CLASIFICACION DE LOS ACEROS

Materiales Metálicos – 2do. Ingeniería Mecánica

Ing. Víctor Gómez

U. T. N

Facultad Regional Tucumán

EL CONJUNTO DE GUIAS DE ESTUDIO DE LA MATERIA MATERIALES METALICOS TIENE UN PROPOSITO ORIENTATIVO PARA EL ALUMNO. EL EXAMEN FINAL SE BASA EN EL PROGRAMA DE LA MATERIA

AcerosEn cualquier proyecto, debemos tener como premisas principales, el diseño y el calculo, en este ultimo debemos aplicar las reglas de la resistencia de materiales y conocer las condiciones física de los materiales. Para ello recordaremos lo siguienteDUREZA: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por otro material.RESISTENCIA: Se definen varias; por ejemplo, resistencia a la tracción, es la carga (fuerza) máxima por unidad de área que puede soportar el material al ser estirado. Los valores de resistencia son utilizados en todo lo referente al diseño.DUCTILIDAD : Capacidad que tiene un material para deformarse sin romperse cuando esta sometido a esfuerzos de tracción, por ejemplo el estirado de un alambre.MALEABILIDAD : Capacidad que presenta el material para soportar deformación sin rotura, sometido a compresión, caso de forja o laminado.FRAGILIDAD : Lo opuesto a la ductilidad. Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aun en cargas estáticas sin previo aviso. Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son medidas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor a ese valor es frágil.TENACIDAD : Es la energía absorbida por el material durante el proceso de deformación y ruptura; esta directamente relacionada con la resistencia y ductilidad. Por ejemplo, el vidrio, el hierro fundido y el acero endurecido son poco tenaces, por que sus ductilidades son muy bajas y en algunos casos casi cero, aunque tienen una buena resistencia al rayado (son duros). Un metal como el cobre es bastante tenaz, pues tiene una buena resistencia y una buena ductilidad. Mientras que una goma de mascar tiene menos tenacidad, ya que aunque la ductilidad es enorme su resistencia es muy baja.ELASTICIDAD : Capacidad de un material que ha sido deformado para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación. Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no puede pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su limite elástico.PLASTICIDAD : Capacidad que tiene un material de tomar nuevas formas y de quedarse en ellas.

CLASIFICACION DE LOS ACEROSGeneralidades sobre los diferentes puntos de vista.

Según el diagrama Fe / C.● - Aceros hipoeutectoides● - Aceros eutectoides● - Aceros hipereutectoidesEsta clasificación es muy utilizada a nivel teórico.Según el método de obtención .● - Aceros Siemens - Martins● - Aceros al Convertidor de oxigeno.● - Aceros eléctricos● - Aceros pudeladosSegún sus propiedades mecánicas: Normas.● - IRAM , DIN – UNE – SAE – ISO – ASTM – AISI. Según el contenido total de elementos de Aleación.● - Comunes al C – De baja aleación – De alta aleación – Especiales.Aceros especiales .● - Termoestables - Termorresistente - Inoxidables - Refractarios -Según su relación a la Templabilidad .● - Baja, Media y Alta Templabilidad.

Atendiendo al grado de desoxidación.● - Aceros calmados: Completamente desoxidados ● - Aceros efervescentes: Tienen una desoxidación incompleta por lo que contienen gases.Atendiendo a la estructura micrográfica .Para ello se observa la estructura que tienen después del normalizado, y pueden ser:● - Aceros perlíticos● - “ Austeníticos● - “ Martensíticos● - “ Ferríticos● - “ Lebeduríticos

► Aceros – Definiciones1) Aleación de Fe-C con un contenido de C, de hasta el 2,06% y estando el C en forma de carburo triférrico (C Fe ₃, cementita).2) Producto siderúrgico con un tenor de Carbono máximo de 2,06% exclusive.3) Producto resultante del afino del arrabio con chatarra de acero fundido en Hornos Siemens Martín, Eléctricos, al oxígeno, etc. 4) Producto resultante del afino del arrabio en Convertidores y hornos especiales.5) Producto resultante de la refusión de la chatarra de acero en hornos S. Martín, eléctricos, excepto en Convertidores.6) Aleación Fe-C prácticamente deformable, que puede contener hasta un 2% de C, además de otros elementos como impurezas como el silicio, manganeso, fósforo, azufre etc.►►►► Aceros comunes al carbonoEn estos aceros, el único elemento que interviene como aleante, es el C. No obstante, siempre existirán pequeñas cantidades de algunos elementos que en gral, tienen la consideración de impurezas y que provienen de diferentes fuentes. El FOSFORO, se disuelve en la ferrita y en menor medida en la austenita, posee un gran poder endurecedor.

