Ingeniería de Materiales: Desarrollo de Aceros Avanzados para la Industria Automotriz

¿QUÉ ES LA
INGENIERÍA DE
MATERIALES?
UNDAV - INMA - (Ingeniería en Materiales) - Ing. Julio Monti

Por todo esto el INGENIERO EN MATERIALES es el
profesional que MÁS futuro tiene en la industria, en la
investigación y en la docencia.
Es la carrera que estudia la relación
que existe entre la estructura interna
de un material y sus propiedades.
Materiales hay en
todo. Coches,
calzado, ropa,
ordenadores, etc.
Nuevos materiales,
nuevas aplicaciones.
Aeronáutica, deporte
de alta competición
Fabrica materiales
convencionales y
diseña materiales
nuevos
La INMA es la base de
los avances
tecnológicos,
transformadores de la
sociedad

QUE SON LOS MATERIALES
Los materiales, junto con la energía y la información, serán los motores del desarrollo
económico de este siglo. Por ello es necesario proporcionar al sector industrial de
profesionales bien formados, capaces de resolver los problemas que se planteen, no solo
en el campo clásico de los materiales estructurales, sino también en los nuevos materiales
electrónicos, funcionales, biomateriales y nanomateriales.

GRAFENO

ESPUMA DE TITANIO, EL MÁS LIVIANO
DEL MUNDO (99,99% DE AIRE)

UPSALITA, SUPER ABSORBENTE
(ÁREA SUPERFICIAL DE 790 m²/gramo)

FÓSFORO NEGRO
El fósforo negro. Resulta ser un material prácticamente similar al grafeno, que ya se utilizaba en
transistores y que podría hacer realidad toda una serie de novedosos componentes electrónicos.
Cuando se combina con otro tipo de fibras, por ejemplo, aumenta hasta seis veces la resistencia
de los materiales. Asimismo es un excelente conductor de la electricidad y, en algunas
aplicaciones, llega a superar al grafeno, como es el caso de su tasa de absorción gradual de luz.
Además del campo de la electrónica, sus creadores consideran que podría emplearse también en el
desarrollo de paneles solares, interruptores ópticos, sensores de gas, así como material de
refuerzo de los composites, conocidos asimismo como resinas sintéticas.

¿QUÉ SE ESTUDIA EN ESTA
CARRERA?
Especialización
Diseño
Selección
Procesamiento
Control de calidad
Desarrollo
Ingeniero en
materiales
Industrias:
 Químicas
 Energéticas / eléctrica
 Construcción
 Mecánica
 Aeronáutica
 Farmacéutica
 Alimenticia
 Agrícola
 Nuclear

¿QUÉPUEDEHACERUNINGENIERO
ENMATERIALES?
Diseñar y desarrollar tecnologías para obtener nuevos
materiales y evaluar los resultados obtenidos
Realizar estudios de factibilidad económica y de incidencia
ambiental para el desarrollo y utilización de materiales
Asesorar sobre la producción de nuevos materiales y mejoras
de las propiedades de los actuales

¿QUÉPUEDEHACERUNINGENIERO
ENMATERIALES?
Caracterización del comportamiento de los
distintos materiales
Tener competencia en la utilización de los
materiales
Diseñar materiales con propiedades químicas, físicas
y biológicas destacadas
Desarrollar capacidades para innovar, producir nuevos
materiales y además incentivar el gusto por la
investigación científica

¿PORQUE ESTUDIAR INMA?
Porque en las diferentes ramas de la industria se
necesita un profesional de este tipo, que en cualquier
actividad industrial pueda resolver problemas de
resistencia mecánica o deterioro de materiales, ya
sea por desgaste o por fallas, y que tenga los
conocimientos necesarios para mejorar las
prestaciones de los materiales, para crear nuevas
aleaciones que brinden una mejora para usos
específicos o incluso para mejorar los costos de
fabricación en materiales que cumplen
adecuadamente con las prestaciones solicitadas.

