Aleaciones ferrosas

Aleaciones Ferrosas
Marco de los Santos
Cesar Alejandro Olivares
Felipe Neri Chaírez
Norman Alexis Cantú
Jesús Daniel Cavazos

Diagramas de fase
Definición de Fase:
Porción de materia estructuralmente homogenea
dentro de sí misma y limitada por una superficie, de
tal modo que sea mecánicamente separable de
cualquier otra porción.
Sólo puede haber una fase líquida y gaseosa,
pero se encuentran varías fases sólidas,(i.e.
alótropos o polimorfismos) debido a las
diferencias en la estructura cristalina.

Fase
Características de una Fase:
Tiene la misma estructura o arreglo atómico en el
interior.
Tiene, aprox., la misma composición y propiedades
en su interior.
Tiene una interfaz definida entre ésta y las fases que
la rodean o están juntas

Fases y Componentes
Componente:
Compuestos por los cuales una aleación está hecha.
Sistema:
1)Cuerpo de materia en específico
2)Serie de posibles aleaciones compuestas por los
mismos componentes

Soluciones Sólidas
Solución Sólida:
Consiste en, al menos, dos tipos diferentes de
átomos. Los átomos del soluto ocupan las posiciones
intersticiales o substitucionales en el arreglo del
solvente. La estructura cristalina del solvente se
mantiene.

Soluciones Sólidas
Límite de Solubilidad:
La concentración máxima de átomos de soluto que
se pueden disolver en el
solvente para formar
una solución.
(A una temperatura
determinada)

Soluciones Sólidas
Reglas de Hume-Rothery (factores que afectan
la solubilidad de un elemento en otro)
Tamaños Relativos:
Igualdad en estructura cristalina
Electronegatividad
Similitud de las valencias

Reglas de Hume-Rothery
Tamaños relativos:
Diferencia entre los radios atómicos de soluto y
solvente no sean mayor a un 15% (Tamaño del
solvente). Los átomos del soluto podrían crear
grandes dimensiones de la red y aparecería una
nueva fase.
Igualdad en la Estructura Cristalina
Los componentes que formen la solución deben de
tener la misma estructura cristalina.

Reglas de Hume-Rothery
Electronegatividad:
Las electronegatividades de los componentes tienen
que ser lo más parecidas posibles, mientras másr
parecido tengan mayor es la probabilidad de formar la
disolución total.
Si la diferencia de electronegatividad es grande, hay
probabilidad de que los componentes formen un
compuesto y no una solución.
Similitud de Valencias:
Ambas valencias de los átomos deben de ser
similares

Microestructura
En las aleaciones metálicas la microestructura
está caracterizada por el número de fases
presente, sus componentes, sus proporciones y la
manera en que están distribuidas.
También dependen de los tratamientos de
aleación, como el tratamiento térmico.

Equilibrio de Fase
Un sistema está en equilibro de fase si su
energía libre (una función de la energía interna
del sistema y su entropia) está en un mínimo
debajo cierta combinación de temperatura,
composición y presión. Esto es, el sistema es
estable (las características no cambian con el
tiempo).
Un estado metaestable necesita de mucho
tiempo para llegar al mínimo de energía libre,la
cinética de sus componentes es muy lenta, puede
tener una vida larga y parecer estable.

Diagramas de Fase
Muestra el control de microestructura o fase de
una aleación en particular en función de
parámetros. (Normalmente temperatura y
concentración, aunque también la estructura
depende de la presión, pero para propositos
industriales los cambios son despreciables y las
presiones que se manejan son alrededor de
1atm)

Diagramas de Fase
Regla de Fases de Gibs
Describe la relación entre la cantidad de
componentes y la cantidad de fases para
determinado sistema y las condiciones que
pueden cambiarse.
2 + C = F + P
C → cantidad de componentes químicamente
independientes.
F → cantidad de grados de libertad o parametros
variables (temperatura, composición, presión).
P → cantidad presente de fases.

Diagramas de Fase
Muestra las transiciones entre las fases, la
aparición o desaparición de cierta fase, etc.
Aleaciones Binarias (Sistemas Binarios)
Los componentes son dos
los parámetros variables son la temperatura y la
concentración.

Sistemas Binarios Isomorfos
Solubilidad sólida y líquida completa.
Ejemplo: Cu-Ni
Las fases sólidas suelen
representarse con
letras griegas
Linea Líquidus
Linea Sólidus

Determinación de concentración de fases
Lever rule (Regla de la palanca) Fracción de
fases

Sistemas Binarios Eutécticos
3 Regiones monofásicas.
La solubilidad en cada fase sólida es LIMITADA.
Linea Solvus : Límite de solubilidad del sólido
Punto Eutéctico:
Fases Líquida y dos fases Sólidas coexisten en
equilibrio.
Las regiones monofásicas están separadas por
regiones bifásicas.

Sistemas Binarios con Soluciones
Sólidas Intermedias

Sistemas Binarios con compuestos
intermetálicos

Reacciones Eutectoides y
Peritécticas

Definición de aleación:
Mezcla homogénea de dos o más elementos
químicos. La aleación posee carácter metálico y al
menos uno de sus componentes debe ser un
metal.
El metal presente en mayor proporción se le llama
metal base o disolvente y los restantes
elementos aleantes o solutos.

CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES
FERROSAS
Aleaciones Metálicas
No
ferrosas
Ferrosas
Fundiciones
Aceros
Maleable Nodular Blanca GrisAlta aleaciónBaja aleación
Bajo C Medio C Alto C herramienta
s
Inoxidable

Ventajas e inconvenientes de las
aleaciones:
 Ventajas:
 Más facilidad para colarse en moldes.
 Mayor dureza y resistencia a la tracción.
 Mayor resistencia al roce y la corrosión.
 Menor temperatura de fusión que uno de sus
componentes.
 Mejor aspecto exterior.
 Más económicas que, al menos, uno de los
componentes.
 Inconvenientes:
 Su conductividad térmica y eléctrica es menor.
 Son menos maleables y dúctiles.

EL SISTEMA HIERRO CARBONO
De todos los sistemas de aleación binarios, el más
considerado fue el hierro- carbono por ejemplo los aceros
son aleaciones hierro-carbono y constituyen la familia
industrialmente más importante de todas las aleaciones
metálicas.
La mayoría de las aleaciones de hierro derivan del diagrama
Fe-C que puede ser modificado por distintos elementos de
aleación. Para ello nos sirven para construir diferentes
tipos de herramientas.
Por ello es importante destacar el concepto del ACERO.

Arrabio
El hierro se extrae de los minerales de
hierro en el alto horno.
OBTENCIÓN DE HIERRO Y ACERO
Escoria
Botadero o Materia prima Cemento

El alto horno es un horno de cuba que trabaja en forma continua
Los altos hornos permiten elaborar más de 11.000 toneladas de arrabio por día.
Alto Horno

Aceros
 Es la aleación de hierro y carbono, en la que el carbono se
encuentra presente en un porcentaje mayor a 0.08% e inferior al
2% en peso, al cual se le adicionan variados elementos de
aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas
para sus diferentes usos en la industria.
 A medida que crece el contenido de carbono, aumenta la dureza y
la resistencia del acero, pero también aumenta su fragilidad y
disminuye la ductilidad
 A menor contenido de carbono, el acero presenta mejor
soldabilidad.
 El acero es un material dúctil, maleable, forjable y soldable.
 El acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado; lo
que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos
Los productos ferrosos con más de 2% de carbono se denominan
fundiciones de hierro.

Clasificación de los aceros de acuerdo a su porcentaje de
carbono:
 Aceros de bajo carbono. Su porcentaje de carbono es menor a
0.2%. Su microestructura está formada principalmente por ferrita.
Son metales muy suaves, dúctiles y de baja resistencia. Son
fáciles de deformar plásticamente.
 Aceros de medio carbono. Su porcentaje de carbono oscila
entre 0.2 y 0.5%. Su microestructura está formada por la mezcla
de ferrita y perlita. Constituyen la mayoría de aceros al carbono
disponibles comercialmente y sus propiedades mecánicas
dependen de la cantidad de ferrita y perlita que posean.
 Aceros de alto carbono. Su porcentaje de carbono es mayor al
05%. Tienen dureza y resistencia elevadas. Su ductilidad y
tenacidad son bajas.

Ferrita
Fase α, una solución solida intersticial de carbono en hierro
BCC. La máxima solubilidad solida de carbono en hierro BCC
es del 0,02%. Consiste en átomos de hierro con estructura
cristalina BCC y átomos de carbono en los sitios intersticiales.
La cantidad de átomos de carbono presentes en la ferrita es
pequeña. La ferrita es una fase muy suave, dúctil y magnética
Cementita
La cementita es un constituyente de los aceros, y otras
aleaciones férreas como las fundiciones blancas, que aparece
cuando se excede el limite de solubilidad del carbono en
ferrita por debajo de 727 C. La cementita tiene un 6,67% en
peso de carbono, y es un compuesto intermetálico de
inserción.

Perlita
Es una mezcla de fases ferrita y cementita, en láminas
paralelas, producida por la descomposición eutéctoide de la
austenita.
Es una microestructura que contiene 0.77% en peso de
carbono se le denomina perlita ya que tiene la apariencia
de una perla al observarse microscópicamente a pocos
aumentos.

DIAGRAMA DE HIERRO CARBONO
En el diagrama de equilibrio o de fases, Fe-C representa las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la
temperatura, admitiendo que el calentamiento o enfriamiento
de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los
procesos de difusión o la homogeneización tienen tiempo para
completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente
identificando los puntos críticos

DESIGNACIÓN DE ACEROS AL CARBONO
Designación AISI - SAE
Ejemplo:
Acero AISI-SAE 1045
El 10 corresponde a un acero al carbono. El 45 al contenido de carbono: 0,45%.
Según Norma DIN Ck 45

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

OBSERVACION:
Los materiales no ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el
aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos
metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una
combinación de algunos de estos metales no ferrosos y se les
denomina aleaciones no ferrosas.

FASES PRESENTES EN EL CARBONO
Austenita.- Fase γ, es una solución solida intersticial
de carbono en hierro FCC. La máxima solubilidad en
estado del carbono en la austenita es del 2%.
Presenta menor suavidad y ductilidad que la ferrita.
Es una fase no magnética.
Autenticación.- Calentamiento de un acero dentro de un
rango de temperatura de la austenita. La temperatura de la
autenticación varía dependiendo de la composición del
acero.

