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Articulo de referencia

Acero carbono

El acero al carbono ( EE. UU. ) o acero sin alear (Europa) es un acero con un contenido de carbono de aproximadamente 0,05 a 2,1 por ciento en peso. La definición de acero al ca...

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El acero al carbono ( EE. UU. ) o acero sin alear (Europa) es un acero con un contenido de carbono de aproximadamente 0,05 a 2,1 por ciento en peso. La definición de acero al carbono del Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) establece:

  • No se especifica ni se requiere un contenido mínimo de cromo , cobalto , molibdeno , níquel , niobio , titanio , tungsteno , vanadio , circonio o cualquier otro elemento que se agregue para obtener un efecto de aleación deseado, o
  • el mínimo especificado para el cobre no supera el 0,40%, o
  • El contenido máximo especificado para cualquiera de los siguientes elementos no excede los porcentajes indicados: manganeso 1,65 %, silicio 0,60 %, cobre 0,60 %. [ 1 ]

La adición de cantidades significativas de otros metales, como níquel, cromo, vanadio y molibdeno, cambia la definición del material de acero al carbono a acero aleado .

A medida que aumenta el porcentaje de carbono, el acero adquiere mayor dureza y resistencia mediante tratamiento térmico ; sin embargo, se vuelve menos dúctil . Independientemente del tratamiento térmico, un mayor contenido de carbono reduce la soldabilidad . En los aceros al carbono, un mayor contenido de carbono disminuye el punto de fusión. [ 2 ]

El acero con alto contenido de carbono tiene muchos usos, principalmente en aplicaciones donde la resistencia media y el bajo costo del material son factores importantes, entre ellos: alambres de acero de alta resistencia, resortes, pernos, herramientas de jardinería y agrícolas, cinceles y hachas para madera.

Propiedades

El acero al carbono se suele dividir en dos categorías principales: acero con bajo contenido de carbono y acero con alto contenido de carbono. También puede contener otros elementos, como manganeso, fósforo, azufre y silicio, que pueden afectar a sus propiedades. El acero con bajo contenido de carbono se mecaniza y suelda fácilmente, lo que lo hace versátil y adecuado para diversas aplicaciones que requieren una resistencia razonable y un bajo coste de material, como paneles de carrocería, pasarelas, barandillas, muebles de jardín/bancos de parque, clavos, puertas, etc. El acero con mayor contenido de carbono es más difícil de mecanizar y mucho menos adecuado para soldar, pero puede someterse a tratamiento térmico para mejorar su resistencia, dureza y durabilidad.

El acero al carbono es susceptible a la oxidación y la corrosión, especialmente en ambientes con alta humedad y/o salinidad. Se puede proteger de la corrosión recubriéndolo con pintura, barniz u otro material protector. Alternativamente, se puede fabricar con una aleación de acero inoxidable que contiene cromo, lo que le confiere una excelente resistencia a la corrosión. El acero al carbono se puede alear con otros elementos para mejorar sus propiedades, como la adición de cromo y/o níquel para aumentar su resistencia a la corrosión y la oxidación, o la adición de molibdeno para mejorar su resistencia y tenacidad a altas temperaturas.

Tipo

Acero dulce o con bajo contenido de carbono

El acero dulce (hierro con un pequeño porcentaje de carbono, fuerte y tenaz, pero difícil de templar), también conocido como acero al carbono simple o acero bajo en carbono, es actualmente la forma más común de acero debido a su precio relativamente bajo y a que ofrece propiedades adecuadas para numerosas aplicaciones. El acero dulce contiene aproximadamente entre un 0,05 % y un 0,30 % de carbono [ 1 ] , lo que lo hace maleable y dúctil. Si bien tiene una resistencia a la tracción relativamente baja, es económico y fácil de conformar. La dureza superficial puede incrementarse mediante carburización [ 3 ] .