¿DÓNDE PUEDE TRABAJAR UN
INGENIERO EN MATERIALES?
Metalúrgicas, petroleras,
consultoras,
en la docencia y en investigación
en universidades o instituciones
privadas.
En diseño y sustitución de piezas
e insumos en la industria
petrolera
Biomateriales para
medicina y
odontología
En la construcción,
(puentes, edificios,
carreteras, etc.)
En la industria plástica
para el diseño de
materiales reciclables

Es la base de los avances tecnológicos que han transformado nuestra
sociedad.
El INGENIERO EN MATERIALES es el profesional que más futuro tiene en
la industria, en la investigación y en la docencia.
INGENIERÍA DE MATERIALES

Cuando parece que ya nada se
puede inventar en aceros…
…veremos uno de los tantos temas en los que puede trabajar un
Ingeniero en Materiales
“ACEROS AVANZADOS PARA LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ”
Mejoras en las propiedades de los aceros, haciéndolos:
más delgados.
más resistentes manteniendo una gran ductilidad.
Lo que da como resultado una mayor tenacidad.

INGENIERÍA EN MATERIALES
ACEROS AVANZADOS PARA LA INDUSTRIA
AUTOMOTRIZ
DESARROLLO DE NUEVOS ACEROS

El desarrollo de los “ACEROS AVANZADOS” es una de las
aplicaciones más fascinantes
La Ingeniería de Materiales
ha contribuido y consolidado,
como disciplina científica, al
continuo y permanente
desarrollo en los esfuerzos por
controlar y mejorar la
resistencia y ductilidad de los
aceros.
Los AHSS (Advanced High Strength Steel) son
utilizados especialmente en estructuras ligeras para
automóviles en partes que refuerzan la seguridad al
momento de la colisión debido a que una de las
características de estos materiales es la absorción de
energía en impactos.

ACEROS AVANZADOS (AHSS)
• Aceros AUSFORMADOS. Por
deformación plástica de Austenita y
luego T.T.
• Aceros TRIP. Transformación Inducida
por deformación Plástica.
• Aceros MARAGING. Martensita
envejecida
• Aceros MICROALEADOS, o de alta
resistencia y baja aleación (HSLA)
Acero microaleado (HSLA)
Acero Ausformado
Acero TRIP sin deformación

• Aceros BIFÁSICOS. Ferrita y Martensita
• Nuevos aceros INOXIDABLES. Con presencia de
Nitrógeno o Aluminio
• Aceros DÚPLEX. Compuestos por Ferrita y
Austenita
• Aceros IF. Libre de elementos intersticiales,
principalmente (C y N)
Acero inoxidable dúplex
Acero IF usado
en ala delantera
del Ford fiesta

• Aceros BH. Endurecibles por horneado
• Aceros TWIP. Deformación plástica inducida
por maclado
Aceros de alta R al desgaste

ACEROS AUSFORMADOS
Figura 1.4. (a) Curva TTT para un acero ausformado. (b) Efecto del ausformado sobre las
propiedades mecánicas, en función del contenido de carbono, Acero con 3% Cr
deformado 91% y revenido a 330º C.
Fuente: Zackay, V. F. and W, M. Justusson, “High-Strength Steels”, Report 76, Iron and Steel Insitute,
London, 1962, p. 14.
Son los que presentan
mayor tenacidad,
fueron desarrollados en
1950, pero se
empezaron a usar en
forma extensa a fines
del año 2000.

AUSFORMADO EN ACEROS
CONVENCIONALES DE ALTA
TEMPLABILIDAD
Figura 5. (a) Variación de la resistencia con la deformación para dos temperaturas. Acero
H -11 (0.4 C, 5Cr, 1.2Mo, 0.5V) revenido a 510º C. (b) Efecto de la temperatura de
revenido sobre la dureza de los dos aceros.
Fuente: Zackay, V. F. and W, M. Justusson, “High-Strength Steels”, Report 76, Iron and Steel Institute,
London, 1962, p. 14
900°F=481°C
1200°F=648°C
2758 MPa
2413 MPa
1723 MPa

ACEROS TRIP
Las propiedades de los aceros TRIP se deben a una estructura compuesta por ferrita, martensita y bainita
con cantidad mínima de austenita retenida de un 5%. La ferrita ofrece la ductilidad, la martensita y
bainita dan las propiedades de dureza y resistencia y la austenita retenida da la propiedad de
transformarla en martensita durante el uso provocando el endurecimiento por deformación plástica.
Figura 1.7. (a) Curva tensión de formación de ingeniería para un acero. (b) Curva real
correspondiente.
Fuente: Verhoeven, J. D., Fundamentals of Physical Metallurgy, John Wiley,, New York, 1975, p. 543.
Como la Transformación es Inducida por el flujo Plástico, a estos aceros se los llama Aceros TRIP

