02_Aceros Intro 2011_clase_mod_5_rev01.pdf

ALEACIONES FERROSAS
Aceros
Introducción

ALEACIONES BASE Fe
El Fe es el 2º metal
más abundante en la
corteza terrestre y el
4º entre todos los
elementos.
Su uso como metal de
alta pureza se
restringe sólo a la
investigación.

ALEACIONES BASE Fe
El Fe da origen a tres grandes grupos de aleaciones
metálicas:
• Aceros (steels): aleaciones Fe-C con menos del 2 %C.
• Fundiciones de hierro (cast irons): aleaciones Fe-C con más
del 2 %C y generalmente con el agregado de Si.
• Superaleaciones base Fe (iron base superalloys): aleaciones
Fe-Cr-Ni con preponderancia de Fe.
Los aceros y las fundiciones son ampliamente usados en todas
las ramas de la industria.
Los aceros son las aleaciones metálicas más utilizadas y
estudiadas.

HIERRO - PROPIEDADES
3
2
85
,
55
26 Fe
estructura electrónica:
1s22s22p63s23p63d64s2
El Fe es un metal de transición
con unión atómica principalmente
metálica y cierta componente
covalente.
Es uno de los tres metales
ferromagnéticos (junto con el Ni
y Co).
Variedades alotrópicas del
Fe a presión atmosférica
Variedades alotrópicas del Fe:
• Fe (BCC)
• Fe (FCC)
• Fe (BCC)

Diagrama de fases en equilibrio del Fe
BCC
FCC
BCC

HIERRO – PRINCIPALES PROPIEDADES
Densidad: 7,87 kg/dm3 (Fe α a 20°C) (es intermedia entre los
metales)
Temperatura de fusión: 1538°C (relativamente alto debido a la
componente covalente del enlace)
Módulo elástico longitudinal (E): 208,2 GPa (está entre los más
altos de los metales debido a la componente covalente del
enlace)
Tensión de fluencia (Rp0,2): 55 MPa (depende fuertemente de la
temperatura y de la velocidad de deformación)
Dureza: 66 HV (dureza Vickers)
Temperatura de transición (TTI): -34 °C (Feα, probeta Charpy
V reducida, tamaño de grano ASTM 4-5)
Es uno de los 3 metales ferromagnéticos.

ACEROS
Aleaciones Fe-C cuyo contenido de C es menor al de la máxima
solubilidad de este elemento en el Feγ (austenita) (≈ 2%), y que
además contiene:
• elementos aleantes incorporados en forma deliberada para
modificar las propiedades,
• elementos residuales que provienen de algunas de las materias
primas usadas para la elaboración de la aleación y han quedado
como residuo en el proceso de fabricación.
• impurezas elementos residuales específicos que producen un
desmejoramiento de las propiedades.

ACEROS
EMPLEO
La gran mayoría de los aceros se usan para fabricar piezas
conformadas plásticamente (wrought products) (forja, laminación,
extrusión, etc.)
Se emplean pocos aceros para fabricar piezas coladas (castings).
Contrariamente, las fundiciones son las aleaciones más usadas para
fabricar piezas coladas.
Los aceros son el grupo de aleaciones metálicas más utilizado.
La producción mundial de aceros es de unas 15 veces la
producción de todo el resto de aleaciones metálicas.
El total de acero producido hoy en día es de aproximadamente
1.300 millones de toneladas anuales.

Evolución de la producción
mundial de acero durante el
siglo XX.
En el año 2000 la
producción de
acero alcanzó a
800 x 106 t
ACEROS

Existen aproximadamente 2.000 clases de aceros normalizados.
Es incalculable la cantidad de aceros no normalizados.
De los 2.000 normalizados, la gran mayoría son “especiales” o de
“alto grado de aleación”.
Sin embargo más del 90% de la producción mundial es de:
• aceros de bajo C no aleados (aproximadamente 85%)
• aceros de muy baja aleación (aproximadamente 8%).
Los aceros de alta aleación más empleados son:
• aceros inoxidables (aproximadamente 2,8%)
ACEROS

La producción mundial de aleaciones ferrosas es ampliamente
superior a la del resto de los metales más utilizados.
ACEROS

ACEROS
Los aceros son empleados en aplicaciones muy diversas y
varían desde:
• objetos cotidianos de unos pocos gramos y costo ínfimo (un
clip para agrupar hojas),
• hasta estructuras muy sofisticadas de varios miles de
toneladas y costos muy altos.

Los aceros se usan en gran parte del rango de temperaturas
utilizado en las diferentes industrias:
• desde temperaturas criogénicas (por ejemplo 4 K),
• hasta temperaturas muy elevadas (de más de 1000 ºC).
ACEROS

ACEROS
Causas de la gran aplicación de los aceros:
1. Bajo costo: abundancia del mineral con alta ley, facilidad de
reducción, alta capacidad de reciclado.

