tema 4 terminado - UNIDAD 4 CLASIFICACI\u00d3N Y SELECCI\u00d3N DE ACEROS INTRODUCCION Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la

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Unformatted text preview: UNIDAD 4: CLASIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE ACEROS INTRODUCCION Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción pueden dividirse en dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Ferroso viene de la palabra Ferrum que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los materiales ferrosos son aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es decir, las numerosas calidades del hierro y el acero. Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio, zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No Ferrosas. Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. ¿Qué es el Acero? El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto, consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos. Los aceros se clasifican carbono, aceros en aleados, cinco grupos principales: aceros de baja aceros aleación al ultra resistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas. 1. Aceros al carbono El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo. 2. Aceros aleados. Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte. 3. Aceros de baja aleación ultrarresistentes. Esta familia es la más reciente de las cinco 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. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. 4. . Los aceros inoxidables Contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad. 5. Aceros de herramientas. Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad 4.1 Por su contenido de carbono La clasificación del acero se puede determinar en función de sus características, las más conocidas son la clasificación del acero por su composición química y por sus propiedades o clasificación del acero por su uso; cada una de estas clasificaciones a la vez se subdivide o hace parte de otro grupo de clasificación. CLASIFICACIÓN DEL ACERO POR SU CONTENIDO DE CARBONO: a) ACEROS EXTRA SUAVES: el contenido de carbono varia entre el 0.1 y el 0.2 % y el porcentaje de carbono en este acero es de 0,15%, tiene una resistencia mecánica de 38-48 kg/mm2 y una dureza de 110-135 HB y prácticamente no adquiere temple. Es un acero fácilmente soldable y deformable. Aplicaciones: Elementos de maquinaria de gran tenacidad, deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc. b) ACEROS SUAVES: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3 %y el porcentaje de carbono es de 0,25%, tiene una resistencia mecánica de 48-55/mm 2 y una dureza de 135160 HB. Se puede soldar con una técnica adecuada. Aplicaciones: Piezas de resistencia media de buena tenacidad, deformación enfrío, embutición, plegado, herrajes, etc. c) ACEROS SEMISUAVES: El contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4 % y el porcentaje de carbono es de 0,35%. Tiene una resistencia mecánicade55-62 kg/mm 2 y una dureza de 150-170 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245HB. Aplicaciones: Ejes, elementos de maquinaria, piezas resistentes y tenaces, pernos, herrajes… d) ACEROS SEMIDUROS El carbono esta presente entre 0.4 y 0.5%y el porcentaje de carbono es de 0,45%. Tiene una resistencia mecánicade62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Se templa bien, alcanzando una resistencia de 90 kg/mm2, aunque hay que tener en cuenta las deformaciones. Aplicaciones: Ejes y elementos de máquinas, piezas bastante resistentes, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc. e) ACEROS DUROS: la presencia de carbono varia entre 0.5 y 0.6% y el porcentaje de carbono es de 0,55%. Tiene una resistencia mecánica de 70-75kg/mm2, y una dureza de 200-220 HB. Templa bien en agua y en aceite, alcanzando una resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB. Aplicaciones: Ejes, transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados. f) ACEROS EXTRA DUROS: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 % 4.3 Por su elemento aleante ACEROS ALEADOS Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden sub-clasificar en: Estructura les 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. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%. Para Herramien tas Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y nometales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas roscar. y machos de Especiales Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos. Efecto de algunos de los elementos de aleación en los aceros. Carbón (C): Es el elemento de aleación más efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma perlita. Cuando el acero se enfría más rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable por la alta dureza y alta resistencia del acero. Manganeso (Mn): Está presente en casi todas las aleaciones de acero y constituye uno de sus elementos indispensables. El Manganeso es un formador de austenita y al combinarse con azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, el cual es altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar la capacidad de endurecimiento del acero. Silicio (Si): Es un formador de ferrita y se usa para desoxidar, también aumenta la capacidad de endurecimiento mejorando las propiedades mecánicas del acero. Cromo (Cr): Es un formador de ferrita y aumenta la profundidad de endurecimiento; también aumenta la resistencia a altas temperaturas y a la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste. Níquel (Ni): Es el principal formador de austenita, este elemento aumenta la tenacidad y resistencia al impacto, por eso es el elemento más efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas. El níquel también utiliza en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión. El níquel presenta propiedades únicas para soldar Hierros Colados. Molibdeno (Mo): Aumenta fuertemente la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto, por eso es el elemento más afectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión. Vanadio (V): Promueve la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado; además, aumenta la capacidad de endurecimiento, también es un formador de carburos que imparten resistencia al desgaste en aceros herramientas. Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la corrosión de aceros al carbón. Fósforo (P): Se considera un elemento perjudicial en los aceros, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad. Azufre (S): También se considera como elemento perjudicial en las aleaciones de acero. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar y en su presencia en la soldadura genera porosidad. Boro (B): Se utiliza básicamente para aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, el boro también se combina con el carbón para formar carburos que imparten al acero características de revestimiento duro. Columbio (Nb) (Ta): Se utiliza básicamente en aceros inoxidables austeniticos con el objeto de estabilizar los carburos. Debido a que el carbón disminuye la resistencia anticorrosiva en los inoxidables al agregar Columbio, el cual tiene mayor afinidad con el carbón que el cromo, este queda libre para cumplir con su función anticorrosiva. Titanio (Ti): También se utiliza para estabilizar y desoxidar acero. Sin embargo, pocas veces se usa en soldadura, ya que el metal de soldadura no se transfiere eficientemente. Tungsteno (W): Se utiliza para impartir gran resistencia a alta temperatura. El Tungsteno también forma carburos los cuales son excepcionalmente duros, impartiendo al acero una gran resistencia al desgaste para aplicaciones de revestimiento duro o en acero herramienta. Cobalto (Co): Es un elemento poco común en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, este elemento encuentra su uso en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solución sólida endurecedora cuando se disuelve en ferrita o austenita. Plomo (Pb): Es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se agrega plomo a muchos tipos de acero para mejorar la maquinabilidad. Nitrógeno (N): Se agrega en ocasiones al acero para promover la formación de austenita. También puede agregarse a aceros inoxidables para reducir la cantidad de Níquel. El Nitrógeno afecta las propiedades mecánicas del acero. Aluminio (Al): Se usa principalmente como desoxidante en la elaboración de acero. El Aluminio también aminora el crecimiento del grano al formar óxidos dispersados y nitruros. 4.3 Por su grado de su oxidación En general la pérdida de sección producida por la oxidación de las armaduras no suele ser apreciable. Para determinarla el único procedimiento posible consiste en determinar en laboratorio la pérdida de sección por pesada y medir la altura de corrugas comparándola con el valor indicado en el certificado de homologación de adherencia. Acabado y desoxidación del Acero Después del proceso de refinación el acero queda saturado de oxígeno, mientras más bajo el contenido de carbón en el acero más alto será su contenido de oxígeno y para cualquier contenido de carbón el contenido de oxigeno es mayor en el acero en estado líquido que en estado sólido, por lo tanto, para evitar burbujas de gas atrapadas en el metal, una cantidad sustancial de oxigeno debe eliminarse. Existen 5 maneras distintas para eliminar el oxígeno del acero en fusión: 1. Acero Efervescente: La manufactura de este acero consiste en vaciar el acero líquido, con alto contenido de oxígeno, en lingoteras (moldes). El acero entonces, forma un lingote que empieza a solidificarse desde afuera hacia dentro comenzando por las paredes y fondo de la lingotera, formando paredes y un fondo de hierro casi puro. Como resultado de esto el acero, aun liquido en el centro del lingote se segrega casi todo el carbón, sulfuro y fósforo. El oxígeno reacciona con el carbón formando monóxido de carbono que queda atrapado en la masa del lingote al solidificarse y que desaparece durante los subsecuentes procesos de laminación en caliente. 