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Clasificación del acero:química y propiedades

Las características definitorias del acero

Los sistemas de clasificación de acero consideran la composición química, el tratamiento y las propiedades mecánicas para permitir a los fabricantes seleccionar el producto adecuado para su aplicación. Aparte del porcentaje real de carbono y otras aleaciones en el material, la microestructura también tiene una influencia significativa en las propiedades mecánicas del acero.

Es importante comprender la definición de microestructura y la forma en que se puede manipular la microestructura del acero mediante el conformado en frío y en caliente y después de la fabricación. Estas técnicas se pueden utilizar para desarrollar productos con propiedades mecánicas específicas. Sin embargo, manipular la composición y la microestructura dará como resultado una compensación entre diferentes propiedades. Por ejemplo, el acero más duro puede terminar con una resistencia reducida.

Microestructura

La microestructura de un material es la forma en que las moléculas se unen con las fuerzas que actúan entre esas moléculas. Los procesos de calentamiento y enfriamiento se utilizan para cambiar la microestructura de una forma a otra, cambiando así las propiedades del material.

La microestructura no es observable a simple vista, pero puede estudiarse bajo un microscopio. El acero puede adoptar varias microestructuras distintas:ferrita, perlita, martensita, cementita y austenita.

Ferrita

Ferrita es el término utilizado para la estructura molecular del hierro puro a temperatura ambiente. El acero con muy bajo contenido de carbono también adoptará esta misma microestructura. La forma característica de la ferrita es una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Visualmente, imagine un cubo con una molécula en cada esquina y una molécula en el centro del cubo. Las moléculas están más sueltas en BCC que en otras microestructuras que contienen más moléculas dentro de cada cubo. Sin embargo, la cantidad de carbono que se puede agregar sin cambiar la microestructura de la ferrita es baja, solo 0,006 % a temperatura ambiente.

Austenita

La austenita es una microestructura que se forma cuando las aleaciones a base de hierro se calientan por encima de los 1500 ˚F pero por debajo de los 1800 ˚F. Si la aleación correcta está presente en el acero, como el níquel, el material mantendrá esta microestructura incluso cuando se enfríe. La forma característica de la austenita es una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC). Visualmente, imagine un cubo con una molécula en cada esquina y una molécula en el centro de cada lado del cubo. Las moléculas en una configuración de austenita están más densamente empaquetadas que las de ferrita. La austenita puede contener hasta un 2 % de carbono y es una microestructura común del acero inoxidable.

Cementita

Cuando el acero al carbono se calienta en el rango de austenita, y luego se enfría sin ninguna aleación presente para mantener la forma de austenita, la microestructura vuelve a la forma de ferrita. Sin embargo, si el contenido de carbono es superior al 0,006 %, los átomos de carbono sobrantes se combinan con el hierro para formar un compuesto químico llamado carburo de hierro (Fe3C), también conocido como cementita. La cementita no se produce por sí sola porque parte del material permanecerá en forma de ferrita.

Perlita

La perlita es una estructura laminada formada por capas alternas de ferrita y cementita. Ocurre cuando el acero se enfría lentamente, formando una mezcla eutéctica. Una mezcla eutéctica es aquella en la que dos materiales fundidos cristalizan simultáneamente. En estas condiciones, la ferrita y la cementita se forman al mismo tiempo, lo que da como resultado capas alternas dentro de la microestructura.

Martensita

La martensita tiene una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo. Esta forma microcristalina se logra enfriando rápidamente el acero, lo que hace que los átomos de carbono queden atrapados dentro de la red de hierro. El resultado neto es una estructura de hierro y carbono muy dura, parecida a una aguja. El acero con una estructura microcristalina de martensita suele ser una aleación de acero con bajo contenido de carbono que contiene aproximadamente un 12 % de cromo.

