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ALEACIONES FÉRREAS PARA INGENIERÍA

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ALEACIONES FÉRREAS PARA

INGENIERÍA

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Aleaciones férreas.1. ALEACIONES Fe-C. DIAGRAMA ESTABLE Y

METAESTABLE.

2. CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS.

3. TRANSFORMACIONES ISOTÉRMICAS DE LA AUSTENITA.

4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS.

5. ACEROS DE CONSTRUCCIÓN.

6.  ACEROS DE BAJA ALEACIÓN.

7. EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN EL DIAGRAMA DE FASES.

8. ACEROS INOXIDABLES Y REFRACTARIOS.

9.  FUNDICIONES.

10.  RESUMEN.

11. BIBLOGRAFÍA.

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1.ALEACIONES FE-C. DIAGRAMA ESTABLE Y METAESTABLE

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¿Qué es una aleación?

Entendemos por aleación a la mezcla homogénea de dos o más elementos en el que al menos uno es un metal.

Una de las mas importantes para nosotros es la de hierro y carbono, el acero.

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1 ALEACIONES Fe-C. DIAGRAMA ESTABLE Y METAESTABLE

El acero es una aleación de hierro con un pequeño porcentaje de carbono.

El hierro es uno de los materiales más importantes en nuestra sociedad, por su gran abundancia en la naturaleza.

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Diagrama Fe-C, estable y metaestable (Fe3C).

Austenita ssγ (0,8%deC)→ferrita-ssα(0,02%de C) +Cementita(Fe3C)(6,67%C)

Líquido(0,53%C)+ssδ(0,09%)→austenita(0,17%C)

Líquido (4,3%de C) →austenita (2%de C)+Fe3C(6,67% de C)

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Diagrama estable y metaestable.

Cuando tenemos una aleación hierro carbono con un porcentaje de C <2,08%, se le denomina acero. Zona metaestable del diagrama.

Si tenemos una aleación Con un porcentaje en C superior al 2.08% en inferior al 6,67%, tenemos una fundición. Zona estable del diagrama.

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Aleaciones hipoeutécticas e hipereutécticas

Un acero se denomina hipoeutéctoide si su porcentaje en carbono es inferior al 0,77% de carbono.

Un acero se denomina hipereutéctoide si presenta un porcentaje e carbono entre el 0,77% y 2,08% de carbono.

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Elementos alfágenos y gammágenos. En la práctica no se

suele utilizar hierro puro en las aleaciones.

Los elementos gammágenos disminuyen a temperatura eutéctoide.

Los alfágenos aumentan la temperatura eutectoide.

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2.CONSTITUYENTES DE LOS ACEROS

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Constituyentes de los aceros. En las aleaciones hierro carbono

podemos encontrar once constituyentes distintos, estos son: austenita, ferrita, cementita , perlita, martensita, troostita, sorbita, bainita, ledeburita, steadita y grafito.

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Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está

formada por una solución solida por inserción de carbono en hierro-gamma.

Posee una red cristalina FCC de mayor volumen por lo que disuelve mejor el carbono.

• Alguna de sus principales características son: dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30%.

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Ferrita. Se solución sólida de carbono en hierroα, pero la

solubilidad de este es muy pequeña y el porcentaje disuelto es mínimo, por lo que se considera hierro puro.

Cristaliza en una estructura BCC, se trata del más blando y dúctil.

Posee granos equiaxiales.

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Cementita . Se trata de carburo de hierro, (Fe3C), contiene un

6,67% de C. Posee una solubilidad despreciable. Red ortorrómbica Es el constituyente más duro y frágil del acero,

alcanza 68HRC.

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Perlita Compuesto eutectoide formado por un 13.5% de

cementita y un 86.5% de ferrita. Se presenta formando laminas paralelas alternas cuando el enfriamiento es muy lento. Lo que le da una gran dureza. En los aceros contiene mas ferríta que cementita e inversamente ocurre en las fundiciones.

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Troostita. Se trata de una mezcla de cementita y ferrita muy fina, que

se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica. Sus propiedades son intermedias entre la martensita y la sorbita.

Máxima descomposición de la austenita.

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Martensita. Es el más duro de los componentes después de la

cementita. A bajas velocidades de enfriamiento los átomos de carbono

se difunden hacia afuera y los átomos de hierro se mueven para formar una red cristalina BCC. Si aumenta la velocidad

de enfriamiento se forma la red tetragonal de la martensita.

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Sorbita. Es un agregado muy fino de cementita y

ferrita. Se produce al enfriar la austenita por debajo de la temperatura eutéctica.