ACEROS MARAGING (Fe – Ni)
Fig 8
Fig 8

CICLO DE T.T. PARA EL PROCESO MARAGING
Figura 1.10. Ciclo de tratamiento térmico para el proceso Maraging que ilustra también los
cambios dimensionales por dilatación.
Fuente: Floreen, S., “The Physical Metallurgy of Maraging Steels”, Metallurgical Reviews, Vol. 134,
1968, p 115
(815°C)
(482°C)
(99°C)
(155°C)
(21°C)

PROPIEDADES MECÁNICAS DE ALGUNOS
ACEROS MARAGING
Aleación Cedencia, MPa Resistencia última, MPa Alargamiento en 1”
200 recocida 807 1000 17
200 tratada 1310 – 1550 134 0 – 1590 11 - 15
250 recocida 800 1010 19
250 tratada 1650 – 1830 1690 – 1860 10 - 12
300 recocida 793 1013 17
300 tratada 1790 – 2070 1830 – 2100 7 -11
350 recocida --- --- ---
350 tratada 2170 -2410 2280 - 2480 7 -8

Tienen una tenacidad superior
Son blandos y se pueden maquinar fácilmente antes del
envejecido
Experimentan pocos cambios de forma durante el tratamiento
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Ventajas comparados con los aceros convencionales templados y revenidos

El tratamiento térmico es fácil porque no requiere temple. No hay
descarburación y tienen elevada templabilidad
Tienen buena soldabilidad, no requieren precalentamiento y las propiedades
después de la soldadura se pueden restaurar por envejecimiento
Su resistencia a la corrosión es adecuada aunque experimentan corrosión bajo
tensión en muchos ambientes
CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Ventajas comparados con los aceros convencionales templados y revenidos

ACEROS MICROALEADOS (HSLA)
L.A. (baja aleación)Tienen muy bajo %C, entre 0,05 y 0,25%, esto es para que
mantengan la formabilidad y soldabilidad. Además se agrega de 1,35 a 2 %Mn
(aumenta la Rt por S.S.). Son calmados con Al, se agregan pequeñas cantidades
de V, Ti, N, y Nb (generan los precipitados que aumentan la Rt), el Ca, Zr o tierras
raras, que controlan la forma y tamaño de los sulfuros.
H.S. (alta resistencia) significa fluencia superior a 300 Mpa y resistencia
última entre 450 y 850 Mpa, manteniendo un elevado alargamiento, del
orden del 27% o más. Además tiene una temperatura de transición
dúctil/frágil muy baja.
Se producen por laminados en caliente a temperaturas muy controladas para
tener por recristalización tamaños de grano austenítico muy pequeños, que a
su vez por normalizado generaran ferrita de tamaño de grano también muy
pequeño. Los precipitados también serán muy finos y ese es la razón de la
alta resistencia de estos aceros y su alto alargamiento.

EFECTOS DEL T.G. EN LA CEDENCIA Y T° DE TRANSICIÓN DÚCTIL-
FRÁGIL
Figura 1.12. Efecto del tamaño de grano ferrítico sobre la cedencia y la temperatura de transición.
Fuente: Pickering, F. B., Physical Metallurgy and the Design of Steels, Applied Science Publishers, London, 1983, p. 16.

ESTRUCTURA DE UN ACERO BIFÁSICO
Figura 1.13. Estructura de un acero bifásico
Fuente: Rashid, M. S., “Dual Phase Steels”, Annual Review of Materials Science, Vol.
1, p. 245.
Fig. 13
indica en color blanco
la fase de Ferrita y en
color bronce, la fase de
Martensita

COMPARACIÓN DE PROPIEDADES
Figura 1.14. Curvas tensión – deformación para un acero bifásico y dos aceros con propiedades similares,
uno TRIP y otro HSLA. (microaleado)