Es importante que los fabricantes y consumidores de acero comprendan la microestructura del acero y cómo afecta las propiedades mecánicas del material. El contenido de carbono, las concentraciones de aleación y los métodos de acabado tienen un impacto en la microestructura y, por lo tanto, pueden usarse para manipular las propiedades del producto terminado. Es posible que dos muestras con el mismo contenido de aleación tengan diferentes microestructuras según los métodos de acabado y los tratamientos térmicos utilizados.

Formado en frío y en caliente

Una vez que se funde el acero fundido, se le debe dar su forma final y luego se le debe dar un acabado para evitar la corrosión. El acero generalmente se moldea en formas listas para la máquina:tochos, palanquillas y losas. A continuación, las formas fundidas se forman mediante laminación. El laminado se puede realizar en caliente, tibio o frío, según el material y la aplicación de destino. Durante la laminación, la deformación por compresión se logra mediante el uso de dos rodillos de trabajo. Los rodillos giran rápidamente para tirar y apretar simultáneamente el acero entre ellos.

Formado en frío

El conformado en frío es el proceso de laminación de acero por debajo de su temperatura de recristalización. La presión ejercida por los rodillos sobre el acero provoca dislocaciones en la microestructura del material, creando así granos en el material. A medida que se acumulan estas dislocaciones, el acero se vuelve más duro y más difícil de deformar más. El laminado en frío también hace que el acero se vuelva quebradizo, lo que puede superarse mediante tratamiento térmico.

Una vez que se completa el laminado, las piezas de acero se acaban utilizando técnicas de procesamiento secundario para evitar la corrosión y mejorar las propiedades mecánicas:

Tratamiento térmico

Efectos del tratamiento térmico

La microestructura del acero se puede alterar mediante calentamiento y enfriamiento controlados. Esto ha llevado al desarrollo de varios métodos de tratamiento térmico para modificar la microestructura y lograr el cambio deseado en las propiedades mecánicas.

Las microestructuras de acero experimentan cambios de fase a temperaturas específicas. El tratamiento térmico se basa en comprender y manipular ciertos puntos de transformación:

La tasa de enfriamiento, desde la temperatura de normalización hasta las temperaturas críticas superior e inferior, determinará la microestructura de acero resultante a temperatura ambiente.

El tratamiento térmico incluye una variedad de procesos, incluidos el recocido, el temple y el revenido. En el acero, la ductilidad y la resistencia tienen una relación inversa. Los tratamientos térmicos pueden aumentar la ductilidad a expensas de la resistencia o viceversa.

Tipos de tratamiento térmico

Esferoidización

La esferoidización ocurre cuando el acero al carbono se calienta a aproximadamente 1290 °F durante 30 horas. Las capas de cementita en la microestructura de perlita se transforman en esferoides, dando como resultado la forma de acero más blanda y dúctil.

Recocido total

El acero al carbono se recoce calentando primero ligeramente por encima de la temperatura crítica superior, manteniendo esa temperatura durante una hora, y luego enfriando a una velocidad de aproximadamente 36 °F por hora. Este proceso produce una estructura perlítica gruesa que es dúctil sin tensiones internas.

Recocido de proceso

El recocido de proceso alivia la tensión en el acero con bajo contenido de carbono trabajado en frío (> 0,3 % C). El acero se calienta a 1025–1292°F durante una hora. Las dislocaciones en la microestructura se reparan reformando el cristal antes del enfriamiento.

Recocido isotérmico

El acero con alto contenido de carbono se calienta primero por encima de la temperatura crítica superior. Luego se mantiene, se enfría a la temperatura crítica más baja y se mantiene una vez más. Luego se enfría gradualmente a temperatura ambiente. Este proceso garantiza que el material alcance una temperatura y una microestructura uniformes antes del siguiente paso de enfriamiento.

Normalizar

El acero al carbono se calienta a la temperatura de normalización durante una hora. En este punto, el acero entra por completo en la fase austenita. A continuación, el acero se enfría al aire. La normalización crea una microestructura perlítica fina con alta resistencia y dureza.

