Características y Propiedades de los Aceros

Characteristics and Properties of steel 

Francisco Lázaro de Luna-Ayalaa*, Laura Gpe. Castruita-Ávilab, Jesús Emilio Camporredondo-Saucedob, Adrián Moisés García-Larab.

aDoctorado en Ciencia y Tecnología de Materiales, Facultad de Ciencias Químicas Universidad Autónoma de Coahuila, Blvd. V. Carranza S/N, Saltillo 25280, Coahuila, México. *fldla@hotmail.com
bFacultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica-Universidad Autónoma de Coahuila, Av. Barranquilla S/N, Monclova 25750, Coahuila, México.

 

Resumen

El acero es una aleación a base de hierro con contenido de carbono inferiores al 2 %, los cuales son denominados aceros al carbono, también existen otros grados de acero con otros elementos de aleación en diferentes concentraciones que le confieren propiedades mecánicas específicas, además de ser susceptibles de modificar sus propiedades a partir de tratamientos térmicos. En la actualidad, principalmente por parte de la industria automotriz, se siguen desarrollando nuevas aleaciones de acero, con el propósito de alcanzar propiedades mecánicas óptimas en base a la composición química y el tratamiento térmico dado de manera que se pueda minimizar el peso de las piezas fabricadas sin detrimento de la resistencia. Los aceros típicamente se producen de dos formas: refinando el mineral de hierro o reciclando chatarra de acero.
Palabras clave: Acero, aleaciones de hierro, mineral.

Abstract

Steel is an alloy base of iron with content carbon below 2% that are called carbon of steel, also exist others grades of steel with others alloy elements in different concentrations that confers specific mechanics properties, besides it is susceptible of modify its properties starting of heat treatment. Actually, mainly for automotive industry, it follow developing new alloy of steel, with the purpose of reach optimize mechanics properties of base chemistry composition and heat treatment such as that it can minimize weight of the pieces manufactured without resistance detriment. Steels typically production in two ways: refining mineral of iron or recycling steel scrap.
Keywords: Steel, iron alloy, mineral.

INTRODUCCIÓN

Para la producción de acero primario, el mineral de hierro (óxido de hierro) se calienta en un alto horno en presencia de coque (carbono) y oxígeno. El carbono reduce el óxido de hierro a hierro en bruto líquido, produciendo monóxido de carbono y bióxido de carbono como subproductos. La piedra caliza, agregada para ayudar a eliminar impurezas, se funde produciendo escoria líquida. Dado que el hierro bruto líquido contiene cantidades muy grandes de carbono, se sopla oxígeno en el horno de oxigenación o de aceración básico para eliminar carbono excedente y producir acero líquido. También, se produce acero calentando la chatarra del mismo metal. A menudo ésta se introduce en un horno eléctrico de arco, en el cual el calor la funde. Muchos aceros aleados y aceros especiales también se producen utilizando hornos eléctricos. El acero líquido a veces se vacía directamente en moldes para producir fundiciones de acero terminadas; también se le permite solidificar en formas que posteriormente son procesadas por técnicas de conformado de metales como es el laminado o el forjado (Askeland y col., 1998).

Para la producción de acero primario, el mineral de hierro (óxido de hierro) se calienta en un alto horno en presencia de coque (carbono) y oxígeno. El carbono reduce el óxido de hierro a hierro en bruto líquido, produciendo monóxido de carbono y bióxido de carbono como subproductos. La piedra caliza, agregada para ayudar a eliminar impurezas, se funde produciendo escoria líquida. Dado que el hierro bruto líquido contiene cantidades muy grandes de carbono, se sopla oxígeno en el horno de oxigenación o de aceración básico para eliminar carbono excedente y producir acero líquido. También, se produce acero calentando la chatarra del mismo metal. A menudo ésta se introduce en un horno eléctrico de arco, en el cual el calor la funde. Muchos aceros aleados y aceros especiales también se producen utilizando hornos eléctricos. El acero líquido a veces se vacía directamente en moldes para producir fundiciones de acero terminadas; también se le permite solidificar en formas que posteriormente son procesadas por técnicas de conformado de metales como es el laminado o el forjado (Askeland y col., 1998).