%C σ R (Kg./cm2 E (Kg./cm2) A(%)Aceros extra dulces 0,05-0,15 32-38 20-24 34-28Aceros dulces 0,15-0,25 38-46 24-28 28-25Aceros semi dulces 0,25-0,40 46-55 28-32 25-22Aceros semi duros 0,40-0,60 55-65 32-38 22-18 Aceros Duros 0,60-0,70 65-75 38-45 18-14Aceros muy duros 0,70-0,80 75-85 45-50 14-8Aceros extra duros 0,80- 85-100 50-55 8-5

Aceros comunes al carbono : Los de bajo % de C son muy blandos y los de menos de 0,25% de C no adquieren temple por inmersión directa, si no han sido previamente cementados, a medida que crece el tenor de C, crece la resistencia y la dureza, disminuyendo la maleabilidad. Los ceros 1010 y 1015, de estructura ferritica no son usados donde se requiera resistencia, solidez o una buena terminación superficial. El trefilado y el laminado en frío, le aumentan ligeramente la dureza. Se emplean en piezas forjadas, embutidas y son soldables. El 1020 puede ser soldado a tope y estirado fácilmente, se lo utiliza como acero de cementacion. No tiene buena resistencia ni adquiere buena terminación. El 1025, maquina bien y obtiene aceptable dureza, cementado en caja. El 1030 adquiere temple en agua salada y toma buena dureza después de la cementacion. El 1035, no debe ser templado en agua, al menos que se trate de piezas de regular diámetro. Ambos maquinan bien y se los usan en un sinnúmero de elementos de maquinas. Los aceros 1040, 10445 y 1050, de tenor medio de C, se maquinan bien y adquieren buen temple. Se los usan piezas forjadas, espárragos bridas, palancas, tornillos, ejes, árboles, engranajes, etc. Los 1060 y 1070, templados al aire o en aceite, son destinados a cuchillas, chavetas, discos de embragues y para elementos elásticos, como arandelas de presión y aros de cierre. Los aceros 1080 y 1090, tienen gran dureza y elasticidad y se los aplica en resortes, eslabones de cadena, cuchillas, hojas de elásticos, discos y rejas de arados, chavetas, etc. Los aceros resulfurados y refosforados, de la serie 1100, conocidos como de tortillería o de corte libre, han surgido debido a la presencia del P que los hace mas quebradizos y al de azufre que facilitan el arranque de virutas aventajando a los de semejante contenido de C, en la producción en serie con maquinas automáticas. Por el contrario, como el azufre perjudica la maleabilidad no deben introducirse como chatarra en hornos de cubilote.

ACEROS ALEADOSLos elementos de aleación se añaden a los aceros para muchos propósitos, como ser:1) Aumentar la templabilidad.2) Mejorar la resistencia a temperaturas comunes.3) Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a bajas temperaturas.4) Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resist encia minima.5) Aumentar la resistencia al desgaste.6) Aumentar la resistencia a la corrosión.7) Mejorar las propiedades magnéticas.Los elementos de aleación pueden clasificarse e acuerdo en la forma como se distribuyen en los dos constituyentes principales de un acero recocido. Grupo 1 : Elementos que se disuelven en la ferrita –Grupo 2 : Elementos que se combinan con el Carbono para formar carburos simples o compuestos. Como la microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y aquella está determinada por el tratamiento y la composición química; uno de los sistemas más generalizados en la nomenclatura de los aceros es el que está basado en su composición química. En el sistema SAE y AISI, los aceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX. Los primeros dos números se refieren a los dos elementos de aleación mas importantes y los dos o tres últimos dígitos dan la cantidad de carbono presente en la aleación. Un acero 1040 AISI es un acero con 0.4%C; un acero 4340 AISI, es un acero aleado que contiene o.4%C, el 43 indica la presencia de otros elementos aleantes.

