Acero: material versátil

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.
Como material, el acero cae dentro del grupo de los Metálicos

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
o Alta resistencia mecánica y ductilidad

Características del Acero
o Soldable
o Transmite el calor y la electricidad
oAlto límite elástico
o Sus materias primas son recurso no renovable pero muy abundante en la
naturaleza

Productos básicos de Acero
Tubos Alambres
Chapas
Perfiles
Barras
Laminas

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
o Artículos
o etc.

Usos Estructural del Acero
puente en Brisbane
Queensland, Australia
Puente de Lisboa
Puente Forth en
Queensferry, Escocia
Viaducto de la Polvorilla

Golden Gate Puente don Luis. Porto
Puente Harbour
Sidney
Puente en Shanghai

Shun Hing Square
Shenzhen, China
324 m
Jin Mao
492 m
Finance Center
Hong kong
415 m

Usos No estructural del Acero
Acero para Herramientas

Usos No estructural del Acero
Acero Inoxidable

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,
y solo reduce la ductilidad. Mejora la resistencia a la alta temperatura. En cantidades
mayores al 12%, hace al acero resistente a la corrosión.

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
Elementos de aleación

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%)
Los más duros y resistentes (al desgaste).

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
0.6 a 0.7 Aceros extraduros 750 – 800 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
Aceros austeno-ferríticos: 17-30% de Cr, 6-12% de Ni y 2-5% de Mo.
Mejores propiedades mecánicas y anticorrosivas.

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)
En la composición de los aceros rápidos contienen en proporción relativamente
elevada tres elementos de aleación fundamentales: wolframio, cobalto y molibdeno,
y dos elementos accesorios, cromo y vanadio. El % de carbono varía entre 0,6 y 1,2

Ejemplo: Aceros para Herramientas para
trabajo en frío

Fabricación del Aceros
Perfil medioambiental del acero

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
o Laminación en frío

Obtención del Arrabio
Alto Horno

Obtención del Arrabio
Alto Horno
En el Alto Horno se producen 2 reacciones principales:
a)La producción del agente reductor (monóxido de carbono)
C + O2 -----> CO2
C + CO2 -----> 2CO
b) La reducción de los óxidos de hierro para formar hierro líquido en
estado puro
3Fe2O3 + CO -----> 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO -----> 3FeO + CO2
FeO + CO -----> Fe + CO2

Composición del Arrabio
El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente
composición:
• 92% de hierro
• 3 a 4% de carbono
• 0,5 a 3% de silicio
• 0,25% a 2,5% de manganeso
• 0,04 a 2% de fósforo y azufre

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).
El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material
refractario, que hace la función de cuba para el segundo refinado en el que se
termina de ajustar la composición del acero y de dársele la temperatura
adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.

Reacciones de Refinado

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.
Horno Bessemer

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
Horno Siemens-Martin

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.
Horno Eléctrico

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
Laminado

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
Extrusión

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
Trefilado

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.
Estampado

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
d) Aceite y agua: prácticamente insolubles

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
1. Átomos o iones de tamaño semejante (radio atómico no mas 15%) 2. Igual estructura
cristalina 3. Los iones deben tener igual valencia. 4. Las electronegatividades deben ser similares

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
carbono
en una red cúbica de cara
centrada de hierro

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
ºC cristalizando en el sistema cúbico cuerpo
centrado. Es débilmente magnético.

Acero Eutectoide (0,8% de carbono)
Perlita: microestructura formada por
capas o láminas alternas de hierro a y
cementita o Fe3C
Austenita: microestructura formada
por granos de hierro g con átomos
intersticiales de carbono

Acero Eutectoide (0,8% de carbono)

Acero hipoeutectoide (< 0,8% de carbono)
Ferrita (hierro a): microestructura
formada por granos de hierro a con
átomos intersticiales de carbono

Acero hipoeutectoide (< 0,8% de carbono)

Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono)
Cementita: compuesto intermetálico
con 6,67 % de carbono. Cristaliza en el
sistema ortorómbico con enlace
predominantemente no metálico. Esto
lo hace duro y frágil.

Acero hipereutectoide (> 0,8% de carbono)

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
Es un constituyente compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4
partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers,
con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita
está formado por láminas o placas alternadas de cementita y ferrita.

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
Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la
temperatura ambiente es tan pequeña que no llega a disolver ni un 0.008% de C. Es por esto que
prácticamente se considera la ferrita como hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil
constituyente de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y
una resistencia a la rotura de 28 kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Además de
todas estas características, presenta propiedades magnéticas.

Propiedades mecánicas del Acero
Uso Estructural
o Dureza
oResistencia a la tracción
o Resistencia al Impacto
o Resistencia a la fatiga
o Resistencia a las altas temperaturas

Uso Estructural – Resistencia tracción

Uso Estructural – Ductilidad

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.
Las pruebas de dureza se utilizan para verificar la
calidad de los metales en los tratamientos
térmicos, en la recepción de los materiales
durante su inspección, en la evaluación de
soldaduras y en el análisis de fallas.

Uso Estructural - Dureza

Uso Estructural - Choque

Uso Estructural - Fatiga
La fatiga puede definirse como
la degradación de las
propiedades mecánicas de un
material que conducen a su
rotura bajo cargas dinámicas
cíclicas (esfuerzos que varían en
magnitud con el tiempo) cuyos
valores son inferiores al de
cargas estáticas que producirían
la rotura. El fenómeno de fatiga
es considerado responsable de
aproximadamente el 90% de las
fallas por rotura de uniones
soldadas y precede muchas
veces a la fractura rápida

Uso Estructural - Fatiga

Uso Estructural – Efecto de la temperatura

Efecto de la temperatura

Tratamientos Térmicos del Acero
Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento a las que se
someten los metales para conseguir determinados cambios en su estructura
cristalina(por ejemplo, el tamaño del grano) sin que la composición química
resulte afectada.
Existen 4 tratamientos térmicos fundamentales:
a) Templado
b) Recocido
c) Normalizado
d) Revenido

TEMPLADO
Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior
enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro
y resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina
deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar
al que se consigue por medio de la deformación en frío.
Este tratamiento consiste en su austenización, es decir, un calentamiento
hasta una temperatura superior a la de austenización (727 oC), seguido de
un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura
martensítica.

REVENIDO
Se aplica exclusivamente a los metales templados y es, por lo tanto, un
tratamiento complementario deltemple. Con el revenido se pretende mejorar
la tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza.
NORMALIZADO
Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que
arbitrariamente se consideran como normales y características de su
composición. Por medio de él se eliminan tensiones internas y se uniformiza
el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido
trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos
y también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminarlos
efectos de un tratamiento anterior defectuoso.
En este tratamiento, la velocidad de tratamiento no es lo suficientemente
elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y
ferrita o cementita de grano fino. Es un tratamiento adecuado para los aceros
con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.

RECOCIDO
Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (similar a la del
normalizado) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo
general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior).
El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y
maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por
mecanizado. La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y
recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la
dureza y la resistencia finales de la pieza.

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