También la morfología de la cementita es muy variada
siendo destacables algunas estructuras típicas. Se
consideran las siguientes en los aceros:
· Cementita secundaria.
· Cementita eutectoide.
· Cementita terciaria.

Eutéctoide: Acero con un 0,8% C.

Hipoeutéctoide: Acero con menos de 0,8% C.
Hipereutctéoide: Acero con un 0,8% C a un 2% C.

Alotropía Del Hierro
Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma
cristalina, bajo diferentes condiciones de temperatura y
presión. Este fenómeno es determinado como polimorfismo o
alotropía
Acero.- Es toda aleación Fe-C entre 0,008% y 1,76% de
Carbono.
Hierro alfa (α).- Cristaliza a 768ºC. Su estructura cristalina
es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å.
Prácticamente no disuelve en carbono.
Hierro gamma (γ).- Se presenta de 910ºC a 1400ºC.
Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen
que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente
en carbono y es una variedad de Fe a magnético.
Hierro delta (δ).- Se inicia a los 1400ºC y presenta una
reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a
una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de
carbono es 0.007% a 1487ºC.. A partir de 1537ºC se inicia la
fusión del Fe puro.

Diagrama de esfuerzo
 El diseño de elementos estructurales implica
determinar la resistencia y rigidez del material
estructural. permiten determinar el esfuerzo y la
deformación que al graficar originan el denominado
diagrama de esfuerzo y deformación.

Ley de elasticidad de Hooke
 En física, la ley de elasticidad de Hooke o ley de Hooke,
establece que el alargamiento unitario que experimenta
un material elástico es directamente proporcional a la
fuerza aplicada.

ESFUERZO
 Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas
dentro del material por lo que se distribuyen en toda el
área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por
unidad de área, la cual se denota con la letra griega
sigma (σ) y es un parámetro que permite comparar la
resistencia de dos materiales.
 σ = P/A

DEFORMACIÓN
 Definimos deformación como cualquier cambio en la
posición o en las relaciones geométricas internas sufrido
por un cuerpo como consecuencia de la aplicación de un
campo de esfuerzos.
 controlar las deformaciones para que la estructura
cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la
misma o mayor importancia.

Diagrama esfuerzo-deformación

 a) Límite de proporcionalidad:
 Se observa que va desde el origen O hasta el punto llamado límite de
proporcionalidad, es un segmento de recta rectilíneo, de donde se
deduce la tan conocida relación de proporcionalidad entre la tensión y la
deformación enunciada en el año 1678 por Robert Hooke. Cabe resaltar
que, más allá la deformación deja de ser proporcional a la tensión.
 b) Limite de elasticidad o limite elástico:
 Es la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su
forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación
residual llamada deformación permanente.
 c) Punto de fluencia:
 Es aquel donde en el aparece un considerable alargamiento o fluencia del
material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede
disminuir mientras dura la fluencia. Sin embargo, el fenómeno de la
fluencia es característico del acero al carbono, mientras que hay otros
tipos de aceros, aleaciones y otros metales y materiales diversos, en los
que no manifiesta. E=σ/ε
 E es el módulo de elasticidad longitudinal.
σ es la presión ejercida sobre el área de sección transversal del objeto.
ε es la deformación unitaria en cualquier punto de la barra.

 d) Esfuerzo máximo:
 Es la máxima ordenada en la curva esfuerzo-
deformación.
 e) Esfuerzo de Rotura:
 Verdadero esfuerzo generado en un material durante la
rotura.

APLICACIONES
Acero AISI-SAE 1020
DIN Ck 20
W. Nr 1.0044
Acero AISI-SAE 1045
DIN Ck 45
W. Nr 1.1730

Tabla 9.1 Propiedades mecánicas y aplicaciones típicas
de los aceros al carbono simples
Aleación
número
AISI-SAE
Composición
química
(% en peso)
Estado
Resistencia a la tracción Límite elástico
Alarga
miento
(%)
Aplicaciones
TípicasKPSI MPa kPSI MPa
1010 0.10 C, 0.40 Mn Laminado en
caliente
Laminado en frío
40-60
42-58
276-414
290-400
26-45
23-38
179-310
159-262
28-47
30-45
Lámina y tira para trefilado; alambre,
varilla, clavos y tornillos; varilla de
refuerzo para concreto.
1020 0.20 C, 0.45 Mn Laminado tosco
Recocido
65
57
448
393
48
43
331
297
36
36
Planchas y secciones estructurales de
acero; ejes, engranajes.
1040 0,40 C, 0.45 Mn Laminado tosco
Recocido
Revenido
90
75
116
621
517
800
60
51
86
414
352
593
25
30
20
Ejes, pernos, tubos con alta
resistencia a la tensión, engranajes.
1060 0.60 C, 0.45 Mn Laminado
Recocido
Revenido
118
91
160
814
628
110
70
54
113
483
483
780
17
22
13
Alambre para resortes, troqueles de
forjar, ruedas de ferrocarril.
1080 0.80 C, 0.80 Mn Laminado
Tosco
Recocido
Revenido
140
89
189
967
614
1304
85
54
142
586
373
980
12
25
12
Cuerdas para instrumentos musicales,
resortes helicoidales, cinceles,
bloques de troqueles de forjar
1095 0.95 C, 0.40 Mn Laminado
Tosco
Recocido
Revenido
140
95
183
966
655
1263
83
55
118
573
379
814
9
13
10
Troqueles, sacabocados, tarrajas,
fresas,
hojas de tijeras, alambre de gran
resistencia a la tracción.
* Templado y revenido a 315°C (600°F)

