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Tema 7 Aceros Aleados
Los aceros son aleaciones de hierro-carbono. Los aceros al carbono tienen hasta un 2% en carbono, por encima son fundiciones. Los aceros pueden ser: Aceros bajos en carbono Aceros medios en carbono Aceros altos en carbono Saliendo de esta clasificación, vamos a estudiar los aceros aleados. Aceros Aleados: aceros con aleantes por encima de límites establecidos. Los aceros aleados siempre tienen manganeso y silicio.
Introducción
Efecto de los Aleantes: Los aleantes pueden ser gammágenos o alfágenos Gammágenos: (C, Ni, Mn) Extienden el campo de estabilidad gamma. Tienen estructura FCC, al igual que gamma. Sol. Sólidas sustitucionales Sol. Sólidas intersticiales (C,N) Retardan → y precipitación de carburos, buena solubilidad del carbono
Alfágenos (Cr) Extienden campo estabilidad Mayoría estructura BCC como Sol. Sólidas sustitucionales Aceleran → Suelen ser formadores de carburos, porque la solubilidad del carbono es muy baja en el campo alfa Efecto Alfágeno del Ti y Cr: El Ti tiene mayor poder alfágeno que el Cr porque con mucho menor contenido en Ti podemos contraer mucho más el campo gamma.
Los gammágenos disminuyen la temperatura eutectoide, es decir, se necesita menos temperatura para alcanzar la fase gamma (austenítica). Los alfágenos aumentan la temperatura eutectoide, aumenta la temperatura necesaria para alcanzar la fase gamma. Desplazamiento de las temperaturas Ms Al aumentar el contenido en carbono disminuyen la temperatura Ms (temperatura a la que comienza la transformación martensítica). La mayoría de los elementos aleantes disminuyen la temperatura de Ms, le cuesta más a la austenita transformar en martensita. Si tenemos un acero alto en Mn, aun templando al aire no se obtendría martensita. El Al y el Co aumentan la temperatura Ms. Si queremos evitar la formación de martensita lo más efectivo es REDUCIR EL PORCENTAJE DE CARBONO. Propiedades de los Elementos: El Mn se añade para evitar la formación de sulfuros de hierro, que aumentan la fragilidad del acero. Se forman MnS. NO FORMA CARBUROS El Ni aumenta la tenacidad del acero. El Mo y W suele forman carburos que mejoran la resistencia ala desgaste y reducir el ablandamiento producido en el revenido. El Cr se utiliza en los aceros inoxidables. El Si se utiliza como desoxidante, proporciona tenacidad y se puede controlar sus propiedades magnéticas.
Aceros Aleados vs Aceros al C: Las limitaciones de los aceros al carbono son: Si trabajamos por encima de 690MPa Por encima de 500ºC no se puede utilizar, aumenta la difusión A bajas temperaturas, las estructuras BCC son frágiles. Por debajo de 0ºC tenemos problemas. Mala templabilidad, para aumentar la templabilidad tenemos que aumentar el contenido en carbono Añadimos aleantes: MEJORAMOS TEMPLABILIDAD y podemos trabajar con secciones más grandes. Con menos contenido en C podemos tener buena resistencia y tenacidad Podemos aumentar la temperatura de revenido manteniendo la dureza y la dureza Mejoramos las propiedades eléctricas y magnéticas, mayor resistencia al desgaste y fatiga Desventajas o Mayor precio
Altos en Ni (si queremos alcanzar temperaturas más bajas) Ni aporta tenacidad y resistencia. Para aplicar muy bajas temperaturas Poco carbono para garantizar la tenacidad Aplicaciones entre 0 y -200ºC DIFERENCIA ENTRA LAS DOS ULTIMAS COLUMNAS DE LA TABLA (A 353 Y A 553) A más contenido en Ni, mejores propiedades pero mayor precio. Cr-Mo (aplicaciones a altas temperaturas) Suelen formar carburos, que mejoran la resistencia a la fluencia. Permiten trabajar a temperaturas más altas. Difunden lentamente en la red del acero. A mayor Cr y Mo, mayor resistencia a la fluencia. Se suele pone más Cr que Mo porque el Cr aporta la resistencia a la corrosión a altas temperaturas. De 0,5-9% de Cr y 0,5-1% de Mo Se utiliza el código ASME.