Depósitos de mineral de Fe en el mundo

ACEROS
2. Alta rigidez, el módulo elástico longitudinal del acero (Eacero) ≈
• 3 EAl;
• 1,7 ETi; 1,7 ECu;
• 4,6 EMg;
• 1,3 a 3 EFundición;
• 0,9 ENi;
• 0,5 EW;
• 0,24 EDiamante.
Junto con la resistencia mecánica, esta propiedad ayuda a minimizar
el peso de muchas estructuras sometidas a altas cargas y donde es
necesario minimizar la deformación elástica.

ACEROS
3. Versatilidad:
Gran variedad de propiedades obtenible por aleación y/o
tratamiento térmico.
Rango de Rp0,2: desde 150 hasta 2700 MPa (hay algunos
productos de acero especiales donde se alcanzan los 5 GPa).
Existen aceros magnéticamente blandos, magnéticamente
duros, y aceros amagnéticos.
Hay aceros altamente resistentes a la corrosión, otros de uso a
alta T, y otros aceros de uso criogénico.

ACEROS
Rango de
resistencia
mecánica de
diferentes
grupos de
aleaciones.

Rango de
resistencia
mecánica de
diferentes grupos
de aleaciones y
materiales
reforzados y
compuestos.
ACEROS

4. Respaldo de la experiencia en servicio:
La amplia aplicación de los aceros debido a las razones
anteriores, ha permitido acumular durante muchos años una gran
cantidad de experiencia y conocimiento sobre el comportamiento
de estas aleaciones tanto durante su fabricación como durante el
servicio en múltiples situaciones.
Esto es un aval muy grande a la hora de decidir por un material
para una determinada aplicación.
Por costo, propiedades, versatilidad y la experiencia en
servicio no hay otro material que iguale a los aceros.
ACEROS

Un material nuevo puede tener mejores propiedades que un acero
en la etapa inicial de sus ensayos de calificación para una dada
aplicación.
Se debe tener en cuenta que hasta tanto el nuevo material no se
haya usado extensamente, no se sabrá exactamente como se
comporta a largo plazo en ese tipo de servicio.
En general se necesita bastante tiempo y dinero para que el
material nuevo sea aceptado tanto por los ingenieros que diseñan
como por los usuarios.
Los aceros ya han sido utilizados extensamente durante tiempos
prolongados, con lo que su empleo produce un ahorro de tiempo
y dinero.
ACEROS

Diagrama Fe-C
Diagrama de fases en equilibrio estable y metaestable
En el diagrama de fases
en equilibrio Fe-C
aparece la fase grafito.
Esta fase es C puro con
estructura hexagonal.
En ausencia de otros
aleantes grafitizantes
específicos, la velocidad
de nucleación del grafito
a partir del Fe líquido o
del Fe sólido es
extremadamente lenta.

Diagrama Fe-C
En consecuencia, en el
sistema aparece otra fase
rica en C cuya velocidad de
nucleación es mucho mayor
y por lo tanto aparece en
preferencia al grafito, esta
fase es el carburo de
hierro o cementita (Fe3C).

Diagrama Fe-C
La cementita (Fe3C) es un
compuesto intermetálico (carburo
de hierro) que posee 6,7 % C y
una estructura ortorrómbica.
El diagrama Fe-C metaestable
también es denominado diagrama
Fe-Fe3C, es un diagrama entre 2
componentes puros: Fe puro y
Fe3C pura.
Las temperaturas de equilibrio
difieren levemente entre el
diagrama de fases en equilibrio
estable y el metaestable.

Diagrama estable Fe-C
(líneas de trazos)
Fase de equilibrio estable:
grafito (100 % C,
hexagonal)
Diagrama metaestable
Fe-C (líneas continuas)
Fase de equilibrio
metaestable: cementita
(6,7 % C, ortorrómbica)
Fe3C 3Fe + C(grafito)
Diagrama Fe-C

DIAGRAMA Fe-C METAESTABLE
Diagrama Fe-C metaestable
(Diagrama Fe-Fe3C).
El sistema Fe-Fe3C no posee la
energía libre mínima.
Se encuentra en un estado de
equilibrio metaestable.
Prácticamente todos los procesos
metalúrgicos a que se someten los
aceros involucran velocidades
que favorecen la formación de
cementita y no de grafito.
En consecuencia el diagrama
metaestable es el de uso real para
entender las transformaciones de
los aceros al C.