Designación y clasificación
de aceros

Tratamiento térmico
 Es una combinación de operaciones de calentamiento y
enfriamiento, en tiempos determinados y aplicadas a un metal o
aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá
propiedades deseadas.
 Los tratamientos térmicos del acero se basan en la aplicación de
las transformaciones estructurales que experimenta el acero
(transformaciones alotrópicas) y de los procesos de
recristalización y de difusión. Todos los procesos básicos de
tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o
descomposición de la austenita (solución sólida intersticial de
carbono en hierro γ).

Los tratamientos térmicos en los aceros se clasifican en
cuatro grupos principales:
 Recocido
 Normalizado
 Revenido
 Templado

Recocido
 Es un tratamiento térmico cuya finalidad es el
ablandamiento, la recuperación de la estructura o la
eliminación de tensiones internas generalmente en
metales.
 El recocido consiste en calentar el metal hasta una
determinada temperatura para después dejar que se
enfríe lentamente, habitualmente apagando el horno y
dejando el metal en su interior para que la temperatura
disminuya de forma progresiva. El proceso finaliza
cuando el metal alcanza la temperatura ambiente

Normalizado
 Es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una
estructura y características tecnológicas que se consideran el
estado final del material que fue sometido a trabajos de forja. Se
hace como preparación de la pieza para el temple.
 El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50°C por
encima de la temperatura crítica superior, tanto para haceros
hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides y mantener
esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la
transformación completa de austenita. A continuación se deja
enfriar en aire tranquilo, obteniéndose una estructura uniforme. Así
se consigue una estructura perlitica con grano mas fino que la
estructra previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz.

Revenido
 Al igual que el normalizado, recocido y el temple, es un
tratamiento térmico a un material con el fin de variar su
dureza y cambiar su resistencia mecánica. El propósito
fundamental es disminuir la gran fragilidad que
tienen los aceros tras el tratamiento de temple. El
tratamiento de revenido consiste en calentar el acero,
después del normalizado o templado, a una temperatura
menos a la inferior crítica, seguido de un enfriamiento
controlado que puede ser rápido cuando se deseen
resultados elevados en tenacidad, o lento, para reducir
al máximo las tensiones térmicas que puedan causar
deformaciones.

Templado
 El templado es un tratamiento que se emplea para
incrementar la dureza de las aleaciones de hierro. Es
también una técnica para aumentar la dureza del vidrio.
 Para los metales, el temple se realiza generalmente
después de endurecer, para aumentar la dureza, y se
realiza calentando el metal a una temperatura mucho
más baja que la utilizada para el endurecimiento.
 Las herramientas muy duras, a menudo se templan a
bajas temperaturas, mientas que los resortes se templan
a temperaturas mucho más altas.

Tratamiento térmico simple
 Tres tratamientos térmicos simples, recocido intermedio, recocido
normalizado y esferoidización (recocido de ablandamiento), son
de uso común para los aceros.

Recocido intermedio
 El tratamiento térmico de recristalización, utilizado para eliminar
el efecto de deformado en frío en aceros con menos de 0.25% C
se conoce como recocido intermedio. Este se efectúa de 80°C a
170°C, por debajo de la temperatura A1.

Recocido normalizado
 Los aceros se pueden endurecer por dispersión,
controlando el tamaño de la perlita. El acero inicialmente
se calienta para producir austenita homogénea, paso
conocido como austenitización. El recocido, es decir un
recocido completo, permite que el acero se enfríe
lentamente en el horno, produciendo perlita gruesa. El
normalizado logra que el acero se enfríe mas
rápidamente, al aire, produciendo perlita fina.
 Para recocer se efectúa el austenitiizado de los aceros
hipoeutectoides a aproximadamente 30°C por encima de
A3 , produciendo 100% γ.

 Sin embargo, la austenitización de un acero
hipereutectoide se efectúa a a proximadamente 30°C
por encima de A1, produciendo austenita y Fe3C; este
proceso impide la formación de una película frágil y
continua de Fe3C en los límites de grano, que se
formaría por un enfriamiento lento a partir de la región
100% γ. En ambos casos el enfriamiento lento en horno
y una perlita gruesa proporcionan una resistencia
mecánica relativamente baja y buena ductilidad.

 El enfriamiento lento en horno y una perlita gruesa
proporcionan una resistencia mecánoca relativamente
baja y buena ductilidad.
 Para el normalizado se efectúa el austenitizado a
aproximadamente 55°C por encima de A3 o de Acm;
después, el acero es sacado del horno y enfriado al aire.
Este enfriamiento más rápido produce perlita fina.
Proporcionando una mayor resistencia mecánica.