La densidad del acero dulce es aproximadamente 7,85 g/cm³ ( 7850 kg /m³ ; 0,284 lb/pulg³ ) [ 4 ] y el módulo de Young es 200 GPa (29 × 10⁶ psi ) . [ 5 ]     

Los aceros de bajo carbono [ 6 ] presentan un límite elástico irregular, donde el material tiene dos límites elásticos . El primer límite elástico (o límite elástico superior) es más alto que el segundo, y el límite elástico cae drásticamente después del límite elástico superior. Si un acero de bajo carbono se somete a tensión solo hasta un punto entre el límite elástico superior e inferior, la superficie desarrolla bandas de Lüder . [ 7 ] Los aceros de bajo carbono contienen menos carbono que otros aceros y son más fáciles de conformar en frío, lo que facilita su manipulación. [ 3 ] Las aplicaciones típicas del acero de bajo carbono son piezas de automóviles, tuberías, construcción y latas de alimentos. [ 8 ]

Acero de alta resistencia

Los aceros con un contenido de carbono superior al 0,3 % pueden modificar su dureza y resistencia a la tracción mediante tratamiento térmico. El calentamiento a aproximadamente 850 °C, seguido de un enfriamiento rápido en agua o aceite, aumenta la dureza y la resistencia a la tracción, pero también reduce la maleabilidad, aumenta la fragilidad y hace mucho más probables las fracturas y roturas. Para reducir estos problemas de fragilidad sin sacrificar la dureza y la resistencia a la tracción , los aceros de bajo o medio contenido de carbono se alean con otros metales. Estos aceros aleados también requieren un tratamiento térmico específico para lograr las propiedades mecánicas necesarias, y la relación entre resistencia a la tracción /dureza y maleabilidad persiste, pero en menor medida que en el acero al carbono de baja aleación. Los componentes de aleación incluyen cromo , molibdeno , silicio , manganeso , níquel y vanadio . La relativa escasez y el alto coste de estos metales en comparación con el hierro es lo que limita principalmente su uso.

Aceros con alto contenido de carbono

Los aceros al carbono que pueden someterse con éxito al tratamiento térmico tienen un contenido de carbono en el rango de 0,30–1,70% en peso. Las impurezas traza de varios otros elementos pueden afectar significativamente la calidad del acero resultante. Cantidades traza de azufre en particular hacen que el acero sea rojo-corto , es decir, quebradizo y desmenuzable a altas temperaturas de trabajo. El acero al carbono de baja aleación, como el grado A36 , contiene alrededor de 0,05% de azufre y se funde alrededor de 1426–1538 °C (2600–2800 °F) . [ 9 ] El manganeso se agrega a menudo para mejorar la templabilidad de los aceros de bajo carbono. Estas adiciones convierten el material en un acero de baja aleación según algunas definiciones, pero la definición de acero al carbono de AISI permite hasta 1,65% de manganeso en peso. Hay dos tipos de aceros de carbono superior que son el acero de alto carbono y el acero de ultra alto carbono. La razón del uso limitado del acero con alto contenido de carbono es su escasa ductilidad y soldabilidad, así como su elevado coste de producción. Las aplicaciones más adecuadas para este tipo de acero son la industria de los muelles, la industria agrícola y la producción de una amplia gama de alambres de alta resistencia. [ 10 ] [ 11 ]  

Clasificación

Existen diferentes clasificaciones de acero sin alear.

Norma estadounidense AISI/SAE

El acero al carbono se divide en cuatro clases según su contenido de carbono: [ 1 ]

  • El acero bajo en carbono tiene un contenido de carbono de 0,05 a 0,15 % (acero al carbono simple). [ 1 ]
  • El acero de carbono medio tiene aproximadamente un 0,3-0,5 % de contenido de carbono. [ 1 ] Equilibra la ductilidad y la resistencia, y posee buena resistencia al desgaste. Se utiliza para piezas grandes, forja y componentes de automoción. [ 12 ] [ 13 ]
  • Los aceros con alto contenido de carbono, por ejemplo las aleaciones 1075 (C75) y 1095, tienen aproximadamente entre 0,6 y 1,0 % de carbono. [ 1 ] Estos aceros son muy resistentes y se utilizan para productos como resortes, herramientas de corte y alambres de alta resistencia. [ 14 ]
  • Los aceros de ultra alto contenido de carbono tienen aproximadamente entre 1,25 y 2,0 % de carbono. [ 1 ] El acero D2, con un contenido de carbono del 1,5 %, entra en esta categoría. Los aceros UHC pueden templarse para alcanzar una gran dureza y se utilizan para fines especiales como cuchillos (no industriales), ejes y punzones . La mayoría de los aceros con más del 2,5 % de carbono se fabrican mediante metalurgia de polvos .