Debido a la diferencia de
tamaños atómicos, además de la
cementita, el C forma con las
diferentes variedades alotrópicas
del Fe tres soluciones sólidas
intersticiales.
La ferrita es una solución
sólida intersticial de C en Fe α.
La austenita es una solución
sólida intersticial de C en Fe γ.
La ferrita δ es una solución
sólida intersticial de C en Fe δ.
Las 3 fases son relativamente blandas, dúctiles y tenaces. Por el
contrario la cementita es la fase más dura y frágil del diagrama.
DIAGRAMA Fe-C METAESTABLE

Fases sólidas del diagrama
1. Ferrita α o ferrita (α): es una solución
sólida intersticial de C en Feα (BCC).
Fase blanda (≈ 70
HV), dúctil y
tenaz, presenta
transición dúctil-
frágil.
Es
ferromagnética
hasta los 770ºC.
Zona del campo ferrítico ampliada
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
0,02

Ferrita
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Cementita terciaria
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
Cementita en bordes
de grano ferrítico
Ferrita

2. Austenita (γ): solución sólida
intersticial de C en Feγ (FCC).
Fase blanda, dúctil, tenaz y no
presenta transición dúctil-frágil.
Es amagnética. Tiene mayor
densidad que la ferrita y que la
cementita (Fe3C).
Comparación de la tenacidad a la
entalla entre la ferrita y la austenita
(Charpy)
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
2,14

Austenita
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Ampliación de la zona de la
ferrita δ
3. Ferrita δ (δ): solución sólida
intersticial de C en Feδ (BCC).
Al igual que la ferrita (α), es una
fase blanda, dúctil y tenaz que
presenta transición dúctil-frágil.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
0,09

4. La cementita o carburo de
hierro (Fe3C o Cm) es un
compuesto intermetálico que
posee 6,7 % C y una estructura
ortorrómbica.
Es una fase muy dura (≈ 900
HV) y frágil.
Esta fase, junto con otros tipos
de carburos, son las fases que
endurecen en la mayoría de
los aceros.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Cementita
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
Cementita precipitada en
borde de grano ferrítico
Mediante algunos TT se
puede hacer que la Cm
adopte una forma esferoidal,
en este caso se la suele
llamar esferoidita.

El diagrama de fases en equilibrio
metaestable no se cumple
exactamente en la mayoría de las
procesos a que se someten los aceros.
Sin embargo (exceptuando algunos
aceros de alta aleación), la estructura
a baja temperatura está normalmente
formada por una matriz ferrítica y
cierta proporción de cementita (u
otros carburos), tal como lo indica el
diagrama.
La ferrita aporta su ductilidad y
tenacidad, y la cementita (u otros
carburos) endurece la aleación.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C
α + Fe3C

Dependiendo de los parámetros de la cementita:
• fracción en volumen,
• distribución,
• tamaño y
• forma,
se puede lograr una gran variedad de propiedades. Esta es una
de las razones del uso tan extendido de los aceros.
• La fracción en volumen depende principalmente de la
composición química.
• La distribución, tamaño y forma están controladas
fundamentalmente por los tratamientos térmicos o
termomecánicos.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Propiedades de aceros al C en
estado laminado.
La fracción en volumen de Fe3C
depende del % C siendo esta la
principal variable.
A igualdad de tratamiento térmico, o
termomecánico, a medida que
aumenta el % C hay mayor fracción
de cementita y en consecuencia:
• mayor dureza y resistencia mecánica
• menor ductilidad y tenacidad.
¡IMPORTANTE!
Si se modifica la distribución,
tamaño y forma de las fases
mediante tratamientos térmicos, se
puede lograr un determinado rango
de propiedades para un % C fijo.
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Un acero de 0,7 % C posee
mayor resistencia mecánica que
uno de 0,1 % C.
Esto se debe a que el primero
tiene un 10% de cementita
mientras que el último sólo
posee un 1%.
En equilibrio termodinámico,
las microdurezas de sus
respectivas ferritas y
cementitas son idénticas pues
también son iguales las
composiciones químicas de
estas fases en los dos aceros.
1% Cm 10% Cm
MICROCONSTITUYENTES
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Variación de las propiedades de
tracción y tenacidad a la entalla
con el % C de aceros al C para un
determinado tratamiento térmico
o estado metalúrgico.
Al aumentar el % C disminuye la
tenacidad a la entalla y aumenta la
temperatura de transición.
Tenacidad
a la entalla

Transformaciones de fases del
diagrama Fe-C metaestable:
Una transformación peritéctica
(0,18 % C; 1492 ºC) (L+δ → γ).
Una transformación eutéctica
(4,30 % C; 1147 ºC) (L → γ +F3C).
Una transformación eutectoide
(0,77 % C; 727 ºC) (γ → α + F3C).
En los aceros la transformación
eutectoide es fundamental para
entender su metalurgia de estado
sólido y los tratamientos térmicos.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

A partir del diagrama Fe-C se
puede hacer una primer
clasificación de los aceros.
Aceros hipereutectoides:
% C > 0,8
Acero eutectoide: % C ≈ 0,8.
Aceros hipoeutectoides:
% C < 0,8.
Esta clasificación es muy útil desde
el punto de vista microestructural.
2
DIAGRAMA Fe-Fe3C
0,8

Las temperaturas de
transformación del diagrama
poseen nombres que se utilizan
tanto en los diagramas de fases
como en la tecnología de los
tratamientos térmicos:
A1: es la T del eutectoide o
primer T de transformación
(temperatura crítica inferior).
A3: es la T del límite del
campo α + γ con el campo γ
(temperatura crítica superior
para aceros hipoeutectoides).
Acm: es la T que indica la curva de
variación de solubilidad del C en γ
(temperatura crítica superior para aceros
hipereutectoides).
DIAGRAMA Fe-Fe3C