Esferoidización
 Los aceros de alto carbono, que contienen gran cantidad
de Fe3C tienen características de maquinabilidad
feficientes. Durante el tratamiento de esferoidización,
que requiere varias horas a aproximadamente 30°C por
debajo de A1, el Fe3C cambia a partículas esféricas
grandes a fin de reducir la superficie de bordes. La
microestructura, que se conoce como esferoidita, tiene
una matriz continua de ferrita blanda y maquinable.
Despues del maquinado, de le da al acero un
tratamiento térmico más complejo, para producir las
propiedades requeridas

Tratamiento térmico isotérmico

Diagrama TTT
 Un diagrama TTT (temperatura, tiempo, transformación)
o curva S resume las posibles transformaciones de
la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para
el diseño de tratamientos térmicos como para la
interpretación de las microestructuras resultantes
después de los mismos. Su construcción experimental se
realiza mediante un determinado número de muestras
de acero que, previamente austenizadas, se enfrían en
baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos
determinados. La microestructura obtenida en cada una
de las muestras se analiza y representa, obteniéndose
así el diagrama TTT para ese acero.

Revenido en la fase austenítica y
recocido isotérmico
 El tratamiento térmico de transformación isotérmica, utilizado
para la producción de la bainita se denomina revenido en la fase
austenítica y simplemente consiste en la austenitización del acero,
el templado a cierta temperatura por debajo de la nariz de la
curva TTT y el mantenimiento de esta temperatura hasta que toda
la austenita se transforme en bainita.

 El recocido y el normalizado normalmente se utilizan
para controlar la finura de la perlita. Sin embargo, la
perlita que se forma mediante un recocido isotérmico
puede dar propiedades más uniformes, ya que las
velocidades de enfriamiento y la microestructura
obtenida durante el recocido y el normalizado varían a lo
largo de la sección transversal del acero.

Efecto del carbono sobre el
diagrama TTT
 Tanto para un acero hipoeutectoide como para un
hipereutectoide, el diagrama TTT debe reflejar la posible
formación de una fase primaria. En la figura 12-8
aparecen los diagramas de transformación isotérmicas
para aceros 1050 y 10110. El cambio más notable es la
presencia de un ala que empieza en la nariz de la curva,
volviéndose asintótica con la temperatura A3 o con una
temperatura Acm. Dicha ala representa el tiempo de
inicio de la ferrita en los aceros hipoeutectoides o el
tiempo de inicio de la cementita en los hipereutectoides.

 Cuando un acero 1050 se
austenitiza, se templa y se
mantiene entre A1 y A3, la
ferrita primaria se nuclea y
crece; finalmente, resultan
cantidades en equilibrio de
ferrita y de austenita.

Tratamiento térmico de templado

 Es posible obtener una dispersión aún más fina de Fe3C,
si primero se templa la austenita para producir
martensita y a continuación se reviene el material.
Durante el revenido se formará una mezcla íntima de
ferrita y cementita precedente de la martensita.
 El tratamiento de revenido controla las propiedades
finales del acero.

Austenita retenida
 Cuando se forma martensita a partir de la austenita
ocurre una gran expansión volumétrica. Durante el
templado, conforme se van formando las placas de
martensita, éstas rodean y aíslan pequeños depósitos de
austenita que se deforma para acomodar la martesita de
menor densidad. Sin embargo para que se transformen
los depósitos restantes de austenita, deberá deformarse
la martensita circundante. Dado que la martensita es
fuerte y se opone a la transformación, la martensita
existente se fractura, o bien, la austenita se queda
atrapada en la estructura como austenita retenida.

 La austenita retenida puede resultar un problema grave. La
martensita se ablanda y se hace más dúctil con el revenido,
después del cual, la austenita retenida se enfría por debajo de las
temperaturas M3 y M1 transformándose en martensita, ya que la
martensita retenida que la rodea sí puede deformarse. Pero ahora
el acero contiene más martensita dura y frágil. Pudiera ser
necesario un segundo paso de revenido para eliminar la
martensita que se ha formado a partir de la austenita retenida.

 Este es un problema para los aceros al alto carbono. Las
temperaturas de la martensita se reducen al aumentar el
contenido de carbono. Para producir una estructura total de
martensita, los aceros de alto carbono deben ser refrigerados.

Historia de los procesos
de fabricación del acero

historia
-8.000
A.C.
-5.000A.C.
-3.000A.C.
Primera metalurgia en
el antiguo neolítico:
forja de cobre.
Mediterraneo Oriental
Cerca de Turquía, se
descubre la extracción de
cobre de un mineral,
cobre líquido de la
malaquita y la azurita, y
que el metal se puede
modelar.
Herramientas
de Piedra por
herramientas
de Cobre
En la zona de Siria y Turquía,
descubren que al añadir
estaño al cobre fundido, se
forma una aleación más dura
y resistente (bronce).
Aleación
donde la suma
es más que las
partes

historia
Uno de los objetos de cobre
fundido más antiguo de los
Montes Zagros (Irán) como
así también hornos de
fundición, crisoles y moldes..
-4.100A.C.