EN10020

La norma EN 10020 clasifica los aceros no aleados en dos grupos principales:

  • Aceros de calidad sin alear: Son el tipo más común de aceros sin alear utilizados para fines estructurales generales y están ampliamente disponibles. Sus propiedades están garantizadas, pero con tolerancias más amplias que las de los aceros especiales. Algunos ejemplos son los aceros estructurales S235, S275 y S355, definidos en la norma EN 10025.
  • Aceros especiales sin aleación: Estos aceros se fabrican con un mayor grado de pureza y una composición química controlada con mayor precisión. Están diseñados para aplicaciones que requieren propiedades específicas y consistentes, que a menudo se logran mediante tratamientos térmicos como el temple y el revenido. Un ejemplo serían los aceros utilizados para piezas de maquinaria o engranajes.

Tratamiento térmico

Diagrama de fases hierro-carbono , que muestra los rangos de temperatura y carbono para ciertos tipos de tratamientos térmicos.

El objetivo del tratamiento térmico del acero al carbono es modificar sus propiedades mecánicas, generalmente la ductilidad, la dureza, el límite elástico o la resistencia al impacto. Cabe destacar que la conductividad eléctrica y térmica solo se ven ligeramente alteradas. Al igual que con la mayoría de las técnicas de endurecimiento del acero, el módulo de Young (elasticidad) permanece inalterado. Todos los tratamientos del acero implican una reducción de la ductilidad a cambio de una mayor resistencia, y viceversa. El hierro presenta una mayor solubilidad para el carbono en la fase austenítica ; por lo tanto, todos los tratamientos térmicos, excepto la esferoidización y el recocido de proceso, comienzan calentando el acero a una temperatura en la que puede existir la fase austenítica. A continuación, el acero se enfría (se extrae el calor) a una velocidad moderada o baja, permitiendo que el carbono se difunda fuera de la austenita formando carburo de hierro (cementita) y dejando ferrita, o bien a una velocidad alta, atrapando el carbono dentro del hierro y formando así martensita. La velocidad a la que se enfría el acero a través de la temperatura eutectoide (aproximadamente 727 °C o 1341 °F ) afecta la velocidad a la que el carbono se difunde fuera de la austenita y forma cementita. En términos generales, un enfriamiento rápido dejará el carburo de hierro finamente disperso y producirá una perlita de grano fino y un enfriamiento lento dará una perlita más gruesa. El enfriamiento de un acero hipoeutectoide (menos del 0,77 % en peso de C) da como resultado una estructura lamelar-perlítica de capas de carburo de hierro con ferrita α (hierro casi puro) entre ellas. Si es un acero hipereutectoide (más del 0,77 % en peso de C), entonces la estructura es perlita completa con pequeños granos (mayores que la lámina de perlita) de cementita formados en los límites de grano. Un acero eutectoide (0,77 % de carbono) tendrá una estructura perlítica en todos los granos sin cementita en los límites. Las cantidades relativas de los constituyentes se encuentran utilizando la regla de la palanca . A continuación se presenta una lista de los tipos de tratamientos térmicos posibles:  

