto límite elástico
Usos y Aplicaciones del Acero
El acero es uno de los material mas versátiles que ha utilizado el
hombre. Su utilización cubre distintos campos :
o Estructuras
o Máquinas y Herramientas
o Accesorios
Usos Estructural del Acero
puente en Brisbane
Queensland, Australia Puente de Lisboa
Puente Forth en Queensferry, Escocia
Usos Estructural del Acero
Golden Gate Puente don Luis. Porto
Puente Harbour Sidney
Usos Estructural del Acero
Shun Hing Square
Usos No estructural del Acero
Usos No estructural del Acero
Clasificación del Acero
Elementos de aleación
Carbono: Es el elemento que tiene más influencia en el comportamiento del acero; al
aumentar el porcentaje de carbono, mejora la resistencia mecánica, la templabilidad y disminuye la ductilidad.
Tungsteno: se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura. Forma carburos,
que son excepcionalmente duros, dando al acero una gran resistencia al desgaste, para aplicaciones de revestimiento duro o en acero para la fabricación de herramientas
Boro: El Boro que se encuentra en el acero proviene exclusivamente de las adiciones
voluntarias de este elemento en el curso de su fabricación. Ejerce una gran influencia sobre la templabilidad del acero, bastando porcentajes muy pequeños, a partir de 0.0004%, para aumentarla notablemente.
Azufre: Aumenta la maquinabilidad, ya que forma inclusiones no metálicas llamadas
sulfuros de magnesio, discontinuidades en la matriz metálica que favorecen la formación de viruta corta.
Cromo: Es un gran formador de carburos, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste,
Fósforo: Incrementa la resistencia y reduce la ductilidad. Aumenta la brillantez. Este
elemento, en cantidades superiores al 0.004%, disminuye todas las propiedades mecánicas del acero.
Molibdeno: Formador de carburos, reduce el crecimiento del grano, mejora la
resistencia al desgaste y la capacidad de conservar la dureza a temperaturas altas.
Cobalto: Disminuye la templabilidad. Aumenta la dureza, y asociado al níquel o al cromo,
forman aceros de bajo coeficiente de dilatación, cercano al vidrio. Aumenta la velocidad crítica de enfriamiento y en los aceros para trabajo en caliente y rápidos incrementa la disipación de temperatura.
Manganeso: Mejora la resistencia a la tracción y al desgaste, tiene buena influencia en la
forja, la soldadura y la profundidad de temple. Facilita el mecanizado.
Vanadio: facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia
durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento. Es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros para herramientas, herramientas de corte, etc.
Clasificación del Acero
Tipos de Aceros
de Baja Aleación
1. Acero de bajo carbono ( C < 0.30%)
Relativamente blandos y poco resistentes.
2. Acero de medio carbono ( 0.30 < C < 0.55%)
Menos dúctiles y tenaces que los de bajo carbono.
3. Acero de alto carbono ( 0.55 < C < 1.40%)
Tipos de Aceros
según su contenido de Carbono
Porcentaje de Carbono
Denominación
Resistencia a la
tracción
0.1 a 0.2
Aceros extrasuaves
380 – 480 MPa
0.2 a 0.3
Aceros suaves
480 – 550 MPa
0.3 a 0.4
Aceros semisuaves
550 – 620 MPa
0.4 a 0.5
Aceros semiduros
620 – 700 MPa
0.5 a 0.6
Aceros duros
700 – 750 MPa
Tipos de Aceros
Inoxidables
1.
Austeníticos
Los más empleados:16-26% de Cr y un mínimo de 7% de Ni. No
magnéticos, elevada ductilidad y soldabilidad. Añadiendo Mo se
aumenta la resistencia química.
2.
Ferríticos
12-17% de Cr. Resistencia a la corrosión aceptable, magnéticos.
3.
Martensíticos
Con un 11-13% de Cr. Presentan alta dureza y tenacidad.
4.
Duplex
Tipos de
Aceros
para Herramientas
1. Aceros no aleados
Son aceros de herramientas con contenidos de carbono entre 0,60 y 1,50 por ciento, algunas veces pueden llevar algo de Cr o V para mejorar la templabilidad y la resistencia al desgaste.
2. Aceros aleados para trabajo en frío (<200 ºC)
Este es el grupo más importante de los aceros de herramientas, ya que para la mayoría de las aplicaciones para herramientas pueden efectuarlas algunos de los aceros de este grupo.
3. Aceros aleados para trabajos en caliente (> 200 ºC)
Se utilizan elementos de aleación como el Cr, Mo y W para dar dureza en caliente y presentan bajo contenido en carbono para proporcionar una buena tenacidad, aunque su resistencia al desgaste no es demasiado buena
4. Aceros rápidos ( < 600 ºC)
Ejemplo:
Aceros
para Herramientas para
Fabricación del Aceros
Fabricación del Aceros
La fabricación del acero involucra las siguientes etapas o procesos:
o Acondicionamiento de la materia prima
o Obtención del arrabio en altos hornos
o Obtención del acero en hornos especiales
o Laminación en caliente
Fabricación del Aceros
Obtención del Arrabio
Fabricación del Aceros
Obtención del Arrabio
Alto Horno
En el Alto Horno se producen 2 reacciones principales:
a)La producción del agente reductor (monóxido de carbono)
C + O
2---> CO
2C + CO
2---> 2CO
b) La reducción de los óxidos de hierro para formar hierro líquido en
estado puro
3Fe
2O
3+ CO ---> 2Fe
3O
4+ CO
2Fe
3O
4+ CO ---> 3FeO
+ CO
2Fabricación del Aceros
Fabricación del Aceros
Obtención del Acero
El acero se obtiene mediante el refinado del arrabio y la incorporación de elementos de aleación que le confieren propiedades especiales.