historia
-3.500A.C.
-300A.C.
-200A.C.
Aparece el acero pudelado
a partir de hierro esponja en
un crisol en el sur de India.
Los egipcios funden
hierro en pequeñas
cantidades para objetos
ornamentales y motivos
ceremoniales.
En China se moldea el
hierro como
fundición.
Con este acero
con capas de
carbono y capas
de hierro, fabrican
los árabes
las espadas
de Damasco
Se comienza con
la fabricación de
piezas complejas
de fundición

Hierro esponja
METANO
H2O(v)
H2 (g) + CO (g)
Agua
Caliente
Mineral
de
hierro
CH4 + H2O  CO + 3H2
Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2
Fe2O3 + 3H2  2Fe + 3H2O
Hierro Esponja
Energía

historia
1.709
Disminuye en forma drástica
el costo de la fundición
(salvando enormes regiones
de la deforestación)
permitiendo la producción
en masa.
Sedgley Staffordshire
Abraham Darby I descubre que el coque
puede reemplazar de forma eficiente al
carbón de leña en los hornos de fusión de
la fundición de hierro.
t

historia
1.856
Henry Bessemer patenta un convertidor
de acero bajo en carbono de soplado
desde el fondo.
Abre la era del acero
barato en construcción,
transporte y en general
en la industria

Alto Horno
Mineral, piedra
caliza y coque
CO, CO2, NO2
Tobera para suministro
de aire caliente
Boquilla de soplado
de aire caliente
Escoria Salida de
hierro fundido
1600°C
1000°C
600°C
250°C
Hombre

Aplicaciones de templabilidad
 La prueba Jominy :
Método Jominy oEnsayo Jominy es procedimiento estándar para
determinar la templabilidad.
Se trata de templar una probeta estandarizada del acero
estudiado.
1.- Calentar a temperatura de austenización.
2.- Enfriar con agua a chorro que enfria solo la cara inferior a
determinada rapidez.
3.- Esa cara actua como superficie templante y enfria la
probetade forma ongitudinal a su extremo superior.
4.- Se quitan 0.4 mm de espesor y determinar la dureza de
los primeros 50 mm. En los primeros 12.5 mm se toman intervalos
de 1.6 mm y en los 37.5 restantes de 3.2mm.
5.- Se traza la curva de templabilidad con la distancia de
jominy que es la distancia desde el extremo templado

Aceros Especiales.- Aplicaciones
 Aceros para herramienta:
Por lo general de alto carbono y con un tratamiento térmico de
templado y revenido adqueiren una gran dureza. Entre sus
aplicaciones están herramientas de corte en el maquinado.
Dados para fundición a presión y todos aquellos procesos que
requieran gran resistencia, dureza, tenacidad y resistencia a
temperaturas.

 Aceros de fase dual:
Tiene una distribución uniforme de ferrita y martensita
dispersa, la cual le proporciona limites elásticos de 60 000 a
145 000 psi. Son de bajo carbono y no tienen una buena
templabilidad mediante procesos de templado normales .
Tienen gran capacidad de absorber energía y resisten la fatiga,
son adecuados para hacer piezas estructurales y de seguridad
para autos. Al igual que puede ser tratado para aligerar su
peso siendo laminado en caliente.

 Aceros aleados:
Acero aleado es una posible variedad de elementos
químicos en cantidades en peso del 1,0 % al 50 % para
mejorar sus propiedades mecánicas. Los aceros aleados se
dividen en dos grupos: aceros de baja aleación y aceros de
alta aleación. La distincción entre los dos varía: Smith and
Hashemi sitúan la barrerra en el 4 % en peso de aleantes,
mientras que Degarmo lo define en el 8,0 %. La expresión
acero aleado designa más comúnmente los de baja
aleación.

 En si todo acero es una aleación pero esta es una
clasificación específica de los aceros. El término "acero
aleado" es el término estándar referido a aceros
con otros elementos aleantes además del carbono, que
típicamente son el manganeso (el más
común), níquel, cromo, molibdeno, vanadio, silicio,
y boro. Aleantes menos comunes pueden ser
el aluminio, cobalto, cobre, cerio, niobio, titanio, tungste
no, estaño, zinc, plomo, y zirconio.

Propiedades Aplicaciones
Bajo carbono
< 0.25 %
• Alta ductilidad
• Alta tenacidad
Tornillos, tuercas,
productos
comerciales diarios
Medio carbono
Entre 0.25 % y 0.6
%
• Dureza media
Maquinaria,
automóvil,
agricultura
Alto carbono
Entre 0.6 % y 1.4 %
• Máxima dureza
• Baja ductilidad
Motosierras, cuerdas
musicales, cables

Algunos efectos de impurezas
• Carbón: añade dureza, reduce la ductilidad y aumenta la
fragilidad. La presencia del carbón permite procedimientos de
tratamientos térmicos.
• Sulfuro: bajan la soldabilidad y la resistencia a corrosión.
• Fósforo: reduce las propiedades plásticas del material.
• Manganeso: incrementa la dureza sin afectar la ductilidad.
• Nitrógeno: perjudica las propiedades plásticas del acero y a baja
temperatura lo vuelve frágil.

Tratamientos superficiales
• El estrés en la superficie es muy alto y en la parte interna no lo es.
• Hay dificultad para endurecer secciones largas de un material completo.
• Patrones desfavorables con los métodos de endurecimiento.