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Bainita. Se produce por tratamiento isotermico de

la austenita entre 250ºC y 500ºC. Su estructura está formada por partículas de cementita con matriz ferrítica.

Formada por largas agujas de ferrita y placas de carbono.

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Grafito. Es la forma más estable del carbono. Es carbono

puro aunque puede contener impurezas de peróxido de hierro. Los depósitos de grafito se deben a depósitos carbonosos que quedan.

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Steadita. Compuesto intermetálico de hierro y

fósforo, contiene todo el fosforo de la fundición, se trata de un compuesto frágil y quebradizo.

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3.TRANSFORMACIONES ISOTÉRMICAS DE LA AUSTENITA

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Transformación de la austenitaEl diagrama de fases Fe-C

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Enfriamiento lento del acero eutectoide.

Al calentar a 750ºC un acero eutectoide y enfriarlo lentamente hasta su temperatura eutectoide, su estructura se transforma en austenita homogenea. Austenización.

Si posteriormente seguimos enfriando, a 723ºC, la austenita se transformará totalmente en ferrita α y cementita, Fe3C, formando una estructura laminar.

A esta estructura se le denomina Perlita.

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Transformaciones isotérmicas de la austenita

Con éste propósito se representan las transformaciones isotérmicas de la austenita en un diagrama denominado TTT o curva de la S. Éste puede construirse enfriando rápidamente la muestra en un baño y manteniéndola a temperatura controlada para medir el tiempo que tarda en comenzar y finalizar la transformación. Consideremos el caso de un acero eutectoide.

El gran interés de estudiar el componente austenita reside en que gran parte de las propiedades vienen determinados por las condiciones en las que la austenita se presente desde temperaturas elevadas hasta la temperatura ambiente a través del enfriamiento.

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Transformaciones isotérmicas de la austenitaEn dicho diagrama se

aprecian tres zonas:

1- En la zona superior se forman las estructuras perliticas:• Perlita gruesa:• Perlita fina:

2- En la zona intermedia aparecen:•Bainita•Esferoidita

3- En la zona inferior se forma:•Martensita

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Transformaciones de enfriamiento Continuo Los tratamientos térmicos isotérmicos no son prácticos,

por lo que la mayoría de los tratamientos se llevan a cabo mediante enfriamiento continuo hasta la temperatura ambiente

Las curvas denominadas TCC describen las transformaciones durante enfriamientos continuos, son similares a las curvas TT pero algo desplazadas

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Transformaciones isotérmicas de la austenita

- Perlita

-Bainita

-Martensita

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4.TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

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Se conoce como tratamiento térmico al proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones en estado sólido a temperaturas definidas, manteniéndolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general.

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Tratamientos térmicos de los aceros

Los principales tratamientos térmicos son: Temple: Es un tratamiento térmico que consiste en enfriar muy rápidamente,

la mezcla austenitica homogénea, que tenemos después de calentar el acero. Con este enfriamiento rápido se consigue un aumento de dureza.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Temple

La templabilidad de un acero es una propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza alcanzada al producirse un enfriamiento desde la zona austenitica. El ensayo mas utilizado es el ensayo Jominy.

Tambien cabe destacar un proceso llamado temple superficial que se usa para endurecer superficialmente ciertas piezas de acero conservando la tenacidad de su núcleo.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Revenido

 Tras el temple, los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles, esto se corrige con el proceso de revenido, este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior, luego se enfría al aire en aceite o agua.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Revenido

Debido a que tras el temple en ciertos aceros se presenta una austenita residual que produce cambios en las propiedades en el proceso de revenido, se ha podido llegar a la conclusión de que el revenido se hace en tres etapas:

-En la primera etapa se realiza a bajas temperaturas, menores de 300º y se precipita carburo de hierro épsilon con lo que el porcentaje de carbono en la martensita baja a 0.25%.

-En la segunda etapa, solo se presenta cuando hay austenita retenida en el micro estructura del acero, la cual se transforma en vainita, que al ser calentada a altas temperaturas también precipita en carburo de fierro, con formación final en cementita y ferrita.

-En la tercera etapa, el carburo de hierro que apareció en la primera etapa se transforma en cementita. Se rompe la cementita exterior, y a 600º la matriz queda constituida por ferrita. Al final la martensita se ha transformado en cementita y ferrita.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Recocido

De primer grado o subcrítico, el calentamiento de un metal dentro de una misma fase, y un posterior enfriamiento a una velocidad lenta, con el objetivo del recocido es ablandar el acero y regenerar su estructura. Normalmente son los aceros hipereutectoides, y algunos hipoeutectoides que se suelen recocer con austenizacion incompleta.