NUEVOS INOXIDABLES CON NITRÓGENO Y
ALUMINIO
El N estabiliza la austenita, reemplaza al
Ni, es más barato y es alergénico
Aceros austeníticos con Cr, Ni, Mn
contienen de 0,4 a 0,5%N Para
mayores %N (Aprox. 1%) es necesario
utilizar reactores hiperbáricos
Con agregado de Al (14% Cr;20% Ni y
2,5% Al) se aumenta la resistencia a la
termofluencia y a la corrosión
También se incorporan como nitruros
con (Cr+Mn), y (C+N), para formar
nitruros y carburos nanoscópicos
0,2%C; 0,2%Si; 0,5%Mn; 22,5%Cr;
25%Ni; 3,6%W; 1,5%Co; 3%Cu;
0,5%Nb; y 0,23%N Alta R a
termofluencia por nano precipitados

ACEROS DÚPLEX (FERRITA+AUSTENITA)
Figura 1.17. El acero dúplex se compone aproximadamente de un 50% de ferrita y un 50% de austenita.
Fuente:
http://www.imoa.info/moly_uses/moly_grade_stainless_steels/duplex_stai
nless_steel.html

VENTAJASDELOS
ACEROSDÚPLEX
Tienen un alto nivel de maleabilidad y soldabilidad
Alto grado de resistencia a la corrosión bajo tensión y una mayor resistencia
mecánica, pese a que la ductilidad, la tenacidad y la soldabilidad se vean reducidas
Mayor resistencia a la tracción, mayor punto de fluencia y también a la corrosión
general y por picado en relación tanto a los aceros austeníticos como a los ferríticos
Nivel medio de resistencia a la corrosión por fatiga inducida por cloruros
Fuerte resistencia a la abrasión y a la erosión
Fuerte resistencia a la corrosión intergranular, gracias a su bajo
contenido en carbono

ACEROS IF (INTERSTICIAL FREE)
Es un acero de elevada pureza, %C y %N < 0,005%, con agregado de
Ti y Nb y con equipos de desgasificación especiales es posible llegar a
valores del orden de 0,001% de C y N.
Bajo punto de cedencia, no envejece, con gran ductilidad y alta
relación de deformación plástica, especialmente adecuado para la
producción en líneas de recocido contínuo y galvanizado
Con ultra alta refinación del TG, sin perjudicar ductilidad.
Severa deformación plástica justo por encima de Ac3

ACEROS BH (BAKE HARDENING) Endurecibles por
horneado o envejecimiento
Figura 1.18. Esquema de un ensayo estándar y definición del endurecimiento por horneado
Fuente: Ballarin, V., et al., “Mechanisms and Modeling of Bake-Hardening Steels: Part I. Uniaxial Tension”, Metallurgical and Materials Transactions
A, Vol. 40A, Jue 2009, p. 1367.

ACEROS TWIP (Twinning Induced Plasticity)
Plasticidad inducida por maclado
Figura 1.19. El maclado produce un efecto dinámico de Hall – Petch
Fuente: Chen, Lei, “Thermo-mechanical Properties of Fe18Mn0.6C TWIP Steel”, Materials Design Laboratory, Graduate Institute of
Ferrous Technology, Pohang University of Science and Technology, Korea, June, 2007.

CARACTERÍSTICAS DE ACEROS TWIP
La plasticidad inducida por el maclado es porque la austenita tiene una baja
energía de falla de apilamiento, (20 mJ/m²) lo cual facilita la formación de
maclas durante la deformación plástica.
Si la energía de falla de apilamiento es muy baja (<12 mJ/m²) se forma
martensita y si es más alta (>35 mJ/m²) se producirá el deslizamiento de
dislocaciones. Así en la deformación, las maclas afinan el TG (Hall-Petch)
Tienen gran ductilidad y absorben energía en caso de colisión. Tienen 20%Mn
con bajo C, Al y Si. Admiten hasta 90% de deformación. Las maclas mecánicas
causan gran dureza por deformación. Rt=600 Mpa Alarg=65%

¿CUÁLES SERÁN LOS NUEVOS MATERIALES EN UN FUTURO
PRÓXIMO?

CONCLUSIÓN
Esto es un muy breve resumen de lo que se está investigando en aceros avanzados, pero lo
mismo ocurre con:
 Polímeros
 Cerámicos
 Materiales biocompatibles
 Nuevos materiales nanoscópicos
 Materiales inteligente
 Etc.

Me subo a mi coche, ganado con mi sueldo docente, y
me retiro. Muchas gracias por su atención. Hasta
siempre.

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