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS
Los aceros se clasifican de acuerdo a muchos sistemas diferentes, incluyendo su composición, microestructura, aplicación o especificación. La manera más fácil para clasificar aceros es por su composición química. Los principales elementos que componen el acero son: Carbono, Manganeso, Silicio, Níquel, Cromo, Aluminio, Titanio, Tungsteno y Cobalto.
Una clasificación bastante común se presenta a continuación:

ACEROS AL CARBONO Y BAJA ALEACIÓN
La categoría general de aceros al carbono y baja aleación engloba aceros lisos de carbono, aceros aleados, aceros con alta resistencia, baja aleación y una variedad extensa de aceros de baja aleación.

Los aceros comúnmente más usados son clasificados de acuerdo a su composición. Estos aceros incluyen aceros de carbono liso, con las siguientes subclases generales mostradas en la Tabla 1.

Aceros Aleados
Los aceros aleados se dividen generalmente en 2 clases: los aceros de baja aleación y aceros de alta aleación. Están divididos de acuerdo a su composición, de acuerdo a la Tabla 2.

Aceros de baja aleación
Hay muchos aceros de baja aleación que no son diseñados sólo para obtener propiedades de resistencia al someterlos a tratamiento térmico. Estos aceros tienen propiedades que son importantes, tales como la corrosión, resistencia al calor y de moldeo.

Tabla 1 Subclases de acero al carbono y baja aleación


Tabla 2
Clasificación de los aceros aleados.

Aceros de baja aleación por alta temperatura

Estos aceros son usados en turbinas de vapor para generar energía eléctrica y usualmente contiene combinación de níquel, cromo, molibdeno y/o vanadio.

Aceros de baja aleación con formabilidad

Hay algunos aceros que están diseñados para una formabilidad óptima con aplicaciones en el formado de hojas.  Un acero común es especificado en calidad de dibujo, especial matado. Este rolado en frío, con acero de hoja de bajo carbono tiene contenido específico de aluminio. La combinación de Aluminio con Nitrógeno en el acero forma nitruro de aluminio precipitado durante el proceso  de tratamiento térmico. Este nitruro de aluminio precipitado muestra instrumentos en el desarrollo de una específica textura cristalográfica en la hoja que favorece el dibujo profundo.

Aceros de baja aleación horneados

Acero de hoja específica han sido diseñadas para incrementar su resistencia durante el ciclo de hornear-pintar en la producción de autos. Este acero duro-horneado contiene elementos que desarrollan compuestos que precipitan la temperatura de pintura hornada. Estas precipitaciones la hacen más duro el acero.

Aceros de baja aleación fase dual

Estos aceros son usados en aplicaciones donde el rendimiento de resistencia de la hoja se incrementa durante el proceso de formado. Estos aceros están diseñados para tener una microestructura consistente de 10 a 20% de martensita en una matriz de ferrita. Estos aceros tienen relativamente bajo rendimiento de fuerza antes de formar un componente particular y desarrollan resistencia por un proceso llamado rendimiento continuo.

Aceros de alta aleación.

Generalmente contienen más del 8% elementos de aleación. Estos aceros incluyen resistencia a la corrosión, los aceros resistentes al calor, los aceros resistentes a los herramentales.

Aceros resistentes a la corrosión.

Los aceros inoxidables están clasificados como austenita, ferrita, ferrita-austenita, martenisita, doble y precipitación de tipos de dureza.

Aceros inoxidables Austenitico.

Estos aceros inoxidables  tienen una microestructura de austenita en el tratamiento térmico. No magnética. Aceros inoxidables austeniticos son llamados aceros inoxidables 18/8, porque contiene nominalmente 18% Cr y 8% Ni(ASM International., 2002).