Endurecimiento por inducción
• Calentamiento de la superficie de un acero de medio
carbono.
• La superficie se convierte en martensita.
• La profundidad de la capa de martensita es la profunidad
del cementado.

Efecto Kelvin
𝑑 ∝
𝜌
𝜇𝑣
𝑑: profundidad
𝜌: resistividad
𝑣: frecuencia
𝜇: permeabilidad magnética

REGLA DE LAS FASES DE GIBBS
En química y termodinámica, la regla de las fases de
Gibbs describe el número de grados de libertad (L) en un
sistema cerrado en equilibrio, en términos del número de
fases separadas (F), el número de componentes en el sistema
(C) y N el número de variables no composicionales (por
ejemplo; presión o temperatura). Esta regla establece la
relación entre esos 4 números enteros dada por:
L=C-F+N

Regla de Gibbs:
J.W. Gibbs, a partir de estudios termodinámicos, desarrolló
una ecuación que permite relacionar al número de
componentes, la cantidad de fases y el número de grados
de libertad que pueden coexistir en equilibrio dentro de un
sistema material. A esta ecuación se la conoce como regla
de Gibbs y se representa por:
F + N = C + 2
F= Nº de fases que pueden coexistir.
N= grados de libertad
C=nº de componentes del sistema

Aplicación de la Regla de Gibbs:
Aplicamos la regla de Gibbs:
 En el punto triple del diagrama:
 Coexisten tres fases en equilibrio:
sólido, líquido y vapor.
 El nº de componentes es uno (agua).
 Los grado de libertad serán:
F + N = C + 2
3 + N = 1 + 2  N = 0
Podemos sacar que ninguna de las
variables P-T se puede modificar. Así
pues, el punto triple es un punto
invariante.
 En cualquier punto de la línea de
solidificación, coexisten dos fases (sólido
y líquido). Si aplicamos la regla de Gibbs:
F + N = C + 2
2 + N = 1 + 2  N = 1
Como consecuencia, una de las
variables (P o T) puede cambiar
manteniendo un sistema donde
coexisten dos fases.

Regla de la horizontal:En el punto “c” la aleación se
encuentra en un estado bifásico en el
que coexisten un sólido y un líquido.
En esta zona se puede determinar su
composición química mediante la
llamada regla de la horizontal.
Se traza una recta isoterma a la
temperatura correspondiente al punto
“c” y en sus puntos de corte con la
línea de líquidus y sólidus (cs y cL), se
construyen rectas perpendiculares
verticales; los puntos de intersección
de estas últimas con el eje de abcisas
indican la composición de ambas fases.
cLA=42% cLB=58%
cSA=80% cSB=20%

Regla de la palanca:
En un punto situado en la zona bifásica, por ejemplo
el punto “B”, tenemos:
CL= composición de la fase líquida de A
Cα= composición de la fase sólida de A
C0= composición de A
Si queremos calcular las cantidades de sólido y de
líquido (porcentajes de fase sólida “WS” y
líquida “WL”) que existe en una aleación [A:B]
debemos aplicar la ley de conservación de materia
con su expresión de regla de palanca:
WL+ WS=1
WL·R= WS·S
Siendo:
R= C0- CL
S= Cα- C0
A)

CONCLUSIONES
 El diagrama de fases es una herramienta de estudio y análisis muy
poderosa para conocer y detallar las composiciones, fases presentes
y las características que tiene una aleación en ingeniería.
 Los ingenieros realizan cálculos y composiciones exactas sobre las
cantidades de carbono agregado en hierro, para obtener
propiedades específicas y lo que se quiere de algunos materiales
para llevarlos a los diseños de ingeniería, prediciendo el
funcionamiento adecuado de sistemas mecánicos.
 Las deformaciones es una manera de entender propiedades y
características de los aceros, y sus limitaciones como material para
diseño; el diagrama de esfuerzo es una esquematización sobre la
ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la
resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite.
 Las deformaciones es una manera de entender propiedades y
características de los aceros, y sus limitaciones como material para
diseño; el diagrama de esfuerzo es una esquematización sobre la
ley de Hooke, que nos ayuda a entender el nivel de rigidez o la
resistencia de un material determinado a cierto esfuerzo limite.

Soldadura por resistencia
 Proceso termoeléctrico
en el que se genera
calor, mediante el paso
de una corriente
eléctrica a través de las
piezas, en la zona de
unión de las partes que
se desea unir durante un
tiempo controlado con
precisión y bajo una
presión controlada.

• No requiere consumibles, como
materiales o varillas de soldadura.
• Operación segura a causa de la baja
tensión.
• Limpio y ecológico.
• El resultado es una unión electro-
mecánica fiable.
Esencialmente, son cuatro los parámetros que influyen en la calidad de
la soldadura por resistencia y deben ser vigilados estrechamente para
lograr resultados de primera clase: material, energía, potencia de
soldadura y tiempo.

Soldadura por puntos
las piezas que deben ser
soldadas se encuentran
una sobre la otra, las
superficies hacen contacto
en un punto o en una
línea. La corriente de
soldadura es suministrada
a través de los electrodos
de soldadura por puntos.
Una vez alcanzada la
temperatura de fusión, las
piezas se sueldan entre sí
en los puntos de contacto
entre los electrodos
utilizando la presión de
los electrodos.