Los recocidos subcriticos (por debajo de la temperatura crítica inferior), se pueden dividir en tres clases:

- Recocido de ablandamiento.

- Recocido contra acritud.

- Recocido subcrítico globular.

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Recocido por ablandamiento

Se calienta el metal cerca de su temperatura crítica y se mantiene para enfirar posteriormente al aire.

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Recocido contra acritud.

Se realiza para eliminar esfuerzos producidos por deformaciones en frio.

Se calienta a menor temperatura que el anterior, manteniendo y enfriando en el horno.

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Recocido subcrítico globular.

Se aplica a los aceros que tienen un alto contenido en carbono y presentan dificultad en el mecanizado.

Se realiza a la tª más alta posible pero por debajo de la crítica, enfriando en el horno.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Recocido En el recocido de segundo género o de austenización

completa ,se calienta el material por encima del punto crítico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando. El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda.

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Tratamientos térmicos de los aceros. Normalizado

El normalizado se lleva a cabo al calentar el acero a unos 35º por encima de la temperatura critica superior, manteniéndolo un tiempo, posteriormente se enfría en aire estático hasta la temperatura ambiente, con esto se consigue un acero más duro y resistente. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en el recocido.

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5.ACEROS DE CONSTRUCCIÓN

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En función de sus propiedas mecánicas tenemos: Acero extra suave, sus principales aplicaciones son:

Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, herrajes, etc.

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Acero suave, y sus aplicaciones principales son: piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación en frío, herrajes, etc.

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Acero semisuave, cuyas principales aplicaciones son: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, tornillos, herrajes.

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Acero semiduro, este tipo de acero se emplea principalmente en: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

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Acero duro, sus principales usos son: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

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Denominación de los acerosEn la actualidad los aceros de denominan conforme a una norma Europea que esta definida con una letra S seguida de tres cifras. Por ejemplo:

S235 S275 S355

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Perfiles de los acerosLos tipos de perfil de acero estructural más comunes son:

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Aceros de alto límite elástico

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Aceros de alto límite elástico

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Acero Corten

Otro tipo de acero muy usual, es el acero Corten. Este material es un acero de tipo S235 o S355 al que mediante la adición de una serie de elementos de aleación, se consigue transformar su comportamiento frente a la corrosión.

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Acero CortenEl corten tiene gran aplicación en la construcción de esculturas, edificios con acero visto, puentes, etc.

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6.ACEROS DE BAJA ALEACIÓN

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Los aceros de baja aleación han de cumplir:

1-. Han de contener manganeso, silicio o cobre en cantidades mayores que los límites máximos del acero al carbono (1.65% Mn, 0.6%Si y 0.6% Cu).

2-.Tienen que tener especificado un mínimo de adición para uno o más de los restantes elementos. Los aceros de baja aleación tienen además un máximo contenido de aleantes incluido el carbono de un 8%.

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Los aceros recocidos y templadosTienen contenidos en carbono en el rango 0.1 a 0.45%, con contenidos en elementos aleantes, solos o en combinación, por encima de 1.5% de Mn, 55 de Ni, 3% de Cr, 1% de Mo, 0.5% de V y 0.1% de Nb.

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Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en:  Estructurales, Son aquellos aceros que se emplean

para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes.

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Para herramientas, aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales.

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Especiales: de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

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Aceros de baja aleación ultrarresistentes

Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero.

Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono.

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Vagón de mercancía(contenedor)

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7.EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN EL DIAGRAMA DE FASES

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Efectos de los elementos aleantes Al introducir elementos aleantes, el material del que

realizamos el diagrama de fase, cambia sus propiedades. Los cambios en las propiedades se traducen en cambios en el diagrama, ya que este nos muestra directamente algunas de sus características notables.

Algunos elementos aleantes modifican las características que afectan a la temperatura. Como ya sabemos de sobra la temeratura es algo que se representa directamente en un diagrama de fases. Las líneas de liquidus y solidus se trazan a partir de una determinada temperatura que previamente sabemos.

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Los elementos aleantes cambian, en un diagrama de fases, desde la curvatura de las líneas, hasta el área de una determinada fase.

Un diagrama de una aleación de hierro y carbono, con una concentración distinta de un elemento como el wolframio, varía en su forma y características. Esto es lógico, pues el diagrama de fase corresponderá a una aleación que aunque tenga los mismos componentes, no es la misma.