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ACEROS

Se selecciona un material al adecuar sus propiedades mecánicas a las condiciones de servicio requeridas para el componente. El primer paso en el proceso de selección requiere que se analice la aplicación, a fin de determinar las características más importantes que el material debe poseer. ¿Deberá ser resistente, rígido o dúctil? ¿Estará sometido a la aplicación de una fuerza cíclica importante o a una fuerza súbita intensa; a un gran esfuerzo y temperatura elevada o a condiciones abrasivas? Una vez conocidas las propiedades requeridas, se puede seleccionar el material apropiado, utilizando la información incluida en los manuales. Se debe, sin embargo, conocer cómo se llega a las propiedades incluidas en los manuales, lo que dichas propiedades significan y tomar en cuenta que las propiedades listadas se han obtenido a partir de ensayos y pruebas ideales que pudieran no ser exactamente aplicables a casos o aplicaciones ingenieriles de la vida real (Askeland y col., 1998).

Las propiedades de impacto de los aceros, dependen de su microestructura la cual es determinada por su composición química y tratamiento térmico. Los parámetros de microestructura de aceros incorporan dislocación densa, tamaño del grano tan bien como la fracción del volumen y el tamaño delas partículas de segunda fase. Los aceros de baja aleación son materiales candidatos  para la presión de la industria vessel la cual requiere adecuada cantidad de resistencia y dureza.

El principal micro elemento aleado, en aceros de baja aleación, usados para asegurar la cantidad de durabilidad requerida para obtener acero bainitico como Cr, Mo y Ni (Solano y col., 2014). La microestructura de tales aceros son un complejo natural y está caracterizado por altas dislocaciones en la estructura arreglada por paquetes subdividida en los granos de austenita además del carburo que precipita durante el proceso de temperatura (De Cooman y col., 2004). Los aceros al carbono en las condiciones de rolado en caliente han sido la principal estructura del material, usándolo en la manufactura del reforzamiento del acero. Estos aceros tienen un nivel de carbono nominal del 02%-0.4% el cual 1.4% Mn el cual es considerado óptimo cuando la resistencia es alta con buena ductilidad requerida.

Agregando Mn ha sido benéfico en el efecto sobre el impacto de tenacidad porque alcanza el esfuerzo de fractura mediante el refinamiento del tamaño de grano (Magudapathy y col., 2001).La microestructura del acero al carbono rolado en caliente normalmente comprime una mezcla de ferrita y perlita la cual es una estructura laminar que consiste de ferrita y cementita. Ambas la resistencia y la dureza se incrementan como la perlita proporcionalmente incrementando (ASM International., 2005).

ENSAYOS Y PROPIEDADES MECÁNICAS

Ensayo de Tensión

El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fuerza estática o gradualmente aplicada. Para medir el alargamiento del material causado por la aplicación de fuerza en la longitud calibrada se utiliza un extensómetro.

El esfuerzo y la deformación se definen mediante las siguientes ecuaciones:

Dónde:

A0= área original de la sección transversal de la probeta antes de iniciarse el ensayo.

lo=distancia original entre marcas calibradas.

l= distancia entre las mismas, después de haberse aplicado la Fuerza F. Esto se observa en la Figura 1.

Propiedades obtenidas del ensayo de tensión

A partir de un ensayo de tensión se puede obtener información relacionada con la resistencia, rigidez y ductilidad de un material.

Esfuerzo de cedencia.- En los metales, es por lo general el esfuerzo requerido para que las dislocaciones se deslicen, además divide los comportamientos elástico y plástico del material y en algunos materiales, se refiere al esfuerzo en el cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico y no se detecta fácilmente. La curva esfuerzo deformación para ciertos aceros de bajo carbono presentan un esfuerzo de cedencia o limite elástico doble.

Resistencia a la tensión

El esfuerzo obtenido de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación. En muchos materiales dúctiles, la deformación no se mantiene uniforme. Esta región localmente deformada se conoce como zona de estricción. Dado que el área de la sección transversal en este punto se hace más pequeña, se requiere una fuerza menor para continuar su deformación, y se reduce el esfuerzo, calculado a partir del área original Ao.

Figura 1. Curva esfuerzo-deformación correspondiente a una aleación de aluminio. (Askeland y col., 1998).

 

La resistencia a la tensión es el esfuerzo al cual se inicia este encuellamiento o estricción en materiales dúctiles.