A1, A3 y Acm son fundamentales en
los diagramas de transformaciones
fuera del equilibrio (curvas TTT) y
en los tratamientos térmicos.
A2 y A4 no son de uso tan
frecuente.
A2: es la T de una transformación
de segundo orden en la cual el Fe
ferromagnético pasa al estado
amagnético (temperatura Curie).
A4: es la T del límite entre el
campo bifásico γ + δ y el campo
γ.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Las temperaturas reales de
transformación varían con la
velocidad de calentamiento o
enfriamiento.
En condiciones de equilibrio
termodinámico se denominan A1,
A3 y Acm.
Fuera del equilibrio se denominan:
• para el calentamiento Ac1, Ac3 y
Accm (del francés chauffage),
• para el enfriamiento Ar1, Ar3 y
Arcm (del francés refroidissement).
A mayor velocidad, hay mayor
diferencia entre las temperaturas de
equilibrio y las que se obtienen
fuera del equilibrio.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Solubilidad del C en γ
Como se puede ver en el
diagrama, la solubilidad del
C en la austenita es dos
órdenes de magnitud mayor
que en la ferrita.
Solubilidad del C en α
DIAGRAMA Fe-Fe3C
2,14
0,77
0,022

Solubilidad del C y del N
en el Fe
Ambos elementos
(intersticiales) son mucho
más solubles en la
austenita que en la ferrita.
A temperatura
ambiente el Fe
disuelve muy poco C
A la temperatura del
eutéctico el Fe
disuelve 2 % C
A la temperatura del
cambio alotrópico se
puede ver la
diferencia de
solubilidad del C en
α y γ.

La diferencia de solubilidad se
debe al tamaño de los intersticios
octaédricos entre ambas redes.
A pesar de ser más compacta y
tener una menor cantidad de
intersticios octaédricos, la red FCC
puede disolver mayor cantidad de
C, debido a que la red FCC posee
intersticios octaédricos más
grandes que la BCC.

La solubilidad de un intersticial no depende del número de intersticios
disponibles, sino de su tamaño.
A temperatura ambiente sólo una muy baja fracción de intersticios de la
red del Fe esta ocupada, y esto ocurre aún para aceros de alto C.
La diferencia de solubilidad del C entre las dos fases es fundamental
para entender los tratamientos térmicos de los aceros.
¡IMPORTANTE!
El hecho de poder solubilizar gran cantidad de C a alta temperatura en
la austenita y luego enfriar obligando a que ese C se reparta entre la
ferrita y la cementita permite obtener una gran variedad de estructuras
con diferentes propiedades. También mediante un enfriamiento
enérgico permite retener en solución sólida sobresaturada una gran
cantidad de C endureciendo intensamente el acero (martensita).
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Transformaciones de equilibrio durante el enfriamiento
desde el campo austenítico.
Aleación Fe-0,01%C
Estructura inicial a la temperatura
T1 >A3: austenita.
T1
TRANSFORMACIONES DE FASE
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,01%C
Al llegar a la A3 comienza a
nuclear ferrita en los bordes de
grano de la austenita
(tansformación alotrópica).
A3
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,01%C
A medida que la T baja, aumenta la
fracción de ferrita en detrimento de
la de austenita.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,01%C
Al llegar a la temperatura A1 se
tiene sólo ferrita. Esta estructura se
conserva sin cambios hasta que se
corta la curva de solubilidad del C
en la ferrita (solvus).
A1
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,01%C
Al tocar la curva de solvus comienza a
nuclear la cementita en los bordes de
grano de la ferrita. A medida que
desciende la temperatura aumenta la
cantidad de cementita debido a la
pérdida de solubilidad del carbono en α
según indica la curva de solvus.
Curva
de
solvus
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,01%C
La estructura a temperatura
ambiente está formada por granos
de ferrita equiaxial y una baja
fracción de cementita (terciaria) en
los bordes de grano de la ferrita.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Ejemplos de estructura de aceros de muy bajo C
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Ejemplos de estructura de aceros de muy bajo C
Cementita en bordes
de grano ferrítico
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,4%C
T1 > A3: austenita.
T1
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-0,4%C
Al llegar a la A3 comienza a nuclear
ferrita en los bordes de grano de la
austenita. A medida que la T baja,
aumenta la fracción de ferrita. Esta
ferrita se denomina proeutectoide.
DIAGRAMA Fe-Fe3C
A3

Aleación Fe-0,4%C
Justo antes de la A1 la austenita posee
la composición del eutectoide. La
ferrita posee aproximadamente 0,02
% C (máxima solubilidad de C en la
ferrita).
DIAGRAMA Fe-Fe3C
A1