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8.ACEROS INOXIDABLES

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Aceros Inoxidables

Los aceros inoxidables son aleaciones que tienen una excelente resistencia a la corrosión. Esto se debe a su alto contenido en cromo en su estructura. Para obtener un acero inoxidable es requisito indispensable que este tenga, como mínimo, un 12% de cromo.

Lo inventó Harry Brearly por accidente.

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Harry Brearly

(*18 de febrero de 1871 – † 12 de agosto de 1948)

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Sus propiedades se deben a que el cromo forma una especie de película sobre la propia aleación de hierro-cromo, y que protege a esta última de la corrosión que pueda producir agentes externos, en particular los agentes oxidantes.

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Aceros inoxidables

Aceros inoxidables ferríticos.

Aceros inoxidables austeníticos.

Aceros inoxidables martensíticos.

Aceros inoxidables endurecidos por precipitación.

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Aceros inoxidables Ferríticos Son aleaciones binarias hierro-cromo que

tienen entre un 12% y un 30% de contenido en cromo.

Son llamados ferríticos porque en su estructura predomina la propia del hierro en condiciones normales.

Debido a sus propiedades intrínsecas son metales que enfrían desde altas temperaturas en soluciones sólidas de cromo y ferrita.

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Aceros inoxidables Ferríticos Los hay con alguna presencia de

carburos, que modifica ligeramente sus propiedades. Pierden resistencia a la corrosión.

Se están desarrollando nuevos aceros ferríticos que con unos niveles de carbono y de nitrógeno muy bajos mejoran notablemente la resistencia a la corrosión.

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Usos de los A.I. Ferríticos

Son baratos, ya que no contienen niquel. Muy usados en la construcción. Usados para realizar monedas. Con este material se realizan cubiertos.

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Aceros inoxidables Martensíticos Los aceros inoxidables martensíticos

son aleaciones de hierro-cromo que se caracterizan por tener entre un 12% y un 17% de este último, además de una fracción de carbono que va del 0,15% al 1%.

Su nombre lo reciben de la estructura del material.

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Aceros inoxidables Martensíticos Estas aleaciones sirven para optimizar el

material en resistencia , aunque su poder anticorrosión es bastante pobre comparada con los aceros inoxidables ferríticos.

Se usa principalmente para cuchillería y elementos quirúrgicos.

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Aceros inoxidables Austeníticos

Son aleaciones Terciarias de hierro, cromo y níquel.

Contenido entre un 16-25% de cromo y entre un 7-20% de níquel.

La presencia de níquel de permite retener la estructura FCC a temperatura ambiente, que le da la propiedad de tener una elevada conformabilidad.

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Aceros inoxidables Austeníticos

Mejor resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables ferríticos o los martensíticos.

Esto se debe a que su contenido en carburos, puede retenerse en solución sólida por enfriamiento rápido desde altas temperaturas.

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Aceros inoxidables Austeníticos

DEFECTO: si los enfrías lentamente desde temperaturas altas, son muy susceptibles de sufrir una corrosión intergranular.

Esto se debe a que los carburos del cromo contenidos en la aleación precipitan en los bordes de grano.

Esto se puede evitar descendiendo el porcentaje de carbono contenido a uno que ronde el 0,03% o añadiendo algún elemento aleante, como pueda ser el niobio.

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Aceros inoxidables Austeníticos

Industria química (gran resistencia a la corrosión)

Industria alimenticia Construcción civil

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Aceros Endurecidos por precipitación

Los aceros inoxidables endurecibles por precipitación son aleaciones de hierro, cromo y níquel. Lo que realmente distingue a estos aceros es la adición de ciertos elementos tales como Al, Ti, Mo y Cu, que dan lugar a la aparición de compuestos intermetálicos de manera controlada.

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Método endurecimiento (A partir de una matriz martensítica) Para ello se somete al material a un

tratamiento de solubilización a una temperatura de unos 1050ºC con posterior enfriamiento al aire, dando lugar a una matriz martensítica sobresaturada.

A continuación, se envejece el acero a una temperatura comprendida entre 455 y 565ºC, que da lugar a la precipitación de los compuestos intermetálicos endurecedores.

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Corrosión intergranular

Corrosión intergranular. Se produce al exponer a temperaturas entre 430 a 870°C.

Estas temperaturas se presentan en las proximidades de las zonas soldadas. Se forman carburos de cromo en los límites de los cristales de Austenita, empobreciendo la zona adyacente de este elemento (cromo) y quedando de esta forma expuesto a la corrosión.

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Una forma de evitar la corrosión intergranular es usar aceros de bajo contenido de carbono,y si las condiciones de temperatura son aún más altas se deben usar aceros estabilizados.