Propiedades elásticas

El módulo de elasticidad o módulo de Young,es la pendiente de la curva esfuerzo-deformación en su región elástica. Esta relación es la ley de Hooke:

Este módulo está relacionado con la energía de enlace de los átomos. El modulo es una medida de la rigidez del material. Un material rígido, con un alto módulo de elasticidad, conserva su tamaño y su forma incluso al ser sometido a una carga en la región elástica.

El módulo de resistencia (Er), que es el área que aparece bajo la porción elástica de la curva esfuerzo-deformación, es la energía elástica que un material absorbe o libera durante la aplicación y liberación de la carga aplicada respectivamente.

En el caso de un comportamiento elástico lineal:

Er=(1/2)(esfuerzo de cedencia) (deformación a la cedencia)   (Ec. 4)

La relación de Poisson, µ, relaciona la deformación elástica longitudinal producida por un esfuerzo simple a tensión o compresión, con la deformación lateral que ocurre simultáneamente:

En general, la relación de Poisson es de aproximadamente 0.3.

Ductilidad

La ductilidad mide el grado de deformación que puede soportar un material sin romperse. Se puede medir la distancia entre las marcas calibradas en una probeta antes y después del ensayo. El % de elongación representa la distancia que la probeta se alarga plásticamente antes de la fractura:

Donde lf es la distancia entre las marcas calibradas después de la ruptura del material.

Efecto de la temperatura. Las propiedades a la tensión dependen de la temperatura. El esfuerzo de cedencia, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad disminuyen a temperaturas más altas, en tanto que, por lo general, la ductilidad se incrementa.

El ensayo de flexión para materiales frágiles

En muchos materiales frágiles no se pueden efectuar con facilidad el ensayo de tensión debido a la presencia de defectos de superficie. A menudo, con solo colocar un material frágil en las mordazas de la máquina de tensión este se rompe. Estos materiales se pueden probar utilizando el ensayo de flexión. Al aplicar la carga en tres puntos causando flexión, actúa una fuerza que provoca  tensión sobre la superficie, opuesta al punto medio de la probeta. La fractura iniciara en este sitio. La resistencia a la flexión, o módulo de ruptura describe la resistencia del material.Dónde:

F= carga a la fractura

L= distancia entre los dos puntos de apoyo

W= ancho de la probeta

h= altura

Ensayo de dureza

El ensayo de dureza mide la resistencia de la superficie de un material a la penetración por un objeto duro. Los más comunes son los ensayos Rockwell y Brinell. Los ensayos Vickers (HV) y Knoop (HK) son pruebas de microdureza; producen penetraciones tan pequeñas que se requiere de un microscopio para obtener su medición.

Ensayo de impacto

Cuando se somete un material a un golpe súbito e intenso, en el cual la velocidad de aplicación del esfuerzo es extremadamente grande, el material puede tener un comportamiento más frágil comparado con el que se observa en el ensayo de tensión. El ensayo de impacto a menudo se utiliza para evaluar la fragilidad de un material bajo estas condiciones.

Temperatura de transición. Es la temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil.

Sensibilidad a las muescas. Las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son concentradoras de esfuerzos y reducen la tenacidad de los materiales.

Relación con el diagrama esfuerzo-deformación. La energía necesaria para romper un material está relacionada con el área bajo la curva esfuerzo real – deformación real.

Tenacidad a la fractura

La mecánica de la fractura es la disciplina que se enfoca al estudio del comportamiento de materiales con fisuras a otros pequeños defectos. La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un material que contiene un defecto, a resistir una carga aplicada

Ensayo de fatiga

A menudo un componente está sujeto a la aplicación cíclica de un esfuerzo inferior al esfuerzo de cedencia del material. Este esfuerzo cíclico puede ocurrir como resultado de rotación, flexión o vibración. Aun cuando el esfuerzo este por debajo del límite elástico, el material puede fallar después de numerosas aplicaciones de dicho esfuerzo, este tipo de falla se conoce como fatiga. Las fallas por fatiga usualmente ocurre en tres etapas: primero, se inicia una grieta minúscula, sobre la superficie, generalmente tiempo después de haberse aplicado la carga. A continuación, la grieta se propaga gradualmente, conforme la carga sigue en su alternancia. Finalmente, cuando la sección transversal restante del material resulta demasiado pequeña para soportar la carga aplicada, ocurre la fractura súbita del material.