Aleación Fe-0,4%C
Al cruzar A1 la austenita se
transforma en ferrita y cementita de
morfología laminar. Esta mezcla de 2
fases se denomina perlita (es el
microconstituyente eutectoide).
DIAGRAMA Fe-Fe3C
A1

Aleación Fe-0,4%C
El único cambio que ocurre desde A1
hasta la T ambiente es la precipitación
de una pequeña fracción de cementita a
causa de la disminución de la
solubilidad del C en la ferrita.
La estructura final está compuesta por
granos de ferrita proeutectoide
equiaxial, colonias perlíticas y algo de
cementita terciaria.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Ejemplos de la nucleación y crecimiento de la ferrita
proeutectoide y la perlita a partir de los granos de austenita
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Estructura de un acero
hipoeutectoide enfriado lentamente
Estructura de la perlita: láminas de
ferrita y de cementita.
Ferrita proeutectoide
Perlita
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-1,2%C
T1>Acm: austenita.
T1
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Aleación Fe-1,2%C
Al llegar a la Acm comienzan a
nuclearse cristales de cementita en los
bordes de grano de la austenita. La
fracción de cementita crece a medida
que baja la T (debido a la pérdida de
solubilidad del C en γ). Esta cementita
se denomina proeutectoide.
DIAGRAMA Fe-Fe3C
Acm

Aleación Fe-1,2%C
La cementita crece y forma una
envuelta o red o malla en los bordes
de grano de la austenita. Al llegar a
la A1 la composición de la austenita
es la del eutectoide.
DIAGRAMA Fe-Fe3C
A1

Aleación Fe-1,2%C
Al cruzar la A1 la austenita
transforma a perlita quedando una
estructura de cementita proeutectoide
en bordes de grano de la antigua
austenita y el resto es perlita.
DIAGRAMA Fe-Fe3C
A1

Aleación Fe-1,2%C
El único cambio que se produce al
bajar hasta la T ambiente es la
nucleación de una pequeña cantidad
de cementita adicional.
La estructura final esta formada por
cementita proeutectoide, perlita, y
algo de cementita terciaria.
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Ejemplos de estructuras de aceros hipereutectoides
enfriados lentamente desde el campo austenítico.
Red de cementita en los antiguos bordes
de grano de la austenita
Perlita
DIAGRAMA Fe-Fe3C

Estructuras típicas
de aceros de distinto
porcentaje de C
enfriados
lentamente desde el
campo austenítico
DIAGRAMA Fe-Fe3C

AUSTENITA FERRITA
0,10 % C 0,30 % C

0,50 % C 0,50 % C
0,70 % C 0,70 % C

0,80 % C 0,80 % C
1,20 % C 1,20 % C

Estructuras típicas de
aceros de distinto
porcentaje de C enfriados
lentamente desde el campo
austenítico

ACEROS – CLASIFICACIÓN POR COMPOSICIÓN QUÍMICA
AL CARBONO
ALEADOS
ACEROS
BAJO CARBONO (%C < 0,25)
MEDIO CARBONO (0,25 ≤ %C ≤ 0,55)
ALTO CARBONO (%C > 0,55)
BAJAALEACIÓN
(∑ %EA < 5)
MEDIAALEACIÓN
(5 ≤ ∑ %EA ≤ 10)
ALTAALEACIÓN
(∑ %EA > 10)
BAJO CARBONO
MEDIO CARBONO
ALTO CARBONO

Aceros al C: desde el punto de vista de la clasificación y normalización
de aceros, para que un acero se considere al C (no aleado):
• los porcentajes en peso de cada uno de sus elementos y
• la combinación de porcentajes en peso de algunos de ellos,
deben mantenerse por debajo de ciertos límites máximos.
Para cada uno de los elementos del acero existe un límite máximo,
lo mismo ocurre para la suma o combinación de ciertos elementos.
Cada norma posee su listado de límites máximos requeridos. Si bien no
hay coincidencia total entre las normas de diferentes países, las
diferencias son menores.
Aceros aleados: un acero se considera aleado cuando alguno de los
límites máximos descritos anteriormente es superado por el contenido
del elemento respectivo.

Valores mínimos
para que un acero
sea considerado
como aleado según
normas DIN.

Los aceros al C y de
baja aleación pueden
agruparse y estudiarse en
forma conjunta debido a
las similitudes en su
metalurgia:
• diagramas de fases en
equilibrio aplicables,
• transformaciones de
fases relevantes,
• tratamientos térmicos,
• etc.
Aceros al C
Baja aleación
( %EA < 5%)
Bajo C
(%C < 0,25%)
Medio C
(0,25 - 0,55%)
Alto C
(%C > 0,55%)

Por el contrario, los aceros de media y alta
aleación presentan varios grupos, cada uno
de los cuales requiere un estudio separado
debido a las notables diferencias que existen
entre sus respectivas metalurgias.
Aceros
aleados
Media aleación
(5 ≤ ∑ %EA ≤ 10)
Alta aleación
( %EA > 10%)
Bajo C
(%C < 0,25%)
Medio C
(0,25 - 0,55%)
Alto C
(%C > 0,55%)

ACEROS - CLASIFICACIÓN POR RESISTENCIA MECÁNICA
Según su tensión de fluencia, los aceros pueden clasificarse en los
siguientes grupos:
• Baja resistencia: Rp0,2 < 300 MPa
• Media resistencia: Rp0,2 entre 300 y 700 MPa
• Alta resistencia: Rp0,2 entre 700 y 1300 MPa
• Ultra alta resistencia: Rp0,2 > 1300 MPa (el límite máximo de
resistencia logrado en aceros está más allá de los 4 ó 5 GPa, aunque
esto sólo es alcanzable en alambres muy finos tratados especialmente).