Esferoidización
La esferoidita se forma cuando el acero al carbono se calienta a aproximadamente 700 °C (1300 °F) durante más de 30 horas. Puede formarse a temperaturas más bajas, pero el tiempo necesario aumenta drásticamente, ya que se trata de un proceso controlado por difusión. El resultado es una estructura de varillas o esferas de cementita dentro de la estructura primaria (ferrita o perlita, según el lado del eutectoide en el que se encuentre). El objetivo es ablandar los aceros con mayor contenido de carbono y permitir una mayor conformabilidad. Esta es la forma más blanda y dúctil del acero. [ 15 ]  
Recocido completo
Un acero al carbono hipoeutectoide (con una composición de carbono menor que la eutectoide) se calienta a aproximadamente 30 a 50 °C (54 a 90 °F) por encima de la temperatura austenítica (A 3 ), mientras que un acero hipereutectoide se calienta a una temperatura superior a la eutectoide (A 1 ) durante un cierto número de horas; esto asegura que toda la ferrita se transforme en austenita (aunque la cementita aún podría existir en los aceros hipereutectoides). El acero debe luego enfriarse lentamente, en el rango de 20 °C (36 °F) por hora. Por lo general, se enfría simplemente en el horno, donde este se apaga con el acero aún dentro. Esto da como resultado una estructura perlítica gruesa, lo que significa que las "bandas" de perlita son gruesas. [ 16 ] El acero completamente recocido es blando y dúctil , sin tensiones internas, lo cual suele ser necesario para un conformado rentable. Solo el acero esferoidizado es más blando y más dúctil. [ 17 ]    
Recocido de procesos
Proceso utilizado para aliviar las tensiones en acero al carbono trabajado en frío con menos del 0,3 % de carbono. El acero se calienta generalmente a entre 550 y 650 °C (1000 y 1200 °F) durante una hora, aunque en ocasiones se alcanzan temperaturas de hasta 700 °C (1300 °F) . La imagen superior muestra la zona de recocido del proceso.    
Recocido isotérmico
Se trata de un proceso en el que el acero hipoeutectoide se calienta por encima de la temperatura crítica superior. Esta temperatura se mantiene durante un tiempo y luego se reduce por debajo de la temperatura crítica inferior, manteniéndola nuevamente. Finalmente, se enfría a temperatura ambiente. Este método elimina cualquier gradiente de temperatura.
Normalización
El acero al carbono se calienta hasta la región austenítica, asegurando que se transforme completamente en austenita, y luego se enfría lentamente al aire. La normalización del acero se realiza con mayor frecuencia para refinar la estructura del grano, aumentar la resistencia en comparación con el acero recocido y/o para proporcionar una estructura interna más uniforme. [ 18 ]
Temple
El acero al carbono con al menos un 0,4 % en peso de C se calienta a temperaturas de normalización y luego se enfría rápidamente (templado) en agua, salmuera o aceite hasta la temperatura crítica. La temperatura crítica depende del contenido de carbono, pero, por regla general, es menor a medida que aumenta dicho contenido. Esto da como resultado una estructura martensítica; una forma de acero que posee un contenido de carbono sobresaturado en una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC) deformada, denominada propiamente tetragonal centrada en el cuerpo (BCT), con mucha tensión interna. Por lo tanto, el acero templado es extremadamente duro pero frágil , generalmente demasiado frágil para fines prácticos. Estas tensiones internas pueden causar grietas por tensión en la superficie. El acero templado es aproximadamente tres veces más duro (cuatro veces con mayor contenido de carbono) que el acero normalizado. [ 19 ]
Martempering (marqueching)
El martemperado no es propiamente un proceso de revenido, de ahí el término marquench . Se trata de un tratamiento térmico isotérmico aplicado tras un temple inicial, generalmente en un baño de sales fundidas, a una temperatura ligeramente superior a la de inicio de la martensita. A esta temperatura, se alivian las tensiones residuales del material y puede formarse bainita a partir de la austenita retenida que no tuvo tiempo de transformarse en otro material. En la industria, este proceso se utiliza para controlar la ductilidad y la dureza de un material. Con un marquench más prolongado, la ductilidad aumenta con una mínima pérdida de resistencia; el acero se mantiene en esta solución hasta que las temperaturas interna y externa de la pieza se igualan. A continuación, el acero se enfría a una velocidad moderada para minimizar el gradiente de temperatura. Este proceso no solo reduce las tensiones internas y las fisuras por tensión, sino que también aumenta la resistencia al impacto. [ 20 ]
Templado
Este es el tratamiento térmico más común, ya que las propiedades finales se pueden determinar con precisión mediante la temperatura y el tiempo de revenido. El revenido consiste en recalentar el acero templado a una temperatura inferior a la temperatura eutectoide y luego enfriarlo. La temperatura elevada permite la formación de cantidades muy pequeñas de esferoidita, lo que restaura la ductilidad pero reduce la dureza. Las temperaturas y los tiempos exactos se eligen cuidadosamente para cada composición. [ 21 ]
Austempering
El proceso de austemperado es similar al de martemperado, con la diferencia de que el temple se interrumpe y el acero se mantiene en un baño de sales fundidas a temperaturas entre 205 y 540 °C (400 y 1000 °F) , para luego enfriarse a una velocidad moderada. El acero resultante, denominado bainita, presenta una microestructura acicular que le confiere gran resistencia (aunque menor que la martensita), mayor ductilidad, mayor resistencia al impacto y menor distorsión que el acero martensítico. La desventaja del austemperado radica en que solo puede aplicarse a unas pocas láminas de acero y requiere un baño de sales especial. [ 22 ]  

