Materiales Metálicos – 2do. Ingeniería Mecánica
CLASIFICACION DE LOS ACEROS
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
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
Aceros
En 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 siguiente
DUREZA: 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 ACEROS
Generalidades sobre los diferentes puntos de vista.
Según el diagrama Fe / C.
●
- Aceros hipoeutectoides
●
- Aceros eutectoides
●
- Aceros hipereutectoides
Esta clasificación es muy utilizada a nivel teórico.
Según el método de obtención.
●
- Aceros Siemens - Martins
●
- Aceros al Convertidor de oxigeno.
●
- Aceros eléctricos
●
- Aceros pudelados
Según 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 – Definiciones
1) Aleación de Fe-C con un contenido de C, de hasta el 2,06% y estando el C en forma de carburo tri
férrico (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 carbono
En 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.
Aceros extra dulces
Aceros dulces
Aceros semi dulces
Aceros semi duros
Aceros Duros
Aceros muy duros
Aceros extra duros
%C
0,05-0,15
0,15-0,25
0,25-0,40
0,40-0,60
0,60-0,70
0,70-0,80
0,80-
σ R (Kg./cm2
32-38
38-46
46-55
55-65
65-75
75-85
85-100
E (Kg./cm2)
20-24
24-28
28-32
32-38
38-45
45-50
50-55
A(%)
34-28
28-25
25-22
22-18
18-14
14-8
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 ALEADOS
Los 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 resistencia 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 - CARBONO
2 - NIQUEL
3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el Níquel
4 - MOLIBDENO
5 - CROMO
6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo
7 - 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 ℃.
De
CLASIFICACION
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 diagrama 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 el
campo 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
Tipos de cero
Austeníticos
Ferríticos
Martensíticos
Aceros típicos
Composición
básica (%)
304
18Cr – 8Ni
316
18Cr – 12Ni –
2,5Mo
430
16Cr
Resistencia a la corrosión moderada.
409
11Cr
Resistencia a la oxidación en altas
Temperaturas
420
12Cr
Dureza elevada, alta resistencia mecánica
pero menor resistencia a la corrosión.
Características
Excelente resistencia a la corrosión.
Mayor resistencia a la corrosión que el 304
en medios salinos.
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 INOXIDABLES
Los 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 434
Las 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 TEMPLABILIDAD
a) De bajo % de carbono, para cementar
1) 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.
Necesidad de núcleo
Acero SAE
Baja templabilidad
4012, 4023, 4027, 4028, 4418, 4419, 4616, 4617, 5015, 5115, 6118, 8615
Media templabilidad
4032, 4427, 4620, 4621, 4720, 4815, 8617, 8620, 8622, 8720
Alta templabilidad
4320, 4718, 4817, 4820, 8625, 8627, 8822, 9310, 94B15, 94B17
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.
Baja templabilidad
SAE 1330, 1335, 4037, 4130, 5130, 5132, 5135 y 8630
Media templabilidad
SAE 4135, 4137, 8637 y 94B30
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.
Baja templabilidad
SAE 1340, 4047 y 5140.
Media templabilidad
SAE 4140, 4142, 50B40, 8640, 8642 y 8740.
Alta templabilidad
SAE 4340.
3) Contenido de carbono nominal 0,45-0,50 %: se utilizan en engranajes y otras piezas que requieran alto dureza,
resistencia y tenacidad.
Baja templabilidad
SAE 5046, 50B44, 50B46 y 5145.
Media templabilidad
SAE 4145, 5147, 5150, 81B45, 8645 y 8650.
Alta templabilidad
SAE 4150 y 86B45.
4) Contenido de carbono nominal 0,50-0,60 %: se utilizan para resortes y herramientas manuales.
Media templabilidad
SAE 50B50, 5060, 50B60, 5150, 5155, 51B60, 6150, 8650, 9254, 9255 y 9260.
Alta templabilidad
SAE 4161, 8655 y 8660.
5) Contenido de carbono nominal 1,02 %: se utilizan para pistas, bolillas y rodillos de cojinetes y
otras 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.
Baja templabilidad
SAE 50100
Media templabilidad
SAE 51100
Alta templabilidad
SAE 52100