•Permite la unión
exacta, segura y rápida
de una gran variedad de
tipos de materiales y
formas.
Es un método de
probada eficacia
para soldar a largo
plazo piezas con
un gran número
de los cabezales
de soldadura
disponibles
Chapas, perfiles,
barras, piezas
estampadas, cables
o cordones pueden
ser soldados con
mucha precisión
entre electrodos
puntiformes.

Problema de soldadura Aluminio-Hierro
Se utiliza un metal de soldadura que
por un lado tiene aluminio y del otro
lado algún componente con hierro.
La parte de aluminio se junta con la del
aluminio y la de hierro con el hierro.
A parte que el aluminio si tiene mucho
roce con el hierro lo va limando
Muchas veces se opta por usar
remaches o tornillos para unirlos.

Soldadura Oxi-Acetilenica
Soldadura por
combustión
La llama calienta hasta
el punto de fusión el
metal que se quiere
soldar,
Fácil y práctica
Difícil automatización
Deja muchas
impurezas
Absoleta (Desplazada
completamente por la
soldadura por arco)

Flamas
3 tipos de flamas:
Neutral
Oxígeno y acetileno en mismas cantidades
Reductora
Exceso de acetileno
Recomendado para Al
y Aceros de Alto carbono
Oxidante
Exceso de oxígeno
Recomendado para
Aleaciones no Ferrosas

Reacciones químicas en la
combustión de flama neutral

Pros y Contras
Pros
Portable
Barato
Fácil de usar
Usado para
mantenimiento y
reparación
Contras
Velocidad de soldadura
lento
El calor total por
unidad de longitud
(área) es muy alto, lo
que lleva a zonas
afectadas por el calor
(HAZ) y distorción
severa.
No se recomienda para
soldar metales
reactivos, como el titanio

 Los enlaces interatómicos se establecen aproximando
mutuamente los átomos de dos superficies.
 Este método se realiza mediante la combinación de calor
y presión.
 La temperatura que se emplea para este proceso está
por debajo del punto de fusión de los materiales que se
van a soldar.
 No se emplea ningún metal de aporte.

 Es absolutamente importante que las superficies que se
van a unir estén libres de contaminantes.
 Óxidos.
 Películas de gas adsorbido
 Residuos lubricantes

Se deben tomar medidas para
neutralizar los efectos de películas
superficiales
 Hacer rugosa la superficie con cepillado de alambre es útil
porque, al realizar la unión, los picos se deforman.
 El calor produce el ablandamiento de los materiales, promueve el
contacto íntimo y la difusión de átomos ayuda a lograrla.

 Es necesaria una presión normal para asegurar
adaptación de las superficies en contacto y para romper
las películas superficiales.
 Las mejores uniones se obtienen entre metales cuando
existe registro atómico (los átomos de dos componentes
están similarmente esparcidos y cristalizan en la misma
estructura de red) Esto significa que los metales se unen
con ellos mismos y con otros, con los que forman
soluciones sólidas.

Soldadura de traslapo
 Se introducen penetradores en la
lámina que se va a unir. Los
hombros en los penetradores
limitan la distorsión y promueven
la soldadura

Soldadura con rodillos
 Es el proceso en el cual se aplica una presión suficiente
para producir una unión entre dos o más piezas en una
sola mediante rodillos sin aplicación externa de calor.

Los aceros inoxidables tienen una alta resistencia
a la corrosión y todos tienen un mínimo de 12%
Cr.
Existen varias clases de aceros inoxidables que se
basan en la estructura cristalina y mecanismo de
endurecimiento.

• Aceros inoxidables férricos: contienen hasta un 30% de
Cr y menos de 0.12% C. Tienen buena resistencia
mecánica y ductilidad moderada
• Aceros inoxidables martensíticos: 17% Cr y 0.5% C.
Calentada a 1200 C produce 100% austenita y al
templarse se produce martensita.
• Aceros inoxidables austeníticos: el Ni es un elemento
estabilizador de la austenita y se encuentra en todas las
temperaturas prácticamente. Si el contenido de C es
menor a 0.03% todo el material sería austenita.

Undimiento Titanic
El tamaño de grano del Titanic era de 12.5 veces
más grande que el del A36, un acero con
aplicaciones similares al del Titanic.
La resistencia tensil y la reducción de área son
mayores en el Titanic.

El intervalo donde el metal se comporta como
elástico es menor en el Titanic que en los aceros
de hoy en día.
Altas concentraciones de S y P en el acero del
Titanic (casi el doble de lo estandarizado hoy en
día) lo hacían más frágil a temperaturas bajas.
Las estructuras del Titanic (transversal y
Longitudinal) dejaban de ser dúctiles a los 32 y 56
C. La temperatura del agua en la que se
encontraba el Tianic era de 2 C, lo que hacía que

Bibliografía
El hundimiento del Titanic visto a través
de la ciencia y la ingeniería de los materiales
Guillermo Salas, Ma. Eugenia Noguez, José
Ramírez, Teresita Robert 1 y Manuel Pérez-Figueroa

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