NORMAS: Las mismas nos dan al posibilidad de identificar a los aceros.Las convenciones para el primer dígito son:1 - CARBONO2 - NIQUEL3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el Níquel4 - MOLIBDENO5 - CROMO6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo7 - TUNGSTENO – COBALTO 8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno. .9 – MANGANESO, SILICIO.El segundo digito es la suma de los elementos aleantes. Ahora si hay un elemento que es preponderante con relación a los otros, indica el % de este elemento.(En algunos caso los aceros numerados 7xxx no figuran que estos aceros son resistentes al calor y prácticamente no se fabrican).Se observa entonces que si el primer número es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el dígito siguiente es el 0, o sea que la designación es 10xx, se trata de un acero ordinario al carbono.EJEMPLOS:SAE 1015: 1: Acero al C – 0: Ningún elemento aleante - 15: 0,15% de C.SAE 2350: 2: Acero al Ni – 3: 3% de Níquel – 50: 0,50% de C.SAE 3115: 3: Acero al Ni, Cr para cementacion – 1: 1% de Ni + Cr – 15: 0,15% de C.SAE 4140: 4: Acero al Mo – 1: 1% de Mo + Cr – 40: 0,40% de C.SAE 5245: 5: Acero al Cr – 2: 2% de Cr – 45: = 0,45% de C.SAE 6350: 6: Acero al Cr, Vanadio – 3: 3% de Cr + Va – 50: 0,50% de C.SAE 7160: 7: Acero al Wolframio o Tungsteno – 1: 1% de W – 60: 0,60 % de C.El carburo de W es un compuesto cerámico formado por W + C, composición química W3C hasta W6C, se usa como herramienta para trabajar el acero, se lo llama WIDIA, abreviatura del alemán “WIE DIAMANT” (Como el diamante). Por su dureza y escasa ductilidad se elaboro este material como polvo con un 6 al 10% de Co. Los granos del carburo tienen un diámetro de 0,5 a 1 micrón. Se los prensa a unos 15.000 bar y se los calienta a unos 1.650 ℃. La masa se compacta por sinterización actuando el Co como pegamento entre los granos de carburo. Se lo puede trabajar por electro corrosión. Escaso en la naturaleza, es duro y denso, tiene uno de los puntos de fusión mas alto 3.410 ℃.

DeCLASIFICACION DE LOS ACEROS SEGÚN NORMAS IRAM

SAE: SOCIETY OF AUTOMOTIVE ENGINEERS -DIN: DEUSTCHER INDUSTRIE NORMEN (Normas de la industria Alemana)

AISI: AMERICAN IRON AND STEEL INSTITUTE -ASTM: AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS

IRAM: INSTITUTO ARGENTINO DE RACIONALIZACION DE MATERIALES

ISO: ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL PARA LA ESTANDARIZACION UNE: UNIFICACION DE NORMATIVAS ESPAÑOLAS

Influencia de los elementos de aleación sobre el di agrama Fe / C : Cuando un tercer elemento es agregado a la combinación binaria Fe / C, los puntos críticos son alterados. La posición del punto eutectoide y la localización de los campos alfa y gamma son alterados. El Ni y el Mn tienden a disminuir la temperatura critica de calentamiento, en tanto, el Mo, Al, Si, W y el V, tienden a aumentarla. Este cambio en la temperatura, es importante en el tratamiento térmico de los aceros aleados, ya que aumentará o disminuirá la temperatura critica de endurecimiento comparada con la correspondiente a un acero ordinario. El punto eutectoide cambia de posición con respecto al diagrama Fe / C. Todos los elementos de aleación tienden a reducir el contenido de C del eutectoide, pero solo el Ni y el Mn reducen la temperatura eutectoide.. Aumentar las cantidades de Ni y Mn puede disminuir la temperatura critica lo suficiente para evitar la transformación de la austenita durante el enfriamiento lento, se conocen como elementos estabilizadores de la austenita. La austenita se retendrá a temperatura ambiente y representa a los aceros austeniticos inoxidables. Elementos como el Mo, Cr, Si, y el Ti, tienden a contraer la región pura austenitica aumentando el campo del Fe alfa. Grupo 1 : Elementos que se disuelven en la ferrita El Ni, Mn, Cu, Co , son formadores de austenita , (elementos gammagenos) por que su adición a la aleación Fe / C incrementa la temperatura a la que se transforma la martensita en ferrita delta y rebaja mucho las temperaturas de A ₃. Añadiendo suficiente cantidad de estos elementos, se incrementa elcampo de la austenita y la estructura centrada en las caras se hace estable a temperaturas ambiente. Estos elementos no forman carburos por lo que el C permanece disuelto en la austenita. Estos aceros tienen muchas propiedades útiles como materiales de alta estabilidad, resistencia y ductilidad, incluso a elevadas temperaturas. Grupo 2 : Elementos que se combinan con el Carbono para formar carburos simples o compuestos. El Cr, Mo, W, Va, Al y Si, tienen un efecto opuesto al precedente y son formadores de ferrita (elementos alfagenos). Estos elementos elevan la temperatura A ₃ y algunos forman carburos estables, estabilizando la ferrita con red cristalina centrada en el cubo, incluso a altas temperaturas.