Enfriamiento

El acero de carbono medio o alto se calienta a la temperatura de normalización, luego se enfría (enfriamiento rápido por inmersión en agua, salmuera o aceite) a la temperatura crítica superior. El proceso de enfriamiento produce una estructura martensítica, extremadamente dura, pero quebradiza.

Templado de acero templado

El tratamiento térmico más común porque su resultado se puede predecir con precisión. El acero templado se recalienta a una temperatura por debajo del punto crítico inferior y luego se enfría. Las temperaturas varían según el resultado deseado, siendo el rango de 298 a 401 °F el más común. Este proceso restaura algo de dureza al frágil acero templado al permitir que se forme un poco de esferoidita.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas se miden de acuerdo con estándares internacionales como ASTM (Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales) o SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices).

Propiedades mecánicas clave del acero

Dureza

La dureza es la capacidad de un material para resistir la abrasión. El aumento de la dureza se puede lograr elevando el contenido de carbono y apagando, lo que conduce a la formación de martensita.

Fuerza

La resistencia del metal es la cantidad de fuerza necesaria para deformar un material. La normalización de una pieza de acero mejorará su resistencia al crear una microestructura uniforme en todo el material.

Ductilidad

La ductilidad es la capacidad de un metal para deformarse bajo un esfuerzo de tracción. El acero conformado en frío tiene una baja ductilidad debido a las dislocaciones en la microestructura. El proceso de recocido mejorará esto al permitir que los cristales se reformen y, por lo tanto, elimine algunas de las dislocaciones.

Resistencia

La dureza es la capacidad de soportar el estrés sin romperse. El acero templado se puede endurecer mediante el templado, que agrega esferoides a la microestructura.

Maquinabilidad

La maquinabilidad es la facilidad con la que se puede moldear el acero mediante corte, rectificado o perforación. La maquinabilidad está influenciada principalmente por la dureza. Cuanto más duro es el material, más difícil de mecanizar.

Soldabilidad

La soldabilidad es la capacidad del acero para soldarse sin defectos. Depende principalmente de la composición química y el tratamiento térmico. El punto de fusión, así como la conductividad eléctrica y térmica, influyen en la soldabilidad de un material.

Para obtener más información sobre las propiedades mecánicas y las pruebas del acero, consulte las propiedades y la producción de fundiciones de acero.

Descriptores de calidad

Los descriptores de calidad se aplican a productos de acero en categorías amplias, como calidad comercial, industrial o estructural. Estas etiquetas marcan ciertos aceros como adecuados para aplicaciones y procesos de fabricación específicos, lo que permite una navegación más rápida por el mercado y una toma de decisiones. El acero se clasifica en categorías específicas en función de varios factores diferentes:

Sistemas de clasificación de acero

Las especificaciones, como las emitidas por ASTM, AISI (Instituto Estadounidense del Hierro y el Acero) y SAE, proporcionan un lenguaje estándar para que ingenieros, fabricantes y consumidores comuniquen las propiedades del acero. La clasificación suele ser muy específica, e incluye todo, desde composiciones químicas, propiedades físicas, tratamientos térmicos, procesos de fabricación y formas.

ASTM

El sistema ASTM utiliza una letra descriptiva seguida de un número secuencial. Por ejemplo, 'A' indica un metal ferroso y '53' es el número asignado al acero al carbono galvanizado.

ASTM A53 tendría las siguientes propiedades:

SAE

El sistema de numeración AISI/SAE utiliza un número de 4 dígitos para la clasificación. Los dos primeros números indican el tipo de acero y la concentración del elemento de aleación, y los dos últimos números indican la concentración de carbono.

Por ejemplo, SAE 5130 describe un acero que contiene 1 % de cromo y 0,30 % de carbono. Los prefijos de letras se utilizan como descriptores de calidad para la calidad comercial.




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