Aceros típicos:
Aceros al carbono
• SAE 1020
• SAE 1045
• SAE 1070
Acero de corte libre
• SAE 12L14 (S – P)
Aceros de bonificación
• SAE 4140 (Cr – Mo)
• SAE 4340 (Cr – Mo – Ni)
Acero de cementación
• SAE 8620 (Cr – Mo – Ni)
Acero para rodamientos
• SAE 52100 (Cr)
Letras más empleadas
después de los primeros 2
dígitos:
• L (plomo)
• V (vanadio)
• B (boro)
Letra empleada después del
número:
• H (rango de propiedades
mecánicas garantizadas)
La norma SAE sólo garantiza una composición química, no
garantiza propiedades mecánicas.

ACEROS AL C Y DE BAJAALEACIÓN
Por su bajo costo y sus buenas propiedades, este tipo de aceros
son los más utilizados en la industria.
Siempre se utilizan este tipo de aceros excepto en casos donde
existan condiciones de servicio particulares:
• corrosión más o menos severa,
• alta temperatura o muy baja temperatura,
• altas exigencias de desgaste y/o de cargas de contacto,
• propiedades físicas muy particulares,
• etc.
Obviamente, los aceros al C son los más baratos y por eso son
los de mayor tonelaje producido.

Bajo C (< 0,25%)
Estructura:
• Principalmente ferrítica.
Propiedades:
• Resistencia mecánica baja a media
• Alta ductilidad
• Alta tenacidad (aunque presentan transición dúctil-frágil)
• Alta conformabilidad y soldabilidad
• Maquinabilidad: regular para niveles de C muy bajos, muy buena
para niveles de C mayores a 0,2 %

Bajo C (< 0,25%)
Endurecimiento:
• Por deformación en frío,
• Refinamiento de grano,
• Endurecimiento por precipitación (microaleantes),
• Temple y revenido (sólo para algunos aceros aleados).
• Endurecimiento superficial por carburación o carbonitruración.

Bajo C (< 0,25%)
Ejemplos de aceros al C y baja aleación de bajo C:
Aceros estructurales (utilizados en puentes, obra civil, tanques de
almacenamiento, recipientes a presión, etc.)
• Chapas para embutido y estampado (por ej. carrocerías de autos)
• Aceros para carburación y carbonitruración (piezas de
máquinas)
• Chapas de uso eléctrico (chapa de Acero al Si para transformadores
y otras máquinas eléctricas)
• Aceros microaleados (aleados con Nb, V, Ti, Al, N)
• Hojalata (chapa de acero recubierta con Sn. Industria de envases)

Aceros de medio C (0,25 - 0,55%)
Estructura:
• Variable dependiendo del tratamiento térmico.
• Gran variedad de tratamientos térmicos aplicables en este tipo de
aceros.
Propiedades:
• Resistencia mecánica media a ultra alta
• Ductilidad media a baja
• Tenacidad muy variable según la estructura, puede ser muy alta
• En este rango de C se obtiene la mejor combinación o compromiso
entre la resistencia mecánica y la tenacidad. La templabilidad
comanda este balance

Propiedades:
• Soldabilidad baja a medida que aumenta el % de C y en menor
medida el de aleantes.
• Maquinabilidad es muy buena en el rango inferior de C pero
disminuye por encima del 0,3 %C.
Endurecimiento:
• Principalmente por temple y revenido
La templabilidad limita el tamaño y forma de la pieza a tratar,
Existe una gran diferencia entre los aceros al C y los de baja
aleación.

Ejemplo:
Aceros para construcciones mecánicas se emplean para fabricar
piezas de máquinas.
Se usan para fabricar las piezas que conforman la cadena cinemática
y la cadena de transmisión de potencia de cualquier máquina (ejes,
árboles, bulones, engranajes, crucetas, levas, resortes, etc.).
También se usan para fabricar herramientas manuales, herramental
agrícola, y otras aplicaciones.

Aceros de alto C (> 0,55%)
Estructura:
• Carburos (de Fe u otros) globulares o laminares en una matriz
que depende del tratamiento térmico.
Propiedades:
• Resistencia alta a ultra alta
• Ductilidad baja
• Tenacidad baja
• Muy alta dureza y resistencia al desgaste y abrasión
• La conformabilidad, soldabilidad y maquinabilidad se deterioran
sensiblemente al aumentar el C.
• En consecuencia, los costos de fabricación aumentan.