Aceros AISI / SAE:
Se diferencian tres tipos: Se templan bien Favorecen la carburación Nitruración Dentro del temple, el que mejor templa es el 4340. En la carburación, aumentamos la resistencia de la superficie, y mantenemos el centro de la pieza tenaz. Bajos en carbono, entono al 2% Ni, Cr, Ni… los aleantes que mejoran la templabilidad es porque distorsionan la red e impiden la difusión del carbono por la estructura para formar perlita. Impide la formación de perlita y se forma más martensita. Si añadimos mucho Cr y C se forman carburos que mejoran la resistencia. Se añade Silicio que aporta muchísima resistencia para la industria aeronáutica (trenes de aterrizaje). Templabilidad Gráficas que miden la dureza en función de la distancia al extremo de templado. El acero 4340 (Ni-Cr-Mo) es el más templable porque mantiene la dureza a mayor distancia al extremo templado
que se ha transformado un 90% de austenita (1% ferrita, 19% perlita y 70% bainita). Se transforma toda la austenita restante en martensita (10% de martensita) Línea del 1 ½: 4% ferrita, 71% perlita (corta con línea verde de la bainita entre el 50% y el 90%) y se transforma todo lo demás en un 25% bainita. Revenido: Gráfica de las transparencias: observamos que si aumentamos la temperatura del revenido, disminuimos el límite elástico. A mayor temperatura el material es más blando. El Mo retrasa el ablandamiento durante el revenido, porque: Retrasa la coalescencia de carburos Posible precipitación de carburos de Mo A mayor contenido en Mo, aunque aumentemos la temperatura conseguimos mantener una dureza más alta. Fragilización de la Martensita Revenida (TME): Ocurre a bajas temperaturas. Utilizamos un ensayo Charpy donde observamos: Mayor temperatura transición dúctil-frágil (inconveniente porque puede ser frágil a temperatura ambiente) Menor tenacidad del impacto Ocurre tras 1h de revenido de aceros de baja aleación
Se puede dar por: Impurezas (P, N, S) en límites de grano Cementita (Fe 3 C) en límites de grano y entre listones de la martensita AUMENTA LA FRAGILIDAD Puede tener dos tipos de fracturas: Fractura transgranular con marcas de clivaje y coalescencia de microcavidades Fractura intergranular cuando hay alto P (0.03%P) Se puede evitar disminuyendo el porcentaje de impurezas y controlamos la composición del acero. Podemos utilizar otras temperaturas de revenido. Si ocurre hay que desechar la pieza, no se puede arreglar. Fragilidad por Revenido (TE) Se da a temperaturas más altas que la fragilidad de la martensita revenida y se detecta igual, con un ensayo Charpy. Se debe solo a impurezas por lo que la fractura es intergranular. En este caso si se puede arreglar, realizamos a 600ºC y enfriamos rápidamente. Para evitarlo podemos disminuir el %impurezas e introducir un poco de Mo A mayor concentración de impurezas en los límites de grano, mayor temperatura de transición dúctil frágil.
Aceros Aleados para Usos Espaciales
ACEROS DE ALTA ALEACIÓN
Aceros Hadfield
Son aceros al Mn. Añadimos suficiente manganeso (10-14%) para que toda nuestra estructura sea austenita que pueda transformar a martensita cuando sufre un impacto o deformación. Cuando sufre un impacto, la superficie se transforma en martensita en la superficie que tiene muchísima dureza (endurecimiento superficial). Obtenemos más dureza que con cualquier otro acero. Mn estabiliza la austenita pero permite su transformación martensita. C para hacer la austenita más dura Muy difícil de mecanizar y fácil de soldar (porque es austenita). Se realiza por moldeo. Hay que evitar la precipitación de carburos en los límites de grano porque aumentan mucho la fragilidad.
El Mo evita la fragilización en procesos de soldadura de recarga. Si la pieza es muy grande (gran espesor), en la solidificación se forman carburos que son perjudiciales. Se utiliza Mo para que se formen carburos que no sean tan malos. El Cr para de resistencia mecánica y menos fluencia. El Ni se utiliza para lo mismo que el Mo. Propiedades Mecánicas Queremos tamaño de grano PEQUEÑO para mejores propiedades mecánicas. El carbono en los aceros Hadfield aumenta la resistencia al desgaste. No se supera el 1.4% de carbono porque se pueden formar carburos y se vuelve más frágil. Hay que evitar la precipitación de carburos en los límites de grano. En el tratamiento térmico, hay que enfriar rápido para que no se formen carburos ni fase alfa, queremos todo austenita. Hay limitaciones de espesor a más de 6 pulgadas porque el temple no puede ser tan rápido y se forman carburos y fase alfa. Queremos evitar temperaturas mayores de 375ºC para que no precipiten carburos
Queremos aceros que sean resistentes pero soporte cierta elongación. Queremos un coeficiente de endurecimiento alto. El acero TWIP es el que mejores propiedades tiene pero es muy caro. Tipos de aceros AHSS: Bake-hardening: efecto en el que aumenta el límite elástico con la temperatura. Difusión de los carbonos a las dislocaciones rodeándolas, creando atmósferas de Cottrell. Es más difícil moverlas. Ocurre cuando la pieza está en el horno. Sringback: Acero TRIP: Combinación en la estructura de ferrita, bainita y austenita retenida. Queremos una estructura con austenita retenida. Por si ocurre un accidente la austenita se transforma en martensita que es muy dura. Parte de la energía del impacto se absorbe en la transformación. Queremos austenita rica en carbono para que disminuya Ms y al templar a temperatura ambiente no se forme martensita. Queremos una bainita pobre en carburos y rica en ferrita, para que el carbono difunda a la austenita. El Si dificulta la precipitación de cementita, por lo que dificulta la precipitación de carburos en la bainita y obtenemos austenita rica en carbono.
Para altas deformaciones el acero TRIP endurece más, sin embargo, para bajas deformaciones es mejor el acero DP.
