Definición
El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03% y el 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.
Microconstituyentes
del Acero
Ferrita
Se considera la ferrita como hierro alfa puro. La
ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros. Cristaliza en
una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers, y una resistencia a la
rotura de 28 Kg/mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%.
Además de todas estas características, presenta propiedades magnéticas. En los
aceros aleados, la ferrita suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución
sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con
límites de grano más irregulares que la austenita. El motivo de esto es que la
ferrita se ha formado en una transformación en estado sólido, mientras que la
austenita, procede de la solidificación.
- Cementita.
Es carburo de hierro y por tanto su
composición es de 6.67% de C y 93.33% de Fe en peso. Es el constituyente más
duro y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers.
Es magnética hasta los 210ºC,
temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas.
- Perlita.
Es un constituyente
compuesto por el 86.5% de ferrita y el 13.5% de cementita, es decir, hay 6.4
partes de ferrita y 1 de cementita. La perlita tiene una dureza de
aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg/mm2
y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas o
placas alternadas de cementita y ferrita. Esta estructura laminar se observa en
la perlita formada por enfriamiento muy lento.
- Austenita.
Este es el constituyente más denso
de los aceros, y está formado por la solución sólida, por inserción, de carbono
en hierro gamma. La proporción de C disuelto varía desde el 0 al 1.76%,
correspondiendo este último porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura
de 1130 ºC.La austenita en los aceros al carbono, es decir, si ningún otro
elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura de 723ºC.
- Martensita.
La estructura resultante denominada martensita, es una
solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal
centrada en el cuerpo. Esta estructura reticular altamente distorsionada es la
principal razón para la alta dureza de la martensita, ya que como los átomos en
la martensita están empaquetados con una densidad menor que en la austenita,
entonces durante la transformación (que nos lleva a la martensita) ocurre una
expansión que produce altos esfuerzos localizados que dan como resultado la
deformación plástica de la matriz.
- Bainita.
Se forma la bainita en la
transformación isoterma de la austenita, en un rango de temperaturas de 250 a
550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la austenita hasta una
temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura hasta la transformación
total de la austenita en bainita.
Características Físicas del Acero
Los aceros son materiales con alta resistencia
mecánica al someterlos a esfuerzos de tracción y compresión y lo soportan por
la contribución química que tienen los aceros. Por medio de los ensayos de
laboratorio se determina la resistencia a tracción y a compresión evaluando su
limite elástico y el esfuerzo de rotura.
Elasticidad: La elasticidad de los aceros es muy alta,
en un ensayo de tracción del acero al estirarse antes de llegar a su límite
elástico vuelve a su condición original.
Soldabilidad: Es un material que se puede unir por
medio de soldadura y gracias a esto se pueden componer una serie de estructuras
con piezas rectas.
Ductilidad: Los aceros tienen una alta capacidad para
trabajarlos, doblarlos y torcerlos.
Forjabilidad: Significa que al calentarse y al darle
martillazos se les puede dar cualquier forma deseada.
Trabajabilidad: Se pueden cortar y perforar a pesar de
que es muy resistente y aun así siguen manteniendo su eficacia.
Oxidación: Los aceros tienen una alta capacidad de
oxidarse si se exponen al aire y al agua simultáneamente y se puede producir
corrosión del material si se trata de agua salina.
Transmisor
de calor y electricidad: El acero es un alto transmisor de corriente y a su vez
se debilita mucho a altas temperaturas, por lo que es preferible utilizar
aceros al níquel o al aluminio.
Diagrama
Hierro-Carbono
Se emplea para la representación de las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura,
admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy
lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo
para completarse.
El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente
representa unas condiciones metastables, se puede considerar que en condiciones
de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de
equilibrio.
En el
diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones
isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de
la figura se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal
correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción
peritéctica.
La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de
red cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de
red cúbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una proporción mucho
mayor. En cuanto al valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se
efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de temperaturas.
La siguiente
línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129ºC, esta temperatura es
la de solidificación del eutéctico.
La última
línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea corresponde a la
temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento
lento la fase gamma debe desaparecer.
En función
del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en dos
partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se
llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 % de
carbono, las cuales se llaman fundiciones. A su vez, la región de
los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los aceros cuyo contenido
en carbono es inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C)
los cuales se llaman aceros hipoeutectoides y la otra compuesta por los aceros
cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros
hipereutectoides.
Tipos de Aceros según el Porcentaje de Carbono
- Aceros Extrasuaves: el contenido de carbono varia entre el 0.1 y el 0.2 %
- Aceros suaves: El contenido de carbono esta entre el 0.2 y 0.3 %
- Aceros semisuaves: El contenido de carbono oscila entre 0.3 y el 0.4 %
- Aceros semiduros: El carbono esta presente entre 0.4 y 0.5 %
- Aceros duros: la presencia de carbono varia entre 0.5 y 0.6 %
- Aceros extramuros: El contenido de carbono que presentan esta entre el 0.6 y el 07 %
Tamaño del Grano en el Acero
El tamaño de
grano tiene un notable efecto en las propiedades mecánicas del metal. Los
efectos del crecimiento de grano provocados por el tratamiento térmico son
fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de
impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia
a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como
también son menos susceptibles al agrietamiento.
El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin
embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual
es deseable a menudo para la carburización y también para el acero que se
someterá a largos procesos de trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a
altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar
temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco
crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido
crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino.
En estos aceros no sólo son importantes las
propiedades de resistencia a la tracción y tenacidad, sino también su buena soldabilidad
obtenida a partir de un reducido nivel de carbono equivalente.
Aleantes y Propiedades que Proporcionan al Acero
Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruracion, que
suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear
frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en
calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente
desde 0,001 a 0,008%.
Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de
aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los
de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea
en cantidades diversas desde 0.30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar
la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la
templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al
desgaste, la inoxidabilidad, etc.Forma carburos muy duros y comunica al acero
mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado
con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o
recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de
endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables
austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.
Niquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar
el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para
producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos
críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente
más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios.
Experimentalmente se
observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza,
un limite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y
resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad
se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación
indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de
piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo
en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno.El níquel es un elemento de
extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y
resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean
porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Es el principal formador de
austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se
utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de
pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil
mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya
que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0.15 y
0.30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al
0.5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en
caliente.se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante.
Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy
complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En
porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la
velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el
hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y
poder cortante en los aceros para herramientas
Tratamiento Térmico del Acero
Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado solido para cambiar sus propiedades físicas.
Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en la reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con el diagrama hierro-carbono.
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