endurecimiento superficial

Los procesos de cementación endurecen únicamente la superficie exterior de la pieza de acero, creando una capa dura y resistente al desgaste (la "capa"), pero conservando un interior resistente y dúctil. Los aceros al carbono no son muy templables , lo que significa que no se pueden endurecer en secciones gruesas. Los aceros aleados tienen una mayor templabilidad, por lo que se pueden endurecer en toda su masa y no requieren cementación. Esta propiedad del acero al carbono puede ser beneficiosa, ya que proporciona a la superficie buenas características de resistencia al desgaste, pero deja el núcleo flexible y con capacidad de absorción de impactos.

Temperatura de forjado del acero

[ 23 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 "Clasificación de aceros al carbono y de baja aleación" . Materia total . Clave de metales. Noviembre de 2001. Consultado el 29 de abril de 2023 .
  2. ↑ Knowles, Peter Reginald (1987), Diseño de estructuras de acero (2.ª ed.), Taylor & Francis, pág. 1, ISBN   978-0-903384-59-9.
  3. 1 2 "Acero bajo en carbono" . eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
  4. ↑ Elert, Glenn, Densidad del acero , consultado el 23 de abril de 2009..
  5. ↑ Módulo de elasticidad, propiedades de resistencia de los metales: hierro y acero , consultado el 23 de abril de 2009..
  6. ↑ "Acero 1020" . steel-bar.com . 21 de mayo de 2022. Archivado del original el 1 de mayo de 2023.
  7. ↑ DeGarmo, Black y Kohser 2003 , pág. 377 
  8. ↑ "¿Cuáles son los diferentes tipos de acero?" . Metal Exponents . 18 de agosto de 2020 . Consultado el 29 de enero de 2021 .
  9. ↑ "Ficha de datos de seguridad del acero al carbono" (PDF) . Gerdau AmeriSteel . Archivado del original el 18 de octubre de 2006.
  10. ↑ "Introducción al acero al carbono | Tipos, propiedades, usos y aplicaciones" . MaterialsWiz . Consultado el 18 de agosto de 2022 .
  11. ↑ "Vitz Metals: Proveedor de acero y empresa de suministro de metales | 972-838-4455" . vitzmetals.com/ .
  12. ↑ Nishimura, Naoya; Murase, Katsuhiko; Ito, Toshihiro; Watanabe, Takeru; Nowak, Roman (2012). "Detección ultrasónica de daños por fragmentación inducidos por impactos repetidos a baja velocidad" . Central European Journal of Engineering . 2 (4): 650– 655. Bibcode : 2012CEJE....2..650N . doi : 10.2478/s13531-012-0013-5 .Icono de acceso abierto
  13. ↑ "Acero de carbono medio" . eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
  14. ↑ "Acero con alto contenido de carbono" . eFunda . Consultado el 29 de abril de 2023 .
  15. ↑ Smith y Hashemi 2006 , pág. 388 
  16. ↑ Alvarenga HD, Van de Putte T, Van Steenberge N, Sietsma J, Terryn H (octubre de 2014). "Influencia de la morfología y microestructura de los carburos en la cinética de la descarburación superficial de aceros C-Mn". Metall Mater Trans A . 46 (1): 123– 133. Bibcode : 2015MMTA...46..123A . doi : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 . 
  17. ↑ Smith y Hashemi 2006 , pág. 386 
  18. ↑ Smith y Hashemi 2006 , págs. 386–387 
  19. ↑ Smith y Hashemi 2006 , págs. 373–377 
  20. ↑ Smith y Hashemi 2006 , págs. 389–390 
  21. ↑ Smith y Hashemi 2006 , págs. 387–388 
  22. ↑ Smith y Hashemi 2006 , pág. 391 
  23. ↑ Brady, George S.; Clauser, Henry R.; Vaccari A., John (1997). Manual de materiales (14.ª ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill. ISBN  0-07-007084-9.

Bibliografía

  • DeGarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materiales y procesos en la fabricación (9.ª  ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4.
  • Oberg, E.; et  al. (1996), Manual de maquinaria (25.ª  ed.), Industrial Press Inc, ISBN 0-8311-2599-3.
  • Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales (4.ª  ed.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-295358-6.