Aceros al níquel (2XXX) : Al aumentar el tenor de C, los aceros adquieren una mayor resistencia, pero, tiene el inconveniente de volverlos quebradizos. Ello se soluciona agregando otros elementos que le dan el carácter de aleados. El Ni tiene ilimitada solubilidad en hierro gamma y es altamente soluble en ferrita, contribuyendo a la resistencia y tenacidad de esta fase. Disminuye las temperaturas criticas del acero y amplia el intervalo de temperatura para un tratamiento térmico exitoso, retarda la descomposición de la austenita y no forma carburos que puedan disolverse con dificultad durante la austenizacion. El Ni reduce el contenido de C del eutectoide, por lo tanto, la estructura de los aceros no endurecidos al Ni contiene mayor cantidad de perlita que los aceros al C no aleados, lo que permite obtener niveles de resistencia con inferiores contenidos de C, incrementando la tenacidad, la plasticidad y la resistencia a la fatiga. Estos aceros son altamente adecuados para aceros estructurales de gran resistencia que se utilizan para laminado o grandes forjas. Estos aceros contienen menos del 5% de Ni, 4% de Cr y 0,50% de C. Responden mejor a los tratamientos térmicos y son usados como aceros de cementacion, cuando se requiere tenacidad en el núcleo. El Ni solo, tiene un leve efecto sobre la templabilidad, pero es relevante para mejorar la tenacidad. El Ni es un elemento costoso por lo que en algunos casos es reemplazado por aceros mas económicos de la serie 86XX. (aceros al Ni, Cr, Mo).Aceros al Cromo (5XXX) : El Cr es un elemento de aleación menos costoso que el Ni, forma carburos simples o complejos, los cuales tienen alta dureza y buena resistencia al desgaste. El Cr es soluble hasta un 13% en hierro gamma y una solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los de bajo C el Cr entra en solución con la Ferrita aumenta su resistencia y tenacidad. Los aceros de alto Cr, mas del 5%, son conocidos como aceros ferriticos y elevan en el diagrama Fe / C el punto eutectoide (es 721℃ y llega a unos 900℃). Loa aceros serie 51XX contienen entre 0,15 a 0,6% de C y o,70 a 1,15% de Cr, los aceros de esta serie, generalmente se carburizan por lo que presentan una superficie dura pero la tenacidad en la parte interna no es tan alta como en los aceros al Ni. Al medio C estos aceros toman temple en aceite y se utilizan para resortes, tornillos para motores. El acero 52100 al alto C (1%) y 1,5% de Cr tienen gran dureza y resistencia al desgaste por lo que se los utiliza para cojinetes de bolas y rodillos. Un tipo especial de este acero es el de 1% de C y 2 al 4% de Cr de excelentes propiedades magnéticas y se lo emplea para imanes permanentes.

ACEROS INOXIDABLES - AISI

Dureza elevada, alta resistencia mecánica pero menor resistencia a la corrosión.

12Cr420Martensíticos

Resistencia a la oxidación en altas Temperaturas

11Cr409

Resistencia a la corrosión moderada.16Cr430

Ferríticos

Mayor resistencia a la corrosión que el 304 en medios salinos.

18Cr – 12Ni –2,5Mo

316

Excelente resistencia a la corrosión.18Cr – 8Ni304

Austeníticos

CaracterísticasComposición

básica (%)Aceros típicos Tipos de cero

La resistencia a la corrosión se debe a una película delgada, adherente, estable de oxido de cromo o de oxido de níquel, que se forma con el oxigeno del aire y que protege al acero de los medios corrosivos. Esta propiedad no aparece en los aceros de bajo cromo, existe solo cuando el contenido de cromo excede el 10%. También, cuando mas alto es el contenido de C, decae la propiedad de inoxidable en estos aceros, por este motivo el % de C debe ser lo mas bajo posible