Endurecimiento:
• Temple y revenido (templabilidad).
• En ciertos casos se emplean en estado normalizado pues su
dureza es alta.
La elección de este tipo de aceros se justifica sólo cuando exista la
necesidad de:
• una gran resistencia a ciertos tipos de desgaste,
• cargas de contacto muy altas,
• resistencia a la abrasión, o
• dureza alta sin necesidad de recurrir a un costoso temple y
revenido (pero sacrificando tenacidad).

Ejemplos:
• Aceros para rieles (resistencia al desgaste y a las cargas de
contacto, resistencia a la fatiga, bajo costo).
• Aceros para resortes (muy alta tensión de fluencia, resistencia a
la relajación de tensión, resistencia a la fatiga).
• Aceros para rodamientos (resistencia a las cargas de contacto y
a la fatiga de contacto, alta resistencia mecánica).
• Aceros para herramientas de conformado en frío de bajos
requerimientos (resistencia al desgaste y a las cargas de contacto).

Dos ejemplos de este tipo de aceros son:
• Aceros para uso criogénico (T < -30°C): bajo C; 2,5 a 9% Ni.
• Aceros para alta T (T > 350°C): aceros al Cr-Mo o Cr-Mo-V.
ACEROS DE MEDIAALEACIÓN
Algunos ejemplos de este grupo de aceros:
• Aceros inoxidables: al Cr, al Cr-Ni, al Cr-Mn-N.
• Aceros para herramientas: aceros de medio y alto C que poseen
alguno o varios de los aleantes Cr, Mo, V, W y Co.
• Aceros marageing: aceros de alta resistencia y alta tenacidad al
Ni-Co-Mo, endurecibles por precipitación.
• Aceros Hadfield: aceros austeníticos resistentes al desgaste
aleados con Mn.
ACEROS DE ALTAALEACIÓN

ACEROS DE MEDIA Y ALTAALEACIÓN
• Cada grupo de estos aceros tiene una metalurgia particular que
en general es bastante diferente de la de los aceros al C y de
baja aleación.
• Hay notables diferencias respecto de los aceros al C y de baja
aleación, tanto de los diagramas de fases en equilibrio
necesarios para entender sus transformaciones como de las
propiedades, tratamientos térmicos y comportamiento durante
el procesamiento.
• Su alto contenido de aleantes los hace bastante más caros que
los aceros al C y de baja aleación. Su uso se restringe a los
casos absolutamente necesarios donde sus propiedades
particulares compensen este mayor costo del material.
• Su tonelaje de producción es sólo una muy pequeña fracción
del total de aceros producidos. Aún así su existencia es
imprescindible.

Además del C, y aún en los aceros no aleados, existen siempre
otros elementos incorporados intencionalmente o no.
Entre ellos hay algunos que son fundamentales porque forman
parte del proceso de fabricación del acero y además se usan en la
mayoría de las especificaciones de aceros como control de su
calidad.
Para los aceros al carbono siempre figuran en las
especificaciones de la composición química, además de la
cantidad de carbono, las cantidades de silicio, manganeso,
fósforo y azufre.
OTROS ELEMENTOS PRESENTES EN LOS ACEROS

SILICIO
Proviene principalmente del mineral de Fe, pero durante el proceso
de afino se elimina y sólo queda una pequeña cantidad en el baño
líquido.
Sin embargo vuelve a agregarse para desoxidar al acero evitando la
acción efervescente. Esto da origen a los aceros semicalmados y
calmados.
Cuando su cantidad en el análisis de colada es menor a 0,05 % se
trata del residuo de Si que ha quedado del proceso de fabricación.
En cambio, cuando su cantidad es mayor que 0,05 % es señal de que
se ha agregado para desoxidar al acero. En este caso, su cantidad
generalmente es mayor a 0,1 %.
Por encima de 0,5 % directamente se considera al acero aleado al Si.
El Si tiene otros usos como aleante, en cuyo caso su proporción es
mayor a las mencionadas.

AZUFRE
Proviene principalmente del coque empleado en el alto horno y en
menor proporción del mineral, también del gas que se utiliza en la
reducción directa.
Es una de las dos impurezas principales y más frecuentes en los
aceros. En casi todas las especificaciones se impone un límite
máximo en su contenido. En la mayoría de los aceros este límite es
aproximadamente 0,025 %. En algunas aplicaciones es necesario
bajarlo más aún.
Una gran proporción se elimina en el alto horno. No se oxida durante
el afino del acero y se elimina durante la etapa de desoxidación. Se
necesita de procesos especiales para reducir su contenido hasta
niveles más bajos.
Hoy en día existen aceros con contenidos máximos garantizados de
sólo 0,001 %, que son utilizados cuando las condiciones de servicio
así lo justifiquen.