Efecto de la temperatura

Conforme se incrementa la temperatura del material, se reducen tanto la vida a la fatiga como el esfuerzo límite para fatiga. Además, un cambio cíclico en la temperatura provoca  falla por fatiga térmica; cuando se calienta el material de manera no uniforme, algunas partes de la estructura se dilatarán más que otras (Askeland y col., 1998).

Propiedades de Impacto

Los resultados han mostrado que en aceros (Q&T) de baja aleación en su microestructura bainíticaexhiben una alta resistencia a la fractura de ductilidad y fragilidad que los aceros al carbono rolado en caliente con su microestructura ferrítica perlitica. Esta diferencia en el comportamiento de la fractura entre estos dos aceros investigados puede ser referenciada a la diferencia de su composición química y microestructura. Los parámetros de la principal microestructura que controla las propiedades de la fractura en ambos aceros partículas de la segunda fase (carburos e inclusiones) y tamaño de grano.

Fractura Dúctil

Los micro mecanismos operados durante la fractura dúctil involucra la iniciación através de la nucleación y el crecimiento de vacíos alrededor de carburos y/o inclusiones y propagación de crackeo através de la deformación plástica de la matriz (Pan y col., 2004). Elementos químicos como Carbono y Azufre han sido conocidos por tener efecto detrimental sobre la tenacidad de acero a través de la formación de carburos e inclusiones.

Fractura Frágil

Comparado los aceros al carbono rolado en caliente, los aceros de baja aleación mostraron más baja ductilidad a la temperatura de transición frágil (-25°C vs 25°C), menos temperatura de transición a la fragilidad (-100 °C vs -50 °C) y más alto esfuerzo de fractura de escote (2200 MPa vs 1950 MPA). El tamaño del grano más pequeño de los aceros al carbono rolado en caliente propuso alta resistencia a la fractura frágil de escote desde las fronteras del grano con efectivas barreras  a la propagación del crackeo frágil (Zhao y col., 2007).

CONCLUSIONES

El  estudio del acero nos menciona que existen muchos grados de aceros al carbono y con elementos de aleación en diferentes concentraciones que le confieren propiedades mecánicas específicas, además de ser susceptibles de modificar sus propiedades a partir de tratamientos térmicos.  Actualmente en la industria automotriz,  se siguen realizando nuevas aleaciones de acero, con el propósito de alcanzar propiedades mecánicas óptimas en base a la composición química y el tratamiento térmico de manera que se pueda minimizar el peso de las piezas fabricadas sin detrimento de la resistencia.

REFERENCIAS

Askeland R.1998. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. International Thomson Editores. p.130-138, 320.

ASM International #06040G.Metallographer’s Guide: Irons and Steels; Chapter 1: Introductions to Steel and Cast Irons. Materials Park, Ohio, USA. 2002

ASM International Steels, Processing, Structure, and Performance High-Carbon Steels: Fully Pearlitic Microstructures and Applications, 2005.

De Cooman B.C. 2004. Structure-properties relationship in TRIP Steels containing carbide-free bainite. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 8:285-303.

Magudapathy P, Gangopadhyay P, Panigrahi B.K., Nair K.G.M &Dhana S. 2001. Electrical transport studies of Ag nanoclusters embedded in glass matrix. Physica B: Condensed Matter. 299(1).142-146.

Pan X. 2008. Tensile fracture mechanisms of ferrite/martensitic structural materials. ProQuest. (Ph. D. Thesis)University of Illinois at Urbana-Champaign, 2008.

Solano W, Pickering E. J. & Bhadeshia H. K. D. H. 2014. Degradation of nanoestructured bainitic Steel under Rolling contact fatigue. Materials Science and Engineering: A 617: 156-164.

Zhao M, Yin F, Hananumra T, Nagai K &Atrens A. 2007. Relationship between yield strength and grain size for a bimodal structural ultrafine-grained ferrite/cementite steel. ScriptaMaterialia. 57: 857-860.

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