CLASIFICACION DE LOS ACEROS INOXIDABLESLos aceros inoxidables no son indestructibles, sin embargo con una selección cuidadosa, sometiéndolos a procesos de transformación adecuados y realizando una limpieza periódica, algún integrante de la familia de los aceros inoxidables resistirá las condiciones corrosivas y de servicio más severas. ● Serie 400 - Aceros Inoxidables Martensíticos.Se emplean después de un temple en aceite a 1000 – 1050 ℃ y un revenido a temperaturas de 180 – 200 ℃.Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%.Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 – Dureza elevada. Alta resistencia mecánica. Baja resistencia a la corrosión y 431.Las propiedades básicas son: Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico) y gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada.Principales aplicaciones: Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería. ● Serie 400 - Aceros Inoxidables Ferríticos.Llevan un temple en aceite a temperaturas de 1000 – 1100 ℃ y un revenido a 700 – 750 ℃.También se consideran simplemente al Cromo, su contenido varia de 12 a 18%, pero el contenido de Carbono es bajo <0.2%.Los tipos más comunes son el AISI 430 – Resistencia a la corrosión moderada. 409 – Resistencia a la corrosión a altas temperaturas y 434Las propiedades básicas son: Buena resistencia a la corrosión. La dureza no es muy alta y no pueden incrementarla por tratamiento térmico.Principales aplicaciones: Equipo y utensilios domésticos y en aplicaciones arquitectónicas y decorativas. ● Serie 300 - Aceros Inoxidables Austeníticos.Para obtener la estructura austenitica, se templa en agua desde temperaturas de 1100 – 1150 ℃, con lo que se consigue una gran resistencia a la corrosión.Son los más utilizados por su amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varia de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.Los tipos más comunes son el AISI 304 – Excelente resistencia a la corrosión, 304L, 316 – Mas resistente que el 304, 316L, 310 y 317.Las propiedades básicas son: Excelente resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene - limpieza, fáciles de transformar, excelente soldabilidad, no se endurecen por tratamiento térmico, se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas temperaturas.Principales aplicaciones: Utensilios y equipo para uso doméstico, hospitalario y en la industria alimentaria, tanques, tuberías, etc.

CLASIFICACION POR TEMPLABILIDADa) De bajo % de carbono, para cementar1) De baja templabilidad (series SAE 4000, 5000, 5100, 6100 y 8100)2) De templabilidad intermedia (series SAE 4300, 4400, 4500, 4600, 4700, 8600 y 8700)3) De alta templabilidad (series SAE 4800 y 9300).Estos últimos se seleccionan para piezas de grandes espesores y que soportan cargas mayores. Los otros para piezas pequeñas, de modo que en todos los casos el temple se pueda efectuar en aceite. La dureza del núcleo depende del % de C básico y de los elementos aleantes. Esta debe ser mayor cuando se producen elevadas cargas de compresión, de modo de soportar las deformaciones de la capa. Cuando lo esencial es la tenacidad, lo más adecuado es mantener baja la dureza del núcleo.

b) De alto % de carbono, para temple directo.1) Contenido de carbono nominal 0,30-0,37 %: pueden templarse en agua para piezas de secciones moderadas o en aceite para las pequeñas. Ejemplos de aplicación: bielas, palancas, puntas de ejes, ejes de transmisión, tornillos, tuercas.

4320, 4718, 4817, 4820, 8625, 8627, 8822, 9310, 94B15, 94B17 Alta templabilidad

4032, 4427, 4620, 4621, 4720, 4815, 8617, 8620, 8622, 8720 Media templabilidad

4012, 4023, 4027, 4028, 4418, 4419, 4616, 4617, 5015, 5115, 6118, 8615 Baja templabilidad

Acero SAENecesidad de núcleo

SAE 4135, 4137, 8637 y 94B30Media templabilidad

SAE 1330, 1335, 4037, 4130, 5130, 5132, 5135 y 8630Baja templabilidad

2) Contenido de carbono nominal 0,40-0,42 %: se utilizan para piezas de medio y gran tamaño que requieren alto grado de resistencia y tenacidad. Ejemplos de aplicación: ejes, paliers, etc., y piezas de camiones y aviones.

3) Contenido de carbono nominal 0,45-0,50 %: se utilizan en engranajes y otras piezas que requieran alto dureza, resistencia y tenacidad.

4) Contenido de carbono nominal 0,50-0,60 %: se utilizan para resortes y herramientas manuales.

5) Contenido de carbono nominal 1,02 %: se utilizan para pistas, bolillas y rodillos de cojinetes yotras aplicaciones en las que se requieren alta dureza y resistencia al desgaste. Comprende tres tipos de acero, cuya templabilidad varía según la cantidad de cromo que contienen.

SAE 4340.Alta templabilidad

SAE 4140, 4142, 50B40, 8640, 8642 y 8740.Media templabilidad

SAE 1340, 4047 y 5140.Baja templabilidad

SAE 4161, 8655 y 8660.Alta templabilidad

SAE 50B50, 5060, 50B60, 5150, 5155, 51B60, 6150, 8650, 9254, 9255 y 9260.Media templabilidad

SAE 4150 y 86B45.Alta templabilidad

SAE 4145, 5147, 5150, 81B45, 8645 y 8650.Media templabilidad

SAE 5046, 50B44, 50B46 y 5145.Baja templabilidad

SAE 52100Alta templabilidad

SAE 51100Media templabilidad

SAE 50100Baja templabilidad