El refinado se lleva a cabo en dos etapas. La primera en un horno especial y la segunda en un horno cuchara.
En el primer refinado se procede a la eliminación de carbono, impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio o titanio).
Fabricación del Aceros
Fabricación del Aceros
Hornos de Refinado
Horno Bessemer consiste en descarburar el arrabio en un gran recipiente, en forma de pera,
revestido con material refractario. El arrabio líquido es sometido al pasaje de aire comprimido que se insufla desde orificios ubicados en la parte inferior del horno y eliminan el carbono:
Fe + C + O2 ---> Fe + CO2
El proceso de descarburado se controla mediante análisis espectroscópico de la llama que sale del horno.
Fabricación del Aceros
Hornos de Refinado
Horno Siemens-Martin es un horno de fusión de crisol, abierto, sometido al efecto de una
llama producida fuera del horno, con recuperación del calor de los humos mediante recuperadores, con el que se consigue obtener temperaturas más elevadas. La incorporación de chatarra aporta oxígeno al proceso. Dependiendo del tipo de revestimiento el proceso puede ser básico o ácido
Fabricación del Aceros
Hornos de Refinado
Horno Eléctrico La carga del horno eléctrico está constituida de chatarra principalmente. En el
baño se lleva a cabo una reacción de oxidación – reducción. Permiten obtener aceros muy puros y uniformes. La fuente de calor es el arco eléctrico.
Fabricación del Aceros
Laminado
El proceso de laminado consiste en calentar los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación para conformar la geometría del producto deseado. El laminado en frío no requiere precalentamiento
Fabricación del Aceros
Extrusión
Ésta es otra forma de obtener perfiles. Para ello se hace pasar el material casi fundido a través de un dado o matriz, que es una placa con orificios, y las barras obtenidas tendrán el perfil de ese orificio
Fabricación del Aceros
Trefilado
El proceso de trefilado consiste en reducir la sección transversal del elemento forzando su pasaje a través de l orificio de una matriz mediante la aplicación de un esfuerzo mecánico. Se aplica a fabricación de alambres y tubos
Fabricación del Aceros
Estampado
El estampado se realiza por presión, donde la chapa se adapta a la forma del molde. La estampación es una de las tareas de mecanizado más fáciles que existen, y permite un gran nivel de automatismo del proceso. Se puede realizar en frío o en caliente, el estampado de piezas en caliente se llama forja.
Micro-constituyentes del Acero
Conceptos de fase y solubilidad
a) Las tres formas del agua
b) Agua y alcohol: solubilidad ilimitada c) Agua y sal: solubilidad limitada
Micro-constituyentes del Acero
conceptos de soluciones sólidas
a) El Cu y Ni líquidos son totalmente solubles entre sí.
b) Las aleaciones sólidas Cu- Ni tienen solubilidad total y los átomos ocupan sitios aleatorios
c) En las aleaciones. Cu-Zn con mas de 30% de Zn aparece una segunda fase debido a la solubilidad limitada del Zn en el Cu
Micro-estructura del Acero
solución solida hierro - carbono
átomo intersticial de carbono
en una red cúbica de cuerpo centrado de hierro
Fe
C
Fe
C
átomo intersticial de carbonoMicro-estructura del Acero
variedades alotrópicas del Hierro
hierro α es una variedad estable por debajo
de los 768 ºC. Es muy magnética y no disuelve el carbono o lo hace en proporciones muy pequeñas. Cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado.
hierro β es estable entre los 768 ºC y los 910
ºC y cristaliza en el sistema cúbico de cuerpo centrado. No es magnético y tiene la propiedad de disolver el carbono en proporciones limitadas.
hierro γ es una variedad no magnética que
cristaliza en el sistema cúbico de cara centrada y es estable a temperaturas superiores a 910 ºC. Puede disolver carbono en proporciones de hasta el 2 %.
hierro δ es estable por encima de los 1400
Micro-estructura del Acero
Acero Eutectoide (0,8% de carbono)
Perlita: microestructura formada por
capas o láminas alternas de hierro a y cementita o Fe3C
Austenita: microestructura formada
Micro-estructura del Acero
Acero hipoeutectoide (< 0,8% de carbono)
Ferrita (hierro a): microestructura
Micro-estructura del Acero
Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono)
Cementita: compuesto intermetálico
Características de los micro constituyentes
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.
PERLITA
Características de los micro constituyentes
AUSTENITA
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%
FERRITA
Propiedades mecánicas del Acero
Uso Estructural
o Dureza
oResistencia a la tracción
o Resistencia al Impacto
o Resistencia a la fatiga
Propiedades mecánicas del Acero
Uso Estructural -
Dureza
La dureza es la resistencia del acero a ser rayado, penetrado o pulido. La dureza suministra de una manera relativamente rápida información muy valiosa de las propiedades mecánicas del material. El valor de dureza puede ser correlacionado con propiedades del material como resistencia, ductilidad, u otras características físicas.