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Aceros Inoxidables en la zona

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9.FUNDICIONES

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FUNDICIONES

Hierro colado. Aleaciones ferrosas con una composición de C (2-5%) y de Si (1-3%).

Aleaciones más baratas. La más fluida de todas las aleaciones

moldeadas. Muy útil para la producción de piezas delgadas y de perfil complicado, lo que hace que sus aplicaciones en ingeniería sean muy diversas.

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PROPIEDADES DE LA FUNDICIÓN Temperaturas de fusión inferiores a las

de los aceros (1150-1300 °C). Idóneas para el moldeado.

Fáciles de mecanizar. Se alean para aumentar sus

propiedades mecánicas. Baja resistencia al impacto. Pequeña ductilidad.

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TIPOS DE FUNDICIONES

 

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FUNDICIÓN BLANCA

 

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FUNDICIÓN BLANCA

Elevada resistencia al desgaste y la abrasión.

De ellas se derivan las fundiciones maleables.

Hipoeutécticas.

Limitaciones:

-Resiliencia limitada.

-Difícil mecanizado.

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FUNDICIÓN BLANCA

Bolas de molino. Forros de machacadoras. Revestimiento de tolvas.

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FUNDICIÓN GRIS Carbono excede la cantidad que

puede disolverse en la austenita y precipita en hojuelas de grafito.

Solidifican según el diagrama estable.

Composición: 2,5-4% C y 1-3% Si. Velocidades de enfriamiento

moderadas dan lugar a la formación de una matriz perlítica.

Velocidades de enfriamiento bajas dan lugar a una matriz ferrítica.

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FUNDICIÓN GRIS

Bajo coste. Gran capacidad de mecanizado. Amortiguamiento vibracional.

Limitaciones:

-Frágiles.

-Baja resistencia a esfuerzos de tracción.

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FUNDICIÓN GRIS

Materiales destinados a soportar fuertes vibraciones (bloques de motor).

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FUNDICIÓN DÚCTIL Nodular o esferoidal. Fundición gris + magnesio.

Combina las ventajas de la fundición gris con las propiedades de los aceros.

Composición: 3-4% C, 1.8-2.8% Si, 0.03% S y 0.1% P.

Se forman nódulos esféricos de grafito durante la solidificación del hierro alrededor de una matriz de perlita.

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FUNDICIÓN DÚCTIL

Fabricación de componentes del automóvil:

-Válvulas.

-Engranajes.

-Bombas.

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FUNDICIÓN MALEABLE

Se obtienen a partir de las fundiciones blancas, calentando éstas a temperaturas de 800-900 º C en una atmósfera no oxidante.

La cementita se descompone formando (racimos) de grafito.

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FUNDICIÓN MALEABLE

TRATAMIENTO TÉRMICO:

1. Grafitización: se calienta la fundición blanca a 940 °C durante 3-20 horas. El carburo de hierro se transforma en grafito y austenita.

2. Enfriamiento: la austenita del hierro puede transformarse en tres tipos básicos de matrices (ferrita, perlita o martensita).

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FUNDICIÓN MALEABLE Hierro ferrítico: 740-760 °C y después

se enfría lentamente, transformándose la austenita en ferrita y grafito.

Hierro perlítico: 870 °C y después se enfría con aire. Éste rápido enfriamiento transforma la austenita en perlita, formándose nódulos de carbono en una matriz de perlita.

Hierro mastensítico: 845-870 °C durante 15-30 min., y templando en aceite agitado para desarrollar la matriz de martensita. Finalmente sufren un proceso de revenido 590-725 °C.

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FUNDICIÓN MALEABLE

Propiedades y aplicaciones parecidas a la fundición dúctil.

Temperaturas de fusión inferiores. Resistencia es inferior debido al mayor

tamaño de los nódulos de grafito.

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RESUMEN El acero, uno de los más comunes materiales en ingeniería, es

una aleación de hierro y carbono, enfriada muy lentamente. El acero como material de construcción es muy utilizado debido a su rápida colocación, y a sus óptimas propiedades de tracción.

El acero inoxidable es un material que resiste muy bien la corrosión de los elementos externos, característica que lo hace ideal para realizar elementos que quedan a la vista, ya que su brillo metálico no se ve afectado con el tiempo.

Las fundiciones son aleaciones moldeadas con una gran cantidad de aplicaciones industriales debido a su alta colabilidad lo que supone un fácil mecanizado de las mismas, aumentando la mayoría de las propiedades resistentes y dúctiles de las aleaciones ordinarias.

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http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm

http://www.slideshare.net/auladetecnologias/constituyentes-de-los-aceros-2481664