2. Acero Semi-Efervescente: Cuando se fabrica este acero la intención es regular la cantidad de oxígeno en el metal fundido de manera de detener la acción efervescente. Esto se logra mediante el uso de una tapa pesada, o tapa fría que se coloca por solo unos minutos en la parte superior de la lingotera después que se ha solidificado solo una pequeña capa adyacente a las paredes y fondo de la lingotera, formando una piel de acero casi puro. De esta manera se obtiene un lingote de acero con un centro no tan segregado como en el acero efervescente. Estos aceros se utilizan en aplicaciones que requieren una excelente superficie y donde la heterogeneidad del acero efervescente sería perjudicial. 3. Acero Calmado: Este acero se fabrica eliminando o convirtiendo completamente el oxígeno antes de la solidificación para prevenir la acción efervescente; Esto se logra generalmente agregando silicio en forma de ferro silicio en el horno, el silicio se combina con el oxígeno para formar sílice (SiO2) la cual es expulsada con la escoria, dejando un metal denso y homogéneo. 4. Acero Semi-Calmado: Este acero está en un punto intermedio entre el acero efervescente y el acero calmado, este al solidificarse muestra una menor contracción produciendo una cavidad o depresión de menor tamaño en la parte superior del lingote. 5. Acero desoxidado al Vacío: El objeto de la desoxidación al vació es eliminar el oxígeno sin dejar inclusiones de compuestos no metálicos, de esta manera se obtienen aceros muy limpios para usos especiales. 4.4- Según ASTM (ASTME Materiales.) Sociedad Americana de Pruebas y Las normas ASTM las usan los individuos compañías y agencias en todo el mundo. Los compradores y vendedores incorporan normas en sus contratos; los científicos e ingenieros las usan en sus laboratorios y oficinas; los arquitectos y diseñadores las usan en sus planos; las agencias gubernamentales de todo el mundo hacen referencia a ellas en códigos regulaciones y leyes: y muchos otros las consultan para obtener orientación sobre muchos temas Las normas de ASTM son "voluntarias" en el sentido de que ASTM no exige observarlas. Sin embargo, las autoridades gubernamentales con facultad normativa con frecuencia dan fuerza de ley a las normas voluntarias, mediante su cita en leyes, regulaciones y códigos. La norma ASTM (American Society for Testing and Materials) no especifica la composición directamente, sino que más bien determina la aplicación o su ámbito de empleo. Por tanto, no existe una relación directa y biunívoca con las normas de composición. El esquema general que esta norma emplea para la numeración de los aceros es: YXX donde, Y es la primera letra de la norma que indica el grupo de aplicación según la siguiente lista: A si se trata de especificaciones para aceros; B especificaciones para no ferrosos; C especificaciones para hormigón, estructuras civiles; D especificaciones para químicos, así como para aceites, pinturas, etc. E: si se trata de métodos de ensayos; A continuación, se adjunta una tabla con las características de los aceros que son más comunes, según esta norma: 4.5Según SAE-AISI (SAE Sociedad de Ingenieros Automotrices. AISI Instituto Americano del Hierro y el Acero.) CLASIFICACIÓN SAE DE ACEROS La inmensa variedad de aceros que pueden obtenerse por los distintos porcentajes de carbono y sus aleaciones con elementos como el cromo, níquel, molibdeno, vanadio, etc., ha provocado la necesidad de clasificar mediante nomenclaturas especiales, que difieren según la norma o casa que los produce para facilitar su conocimiento y designación. La SAE emplea, a tal fin, números compuestos de cuatro o cinco cifras, según los casos, cuyo ordenamiento caracteriza o individualiza un determinado acero. La norma AISI (American Iron and Steel Institute ) utiliza un esquema general para realizar la especificación de los aceros mediante 4 números: El significado siguiente: de dicho ordenamiento es el Primera cifra 1 caracteriza a los aceros al carbono Primera cifra 2 caracteriza a los aceros al níquel Primera cifra 3 caracteriza a los aceros al cromo-níquel Primera cifra 4 caracteriza a los aceros al molibdeno Primera cifra 5 caracteriza a los aceros al cromo Primera cifra 6 caracteriza a los aceros al cromo-vanadio Primera cifra 7 caracteriza a los aceros al tungsteno Primera cifra 9 caracteriza a los aceros al silicio-manganeso Para aceros resulta: 13xx al manganeso la característica En los aceros simples (un solo elemento predominante), las dos últimas cifras establecen el porcentaje medio aproximado de C en centésimo del 1%, cuando el tenor del mismo no alcanza al 1%.Por último, la cifra intermedia indica el porcentaje o, en forma convencional, el contenido preponderante de la aleación, tal el caso de los aceros al Cr-Ni, en los que la segunda cifra corresponde al % de Ni . ...
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