AZUFRE
En ausencia de Mn, el S segrega hacia los bordes de grano durante la
solidificación, donde aumenta su concentración y reacciona con el
hierro formando una red de FeS (el S tiene un coeficiente de
partición muy grande y por lo tanto tiene una gran tendencia a
segregar).
Este FeS forma con el Fe un eutéctico de bajo punto de fusión
(temperatura de fusión 988 ºC).
En estas condiciones el acero no puede ser calentado para su
trabajado en caliente pues ocurriría la fusión incipiente de los bordes
de grano donde se aloja el eutéctico (quemado del acero). Para
evitar este problema se recurre al Mn.
El S se usa como aleante en algunos aceros para mejorar la
maquinabilidad (aceros de corte libre, con S hasta ≈ 0,3 %).

A pesar de que evita la
formación del FeS, el MnS
deteriora la ductilidad y
tenacidad del acero.
Además crean anisotropía (pues
contribuyen al fibrado
mecánico).
La tendencia constante en aceros
de altos requerimientos es
disminuir el porcentaje de S.
En la medida en que se requiera
menor porcentaje, el costo del
acero sube.
AZUFRE

MANGANESO
Proviene del mineral de Fe, es eliminado en gran medida durante el
afino del acero.
Se vuelve a agregar invariablemente para contrarrestar el efecto
del S.
En presencia de Mn , el S forma MnS en preferencia del FeS.
El MnS no forma un eutéctico de bajo punto de fusión como lo hace
el FeS, posee una temperatura de fusión más alta que la del acero.
La tensión superficial del MnS en el Fe líquido es lo
suficientemente alta como para precipitar como partículas discretas,
no forman una red en los bordes de grano como en el caso del FeS.

Comparación de la morfología del FeS respecto de la del MnS

MANGANESO
Las partículas de MnS son un tipo de inclusiones no metálicas más
conocidas y frecuentes en los aceros.
Si bien tienen efectos negativos, estos son muy inferiores a los que
ocasionaría la presencia del FeS.
La tendencia es la de reducir la cantidad de inclusiones en los aceros,
lo que se consigue, entre otras cosas, mediante la reducción del S en
el baño líquido antes del colado.
El contenido de Mn en los aceros es muy variable, mínimo usual de
0,3 % cuando se lo usa sólo para contrarrestar el efecto del S.
A partir del 1,65 % el acero se considera aleado al Mn.
Existen aceros de hasta 14 % de Mn.
El Mn tiene muchos otros usos como aleante en los aceros.

FÓSFORO
Proviene del mineral de Fe. La proporción de P (P2O5) que contiene
el mineral depende de su tipo y calidad, los hay con muy bajo
contenido de P y también con alto contenido.
Junto con el S, es una de las dos impurezas principales y más
frecuentes en los aceros. En casi todas las especificaciones se
impone un límite máximo en su contenido (0,025 % en la mayoría
de los aceros).
El P se elimina durante la etapa de oxidación (afino) pues se oxida
fácilmente si se controlan ciertas condiciones en el proceso. Si se
necesita reducir su contenido hasta niveles muy bajos, entonces se
debe recurrir a procesos especiales de metalurgia secundaria que
encarecen el acero.

FÓSFORO
El P es uno de los principales endurecedores y fragilizadores por
solución sólida en los aceros ferríticos.
Sube la temperatura de transición dúctil-frágil de la ferrita. Además,
y al igual que el S, tiene un coeficiente de partición muy grande y
por lo tanto tiene una gran tendencia a segregar durante la
solidificación. Esto genera bandas segregadas muy frágiles
(bandas fantasmas).
Por otra parte, el P participa activamente en algunos fenómenos de
fragilización de alta T como la fragilización por revenido.
Además, junto con el S también es responsable del quemado del
acero. El Fe3P con el Fe forma un eutéctico que funde a 1050 ºC.
Al igual que el S, el P se usa como aleante en algunos aceros para
mejorar la maquinabilidad, en algunos casos junto con el S y
otros elementos (aceros de corte libre, P hasta ≈ 0,15 %).

ALUMINIO
Proviene del mineral de Fe, pero su óxido no se reduce fácilmente
de modo que casi no pasa al baño líquido en el alto horno.
Sin embargo se puede agregar, al igual que el Si, para desoxidar al
acero y convertirlo en un acero calmado de práctica de grano fino,
ya que el Al forma además AlN que controla el crecimiento del
grano austenítico durante los tratamientos térmicos.
Su contenido está en el orden de las decenas de ppm.
El Al posee otros usos como aleante, en cuyo caso se agrega en
mayores cantidades (por encima de 0,1% se consideran aceros
aleados al Al).
Es infaltable en los aceros que se emplean para nitrurar.

02_Aceros Intro 2011_clase_mod_5_rev01.pdf

Más contenido relacionado

Similar a 02_Aceros Intro 2011_clase_mod_5_rev01.pdf

Último

02_Aceros Intro 2011_clase_mod_5_rev01.pdf